蘭州大學《衛(wèi)星氣象學》第4章-美國氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)-3-CALIPSO+Cloudsat課件

衛(wèi)星氣象學電子版（第一版）衛(wèi)星氣象學電子版（第一版）章節(jié)內(nèi)容4.1A-Train衛(wèi)星編隊4.2TRMM熱帶降水衛(wèi)星4.3GOSE靜止衛(wèi)星系列4.4NOAA極軌衛(wèi)星系列

章節(jié)內(nèi)容4.1A-Train衛(wèi)星編隊4.1A-Train衛(wèi)星編隊

CALIPSO衛(wèi)星4.1A-Train衛(wèi)星編隊美國NASA在1998年與法國國家航天中心(CNES)合作開始實施“云-氣溶膠激光雷達和紅外探測者衛(wèi)星觀測”(Cloud-AerosolsLidarandInfraredPathfinderStatelliteObservations,CALIPSO)計劃。主要任務：提供全球云和氣溶膠觀測數(shù)據(jù)，用于研究云和氣溶膠在調(diào)節(jié)地球氣候中的作用以及兩者的相互作用。2006年4月28日，CALIPSO衛(wèi)星由Delta-II火箭發(fā)射升空。主要荷載包括正交偏振云-氣溶膠偏振雷達(CALIOP)、寬視場相機(WFC))和紅外成像輻射計(IIR)，設計壽命為3年。CALIPSO衛(wèi)星概述Delta-II火箭美國NASA在1998年與法國國家航天中心(CNES)合作開LITE試驗美國是星載激光雷達的先行者,曾在1994年9月20日用發(fā)現(xiàn)號航天飛機搭載激光雷達進行了激光雷達空間技術試驗(LidarIn-spaceTechnologyExperiments,LITE),證明了空間激光雷達在研究氣溶膠和云方面的潛力。LITE成為世界上首個地球軌道激光雷達試驗。LITE試驗美國是星載激光雷達的先行者,曾雷達可分為微波雷達與激光雷達兩大類。微波雷達：波長范圍在1-1000mm之間，按波長分為毫米波、厘米波和分米波雷達激光雷達：工作在可見光和紅外波段雷達的分類雷達可分為微波雷達與激光雷達兩大類。雷達的分類微波雷達優(yōu)點：

（1）微波具有穿云透霧的能力

（2）微波可以全天候工作

（3）微波對地表面的穿透能力較強◆缺點：

微波雷達波長較長,相對于大氣中的分子、氣溶膠等微小粒子的尺寸要大得多,因此大氣對微波的散射極其微弱,微波雷達的大氣透過率很高,能實現(xiàn)全天時、全天候工作,但也正是由于這一點,微波雷達無法直接探測大氣中的微小粒子。微波雷達優(yōu)點：優(yōu)點：激光雷達由于量子能量高、波長短的特性,彌補了微波雷達在大氣氣溶膠、分子等微小粒子探測方面的不足,成為探測氣溶膠和大氣分子的重要工具。缺點：由于激光雷達的波長較短，對于較厚的云層等無法穿透，因此在這種情況下無法獲得云底的信息。分類：按運載平臺分為：地基固定式激光雷達、車載激光雷達、機載激光雷達、船載激光雷達、星載激光雷達、彈載激光雷達和手持式激光雷達等。相對于全球觀測，地基、車載以及機載激光雷達等觀測范圍都有限，只能在較小的區(qū)域內(nèi)進行觀測。而星載激光雷達則可以實現(xiàn)全球觀測，尤其在海洋、南北極、沙漠等傳統(tǒng)激光雷達難以觀測的地區(qū)。那么激光雷達有什么特點呢？優(yōu)點：激光雷達由于量子能量高、波長短的特性,彌補了微波雷達在激光雷達L2S-SMIIMPL-4B激光雷達L2S-SMIIMPL-4BCALIPSO衛(wèi)星白天和晚上的軌道CALIPSO衛(wèi)星白天和晚上的軌道705km,sun-synchronousorbitThreeco-alignedinstruments:CALIOP:polarizationlidarIIR:ImagingIRradiometerWFC:Wide-FieldCameraImagingInfraredRadiometer(IIR)Wide-FieldCamera(WFC)CALIOP(Lidar)WideFieldCameraLidarTransmitterImagingInfraredRadiometerCALIPSO衛(wèi)星負載及數(shù)據(jù)介紹705km,sun-synchronousorbitICALIOP激光雷達CALIOP激光雷達云-氣溶膠激光雷達發(fā)射和接受光路示意圖云-氣溶膠激光雷達發(fā)射和接受光路示意圖CALIOP發(fā)射和接受系統(tǒng)主要參數(shù)表CALIOP發(fā)射和接受系統(tǒng)主要參數(shù)表CALIOP采用了偏振技術，實現(xiàn)了全球覆蓋。它是世界上首個應用型的星載云和氣溶膠激光雷達，并具有三個通道（1064nm、532nm垂直及平行通道）以便接收這些通道的后向散射信號。CALIOP還提供了532nm體積退偏比的垂直廓線，退偏比是532nm垂直后向散射強度532nm平行后向散射強度之比．它反映的是被測顆粒的不規(guī)則程度．CALIOP還提供了色比值，顏色比是1064nm的后向散射強度與532nm總后向散射強度之比，通過顏色比能夠識別顆粒的大小，顏色比越大，顆粒越大。CALIOP采用了偏振技術，實現(xiàn)了全球覆蓋。它是世界上首個應CALIPSO衛(wèi)星直觀圖CALIPSO衛(wèi)星直觀圖WFC寬視角相機（WFC）是CT-633星跟蹤器相機的改進裝置，是一固定的天底單通道成像儀，采用單一譜段，波長范圍270-620nm，主要目的是為了和Aqua衛(wèi)星中的中分辨率成像光譜儀的一個譜段進行匹配。主要技術指標為：紅外視場125m，行寬61km，數(shù)據(jù)傳輸率26kbS-1。WFC寬視角相機（WFC）是CT-633星跟WFC觀測圖像WFC觀測圖像IIR紅外成像輻射計（IIR）的幅寬是64km×60km，像素分辨率是lkm，其圖像中心與CALIOP的波束保持對準。該設備采用單微輻射熱測量計探測陣列，一旋轉(zhuǎn)濾波器提供三通道的測量值。主要技術指標為：波長8.65μm,10.6μm,12.0μm,光譜精度0.6-1.0μm，紅外視場lkm，行寬64km，噪聲等有效溫度分辨率0.3K(210K時)，校準精度±1K，數(shù)據(jù)傳輸率44kbS-1．IIR紅外成像輻射計（IIR）的幅寬是64kCALIOP數(shù)據(jù)分辨率介紹CALIOP數(shù)據(jù)分辨率介紹CALIOP數(shù)據(jù)分辨率介紹CALIOP數(shù)據(jù)分辨率介紹CALIPSO數(shù)據(jù)產(chǎn)品介紹◆Level0:原始數(shù)據(jù)不公開?！鬖evel1:CALIOP532/1064nm消光后向散射信號廓線。水平分辨率為333米，垂直分為583雷達bin，每個bin的具體厚度稱為垂直分辨率。IIR紅外輻射通量；WFC輻射和反射比參數(shù)；Level1數(shù)據(jù)圖像WaterCirrusVolcanicaerosolCALIPSO數(shù)據(jù)產(chǎn)品介紹◆Level0:原始數(shù)據(jù)不公Level1數(shù)據(jù)圖像WaterCirrusVolcanicaerosol激光雷達Level1不同通道的信號廓線數(shù)據(jù)圖像Level1數(shù)據(jù)圖像WaterCirrusVolcaniLevel1數(shù)據(jù)圖像WaterCirrusVolcanicaerosol激光雷達Level1退偏比及顏色比廓線退偏比：衡量粒子的非球形，值越大，粒子越趨向于非球形顏色比：衡量粒子的相對大小Level1數(shù)據(jù)圖像WaterCirrusVolcaniCALIPSO數(shù)據(jù)產(chǎn)品介紹◆Level2：CALIOP云/氣溶膠層數(shù)據(jù)產(chǎn)品：層積分消光后向散射、層高、層積分退偏比、柱反射比等。云產(chǎn)品水平分辨率分為333米，1千米，5千米；氣溶膠產(chǎn)品為5千米。CALIOP云/氣溶膠廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品：特征層的后向散射系數(shù)，消光系數(shù)以及退偏比的垂直廓線信息。水平分辨率5千米。CALIOP垂直特征層分布數(shù)據(jù)產(chǎn)品：云/氣溶膠類型，云相等。IIR8.65/10.6/12.05微米的亮溫，最上層云或氣溶膠的有效發(fā)射率，冰云粒子形狀指數(shù)，冰水路徑等。WFC未發(fā)布。CALIPSO數(shù)據(jù)產(chǎn)品介紹◆Level2：Level1數(shù)據(jù)圖像WaterCirrusVolcanicaerosol激光雷達Level2垂直特征層分布產(chǎn)品退偏比：衡量粒子的非球形顏色比：衡量粒子的相對大小總的特征層分布云相態(tài)類型分布氣溶膠類型分布Level1數(shù)據(jù)圖像WaterCirrusVolcaniIIRLevel2亮溫數(shù)據(jù)IIRLevel2亮溫數(shù)據(jù)CALIPSO數(shù)據(jù)處理流程CALIOPLevel2數(shù)據(jù)處理流程CALIPSO數(shù)據(jù)處理流程CALIOPLevel2數(shù)據(jù)處CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（一）Aug17Aug18Aug19Aug20Aug21Aug22Aug23Aug25Aug285km3kmDDDDDDDDDSSSSSaharaSouthAmericaMexicoHSRLD=dustS=smokeAduststormoccurredonAugust17,2006overSahara.Dustparticleswereloftedintotheairuptoanaltitudeof7kminthesourceandtransportedovertheNorthAtlanticOceanandfinallyintoGulfofMexicooverthenextdays.(Liuetal,JGR08)環(huán)境監(jiān)測、追蹤污染物的傳輸路徑CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（一）Aug17Aug18AuCALIPSO衛(wèi)星應用舉例（二）環(huán)境監(jiān)測、追蹤污染物的傳輸范圍CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（二）環(huán)境監(jiān)測、追蹤污染物的傳輸范CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（三）全球識別氣溶膠的類型，為評估區(qū)域及全球氣候變化提供觀測依據(jù)CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（三）全球識別氣溶膠的類型，為評估CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（四）全球識別氣溶膠的類型，為評估區(qū)域及全球氣候變化提供觀測依據(jù)CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（四）全球識別氣溶膠的類型，為評估CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（五）極地平流層云的識別，為極地氣候及環(huán)境變化提供有力的科學依據(jù)CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（五）極地平流層云的識別，為極地氣CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（六）全球海表風速的預估，為海洋安全作業(yè)提供潛在的指導CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（六）全球海表風速的預估，為海洋安CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（七）全球海洋葉綠素的季節(jié)變化CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（七）全球海洋葉綠素的季節(jié)變化CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（八）云-氣溶膠相互作用是非常重要的科研前沿問題。左圖中紅色點表示云與氣溶膠充分混合，藍色表示未充分混合。結果表明：CALIPSO能夠準確的識別云-氣溶膠的混合類型，從而為它們之間相互作用的研究提供有力手段。CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（八）云-氣溶膠相互作用是非常重要CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（九）云類型的全球識別CALIPSO衛(wèi)星應用舉例（九）云類型的全球識別4.1A-Train衛(wèi)星編隊

CloudSat衛(wèi)星4.1A-Train衛(wèi)星編隊1、CloudSat衛(wèi)星基本概況CloudSat衛(wèi)星作為衛(wèi)星集群的一員，于2006年4月28日發(fā)射成功CloudSat衛(wèi)星的主要儀器由美國航空航天局噴氣動力實驗室和加拿大航天局共同研制，美國鮑爾航天技術公司負責衛(wèi)星主體的建造、測試和組裝，并執(zhí)行CloudSat衛(wèi)星的發(fā)射和最初的入軌測試1、CloudSat衛(wèi)星基本概況CloudSat衛(wèi)星作為衛(wèi)星a:CloudSat衛(wèi)星的掃描方式、b:軌道繞地球的軌跡、c:每軌掃描結構a:CloudSat衛(wèi)星的掃描方式、b:軌道繞地球的軌跡、CloudSat衛(wèi)星技術參數(shù)CloudSat是第一顆用主動毫米波雷達在全球范圍內(nèi)觀測及研究云量，云的分布和垂直結構，輻射特性及降水信息的衛(wèi)星。CPR與地基天氣雷達有所不同，這些天氣雷達通過厘米級的電磁波來探測降水雨滴尺度的粒子，而CPR的敏感性是天氣雷達的1000倍，因此可用來探測更小的液態(tài)水粒子和冰晶粒子，但無視氣溶膠。CloudSat衛(wèi)星技術參數(shù)CloudSat是第一顆用主動毫由于其主要有效載荷是94GHz(3mm波)云廓線雷達，它可以“切開”云層，獲得許多有關云的最新氣象數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括了云的宏觀物理參量和微觀物理參量。改進對云層結構和成分的研究，成為第1顆可以對云層特性進行全球測量的衛(wèi)星。深入了解云的內(nèi)部結構及其發(fā)展演變規(guī)律，定量了解云對氣候的影響和反饋，更好地預測天氣和氣候、有效地影響局部天氣等方面起著十分重要的作用。CloudSat衛(wèi)星探測任務由于其主要有效載荷是94GHz(3mm波)云廓線雷達，它2、CloudSat衛(wèi)星的發(fā)射目標CloudSat衛(wèi)星的成功發(fā)射首次提供云特征的全球觀測,這些云特征對理解云對天氣和氣候的影響非常重要。它能提供以下信息：★云的垂直結構★定量估計產(chǎn)生降水云的百分比★定量估算云中液水和冰水的含量★估算大氣凝結產(chǎn)生降水的效率★評估云對大氣加熱率廓線的影響2、CloudSat衛(wèi)星的發(fā)射目標CloudSat衛(wèi)星的成定量評估天氣和氣候預報模式中云的作用,改進天氣和氣候預報質(zhì)量。CloudSat衛(wèi)星提供全球范圍內(nèi)云系的垂直結構探測,將有助于認識云是如何影響當?shù)鼗虼蟪叨却髿庖约霸茖椛洵h(huán)境的影響機制;定量評估云系垂直剖面中的液態(tài)水和冰水含量與云輻射特征間的關系。CloudSat衛(wèi)星提供云液水和冰水含量的垂直剖面,還提供關于體積云微物理特征以及與其相應的光學特征的信息;CloudSat衛(wèi)星的主要科學目標是:定量評估天氣和氣候預報模式中云的作用,改進天氣和氣候預報質(zhì)量3.定量評估現(xiàn)有衛(wèi)星資料反演的云特征,促進發(fā)展遙感觀測云的新方法;4.增強對氣溶膠與云相互作用的認知水平。3.定量評估現(xiàn)有衛(wèi)星資料反演的云特征,促進發(fā)展遙感觀測3、CloudSat衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品CloudSat衛(wèi)星主要有兩類數(shù)據(jù)產(chǎn)品：一類是標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品(standarddataproducts，簡稱DSPs)，另一類是輔助數(shù)據(jù)產(chǎn)品(auxiliarydataproducts)。其中，標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品按照反演的等級分為兩級(level1、level2)。區(qū)別:

level1產(chǎn)品是通過衛(wèi)星上搭載的云雷達直接得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，而level2產(chǎn)品是根據(jù)level1產(chǎn)品結合其他衛(wèi)星產(chǎn)品反演得到的。3、CloudSat衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品CloudSat衛(wèi)星主要有CloudSat標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類CloudSat標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類1級輔助產(chǎn)品（1A-AUX）、歐洲中心中尺度天氣預報輔助產(chǎn)品(ECMWF-AUX)MODIS輔助產(chǎn)品(MODIS-AUX)激光雷達輔助產(chǎn)品(LIDAR-AUX)4類。其中，MODIS和LIDAR分別是“A-Train”衛(wèi)星群中的Aqua衛(wèi)星和CALIPSO衛(wèi)星上搭載的儀器，可以說CloudSat衛(wèi)星資料是將“A-Train”衛(wèi)星群中不同衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)資料進行融合處理，從而得到云的各種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。CloudSat輔助產(chǎn)品分類1級輔助產(chǎn)品（1A-AUX）、CloudSat輔助產(chǎn)StartoforbitEndoforbitGreenlandicesheetAntarcticicesheet30kmofuncalibrated94-GHzradarreflectivityfactorClouds!使用美國國家航空和航天管理局(NASA)數(shù)據(jù)產(chǎn)品中心提供的“quicklook”成像軟件可以看到一個衛(wèi)星軌道上某一段(所選顏色段)云的垂直掃描情況，如圖所示。StartoforbitEndoforbitGree1B-CPR產(chǎn)品1B-CPR標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要提供CloudSat衛(wèi)星CPR接收到的垂直方向上的雷達回波強度信息。CRP原始數(shù)據(jù)是Level0，它將測量的后向反射能量看作云體與雷達距離的函數(shù)，并根據(jù)飛行前和飛行中的校準測量儀器數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)化Level1B數(shù)據(jù)。1B-CPR產(chǎn)品1B-CPR標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要提供1B-CPR產(chǎn)品1B-CPR產(chǎn)品b)2B-TAU產(chǎn)品2B產(chǎn)品是在1B產(chǎn)品的基礎上加工生成的，其中2B-TAU產(chǎn)品主要包含觀測和反演的垂直方向上云光學厚度信息。該產(chǎn)品主要是利用CPR雷達反射率因子、MODIS大氣頂?shù)妮椛淞亢虴CMWF-AUX的溫、壓、濕和臭氧數(shù)據(jù)，通過貝葉斯統(tǒng)計方法和輻射傳輸模式反演得到

。b)2B-TAU產(chǎn)品2B產(chǎn)品是在1B產(chǎn)品的基礎c)2B-FLXHR產(chǎn)品2B-FLXHR產(chǎn)品利用云中液相和冰相含水量、ECWMF再分析資料的大氣狀態(tài)變量值以及地面反射率數(shù)據(jù)，反演每個雷達剖面上的大氣長波輻射通量和加熱率。在大氣不連續(xù)面上計算向上和向下長波和短波通量，并且利用這些通量求得到相應的加熱率。c)2B-FLXHR產(chǎn)品2B-FLXHR產(chǎn)品利d)2B-GEOPROF產(chǎn)品

CloudSat衛(wèi)星軌道緊隨Aqua衛(wèi)星，該衛(wèi)星攜帶被動的遙感探測儀來觀測地球，這種協(xié)同觀測大大增加對CloudSat衛(wèi)星的幾何剖面的理解。特別地，MODIS(moderate-resolutionimagingspectrora-diometer)將提供在CloudSat衛(wèi)星軌跡上的云的水平分布和存在的信息。MODIS云量不僅包含了在1km相元上云存在的可能性，也包含MODIS觀測的波譜輻射檢驗結果，這些波譜輻射數(shù)據(jù)對確定垂直方向上云的性質(zhì)提供有用信息。2B-GEOPROF是在MODIS提供的云水平分布、云量等協(xié)同觀測數(shù)據(jù)基礎上，采用GEOPRO方法反演云量、氣體衰減和雷達反射率因子的信息。d)2B-GEOPROF產(chǎn)品CloudSat衛(wèi)星d)2B-GEOPROF產(chǎn)品d)2B-GEOPROF產(chǎn)品2B-GEOPROF-LIDAR產(chǎn)品通過CPR和CALIPSO激光雷達觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合反演云的剖面產(chǎn)品，產(chǎn)品包含的內(nèi)容與2B-GEOPROF相同。由于兩種觀測衛(wèi)星儀器具有不同的空間范圍，在反演中采用觀測權重方法來確定儀器與產(chǎn)品之間的協(xié)同問題。以兩個衛(wèi)星觀測空間概率為基礎，建立如下的權重函數(shù)關系：在此，為某雷達觀測范圍內(nèi)的激光雷達剖面數(shù)，和

表示雷達附近上形成的空間面積大小，下標

和分別代表雷達和激光雷達，是某一要素出現(xiàn)的空間概率。e)

2B-GEOPROF-LIDAR產(chǎn)品2B-GEOPROF-LIDAR產(chǎn)品通過CPRe)

2B-GEOPROF-LIDAR產(chǎn)品e)2B-GEOPROF-LIDAR產(chǎn)品f)2B-CLDCLASS產(chǎn)品

2B-CLDCLASS產(chǎn)品是利用垂直和水平云特征、降水是否出現(xiàn)、云體溫度、MODIS輻射數(shù)據(jù)來確定云分類信息，分類的主要依據(jù)是根據(jù)云相態(tài)、水凝物濃度、形狀和滴譜分布四個基本因子。目前已能判斷St、Sc、Cu、Ns、Ac、As、深對流和高云等八種基本云型的反演方法和指標。f)2B-CLDCLASS產(chǎn)品2B-CLDCf)2B-CLDCLASS產(chǎn)品f)2B-CLDCLASS產(chǎn)品云分類的反演方法主要按照下列步驟：1.利用CPR雷達云量觀測數(shù)據(jù)來確定云團存在與否2.云團被確定，那么云高、溫度、最大反射率以及降水是否出現(xiàn)則也將確定。根據(jù)云體水平和垂直位置、最大反射率因子、降水水平范圍等因子，降水云被分類為Ns、St、Sc、Ac和深對流云；非降水云則根據(jù)云的高度和溫度，將其分為高、中、低云。云分類的反演方法，是對于每種特征參數(shù)設置不同的閾值，這是一種簡單且容易操作的方法，但是反演分類的結果卻對閾值非常敏感。目前，反演中采用閾值與模糊理論分類方法的結合。f)2B-CLDCLASS產(chǎn)品云分類的反演方法主要按照下列步驟：f)2B-CLDCLA8種主要類型云的典型特征8種主要類型云的典型特征g)2B-CWC-RO產(chǎn)品2B-CWCRO產(chǎn)品提供雷達探測剖面上水凝物的含水量、數(shù)濃度及有效半徑的信息。CWC算法分別反演冰相云和液相云的微物理特征，反演假定雷達剖面分別是由液水或冰水組成的，而不是二者的混合物，冰相和液相的區(qū)分方法是通過ECMWF模式提供等溫度來判斷。2B-CWC-RO產(chǎn)品反演過程如下：首先依據(jù)2B-GEOPROF產(chǎn)品的云量信息確定有云存在的探測剖面；利用2B-CIDCLASS產(chǎn)品判定探測剖面上云的類型(液相或冰相)；基于氣候的和溫度的以及其他標準，假定每塊云體液相或冰相粒子的滴譜分布；利用假定的先驗值和2B-GEOPROF的雷達觀測，反演每塊云體的液相和冰相滴譜參數(shù)。g)2B-CWC-RO產(chǎn)品2B-CWCR蘭州大學《衛(wèi)星氣象學》第4章-美國氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)-3-CALIPSO