CALIPSO与MODIS云高产品对比和分析

 摘 要
云对地球的环境和气候有着很大的影响，云的辐射特性和高度影响到太阳辐射收支，从而导致地球变暖或变冷。为了精确描述能量收支，对云的微物理性质（如云形态和云粒直径）和简单的几何性质（如云顶高度）的研究是必不可少的。
MODIS获取了高时间频次、全球覆盖的云产品数据，为了解该云产品的数据质量，以CALIPSO数据为基准，分析了MODIS云顶高度产品的准确性以及误差产生的原因。
主要工作及成果如下：
（1）数据获取及处理。选择时间、地点对应的低、中、高纬度地区的CALIPSO和MODIS云高产品数据。
（2）对MODIS云高产品数据进行几何纠正，并根据C ALIPSO经纬度数据找到MODIS数据对应区域。
（3）数据对比与分析。把同一时空下的两种数据做差值运算，并求取差值的平均值和标准差。包括不同纬度、不同高度、不同云层数的云顶高度对比与分析。
（4）MODIS云顶高度误差的空间分布分析。通过对比CALIPSO和MODIS云顶高度，发现在低纬度地区，MODIS云顶高度产品误差较大；在中纬度和极地地区，误差较小；对于大于5KM的云，误差较大；小于5KM的云，误差较小；对于单层云，误差较小，对于多层云，误差较大。
关键词：CALIPSO；MODIS；云顶高度
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
1.引 言 1
1.1 研究意义及背景 1
1.2 云顶高度的国内外研究现状 2
1.3 研究内容及技术路线 4
2.数据介绍 6
2.1 CALIPSO数据介绍 6
2.2 MODIS数据介绍 11
3.云顶高度反演算法介绍 16
3.1 CALIPSO云顶高度反演算法 16
3.2 MODIS云顶高度反演算法 19
4. 云顶高度对比与分析 23
4.1 数据读取与处理 23
4.2 结果对比与分析 24
5. 结论与展望 40
5.1 结论 40
5.2 展望与不足 41
参考文献 43
致谢词 45
附 录 46

1.引 言
1.1研究意义及背景
在地球大气能量收支平衡和水文循环中，云具有特别明显的调节作用，是影响气候变化的一个重要因子。云在任何方面的改变，如类型、位置、水汽含量、云高、粒子大小和形状或者生命周期，都会作用于温度，这会使得地球变暖或变冷。因此对云的宏观和微观参量的研究具有很重要的意义。其中云顶高度和几何厚度也是许多气象和气候研究的重要参量，这些参量作用于能量收支和辐射加热。
研究表明，在宏观云属性中对辐射过程具有决定影响的因素分别为云量、云高和云光学厚度，它们分别通过改变辐射路径上的吸收/反射几何面积、云上及云下辐射传输路径长度以及散射消光强度而作用于大气中的辐射传输，从而改变局部辐射收支并影响全球能量分布。[1]
云辐射强迫效应和云的位置有关，非黑体高云由于对太阳辐射的透射和云红外辐射的发射，而在对流层和平流层低层引起增暖效应。中低云由于较强的反射而对大气和地表产生显著的冷却效果。因此在关于云在温室效应中的作用，首要的一个问题便是云的位置和云量的变化。
云顶高度和几何厚度等宏观参量不仅对云动力和云微物理演化具有重要作用，而且对于其他微观云参量如：粒子大小、水汽含量的反演也有重要影响。云的垂直结构决定可以影响大气环流，大气环流模式（General Circulation Model，GCM）模拟表明了云量和垂直结构变化对对大气环流的影响。因此，云的高度及其在时间和空间上的变化对全球气候研究至关重要。
由于CALIPSO和MODIS均属于NASA A—Train星座卫星的一部分，两者过境时间相差大约80秒，在时间上基本一致。因此，两者数据具有一定的可比性。本文利用CALIPSO和MODIS云顶高度产品，将两者进行对比。以CALIPSO数据为基准，分析MODIS云顶高度产品的精确性，找到其误差较大地区。运用MODIS云顶高度反演算法原理，分析其产生误差的原因，有利于改进MODIS云顶高度反演算法。同时，精确的测量云顶高度对于研究全球气候以及能量收支平衡具有一定意义。