云气候学的Cloudsat观测及其与气溶胶扰动在中国东部垂直的关系外文翻译资料

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云气候学的Cloudsat观测及其与气溶胶扰动在中国东部垂直的关系

TIANMENG CHEN^a,JIANPING GUO^b,ZHANQING LI^a,c,CHUANFENG ZHAO^a,

HUAN LIU^b,MAUREEN CRIBB^c,FU WANG^d,AND JING HE^b

摘要：从空间上研究气溶胶-云的相互作用已经做了很多研究，但只有少数研究考察了垂直云结构对气溶胶扰动的响应。在2008-10年的温暖季节(5月- 9月)，利用Cloudsat Level-2的资料在中国东部第一次产生和分析出了8种不同云类型的三维云气候。利用可见度作为云凝结核的代表，结合卫星观测的雷达反射率，在被污染和洁净条件下，通过云雷达反射率Z剖面上的差异的高度图，得到了归一化的等高线频率。对于浅积云(浅Cu)，Z趋向于被抑制，在被污染的条件下，深积云(deep Cu)、层云 (Ns)和深对流云(DCC)的上表层的z加强。总的来说，对修正重心(MCOG)和云顶高度(CTH)的分析也指出了类似的气溶胶效应，除了深积云中MCOGs和CTHs的非显著变化。此外，还讨论了低对流层稳定性和垂直速度等环境因素对这些类型云的影响。虽然对于Ns和DCC云的MCOGs和CTHs有一致的气溶胶诱导的提升，但不能完全排除气象学的影响，这值得进一步分析。

正文：

1. Introduction(介绍)：

气溶胶可以通过改变能量和水循环在地球气候中发挥重要作用(Ramanathan et al. 2001;Rosenfeld et al. 2014)。各种各样的影响已经被提出，现在广泛地称为气溶胶-辐射相互作用(ARI)和气溶胶-云相互作用(ACI) (IPCC 2013)。尽管由于对气溶胶性质的认识不足，使得前者(ARI)存在很大的不确定性，但ARI的机理比ACI更容易理解。因此，近年来，随着Tao等(2012)对对流云团的ACI和气溶胶增强效应(Altaratz et al. 2014)的综合评述，ACI的研究更加深入。

值得注意的是，许多效应都来源于一个基本的效应，通常被称为Twomey效应(Twomey 1977)。当气溶胶作为云凝结核(CCN)时，更多的气溶胶会导致更多但更小的云滴在液态云中，使云在恒定的液态水含量下更能反射。因此，降水的形成被推迟，云的寿命也随之延长(Albrecht 1989)。对于暖云，这使它很难触发碰撞-合并过程，导致液滴生长的延迟和对雨的形成过程的抑制(Rosenfeld 1999)。对于混相云，对暖雨过程的抑制允许更多的云滴在0℃等温线上冻结和释放潜热，从而激发对流云的生长(Andreae et al. 2004;Kaufman et al. 2005;

Rosenfeld et al . 2008)。这增加了大冰雹和冷雨过程的生长(Tao et al. 2012)。此外，云的垂直结构可以在垂直方向(Li et al. 2011)和水平方向(Fan et al. 2013)进行修改，这可能会导致云系统动力学和热力学的变化(Heiblum et al. 2012)。

然而，Twomey效应并不总是被观察到(Yuan et al. 2008;Quaas et al . 2009;Grandey和Stier 2010;Wang et al . 2014)。理论(如Feingold et al. 2001)和观测(如F. Wang et al. 2015)的研究表明，在气溶胶的云响应中存在着回飞棒形状;也就是说，随着气溶胶负荷的增加，云的有效半径先减小，然后增加。这很可能是由于云层和辐射对气溶胶(Stevens and Feingold 2009)的非单调响应的缓冲机制所致。

气溶胶—云相互作用(ACI)已经用来研究不同的云系，例如从地面飞机观测到陆地的中纬度层云(Feingold et al. 2003)，根据地面遥感观测(Feingold et al. 2003)、地面遥感观测北极层云(Garrett et al. 2004;Garrett和Zhao 2006)， 通过东太平洋上空的空降场活动观测层积云(Ackerman et al. 2004;2005)，在大西洋上空和美国南部的温暖积云(Yuan et al. 2008)，通过卫星数据观测大西洋上的深对流云团(DCC)(Koren et al.2005)，使用A-Train卫星数据观测全球热带地区(Niu and Li 2012;Peng et al. 2016)，以及使用10年来在南方大平原地区所做的长期地面观测的所有类型的云(Li et al. 2011)。对于所有这些研究，最具挑战性的任务之一是理清气象和气溶胶对云系统的影响。不同的云机制通常由不同的云动力学过程控制，导致不同的微观物理特性(Hartmann et al. 1992;Norris 1998)。因此，气溶胶对不同类型云的形成和发展的影响有很大差异(Gryspeerdt and Stier 2012;Gryspeerdt et al. 2014)。

这些研究大多局限于云顶(如Kluser et al.2008;Wang et al. 2014)或在云底(如Feingold et al. 2003;Painemal和Zuidema 2013)的ACI。这是因为这些研究主要是基于无法穿透云层的星载或地面遥感仪器的数据。只有很少的研究(如Storer et al. 2014)关注气溶胶诱导的云层内部的变化。最近的一般循环模型模拟表明，相比于云液体/冰含量，碎片云对气溶胶变化的敏感性要低得多(Y. Wanget al. 2015)。这进一步强调了研究云垂直结构对气溶胶的响应的重要性。云测量雷达(CPR)在Cloudsat中作为A- Train系列的一部分，在全球范围内提供关于云的高分辨率信息。这允许我们对垂直云宏观和微观物理特性进行统计分析(Stephens et al. 2002)。

Storer等人(2014)通过对东大西洋云层的雷达回波，研究了气溶胶载荷对对流云层垂直结构的变化。同样，Guo等人(2016，提交给J. Geophys. Res. Atmos.的手稿)通过热带降雨测量任务(TRMM)卫星上的降水雷达数据和基于地面的气溶胶观测数据，了解了气溶胶对降水云内部结构的影响。他们发现，对流降水云携带着增多的气溶胶负荷有系统地向更高的海拔高度转换。在估算降水对气溶胶的反应时存在很大的不确定性，这主要是由于对某一种云的云所获得的结果的不合理的泛化所引起的(Khain 2009)。因此，必须研究特定云机制对气溶胶的排他性响应。

本研究的目的是研究气溶胶是否能够和如何改变云的垂直结构。本文其余部分将按以下方式进行。第2部分描述了被调查的时间周期和感兴趣的区域。数据和方法将在第3部分中介绍。在第4部分中研究了中国东部的三维云气候学，以及不同类型的云对气溶胶在垂直方向上的响应。最后，本研究的主要结果总结在第五部分。

1. Time period and region of interest（时间周期和目标区域）

东亚夏季风及其相关的季节性雨带显示了在区域内、年际和年代际尺度上的强时空变异性(Ding 1992)。通常，在温暖的季节，季风云层覆盖了中国东部大部分地区。因此，本研究选择了2008-2010年的5月至9月的数据，以确保有足够数量的样本。

中国，特别是中国东部地区，近几十年来经济快速发展，在这一地区的气溶胶负荷显著增加(Guo et al. 2011)。图1显示了0800北京时间(BJT)观测到的温暖季节里中国所选区域的平均大气能见度的空间分布。这些能见度测量在中国地面气象站每天进行四次。目标区域(ROI)，即红色的盒子(20°-40°N, 110°-125°E)，被选择作为一个测试层的平均低能见度，以检测气溶胶污染如何影响与季风气候相关的云层。在2129个收集中国的能见度数据的气象观测站中，1163个位于ROI。由于季风的迁移，中国南方和北方的云系统存在很大的差异(Ding and Chan 2005)。因此，ROI被分成两个子区域进行进一步的详细分析:北部ROI (N-ROI)和南方ROI (S-ROI)在30°N的纬度分离。

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FIG1. 2008-2010年暖月期间(从5月至9月)，平均能见度为0800bjt的空间分布。这个红框概括了ROI，分为N-ROI和S-ROI子域。

1. Data and methodology（数据和方法）
2. Visibility data（能见度数据）

地面的水平能见度是由观测站的观测者在视觉上测量的，在已知距离的地标上估计数公里。在中国的ACI研究中，能见度降低已被用作气溶胶负荷和云凝结核(CCN)的总指标(Rosenfeld et al. 2007;Yang et al . 2013;Yang and Li 2014)。能见度的主要优势在于它可以在所有天空条件下和大多数气象站测量得到。相比之下，气溶胶光学深度(AOD)是一种更定量的气溶胶载荷在光衰减方面的测量方法，只能在无云条件下获得，例如由星载被动遥控传感器[例如中分辨率成像光谱仪(MODIS)]。值得注意的是，对于ACI研究来说，CCN是最相关的，但它的测量更少，而且在广泛采用的使用AOD来近似CCN (Niu and Li 2012)这一方法中存在很大的不确定性。此外，与F. Wang等(2015)所使用的ROI类似，云污染和明亮的土地表面可能会损害AOD(Li et al. 2009)的检索结果。此外,活跃的远程传感器，例如在云气溶胶激光雷达和红外探路者卫星观测(CALIPSO)平台上的云-气溶胶激光雷达(CALIOP)，在任何对ACI研究特别重要的厚云下都无法探测到气溶胶(Li et al. 2011)。狭窄的扫描轨迹也限制了样本的数量(Winker et al. 2007)。因此，我们在此工作中使用能见度测量作为CCN的代表。对于空气清新的环境，一些观测者将能见度设为30公里，而另一些观测者则将能见度设为30公里以上。所以，使用30公里作为清洁条件的门槛可能会带来额外的不确定性。因此，在本研究中，所有能见度样本(包括所有能见度大于30公里的样本)的最高1%被排除在分析之外。

可见性测量不仅受限于人类观测性质的高度不确定性，而且还受到相对湿度(RH )的影响。在高RH环境下，气溶胶粒子的吸湿生长可能导致能见度的降低，并低估相应的气溶胶负荷(Cheng and Tsai 2000;Che et al . 2007;Guo et al.2009)，所以能见度测量必须更正为RH测量。对于40% - 90%间的RH，Rosenfeld等人(2007)提出的修正公式如下:

Vis_measured=Vis_dry[0.26 0.4285log(100-RH)] （1）

其中Vis_measured代表观察者测量到的环境能见度，Vis_dry代表测量在干燥条件下的能见度，即修正的能见度。注意，RHge;90%时的能见度测量被排除在分析外，以尽量减少雾污染的潜在影响(Craig and Faulkenberry 1979;Chang et al . 2009)。从理论上讲，右边括号中的项的总值应该小于1，因为Vis_dry通常大于Vis_measured。然而，当RH值从40%到45%时，Vis_dry比Vis_measrued低。因此，在校正使用Eq.(1)的能见度时应注意谨慎。这种情况(Vis_drygt;Vis_measured)的样本数量占样本总数的2%以下。为了避免以下分析中的潜在噪音，这些样本已经被移除。

在0800和1400 BJT的能见度测量最接近于1330 BJT的CloudSat overpass time。使用0800 BJT测量的能见度，而不是1400 BJT的测量值，因为气溶胶载荷在云层前面数小时观测到，有足够的时间进入并与上面的云层相互作用，尤其是对对流云层。降雨造成的冲刷效应也可以通过这种方式避免。

在1°times;1°网格箱中气溶胶载荷变化不大(Anderson et al. 2003)，因此，在ROI中定义的每个1°times;1°网格箱内的所有气象观测点的能见度测量值均代表背景气溶胶条件。注意，此模式值将降低极端可见值的发生频率(OF)。三个能见度箱被定义为每个箱子有相等数量的样本。顶部1/3的数据和底部1/3的数据分别定义为干净和受污染的子集。这样，可以产生足够的清洁和污染组对比数据,同时可以留住优秀的抽样统计(Koren et al . 2012)。

1. CloudSat data and its processing(CloudSat数据及其处理)

CPR是一种94-GHz的接近于最低点的雷达，在Cloudsat上对液体和冰粒子的存在很敏感。它沿着卫星轨道产生二维截面(Marchand et .2008)，垂直分辨率为240m，水平分辨率为1.4km (横越轨道)31.7km(沿轨道)。雷达反射率因子范围从-30到20dBZ(Stephens et al. 2002)。在本研究中，我们从二级产品2B-GEOPROF中获得雷达

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