基于FY-2G數(shù)據(jù)的青海省云宏微觀特征參量時空分布研究

張鵬亮，朱世珍，龔 靜，趙冰鈺，王 彬，張博越，侯永慧

（1.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810001；2.青海省氣象信息中心，青海 西寧 810001；3.青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧 810001）

引言

水是社會發(fā)展和人類生活的重要資源，中國僅有約8400億m3的水資源可供利用，水資源短缺且空間分布不均［1-3］。大氣降水是地球上水資源的根本來源，而實施人工增雨（雪）是開發(fā)云水資源、解決水資源短缺問題的科學(xué)途徑及有效措施［4-8］。云作為人工增雨（雪）的對象，其各種宏微觀特征參量是進行人工增雨（雪）作業(yè)的重要依據(jù)［9-16］。目前，云的觀測手段有多種。衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其反演得到云特征參量（簡稱“云參量”）由于其信息源可靠、質(zhì)量高、種類多、時空分辨率高等諸多優(yōu)點，已成為研究云的重要資源。云的宏微觀特征參量與降水效率、機制、物理過程等緊密聯(lián)系，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)階段人影日常業(yè)務(wù)和科研工作中［17-23］。

受地形、氣候等多種因素共同影響，云參量具有明顯地域性，NTWALI等［24］對非洲地區(qū)液水云和冰云宏微觀特征參量的日變化進行了研究。YOUSEF等［25］對阿拉伯半島地區(qū)的總云量時空分布進行了分析，發(fā)現(xiàn)除了國際衛(wèi)星云氣候?qū)W計劃（International Satellite Cloud Climatology Project，ISCCP）數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)的總云量均呈春季減小夏季增大的趨勢。我國也有一些相關(guān)研究。如：遼寧省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，兼具海洋性氣候特點，夏季水汽充沛，主要來自南海，其他季節(jié)水汽主要由西風(fēng)帶輸送［26］。該省夏季云量、云光學(xué)厚度（cloud optical depth，COD）等較高，冬季較低；受地形影響，云參量［除云頂高度（cloud top height，CTH）外］年平均與季節(jié)平均均呈現(xiàn)西低東高的空間分布特征［12］。祁連山地區(qū)處于高原氣候區(qū)、西風(fēng)帶氣候區(qū)、東南季風(fēng)及其邊緣區(qū)的交匯地帶，受多個大氣環(huán)流系統(tǒng)共同控制［27］，春冬季水汽主要由西風(fēng)帶輸送，夏秋季主要由西風(fēng)帶和東亞季風(fēng)輸送，夏秋季水汽輻合強度明顯強于冬春季［28］。該地區(qū)云水路徑（cloud water path，CWP）冬季最小，夏季最大；云頂溫度（cloud top temperature，CTT）冬季最低，夏季最高；云粒子有效半徑（effective radius，ER）夏季最小，春季最大［13］。青藏高原地區(qū)地域遼闊，有干旱、半干旱、濕潤、半濕潤等多個氣候區(qū)，降水量分布自東南向西北逐漸遞減［29］。該地區(qū)近10 a COD有減小趨勢，CWP變化趨勢不明顯，COD和CWP從東南向西北遞減；CWP高值區(qū)位于青藏高原的中部、東南部及西南部，低值區(qū)位于祁連山脈以北及昆侖山脈一帶［14-15］。

青海省位于青藏高原東北部，屬干旱半干旱區(qū)，降水量偏少且時空分布極其不均，近年來受自然因素及人類活動的不斷影響，草地退化、土地沙化、湖泊水位下降、河流流量銳減等系列生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，制約著青海省經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，尤其是制約農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，因此解決水資源匱乏問題迫在眉捷［30-31］。此前已有一些研究對青藏高原和祁連山地區(qū)的云宏微觀參量時空分布等進行研究［13-15］。為了解青海省云宏微觀參量的時空分布特征，本文選用青海省2018—2020年FY-2G靜止衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)，對全省及3個子研究區(qū)云參量的月、季節(jié)和年平均變化進行分析，尋求云參量時空分布規(guī)律，為提高人工增雨（雪）作業(yè)水平及效率提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和資料選取

1.1 研究區(qū)域

根據(jù)青海省地形地貌及人影作業(yè)需求（抗旱減災(zāi)、水源涵養(yǎng)、生態(tài)修復(fù)及草地恢復(fù)等），將研究區(qū)域（88°E—104°E，31°N—40°N）分為3個子研究區(qū)：三江源、柴達木盆地和青海東北部。三江源地區(qū)（88°E—104°E，31°N—36°N），包括玉樹、果洛、海南、黃南四個州，是長江、黃河及瀾滄江源頭匯水區(qū)，是我國生態(tài)脆弱區(qū)和氣候變化的敏感區(qū)。柴達木盆地地區(qū)（88°E—98°E，36°N—40°N）是被阿爾金山脈、昆侖山脈及祁連山脈環(huán)抱的封閉盆地，屬干旱氣候區(qū)。青海東北部地區(qū)（98°E—104°E，36°N—40°N）是進行人工增雨（雪）的重點區(qū)域，包括青海東部農(nóng)業(yè)區(qū)、海西東部、環(huán)青海湖地區(qū)及青海祁連山區(qū)，其中，東部農(nóng)業(yè)區(qū)是青海省重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，經(jīng)濟較發(fā)達，人口相對密集，環(huán)青海湖地區(qū)是重要牧業(yè)基地，青海祁連山地區(qū)是當(dāng)?shù)刭囈陨婧徒?jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要水源區(qū)。

文中附圖涉及地圖是基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)下載的審圖號為S（2018）004號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

圖1 研究區(qū)域及其地形（單位：m）Fig.1 Study area and its topography（Unit：m）

1.2 資料選取

云參量是利用中國氣象局人工影響天氣中心研發(fā)的云降水精細(xì)分析系統(tǒng)（cloud precipitation accurate analysis system，CPAS）反演生成的FY-2G靜止衛(wèi)星格點數(shù)據(jù)，時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.05°×0.05°。青海省由于地廣人稀，衛(wèi)星資料能夠彌補地面觀測站點的不足，F(xiàn)Y-2G靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)已應(yīng)用于短時強降水預(yù)報、對流活動分析、云宏觀物理參量反演等氣象業(yè)務(wù)與科研中，具有較好的適應(yīng)性［32-33］。FY-2G靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)及反演產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于日常的增雨（雪）作業(yè)指揮及科研工作，成為人影指揮五段業(yè)務(wù)產(chǎn)品中監(jiān)測預(yù)警、跟蹤分析及增雨效果評估的不可或缺內(nèi)容。人工增雨作業(yè)過程中，在播撒人工冰核后，云水資源越豐富，云系越密實，過冷水含量越多，越有利于云中過冷水滴向冰晶轉(zhuǎn)化，增加降水效率。選取CTH、CTT、過冷層厚度（over cooledlayer depth，OLD）、COD、ER、液水路徑（liquid water path，LWP）6個云參量進行分析，其中CTH用于了解云系的發(fā)展程度，CTT用于了解云的對流強度，OLD用于了解云系冷暖云垂直結(jié)構(gòu)配置，COD用于了解云系密實程度，ER用于了解云內(nèi)水滴分布和變化情況，LWP用于了解空中云水資源的豐富程度。

研究時段為2018年7月至2020年8月。文中春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至次年2月。由于COD是可見光通道的反演產(chǎn)品，為確保數(shù)據(jù)選取時段一致性，僅對研究區(qū)域白天的云特性進行分析。根據(jù)柴達木盆地西緣 的 茫 崖 鎮(zhèn)（90°51′E，38°15′N）最 晚 日 出 時 間［08：45（北京時，下同）］及位于青海省東緣的民和縣（102°51′E，36°19′N）最早日落時間（17：53），選取10：00—17：00為研究時間段。

2 結(jié)果分析

2.1 云參量區(qū)域特征量對比

表1為青海全省及3個子研究區(qū)2018—2020年各云參量年平均值、最小值及最大值。全省CTH、CTT、OLD、COD、ER、LWP年平均值分別為3.8 km、-9.7℃、2.0 km、7.1、7.1 μm、63.7 g·m-2，CTH、COD、ER均低于遼寧［12］。3個子研究區(qū)云參量除CTH、CTT及OLD外，其余3個參量平均值的大小順序均為三江源＞青海東北部＞柴達木盆地，與青海省平均年降水量呈現(xiàn)由西北向東南遞增的空間分布特征相吻合［34］。

2.2 云參量區(qū)域平均值季節(jié)和月際變化

圖2為2018—2020年青海省3個子研究區(qū)云參量月際和季節(jié)變化?？梢钥闯觯?個區(qū)［按三江源、柴達木盆地、青海東北部的順序，下同］CTH平均值大小分別為春季＞冬季＞秋季＞夏季、冬季＞春季＞秋季＞夏季、春季＞秋季＞冬季＞夏季，3個區(qū)平均值的最高值分別出現(xiàn)在春季、冬季、春季，對應(yīng)值為4.7、4.5、4.1 km，最低值均出現(xiàn)在夏季，對應(yīng)值為3.5、2.7、3.2 km。3個區(qū)CTT平均值大小分別為夏季＞秋季＞冬季＞春季、夏季＞秋季＞春季＞冬季、夏季＞冬季＞秋季＞春季，與CTH的順序相反，3個區(qū)CTT平均值的最高值均出現(xiàn)在夏季，對應(yīng)值為-7.6、-2.4、-6.0℃，最低值分別出現(xiàn)在春季、冬季、春季，對應(yīng)值為-15.3、-14.0、-11.9℃。3個區(qū)OLD平均值大小分別為春季＞秋季＞冬季＞夏季、春季＞冬季＞秋季＞夏季、春季＞夏季＞秋季＞冬季，3個區(qū)平均值的最大值均出現(xiàn)在春季，對應(yīng)值為2.4、2.2、2.4 km，最小值分別出現(xiàn)在夏季、夏季、冬季，對應(yīng)值為1.9、1.6、1.3 km。3個區(qū)COD平均值大小分別為春季＞秋季＞夏季＞冬季、春季＞秋季＞夏季＞冬季、秋季＞夏季＞春季＞冬季，3個區(qū)平均值的最大值分別出現(xiàn)在春季、春季、秋季，對應(yīng)值為12.3、7.1、8.9 km，最小值均出現(xiàn)在冬季，對應(yīng)值為5.8、4.0、2.3 km。3個區(qū)ER平均值大小分別為春季＞冬季＞秋季＞夏季、冬季＞春季＞秋季＞夏季、春季＞冬季＞秋季＞夏季，3個區(qū)平均值的最大值分別出現(xiàn)在春季、冬季、春季，對應(yīng)值為9.4、7.7、7.8 km，最小值均出現(xiàn)在夏季，對應(yīng)值為7.4、5.0、6.1 km。LWP 3個區(qū)平均值大小分別為春季＞秋季＞夏季＞冬季、春季＞秋季＞冬季＞夏季、春季＞夏季＞秋季＞冬季，3個區(qū)平均值的最大值均出現(xiàn)在春季，對應(yīng)值為120.1、72.0、88.8 g·m-2，最小值分別出現(xiàn)在冬季、夏季、冬季，對應(yīng)值為62.0、40.4、20.2 g·m-2。

表1 2018—2020年青海全省及3個子研究區(qū)各云參量年平均值、最小值及最大值Tab.1 The annual average value，minimum value and maximum value of each cloud parameter in Qinghai Province and three sub-regions during 2018-2020

三江源云參量月際變化呈單峰分布，CTH、CTT、OLD、COD、ER、LWP最大峰值分別為5.3 km、-4.3℃、3.2 km、11.9、12.0 μm、153.5 g·m-2，除CTT外，其余云參量3月較大，隨后呈逐漸減小的趨勢，11月驟增，后回落再逐漸增大。除CTT外，柴達木盆地、青海東北部云參量月際變化趨勢線的波峰波谷位置大致相同，呈雙峰雙谷分布，峰值基本出現(xiàn)在5月及11月，谷值基本出現(xiàn)在8、9月及12、1月；CTT與CTH月際變化趨勢呈反相。柴達木盆地CTH、CTT、OLD、COD、ER、LWP最大峰值分別為5.4 km、-0.4℃、3.0 km、10.6、9.1 μm、119.7 g·m-2，最小谷值分別為2.4 km、-20.3℃、0.9 km、3.0、4.0 μm、30.0 g·m-2。青海東北部CTH、CTT、OLD、COD、ER、LWP最大峰值分別為5.1 km、-3.0℃、3.0 km、14.8、12.1 μm、194.4 g·m-2，最小谷值分別為2.8 km、-18.2℃、0.9 km、1.4、4.7 μm、11.5 g·m-2。

3個子研究區(qū)CTH最低值均出現(xiàn)在夏季，原因是夏季水汽條件充沛，抬升凝結(jié)高度低，這與宋松濤［15］研究的西北地區(qū)低云量存在明顯季節(jié)差異，且夏季低云量大于其他季節(jié)的結(jié)論相吻合。三江源、柴達木盆地CTH在春季、冬季較高，夏季、秋季較低，可能是由于春季、冬季水汽條件差，水汽只有抬升到更高的高度才能凝結(jié)成云。青海東北部冬季CTH較低，CTT較高，OLD、COD、LWP均為最小，說明該地冬季以低云為主，可能是受地形等因素影響，冬季多水汽倒灌，低云發(fā)生頻率高。3個子研究區(qū)OLD均在春季較大，說明春季云系較密實且大氣溫度低。3個子研究區(qū)ER均在春季、冬季較大，夏季、秋季較小，原因是夏、秋季水云出現(xiàn)比例較高，云粒子內(nèi)液態(tài)粒子較多，導(dǎo)致ER較小，春、冬季云粒子固態(tài)粒子較多，以冰相為主，導(dǎo)致ER大。青海省屬于典型的大陸性高原氣候，冬季寒冷夏季涼爽，夏季水汽由南亞季風(fēng)從東南向西北輸送，水汽含量最高，冬季水汽主要由西風(fēng)帶輸送，水汽含量最低［35］。青海與祁連山區(qū)、遼寧省雖處于不同的氣候帶，地形條件、水汽來源也不同，但水汽含量均在夏季最大，冬季最低，可能是造成三江源、柴達木盆地CTT和3個子研究區(qū)ER與祁連山區(qū)、遼寧省的四季分布特征相同的原因［12-13］。

2.3 云參量空間分布

青海省云參量空間分布具有明顯的地域特征，各云參量年平均空間分布均呈沿地形和山脈走向分布的特征（圖3）。除CTT外，其他5個云參量均在柴達木盆地有一明顯的舌狀低值區(qū)，從柴達木盆地西北部的阿爾金山向東南方向延伸至柴達木盆地東南緣，CTH、OLD、COD、ER及LWP舌狀低值區(qū)范圍分別為2～3 km、1.0～2.0 km、0～5、0～5 μm、0～100 g·m-2，CTT與其他5個云參量的高低值空間分布相反，在該區(qū)域為高值區(qū)（-5～0℃）。除CTT外，其他5個參量高值區(qū)有兩個，分別位于青海祁連山一帶以及三江源地區(qū)的唐古拉山各拉丹東峰以東-巴顏喀拉山-阿尼瑪卿雪山一帶，CTH、OLD、COD、ER及LWP高值區(qū)范圍分別為5～6 km、2.5～3.0 km、20～25、10～15 μm、200～300 g·m-2，而CTT對應(yīng)為低值區(qū)（-20～-15℃）。

圖3 2018—2020年青海省云參量年平均值空間分布Fig.3 The spatial distribution of annual average value of cloud parameters in Qinghai Province during 2018-2020

圖4為2018—2020年青海省云參量季節(jié)平均空間分布。整體上，CTH夏季最低，春季大于秋季。柴達木盆地各季CTH均存在低值區(qū)，為1～3 km；海拔較高的玉樹州、果洛州西部、青海祁連山區(qū)均存在高值區(qū)，為6～8 km。夏季低值區(qū)CTH的值最小且范圍最大，覆蓋整個柴達木盆地；冬季低值區(qū)位于柴達木盆地東部及青海省東部，為2～4 km。CTT與CTH呈相反的空間分布特征，CTT高值區(qū)范圍與CTH低值區(qū)范圍相同。夏季CTT值最高且范圍大，春季值小于秋季值；夏季高值區(qū)CTT為-5～5℃，冬季低值區(qū)CTT為-35～-25℃。OLD在春季整體值較大，各地分布較均勻，為2.5～3.5 km；夏季柴達木盆地均為低值區(qū)，為0.5～1.5 km；秋季在青海東北部地區(qū)存在低值區(qū)，果洛存在高值區(qū)；冬季低值區(qū)分布不均勻，總體呈西高東低分布，玉樹及其以南地區(qū)存在大于3.5 km的明顯高值區(qū)。整體上，COD冬季最小，春季最大，夏季大于秋季值。四季COD空間分布表現(xiàn)為從柴達木盆地西北部的阿爾金山向東南方向延伸至柴達木盆地東南緣的舌狀低值區(qū)（5～10），春、冬季在35°N以南及青海祁連山區(qū)存在高值區(qū)，局地COD＞30。ER和LWP春、冬季較高，夏、秋季較低。四季ER和LWP的空間分布特征與COD相似，柴達木盆地為低值區(qū)，三江源地區(qū)及青海祁連山區(qū)在春、冬季存在高值區(qū)。ER和LWP兩個參量在四季低值區(qū)范圍分別為0～5 μm、0～100 g·m-2，春、冬季高值區(qū)范圍分別為15～20 μm、300～400 g·m-2。

各云參量的年平均空間分布與季節(jié)分布較為相似。除CTT外，其余云參量的高值區(qū)與高大山脈相對應(yīng)，低值區(qū)與荒漠盆地及低海拔地區(qū)相對應(yīng)。柴達木盆地為荒漠地區(qū)，四周環(huán)山且距海洋比較遠(yuǎn)，成云條件（水汽和地形抬升作用等）不佳；而三江源地區(qū)離印度洋相對較近，加之中國東部的暖濕氣流及東亞季風(fēng)將海上的潮濕空氣帶到該地區(qū)，使其成云條件好；青海東北部地區(qū)海拔較低，來自河西走廊地區(qū)的水汽在該地區(qū)低層經(jīng)常發(fā)生倒灌現(xiàn)象，造成3個子研究區(qū)云參量值高低懸殊。柴達木盆地ER最小，是因為荒漠地區(qū)多發(fā)的沙塵天氣造成沙塵氣溶膠濃度高，而沙塵氣溶膠作為云凝結(jié)核可以引起ER減?。?6］。青海東北部地區(qū)人口密集，工業(yè)化程度較高，交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)及人類活動產(chǎn)生了大量的氣溶膠，也是造成ER減小的重要原因［37］。柴達木盆地屬于西風(fēng)帶氣候區(qū)，青海東北部屬于亞洲季風(fēng)及邊緣影響區(qū)，祁連山區(qū)及青海的廣大地區(qū)屬于高原氣候區(qū)［38］，3個子研究區(qū)域處于不同的氣候區(qū)，也可能是造成云參量空間分布有較大差異的原因。

圖4 2018—2020年青海省云參量季節(jié)平均空間分布Fig.4 The spatial distribution of seasonal average cloud parameters in Qinghai Province during 2018-2020

3 結(jié)論

（1）青海省云頂高度CTH、云頂溫度CTT、過冷層厚度OLD、云光學(xué)厚度COD、云粒子有效半徑ER及液水路徑LWP 6個云參量區(qū)域年均值分別為3.8 km、-9.7℃、2.0 km、7.1、7.1 μm、63.7 g·m-2。除CTH、OLD及CTT 3個參星外，3個子研究區(qū)其余云參量年均值大小順序均為三江源＞青海東北部＞柴達木盆地。

（2）緯度相同的柴達木盆地、青海東北部除CTT外，其余云參量月變化均大致呈雙峰雙谷分布，峰值基本出現(xiàn)在5月及11月，谷值基本出現(xiàn)在8、9、12、1月；三江源各云參量大致呈單峰分布，峰值基本在11月。三江源、柴達木盆地CTH在春、冬季較高，夏、秋季較低；CTT季節(jié)分布與其相反；OLD、COD及LWP在春、秋季較大。青海東北部CTH高低順序為春季＞秋季＞冬季＞夏季，OLD、LWP大小順序為春季＞夏季＞秋季＞冬季，COD大小順序為秋季＞夏季＞春季＞冬季。3個子研究區(qū)ER均在春冬季較高、夏秋季較低。

（3）各云參量年平均及季節(jié)空間分布均大致呈沿地形和山脈走向的分布特征。除CTT外，其余云參量高值區(qū)與高大山脈相對應(yīng)、低值區(qū)與荒漠盆地及低海拔地區(qū)相對應(yīng)，低值區(qū)均位于柴達木盆地，高值區(qū)均位于青海祁連山一帶以及三江源地區(qū)的唐古拉山各拉丹東峰以東-巴顏喀拉山-阿尼瑪卿雪山一帶，柴達木盆地四季均存在低值區(qū)，夏季低值區(qū)范圍最大，三江源地區(qū)及青海祁連山區(qū)在春、冬季存在明顯高值區(qū)。

人工增雨潛力區(qū)的確定十分復(fù)雜，使用任何單一參量都具有局限性，因此需要結(jié)合衛(wèi)星、雷達等多種資料綜合分析。三江源地區(qū)OLD、COD及LWP在春季及秋季較大，青海東北部地區(qū)OLD、LWP在春季最大，春、秋季是進行以水源涵養(yǎng)、抗旱減災(zāi)等為目的的人工增雨作業(yè)的較佳時機。