利用GOES夜间雾产品分析加州中部地区多次夜间辐射雾发展过程外文翻译资料

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利用GOES夜间雾产品分析加州中部地区多次夜间辐射雾发展过程

S. JEFFREY UNDERWOOD

Southern Illinois University, Carbondale, Illinois

GARY P. ELLROD

NOAA/NESDIS, Camp Springs, Maryland

AARON L. KUHNERT

Southern Illinois University, Carbondale, Illinois

(Manuscript received 22 January 2003, in final form 21 August 2003)

摘要

一直以来，很少有研究关于加利福尼亚中央山谷的辐射雾。本文使用地球静止卫星（GOES）夜间雾产品开发的一系列图像和数据集，揭示了中央山谷的夜间辐射雾发展模式。本文选取10月至1月期间发生的20次时间较长、空间较大的辐射雾事件，计算了1997年-2000年中央谷地20次雾覆盖、雾发展速度和垂直发展的平均小时参数。研究区域被划分为五个分析区域，从南到北进行山谷内的空间对比。大尺度辐射雾在1800LST前开始形成，南北发展速度相差很大。辐射雾形成较早，与山谷中部和北部相比，它覆盖了南部山谷更大的区域。辐射雾的水平范围在谷地南部0600LST达到最大值，而在谷地中部和北部接近午夜时达到最大值。垂直发展达到300米，南部谷地辐射雾发展一般为300米以上，主要发生在清晨。雾垂直发展的“爆发”在南部山谷上午时间也被观察到。中央谷地辐射雾形成的重要气候条件包括1600LST的地表温度较低，1600LST露点温度，傍晚的降温趋势，平均相对湿度快速达到90%，以及高空凉爽干燥空气的存在（700-500hPa）。

1.介绍

辐射雾常年在美国各地形成(Carson and Hardy1963; Hardwick 1973; Ahrens 1994)。雾中的雾状沉积物对人类活动和生态环境有着很大的影响。由于能见度降低而导致的危险交通运输是雾多发区的一个主要问题；经常出现辐射雾的地区，机场时刻表的延误是常见的(Peace 1969; Baker et al. 2002; Swenson 2002)。长时间的空间大范围的辐射雾事件也有可能沉积悬浮和溶解污染物，而这些大规模雾的影响能源预算t (McLaren et al. 1988;Oke 1988; Collet et al. 1999)。与浓雾造成的潜在危害相比，被截获的雾水是经常出现此类事件的地区季节性水文平衡的主要组成部分。(Azevedo and Morgan 1974; Cavelier etal. 1996; Bruijnzeel and Veneklaas 1998)。美国中部山谷地区是长期存在、空间广布的辐射雾非常常见的地区。美国国家气候数据中心(NCDC 2002)的每日观测记录显示，从10月到3月（季节），中央谷地的个别地区每季度的雾日数超过25天。这些辐射雾主要发生在中央谷地温度在0℃以上，因此谷底的辐射雾主要由液滴组成，很少有冰雾，在加利福尼亚中部是冬季常见的辐射雾，这种现象在研究背景下还没有得到充分的研究。我们对这一主题的优先理解，加利福尼亚内陆山谷的辐射雾反映在气候逻辑和气候文献中发表的少数作品中。 (Holets and Swanson 1981)。

本研究的目的是为了了解加州辐射雾的发展提供一个时空框架，该研究将调查辐射雾极压等离子束的夜间形成特征，这些极压等离子束不仅寿命长，而且在整个中央山谷的空间上分布广泛。通过观察这些大型辐射雾事件的夜间发展，该研究也为使用4公里地球静止运行环境卫星（GOES）夜间雾产品气候分析的空间分辨率提供了背景。GOES NFP目前在美国国家气象局外地办事处使用，在文献中主要是在产品处于预测模式或产品正在进行实地验证时引用(Eyre et al. 1984; drsquo;Entremont 1986;drsquo;Entremont and Thompson 1987; Ellrod 1994; Wetzellet al. 1996; St. Jean 1997)。

2.背景

a.辐射雾环境

辐射雾的形成依赖于边界层和天气尺度条件的复杂组合，这些条件通常具有日变化和季节变化的性质(Meyer and Lala 1990; Meyer et al. 1986)。Fitzjarrald 和Lala (1989)用合适的边界层温度、湿度、风速和风向，以及近地表的对流冷却剖面、平流和下垫面特征来描述雾环境。辐射雾的形成受地表辐射通量、热湿垂直混合、植被相互作用和地形效应的调节(Duynkerke 1991)。辐射雾也可能在相同的夜间循环中形成、消散和重新形成(Welch and Cox 1986)。Pille等（1975B）对纽约车盟河谷11个雾保护层的辐射雾形成过程进行了描述。奥尔斯描述了一种低水平的逆温，这种逆温在太阳下山后发生，在形成雾之前强度略有上升。这一逆温被认为是在地面以上0.1米处最强烈。低空逆温的发展时间、雾的生长速率和谷风模式是在大山谷气候系统中影响大型山谷气候系统（沼地）中雾的形成和持续的重要因素 (Moore et al. 1987)。

辐射通量散射和表面露水形成等气象过程已被建模，以深入了解雾起始的时间（通常是夜间）方面(Fisher and Caplan 1963; Lala et al. 1975)。此外，利用微物理参数模拟了促进夜间雾发展的边界层中特定的物理相互作用(Pilieet al. 1975a; Brown 1980; Musson-Genon 1987). Bottet al. (1990)使用一维方法模拟雾的生命周期时间，并估计雾顶高度。由于局地地形、水分有效性、植被和土壤条件将空间异变能力引入模型结果和预测产品中，辐射雾的预测仍然存在一定的问题(Golding1993; Meyer and Rao 1999)。此外，在预测的情况下(Bergot and Guedalia 1994)，诊断湿度水平、冷凝速率和辐射交换所需的分析精度是非常高的。许多方法，包括地方和区域尺度雾气候学描述的发展，已证明对预测开始时间和消散率有帮助(Court and Gerston 1966; Hardwick 1973; Croft et al. 1997)由Guedalia 和Bergot (1994)进行了数值预报模拟证实了辐射雾预报的困难，模拟强调了对流初始化数据和非常精确的夜间冷却信息的需要。

b.雾和低层云的卫星遥感

一旦有了雾，就可以利用卫星上的传感器和探深仪，对云顶和云滴参数进行远程观测和分析(Arking and Childs 1985; Mead et al. 1989; Menzel andPurdom 1994; Wetzel et al. 1996; Lee et al. 1997)。在区域尺度上，包括美国国家海洋和大气管理局GOES和先进的高分辨率辐射计(AVHRR)成像仪在内的若干产品所产生的图像足以解决雾的发展问题，并准确地传达雾和低层界限(Gustafson and Wasserman 1976; Bendix 2001)。

介绍性气象学文字经常显示延伸到加利福尼亚中央山谷的辐射雾的静止图像(Aguado and Burt 2001)。这些图像用于说明辐射雾的空间特性和星载传感器用于观察这种现象的效用。Lee（1987）使用4公里空间分辨率的可见图像观察中央谷雾，发现事件之间和单个事件之间的雾覆盖和雾消散特性的变化。Lee（1987）强调了这种能力，描述了“城市热岛效应”，在大范围的雾期，雾从中央山谷的城市区域消失或消散得更快。

GOES传感器具有空间分辨率（1公里和4公里）和光谱分辨率(0.65, 3.9, and 10.7 mm)，可同时提供白天和夜间云顶观测反射率与发射n (Rao et al. 1990; Kidder and Vonder Haar 1995)。利用GOES成像仪的可见光波段（0.65mu;m），对白天雾和层云的发展进行了分析和观测。如果去掉辐射雾的其他主要成分，3.9mu;m近红外波段也可以在白天使用(Arking and Childs 1985; Rawlings and Foot 1990; Kleespies 1995)。

为了在夜间观察低层云和雾，可以使用GOES或AVHRR成像仪的两个红外波段产生NFP (Putsay et al. 2001)。GOES NFP计算GOES波段4（10.7 mm）和波段2（3.9 mm）之间的亮度温差 (Ellrod 1995, 2000)。低云和雾的亮度温度值在不同波段之间存在差异，部分原因是云厚和雾滴大小分布引起的发射率差异(Hunt 1973; Pinnick et al. 1978; Arnott et al. 1997)。NFP利用3.9mu;m波段较低的云发射率与10.7mu;m波段相比较，计算出一个值，该值不仅表明单像素分辨率下是否存在雾，而且估计了辐射雾的垂直深度(Ellrod 1994)。

3.研究范围

该项目的研究范围包括圣华金和萨克拉门托儿莱斯的传统边界——合称为中央山谷地区(Holets and Swanson 1981; Lee 1987)。中央谷相对统一的高度通过它的中心和有界两大地形边界——内华达山脉东部海拔超过4000米，和加州海岸山脉海拔有1500米（图1）。萨克拉门托三角洲是最大的在谷中打破边界，打开西向旧金山湾。为了便于分析，山谷被划分为5个分析分区，每个都包含至少四个加利福尼亚灌溉管理信息系统（CIMIS 2000）中型网络地面观测站和一个具有一阶气象逻辑观测站的区域人口中心。

图1 研究区域（加利福尼亚中央山谷）包括五个小单元（矩形）用于GOES NFP数据分析

4.分析程序

a.数据采集

本研究的数据由表面观测和GOES图像组成。中央谷地气象站的NCDC地面数据被用来识别在1997/98至2001/02年的雾季中，似乎是长期存在和空间广泛的雾事件，GOES成像仪的数据都是从威斯康辛·麦迪逊大学的空间科学与工程中心获得的。此外表面气象数据来自综合管理资料系统。在本文中，1800至0600LST的GOES图像代表了夜间活动周期，在研究区域的纬度范围内，当地的日落时间从10月到3月不等。然而，为了便于分析，作者使用1800LST作为当地日落，0600LST作为当地日出，这是由于将当地日出和日落进行了概括，研究中引入了一些可变性。

利用人机交互数据交流系统(McIDAS; Suomi et al. 1983)。图像质量控制包括手动和数字测试的支柱覆盖和导航，以及检查图像中断。除了拒绝不符合质量控制标准，如果大量卷云在夜间出现，图像也会被重新移动。主要的数据质量和图像可用性问题包括卷云中断和传感器故障（无数据）。因为是下雨10.7pm波段对粉尘很敏感（GOES使用10.7-12um产品），我们有理由假设，有时10.7um通道可能受到通常悬浮在中央谷地对流层低层的粉尘影响。然而，在本文中，使用10.7和3.9um红外图像时没有考虑粉尘浓度。

b.确定事件

利用贝克斯菲尔德（BFL）、弗雷斯诺（FAT）、默塞德（MERCED）、萨克拉门托（SMF）和奇科（CIC）、加州对当前天气和能见度状况的每小时观测，确定了长期存在的空间辐射雾发生。这些站点从南到北横跨中央山谷，代表人口集中的地区。在1997至98年2001至2002年度的大雾季节，本署对这些监测站的“现时天气”资料进行了分析。当5个地区中至少有3个同时报告有雾，能见度连续3个夜间小时下降到1英里时，则确定了一个大范围的大雾天气。

c.夜间雾产品计算

埃尔罗德（1995）讨论了GOES NFP的计算。在目前的研究中，GOES NFP是使用校准为标准导航和投射的红外图像处理的(Mather 1999)。10.7和3.0um红外图像的时间对产生GOES NFP如下：

式中T_b10.7为GOES IR 第4频道的亮度温度，T_b3.9为GOES IR第2频道的亮度温度，△T表示两幅红外图像的亮度温度差。

正△T值表示带有GOES NFP雾标志的像素。表1详细描述了垂直雾滴发展GOES NFP△T值相关的速度估计。在1997-2001年期间(Ellrod 2000)，卫星估计的雾和层厚度与中央谷地以外地区的观测结果进行了比较，使用73对卫星估计值和飞机观测值进行了线性回归分析，结果rsup2;值具有统计学意义0.625对应表1 (Ellrod 2000)中所示的关系（相对于100m间距云深）

表1 与特定△T值相关的辐射雾深度估计值。这些估计数是根据埃尔罗德（1994/2000）的工作计算的，没有在加州中央谷地进行实际核查

d.辐射雾特性分析

进行了简要的天气分析，以确定一般的环流模式，存在于夜间雾发展循环。分析局限于太平洋东部和美国西部的地面条件、850百帕高度和风、500百帕高度和风，以及空间上广泛的雾期的日期（1994年6月1日）。

为了说明雾的时空特征，对具有代表性的雾事件的GOES NFP图像进行了从日落到日出的排序，并以雾深等值线显示。采用lt;100m等高线测量各雾期的空间宽度。从小于100米轮廓线边缘识别出连续雾覆盖的主要轴和半长轴。

为了进一步描述中央谷地辐射雾的空间特征，将研究区域划分为5个分析分区，其尺寸为35*35像素。这些是南北向的，每一分区的覆盖百分率C计算如下：

其中，△Tobs是观测到的△T值大于或等于1的像素个数，△T是在1255（35*35像素）个像素中被GOES NFP识别的用于特定分析划分的雾覆盖的像素个数的最大值△Tmax。由于五个划分区域的雾分布不相

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