《榆树下的欲望》中的自我转化外文翻译资料

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云顶高度和几何厚度对MODIS红外线冰云反演的影响

KEVIN J. GARRETT, PING YANG, AND SHAIMA L. NASIRI

Texas Aamp;M University, College Station, Texas

CHRISTOPHER R. YOST

Science Systems and Applications, Inc., Hampton, Virginia

BRYAN A. BAUM

Space Science and Engineering Center, University of Wisconsin—Madison, Madison, Wisconsin

(Manuscript received 15 November 2007, in final form 6 October 2008)

摘 要

基于卫星红外观测的冰云微物理和光学特性的反演仍然是一个具有挑战性的研究课题，部分原因是观测到的红外辐射对许多表面和大气参数的敏感性在精细的空间和时间尺度上有差异。在这项研究中，研究了红外线云反演对有效云温度的敏感性，主要研究云顶高度和几何厚度的影响。作者为了说明灵敏度，首先使用离散的纵坐标辐射传递（DISORT）模型模拟了8.5和11.0 mm的亮度温度，样本为五个云顶高度从8到16 km的云和不同的云几何厚度1,2,3,5公里的云。在0.1至10的可见光学厚度范围和30至100mm的冰云有效直径的范围内进行模拟。此外，基于查找表方法，从中等分辨率成像光谱仪（MODIS）测量中反演冰云的有效粒径和光学厚度。具体来说，红外线亮度温度由28层大气的大气红外探测器（AIRS）的2级产品和规定的冰云参数进行模拟。研究了反演的有效粒子尺度和光学厚度比云顶高度和几何厚度的变化。 结果表明，基于8.5-和11.0-mm双光谱方法的反演对于温度小于224 K的云顶最有效，可见光学厚度值在2到5之间。目前的反演也与集合-5 MODIS 的二级冰云产品进行比较。

1.介绍

冰云通过反射太阳辐射和阻止地球的向外的红外（IR）辐射，在调节地球的辐射收支起着重要的作用。 这些云的净辐射效应的确定需要全球性的昼夜气候学，这用卫星观测可以最容易地实现。 目前，冰云属性的参数化是各种大气循环模型（GCM）计算的云辐射效应和与流量测量模型比较的波动性偏差的主要原因（Potter和Cess 2004; Webb等2001）。为了增强对气候预测的信心，需要从基于卫星的仪器对精细空间和时间尺度进行全球观测，以获取对气候研究至关重要的冰云特性，如有效粒径和云光学厚度（Wielicki等，1995） 。气象学家们已经开发了从卫星测量中白天反演云属性的方法。 一种常见的方法是由Nakajima和King（1990）开发的双谱技术，其利用两个波段的反射：一个对云光学厚度敏感的可见非吸收带，另一个波段是对有效粒径敏感的近红外波长，水或冰颗粒是吸收的。这种方法用于中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）中来云反演(Barnes et al. 1998; Platnick et al. 2003).。 已经使用MODIS 1.38-mm反射率数据来反演对于辐射重要的薄且看不清的卷云的光学厚度(Dessler and Yang 2003; Meyer et al. 2004; Smith et al. 1998)，然而同时反演有效尺寸和光学厚度的能力已经用1.38-和1.88-mm反射率测量来证明了（Gao et al.2004）。

多云层大气相关的卫星观测红外辐射不仅对有效粒度和云光学厚度敏感，而且对底层表面性质，温度垂直廓线，水蒸气和其他吸收气体以及云高度和几何厚度都敏感。 在任何反演之前，必须对在特定红外波长下卫星预期观测到的进行模拟，并且模拟需要对这些大气参数的准确了解。 观察到的红外辐射的固有敏感度对这些参数及其在精细空间和时间尺度上的变化性 对于建立起不依赖于太阳辐照度的冰云属性的气候学所需的健全的反演方案构成了挑战，因此对于白天和夜间数据是一致的。

从几个超光谱和窄带红外传感器辐射测量已被用于反演冰云性质和对于大气和地表参数的敏感性分析。750-1000cm21（10.0-13.3mm）的光谱区域已被广泛地用于对冰粒有效尺寸的敏感性的研究。(Bantages et al. 1999; Chung et al. 2000). Wei et al. (2004)使用大气红外探测器（AIRS）观察结果表明，该光谱区域内的亮度温度（BT）的斜率以及来自1070–1135-cm21 (;8.8– 9.3 mm)带的数据可用于推测具有冰云的可见光学厚度（t0.55）光学厚度小于10的云。Li et al（2005）对790-960 cm21（10.4-12.6 mm）和1080-1130 cm21的AIRS观测应用了最小残差技术，以获得有效的尺寸和光学厚度。同样地，黄等人 （2004）使用这些光谱区域，用高分辨率干涉测深仪（HIS）数据反演出冰云特性，数据来自于第一个国际卫星云气候项目区域实验 - 北极云实验（FIREACE）。 这些反演中约10％-15％的误差被证明是由于光学厚度云的假定云温度（高度）和光学薄云的表面温度的误差引起的。 然而，对于t0.55大于5的云，红外亮度温度接近其近似值，导致冰云属性的反演的困难。

已经开发了其他技术来从IR测量中检索云属性。 例如，Chiriaco等人 （2004）使用8.65,11.15和12.05 mm处的观测值来检索冰颗粒的有效尺寸，并将去极化激光雷达测量的检测不确定度降低了20％-65％。 电视和红外观察卫星（TIROS-N）的发射率为8.3和11.1毫米，已被用于反演有效尺寸，独立于大气状态，对云高度或几何厚度几乎没有敏感性(Rauml;del et al. 2003; Stubenrauch et al. 1999)。 Baum等人 （2000）使用来自于MODIS机载模拟器（MAS）数据8.5和11.0 mm的理论计算来推断有效尺寸和光学厚度，当与基于太阳和近IR的检反演相比，光学厚度的一致性，有效尺寸的差异。

使用高光谱或窄带卫星观测来检测冰云属性，即使在优选的窗口通道，是否测量的IR辐射不仅对所需的云特性敏感，而且对许多大气和表面参数也是敏感的。 基于IR的冰云属性检索的准确性提高很大程度上取决于了解与这些大气和表面参数的假设相关的误差。Hong等(2007) 指出，源自IR测量的常见双光谱反演使用了包含着固定几何厚度的云的廓线来开发的预计算查找表。 这表明，在反演云属性中不考虑云几何厚度可能会引起对云属性的过高或过低误估计。与洪等人相似 （2007），我们重点关注利用两个MODIS红外波段8.5和11.0毫米的双谱反演技术对云顶高度以及几何厚度的敏感性。首先，在标准的热带气候中模拟了这两个波长的亮度温度，其中云层具有不同的云顶高度和几何厚度，以评估这些先验假设对我们的基于红外反演的影响，并评估我们的模型（和一般的双光谱后外模型的稳定性）灵敏度，根据云有效温度反演云光学厚度和有效粒径。

此外，然后选择热带太平洋上的MODIS场景，在导出的AIRS云顶压力和1公里几何厚度（案例1）的云顶高度的情况下，反演有效粒径和云光学厚度。在将云顶高度调整到下一个最高和下一个最低AIRS层之后再反演，以评估云顶高度变化对反演的影响。对于具有不同几何厚度的云进行类似的工作，但是固定的云顶高度。 反演结果相互比较，并且相对于MODIS二级运行云产品进行评估。 本文的组织结构如下：第2节详细介绍了本研究中使用的数据和模型。 第3节讨论了具有不同云几何高度的灵敏度分析结果以及不同云几何厚度的分析，第4节分析了反演案例。本研究的总结在第5节中给出。

2.数据和模型

本研究使用了中等分辨率成像光谱仪和Aqua卫星平台上的大气红外探测器获得的辐射测量。 MODIS有36个通道，涵盖范围从0.415到14.235毫米的关键大气带，不同的空间分辨率为250,500和1000米，扫描横跨2330公里（Barnes等人1998）。 在本研究中使用对应于8.5和11.0mm的MODIS中波段为29、31处的1级b辐射数据来检索冰云特性。 然后将检索结果与MODIS集合-5，二级云产品（MYD06）有效尺寸和光学厚度进行比较（King等2006）。

AIRS version-4，level-2标准反演（Chahine等人2002）产品提供28个大气层的气温，压力，臭氧和水分特征，以及云顶压力（CTP） 从缓和的方法（Chahine 1974）。 反演到的表面和大气参数是以45 km 3 45 km的空间分辨率得出的。 在这个分辨率下，可以在一个AIRS像素内显示在数千个1千米的MODIS像素，因此需要数据集的搭配。 在本研究中应该注意，AIRS版本5算法尚未运行。 随着对AIRS探测产品的升级，可以期待的是我们的结果准确率会提高（特别是更精确的冰云出现的上对流层温度探测。）

为了模拟大气顶的红外辐射，我们使用著名的离散坐标辐射传递（DISORT）模型（Stamnes等，1988）。 DISORT需要相位函数的Legendre多项式展开。 为了衰减勒让德多项式展开系数，我们使用源自前一种d-M方法（Wiscombe 1977）的d拟合截断法（Hu等，2000）来截断具有各种有效尺寸的冰云的散射相位函数。

在波长8.5和11.0mm处的辐射的模拟需要考虑到分子在大气中的吸收(e.g., CO2, H2O vapor, O3, CH4, and N2O)的影响。 不考虑大气中的气体吸收可能会影响每个波长的亮度温度模拟多达几个凯尔芬，这将在本次反演中产生很大的不同结果。 在这项研究中，Kratz（1995）开发的相关k-分布计算软件包被用于考虑大气中的气体吸收。 如上所述，AIRS level-2标准检索的反演文件用于确定压力，温度，水蒸气和臭氧。 对于痕量气体曲线，使用表面的恒定气候值，并按每个大气层的压力进行比例。 利用这些廓线，然后计算每个频带处的每个晴空大气层的光学厚度被输入到辐射传递模型中。

为了与二级云产品的MODIS收集-5处理一致，我们使用Baum等人的大块单散射特性报告（2005a，b）。大块冰颗粒模型来自于从热带和中纬度云的五个实地的试验中选出的1117粒子分布谱。 Yang等人（2005）对于选定的MODIS波段被平均为体积单散射性质，并通过MODIS光谱响应函数对以下习惯分布进行加权：D , 60 mm, 100% droxtals; 60 mm , D , 1000 mm, 15% bullet rosettes, 50% solid columns, 35% plates; 1000 mm , D , 2000 mm, 45% solid columns, 45% hollow columns, 10% aggregates; 2000 mm , D, 97% bullet rosettes, 3% aggregates，其中D是最大尺寸。 Baum等人提供了大量单散射性质计算的详细分析。（2005a，b）。

3. 亮度温度对云几何高度和几何厚度的敏感度

红外波长的冰云不仅取决于云的微物理性质，还取决于云本身的有效温度。 反过来，这个有效温度依赖于云的几何高度和几何厚度。 因此，当使用我们的双谱方法反演云光学和微物理性质时，将云层放置到正确的大气层中对于反演精度是至关重要的。 在第3a和3b节，我们分别地定量评估云几何高度和几何厚度（云温度）对模拟红外亮度温度的影响。 根据云属性假设对双光谱反演模型的影响，分析结果。

1. 云几何高度对亮温模拟的影响

我们首先研究了标准热带气候中大气顶部模拟红外亮度温度对云顶高度（温度）的敏感性（McClatchey等，1972）。 这些是我们的查找表所依据的模拟，所以有必要首先衡量云顶高度的影响。 标准热带气候包含34个大气层计算层。 单层云被插入五个不同的层，云顶高度范围为8至16公里，每层具有1公里的不变的云几何厚度。 亮度温度用DISORT模拟，有效直径为30,50和100 mm，可见光学厚度介于0.1到10之间。

Figures 1a, 1c, and 1e显示有效直径为30,50和100 mm的云的模拟亮度温度作为光学厚度的函数分别为8.5和11.0 mm。 黑线为8.5毫米亮温，而轻线对应于11.0毫米亮温。云顶温度从16公里的197k到在8公里的250k。对于每个曲线，每个波长的亮温对于薄云是暖的，并且随着光学厚度的增加而减小，直到它们几乎达到渐近极限，其中亮温收敛到实际的云顶温度。

Figures 1b, 1d, and 1f显示8.5-11.0-mm亮度温差（不同高度的云的BTD8.5-11和有效尺寸为30,60和100 mm为函数的光学厚度，BTD8.5-11与有效直径是我们双谱反演方案的基础。比较有效直径为30,50和100 mm，高16公里云的模拟，BTD8.5-11对于有效直径小的云最大，说明对更小冰粒子的模型有良好的灵敏度。但是对于直径大于50mm的云，BTD8.5-11变得更小，因为模型对较大的冰粒敏感度较低。对于每个光学厚度值，BTD8.5 -11在有效直径为50和100毫米相同高度的云之间略有差异，以支持先前的陈述。

FIG. 1. (a),(c),(e) 作为光学厚度的函数，模拟的8.5和11.0-mm BT分别为30个不同高度的云和De，分别为30,50和100 mm。（b），（d），（f）对于不同高度的五个云作为光学厚度的函数，与（a），（c）和（e）的8.5-11.0mm BT差异。 每个云层厚1公里

此外，将10 km云的曲线与直径为30 mm的粒子相比，云的曲线为16 km，有效直径为100 mm，我们看到BTD8.5-11在每个光学厚度 几乎相同。 因此，

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