星载测雨雷达和测云雷达探测的夏季高原云和降水特征研究

摘要

云和降水在气候变化中具有重要意义，使用卫星多仪器多通道联合观测云和降水已经成为当前大气遥感和气候变化领域的研究热点。青藏高原通过热-动力作用，对区域气候变化具有极大影响，被称为全球气候变化的“驱动机与放大器”，研究高原云和降水具有重要意义。同时，不同类型的云和降水形成的热-动力过程和微物理过程不同，因此，针对青藏高原不同类型的云和降水特征进行研究，可以更好地理解高原云和降水形成的热-动力和微物理过程，为模式提供参考依据，提高模式预报的准确性。
　　本文利用热带测雨卫星(TRMM)搭载的测雨雷达(PR)和可见光/红外扫描仪(VIRS)1998-2012年的融合资料，研究了青藏高原夏季不同类型降水的水平分布、光谱信号、垂直结构和日变化特征，以及各类型降水之间的关系。同时，借助CloudSat-CALIPSO的云层分类，在气候尺度上考察不同云层类型云量的分布、垂直结构、微物理特征和云辐射等属性上的定量差异，并分析了相应的大气环境特征以及白天和夜晚云分布的不同。论文还研究了不同地形下降水的水平分布、光谱信号、垂直结构、大气环流和日变化特征，揭示了地形对降水的影响。论文主要取得的结论如下:
　　1.深厚降水和浅薄降水的气候特征
　　夏季高原降水主要以深厚弱对流降水为主(67.8％)，浅薄降水次之(26.4％)，深厚强对流降水出现最少(5.8％)，相应的条件降水强度分别为1.3，1.4和9.5mm/h，对高原总降水的贡献分别达18.5％,51.2％和30.3％。不同云顶红外辐射温度的平均降水廓线表明，深厚降水从回波顶高度至近地面高度均经历先增大，后减小的过程，而浅薄降水只有增大过程。深厚强对流和深厚弱对流降水频次峰值均出现在16:00 LT(当地时，下同)，降水强度峰值分别出现在18:00 LT和13:00LT，其中深厚强对流降水强度在00:00 LT还出现次峰值。浅薄降水的降水频次及强度峰值均出现在20:00 LT，呈现夜雨特点。深厚降水和浅薄降水云顶红外辐射温度日变化特征相似，最低值均出现在19:00 LT。研究还表明，深厚强对流和深厚弱对流降水具有明显的东移特征，其中深厚弱对流降水的东移特征更为明显，而浅薄降水无明显的东传特征。
　　2.不同相态降水云的气候特征
　　以云顶相态定义的青藏高原降水类型统计表明，夏季高原主体降水以冰相降水为主(43.01％)，其次是冰水混合相1型降水(38.85％)和冰水混合相2型降水(17.79％)，水相降水最少(0.35％)。各类型降水强度均较小，主要集中在0.5～2mm/h范围内。空间分布表明，冰相和冰水混合相降水的频次和强度均自高原西部向东部增加，而其降水回波顶高度自高原西、中部向东部降低。根据降水垂直廓线在不同高度上相对的稳定斜率，各云顶相态云的降水垂直结构均可以分为两层:第一层从回波顶高度至近地面7.25 km高度，回波强度随着高度的降低不断增强;第二层从7.25 km高度至近地面高度，回波强度随着高度的降低逐渐减弱。降水日循环曲线表明，在高原西部，冰相降水和混合相降水频次峰值均出现在16:00 LT附近，降水发展过程不显著;在高原中部和东部，冰水混合2型、冰水混合1型和冰相降水频次的位相依次向后推移2小时，表明这些地区降水的发展过程显著。且90°E以东地区，各类型降水位相自西向东依次向后推移，表明了对流系统自西向东传播的过程。
　　3.云结构气候特征
　　夏季高原云覆盖率高达86.79％,主要以单层云为主(56.86％)，双层云次之(24.47％)，随着云层数增加，云所占比例递减。单层云相对高值区集中在高原北部，多层云整体呈东南向西北递减的分布形式。云顶最大高度约为17km，云概率在7.5 km高度达到最大。单层云的厚度大于多层云，且上层云的值一般小于下层云。单层云的各微物理量特征值（粒子数密度、云水含量和粒子有效半径）大于多层云，上层云的值一般小于下层云，且各微物理量值均随雷达反射率呈指数性增长。云的短（长）波辐射为加热（冷却）效应，单层云的冷却（加热）效应大于（小于）多层云。高原降水以液态降水为主，其次为固态降水，毛毛雨降水最少，且毛毛雨主要发生在多层云降水中。大气垂直廓线表明，中低层温度越高，比湿越大，气压越高越有助于多层云的形成。云分布昼夜差异显著，单层云白天所占的比例(62.99％)高于夜晚(51.00％)，而双层云和三层云白天的比例均低于夜晚，表明多层云更易发生在夜晚，这与夜晚近地面比湿大和气压高有关。液态降水白天所占比例大于夜晚，而固态降水和毛毛雨则相反。
　　4.喜马拉雅山陡峭地形上降水特征
　　本文利用1998-2012年5-8月的TRMM PR和VIRS融合数据研究了喜马拉雅山陡峭地形及其周边区域，包括恒河平原(flat Gangetic Plains-FGP)、喜马拉雅山山脚(foothills of Himalayas-FHH)、喜马拉雅山陡坡(steep slope of southHimalayas-SSSH)和喜马拉雅山-高原抬地(Himalayas-Tibetan Plateau tableland-HTPT)的降水特征，并结合ECMWF再分析资料，研究了相应区域的大气环流特征。研究结果表明，降水频次从FGP经FHH显著增加，在SSSH的2.5km高度处达到最大值，然后随地形的继续增加单调减小，最小值出现在HTPT。降水强度在FGP、FHH、SSSH和HTPT的值依次为4mm/h，5.5 mm/h，2～4 mm/h和低于2 mm/h。20 dBZ回波顶高度在FGP最高，达16km，然后依次为FHH(15.5km)，SSSH(14km)和HTPT(14 km)。同时，地形对降水云的云相态特征影响也较大。在FGP、FHH和HTPT，60％以上的降水云顶是由冰粒子组成，然而在SSSH，70％以上的降水云顶是由冰水混合粒子组成。研究结果还表明在SSSH产生的强降水频次和喜马拉雅山地形抬升引起的强烈上升运动密切相关。暖湿的洋面气流在FHH被SSSH阻挡，在低层产生辐合，致使最强降水强度发生在FHH。代替地形高度，文中定义的地形指数与降水参量有显著的线性关系，表明地形指数在复杂地形降水的分布中具有很好的指示意义。降水日变化空间分布呈现显著的区域性差异，HTPT、FGP降水频次峰值位于午后，SSSH降水频次有两个峰值，分别出现在午后和傍晚，FHH降水频次峰值位于午夜至凌晨期间。大气环流具有明显的日变化特征，且与降水的分布有很好的对应关系，垂直运动向上，低层辐合，高层辐散的距平环流场有助于降水的产生。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究意义

1．2 相关工作研究进展

1．2．1 高原降水研究进展

1．2．2 高原云研究进展

1．2．3 高原复杂地形对大气环流和降水的影响

1．3 论文拟解决的科学问题

1．4 论文研究内容

第2章 资料和方法

2．1 资料

2．1．1 TRMM卫星数据

2．1．2 CloudSat卫星数据

2．1．3 数字地形资料

2．1．4 探空和地面逐小时降水数据集

2．1．5 再分析资料

2．2 方法

2．2．1 降水分类方法

2．2．2 云分类方法

2．2．3 融合方法

2．2．4 谐波分析方法

2．2．5 格点化方法

2．2．6 地形强迫垂直速度计算公式

2．2．7 参量定义

第3章 夏季青藏高原深厚及浅薄降水云特征

3．1 降水水平分布特征

3．2 红外信号特征

3．3 降水垂直结构特征

3．4 日变化特征

3．5 本章小结

第4章 基于云亮温分类的夏季青藏高原降水研究

4．1 降水水平分布特征

4．2 降水垂直结构特征

4．3 降水日变化特征

4．4 降水类型之间的关系

4．5 本章小结

第5章 夏季高原云结构特征

5．1 云概率分布特征

5．2 云垂直结构特征

5．3 云微物理量特征

5．4 云辐射特征

5．5 多层云系的类型特征

5．6 大气垂直结构特征

5．7 昼夜差异

5．8 本章小结

第6章 喜马拉雅山陡峭地形上降水特征

6．1 区域划分

6．2 降水的水平分布和垂直结构特征

6．3 降水云的云相态特征

6．4 地形对降水的影响

6．5 大气环流的垂直特征

6．6 降水日变化特征

6．7 大气环流日变化特征

6．8 本章小结

第7章 全文总结和展望

7．1 本论文主要结论

7．11 深厚对流和浅薄降水云特征

7．12 基于云亮温分类的降水特征

7．13 高原云结构特征

7．14 喜马拉雅山陡峭地形上降水特征

7．2 论文工作的创新点

7．3 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表文章情况及会议报告