近日，遥感领域顶级期刊Remote Sensing of Environment在线发表了海洋与大气学院最新科研成果“A multispectral method for retrieving overlapping cloud top heights from passive radiometers”（基于被动成像仪观测反演重叠云云顶高度的多光谱方法）。该成果第一作者是海洋与大气学院青年教师滕诗文博士，通讯作者是南京信息工程大学大气物理学院刘超教授，合作单位包括国家卫星气象中心、国防科技大学、兰州大学等。
云在大气环流、水循环和辐射收支中发挥着重要作用，但其复杂的宏观和微观物理特性以及多变的时空分布特征使得云成为天气和气候研究中误差的重要来源之一。云顶高度作为表征云特性的重要参数之一，直接影响云对地球-大气系统的增温或冷却作用。同时云顶高度的垂直增长速率也是预测极端降水、雷暴等灾害性天气的关键因子。因此，准确地探测和表征云顶高度至关重要。星载被动光谱成像仪是云遥感研究的重要手段之一，其云顶高度产品在研究中被广泛应用。由于被动载荷对云层垂直结构探测的局限，现有云顶高度产品大多基于理想的单层均匀云层假设反演得到。最新的研究指出大气中超过四分之一的云具有明显的上、下分层的重叠特征，这种情况下传统算法将不可避免地反演得到介于实际上、下云层之间的辐射等效云顶高度，导致传统云顶高度反演产品的平均偏差达到 5 km以上（图1对比了星载主动激光雷达和云雷达联合产品给出的云顶高度与被动载荷基于单层云反演的云顶高度，对于b、c中重叠云结果，两者存在显著差别）。
图1. (a)单层云和(b、c)重叠云情况下AHI云顶高度产品与CPR-CALIOP联合云顶高度产品的对比评估。
本研究聚焦于重叠云结构下云顶高度的准确反演问题，提出了基于被动成像仪多光谱观测的重叠云云顶高度反演算法。该算法充分发挥了短波红外（0.87、1.6、2.13和2.25 µm）通道在分离不同相态云的光学和微物理特性方面的优势，并结合了长波红外（8.6、11和12 µm）通道对云顶高度的强敏感性（图2）。结果表明，对于光学厚度较薄的冰云（可被仪器探测且光学厚度小于～7）覆盖液态水云的情况，多光谱方法表现优异且具有较好的稳定性。与传统的云顶高度产品相比，多光谱方法获取的上层冰云和下层水云云顶高度与主动仪器观测结果一致性更高（图3），特别是上层冰云云顶高度的平均反演偏差显著降低至 -1.36 km。本研究的成果显著提升了我们对于重叠云垂直结构的认识，为进一步提高云辐射效应准确估计提供了有效的技术支撑。
图2. 短波红外和长波红外观测对不同重叠云特性的敏感性分析。
图3. 基于CPR-CALIOP云垂直廓线产品分别评估传统反演方法（上）和本研究多光谱方法（下）获取的云顶高度。
发表文章列表：
Teng, S.,Liu, C., Tan, Z., Li, J., Xu, N., Hu, X., Zhang, P., Yan, W., Sohn, B.-J. (2023) A multispectral method for retrieving overlapping cloud top heights from passive radiometers. Remote Sensing of Environment, 286: 113425.
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113425