東海海區(qū)各季節(jié)晝夜云的特征分析

安潔

東海海區(qū)各季節(jié)晝夜云的特征分析

安潔

（空軍裝備研究院航空氣象防化研究所，北京100085）

利用2007—2010年CloudSat二級產(chǎn)品中的2B-GEOPROF和2B-GROPROF-Lidar數(shù)據(jù)，對東海海區(qū)各季節(jié)、晝夜的云量、云高分布特征做了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：云量的季節(jié)性和地域性差異較大，總云量以春、夏兩季居多，秋、冬季節(jié)較少，而低云量則以冬季最多，夏季最少。臺灣島及其以東至123°E海域終年多云，年平均總云量在65%以上,年平均低云量在45%以上。晝夜變化較為明顯，大部分區(qū)域夜間18時年平均云量比白天06時略偏多，海上年平均總云量06時約為50%～60%，18時增加到55%～70%；平均最低云底高和平均最高云頂高的水平分布趨勢相近：夏季云層最高，春秋季次之，冬季云層最低。從年平均云高分布來看：06時，臺灣島及其東北海域是云層的低值區(qū)，沿琉球群島區(qū)域是相對的高值區(qū)，而18時沿海地區(qū)云層升高，海上云層明顯壓低，琉球群島北部海域驟變成低值區(qū)。

東海海區(qū)；CloudSat資料；云量；云高

1 引言

云是制約航空飛行的重要氣象要素之一，云量、云高等云參數(shù)在天氣分析預報和航空氣象方面有重要應用。云量對于地氣系統(tǒng)的輻射收支和大氣的輻射平衡具有重要的影響[1]。云的垂直結(jié)構反映了云體內(nèi)部熱力和動力以及云-降水物理過程，對降水物理過程和降水機制等過程有著非常密切的關系。因此，準確掌握云的特征可以更好地理解云對氣候系統(tǒng)及天氣變化的影響，對安全完成飛行任務具有重要意義。

目前，常規(guī)的觀探測手段僅能提供云頂或云底的信息，無法提供垂直方向上云的三維結(jié)構。2006年由美國航天航空管理局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）成功發(fā)射入太空的太陽極軌云觀測衛(wèi)星CloudSat，由于載有毫米波測云雷達，首次實現(xiàn)了在全球尺度上對云的垂直探測，獲得許多有關云的最新氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)產(chǎn)品的水平分辨率為1.1 km×1.3 km，垂直方向有125個距離庫，代表氣柱高度約240 m，即垂直探測的高度大約為30 km。國內(nèi)外學者對此進行了廣泛的研究[2-8]，但研究多集中在陸地，針對海域的云特征研究較少。彭杰等[9]用該資料對東亞地區(qū)云垂直結(jié)構做了研究，此研究包括了東亞海洋（含東中國海以及部分西太平洋，且以后者為主），并稱該處為EO區(qū)域，但僅給出了該區(qū)域總體的云狀況。EO區(qū)域雖包括了東海區(qū)域，但前者面積要較后者大數(shù)倍，故前者總體云狀況不能代表后者。因此研究相關海域的云量水平分以及云垂直結(jié)構等特征，有利于提高對海域云特征機理的認識，可為氣候、天氣模式中精確描述海區(qū)云的垂直結(jié)構提供重要的參考依據(jù)，對于進一步改進加強海上云預報具有重要意義。為此本文依據(jù)上述衛(wèi)星資料對東海防空識別區(qū)以1°×1°的網(wǎng)格做了各季節(jié)晝夜云分布特征分析。

2 資料和方法

本文使用2007—2010年CloudSat二級產(chǎn)品中的2B-GEOPROF和2B-GROPROF-Lidar數(shù)據(jù)。其中，2B-GEOPROF主要是來源于衛(wèi)星上搭載的94 GHz毫米波雷達（CPR）的探測信息，2B-GROPROF-Lidar整合了CPR的信息和CALIPO激光雷達（搭載在與CloudSat同軌道的CALIPSO衛(wèi)星上）的信息，結(jié)合兩者可同時發(fā)揮毫米波雷達和激光雷達的優(yōu)點。

在研究中首先編程讀取CloudSat資料中的相關信息，包括時間、經(jīng)緯度、高度、雷達反射率因子、云遮蓋、云層數(shù)、不同云層的云頂高和云底高、云判別有效值等；其次將CloudSat數(shù)據(jù)按所研究海域的經(jīng)緯度劃分為1°×1°的網(wǎng)格，對網(wǎng)格內(nèi)的數(shù)據(jù)進行整合，作為各統(tǒng)計要素的格點值；最后分季節(jié)、分時次分別統(tǒng)計東海海區(qū)內(nèi)云的各類參數(shù)的時空分布特征。其中，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。由于衛(wèi)星經(jīng)過研究區(qū)域的時次集中在05—06時（世界時，下同）和17—18時兩個時段，文中以下主要分析這兩個時段的云變化特征。

文中云量的提取采用彭杰等[9]、張華等[10]所使用的方法，首先利用折中閾值法判斷該掃描點下是否有云存在，即當每個掃描格點的數(shù)據(jù)滿足Radar_Reflectivity≥-30 dBZ和CPR_Cloud_ask≥20；或者Radar_Reflectivity≥-30 dBZ和CPR_Cloud_ mask＜20和CloudFraetion≥99%時，判定為該掃描格點有云存在，否則掃描格點無云存在。然后，根據(jù)有云廓線數(shù)計算出云量。即將研究區(qū)域內(nèi)有云廓線數(shù)除以總的觀測廓線數(shù)作為研究區(qū)域內(nèi)CloudSat的平均云量，文中所有云量均以百分比表示。

3 分析和討論

3.1 云量

3.1.1 總云量

從多年平均（2007—2010年，以下簡稱年平均）總云量水平分布可見（見圖1），整個研究區(qū)域內(nèi)年平均總云量在50%～70%之間，其中臺灣島及其以東至123°E海域終年多云，年平均總云量在65%以上，這是由于臺灣中央山脈較高，而臺灣以東上述海域既在低緯又處于黑潮中的緣故。大部分研究區(qū)域18時年平均總云量比06時略偏多，海上年平均總云量06時約為50%～60%，18時增加到55%～70%。總云量的季節(jié)性變化較為明顯（見圖2），總體而言，春、夏兩季總云量較多，秋、冬季節(jié)較少。除臺灣島及其以東上述海域終年多云外，其他區(qū)域平均總云量的日變化較為明顯。

圖12007 —2010年年平均總云量時空分布特征（單位：%）

圖2 2007—2010年不同季節(jié)平均總云量分布特征（單位：%）

春季，06時，總云量多集中在近海沿岸，有二個大值區(qū)（平均總云量在60%以上），其中一個沿東部沿海地區(qū)直到臺灣島，呈近似南北走向，另一個大值區(qū)在琉球群島北部。18時，海上總云量明顯增多，平均總云量可達65%以上，特別是在（123.5°E，27°N）附近，由06時的低值區(qū)猛增為高值區(qū)，平均總云量在75%以上，而琉球群島北部地區(qū)多云區(qū)域也進一步擴大。

夏季，06時，多云量區(qū)域向東部海上擴展，海上平均總云量較春季增多，在舟山群島附近區(qū)域是云量的大值區(qū)，平均總云量可達75%以上，而杭州灣出現(xiàn)一個云量的低值區(qū)，平均總云量在55%以下。18時，平均總云量大致呈現(xiàn)西多東少分布，舟山群島附近云量較06時有所減少，南部沿海云量較06時有所增加；18時在123°E以東洋面，較春季云量明顯減少，云量多在60%以下。

秋季，平均總云量晝夜變化不明顯，總云量較其他幾個季節(jié)都要少。杭州灣以南（122°E，29°N）附近的區(qū)域平均總云量不足40%；在（126°E，27°N）附近的東北-西南走向海域，是總云量相對較多的區(qū)域，在55%以上。

冬季，平均總云量晝夜都大致成南北向帶狀相間分布，東西方向云量變化較劇烈。06時，近岸海域上云量偏少，平均總云量在50%以下；而在（124°E，29°N）周圍，有一個平均總云量達70%以上的云量高值區(qū)。18時海上云量要較06時略偏多。

在本文研究區(qū)域中造成以上總云量分布的主要原因是：春、夏季中午前后陸面較海面溫度高，在海岸附近易有上升運動造成水汽凝結(jié)，造成該處云量較多，這種情況夏季尤甚；春、夏季夜間，氣溫降低，因海上水汽較多，這對水汽凝結(jié)更加有利，故海上云量明顯增多。夏季加之位于槽前副高西側(cè)，水汽十分充沛，云量更加要多。秋季則秋高氣爽水汽較少，云量也少。冬季晝夜海溫都比陸溫要高，這與春、夏季中午前后相反，故近岸海域上云量偏少；冬季18時海上云量較多的理由同春、夏季。

圖3 2007—2010年年平均低云量時空分布特征（單位：%）

圖42007 —2010年不同季節(jié)平均低云量分布特征（單位：%）

3.1.2 低云量

從多年平均低云量水平分布可見（見圖3），整個研究區(qū)域內(nèi)年平均低云量約為30%～50%，由北向南逐漸增多，臺灣島以東地區(qū)低云量最多，在45%以上。晝夜年平均低云量的地理分布特征近似，18時年平均低云量比06時稍多。

低云量的季節(jié)性變化也較為明顯（見圖4），總體而言，夏季低云量最少，冬季低云量最高。春、夏兩季海上18時明顯比06時云量多，其他季節(jié)晝夜變化不大。具體而言：在本文研究區(qū)域中，春季，06時，東南部近海沿岸-臺灣島以東地區(qū)低云較多，平均低云量可達45%以上，海上低云相對較少；18時，海上低云劇增，從臺灣島向東北方向擴展，低云量從30%猛增到50%以上。夏季，低云量比春季有所減少，特別是海上，06時平均低云量在30%以下，18時在40%以下。秋季，低云量呈“南多北少”分布，南部地區(qū)（28°N以南）低云量較夏季有所增加，平均低云量在40%以上，臺灣島以東地區(qū)可達50%以上，而北部地區(qū)平均低云量在30%以下。晝夜云量變化不大。冬季，低云量較秋季明顯增多，海上低云比陸地多。大部分區(qū)域平均低云量在40%以上，南部海域可達55%以上。

3.2 云高

3.2.1 最低云底高

從多年平均最低云底高水平分布可見（見圖5），晝夜變化較為明顯：06時，有一條自臺灣島向東北和西北蔓延呈“Y”字形分布的低值區(qū)，年平均最低云底高在2 400～3000 m，而沿琉球群島區(qū)域是相對的高值區(qū)，年平均最低云底高在3 500～4000 m。18時，沿海地區(qū)云層升高，而海上云層明顯壓低，沿琉球群島北部區(qū)域驟變成低值區(qū)，年平均最低云底高降至2 100 m左右。

最低云底高的季節(jié)性變化十分明顯（見圖6），整體而言，夏季平均最低云底高最高，春、秋季次之，冬季最低。不同季節(jié)里最低云底高的地域性變化也十分明顯：春季，大部分海域平均最低云底高在3 000 m左右；06時呈“東高西低”的分布，125°E以東海區(qū)云層較高，平均最低云底高在4 000 m以上；18時則呈現(xiàn)“西北高東南低”的分布，我國長江口以北沿岸地區(qū)平均最低云底高可達5 000 m，而在琉球群島附近區(qū)域，平均最低云底高只有1 000 m左右。夏季，06時云層最高，海上平均最低云底高幾乎都在4 000 m以上，最高處可達7 000 m以上，到了18時，海上云層降低，平均最低云底高約3 000～4 000 m左右，但臺灣島到琉球群島一線依舊是云底高的大值區(qū)；另外，在長江口以北沿岸地區(qū)，云層較06時進一步升高，平均最低云底高可達到6 000 m左右。秋季，平均最低云底高分布趨勢與春季相近，但較春季稍低。冬季，云層最低，除我國長江口沿岸地區(qū)平均最低云底高2 000—3 000 m以外，海上大部分區(qū)域均在2000 m以下，部分區(qū)域低至1 000 m以下。

圖5 2007—2010年年平均最低云底高時空分布特征（單位：m）

圖6 2007—2010年不同季節(jié)平均最低云底高分布特征（單位：m）

圖72007 —2010年年平均最高云頂高時空分布特征（單位：m）

3.2.2 最高云頂高

圖8 不同季節(jié)平均最高云頂高分布特征（單位：m）

從多年平均最高云頂高水平分布可見（見圖7）：平均最高云頂高在7 500～9 000 m，海上較沿海、群島地區(qū)低，18時海上較06時低。06時，在我國長江口近海區(qū)和琉球群島是高值區(qū)，年平均最高云頂高在8 500～9 500 m，而海上大部分區(qū)域相對較低，年平均最高云頂高在8 500 m以下，特別是臺灣島東北方向，云頂高不足7 500 m。18時，海上大部分區(qū)域最高云頂高明顯降低，特別是沿27°N緯線和琉球群島以東海域，年平均最高云頂高降至7 000 m以下；但沿臺灣島-琉球群島一線，最高云頂高比06時增高，最大值在9 500 m以上。

最高云頂高的季節(jié)性變化十分明顯（見圖8），總的說來，夏季云層最高，春秋季次之，冬季云層最低。春季，平均最高云頂高呈“北高南低”的分布，南部地區(qū)在7 500 m以下，最低區(qū)域可達6 000 m。北部地區(qū)在8 500 m以上，高值區(qū)可達到10 500 m。夏季，平均最高云頂高也是呈“北高南低”的分布，但整體云頂高較春季明顯增高，特別是06時，整個區(qū)域均在10 000 m以上，南部地區(qū)可達到13 500 m以上；18時，在東北區(qū)域平均最高云頂高有所降低，平均在8 000～9 500 m高度。秋季，平均最高云頂高又開始降低，南部琉球群島地區(qū)平均最高云頂高在10 000 m上下，而長江口及其以北地區(qū)，平均最高云頂高在5 000～6 000 m。冬季，平均最高云頂高繼續(xù)降低，大部分區(qū)域降到6 000 m以下，特別是在06時，在27—28°N區(qū)域，平均最高云頂高降到3 500 m以下。

4 小結(jié)

文章利用2007—2010年CloudSat二級產(chǎn)品中的2B-GEOPROF和2B-GROPROF-Lidar數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析東海海區(qū)及周邊區(qū)域的云量、云高的時空分布特征，結(jié)果如下：

（1）云量的季節(jié)性和地域性差異較大：總云量以春、夏兩季居多，秋、冬季節(jié)較少，而低云量則以冬季居多，夏季較少；從年平均云量分布來看，臺灣島及其以東地區(qū)終年多云，年平均總云量在65%以上，年平均低云量在45%以上。晝夜變化較為明顯，大部分區(qū)域18時年平均云量比06時略偏多，海上年平均總云量06時約為50%～60%，18時增加到55%～70%；

（2）平均最低云底高和平均最高云頂高的水平分布趨勢近似：夏季云層最高，春秋季次之，冬季云層最低，從年平均云高分布來看，晝夜變化較為明顯，06時，臺灣島及其東北海域是云層的低值區(qū)，沿琉球群島區(qū)域是相對的高值區(qū)，而18時沿海地區(qū)云層升高，海上云層明顯壓低，琉球群島北部海域驟變成低值區(qū)。

云層數(shù)目、云間晴空厚度等云垂直參數(shù)的變化特征對天氣預報和航空飛行也有著重要的制約作用，這些工作將在后續(xù)的文章中進行詳細地分析和闡述。

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Seasonal structure characteristics of day and night cloud in the East China Sea Zone

AN Jie
（Institute of Aeronautical Meteorology,Air Force Academy of Equipment,Beijing 100085 China）

Abstract:That the spatial and temporal distribution characteristics of cloud cover and cloud height in the East China SeaZone in each season or day and night is analyzed using the 2B-GEOPROF and 2B-GROPROF-Lidar data of CloudSat from 2007 to 2010．The results show that the cloud cover and cloud height has evident seasonal and regional differences,with a more quantity of total cloud cover in spring and summer and a less in autumn and winter.While,there is a more low-level cloud cover in winter and a less in summer..It is cloudy all the year round from Taiwan island and east of Taiwan island to 123°E,the yearly average total cloud cover is more than 65%,and the yearly average low-level cloud cover is more than 45%.The cloud cover has obvious differences between day and night.The yearly average total cloud cover is more at 18 UTC than at 6 UTC in most area.Above the sea,the yearly average total cloud cover is above 50%～60%at 6 UTC,and 55%～70%at 18 UTC.Average minimum cloud base height and average maximum cloud top height are highest in summer and lowest in winter.At 6 UTC,the area with low values of cloud height is in the region from Taiwan Island to its north-east sea area,and the area with high values is in the region of the Ryukyu Islands. But at 18 UTC,the cloud rise in coastal area,and bring down on the sea,and the new area with low values of cloud height is at the north of the Ryukyu Islands.

the East China Sea Zone;CloudSat data;cloud cover;cloud height

P732.1

A

1003-0239（2017）04-0076-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.04.009

2016-10-15；

2016-12-30。

國家重點基礎研究發(fā)展“973”項目（2013CB956203）。

安潔（1979-），女，工程師，博士，主要從事海上航空天氣預報。E-mail:anjie_1029@163.com