CALIPSO自动激光雷达和被动IIR测量联用探测粉尘气溶胶外文翻译资料

 2022-11-24 15:50:02

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CALIPSO自动激光雷达和被动IIR测量联用探测粉尘气溶胶

B.Chen1,J.Huang1,P.Minnis2,Y.Hu2,Y.Yi3,Z.Liu4,D.Zhang1,and X.Wang1

摘要：版本2的云-气溶胶激光雷达和红外开拓者卫星观测（CALIPSO）粉尘层的探测方法，是仅基于激光雷达测量，该方法将塔克拉玛干沙漠上空大约为43%的粉尘层（主要是浓厚的粉尘）错误地划分为云层。为了解决这一问题，通过结合CALIPSO云-气溶胶激光雷达与正交极化组合（CALIOP），并采用被动成像辐射计（IIR）测量，开发了一种新的方式。这种结合激光雷达和IR测量（以下称CLIM）方法使用IIR三光谱IR亮度温度来区别冰冷的云和浓厚的粉尘层，而激光雷达仅用于测量稀薄的粉尘层和水云层。在10.60至12.05mu;m（BTD11-12）范围内亮度温度显著不同，浓厚尘层得到典型阴性结果，而带冰云层大多得到阳性结果，但是对于CALIPSO激光雷达可以准确识别的稀薄尘层，可得到从阴性到阳性变化的结果。结果表明，CLIM方法对于塔克拉玛干沙漠上空在2008年春天沙尘活跃季节，能有效地将误判比例大约降至7%。相比于CALIPSO版本2的数据，CLIM法揭示至少18%尘层在源区1.8-4千米上空后向散射大大加强这一现象的原因。这些结果有助于对粉尘的气候效应做出精确的估计。

  1. 引言

干旱和半干旱地区排放的矿物沙尘通过散射和吸收太阳辐射来改变大气辐射平衡，通过吸收和向外界发射长波辐射（Tegen,2003;Huang et al.,2006a;Slingo et al.,2006），在气候中具有重要地位，这种现象也被称为“气溶胶的直接效应”。矿物沙尘也会引起云性能的改变，比如云滴的数浓度和尺度，这些则会改变云的反照率和生命史（Albrecht,1989;Twomey et al.,1984;Huang et al.,2006b;Su et al.,2008）,这种现象称为“气溶胶的间接效应”。要将这些影响进行量化是非常困难的，所以，粉尘气溶胶在气候变化中所起作用里面，存在大量的不确定性。位于蒙古和中国北部的戈壁滩，以及中国的塔克拉玛干沙漠，是东亚两个主要的沙尘源区。产生于塔克拉玛干沙漠和戈壁滩的沙尘气溶胶经常通过盛行西风带向东输送，能越过中国，朝鲜，韩国和日本（Iwasaka er al.,1983;Zhang et al.,1997;Murayama et al.,2001;Uno et al.,2001;Natsagdorj et al.,2003），有时候被携带的更远，能穿过太平洋到达北美（Uno et al.,2001;Husar et al.,2001;Sassen,2002）。

云-气溶胶激光雷达和红外开拓者卫星观测（CALIPSO）任务在2006年4月发射成功（Winker et al., 2006, 2007），并提供了有价值的粉尘气溶胶信息，有助于在全球尺度上来阐明沙尘气溶胶的气候作用和辐射影响。CALIPSO卫星主要的有效负荷是一个可发射双波长的极化敏感后向散射激光雷达，即云-气溶胶激光雷达与正交极化组合（CALIOP）。在被称为“午后列车（A-Train）”的卫星群所携带的众多设备中，CALIOP在测量全球大气中云和气溶胶高分辨率的垂直剖面的能力是特有的（Winker et al., 2004）。CALIOP数据一直被用于研究西藏沙尘的发生（Huang et al., 2007a），粉尘气溶胶的长距离输送（Z. Liu et al., 2008;Huang et al., 2008），粉尘气溶胶在全球范围内不同高度的分布（D. Liu et al., 2008），中国上海粉尘气溶胶长距离的垂直分布（Chen et al., 2008），撒哈拉沙漠的粉尘向外输送（Generoso et al., 2008），和塔克拉玛干粉尘气溶胶辐射加热（Huang et al., 2009）。Kim等(2008)通过对比一个远离尘源的地点——韩国首尔的CALIOP和地面激光雷达数据，证实CALIPSO算法区分云和气溶胶，以及检测层顶和层底海拔高度是可信的。然而，如Z.liu等(2009)指出，现在（这篇文章的时间）CALIPSO数据发布（版本2）中，存在一些云和气溶胶分类错误的例子。版本2的算法采用一个云和气溶胶区分（CAD）方案，是基于衰减后向散射的三维的（3-D）概率分布函数（PDFs），整层颜色比率，和中间层海拔高度。3-D PDFs是由空间技术试验中航天飞机搭载的激光雷达（LITE）和机载激光雷达（Liu et al., 2004）测量发展而来的。在源区上空或附近的浓厚的粉尘层被版本2 CAD算法（V2-CAD）误认为是云一个典型的事件，因为粉尘层的特性是在一个所选择的三维空间中重叠了云的PDFs的区域里。尽管由于浓厚尘而导致的云和气溶胶分类错误的部分在全局上看很小，但在源区沙尘活跃期，却发生的非常频繁。

这篇文章尝试利用由CALIPSO提供的激光雷达和红外图像辐射计（IIR）同时的测量形成一种不同的方法。红外（IR）测量早就被用于探测沙尘暴（Shenk et al., 1974;Legrand et al., 1985,2001;Ackerman et al., 1997）。通过对比8-11mu;m波段和11-12mu;m波段亮度温度的不同（BTD），能够将粉尘从海洋和陆地上空的干净天空中辨别出来。这种IR BTD方法在沙尘暴的探测中非常有效（Roskovensky et al.,2003, 2005;El-Askary et al., 2006;Legrand et al., 2001），但在探测有可能远离沙尘源区的稀薄尘层时经常失效。探测全球沙尘最好的办法可能就是结合激光雷达和IR测量了。

第二部分展示了研究中用的数据。第三部分描述了两个试验例子，第四部分概述了粉尘辨别方法，第五部分讨论了2008年数据的验证和误差分析，第六部分描述了塔克拉玛干沙漠粉尘的发生和垂直剖面。最后，在第七部分给出了结论和讨论。

  1. 卫星和地表数据
    1. CALIPSO数据

CALIPSO搭载了CALIOP,IIR和广角照相机。CALIOP是为了在轨道的白天和夜晚阶段，从接近垂直俯视几何结构中获取两个波段（532和1064nm）的弹性后向散射垂直剖面而设计的。除了两个波段的总后向散射，CALIOP还提供532nm的线性去极化剖面。

IIR是法国对CALIPSO搭载的贡献，由SODERN公司研发，该公司作为主要承包者，具有中央drsquo;Etudes Spatiales。这一设备在热红外中包含三个成像辐射计，分别是8.65mu;m，10.60mu;m和12.05mu;m（见表1）。IIR图像提供了激光雷达测量环境，允许与Aqua搭载的MODIS多重光谱的辐射计图像配准。这篇文章使用CALIOP level 1B和level 2 VFM数据（版本2），和IIR lvevl 2 Swath Beta(版本2)。

表1 红外辐射成像计（IIR）的窗口频道特征

    1. 云卫星数据

云卫星是在2006年4月28日发射的，是NASA地球系统科学开拓者项目和午后列车卫星群的一部分，它搭载了第一个航天器上的毫米波长雷达（Stephens et al., 2002）。在云卫星上作云剖面的雷达（CPR）以94GHz的频率运转，只在最低点方向名义上地瞄准。CPR发射长度为3.3ms的脉冲，所以垂直分辨率大约为480米。后向散射信号的重复取样导致一系列240米的栅间距。本文使用了云卫星level 2B-CLDCLASS数据。

    1. MODIS 数据

Aqua是在2002年5月发射的，这个卫星是近极地的低轨卫星，携带了六个地球观测设备，所以收集了各种各样的全球数据。中分辨率成像光谱仪（MODIS）就是这些设备中的一个。MODIS是一个具有36波段的光谱仪，可测量可见光和红外辐射。本文使用了Aqua MODIS level-1B 500m校准辐射。

2.4 地表观测

用于独立地识别粉尘情形的地表气象数据是从中国甘肃气象局，日常标准地表观测和日常图中获取的。

    1. 数据选择

分析了2007和2008年春天（三月到五月）塔克拉玛干沙漠（36o-42oN，72 o-92 oE）上空的所有白天的数据。为了简化分析并和别的卫星数据、地表观测进行验证，本研究中只用了单一特征层（在一张CALIOP剖面图中，所有临近特征间距低于0.6千米）数据

3 个例研究

在这一部分检测了塔克拉玛干沙漠上的一次沙尘暴（例一，2007年4月22日）和一次浮尘事件（例二，2007年5月10日）。

3.1 例一

2007年4月22日，塔克拉玛干沙漠上发生了一次沙尘暴。图1a表示在世界时06:00，大约在CALIPSO经过的1.5个小时前，地面站点的观测。在距离CALIPSO轨迹较近的地面站点中，21个站点记录了扬尘，和能见度大约为1km相对应。7个站点记录了能见度约为2km的扬尘。2个站点记录了有沙尘暴，且能见度低于1km。风速普遍在7-12m/s，但有些站点风速超过13m/s。这样的风速条件满足沙尘暴的产生并维持（Chen et al., 1995）。Aqua MODIS红绿蓝彩图表明在37.3o-42.0oN有明显的沙尘（图1b）。

图1 （a）2007年4月22日06:00 UTC地面站点观测。红色星号代表沙尘暴，蓝色星号代表扬尘，绿色星号代表浮尘。箭头表示地表风速：黑色（lt;2m/s），蓝色（3-6m/s），紫色（7-12m/s），红色（gt;13m/s）。（b）2007年4月22日塔克拉玛干沙漠上空Aqua MODIS实色图。红、绿、蓝分别是0.65mu;m，0.56mu;m和0.47mu;m频道的强度。黄线表示CALIPSO最低点轨迹，蓝色段表示单一特征层

来自垂直俯视的云卫星雷达的独立观测（图2a）没有表明这一区域上空的任何云。云卫星观测比CALIPSO提前了12.3秒。由V2-CAD衍生出的相应的CALIPSO激光雷达532nm后向散射测量和特征值在图2b和图2c中展示出来了。图2b表示了在图1所示的轨迹上，一浅灰色很强的532nm的衰减后向散射层，与肉眼可见的薄云相似。最大的532nm衰减后向散射系数出现在平均海平面（MSL）以上约2.1km，其值可达0.014/(km*sr)。这一强后向散射层被CALIPSO V2-CAD算法认为是云。然而，由图1和图2a可看出，这一层是浓厚尘层而不是云层。

图2 （a）云卫星level 2云情况分类产品，颜色条表示特征种类（0=无效的，1=高云，2=高层云，3=高积云，4=层云，5=层积云，6=积云，7=雨层云，8=深对流云系）。（b）532nm总衰减后向散射强度（km-1sr-1）的CALIPSO高度与轨道截面测量（c）2007年4月22日在CALIOP现有版本2.01数据中，V2-CAD法垂直特征值（FMK）测量，颜色条表示特征种类（特征种类：0=无效，1=干净大气，2=云，3=气溶胶，4=平流层的特性，5=地表，6=地表以下，7=没有信号）

3.2 例二

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