Геостационарные и полярно-орбитальные спутниковые данные, использованные в этом исследовании, были получены из ISCCP (Rossow and Schiffer 1999). Наборы данных ISCCP объединяют наблюдения от большого количества спутников, каждый из которых наблюдает видимое и инфракрасное излучение, испускаемое атмосферой, поверхностью и облаками Земли, охватывающее несколько лет и охватывающее большую часть поверхности Земли. Набор данных ISCCP D1 содержит 3-часовые, 280-километровые данные с координатной привязкой равных площадей о местоположении облаков, их распространенности и оптических свойствах, и был получен в период с июля 1983 года по июнь 2008 года (ISCCP продолжает выпускать новые продукты).
Фракция облаков представлена в бункерах, отсортированных по давлению верхней границы облаков (семь бинов между 30 и 1000 гПа) и видимой оптической глубине (шесть бинов между 0,02 и приблизительно 380). Поскольку при измерении температуры и давления на вершине облака для регулировки измерений, основанных на инфракрасном излучении, используется видимое излучение, в этом исследовании используются только дневные значения, который получен в тех же временных и пространственных масштабах, что и произведение D1.
Активными датчиками, использованными в этом исследовании, являются радар с профилированием облаков (CPR) на борту CloudSat и лидар облачного аэрозоля с ортогональной поляризацией (CALIOP) на спутнике CALIPSO. Оба являются частью созвездия из четырех спутников, которые движутся по орбите на солнечно-синхронной орбите на высоте примерно 705 км над средним экваториальным уровнем моря с повторным циклом примерно 16 дней. Основным преимуществом полета пласта является то, что он позволяет нескольким датчикам проводить почти одновременные измерения атмосферы Земли как в пространстве, так и во времени.
CloudSat CPR (Stephens и др. 2008) является почти надиром указывающего миллиметровой волны (94 ГЦа) радиолокационная система запущена в 2006 году, которая собрала данные почти непрерывно с июня этого года. Радарная система оптимизирована для вертикального профилирования облаков в атмосфере и может использоваться для одновременной количественной оценки границ облаков, микрофизических свойств, радиационного нагрева и характеристик осадков. Вертикальное разрешение радара составляет 240 м, а разрешение по поперечной дорожке составляет приблизительно 1,4 км.
Наблюдения за границей облаков и радиолокационной отражательной способностью, использованные в этом исследовании, были получены из продукта геометрического профиля уровня 2B (2B-GEOPROF) за период с июня 2006 года по февраль 2008 года. Скорости радиационного нагрева были получены из продукта уровня 2B радиационных потоков и скорости нагрева (2B-FLXHR), который использует микрофизические извлечения CloudSat в качестве входных данных для широкополосной связи , двухпотоковая, плоскопараллельная, сложение и удвоение модели радиационного переноса. Частота и интенсивность осадков исходит от продукта колонки осадков уровня 2C (2C-PRECIP-COLUMN) только для океанов. Частота выпадения осадков в CloudSat определяется с использованием алгоритма, основанного на затухании, и было показано, что он очень хорошо совпадает с наблюдениями судов над уровнем осадков в среднеширотных океанах.
Хотя CloudSat способен обнаруживать большинство облаков в атмосфере, есть два существенных ограничения: облака с небольшим поперечным сечением обратного рассеяния (главным образом оптически тонкие перистые) и облака пограничного слоя, присутствие которых становится неоднозначным из-за шума, связанного с сильным рассеянием над поверхностью Земли.
CALIOP лидар заполняет многие из этих пробелов. Благодаря своей более короткой рабочей длине волны, лидар способен обнаруживать гораздо более мелкие частицы облаков и, кроме того, не страдает от поверхностного загрязнения. Эти преимущества связаны с компромиссом, заключающимся в том, что лидар значительно затухает при видимой оптической глубине, превышающей примерно 3, что приводит к обнаружению только вершин таких облаков. Нечасто также может быть некоторая неопределенность между крупными частицами аэрозоля и облачными каплями, однако предположить, что значительно более 90% облачных слоев правильно идентифицированы как облачные, что делает комбинацию CPR и CALIOP надежным инструментом для идентификации появления облаков.
Следовательно, облачная маска, используемая в этом исследовании, представляет собой объединенный набор данных, содержащийся в продукте 2B-GEOPROF лидар версии 4 (CloudSat - CALIPSO). Облако считается присутствующим в любое время, когда радар CloudSat указывает, что гидрометеор существует с высокой степенью достоверности [значение маски облака 30 или выше, что соответствует частоте ложного обнаружения приблизительно 4,3%, как сообщили Marchand et al. (2008)], или CALIOP указывает, что заданный интервал радиолокационных данных содержит 50% или более облачного покрова.
В дополнение к переменным, связанным с облаками и радиацией, в этом исследовании используются некоторые основные динамические поля, такие как горизонтальный ветер и температура, для помещения наблюдений за облаками в контекст окружающего потока синоптического масштаба. Эти переменные получены из 6-часовых Национальных центров прогнозирования состояния окружающей среды — ре-анализ проекта взаимного сравнения атмосферных моделей Министерства энергетики США, фаза 2, набор данных (далее NCEP-II), с горизонтальным разрешением 2,5 на 17 вертикальных уровнях (Kanamitsu et al. 2002). Кроме того, более высокое вертикальное разрешение промежуточного реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) (ERA) (далее ERA-Interim; Simmons et al. 2006) используется для преобразования давления ISCCP на вершине облака (CTH) (37 вертикальных уровней, горизонтальное разрешение 1,5 и временное разрешение 6 часов). Вертикальная температурная структура, согласованная с отдельными бункерами радиолокационного диапазона, получена из вспомогательного продукта CloudSat ECMWF (ECMWF-AUX).
Объемные характеристики среднеширотной облачности южного полушария
Анализ как ISCCP, так и CloudSat - CALIPSO показывает, что пояс Южного полушария (SHB, определяемый в этом документе как область между 30 и 65 S широты) является одним из самых облачных мест на планете, что согласуется с другими спутниковыми климатологиями и наблюдения на основе. Средняя доля облаков за 25 лет по ISCCP составляет 0,79, а доля облаков за 3 года из CloudSat - CALIPSO - 0,81.
Различия в общей облачности между этими наборами данных ожидаются по нескольким причинам, в первую очередь из-за различий в чувствительности прибора ( Rossow and Zhang 2010), но также из-за различий в размерах следа, используемых критериях дискриминации облаков и, возможно, в меньшей степени, несоответствия между анализируемыми годами. В частности, CALIPSO более чувствителен к тонкому перистому желобу, чем ISCCP, но может переоценить присутствие низких облаков ( Hagihara et al. 2010 ). Мы ожидаем, что эти различия в чувствительности будут влиять не только на общее количество облаков, наблюдаемых в каждом наборе данных, но и на то, как облако разделяется по высоте.
Совместная гистограмма в стиле ISCCP (например, Jakob and Tselioudis 2003 Rossow и Schiffer 1991 Tselioudis et al. 2000 ), показывающая частоту появления облаков (FOCC) как функцию как давления на вершине облака, так и видимой оптической глубины для ГСП в течение 1983–2008 гг.
Согласно ISCCP, наиболее часто встречающийся тип облаков имеет вершину от 680 до 800 гПа и оптическую глубину от 3,55 до 9,38. Это соответствует средним облакам средней и низкой оптической толщины. Облака ниже 680 гПа составляют 35,1% от общей облачности над SHB, состоящей в основном из облаков с оптической толщиной от 1,27 до 9,38.
Распределения CTH для SHB от ISCCP за 1983–2008 гг. (Сплошная линия) и от CloudSat - CALIPSO за декабрь 2006 г. - ноябрь 2009 г. (пунктирные и пунктирные линии). Пунктирная линия - это CTH самого высокого наблюдаемого слоя облаков, а пунктирная линия - это CTH самого низкого слоя облаков. Размеры бункера CTH для CloudSat - CALIPSO равны 0,5 кми различаются, как указано символами ромба для ISCCP.
Для CloudSat - CALIPSO высота верхней границы самого верхнего облачного слоя изображена пунктирной линией. Давления на вершине облаков ISCCP были преобразованы в высоты с использованием средних профилей геопотенциала SHB за период 1990–99 гг., Полученных на основе повторного анализа ERA-Interim (отметим, что преобразование высота-давление с использованием среднего профиля геопотенциала на любом из крайние широты SHB, а не по всему поясу.
