Атмосферный пограничный слой дистанционного зондирования

Наземные, на основе полевых или спутниковые инструменты дистанционного зондирования могут использоваться для измерения свойств планетарного пограничного слоя , включая высоту пограничного слоя, аэрозоли и облака. Спутниковое дистанционное зондирование атмосферы имеет то преимущество в том, что он способен обеспечить глобальное охват свойств пограничного слоя атмосферного планеты, одновременно обеспечивая относительно высокие временные частоты отбора проб. Достижения в спутниковом дистанционном зондировании обеспечили более высокое вертикальное разрешение, что обеспечивает более высокую точность для измерений пограничного слоя планеты.

Радиативное воздействие на облака морского пограничного слоя (MBL) необходим для понимания любых изменений глобального потепления. Облака низкого уровня, включая облака MBL, имеют наибольшее чистое радиационное воздействие всех облаков. ^{[ 1 ]} Альбедо этих низкоуровневых облаков намного выше, чем альбедо базовой поверхности океана, и необходимо правильное моделирование этих облаков для ограничения неопределенности в прогнозах климатической модели. Удаленное зондирование планетарного пограничного слоя, особенно облаков и аэрозолей в пределах планетарного пограничного слоя может помочь проверить и улучшить климатические модели.

Планетарный пограничный слой

Планетарный пограничный слой - это часть тропосферы, на которую влияет взаимодействие с поверхностью Земли и будет приспосабливаться к поверхностному воздействию в течение 1 часа. ^{[ 2 ]} Планетарный пограничный слой характеризуется турбулентностью в дневное время и стабильностью в течение ночи. В верхней части планетарного пограничного слоя существует стабильный слой, который часто называют инверсионным слоем, поскольку температура имеет тенденцию увеличиваться с высотой в отличие от большей части тропосферы. Пограничный слой планеты может иметь облака более низкого уровня, расположенные вокруг вершины инверсии уплотнения. Два основных типа облаков в пределах планетарного пограничного слоя-это светлопогодные кучевые облака и облака стратокумулуса. Базовая поверхность в первую очередь определяет тип облака, создаваемого в пределах планетарного пограничного слоя. Присутствие инверсии упрекания также может зала за половиной аэрозолей в пределах планетарного пограничного слоя. Увеличение антропогенных аэрозолей от сжигания ископаемого топлива может оказать существенное влияние на осадки и климат. ^{[ 3 ]}

Спутниковое дистанционное зондирование

Спутниковые измерения имеют преимущество в том, что они способны выбирать метеорологические переменные в областях, которые имеют небольшие системы измерения. Многие инструменты были созданы, чтобы помочь наблюдать атмосферу как для исследований, так и для прогнозирования погоды. Одной из первых успешных спутниковых миссий для наблюдений за погодными радиолокациями был спутник наблюдения за инфракрасным телевидением (Tiros). Этот инструмент проложил путь для большего количества погодных спутниковых систем, которые используют видимый, инфракрасный и микроволновый излучение. Текущие инструменты дистанционного зондирования, которые могут помочь обнаружить феномен пограничного слоя планеты, включают спектрорадиометр в среднем разрешении (MODIS) на борту Terra и Aqua , а также Caliop (Cloud-Aerosol LiDAR с ортогональной поляризацией) на борту Calipso . В то время как Модис и многие другие спутники являются пассивными удаленными датчиками, активные дистанционные датчики, такие как Calipso, обеспечивают большую точность для поиска высоты. Спутниковые измерения были использованы для определения динамических условий, которые производят облака пограничного слоя планеты, и климатологические области, где происходят эти облака. ^{[ 4 ]}

Планетарные пограничные облака слоя

Дистанционное зондирование мезомасштабной клеточной конвекции

Мезомасштабная клеточная конвекция (MCC) - это форма плавно управляемой конвекции, которая может обеспечить планету -пограничный слой с кучевыми облаками в верхней части пограничного слоя. MCC, как правило, встречается по регионам океана и в основном встречается у побережья основных континентов, особенно в Северной и Южной Америке. ^{[ 5 ]} MCC является формой ячейки Bénard , где жидкость будет подниматься или падать в шестиугольные клетки, создавая гексагональную структуру облака. Инверсия перекрытия планетарного пограничного слоя действует как крышка для конвекции, создавая горизонтальную плоскость для гексагональных облачных структур. Спутниковые наблюдения были необходимы для понимания горизонтальной шкалы и вертикального масштаба этих облачных образов. MCC, как правило, слишком мал для измерений синоптических масштабов, но слишком большой для измерений в одной точке. Тем не менее, спутниковые наблюдения способны контролировать развитие моделей облаков из -за их большой области зрения. ^{[ 6 ]} Спутники изображений от Tiros помогли выделить одно из основных различий между лабораторными конвекционными клетками и теми, которые встречаются в атмосфере. Соотношение диаметра гексагона по сравнению с глубиной облака было намного больше в атмосфере по сравнению с тем же соотношением, рассчитанным в контролируемых экспериментах. Это различие показало, что вязкость и теплопровождение были важны для лабораторных измерений, но вихревая диффузия тепла и импульса доминировала в атмосферных клетках. ^{[ 5 ]} Сдвиг ветра должен быть низким, чтобы образовать ячейки MCC, в противном случае облачные полосы, в направлении сдвига ветра. Облачные образования, которые встречаются как часть MCC, могут быть размещены в две категории: открытые ячейки и закрытые ячейки.

Открытые клетки

Открытые клетки характеризуются областью, свободной от облака, в середине гексагональной формирования с облачными областями во внешнем крае шестиугольника. Открытая ячейка будет иметь медленное нисходящее движение посередине с более быстрым восходящим движением по краям, образующим шестиугольную форму облака. Они имеют тенденцию образовывать более холодную воду, такой как те, которые существуют у калифорнийского побережья.

В то время как такие места, как калифорнийское побережье, регулярно производят открытую клеточную конвекцию, атмосферные штормовые системы также могут стимулировать производство открытых клеточных облаков в областях низкого климатологического производства. Открытые клеточные паттерны часто можно найти за холодными фронтами в холодном нестабильном воздухе и производят несколько типов облаков, включая Cumulus congenstus, кучелонимбус и облака Stratocumulus. ^{[ 4 ]} Однако открытые клетки, образованные в субтропических областях, обычно не связаны с синоптическими штормами.

Закрытые ячейки

Закрытые ячейки содержат заполненные облачными областями в центре формирования шестиугольника с облачными областями на краю шестиугольника. Закрытая ячейка имеет медленное повышение движения в середине и более быстрое нисходящее движение по краям. Закрытые клетки имеют тенденцию возникать над более теплыми водами, такими как те, которые связаны с током Куросио и потоком Гольф.

Закрытые ячейки обычно формируются при слабом конвективном смешивании на более низких уровнях с крышкой инверсионного слоя. Они обычно встречаются в восточных участках субтропических областей высокого давления или в юго -восточном квадранте полярных максимумов.

Аэрозоли со спутников

Калипсо -спутниковое изображение, показывающее лидарное обратное рассеяние и классификацию аэрозоля на основе данных обратного рассеяния.

Caliop на борту Calipso позволяет проводить измерения различных аэрозольных частиц путем измерения обратного рассеяния на длинах волн 1064 и 532 нанометров с возможностью принимать два ортогональных компонента на длине волны 532 нм. ^{[ 7 ]} Без присутствия оптически толстых облаков аэрозольные слои в планетарном пограничном слое могут быть измерены и обеспечивают отличный метод измерения загрязнения аэрозоля. Наземный лидар показал согласие с Caliop при измерении изолированных аэрозольных слоев над столичным районом Сеула. ^{[ 8 ]}

Calipso также использовался в сочетании с данными MODIS, чтобы определить, как аэрозоли внутри планетарного пограничного слоя могут изменить низкие планетарные пограничные слои. Было показано, что обнаружение аэрозолей сжигания биомассы уменьшает радиус капли облака в этих облаках теплых слоев в соответствии с эффектом Альбрехта , одновременно уменьшая путь жидкой воды в отличие от эффекта Альбрехта. ^{[ 9 ]}

Пограничный слой высота

Пограничный слой имеет тенденцию иметь более высокие значения влаги и большие аэрозольные количества, что приводит к более высокому рассеянию света в пограничном слое. С инструментами дистанционного зондирования высота пограничного слоя может быть обнаружена на основе этих принципов. Используя лидар на борту Calipso, были сделаны оценки высоты пограничного уровня и сравнивались с Radiosonde и данными повторного анализа ECMWF и показали высокие корреляции между расчетным значением дистанционного зондирования и измеренными значениями радиозонда. ^{[ 10 ]}

Высота пограничного слоя может быть получена несколькими различными способами из данных лидара, включая метод максимальной дисперсии, которая утверждает, что максимальная дисперсия обратного рассеяния происходит в верхней части пограничного слоя. В пределах зоны увлечения вихрями, свободной от чистки тропосферы, будут смешиваться с более загрязненными вихрями пограничного слоя, что приведет к высоким отклонениям на высоте увлекательного слоя. ^{[ 11 ]} Использование высоты граничного слоя, полученного спутником, обеспечивает еще один метод для проверки вывода климатической модели. Некоторые инструменты дистанционного зондирования имеют ограничения. Поскольку Caliop опирается на использование обратного рассеянного света, дневные поиск могут содержать высокие отношения сигнал к шуму, поскольку солнечный свет может добавлять фоновый шум. Ночные поиск

Пограничный слой состав

В подходящих условиях специализированные методы лидара могут быть использованы для определения состава пограничного слоя. Лидарные импульсы, используемые для дистанционного зондирования, получают пульс эхо от земли и от облаков. Когда в верхней части пограничного слоя существует слой сломанных облаков, методы IPDA LIDAR, используемые для атмосферного композиции, дистанционное зондирование может получить состав пограничного слоя. ^{[ 12 ]}

Ссылки

^ Дженсен, Майкл (2008). «Исследование региональных и сезонных изменений в морских граничных свойствах от наблюдений Модиса». Журнал климата . 21 (19): 4955–4973. Citeseerx 10.1.1.556.9408 . doi : 10.1175/2008jcli1974.1 .
^ Стулл, Ролальд Б. (1988). Введение в метеорологию пограничного слоя . Kluwer Academic Publishers. п. 3
^ Альбрехт, Б.А. (1989). «Аэрозоли, облачная микрофизика и дробная облачность». Наука . 245 (4923): 1227–30. Bibcode : 1989sci ... 245.1227a . doi : 10.1126/science.245.4923.1227 . PMID 17747885 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Андерсон, Ральф; Фарр, Г. (1974). Применение метеорологических спутниковых данных при анализе и прогнозировании (отчет). Национальный экологический спутниковый центр. Архивировано с оригинала 4 марта 2016 года . Получено 12 мая 2014 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Эйджи, Эрнест (1984). «Наблюдения от пространства и тепловой конвекции: историческая перспектива» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 65 (9): 938–949. doi : 10.1175/1520-0477 (1984) 065 <0938: ofsatc> 2,0.co; 2 .
^ Эйджи, Эрнест (1973). «Обзор мезомасштабной клеточной конвекции» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 54 (10): 1004–1012. doi : 10.1175/1520-0477 (1973) 054 <1004: AROMCC> 2.0.CO; 2 .
^ "Калипсо полезной нагрузки " НАСА Получено 14 мая
^ Ким, В. (2008). «Проверка аэрозольных и облачных структур слоя от космического лидарного Caliop с использованием наземного лидара в Сеуле, Корея» . Атмосферная химия и физика . 8 (13): 3705–3720. doi : 10.5194/ACP-8-3705-2008 .
^ Константино Л. (2012). «Аэрозоль косвенный эффект на теплые облака над юго-восточной Атлантикой, от совместных наблюдений Модиса и Калипсо» . Атмосферная химия и физика . 13 : 69–88. doi : 10.5194/acp-13-69-2013 .
^ Leventidou, E (август 2013 г.). «Факторы, влияющие на сравнение поиска высоты пограничного слоя из Калипсо, ECMWF и радиозондов над Fessaloniki, Греция». Атмосферная среда . 74 : 360–366. doi : 10.1016/j.atmosenv.2013.04.007 .
^ Джордан, Н. (2010). «Валидация Годдарда Земля Наблюдая за системой - версия 5 Высота граничного слоя Мерры с использованием Calipso» . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 115 (D24): D24218. BIBCODE : 2010JGRD..11524218J . doi : 10.1029/2009jd013777 .
^ Раманатан, Ананд К.; Мао, Цзянпинг; Эбшир, Джеймс Б.; Аллан, Грэм Р. (2015-03-28). «Измерения дистанционного зондирования соотношения смешивания CO2 в планетарном пограничном слое с использованием облачного нарезания с воздушным лидаром» . Геофизические исследования . 42 (6): 2014GL062749. doi : 10.1002/2014gl062749 . ISSN 1944-8007 .

[1] Дженсен, Майкл (2008). «Исследование региональных и сезонных изменений в морских граничных свойствах от наблюдений Модиса». Журнал климата . 21 (19): 4955–4973. Citeseerx 10.1.1.556.9408 . doi : 10.1175/2008jcli1974.1 .

[2] Стулл, Ролальд Б. (1988). Введение в метеорологию пограничного слоя . Kluwer Academic Publishers. п. 3

[3] Альбрехт, Б.А. (1989). «Аэрозоли, облачная микрофизика и дробная облачность». Наука . 245 (4923): 1227–30. Bibcode : 1989sci ... 245.1227a . doi : 10.1126/science.245.4923.1227 . PMID 17747885 .

[Anderson-4] Jump up to: ^а ^{беременный} Андерсон, Ральф; Фарр, Г. (1974). Применение метеорологических спутниковых данных при анализе и прогнозировании (отчет). Национальный экологический спутниковый центр. Архивировано с оригинала 4 марта 2016 года . Получено 12 мая 2014 года .

[Agee-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Эйджи, Эрнест (1984). «Наблюдения от пространства и тепловой конвекции: историческая перспектива» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 65 (9): 938–949. doi : 10.1175/1520-0477 (1984) 065 <0938: ofsatc> 2,0.co; 2 .

[6] Эйджи, Эрнест (1973). «Обзор мезомасштабной клеточной конвекции» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 54 (10): 1004–1012. doi : 10.1175/1520-0477 (1973) 054 <1004: AROMCC> 2.0.CO; 2 .

[7] "Калипсо полезной нагрузки " НАСА Получено 14 мая

[8] Ким, В. (2008). «Проверка аэрозольных и облачных структур слоя от космического лидарного Caliop с использованием наземного лидара в Сеуле, Корея» . Атмосферная химия и физика . 8 (13): 3705–3720. doi : 10.5194/ACP-8-3705-2008 .

[9] Константино Л. (2012). «Аэрозоль косвенный эффект на теплые облака над юго-восточной Атлантикой, от совместных наблюдений Модиса и Калипсо» . Атмосферная химия и физика . 13 : 69–88. doi : 10.5194/acp-13-69-2013 .

[10] Leventidou, E (август 2013 г.). «Факторы, влияющие на сравнение поиска высоты пограничного слоя из Калипсо, ECMWF и радиозондов над Fessaloniki, Греция». Атмосферная среда . 74 : 360–366. doi : 10.1016/j.atmosenv.2013.04.007 .

[11] Джордан, Н. (2010). «Валидация Годдарда Земля Наблюдая за системой - версия 5 Высота граничного слоя Мерры с использованием Calipso» . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 115 (D24): D24218. BIBCODE : 2010JGRD..11524218J . doi : 10.1029/2009jd013777 .

[12] Раманатан, Ананд К.; Мао, Цзянпинг; Эбшир, Джеймс Б.; Аллан, Грэм Р. (2015-03-28). «Измерения дистанционного зондирования соотношения смешивания CO2 в планетарном пограничном слое с использованием облачного нарезания с воздушным лидаром» . Геофизические исследования . 42 (6): 2014GL062749. doi : 10.1002/2014gl062749 . ISSN 1944-8007 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]