基于CPR和MODIS探测结果的云顶温度和云顶高度反演研究

摘要

云在环境和气候中扮演一个重要的角色，是地球辐射收支中的一个非常重要成员。随着越来越多先进的气象卫星平台(如Aqua卫星)和仪器投入使用，利用多通道多仪器的联合观测可以对云的宏观和微观参数进行更精确的反演研究。本论文利用Aqua卫星的MODIS仪器和Cloudsat卫星的CPR仪器联合探测结果，并结合SBDART模式的模拟，建立了一种准确反演云顶温度的算法和云顶高度的统计反演算法。
　　 HDF数据格式：
　　 本文首先对气象卫星遥感数据的存储格式HDF的数据格式的特点和结构进行了分析，尤其对HDF5数据格式的三种模型和文件结构进行了深入研究。提出读取HDF数据的流程，并给出了采用两种不同方法读取HDF5数据的代码。
　　 云顶温度反演算法：
　　 通过SBDART模式，对11μm通道辐射的敏感参数(云光学厚度、云几何厚度、粒子有效半径、云顶高度、水汽、海表温度)的敏感性进行了详细的分析。根据参数敏感性模拟分析结果和红外辐射传输公式，获得了云顶温度反演的校正公式，然后利用辐射传输模式对11μm通道亮温的模拟结果，通过多元曲线拟合来确定算法所涉及的相应系数，从而建立一种准确反演云顶温度的算法，并利用模式对反演算法进行了初步检验。
　　 云顶高度反演算法：
　　 利用Cloudsat数据，我们对CPR反演云顶高度的两种算法(雷达反射率方法和云层检测方法)进行了考察，并对地表回波的影响进行了分析。结果显示雷达反射率方法在阈值选为25dBZ，且扣除地表回波干扰后，获得的云顶高度结果相对来说最理想。之后，分析了以云顶高度和云顶温度阈值划分的高、中、低云量的全球分布和季节变化。最后，对三年夏季(7月)和冬季(1月)的样本，按照季节、纬度、光学厚度等条件，进行了云顶高度和云顶温度的关系的统计拟合研究，建立一种云顶高度反演的简单算法，并对这种算法进行了检验。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1 研究背景

1.1.1云在天气和气候中的作用

1.1.2云类型的划分

1.1.3云顶高度和云顶温度参量的作用

1.2 研究现状

1.2.1 卫星遥感反演原理

1.2.2云参数的反演

1.2.3云顶温度和云顶高度反演

1.3 研究目的及内容

第二章资料和模式

2.1 MODIS和辐射产品

2.1.1 MODIS仪器介绍

2.1.2 MODIS1B级辐射数据

2.2 CPR仪器和数据产品

2.2.1 Cloudsat和CPR介绍

2.2.2 Cloudsat数据产品

2.3 MODIS和CPR的融合产品MODIS-AUX

2.4 SBDART模式

第三章HDF遥感数据格式及数据提取研究

3.1 概述

3.2 HDF格式特点和文件结构

3.2.1特点和优势

3.2.2文件结构

3.3 HDF5的三种模型

3.3.1 HDF5抽象数据模型

3.3.2 HDF5与HDF4的数据模型区别

3.3.3 HDF5存储模型

3.3.4编程模型和API

3.3.5三种模型的关系及采用的数据结构

3.4 HDF-EOS格式介绍

3.4.1点数据

3.4.2扫描带

3.4.3网格数据

3.5 常用的HDF数据提取流程和工具

3.6 小结

第四章云顶温度反演的模拟研究

4.1 11μm通道敏感度模拟分析

4.1.1 晴空条件

4.1.2有云条件

4.1.3交叉敏感度分析

4.2 云顶温度反演

4.2.1 基本原理

4.2.2单变量拟合

4.2.3多变量曲线拟合

4.2.4云顶温度和几何厚度迭代反演

4.3 反演算法的可能误差来源

4.4 总结

第五章基于统计的云顶高度反演算法研究

5.1 CPR反演云顶高度算法分析

5.1.1 CPR的敏感度分析和地表反射回波影响

5.1.2两种反演算法及比较

5.1.3小结

5.2 云顶高度与红外亮温的关系

5.2.1云光学厚度的季节性分布

5.2.2云的划分

5.2.3高、中、低云的云顶高度与11μm通道亮温统计关系

5.2.4小结

5.3 云顶高度与红外亮温的统计拟台

5.3.1低纬度地区的统计拟合分析

5.3.2北中纬度地区的统计拟合分析

5.3.3北高纬度地区的统计拟合分析

5.3.4其他区域的统计拟合分析

5.3.5云顶高度统计拟合结果的分析

5.3.6云顶高度拟合反演结果的检验

5.4 小结

第六章总结与展望

6.1 本论文的主要研究成果

6.2 本论文工作的创新点

6.3 未来工作展望

参考文献

附录 A HDF5读取的C代码

在读期间发表的学术论文

致谢