通过CALIOP空间激光雷达反演云冰水含量外文翻译资料

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通过CALIOP空间激光雷达反演云冰水含量

Melody Avery, David Winker, Andrew Heymsfield,

Mark Vaughan, Stuart Young,Yongxiang Hu, and Charles Trepte

2011年12月5日投稿；2012年2月8日修订；2012年2月15日通过；2012年3月13日发表

[1]冰水含量（IWC）剖面是利用云-气溶胶正交偏振激光雷达（CALIOP）卫星激光雷达的消光反演，从几次航空器领域活动期间获得粒子探测器的观测进行参数化得出的。现在有超过五年的数据可用，CALIOP IWC非常适合描述对气候敏感的对流层上部/平流层下部，需要可靠的全球IWC观测以减少气候模型的不确定性。我们描述CALIOP IWC并将它与2007年8月以全球卫星为基础的区域飞机IWC观测进行比较。在热带云层中的对流云中,IWC的分布、化学过程、组成以及气候实验表明IWC原位测量对温度依赖的差异，IWC通过CloudSat 和CALIOP反演，利用机载云物理激光雷达(CPL)532 nm消光系数参数化。当温度高于-50℃，CALIOP IWC反演相比其他仪器显示较少的云冰，原因在于信号衰减以及水平向冰晶的遮挡。在12 km以上，温度下降到低于-50℃的地方，CALIOP与原位IWC观测相比较好。原位测量在12 km以上的地方受到限制，需要更多的低温比较。全球纬向平均IWC表明，当海拔超过9 km，CloudSat IWC大致比CALIOP IWC高了一个数量级,符合更高的探测阈值。当平均达到微波边缘探测器(MLS)的垂直分辨率特性，人们发现CALIOP和MLS IWC的全球纬向平均大约会 / - 50%。引用：Avery, M., D. Winker, A. Heymsfield, M. Vaughan, S. Young, Y. Hu, and C. Trepte (2012),Cloud ice water content retrieved from the CALIOP space-based lidar, Geophys. Res. Lett., 39, L05808, doi:10.1029/2011GL050545.

1.简介

[2]云-气候反馈反映气候变化预测不确定性的最大来源[Dufresne and Bony, 2008]。除此之外，决定云辐射对气候的影响还取决于云的垂直结构，粒子位相和总含水量。云的冰水含量是一个重要的云参量，与大多数大气的热力学性质，特别是温度、云微物理以及辐射特性有关。受到我们对气候变化模型预测的信心的重要影响，当前全球气候模型显示出较大的差异即使是冰云全球平均数量的预测[Waliser等，2009]。近年来一直缺乏能约束模型评估的全球观测数据集。MLS、CloudSat、以及CALIOP新推出的垂直测量为大大提高冰云的约束条件提供了可能性。

[3]从历史上看，由于云的多层结构、复杂的微物理特性，以及被动反演容易受到云顶附近局部特性的控制，被动传感器对云冰垂直方向上的反演是不确定的。云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)卫星，发射于2006年4月，它的一个主要科学目标是提供全球范围内云系的垂直结构探测，特别是薄卷云，极地云和多层云。2010年5月V3.01数据发布，CALIPSO团队提供了一个由云-气溶胶正交偏振激光雷达（CALIOP）消光反演参数化得到云的冰水含量的结果，可以用来评估全球气候模型，并描述季节到年际云的变化。

[4]这篇论文描述了CALIOP冰水含量(IWC)产品。CALIOP V3.01 IWC评估的发起是为了与其他IWC测量值和反演进行比较。2007年8月，在热带对流云就热带云层、组成、化学过程和气候(TC4)实验进行了密集的远程和原位飞机观测[Toon等，2010]。2007年8月5日NASA飞行器飞行轨迹和CALIOP的轨迹重合，并比较了这一天的IWC测量值。全球纬向平均CALIOP、CloudSat以及微波边缘探测器(MLS)IWC的反演也在2007年8月进行了比较。

2.CALIOP冰水含量特征

[5]CALIOP IWC由CALIOP 532 nm云粒子的消光剖面得出，CALIOP是一个双波段、双极化弹性后向散射激光雷达，[Winker等，2009和 Hunt等，2009]。沿着335米轨道把直径70米的激光脚点隔开，从而产生沿轨道衰减的后向散射剖面。通过应用阈值技术得到的剖面数据来检测云和气溶胶层[Vaughan等，2009]。云不同于气溶胶层[Liu 等，2009]，云的热力学相由使用垂直分解去极化信号和温度信息决定[Hu等，2009]。颗粒物体积消光系数剖面由衰减的后向散射截面反演得到[Young and Vaughan，2009]。只要有可能，消光反演受到云层透光率测量的限制。否则，消光使用基于云类型和云相分配的先验微粒消光-后向散射比(激光雷达比)进行反演。卷云颗粒小角度的前向散射明显减少了粒子消光。为了校正这个问题，反演得到的明显消光除以多次散射系数0.6[Winker等，2009；Young and Vaughan，2009]。然后冰水含量通过使用最小二乘法拟合体积消光系数和IWC测量确定的幂律参数化，由这些云相已被确定为冰云的地区消光反演计算得出[Heymsfield等，2005，hereinafter HWZ05]。

[6] HWZ05 IWC参数的形式：

其中，系数a = 119，b = 1.22 ，IWC的单位为g/m³ ，消光系数sigma;的单位为m^-1。

[7] HWZ05从对热带、亚热带和中纬度冰云三次飞机领域活动的原位测量和反演过程中得出这种关系。收集到的大多数温度数据高于-60℃，并发现IWC-消光关系对温度只有很小的依赖性。[Protat等， 2010]利用地基激光雷达测量评估HWZ05参数，并发现除了在非常寒冷的温度之外HWZ05可以正常工作，相对于其他反演，在非常冷的温度下HWZ05会低估IWC。

[8] 由于HWZ05 IWC参数化的发展，人们已经认识到粒子探针可以使较大的云粒破碎，产生异常高浓度的小颗粒使得消光被高估[Jensen等，2009； Korolev等，2011]。对方程(1)的修正说明人们正在研究颗粒破碎的原因(A. Heymsfield, manuscript in preparation, 2011)。

[9]水平范围为5 km的卷云的CALIOP 532 nm消光系数的探测阈值平均值大约在0.005〜0.02 km^-1 [McGill等，2007；Davis等,2010]，相当于a = 238时，由方程（1）得出的 IWC在0.1〜0.4 mg/ m³。CALIOP探测阈值在白天较低而夜间较高，是由于在夜间信噪比的提高。CALIOP的信号可以穿透光学厚度为3-5的冰云。但是，在穿透云的过程中，消光反演随着光学厚度的增加对激光雷达比率的误差会变得更加敏感[Winker等,2009]，导致IWC达到一个大约100 mg/m³的上限。取样也受到了信号衰减的限制，并且消光误差与双向透射率大致成反比。上文的8 km CALIOP双向透射率在95％或超过95％的截面中是大于0.1的，除了在以ITCZ为中心的5-10°的纬度带稍微低于75％ [Winker等，2010]。因此在本文中给出的比较仅限于8 km及以上，这样CALIPSO IWC反演更为可靠。

[10] CALIOP IWC反演的不确定性主要受到用于消光反演的云激光雷达比的先验值的不确定性的影响，并且通过多次散射以及IWC参数本身的校正。因为当消光反演的误差影响到IWC，数据将被屏蔽以消除消光，这需要对先验激光雷达比进行较大的调整从而配合解决方案。在云冰和液态水的过渡区域，可以形成水平方向的冰（HOI）晶体[Hu 等，2009]，CALIOP光束从近天底点会产生不规则的高的后向散射，在这种情况下不能反演出准确的消光估计。因此，利用云热力学相已经可以筛选出含有HOI的 CALIOP云层，虽然这可能导致当与包括HOI的数据集相比时，温度低于-50℃的IWC值会偏低。

1. 全球统计与区域统计的比较

[11] 任何两组IWC测量值的比较都存在严格的时间和空间采样的差异。CALIOP激光雷达实际上是来自以7 km/s 的速度移动的卫星产生的一系列70米直径的激光剖面，如此完美得时空巧合是不存在的[van Zadelhoff等，2007]。其他的卫星仪器有更大的分辨率，所以CALIOP测量结果在这些较大的样本中可能并不具有代表性，只有在极少数情况下做原位测量，在时间和空间上与CALIOP的几个距离库相吻合。为了第一次看到CALIOP V3.01 IWC与其他的测量值相比之下如何，通过远程和原位飞机观测构造随温度变化的概率分布来完成初步研究。第二个研究是与其他卫星仪器比较CALIOP的全球平均分布。

图1 （a）2007年8月5日TC4实验期间在对流复合云中测量的CALIOP和ER-2 CPL 532 nm综合衰减的后向散射，显示了3小时后对流复合云的飞机采样和A-列车卫星星座之间有较好的一致性。（b）2007年8月5日可见的GOES云影像和ER-2、WB-57以及DC-8飞行轨道。（c）CALIOP V3.01激光雷达反演飞机采样的混合云的冰水含量（IWC）。（d）CloudSat R04 CWC-RVOD IWC反演。

[12] 2007年8月5日 TC4飞行实验期间[Toon等，2010]，在巴拿马湾通过NASA的ER-2，WB-57和DC-8以及A-列车卫星星座协调的对流复合云取样是一致的。对流云进行飞机采样后，A-列车会忽略2-3小时后的同一对流复合体。图1a显示的是CALIOP和ER-2 CPL532 nm衰减的后向散射，尽管时间滞后飞机与A-列车激光雷达采样是相吻合的，但是GOES图像和衍生光学厚度表明，对流仅在A-列车卫星星座后减少了。图1b显示的是DC-8（原位测量），WB-57（原位测量）及ER-2（远程观测）飞行轨道。图1c和1d显示的是CloudSat R04 CWC-RVOD和CALIOP V3.01反演IWC廓线，突出显示了雷达和激光雷达之间的采样差异。

图2 2007年8月5日TC4期间在热带对流复合云的4个垂直范围云的IWC标准测量频率曲线。云的冰水含量由CALIPSO上的CALIOP和CloudSat上的CPR反演得到。V3.01 CALIOP IWC由实线显示，虚线是乘以系数2得到的。两倍的CALIOP V3.01 IWC参数用于CPL 532 nm消光反演。原位冷凝水含量测量值（实线）是利用DC-8上的CVI仪器（a和b）和WB-57上的CLH仪器（c和d）得到的。原位IWC测量值由两架飞机上的2D-S探针得到，用实线显示。

[13] 图2显示的是通过CALIOP和CloudSat卫星在对流复合云内的4个垂直范围反演IWC的分布规律；8-10 km，10-12 km，12-14 km及14 km以上，对应于云的4个温度范围。 利用HWZ05的CALIOP IWC显示的（实线）与由加倍的HWZ05参数化，即等式（1）的系数a 翻倍到238（虚线），得到的IWC 一样以此来校正粒子的削弱效应。卫星观测的分布是由通过应用加倍的HWZ05云物理激光雷达（CPL）532 nm的消光反演得出的IWC分布和由DC-8和WB-57原位测量得出的IWC一起显示。图2所示的8-12 km的原位测量分布是通过逆流虚拟撞击（CVI）以约0.004g m^-3的探测界限得出的[Twohy等,1997]。我们假定8 km以上是冰，CVI测量的是总的冷凝水含量。为了比较，由2D-立体光学数组探针（2D-S）得到的IWC粒径分布数据[Lawson等,2006]也会显示。我们利用0.2 mg m^-3探测限度的闭路激光湿度计（CLH）来观测12 km以上[Davis等，2007]，并显示WB-57的2D-S IWC反演。8-10 km的CPL数据由于飞行轨道东部边缘深厚云层的信号衰减而不能显示。CloudSat的数据在14 km以上不能显示，因为雷达对那里较小的冰晶粒子不敏感。在12 km以上HWZ05参数与原位测量的数据相比差不多，但是CPL的结果稍高。CloudSat IWC的测量值也比CALIOP IWC大。在14 km以上较冷和高海拔地区需要更多的数据来证明IWC值的测量或反演。在10-12 km CPL测量的IWC分布与CVI非常相似，一个令人振奋的迹象表明HWZ05参数化是相当准确的。CALIOP IWC测量分布比CVI和2D-S在8-10 km和10-12 km都低，这可能由于在飞机采样和卫星观测中信号的衰减，以筛选鉴定HOI或2-3小时内云层的变化。

图3 2007年8月对流层上层5°纬向平均上的冰水含量的比较（a)CALIOP 云的IWC反演(b)CloudSat云的IWC反演，(c)CALIOP 对应于MLS垂直取样的4-5 km平均垂直分辨率大小和(d)MLS利用7.64 km的大气标高将压强转换为海拔。

[14] 图3a表示CALIOP IWC在5°的水平向和1km垂直分辨率上的纬向平均，与图3b同样的CloudSat R04 RVOD（受MODIS可见光学厚度约束的雷达IWC反演）IWC数据的平均进行比较。图3a和3b的纬向平均值仅包含IWC反演，并且仅显示了9-13 km雷达和激光雷达反演最有可能重叠的地方。在此分析中，我们

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