激光雷达探测及技术研究室
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云、气溶胶气候效应的观测与模拟研究
（2013CB955800)
 
第一课题
第二课题
第三课题
第四课题
 
 
 
 
 
 
 
 
第二课题：云宏观、微观和大气状态参数的综合观测研究
（2013CB955802）
 
一、研究内容

1. 综合利用和开发多种地基主被动云遥感技术
    利用合肥、香河和兰州三个站点云和气溶胶物理光学特性仪器长期连续的运行，收集观测数据，并对各站点仪器数据进行质量控制，发展具有统一标准、统一算法和高精度的产品资料。研发基于现有的地基激光雷达和微波雷达相关算法，以提供云量的垂直分布以及水云，冰云和混合相云的云水含量及特征尺度参数的高度分布。联合雷达和微波辐射计测量研发反演层状云中滴浓度的方法，为云和气溶胶相互作用研究提供必要的基础。研发拉曼激光雷达水汽和温度探测技术，为综合观测实验提供大气湿度垂直廓线。

2. 多源卫星主被动联合反演云特性时空分布
    充分利用美国A-Train 卫星序列可以提供同时的激光雷达、微波雷达和多波段的辐射测量。基于激光雷达和微波雷达云相态结果及混合相云特性的反演，根据中国云和气溶胶的特点来调整反演中的假设，以改善中国地区卫星云资料的精度，充分利用MODIS 和CloudSat、CALIPSO 的多层云的信息来降低气溶胶对云反演的影响，研发一套基于主被动遥感的云相识别方法和混合相云云水含量的反演技术。

3. 云微物理特性的飞机观测
    充分利用现有人影飞机搭载的云物理观测仪器，进行气溶胶、云凝结核（CCN和云降水粒子的观测，开展数据质量控制，提高飞机气溶胶，云和降水的观测能力；在项目综合观测实验期间开展1-2 次飞机和地面遥感同步综合试验。为地基和星载主被动遥感反演云物理特性参量提供验证。

4. 天-地-空综合云观测实验
    开展天-地-空综合观测实验，将集中地基云和气溶胶物理、光学和化学观测仪器，短波-红外辐射计和太阳辐射计等主被动观测仪器进行联合观测，开展飞机观测实验，大气水汽、温度和风场廓线连续探测以及加密探空实验，充分利用A-Train 卫星数据，对云识别、云位置、几何特性、云相态、柱液态水含量、云滴半径、云凝结核、气溶胶核化过程和云底气溶胶谱分布进行联合探测和反演。为气溶胶-云-降水过程及其相互作用的机理研究，以及其在气候模式中的参数化研究和气候效应研究提供输入和验证。
 
二、预期目标

    综合利用地基和星载多种主被动遥感技术，包括激光雷达、微波雷达、微波辐射计、高光谱辐射仪等来有效地提供云量、云相、云水含量及云粒子特征尺度参数的高度分布；结合不同的观测方法提供连续的大气温湿和风场廓线数据；用飞机观测来提供详细的云微物理特性并验证遥感获取的云微物理参数。开展地基、机载和星载云参数的长期连续观测。
 
三、研究方案及技术路线

1. 综合利用和开发多种地基主被动云遥感技术
    合肥站将依托于中国科学院合肥物质研究院的大气光学综合观测试验站，地处长江和淮河的中间部位，受多种天气系统的影响，是一个有效观测不同云和降水系统的站点。拥有多套大气探测的激光雷达系统，多台用于测量气溶胶和云的被动遥感系统，多种地面气溶胶光学和化学特性测量系统，和多种大气环境参数的观测设备。香河站是中国科学院大气物理所的大气综合观测试验站，地处京津结合的中间部位，属于京津唐大都市空气污染的影响范围，具有很好的华北地区代表性，对研究人为气溶胶的气候效应是一个理想的观测地点。兰州站是我国西北地区唯一按国际标准建设的气候与环境综合观测平台，拥有边界层梯度、陆-气交换、辐射收支、大气气溶胶、大气成分等观测系统。配备了大批国际先进的监测仪器和设备。这三个站点都有着长期大气观测积累，站点配套设施齐全，维护方便，具备良好后勤、安全保障和管理经验。都曾经承担过多项国家项目，相关地面仪器已基本具备，并已开始长期观测,只需补充一部分必需的云特性观测仪器。
    本课题研究人员已多年从事多仪器联合算法的研制，建立了一系列反演算法，并用于提供长期云宏观和微观参数。课题执行期间，将结合现有的主被动仪器特点，修改相关的主要算法以提供云量的垂直分布以及水云，冰云和混合相云的云水含量及特征尺度参数的高度分布。研发一套联合雷达和微波辐射计测量反演层状云中云滴浓度的方法，为云和气溶胶相互作用研究提供必要的基础。在现有激光雷达探测技术的基础上,继续研发大气水汽、温度和风场探测技术，为综合观测实验提供大气湿度和风场廓线数据。还将开展数据质量控制、标准化和发布工作，形成地基主被动云参数遥感数据产品，提交给项目，用于第三、四课题的模式研究。

2. 多源卫星主被动联合反演云特性时空分布
    卫星反演算法都涉及到很多假设，而这些假设随不同区域而变化。我们将根据中国云和气溶胶的特点来调整这些假设以改善中国地区卫星云资料的精度。课题将充分利用A-Train 卫星序列并结合地面雷达数据验证资料建立亚洲区域云资料库，改进云识别算法，特别是位于较厚气溶胶层上空的卷云识别，研究位于不同光学厚度和粒子谱分布的气溶胶层上空云的结构和微物理特性，并与MODIS和CALIPSO 的反演结果进行比较。建立中国典型区域的云和气溶胶垂直分布特征，改进和验证地基被动遥感算法。同时还对云参数的多源卫星反演结果进行规范和标准化，形成数据产品，提交给项目，用于第三、四课题的模式研究。

3. 云微物理特性的飞机观测
    利用地方人工影响天气作业飞机及其搭载的云物理观测仪器，根据项目需求，在特定天气条件下开展气溶胶、云凝结核（CCN）和云降水粒子的观测，对观测数据进行质量控制，提高飞机气溶胶，云和降水的观测能力。拟采用的机载云、气溶胶观测仪器设备包括：云气溶胶粒子探头（CAS），云凝结核计数器（CCN），二维冰晶粒子探头（CIP)，二维降水粒子探头（PIP），热线含水量仪（Hotwire_LWC），常规气象及GPS 观测（AIMMS20），温、风、湿、压。
    在此基础上，结合人工影响天气作业，在项目综合观测区开展1-2 次飞机和地面遥感同步综合试验。获取云微物理特性观测数据，检验地基和星载主、被动遥感反演的云物理特性参量。实验期间将收集所有观测数据，实行质量控制，形成数据产品，提交给项目，用于第三、四课题的模式研究。

4. 天-地-空综合云观测实验
    三种平台联合主被动仪器观测云的垂直结构、微物理特性和大气廓线。制定详细实验方案，并组织实施。地基观测将集中微波辐射计、激光雷达、微波雷达、可见-红外辐射计、高光谱仪、全天空成像仪、云凝结核、气溶胶谱分布、气溶胶散射和吸收系数、气溶胶单次散射比、常规气体、可溶性化学组分和滤膜采样等联合观测。研究云几何特征和云相态垂直分布，以及云水含量、云滴谱、云滴半径和不同类型颗粒物成核效率及其参数化，典型大气老化过程对气溶胶云核化特性的影响及其机制。飞机搭载云物理观测仪器，开展气溶胶、云凝结核（CCN）和云降水粒子的观测。卫星观测将提供云量、云相态、云水含量和云粒子谱的高度分布。实验期间还将使用地基拉曼激光雷达连续测量大气温度和湿度廓线，微波和激光雷达连续测量大气风场。进行加密探空，获得大气状态温、压、湿和大气风场廓线，并与遥感仪器进行相互验证。还将收集所有观测数据，实行质量控制，形成数据产品，提交给项目，用于第三、四课题的模式研究。