2019年8和9月西北干旱區(qū)塔克拉瑪干沙漠腹地云的宏觀參量特征

李正鵬，閉建榮，左大鵬，張琳焓，楊帆

（1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000；2.西部生態(tài)安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，甘肅蘭州 730000；3.甘肅省半干旱氣候與環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅蘭州 730000；4.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；5.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站，新疆塔中 841000）

引言

云覆蓋了全球地表總面積的60%左右，通過直接反射和散射太陽(yáng)輻射、吸收和發(fā)射長(zhǎng)波熱輻射，調(diào)節(jié)地-氣系統(tǒng)的輻射收支分布，進(jìn)而對(duì)區(qū)域或全球尺度的能量平衡、水文循環(huán)和氣候變化產(chǎn)生顯著影響［1-3］。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告指出，由于缺乏云的宏觀特征如云量、云類型、云底高度、云層厚度和微觀特性如云滴粒徑、云水含量、混合相態(tài)的全面綜合的觀測(cè)資料，氣溶膠與云的間接輻射效應(yīng)仍然是當(dāng)前全球氣候變化研究最大的不確定性因素［4］。PAN等［5］在利用衛(wèi)星資料分析塔克拉瑪干沙漠的沙塵氣溶膠和云后，認(rèn)為沙塵氣溶膠可能會(huì)改變?cè)摰貐^(qū)卷云的微物理性質(zhì)，但其中的機(jī)制尚不明確。關(guān)于云的氣候效應(yīng)，LINDZEN等［6］指出，熱帶地區(qū)卷云的覆蓋量會(huì)隨著溫度升高而降低，從而對(duì)全球氣候系統(tǒng)有明顯的負(fù)反饋?zhàn)饔?。然而，LIN等［7］對(duì)此提出了不同的觀點(diǎn)，認(rèn)為卷云的減少具有較弱的正反饋?zhàn)饔?；丁守?guó)等［8］也認(rèn)為全球總云量的減少可能促使全球氣候更加趨于變暖。以上結(jié)果的差異主要源于對(duì)云參量特性認(rèn)識(shí)的不確定性，不同尺度云的時(shí)空演化給其定量觀測(cè)帶來很大困難，而云量、云高和云厚等宏觀參數(shù)都會(huì)影響輻射收支過程［9-11］。云量的增加會(huì)減少出射長(zhǎng)波輻射，產(chǎn)生正長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫，即增加地-氣系統(tǒng)吸收的能量，而云對(duì)短波輻射具有負(fù)強(qiáng)迫的冷卻作用。云的凈輻射效應(yīng)是長(zhǎng)波與短波輻射強(qiáng)迫之和［12］，不同云量、不同高度云的凈輻射強(qiáng)迫存在差異。據(jù)估算，低云每增加4%，則可抵消由二氧化碳濃度加倍造成的2～3℃增溫［10］，所以云宏觀特征對(duì)區(qū)域和全球氣候變化研究有重要的意義。

研究表明，自20世紀(jì)80年代以來中國(guó)西北地區(qū)氣候發(fā)生了由暖干向暖濕的明顯轉(zhuǎn)型。施雅風(fēng)等［13］指出由于大幅度變暖、水循環(huán)加強(qiáng)，在中國(guó)西北、華北干旱區(qū)與半干旱區(qū)，降水增加可超越蒸發(fā)上升，使氣候轉(zhuǎn)向濕潤(rùn)。商沙沙等［14］發(fā)現(xiàn)1961—2014年西北地區(qū)平均氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中冬季的增溫速率最大，極端最高、最低氣溫均呈上升趨勢(shì)；降水量也呈上升趨勢(shì)，降水增加較明顯區(qū)域集中在北疆塔里木盆地西部地區(qū)。周雪英等［15］發(fā)現(xiàn)1997—2017年塔克拉瑪干沙漠腹地降水量增加，降水總?cè)諗?shù)減少，但大雨雨量和雨日明顯增加，降水強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)。而云對(duì)西北地區(qū)向暖濕轉(zhuǎn)變過程中的貢獻(xiàn)是一個(gè)十分有挑戰(zhàn)的科學(xué)難題，突破這個(gè)壁壘必須依靠長(zhǎng)時(shí)間、系統(tǒng)綜合的觀測(cè)資料。當(dāng)前，云的宏觀或微觀特性關(guān)鍵參數(shù)的探測(cè)及反演主要基于毫米波云雷達(dá)［16-18］、高光譜偏振激光雷達(dá)、全天空成像儀等先進(jìn)技術(shù)手段。曹越前等［19］利用蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站2008年全天空成像儀、微脈沖激光雷達(dá)和太陽(yáng)總輻射觀測(cè)資料，分析了不同時(shí)段內(nèi)云量的變化特征及其與太陽(yáng)輻射的關(guān)系，并指出半干旱地區(qū)春夏季云量充足。陶法等［20］分析了可見光與紅外成像儀在不同條件下云量的探測(cè)能力，指出可見光成像儀受能見度影響較大，而紅外成像儀較難識(shí)別云狀。國(guó)內(nèi)氣象臺(tái)站也對(duì)云量、云類型和云底高度進(jìn)行了長(zhǎng)期的人工觀測(cè)，2020年4月，全面取消云的人工觀測(cè)項(xiàng)目，用云能天觀測(cè)系統(tǒng)替代。由于條件限制，目前西北地區(qū)云宏觀特性的相關(guān)探測(cè)和研究工作還較少，尤其在戈壁沙漠更為缺乏。當(dāng)前主要利用衛(wèi)星遙感產(chǎn)品研究沙漠地區(qū)云宏觀特性的分布［21-22］，陳勇航等［23］提出西北地區(qū)云與地氣系統(tǒng)之間可能存在這樣一個(gè)過程：地面氣溫升高，促使地面蒸發(fā)加劇，從而導(dǎo)致中低云量增多而使降水增多，同時(shí)高云云量減少。翁篤鳴等［24］利用國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃（International Satellite Cloud Climatology Project，ISCCP）1984—1988年總云量資料指出塔克拉瑪干沙漠腹地的年平均總云量為全國(guó)最低（小于0.35），陳勇航等［25］通過2002—2004年CERES SSF Aqua MODIS Edition 1B云資料得到塔克拉瑪干沙漠的平均總云量為12%～50%。葉培龍等［26］利用CloudSat與云-氣溶膠激光雷達(dá)與紅外探路者衛(wèi)星觀測(cè)（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation，CALIPSO）相結(jié)合的云分類產(chǎn)品2BCLDCLASS-LIDAR數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)夏、秋季單層云多出現(xiàn)在塔里木盆地。

以上研究都揭示了西北地區(qū)云的信息和變化規(guī)律，但衛(wèi)星資料的時(shí)空分辨率較低，對(duì)云層結(jié)構(gòu)和短時(shí)強(qiáng)降水過程的發(fā)生、發(fā)展與演變過程無法做到快速探測(cè)。而地基遙感儀器能提供更高時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)，有助于認(rèn)識(shí)云在短時(shí)間內(nèi)的演化過程，但目前利用地基遙感儀器對(duì)塔克拉瑪干沙漠云進(jìn)行的研究相當(dāng)缺乏。利用CHM15K型云高儀設(shè)備對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地塔中站（83.659°E，38.968°N，海拔1100 m）2019年7月23日至9月30日的沙塵氣溶膠和云層結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，本文主要根據(jù)云高儀的觀測(cè)資料反演塔中地區(qū)的總云覆蓋率、云底高度和云層厚度等宏觀特性參量，初步分析2019年8—9月沙漠腹地云的宏觀特性參數(shù)演變規(guī)律，以期為區(qū)域模式和衛(wèi)星遙感驗(yàn)證提供地面基礎(chǔ)支撐。

1 資料和方法

利用CHM15K型云高儀設(shè)備探測(cè)的塔克拉瑪干沙漠腹地塔中站2019年7月23日至9月30日沙塵氣溶膠和云層結(jié)構(gòu)資料。其中CHM15K型云高儀由德國(guó)Luftt公司研制，具有能量低、對(duì)人眼安全、安裝便捷等特點(diǎn)，它通過垂直發(fā)射一束波長(zhǎng)1064 nm、脈沖能量8 μJ的激光，被大氣中的氣溶膠或云滴粒子散射，利用接收器采集后向散射信號(hào)的時(shí)間差和強(qiáng)度，可反演計(jì)算不同高度層氣溶膠或云層的結(jié)構(gòu)特性。云高儀作為一種探測(cè)云層和氣溶膠的單通道激光雷達(dá)，在全球范圍得到廣泛使用［27-29］。譬如，德國(guó)氣象局在歐洲地區(qū)布設(shè)了近200臺(tái)CHM15K型云高儀以建立云高儀天氣氣象觀測(cè)網(wǎng)，并對(duì)2015年夏天不同云高儀探測(cè)能力進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)［30］。WIEGNER等［31］利用云高儀較為準(zhǔn)確地探測(cè)了邊界層高度的演變過程。STACHLEWSKA等［32］也利用云高儀監(jiān)測(cè)華沙上空2008—2011年大氣邊界層的垂直結(jié)構(gòu)。HAEFFELIN等［33］對(duì)云高儀的混合層高度檢測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)討論。云高儀通常每15 s輸出一個(gè)規(guī)范化距離訂正后向散射信號(hào)（normalized range corrected signal，NRCS），可探測(cè)的最大高度達(dá)15 km，空間分辨率為5 m。NRCS計(jì)算公式如下：

式中：s為原始后向散射信號(hào)（光子計(jì)數(shù)）；b（光子計(jì)數(shù)）為背景信號(hào)；c為儀器校準(zhǔn)系數(shù)；p（光子計(jì)數(shù)）為平均脈沖強(qiáng)度；o（r）為重疊訂正函數(shù)，r為目標(biāo)距離。

儀器內(nèi)部算法提供了多種氣溶膠和不同云層數(shù)據(jù)產(chǎn)品，如圖1（a）所示，當(dāng)NRCS超過一定閾值（300 m以下閾值設(shè)定為1×107，隨著高度增加非線性降低）時(shí)，認(rèn)為云高儀檢測(cè)到了云層，自下而上第一次達(dá)到閾值記為第一層云，第二次為第二層，依次類推共記錄五層云的信息。通過識(shí)別云底部和頂部高度，即可獲得云層厚度，儀器內(nèi)部算法對(duì)云高的辨別精度可達(dá)到±5 m。圖1（b）為計(jì)算云覆蓋率的示意圖，所有高度云的覆蓋率記為總云覆蓋率。某一時(shí)刻的云覆蓋率為選取的時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)到云的次數(shù)與總檢測(cè)記錄的比值，即圖1（b）陰影部分中散點(diǎn)出現(xiàn)的頻率，其中選取的時(shí)間間隔由一個(gè)隨高度變化的函數(shù)給出［圖1（b）中陰影部分，時(shí)間間隔在0～7 km高度從20 min增加到240 min］。由于受到探測(cè)視場(chǎng)角的限制，導(dǎo)致云高儀觀測(cè)的云覆蓋率與氣象臺(tái)站人工觀測(cè)的云量存在概念上的差異。

圖1 CHM15K型云高儀反演云底高度、云層厚度（a）和云覆蓋率（b）示意圖（陰影部分為時(shí)間間隔隨高度的變化）Fig.1 Schematic diagram of cloud base height，cloud thickness（a）and cloud coverage（b）retrieved by CHM15K ceilometer（The shaded represents the variation of time interval with height）

考慮到數(shù)據(jù)的時(shí)空連續(xù)性，本文選取了2019年8—9月歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代全球大氣再分析產(chǎn)品——ERA5，其空間分辨率為0.25°×0.25°［34］，可利用云高儀觀測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)ERA5在觀測(cè)期間對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地云的模擬效果。本文使用的產(chǎn)品為ERA5中的“云底高度”和“總云覆蓋率”，時(shí)間分辨率為1 h，該產(chǎn)品通過模式中第二個(gè)最底層向上檢索到云量大于1%、凝結(jié)水含量大于1.0×106kg·kg-1的高度定義為云底高度，通過預(yù)先計(jì)算一個(gè)網(wǎng)格云覆蓋的比例，得到二維單個(gè)大氣層的云覆蓋率?？紤]到塔中站（83.66°E，38.97°N）與對(duì)應(yīng)格點(diǎn)（83.75°E，39°N）距離相差不大（10 km以內(nèi)），文中并未對(duì)ERA5再分析資料進(jìn)行插值，云高儀和ERA5在試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)的時(shí)間連續(xù)，所以兩者時(shí)空匹配性較好。

CALIPSO是首顆搭載532、1064 nm波段的雙通道云-氣溶膠正交偏正激光雷達(dá)（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CALIOP）的衛(wèi)星，可提供高分辨率的氣溶膠和云層垂直剖面，在-0.5～8.2 km高度的垂直分辨率能夠達(dá)30 m［35］，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在云和氣溶膠研究領(lǐng)域［36-39］，其“Lidar Level 2 Vertical Feature Mask Record-Version 4.20”通過對(duì)云層的高度、溫度、熱力作用、厚度、云覆蓋、均一性、水平范圍、是否降雨來確定云底/云頂高度和8種不同的云類型［40］。CALIPSO采取自上而下的探測(cè)模式，其對(duì)云頂高度的探測(cè)性能較好，但對(duì)云底高度的探測(cè)較差，而云高儀則基于地面自下而上的探測(cè)模式，對(duì)云底高度的探測(cè)可靠度優(yōu)于衛(wèi)星，兩種探測(cè)手段各有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合兩者可對(duì)云結(jié)構(gòu)有更清晰的認(rèn)識(shí)。本文利用CALIPSO過境塔克拉瑪干沙漠腹地的云分類產(chǎn)品與云高儀探測(cè)結(jié)果進(jìn)行相互對(duì)比驗(yàn)證。

2 結(jié)果分析

2.1 云層垂直結(jié)構(gòu)

由于NRCS數(shù)值較大，為方便表示，下文取NRCS的常用對(duì)數(shù)即lg NRCS。圖2（a）中l(wèi)g NRCS均小于5.2，表明9月23日云高儀未探測(cè)到云層，晴空天氣下塔中上空存在一3 km厚的氣溶膠層，層結(jié)均勻穩(wěn)定且濃度較低，可代表沙漠地區(qū)干潔條件背景水平下氣溶膠垂直分布；氣溶膠層高度的日變化呈現(xiàn)出下午稍高、早晨和夜間較低（約2 km）且均勻的結(jié)構(gòu)，這主要是受到感熱通量驅(qū)動(dòng)的大氣邊界層高度變化的影響。圖2（b）清晰地表明，云高儀探測(cè)到8月15日塔中站3 km高度以下主要為沙塵氣溶膠（lg NRCS為5.6～6.4），呈現(xiàn)出非常劇烈的日變化特征，同時(shí)沙塵分層結(jié)構(gòu)十分明顯。根據(jù)云高儀的云底高度產(chǎn)品判斷，5～8 km高度主要為結(jié)構(gòu)明顯的云層，部分云層的NRCS沒有沙塵層的強(qiáng)，主要由于云高儀發(fā)射的激光脈沖能量較弱，大部分能量被低層的沙塵氣溶膠衰減了；但是，云高儀仍能探測(cè)到沙塵層上空的云結(jié)構(gòu)信息，在8月15日12：00（世界時(shí)，下同），6～7 km高度云層的NRCS十分強(qiáng)烈且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，表明這段時(shí)間內(nèi)云層分布較為穩(wěn)定，14：00之后云的NRCS逐漸減弱，出現(xiàn)間歇性分布，表明這段時(shí)間云層開始變得淺薄和不穩(wěn)定，云層結(jié)構(gòu) 持 續(xù) 至23：00左 右。CALIPSO衛(wèi) 星9月23日20：42過境塔中時(shí)［圖2（c）］塔中地區(qū)上空無云層出現(xiàn)，而8月15日20：40過境塔中站時(shí)［圖2（d）］，在5～8 km高度有明顯的卷云分布。可見兩種探測(cè)方式的結(jié)果一致，云高儀對(duì)沙漠地區(qū)氣溶膠和云層的垂直結(jié)構(gòu)都具有較好的探測(cè)能力。

圖2 2019年9月23日（a、c）、8月15日（b、d）氣溶膠和云的垂直分布（a、b）塔中站云高儀lg NRCS，（c、d）CALIPSO探測(cè)的云類型（虛線表示CALIPSO過境塔中站）Fig.2 Vertical distribution of aerosol and cloud on September 23（a，c）and August 15（b，d），2019（a，b）lg NRCS from ceilometer at Tazhong station，（c，d）the cloud types detected by CALIPSO（The dotted lines represent the CALIPSO overpassing Tazhong station）

2.2 云底高度

本文選取2019年9月15日云高儀探測(cè)得到的各宏觀特性物理量進(jìn)行分析。圖3（a）為云高儀輸出lg NRCS日變化，可以清晰地看到這一天的大部分時(shí)間都被云層籠罩，為了圖像清晰易辨，只疊加了第一層的云底高度（圖中黑色圓點(diǎn)）。00：00—04：00云底高度為6～7 km，雖然NRCS強(qiáng)，能明顯看出云底位置，但云層結(jié)構(gòu)相對(duì)破碎，連續(xù)性較差，表明云層結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定；從04：00起，云底高度持續(xù)下降至4 km左右，04：00—20：00天空一直被云層籠罩，且NRCS較強(qiáng)，說明這段時(shí)間云結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；20：00—22：00，云出現(xiàn)明顯較為穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)，4～5 km高度內(nèi)為NRCS較強(qiáng)的云，但時(shí)間連續(xù)性較04：00—20：00已有所減弱，7～9 km高度也有明顯的云層結(jié)構(gòu)，一直持續(xù)到24：00，但其NRCS較弱。圖3（b）為9月15日云高儀探測(cè)得到的5層云底高度日變化，發(fā)現(xiàn)主要以第一層和第二層云為主，除了云層本身特征，這與云高儀探測(cè)時(shí)的能量衰減有關(guān)［41］。與圖3（a）相比，可以看出云高儀對(duì)云底高度的辨別較為準(zhǔn)確。

圖3 2019年9月15日云高儀探測(cè)得到的塔中站lg NRCS（a）、云底高度（b）、云層厚度（c）和總云覆蓋率（d）日變化Fig.3 The diurnal variation of lg NRCS（a），cloud base height（b），cloud depth（c）and total cloud cover（d）from ceilometer at Tazhong station on September 15，2019

由圖4可知，2019年8月塔中站出現(xiàn)5次降雨過程，分別為4日、18日、20日、21日和28日［圖4（a）中紅圈內(nèi)］，對(duì)應(yīng)第一層云底高度都低于100 m，云底高度過低是由降落雨滴引起的NRCS增大而造成的誤判，同期雨量筒的觀測(cè)資料也證實(shí)了降雨的出現(xiàn)。其中8月20日全天和21日00：00—06：00都有低云存在，對(duì)應(yīng)于降雨時(shí)段，而其他3次降雨過程低云存在時(shí)間都短于6 h。9月7日、11日和18日均有明顯的低云，其中11日出現(xiàn)降雨過程［圖4（b）］。8月和9月，塔中站第一層平均云底高度分別為4.5 km和4.7 km，兩個(gè)月云底高度最大的差異主要是由于8月云層出現(xiàn)的頻率明顯更高，而9月出現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)晴天（19—30日為晴空天氣）。雖然，云高儀能提供5層云底高度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，但是，受到激光較低脈沖能量的限制，云高儀對(duì)多層云的探測(cè)存在一定誤差，導(dǎo)致多層云的反演精度還有待提高。與ERA5再分析資料的云底高度［圖4（c）、圖4（d）］對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)果的整體日變化趨勢(shì)和高度范圍都比較一致，云高儀探測(cè)的8—9月平均第一層云底高度為4.6 km，而ERA5的為4.5 km。兩種資料結(jié)果都清晰呈現(xiàn)出8月和9月幾次降雨時(shí)的低云狀況，云高儀探測(cè)到降雨時(shí)的云底高度更低。

依據(jù)地面氣象觀測(cè)規(guī)范［42］中對(duì)云觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，云底高度100～2500 m為低云，2500～4500 m為中云，4500 m以上為高云。由圖5可知，8、9月，云高儀探測(cè)塔中站上空主要以高云和中云為主，兩個(gè)月高云的占比均超過50%，高云、中云占比之和均超過90%，8月低云占比大于9月，這一結(jié)果在圖4中也有體現(xiàn)。云層數(shù)是大氣環(huán)流模式中重要的云參數(shù)，云的重疊（即有無多層云）對(duì)大氣和地表的輻射加熱或冷卻有很大影響，兩個(gè)月單層云占比均超過80%，這在一定程度上反映了觀測(cè)期間塔中云層的特點(diǎn)，但云高儀射出的激光能量的衰減也是不可忽略的，特別是在底層云較為深厚時(shí)，造成對(duì)上層云識(shí)別的困難。

2.3 云層厚度

圖4 2019年8月（a、c）和9月（b、d）塔中站云底高度的逐日變化（a、b）云高儀結(jié)果，（c、d）ERA5結(jié)果（紅色圈代表降雨過程）Fig.4 The daily variation of cloud base height at Tazhong station in August（a，c）and September（b，d）2019（a，b）the results from ceilometer，（c，d）the results from ERA5（The red circles represent the precipitation processes）

圖5 云高儀探測(cè)塔中站8月（a、b）和9月（c、d）的低、中、高云（a、c）和單層云、多層云（b、d）占比Fig.5 The percentages of low，middle，high cloud（a，c）and single-layer，multi-layer cloud（b，d）at Tazhong station from ceilometer in August（a，b）and September（c，d）

云層厚度是云宏觀特性的另一個(gè)基本物理參數(shù)，對(duì)識(shí)別不同類型云，評(píng)估其輻射強(qiáng)迫與云水轉(zhuǎn)化率均有重要指示。圖3（c）為云高儀探測(cè)的9月15日云層厚度的變化，00：00—04：00云層厚度逐漸從1500 m降到很小，04：00—12：00云層厚度逐漸增厚到2500 m，之后又逐漸減小，所以這一天的云層厚度經(jīng)歷了從厚變薄、薄變厚、再變薄的過程?？傮w趨勢(shì)是第一層云的厚度大于其他層，造成這個(gè)結(jié)果的原因除了歸結(jié)于塔中站云層特點(diǎn)，也要把信號(hào)衰減考慮進(jìn)去：光子在經(jīng)過第一層云時(shí)，其能量已經(jīng)過較強(qiáng)的衰減，繼續(xù)穿透更高云層時(shí)便有可能能量不足。不同的是20：00—22：00第二層云的厚度大于第一層，這與圖3（a）中的lg NRCS結(jié)果是一致的：7～9 km高度第二層云的厚度大于4～5 km高度第一層云的厚度。

云高儀探測(cè)的云層厚度基本都在2000 m以內(nèi)，8月第一層云的平均厚度為402 m，9月為532 m。從第一層云的厚度分布（圖6）看出，塔中站8月和9月第一層云的厚度在500 m以下的占比分別為64.2%和58.8%，在500～1000 m的占比均超過20.0%，總的來說第一層云的厚度越薄，占比越大。厚度較小的云占絕大多數(shù)，造成這一特征的原因可能是塔中地處塔克拉瑪干沙漠腹地，大范圍內(nèi)空氣都較干燥，大氣中水含量少，加之蒸發(fā)量大［43］，雖然云出現(xiàn)頻次較高，但很少出現(xiàn)較為深厚的云。

圖6 8月（a）和9月（b）云高儀探測(cè)塔中站第一層云的厚度（單位：m）占比Fig.6 The percentages of the first cloud thickness（Unit：m）at Tazhong station from ceilometer in August（a）and September（b）

2.4 總云覆蓋率

云覆蓋率在研究當(dāng)?shù)卮髿飧蓾裉匦约霸茖?duì)氣候的反饋?zhàn)饔弥胁豢苫蛉?，我?guó)的云量地面觀測(cè)從最開始的人工主觀觀測(cè)到2014年取消云狀觀測(cè)，再到2020年4月1日地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化改革從全國(guó)試運(yùn)行切換調(diào)整為正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了云量、云高的自動(dòng)化觀測(cè)。云高儀對(duì)總云覆蓋率的探測(cè)原理是選定的時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)到云的次數(shù)與總檢測(cè)記錄的比值，即時(shí)間維度上的定義，與地面全天空成像儀和再分析資料中空間維度上的定義有所差別。圖3（d）為9月15日云高儀探測(cè)得到的總云覆蓋率，可以看出，除了02：00—06：00和18：00—21：00外，其余時(shí)間都對(duì)應(yīng)著很高的覆蓋率，基本都在0.9和1，這與圖3（a）的lg NRCS一致；除了這兩個(gè)時(shí)段，其他時(shí)間云層在時(shí)間上都是相當(dāng)連續(xù)的，表明這一天云層的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

圖7 8月（a、b）、9月（c、d）的塔中站總云覆蓋率（a、c）云高儀結(jié)果，（b、d）ERA5結(jié)果Fig.7 Total cloud coverage at Tazhong station in August（a，b）and September（c，d）（a，c）the results from ceilometer，（b，d）the results from ERA5

在云高儀探測(cè)的8月總云覆蓋率中［圖7（a）］，全天空云覆蓋（總云覆蓋率等于1）占比最大，達(dá)32.6%，其次是全天空無云（總云覆蓋率等于0）占比16.6%；覆蓋率為0.3～0.7的占比都較小，均未超過10%，表明塔中更容易出現(xiàn)大系統(tǒng)的云結(jié)構(gòu)，或者晴朗無云；與ERA5的總云覆蓋率［圖7（b）］相比，兩者除了探測(cè)到全天空無云的占比一致外，其他占比都存在明顯差異，主要體現(xiàn)在ERA5資料判斷的少云天更多，而多云天更少。云高儀探測(cè)的總云覆蓋率中，9月與8月有明顯差異：9月［圖7（c）］全天空無云的占比明顯增加，達(dá)40.8%，這對(duì)應(yīng)于前面提到的9月19—30日晴朗無云；與ERA5資料［圖7（d）］相比，差異與8月近似，ERA5資料判斷的少云天更多，而多云天更少，造成不一致的原因可能是兩數(shù)據(jù)的定義存在明顯差異。當(dāng)時(shí)間序列較長(zhǎng)時(shí)，這種差異將會(huì)減小，兩種資料對(duì)應(yīng)關(guān)系有所改進(jìn)［9］?？梢?，2019年8—9月塔中的總云覆蓋率并不低，造成這一原因可能是沙漠地區(qū)強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，加上沙塵過程常伴隨冷鋒天氣系統(tǒng)，致使大范圍云系出現(xiàn)。

3 結(jié)論

用CHM15K型云高儀對(duì)塔中站2019年7月23日至9月30日云層結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，重點(diǎn)分析8、9月塔中站上空云底高度、云層厚度和總覆蓋率的變化特征。得出以下結(jié)論：

（1）8、9月塔克拉瑪干沙漠腹地云底高度的平均值為4.6 km，以高、中云為主，單層云占主導(dǎo)。

（2）8月和9月第一層云的平均厚度分別為402 m和532 m，云層厚度小于500 m的占比最大。

（3）8、9月塔中的總云覆蓋率并不低，8月全天空云覆蓋的占比最大為32.6%，而9月全天空無云占比最大為40.8%。

由于云高儀具有很高的時(shí)空分辨率，其對(duì)云的宏觀特征分析和演變過程等更為清晰，同時(shí)成本較低、方便操作、能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期無人值守自動(dòng)工作的優(yōu)點(diǎn)，但也存在能量低，容易受到地面強(qiáng)沙塵影響等不足。未來如果能夠結(jié)合毫米波云雷達(dá)、高光譜偏振激光雷達(dá)和全天空成像儀等進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將會(huì)對(duì)云層的探測(cè)和識(shí)別提供更為可靠的手段。