论文标题：MODIS Cloud Detection Evaluation Using CALIOP over Polluted Eastern China

期刊：Atmosphere

作者：Saichun Tan, Xiao Zhang and Guangyu Shi

发表时间：19 June 2019

DOI：10.3390/atmos10060333

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/atmosphere

原文作者简介

檀赛春

中国科学院大气物理研究所

中国科学院大气物理研究所副研究员、硕士生导师。主要从事大气沉降对海洋初级生产过程的影响及其气候与环境效应、大气和海洋遥感的研究。

云能反射入射的太阳辐射，从而对地球产生冷却作用；云也能吸收地球和大气的长波辐射并发射长波辐射，从而对地球产生温室效应，这两种反作用的相对强弱决定了云对气候影响的净效应。由于云特征 (云量、高度、厚度、结构、相态、粒子等) 十分复杂，云对气候变化的影响有着很大的不确定性。云特征的小量变化就可能显著影响地球的能量平衡，因此，对云特征进行准确观测对于天气预报、气候变化研究、天气和气候系统数值模拟都具有非常重要的意义。

图片来源：Pexels

卫星遥感是获取云特征的重要途径。经济的快速发展使得中国东部地区在秋冬季节时常发生细颗粒物PM_2.5 (空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物) 污染 (也称霾、雾霾、灰霾等) 天气 (图1)。然而，细颗粒物污染对卫星观测云的影响仍有待更多定量化的研究。

图1. 年平均、春夏秋冬四季的 (a) MODIS和CALIOP云量差；(b) PM_2.5浓度。

中国科学院大气物理研究所的檀赛春副研究员，石广玉院士以及中国气象科学研究院的张晓博士，通过分析2013–2016年Aqua卫星上搭载的MODIS和CALIPSO卫星上搭载的CALIOP卫星遥感器的云和气溶胶观测资料，研究了二者观测中国东部地区云特征的异同，并将其研究结果发表在期刊Atmosphere上。

方法和发现

CALIOP可以得到每一个CALIPSO卫星轨道上的云和气溶胶的垂直廓线分布，水平分辨率高度8.2 km以下是333 m，高度8.2–20.2 km是1000 m，垂直分辨率高度8.2 km以下是30 m，高度8.2–20.2 km是60 m。MODIS能得到水平云分布，空间分辨率为1×1 km² (即为一个MODIS像素)。由于二者的空间分辨率不同，因此比较之前需要进行空间配置。选择落在CALIPSO卫星轨道上的MODIS像素，而每一个1×1 km² MODIS像素里的所有CALIOP观测都要考虑进来。经过空间配置后，本研究共获得2013–2016年间的5,519,850条CALIOP廓线和839,950个MODIS像素。然后，作者对这些廓线和像素点的云探测进行了比较。

结果发现二者云探测的一致性达到82% (图2)。不一致的地方在于，MODIS观测到更多云顶高度低于1.5 km (91%) 的云 (图2a)，特别是在秋冬季出现PM_2.5污染的北京、天津、河北、山东、河南地区 (图1)，这可能是MODIS将低空雾霾污染的气溶胶层误认为云所致。而CALIOP则观测到更多云厚度低于1.05 km (72%) (图2b) 和云光学厚度小于0.4 (62%) 的云 (图2c)，表明CALIOP观测云光学厚度小于0.4的薄云比MODIS更有优势。进一步分析发现，当气溶胶光学厚度和太阳天顶角增大时，MODIS观测到的云更多，表明过高的气溶胶浓度和太阳天顶角将会影响MODIS卫星对云的观测 (图3)。

图2. MODIS和CALIOP云探测一致 (灰色) 和不一致 (紫色) 像素点数直方图随不同云特征的变化。(a) MODIS云顶高度，(b) CALIOP云厚度，(c) CALIOP云光学厚度。图中数字为总像素数量。

图3. MODIS观测到云而CALIOP无云的像素与CALIOP无云总像素比例 (r_MODcloud_CALfree) 随 (a) 气溶胶光学厚度 (AOD) 和 (b) 太阳天顶角 (SZA) 的变化。

结论

该研究分析了Aqua卫星搭载的MODIS和CALIPSO卫星搭载的CALIOP遥感器对中国东部地区云特征观测的异同，获得了MODIS和CALIOP云特征产品在细颗粒物污染出现的中国东部地区的适用性及其影响因子，加强了细颗粒物污染和太阳天顶角对MODIS遥感器云观测影响的认识。该项研究结果为改进重污染地区卫星遥感云观测数据提供了观测事实基础。

本文以“MODIS Cloud Detection Evaluation Using CALIOP over Polluted Eastern China”为题，发表于大气科学期刊Atmosphere，副研究员檀赛春博士为第一作者和通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院国际合作项目的支持。

Atmosphere (ISSN 2073-4433; IF 2.397) 是大气科学领域的国际型开放获取期刊。期刊研究内容涉及气溶胶、空气质量及其对人类健康的影响、气象学、气候学、生物气象学、生物圈/水圈/陆地-大气相互作用、大气技术、仪器和建模的研究，以及高层大气和行星大气等。目前期刊已被SCIE，Ei Compendex，Scopus等数据库收录。Atmosphere采取单盲同行评审，一审审稿周期约为15.4天，文章从接收到发表上线仅需2.9天。