基于Cloudsat卫星遥感的祁连山地区云特征与降水相关分析

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祁连山地区大气水资源丰富但地表水及地下水严重不足,提高大气水资源利用效率研究,直面我国科技需求中的地域性缺水问题,是水文水资源方向重要的课题。不同高度的云因其物理特性不同对人工增雨作业具有指示意义,本文对祁连山地区云宏微观垂直特征及降水关系研究是进一步了解降水过程,提高人工影响天气科学水平和作业效率的重要途径,为人工增雨实验提供了技术支撑。
  本文利用23个气象站点实测降水数据,借助Arcgis平台选择反距离权重插值法分析了祁连山地区2007~2010年5月至9月期间降水时空分布特征。在认真研究国内外遥感观测数据的基础上,综合Cloudsat和CALIPSO卫星雷达能充分地探测到云层内部的优点,利用统计时段内263段雷达云廓线(共132525个可用数据点),分析了祁连山地区常见的5个云宏观参数及6个云微物理参数垂直分布特征。根据区域降水及云参数特征,尝试将数据挖掘中的关联规则Apriori算法应用于云微物理参数与降水关系分析中。在所得强关联规则基础上,选取24个典型个例(共33271个可用数据点)进一步对不同高度层的云微物理参数与降水相关性进行分析。主要结论如下:
  (1)研究区域降水呈现由南向北递减的趋势;站点月平均降水量与海拔高度的相关系数大于0.8。站点降水数据对其方圆20km区域的降水情况具有较好的代表性。
  (2)祁连山地区各站点范围内总云分数基本分布在30%~70%之间,总云分数随海拔高度升高而增大,相关系数为0.81。南坡区域的云垂直分布峰值出现在距地表2km左右的云层中,云集中于1~3km的云层中;北坡云无明显峰值,在多云层中分布均匀。
  (3)云发展情况与地形关系密切,单层云、两层云云底高度与地形相关系数达均到-0.85。不同海拔高度站点的云参数垂直分布规律区别明显。
  (4)云液态粒子有效半径大多集中在100~140μm范围内;云冰水含量垂直分布为单峰型,峰值两侧变化基本对称;云液态/冰粒子有效半径的最大值均在距地表1km左右云层出现;云液态/冰粒子数浓度垂直分布情况与云液态/冰水含量的变化趋势相近。
  (5)南坡降水情况与液态云微物理参数之间具有极好的强关联规则。存在降水时,距地表1km以下云层的云液态水含量平均值均大于250mg/m3;在2~3km云层中云液态粒子有效半径平均值为120~150μm时,有80%以上的数据显示出现降水。
  (6)在24次降水过程中,南坡不同高度层液态云的粒子有效半径及水含量与降水量,在距地表1.5km以上部分云层中呈现相关关系,相关系数最大可在距地表2.75~3km云层中达到-0.81;而北坡相关系数最大可在距地表4.75~5km云层中达到0.95。
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