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东亚是典型的季风区之一，其夏季多种云系是季风系统的成员之一，也是季风降水的载体。云系不仅是影响能量平衡的重要因子，而且是水循环过程的关键环节，其在天气和气候变化中起着重要作用，故直接影响着人类的社会活动。相对地基仪器探测，卫星搭载仪器探测云系具有不受地域限制、探测均一等优点，因此使用多源卫星仪器观测云系已经成为当前大气遥感和气候变化领域的研究热点，而星载测云微波雷达和激光雷达探测云系，也是近十年内的最新技术。东亚地区幅员辽阔，下垫面属性复杂，夏季季风活动复杂多变，不同类型云系形成的热-动力过程和微物理过程有所不同。或许是受到观测资料的限制，以往学者们更多是从天气动力学视角，研究东亚季风活动规律，而对东亚云系活动规律认知有限，尤其是对该地区卷云和深对流云缺乏了解。因此，研究东亚地区夏季卷云和深对流云的特征及其形成原因，对理解东亚夏季天气和气候具有十分重要的科学意义，为改进模式的降水预报精度也有着重要的实际意义。
本论文以东亚(15°N-50°N，70°E-150°E)为研究区域，利用星载微波测云雷达(简称云廓线雷达，CPR)与星载激光测云和气溶胶雷达(简称云-气溶胶偏振激光雷达，CALIOP)2007-2010年夏季（6-8月）的探测资料，结合其它大气参数数据，研究了这两种主动仪器探测的东亚夏季云系时空分布特征及其探测差异，重点研究了夜间卷云时空分布特征及其长波辐射强迫效应;提出了深对流云团的识别算法，并以此深入研究了深对流云团的垂直结构特征;针对青藏高原喇叭口的独特地形，研究了夏季该地区各类云系昼夜分布特点，并分析了造成这些特点的大气环流特征。论文主要取得的结论如下:
1.揭示了CALIOP与CPR测云的差异及其带来的辐射强迫估算误差
由于CPR和CALIOP为同时升空的主动探测雷达，且运行时间间隔在15S以内，可以认为是准时空同步的探测，因此两仪器的探测结果可以进行相互比较。通过个例和统计对比分析两仪器对东亚夏季平均云量和云顶高度的探测差异，结果显示:CPR对较高的薄卷云、云砧的探测能力较差，会漏判大量此类云系。整个东亚夏季，CPR探测的总云量为55.4％，比CALIOP探测结果(74.6％)低约20％，在局地区域二者的探测差异可达40％以上。由于两仪器对卷云探测能力的不同，CALIOP探测的东亚夏季卷云云量(44.3％)比CPR多约24％。此外，在洋面上，CALIOP对低云(云顶高度低于2.5km)的探测能力更强，而在陆地上大部分区域CPR对低云的探测能力更强;可能由于CALIOP信号受云层影响衰减的影响，导致CALIOP探测的东亚夏季低云云量比CPR探测结果低约1.9％。CALIOP探测的平均云顶高度比CPR探测结果高约5km，局地可达8km以上。从对高原及周边地区云量与云顶高度的探测结果看，两仪器在高原西边和北边的探测差异较小，而在高原东边和南边的探测差异较为显著。最后，敏感性试验显示，云顶高度的差异会大大影响地气系统辐射效应的计算，但随着光学厚度的增大，云顶高度对辐射计算的影响逐渐减小。因此，当需要准确计算某种云类的辐射效应时，首先需要考虑不同资料本身会带来的误差。
2.率先揭示了东亚夏季夜间卷云时空分布和结构特征及其长波辐射效应
卷云由于其独特的辐射效应对地气系统的辐射平衡有着十分重要的影响。研究结果显示，东亚夏季夜间卷云的发生概率为44.9％，其中亚可见卷云、薄卷云、不透光卷云和厚卷云的平均发生概率分别为10.1％，16.6％，15.7％和2.6％。此外，东亚夏季夜间卷云发生频次最多（15％左右）的高度位于10.5-12.5km之间;随着光学厚度的增大，其发生频次峰值的高度也逐渐增高，其中亚可见卷云与薄卷云多发于10km处，不透光卷云多发于13km高度处，而厚卷云峰值频次出现的位置为13.5km左右。由于对流层项的限制，不同光学厚度卷云的云顶高度较为接近，但云底高度随光学厚度的增大而逐渐降低。另外，云顶高度的PDF分布显示不同光学厚度的卷云基本呈双峰结构（亚可见卷云除外），而云底高度的PDF分布仅有一个峰值。统计结果显示，东亚夏季夜间卷云的平均有效粒子半径和冰水路径分别为24.70μm和22.33g.m-2。最后，利用辐射传输模式计算出东亚夏季夜间卷云在大气顶处的长波辐射效应(34.35W.m-2)要远大于地表(2.88W.m-2)，其中，不透光卷云对卷云长波辐射的贡献最大，尤其在地表处。
3.提出了深对流云团等识别算法，并揭示了东亚夏季深对流云团时空分布及其垂直结构特征
利用CloudSat探测的廓线数据，提出了深对流云团的识别算法，并以此深入研究了深对流云团的结构特征。结果显示，以云团为单位统计的东亚夏季深对流云的发生概率为4.2％，比以廓线为单位统计的结果(6.7％)低约2.5％;且二者的水平分布形式差异明显，以廓线为单位统计的深对流云发生频次的高值区位于孟加拉湾、高原喇叭口以及日本附近，而以云团为单位统计的结果显示深对流云团高发区位于高原南坡、北部湾以及太平洋西部海域。此外，从深对流云团的垂直尺度与水平尺度我们可以看出，高原上多为浅薄且水平尺度较小的深对流云团，高原南坡至孟加拉湾一带深对流云团垂直尺度较大但水平尺度较小，而日本海域附近深对流云团均为深厚且水平尺度较宽的云团。东亚夏季深对流云团垂直尺度的PDF分布存在8.5km和12.5km两个峰值，且前一高度峰值略大于后者;而水平尺度的PDF分布显示，宽为30km的云团发生几率最高;随着深对流云团面积的增大，其发生几率逐渐减小，当云团总面积为180km2时发生概率最大;此外，深对流云团中最大雷达反射率对应高度的PDF分布呈现出5km和7km的两个峰值。深对流云团中液态水的分布基本位于9km以下，随着高度的降低其浓度与液态水含量逐渐增加，在5km高度处达到最大，之后随着液态水粒子的碰并增长及水滴的降落，液态水粒子数浓度与液态水含量随着高度的降低逐渐减小。
4.率先揭示了青藏高原喇叭口特殊地形引起云类型及垂直结构的昼夜差异及其物理原因
高原喇叭口地区夏季几乎全天被云系所覆盖，白天与夜间的总云量分别为95.4％和97％。虽然喇叭口地区总云量的日夜差异并不明显，但不同类型云在白天和夜间的发生频次差异非常明显，其中卷云、高积云、雨层云与深对流云在夜间发生的更多，而层积云与积云更易在白天发生。另外，不同层系云发生频次的日夜差异也有所不同，白天（夜间）单层、双层、三层云的发生频次分别为37.5％、34.2％、18.6％(25.7％、35.8％、25.2％);由此可见，夜间更容易形成多层云，尤其是三层云。相比于白天，高原喇叭口地区夜间各层云的云顶、云底高度均增加约1-2km，且夜间三层云上层与双层云上层的云顶、云底更为接近，而夜间三层云下层与双层云下层云顶、云底高度的差异增大。此外，由于高原喇叭口地区夜间深对流云、卷云与高积云的增多导致夜间该地区云的液态水、冰水含量相比白天有大幅增加。总的来说，高原喇叭口地区云的日夜差异主要体现在卷云、深对流云、积云的变化上，这可能是该地区特殊的喇叭口地形、山谷风环流、大尺度的季风环流以及热力性质的日夜差异综合影响的结果。
本论文以东亚(15°N-50°N，70°E-150°E)为研究区域，利用星载微波测云雷达(简称云廓线雷达，CPR)与星载激光测云和气溶胶雷达(简称云-气溶胶偏振激光雷达，CALIOP)2007-2010年夏季（6-8月）的探测资料，结合其它大气参数数据，研究了这两种主动仪器探测的东亚夏季云系时空分布特征及其探测差异，重点研究了夜间卷云时空分布特征及其长波辐射强迫效应;提出了深对流云团的识别算法，并以此深入研究了深对流云团的垂直结构特征;针对青藏高原喇叭口的独特地形，研究了夏季该地区各类云系昼夜分布特点，并分析了造成这些特点的大气环流特征。论文主要取得的结论如下:
1.揭示了CALIOP与CPR测云的差异及其带来的辐射强迫估算误差
由于CPR和CALIOP为同时升空的主动探测雷达，且运行时间间隔在15S以内，可以认为是准时空同步的探测，因此两仪器的探测结果可以进行相互比较。通过个例和统计对比分析两仪器对东亚夏季平均云量和云顶高度的探测差异，结果显示:CPR对较高的薄卷云、云砧的探测能力较差，会漏判大量此类云系。整个东亚夏季，CPR探测的总云量为55.4％，比CALIOP探测结果(74.6％)低约20％，在局地区域二者的探测差异可达40％以上。由于两仪器对卷云探测能力的不同，CALIOP探测的东亚夏季卷云云量(44.3％)比CPR多约24％。此外，在洋面上，CALIOP对低云(云顶高度低于2.5km)的探测能力更强，而在陆地上大部分区域CPR对低云的探测能力更强;可能由于CALIOP信号受云层影响衰减的影响，导致CALIOP探测的东亚夏季低云云量比CPR探测结果低约1.9％。CALIOP探测的平均云顶高度比CPR探测结果高约5km，局地可达8km以上。从对高原及周边地区云量与云顶高度的探测结果看，两仪器在高原西边和北边的探测差异较小，而在高原东边和南边的探测差异较为显著。最后，敏感性试验显示，云顶高度的差异会大大影响地气系统辐射效应的计算，但随着光学厚度的增大，云顶高度对辐射计算的影响逐渐减小。因此，当需要准确计算某种云类的辐射效应时，首先需要考虑不同资料本身会带来的误差。
2.率先揭示了东亚夏季夜间卷云时空分布和结构特征及其长波辐射效应
卷云由于其独特的辐射效应对地气系统的辐射平衡有着十分重要的影响。研究结果显示，东亚夏季夜间卷云的发生概率为44.9％，其中亚可见卷云、薄卷云、不透光卷云和厚卷云的平均发生概率分别为10.1％，16.6％，15.7％和2.6％。此外，东亚夏季夜间卷云发生频次最多（15％左右）的高度位于10.5-12.5km之间;随着光学厚度的增大，其发生频次峰值的高度也逐渐增高，其中亚可见卷云与薄卷云多发于10km处，不透光卷云多发于13km高度处，而厚卷云峰值频次出现的位置为13.5km左右。由于对流层项的限制，不同光学厚度卷云的云顶高度较为接近，但云底高度随光学厚度的增大而逐渐降低。另外，云顶高度的PDF分布显示不同光学厚度的卷云基本呈双峰结构（亚可见卷云除外），而云底高度的PDF分布仅有一个峰值。统计结果显示，东亚夏季夜间卷云的平均有效粒子半径和冰水路径分别为24.70μm和22.33g.m-2。最后，利用辐射传输模式计算出东亚夏季夜间卷云在大气顶处的长波辐射效应(34.35W.m-2)要远大于地表(2.88W.m-2)，其中，不透光卷云对卷云长波辐射的贡献最大，尤其在地表处。
3.提出了深对流云团等识别算法，并揭示了东亚夏季深对流云团时空分布及其垂直结构特征
利用CloudSat探测的廓线数据，提出了深对流云团的识别算法，并以此深入研究了深对流云团的结构特征。结果显示，以云团为单位统计的东亚夏季深对流云的发生概率为4.2％，比以廓线为单位统计的结果(6.7％)低约2.5％;且二者的水平分布形式差异明显，以廓线为单位统计的深对流云发生频次的高值区位于孟加拉湾、高原喇叭口以及日本附近，而以云团为单位统计的结果显示深对流云团高发区位于高原南坡、北部湾以及太平洋西部海域。此外，从深对流云团的垂直尺度与水平尺度我们可以看出，高原上多为浅薄且水平尺度较小的深对流云团，高原南坡至孟加拉湾一带深对流云团垂直尺度较大但水平尺度较小，而日本海域附近深对流云团均为深厚且水平尺度较宽的云团。东亚夏季深对流云团垂直尺度的PDF分布存在8.5km和12.5km两个峰值，且前一高度峰值略大于后者;而水平尺度的PDF分布显示，宽为30km的云团发生几率最高;随着深对流云团面积的增大，其发生几率逐渐减小，当云团总面积为180km2时发生概率最大;此外，深对流云团中最大雷达反射率对应高度的PDF分布呈现出5km和7km的两个峰值。深对流云团中液态水的分布基本位于9km以下，随着高度的降低其浓度与液态水含量逐渐增加，在5km高度处达到最大，之后随着液态水粒子的碰并增长及水滴的降落，液态水粒子数浓度与液态水含量随着高度的降低逐渐减小。
4.率先揭示了青藏高原喇叭口特殊地形引起云类型及垂直结构的昼夜差异及其物理原因
高原喇叭口地区夏季几乎全天被云系所覆盖，白天与夜间的总云量分别为95.4％和97％。虽然喇叭口地区总云量的日夜差异并不明显，但不同类型云在白天和夜间的发生频次差异非常明显，其中卷云、高积云、雨层云与深对流云在夜间发生的更多，而层积云与积云更易在白天发生。另外，不同层系云发生频次的日夜差异也有所不同，白天（夜间）单层、双层、三层云的发生频次分别为37.5％、34.2％、18.6％(25.7％、35.8％、25.2％);由此可见，夜间更容易形成多层云，尤其是三层云。相比于白天，高原喇叭口地区夜间各层云的云顶、云底高度均增加约1-2km，且夜间三层云上层与双层云上层的云顶、云底更为接近，而夜间三层云下层与双层云下层云顶、云底高度的差异增大。此外，由于高原喇叭口地区夜间深对流云、卷云与高积云的增多导致夜间该地区云的液态水、冰水含量相比白天有大幅增加。总的来说，高原喇叭口地区云的日夜差异主要体现在卷云、深对流云、积云的变化上，这可能是该地区特殊的喇叭口地形、山谷风环流、大尺度的季风环流以及热力性质的日夜差异综合影响的结果。