基于CloudSat/CALIPSO 數(shù)據(jù)的晉西北地區(qū)云宏觀特征分析

郭俊杰，王江濤，蒯 亮，舒 展，葛耀明

(1.63729 部隊(duì)，山西 太原030027 ；2. 中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京102209 ；3.66199 部隊(duì)，北京100144)

0 引言

云對全球氣候變化和天氣演變等有著相當(dāng)重要的影響，云中潛熱的釋放會影響大氣垂直結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步影響大氣環(huán)流形勢，總云量的微小變化都可能會引起氣溫、降水等劇烈變化，因此，開展對地區(qū)云的研究，對于提升氣象預(yù)報及氣候預(yù)測的準(zhǔn)確性具有重要意義[1-3]。隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，氣象衛(wèi)星已成為探測云物理特征(如云量，云垂直結(jié)構(gòu)，云粒子相態(tài)、大小以及數(shù)濃度等) 的重要裝備，有效解決了傳統(tǒng)的地基和空基探測設(shè)備無法獲取垂直方向上云三維結(jié)構(gòu)的難題，提升了探測的精準(zhǔn)度。

CloudSat 和CALIPSO 衛(wèi)星分別搭載毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)，二者聯(lián)合探測能夠有效獲取全球云的三維結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用兩顆衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)開展了大量研究，取得了比較好的效果。趙宇等[4]基于CloudSat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對我國北方兩次暴雪天氣過程江淮氣旋云系結(jié)構(gòu)和微物理特征進(jìn)行了分析；鄭建宇等[5]利用CloudSat 和CALIPSO 聯(lián)合探測數(shù)據(jù)，分析了8 種云類的時空分布特征，為氣候模式的云量診斷方案提供了對比驗(yàn)證數(shù)據(jù)；張華等[6]利用CloudSat 衛(wèi)星資料分析了東亞地區(qū)云微物理量的分布特征和季節(jié)變化，為全球和區(qū)域氣候模式在東亞地區(qū)云微物理量模擬提供了參考；潘紅林等[7]基于CloudSat 和CALIPSO 聯(lián)合探測資料，對南京地區(qū)的卷云物理特性開展了分析，為氣候模式中典型高云參數(shù)輸入和使用提供了依據(jù)；邱玉珺等[8]基于CloudSat 和CALIPSO 資料，對我國北方兩個區(qū)域云的垂直分布差異開展了對比研究，結(jié)果表明不同大氣環(huán)境條件對云出現(xiàn)的概率以及云層的物理特征分布等會產(chǎn)生影響；尚博等[9]基于CloudSat 衛(wèi)星資料，對降水云和非降水云的垂直特征進(jìn)行了分析。

各地云分布特征不同，導(dǎo)致氣候特征亦不相同。當(dāng)前對于晉西北地區(qū)云物理特性的研究較少，因此本文基于CloudSat/CALIPSO 衛(wèi)星聯(lián)合探測數(shù)據(jù)資料，從宏觀層面對晉西北地區(qū)云的發(fā)生概率、云層數(shù)分布、云類型分布以及云的垂直結(jié)構(gòu)等主要物理特性進(jìn)行研究，以企為晉西北地區(qū)天氣預(yù)報、氣候研究以及數(shù)值模式研究提供有力參考和支持。

1 數(shù)據(jù)介紹

2006年4月，CloudSat 和CALIPSO 衛(wèi)星發(fā)射升空，并加入A -Train 衛(wèi)星飛行編隊(duì)，與其他衛(wèi)星協(xié)同完成對全球的氣象探測。衛(wèi)星位于高度705 km的太陽同步軌道，繞地球一周為一個掃描軌道，掃描時間約99 min，每天可繞地球14 ～15 圈，圖1 給出了衛(wèi)星觀測軌道分布示意。

圖1 衛(wèi)星觀測軌道分布示意圖

CloudSat 衛(wèi)星搭載一臺94 GHz 毫米波云剖面雷達(dá)CPR(Cloud Profiling Radar)，該雷達(dá)能夠探測到全球范圍內(nèi)的云廓線及其時空變化等，有助于研究云的發(fā)展過程、云對天氣系統(tǒng)及氣候變化等的影響，其靈敏度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)天氣雷達(dá)的1000 倍。CPR分辨率為沿軌方向1.1 km 、橫軌方向1.3 km，垂直方向上每條軌道包含37081 條掃描廓線，廓線的垂直分辨率為240 m，可以獲得地面到高空125個不同高度的數(shù)據(jù)。每條廓線提供了云類型、不同類型云的云底高度和云頂高度，最多可提供10 層云的信息。CALIPSO 衛(wèi)星搭載的云氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP(Cloud -Aerosol Lidar with Orghogonal Polarization)，主要用于探測云和氣溶膠的后向散射系數(shù)和極化率廓線[10-11]。

CPR 與CALIOP 的觀測波長不同，對云粒子的探測敏感度不同。CPR 波長相對較長，能夠穿透較厚云層，亦能夠探測多層云，但是由于波長緣故，其無法探測到云中尺度相對較小、云層較薄的云系。CALIOP 波長短，對云粒子包括氣溶膠粒子非常敏感，但由于波長短，受云層的衰減也很強(qiáng)，所以其僅能探測相對較薄的云層，而無法穿透很厚的云層，能夠較好彌補(bǔ)CPR 在觀測薄卷云方面的不足。二者各有優(yōu)勢，聯(lián)合觀測得到云的垂直結(jié)構(gòu)信息更加準(zhǔn)確，是其他觀測難以獲取的[12-13]。

本文采用2006～2017年2 級產(chǎn)品2B-CLDCLASSLIDAR.P1_R05 開展分析。該產(chǎn)品為CPR 和CALIPO聯(lián)合數(shù)據(jù)產(chǎn)品，能夠提供云層數(shù)(CloudLayer)、云層類型(CloudLayerType)、云底高度(CloudLayerBase) 及云頂高度(CloudLayerTop) 等數(shù)據(jù)。其中，CloudLayer 為一維數(shù)組，包含nray個元素，nray 是每條軌道包含的總廓線數(shù)，元素的取值范圍為0～10，代表每條廓線中掃描到的云層總數(shù)。CloudLayerType 為nray×10 的二維數(shù)組，代表每條廓線中探測到的不同云層類別，元素取值范圍為0～8，0 代表無法確定，1 ～8 分別代表： 卷云(Ci)、高層云(As)、高積云(Ac)、層云(St)、層積云(Sc)、積云(Cu)、雨層云(Ns)、深對流云(Dc)。CloudLayerBase 和CloudLayerTop 均為nray×10的二維數(shù)組，代表每條廓線中探測到的不同云層的云底、云頂高度。本文研究區(qū)域?yàn)椋?7.8°N ～39.4°N，111.2 °E～112.5 °E，圖2 中矩形區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域示意圖。

圖2 研究區(qū)域示意圖

2 云的宏觀物理特征分析

2.1 云發(fā)生概率

云發(fā)生情況尤其是不同云種的發(fā)生概率在一定程度上能夠反映地區(qū)的氣候特征。本文利用云層數(shù)數(shù)據(jù)分析晉西北地區(qū)的云發(fā)生情況。令云發(fā)生率Pc為研究區(qū)域內(nèi)探測廓線中云層數(shù)大于等于1 的廓線數(shù)Nc與經(jīng)過研究區(qū)域廓線的總數(shù)Nt的比值，即：Pc=Nc/Nt×100%。

對2007年至2017年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：2007年至2017年晉西北云發(fā)生概率平均為58.1%。進(jìn)一步對云發(fā)生情況的季節(jié)分布特征進(jìn)行分析(文中季節(jié)劃分按照華北季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)，3 ～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～次年2月為冬季，下同)。

圖3 給出了晉西北地區(qū)云發(fā)生率的季節(jié)變化特征，可以看出，晉西北地區(qū)云發(fā)生率呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)差異，春季云發(fā)生率最高，達(dá)到70.2%，夏季次之，為62.5%，秋、冬兩季相對較低，分別為49.1%和46.9%。整體云發(fā)生情況與晉西北地區(qū)春夏兩季天氣變化多端、陰晴不定，而秋冬兩季天氣主要以晴好天氣為主的氣候特征基本一致。

圖3 晉西北地區(qū)云發(fā)生率的季節(jié)變化特征

2.2 云層數(shù)分布特征

云層數(shù)是大氣環(huán)流模式中的重要參數(shù)，云的重疊情況對大氣和地表的輻射加熱或冷卻率有很大影響，從而影響天氣狀況[14]。圖4 給出了晉西北地區(qū)各季節(jié)云層數(shù)的分布特征?？梢钥闯觯暝茖臃植家詥螌釉茷橹?，各季節(jié)占比均達(dá)到60% 以上，其次為2 層云，占比在20%～30% 之間，3 層云占比在10% 左右，而4 層云及其以上占比甚少，基本在1% 以內(nèi)，因此下文研究中主要考慮單層云、2 層云以及3 層以上云(含3 層)。

圖4 晉西北地區(qū)各季節(jié)云層數(shù)的分布特征

此外，就季節(jié)分布而言，秋季單層云占比最大，而多層云占比略均低于其他季節(jié)；夏季單層云占比較大，多層云略低于春、冬季；春、冬季單層云占比相對其他季節(jié)較小，而多云層占比均高于其他季節(jié)。

2.3 云類型分布特征

2.3.1 云類型的季節(jié)分布

圖5 給出了晉西北地區(qū)各季節(jié)云類型分布特征，可以看出，各類云各季節(jié)分布特征各不相同。其中，層云(St) 在各季節(jié)占比均為0，主要原因一方面是層云是在大氣穩(wěn)定的條件下，由夜間輻射冷卻，水汽或霧抬升凝結(jié)形成，當(dāng)太陽升起氣溫升高，逆溫層被破壞，層云逐漸消散，衛(wèi)星基本探測不到；另一方面是2B-CLDCLASS-LIDAR 產(chǎn)品對層云的識別能力較弱，因?yàn)樽R別層云僅使用雷達(dá)反射因子(最大值與空間分布) 和溫度(最大雷達(dá)反射因子值所在的高度上)，而這些量依賴于對ARM 站點(diǎn)的Ka 波段雷達(dá)先驗(yàn)的統(tǒng)計信息[15]。因此，下面主要針對卷云(Ci)、高層云(As)、高積云(Ac)、層積云(Sc)、積云(Cu)、雨層云(Ns) 以及深對流云(Dc)7 類云的分布特征開展分析。

春季，卷云和高層云占比最多，均達(dá)到30% 以上；高積云、層積云、積云、雨層云次之，占比在6%～10% 之間，而深對流云占比僅0.1% 左右；夏季主要以卷云、高層云、高積云為主，占比分別為26.5% 、19.5% 以及22.1%。層積云、積云、雨層云次之，分別占比6.4%、13%、9.6%，深對流云最少，占比2.8%；秋季各類云的分布相對均勻，卷云、高層云、高積云、層積云、積云占比均在10%～25% 之間，雨層云占比5.7%，深對流云占比0 ；冬季主要以高層云為主，占比高達(dá)50.4%，其次為卷云和層積云，占比分別為13.9% 和25.1%，高積云、積云、雨層云相對較少，基本在5% 以內(nèi)。

整體來看，雨層云主要出現(xiàn)在春季和夏季，秋、冬季節(jié)相對較少，因?yàn)橛陮釉埔话愠霈F(xiàn)在暖鋒云系中，常對應(yīng)連續(xù)性降水天氣；深對流云大部分出現(xiàn)在夏季，在春季占比僅0.2%，其余季節(jié)均未出現(xiàn)，因?yàn)樯顚α髟仆殡S對流天氣發(fā)生，而晉西北地區(qū)對流天氣一般開始于春末夏初，多發(fā)生于夏季，在秋季偶有發(fā)生，但系統(tǒng)往往比較淺薄，且占比很小。

2.3.2 不同云層數(shù)對應(yīng)的云類型分布特征

不同云類型在不同云層中出現(xiàn)的次數(shù)不盡相同，對不同云類的多層云與單層云區(qū)分統(tǒng)計有利于對云重疊的理解。

如圖6 所示，就單層云而言，高層云出現(xiàn)概率最高，在各個季節(jié)均高于其他云，特別是在春、冬季占比達(dá)到40% 以上；其次為卷云和層積云，在各個季節(jié)占比基本保持在10%～30% 之間，高積云、雨層云在夏季出現(xiàn)頻率較高，占比接近20%，在其他季節(jié)較低；深對流云只出現(xiàn)在夏季，且占比較低；積云表現(xiàn)出夏、秋兩季高，而春、冬季低的特點(diǎn)。

圖6 晉西北地區(qū)各季節(jié)單層云云類型分布特征

圖7 給出了晉西北地區(qū)各季節(jié)2 層云云類型分布特征，可以看出，就2 層云而言，卷云表現(xiàn)出春、夏季高，秋、冬季低的特征；而高層云表現(xiàn)出冬季最高，春、秋季次之，夏季最低的特征；高積云則表現(xiàn)出夏、秋季高，春、冬季低的特征；層積云表現(xiàn)為秋、冬季高，春、夏季低的特征；積云、雨層云出現(xiàn)的概率較低，全年基本在10% 以下。

圖7 晉西北地區(qū)各季節(jié)2 層云云類型分布特征

圖8 給出了晉西北地區(qū)各季節(jié)3 層云及以上云類型分布特征，從圖中可以看出，與2 層云云類型的季節(jié)分布特征基本一致，限于篇幅，不再贅述。

圖8 晉西北地區(qū)各季節(jié)3 層云及以上云類型分布特征

2.4 云的垂直結(jié)構(gòu)分布特征

2.4.1 各類云的云底高度、云頂高度以及云層厚度分布

不同類型云受不同的動力學(xué)機(jī)制控制，具有不同的垂直分布特征，利用CloudSat 資料統(tǒng)計得到各類云的出現(xiàn)頻率隨高度的分布曲線，如圖9 所示，其中，云在各高度上的出現(xiàn)頻率定義為：Fc=Nh/Nt ×100%。式中，Nt 指研究區(qū)域內(nèi)CloudSat 觀測到某類云的總廓線數(shù)，Nh 指在高度h 上CloudSat 觀測到某類云的廓線數(shù)。在定義為某類云的數(shù)據(jù)中，所有該類云在某高度出現(xiàn)的頻率，某高度為100%，即為只要出現(xiàn)了該類云，肯定出現(xiàn)在了某高度。根據(jù)圖9 可以看出，卷云作為高云，可出現(xiàn)于7～15 km 高度，其出現(xiàn)頻率最高高度為11 km 左右，高層云和高積云均屬于中云，但二者出現(xiàn)的高度不同，高層云可出現(xiàn)于2～13 km，其出現(xiàn)頻率最高高度為8.5 km 左右，高積云可出現(xiàn)于2～10 km，其出現(xiàn)頻率最高高度為5 km左右，層積云、積云、雨層云以及深對流云云底高度都較低，基本分布在2 km 左右，但層積云和積云的云頂高度都較低，屬于淺薄的低云，雨層云和深對流云往往發(fā)展比較旺盛，屬于較為深厚的云系，發(fā)展旺盛的深對流云云頂常?？梢缘竭_(dá)對流層頂。

圖9 各類云的出現(xiàn)頻率隨高度的分布曲線

表1 具體給出了各類云的云底高度、云頂高度以及云層厚度分布特征。

表1 各類云分布特征統(tǒng)計表

2.4.2 不同云層數(shù)下各類云的云底高度、云頂高度及云層厚度的季節(jié)分布特征

圖10 所示為各季節(jié)各類云的垂直分布特征，由圖可見，卷云、層積云在各個季節(jié)的單層云、多層云中均有出現(xiàn)，且出現(xiàn)的高度基本一致；高層云各季節(jié)各層云中也均有出現(xiàn)，但在春季單層云、夏季多層云以及秋季的單層云與2 層云中出現(xiàn)較為集中，在7 km 左右，其余情況下分布較為分散；高積云出現(xiàn)在單層云中時，其出現(xiàn)頻率最高高度為5 km左右，除夏季外的其余情況中，均表現(xiàn)出分散特征，且部分出現(xiàn)多峰，即最大概率高度會出現(xiàn)在不同高度，考慮與對應(yīng)的天氣系統(tǒng)及垂直運(yùn)動相關(guān)；積云在多層云中分部高度高于單層云；雨層云在單層云中的高度分布顯著高于多層云，且在春節(jié)和夏季，云層達(dá)到的高度顯著高于秋季和冬季，主要是雨層云往往伴隨連續(xù)性降水，云層相對深厚，主要以單層出現(xiàn)；深對流云僅出現(xiàn)于夏季，在單層云系和多云系中均有出現(xiàn)，但在單層云中分布的高度范圍最大，說明系統(tǒng)發(fā)展特別旺盛時，主要以單層云系為主。

圖10 各季節(jié)各類云垂直分布特征

3 結(jié)論

本文利用CloudSat/CALIPSO 衛(wèi)星產(chǎn)品，對晉西北地區(qū)的云宏觀特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

(1) 晉西北云發(fā)生概率的年平均值為58.1%，春季云發(fā)生率最高，夏季次之，秋、冬兩季相對較低，整體云發(fā)生情況與晉西北地區(qū)氣候特征基本一致。

(2) 全年云層分布以單層云系為主，多層云中以2 層云為主，3 層云及其以上占比很少，此外，秋季的單層云系占比最大，夏季次之，春、冬季單層云占比相對其他季節(jié)較小。

(3) 在云分類產(chǎn)品中，卷云、高層云、高積云、層積云、積云、雨層云以及深對流云在晉西北地區(qū)均有出現(xiàn)，層云未曾出現(xiàn)。各類云的分布表現(xiàn)出顯著的季節(jié)分布特征，各類云在單層云及多層云中出現(xiàn)的概率隨著季節(jié)的變化各不相同。

(4) 各類云的垂直結(jié)構(gòu)各不相同，不同云的云頂高度、云底高度以及云層厚度等各不相同，對于一般云系，云層厚度一般在2 km 左右，而對于雨層云和深對流云發(fā)展比較旺盛的深厚云系，其云層厚度可達(dá)10 km 左右，云底高度可達(dá)15 km，此外，部分云系在不同季節(jié)不同云層數(shù)中，云垂直結(jié)構(gòu)不盡相同。

后續(xù)在以上分析的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究云的微觀特性，開展局地數(shù)值模式模擬，力求進(jìn)一步掌握晉西北地區(qū)云形態(tài)、演變規(guī)律及其與降水、大風(fēng)、雷電等天氣現(xiàn)象的關(guān)系。