基于CloudSat-CALIPSO 資料的北極云宏觀特征及形成機(jī)制研究

周茹 李昀英 陸春松

1 南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044 2 國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，長沙 410073

1 引言

云參數(shù)中云量是重要的氣候因子之一，北極地區(qū)云覆蓋率高，年平均云量在70%左右（Eastman and Warren, 2010）。北極是對氣候變化最敏感的地區(qū)之一，它的升溫速度是全球平均值的兩倍（Yano et al., 2015），而云量變化對北極地區(qū)能量收支有直接作用（楊亦萍等, 2016），因此研究北極地區(qū)的云量變化對于研究局地乃至全球輻射收支和氣候變化都有重要意義。文獻(xiàn)研究表明，北極地區(qū)薄云對氣溶膠污染的敏感性顯著大于中低緯度地區(qū)，氣溶膠通過改變北極薄云的物理特征，造成更強(qiáng)的春冬季節(jié)強(qiáng)增暖效應(yīng)（Garrett and Zhao, 2006）。冬季北極地區(qū)的極端水汽入侵事件引起云量明顯增多，對流層低層則會產(chǎn)生輻射加熱效應(yīng)，對海冰的快速融化有一定貢獻(xiàn)（Johansson et al., 2017）。另外，近幾十年來，因全球氣候變暖造成的北極海冰覆蓋率對云量產(chǎn)生了相互影響（Key et al., 2004;Wang et al., 2020）。例如，云—輻射相互作用改變了海表面溫度（Liu et al., 2008）進(jìn)一步影響了海冰融化過程（Karlsson and Svensson, 2013）。相反，隨著海冰覆蓋面積的減少，北極云量有增加的趨勢（Vavrus et al., 2011），這表明了云量在北極反饋中的重要作用（Hines and Bromwich, 2017）。

全球分布而言，層積云主要分布在海洋上空，尤其是亞熱帶、熱帶海洋的寒冷部分和中緯度海洋上空（Wood, 2012），這些地區(qū)層積云形成機(jī)理以及季節(jié)變化的研究已相對成熟（Klein and Hartmann,1993; Sassen and Wang, 2008）。北極地區(qū)層積云出現(xiàn)的頻率也較大，是全球?qū)臃e云的大值區(qū)之一（Key et al., 2004; Sedlar and Shupe, 2014; 紀(jì)旭鵬和趙進(jìn)平, 2015; Simpfendoerfer et al., 2019），其氣候效應(yīng)顯著，因此研究層積云的云量及季節(jié)變化對研究北極氣候及其變化具有重要意義。其中，挪威?！蛡愔ШＳ蚴潜睒O層積云出現(xiàn)的主要區(qū)域，其季節(jié)變化與中低緯度云量的季節(jié)變化有明顯差異。因北極地區(qū)氣溫較低，氣候特殊，層積云的形成機(jī)理與其他地區(qū)有所不同。例如，加利福尼亞以及秘魯海域，夏季海面上的大氣層結(jié)最穩(wěn)定，對流作用不強(qiáng)，有利于Sc 的生成與維持（Solomon et al., 2011）。然而有研究發(fā)現(xiàn)，北極地區(qū)的低層穩(wěn)定度與低云量呈負(fù)相關(guān)（Taylor et al., 2015; Morrison et al., 2018），即大氣層結(jié)越穩(wěn)定，Sc 云量越少。但他們的研究以穩(wěn)定度為標(biāo)準(zhǔn)將北極地區(qū)進(jìn)行劃分，云量在不同穩(wěn)定度區(qū)域中對比后發(fā)現(xiàn)低層穩(wěn)定度較大的區(qū)域云量較少；或者在對比海冰覆蓋區(qū)域和無冰海域的低層穩(wěn)定度差異后，發(fā)現(xiàn)海冰常年覆蓋的海域上低層穩(wěn)定度較大，Sc 云量較小（Taylor et al., 2015;Sotiropoulou et al., 2016; Morrison et al., 2018）。綜上所述，影響北極海洋層積云因子的研究多針對單一變量，且集中于海冰常年覆蓋的區(qū)域。針對常年無海冰覆蓋的挪威?！蛡愔Ш^(qū)域上海洋層積云與中緯度地區(qū)之間的差異，本文著重開展對該地區(qū)層積云形成機(jī)理的探討以及云量季節(jié)變化影響因子的研究。

北極區(qū)域地面觀測站點(diǎn)有限、飛機(jī)觀測難度較大，難以獲得全面的時(shí)空連續(xù)性云信息（Sassen and Wang, 2008），缺乏對云量及云垂直結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析，故衛(wèi)星、雷達(dá)成為研究北極云的重要手段。本工作基于2006 年6 月至2010 年12 月的CloudSat-CALIPSO 衛(wèi)星二級云產(chǎn)品反演資料以及ERA5 月平均再分析資料，分析了北極地區(qū)各類云云量分布特征、季節(jié)分布特征以及挪威?！蛡愔ШＳ颍?6°N～90°N，20°W～60°E）層積云云量季節(jié)變化影響因子，探討其產(chǎn)生的可能原因，為北極氣候系統(tǒng)研究提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)介紹與處理方法

2.1 CloudSat-CALIPSO 反演資料

本文所使用的數(shù)據(jù)是2006 年6 月至2010 年12 月的CloudSat 和CALIPSO 衛(wèi)星資料合成的二級云產(chǎn)品2B-CLDCLASS-LIDAR 衛(wèi)星反演資料（Sassen and Wang, 2008; 方樂鋅等, 2016）。CloudSat衛(wèi)星一個(gè)軌道的掃描時(shí)間大約9 min，每個(gè)軌道上約有37080 個(gè)星下像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)的星下點(diǎn)波束覆蓋范圍約1～3 km，垂直分辨率為500 m。CloudSat 衛(wèi)星上搭載的云雷達(dá) CPR 的廓線在垂直方向上包含125 層，每層240 m，提供了云的類型、云底和云頂高度等最多可到10 層云的信息。其次，CALIPSO 衛(wèi)星可以觀測到冰云層頂和較為稀薄的暖云底，因?yàn)槠浯钶d的lidar 波長較短，能夠探測到低于云雷達(dá)探測閾值的微弱水汽凝結(jié)層，得到光學(xué)厚度較薄的冰云探測結(jié)果（徐成鵬等, 2014）。由于CALIPSO 衛(wèi)星上搭載的激光雷達(dá)具有比CPR更精細(xì)的分辨率，故在產(chǎn)品合成時(shí)已降維至與 CPR相同的分辨率（Yin et al., 2013; 李思聰?shù)? 2019）。

CloudSat-CALIPSO 衛(wèi)星觀測為全球掃描，約16 天才會重復(fù)掃描某個(gè)固定區(qū)域。本文將逐軌資料處理成 1°（緯度）×1°（經(jīng)度）的月平均格點(diǎn)資料，提高資料的空間和時(shí)間分辨率，增加分析樣本；將一個(gè)月內(nèi)所有落入該格點(diǎn)的廓線資料全部融合，保持垂直分辨率不變，形成月平均三維云資料集（方樂鋅等, 2016）。其格點(diǎn)資料集包含各垂直層云的類型和云量，云底和云頂高度、液（固）相云水含量以及粒子半徑等信息。

云的分類是按照云體的尺度、相態(tài)、云頂溫度、液水路徑等特征區(qū)分的，相關(guān)研究表明其與地面觀測云的分類具有基本一致性（唐雅慧等, 2020）。2B-CLDCLASS-LIDAR 衛(wèi)星觀測料產(chǎn)品將云類劃分為4 族8 類，其中高云為卷云（Ci），中云族包括高層云 （As）和高積云（Ac），低云族包括層積云（Sc）、積云（Cu）和層云（St），厚云族包括雨層云（Ns）和深對流云（DC）。

CloudSat 衛(wèi)星承載的CPR 其工作波段為高頻微波，可以穿透光學(xué)厚度較厚的云層，而CALIPSO能觀測到低于CPR 探測閾值的水凝物層和較薄冰云層頂，與云地面常規(guī)觀測和星載被動式遙感觀測云資料相比顯示出探測精度較高的優(yōu)勢（唐雅慧等, 2020）。但在現(xiàn)有的資料中，2006 年全年以及2007～2010 年有19.7%的數(shù)據(jù)缺乏lidar 探測資料，此種情況下用單獨(dú)的CPR 資料2B-CLDCLASS 產(chǎn)品做補(bǔ)充（Sassen and Wang, 2008; 方樂鋅等, 2016）。另外需要注意的是，CloudSat-CALIPSO 采用了云的水平和垂直尺度、云微物理參數(shù)、云相態(tài)及是否伴隨降水等特征，結(jié)合閾值法和模糊聚類法對云進(jìn)行歸類，它與地面觀測對應(yīng)的云類的名稱相同，物理意義近似，但含義不完全相同。因此基于CloudSat-CALIPSO 資料的云類與其它資料云類的比較都只能在定性意義上進(jìn)行（方樂鋅等, 2016）。

目前，國內(nèi)外已有許多學(xué)者利用CloudSat-CALIPSO數(shù)據(jù)流產(chǎn)品對全球以及區(qū)域微物理特征的時(shí)空變化進(jìn)行了分析，初步說明了該觀測數(shù)據(jù)的科學(xué)性和優(yōu)勢。如Sassen and Wang （2008）和Luo et al.（2009）針對云量的水平及垂直分布特征，發(fā)現(xiàn)CloudSat-CALIPSO 資料與地面觀測資料和ISCCP 資料基本一致。Wang et al.（2014）對比了中國地區(qū)FY-2E、CloudSat 和地面觀測云資料，發(fā)現(xiàn)總云量的分布也基本一致。唐雅慧等（2020）利用CloudSat/CALIPSO資料與單獨(dú)的CloudSat 資料進(jìn)行了對比后，發(fā)現(xiàn)CloudSat/CALIPSO 資料不僅可以獲得基本完整的云垂直結(jié)構(gòu)信息，且對微弱水汽凝結(jié)層以及光學(xué)厚度較薄的冰云的探測能力更強(qiáng)。

2.2 ERA5 再分析資料

ERA5 是 來 自ECMWF（European Centre for Medium-range Weather Forecast）第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集，其同化系統(tǒng)使用了若干專為再分析而開發(fā)的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（喬守文等, 2020），數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到了進(jìn)一步提高（Czernecki et al., 2019）。所有ERA5 數(shù)據(jù)產(chǎn)品均存儲在ECMWF 的氣象資料歸檔和檢索系統(tǒng)，可通過EC MWF Web API 供用戶免費(fèi)下載使用（孟憲貴等, 2018）。本文使用2006～2010 年ERA5 月平均再分析資料的2 m 氣溫、700 hPa（850 hPa、925 hPa、950 hPa）溫度、海表面溫度、邊界層高度、海冰覆蓋率（sea ice area fraction）、表面感熱通量、表面潛熱通量、900 hPa相對濕度、海表面氣壓數(shù)據(jù)。圖1 為北極地區(qū)標(biāo)記地圖。

圖1 北極地圖Fig. 1 Arctic map

3 云量分布特征

3.1 總云量分布特征

從總云量（圖2a）分布來看，大值區(qū)主要位于挪威?！蛡愔Ш^(qū)域，可達(dá)到90%以上。北冰洋主體部分、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海以及楚科奇海附近海區(qū)總云量為70%左右。此外，格陵蘭島附近地區(qū)總云量低于50%，相關(guān)研究表明可能是因?yàn)樵摰剌斔蜌饬鬏^弱，被明顯的緯向氣流阻擋，較少水汽通過此地輸送到北極內(nèi)（Johansson et al., 2017）。另外一個(gè)原因考慮為格陵蘭島中部偏東地區(qū)最高海拔可達(dá)到3300 m，邊緣地區(qū)平均海拔約1000～2000 m，CPR 無法探測到地表以上500 m 范圍內(nèi)的云層，且經(jīng)常漏掉高空的稀薄云（厚度＜2.5 km）（Chan and Comiso, 2013），故出現(xiàn)該地的云量，尤其是低云云量偏少的情況。

3.2 分云量分布特征

從各類云的區(qū)域分布來看，Sc（圖2b）和總云量分布特征一致性較高，大值區(qū)亦出現(xiàn)在挪威海和巴倫支海區(qū)域，同時(shí)海域云量覆蓋率比陸地高。As（圖2c）的大值區(qū)主要分布于巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海附近海區(qū)以及格陵蘭島地區(qū)，可達(dá)到25%，其余地區(qū)不超過10%。Ci（圖2d）總量不大，平均云量不超過10%，而在格陵蘭島以及加拿大海峽附近幾乎沒有觀測到Ci。另外，Cu、Ac 和St（圖中未顯示）總量較少，在北極地區(qū)幾乎不出現(xiàn)此類云。

4 云量的季節(jié)變化及影響因子

4.1 總云量季節(jié)變化及影響因子

從圖3 可以看出，總云量季節(jié)分布特征與年平均分布特征大致相似。挪威?！蛡愔Ш^(qū)域冬季的總云量最大值達(dá)到100%，甚至維持到春季，而夏季的總云量逐漸減少到全年最低值。Chan and Comiso（2013）的研究表明該區(qū)域在冬季期間海冰覆蓋量較小，即開闊水域的水分通量相對較大，且斯堪的納維亞半島上空存在的大氣阻塞型環(huán)流和異常強(qiáng)烈的冰島低壓，產(chǎn)生了較為明顯的西南氣流，向極地經(jīng)向水汽輸送較強(qiáng)（Johansson et al., 2017），故此區(qū)域可以維持較大的總云量。進(jìn)入春季，加拿大群島、波弗特海以及東西伯利亞海區(qū)域的云量有所增加，其原因考慮為春季阿拉斯加南部附近的低壓系統(tǒng)將阿拉斯加灣的水汽輸送到北冰洋上（Johansson et al., 2017）。夏季部分地區(qū)總云量有所增加，喀拉?！破婧^(qū)域云量增加至75%，但挪威海和巴倫支海區(qū)域的云量卻減少至80%左右。

圖3 2006～2010 年北極地區(qū)總云量季節(jié)分布：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig. 3 Seasonal distribution of the total cloud amount in the Arctic from 2006 to 2010: (a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

秋季是北極地區(qū)總云量最多的季節(jié)，且喀拉?！破婧＃?6°N～90°N，60°E～160°W）區(qū)域增加幅度較明顯，Johansson et al.（2017）和唐雅慧等（2020）的研究中也觀察到這一現(xiàn)象。研究表明海氣溫差在很大程度上控制著海洋—大氣界面處的湍流熱交換和水分交換，影響海洋—大氣邊界層結(jié)構(gòu)（Zhang et al., 2020）。圖4 顯示從夏季到秋季（圖4b、4c），該區(qū)域的海氣溫差不斷增大，大氣不穩(wěn)定度增加，抬升作用增強(qiáng)有利于成云。其次，從東部到西部海表面中心氣壓逐漸減小，輻合產(chǎn)生的上升運(yùn)動可以到達(dá)對流層中部（Zhang et al.,2020），有利于將洋面的暖濕空氣輸送到高層凝結(jié)成云。另外，水汽也是成云的重要原因。秋季，此海域900 hPa 處的相對濕度（圖中未顯示）為全年最大，約為86%。在大多數(shù)邊界層中，表面潛熱通量是提供水分的主要來源，是邊界層內(nèi)最重要的動態(tài)過程之一（Wood, 2012）。其中，表面感熱通量負(fù)值表示因湍流空氣運(yùn)動的影響地球表面向大氣的熱傳遞（但不包括冷凝或蒸發(fā)產(chǎn)生的熱傳遞）。表面潛熱通量由水相變化產(chǎn)生，如蒸發(fā)或冷凝向大氣傳遞的熱量。從圖5c 可以看出，秋季此海域的向上表面潛熱通量不斷增大，說明海面蒸發(fā)不斷增大，向高空輸送水汽，邊界層中相對濕度增大。與此同時(shí)，向上的表面感熱通量在秋季也有不斷增大的趨勢。相關(guān)研究表明，表面感熱通量增強(qiáng)引起的風(fēng)在地面附近輻合可以對局部區(qū)域產(chǎn)生額外的貢獻(xiàn)導(dǎo)致云量增加（Harrington and Olsson, 2001; Zhang et al., 2020）。相對較大的海氣溫差和表面潛熱通量表明邊界層上升運(yùn)動較強(qiáng)且相對濕度大，有利于云的形成和維持，是秋季此區(qū)域云量較大的原因。

圖4 2006～2010 年北極喀拉?！破婧^(qū)域海表面氣壓（黑線實(shí)線，單位：hPa）和海氣溫差（填色，單位：K）季節(jié)分布：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig. 4 Seasonal distribution of sea surface pressure (black solid line, units: hPa) and sea temperature difference (shaded, units: K) in the Arctic Kara Sea-Chukchi Sea region from 2006 to 2010: (a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

圖5 2006～2010 年北極喀拉?！破婧^(qū)域表面潛熱通量（黑色實(shí)線，向上為負(fù)值，單位：kJ/m2）和表面感熱通量（填色，向上為負(fù)值，單位：kJ/m2）季節(jié)分布：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig. 5 Seasonal distribution of surface latent heat flux (black solid line, units: kJ/m2) and surface sensible heat flux (shaded, units: kJ/m2) in the Arctic Kara Sea-Chukchi Sea region from 2006 to 2010: (a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

4.2 挪威?！蛡愔Ш^(qū)Sc 季節(jié)變化及影響因子

由于北極地區(qū)分云量中Sc 云量最大，本小節(jié)將著重分析Sc。由圖6 可知，從冬季到春季，喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海、波弗特海及加拿大北極群島區(qū)域的Sc 云量有所增加；夏季大部地區(qū)（圖6b）有所減少；而秋季（圖6c）是Sc 云量最多的季節(jié)，其中喀拉?！破婧^(qū)域增加幅度較為明顯。此外，挪威?！蛡愔Ш^(qū)全年幾乎以Sc 為主導(dǎo)，所以重點(diǎn)分析該海域Sc 云量分布、季節(jié)變化和形成機(jī)制。

圖6 2006～2010 年北極地區(qū)Sc 云量季節(jié)分布：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig. 6 Seasonal distribution of cloud amount of Sc in the Arctic from 2006 to 2010: (a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

研究表明，影響北極Sc 形成的因素可歸結(jié)為水汽、地表通量影響大氣邊界層的混合程度或輻射冷卻（Persson et al., 2002; Klein et al., 2009; Pithan et al., 2018），此類形成機(jī)制可能在開闊水域占主導(dǎo)地位（Persson et al., 2002）。此外，Sc 屬于典型的邊界層云，常會伴隨逆溫出現(xiàn)。文獻(xiàn)研究表明，北極地區(qū)冬季發(fā)生逆溫的頻率及強(qiáng)度遠(yuǎn)大于夏季，但開闊水域邊界層逆溫強(qiáng)度相較于密集冰區(qū)要弱一些（程剛等, 2013; 田忠翔等, 2021）。因此北極出現(xiàn)Sc 云時(shí)伴隨有大氣逆溫，且冬季逆溫出現(xiàn)頻率及強(qiáng)度較高，這可能是Sc 云量較多的原因之一。但北極邊界層逆溫的成因復(fù)雜，且多以航道觀測為主，時(shí)空連續(xù)性較差（田忠翔等, 2021）。雖然大氣再分析數(shù)據(jù)在時(shí)空連續(xù)性和大氣參數(shù)種類方面具有顯著優(yōu)勢，但其在該地區(qū)的邊界層表現(xiàn)較差（Lüpkes et al., 2010; Graham et al., 2017）。因此本文多考慮從低層穩(wěn)定性、表面潛（感）熱通量、相對濕度以及海表面氣壓等方面分析討論Sc 云的形成原因。首先，水汽是形成Sc 的重要因素，其中900 hPa 高度處的相對濕度和Sc 云量呈較好的正相關(guān)關(guān)系（表1）。相較于其他季節(jié)，夏季的相對濕度（圖7）為全年最小，僅為73%。其次，感熱、潛熱通量大小和Sc 云量的相關(guān)性最大可達(dá)0.55、0.54，亦是決定Sc 云量多寡的因素之一。圖8 表明該海域夏季向上的潛熱和感熱通量都比較小，原因可能是在春秋冬季低緯度地區(qū)會向北極地區(qū)輸送大量暖濕空氣（Pithan et al., 2014）。另外, 海洋上空在寒冷季節(jié)冷空氣爆發(fā)期間，風(fēng)速會進(jìn)一步加大表面熱通量，向上的潛（感）熱通量會使混合層失穩(wěn)，從而促進(jìn)更劇烈的大氣混合，即無冰海表面會向更冷的空氣釋放大量的熱量和水分（Pithan et al.,2014），有利于形成和維持秋冬季節(jié)Sc 云量。

圖7 2006～2010 年北極挪威海—巴倫支海區(qū)900 hPa 相對濕度和Sc 云量季節(jié)變化Fig. 7 Seasonal variation in 900-hPa relative humidity and the amount of Sc in the Arctic Norwegian Sea-Barents Sea area from 2006 to 2010

圖8 2006～2010 年北極挪威?！蛡愔Ш^(qū)向上表面潛熱通量、向上表面感熱通量和Sc 云量季節(jié)變化Fig. 8 Seasonal variation in surface latent (sensible) heat flux and the cover of Sc on the upward surface of the Arctic Norwegian Sea-Barents Sea area from 2006 to 2010

表1 北極挪威?！蛡愔Ш^(qū)Sc 云量和各物理量之間的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between the cover of Sc and the physical quantities in the Arctic Norwegian Sea-Barents Sea

在確定海洋層積云量方面多采用低層穩(wěn)定度進(jìn)行衡量，低層穩(wěn)定度定義為不同高度位溫與海平面位溫的差值（Klein et al., 2009）（如，700 hPa 低層穩(wěn)定度為700 hPa 高度的位溫和海平面位溫的差值）。北極大部分地區(qū)冬季低層穩(wěn)定度較大，層結(jié)較穩(wěn)定是因?yàn)楸睒O寒冷季節(jié)大部分地區(qū)和海面被較厚的冰面所覆蓋，冰雪下墊面反射率高和輻射冷卻效應(yīng)造成邊界層出現(xiàn)強(qiáng)逆溫；夏季氣溫回升，這些地區(qū)冰雪覆蓋率減小，?！?dú)庀嗷プ饔玫膭恿蜔崃斔图訌?qiáng)，因而低層穩(wěn)定度較?。ū辶指? 2016）。值得注意的是，亦有研究表明在沒有或較少冰面覆蓋的海區(qū)會出現(xiàn)與上述相反的結(jié)果（Graversen et al., 2008）。本文所研究的挪威海—巴倫支海區(qū)域全年幾乎沒有海冰覆蓋，出現(xiàn)了夏季大氣層結(jié)較穩(wěn)定的現(xiàn)象。卞林根等（2016）的研究表明低層穩(wěn)定度和邊界層高度存在一定的相關(guān)性，即邊界層越低，低層穩(wěn)定度越大。夏季大量的太陽輻射儲存于海洋中，海洋的比熱容較大，升溫較慢，海表面與大氣間的溫差較?。▓D9），因而湍流熱輸送較弱，邊界層高度為一年中最低值（張宏昇等, 2020）。秋冬寒冷季節(jié)，較暖的海水直接暴露在相對較冷空氣中，導(dǎo)致較大的海氣溫差，從而產(chǎn)生強(qiáng)對流，其引起的湍流渦旋使海表面向大氣輸送大量的感熱和潛熱通量（李響, 2008）；另一方面，大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流以及深層海洋暖水的輸送，源源不斷地為海表面提供熱量，持續(xù)向大氣釋放熱量（朱芳澤, 2017），此時(shí)邊界層高度達(dá)到一年中的最高值（圖10）。綜上所述，相較于其他季節(jié)，該海域夏季大氣和海洋是弱耦合的（Boisvert et al.,2015; Sotiropoulou et al., 2016），嚴(yán)重阻礙大氣與海洋之間的水汽和能量交換，因而夏季低層穩(wěn)定度較大，層結(jié)穩(wěn)定。

圖10 2006～2010 年北極挪威?！蛡愔Ш^(qū)邊界層高度、Sc 云頂高度和Sc 云厚季節(jié)變化Fig. 10 Seasonal variation in the boundary layer height, top height, and thickness of Sc in the Arctic Norwegian Sea-Barents Sea from 2006 to 2010

表1 顯示該地區(qū)低層穩(wěn)定度與Sc 云量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即夏季低層穩(wěn)定度越高，Sc 云量越少，此現(xiàn)象與其他地區(qū)有明顯差異。例如加利福尼亞以及秘魯海域，低層穩(wěn)定度與云量呈正相關(guān)關(guān)系，夏季海面上的大氣層結(jié)較穩(wěn)定，對流作用不強(qiáng)，有利于Sc 的生成與維持。雖然Barton et al.（2012）、Taylor et al.（2015）和Morrison et al.（2018）的研究認(rèn)為北極地區(qū)的低云對低層穩(wěn)定度是敏感的，且低層穩(wěn)定度與低云量呈負(fù)相關(guān)，但他們的研究是以穩(wěn)定度為標(biāo)準(zhǔn)將北極地區(qū)進(jìn)行劃分，云量在不同穩(wěn)定度區(qū)域中對比后發(fā)現(xiàn)低層穩(wěn)定度較大的區(qū)域云量較少；或者在對比海冰覆蓋區(qū)域和無冰海域的低層穩(wěn)定度差異后，發(fā)現(xiàn)無冰海域上低層穩(wěn)定度較小，Sc 云量較多。與上述不同的是，本文研究的是常年無海冰覆蓋的挪威?！蛡愔Ш^(qū)域穩(wěn)定度季節(jié)變化與云量變化之間的關(guān)系。對比中國南方地區(qū)發(fā)現(xiàn)，中國南方Sc 出現(xiàn)頻率在夏季最小，因?yàn)橄募緦α鬟^強(qiáng)，層結(jié)極不穩(wěn)定（高翠翠等, 2017）；而北極Sc 形成于穩(wěn)定的大氣層，則需要通過一定的強(qiáng)迫抬升達(dá)到飽和（Simpfendoerfer et al., 2019），而低層穩(wěn)定度減小正好表明存在大范圍的上升運(yùn)動或向上熱通量造成的混合，為Sc 的形成提供了必要的條件。前文分析表明，在秋冬季，因?yàn)楹Ｑ蟊却髿鉁嘏?，在開闊水面上的大氣幾乎是飽和的；與此同時(shí)，晚秋期間向上的潛熱、感熱通量在開放的水面上不斷增大（Boisvert et al., 2015; Boisvert and Stroeve, 2015），其造成了低層穩(wěn)定度減?。˙oisvert et al., 2015），促進(jìn)了開放水域上Sc 的形成。此外，從表1 中發(fā)現(xiàn)，950 hPa 低層穩(wěn)定度與Sc 云量的負(fù)相關(guān)性較好，冬季兩者相關(guān)性可達(dá)到-0.68，表明Sc 云底高度以下的低層穩(wěn)定度能更好地決定Sc 的云量。此海域Sc 的形成除水汽、穩(wěn)定度因素外，還存在另外一個(gè)動力因素的影響。從圖9 所表示的海平面氣壓分布圖可知，除夏季外，此海域均出現(xiàn)一個(gè)明顯的低壓中心。在低壓環(huán)流系統(tǒng)背景下所產(chǎn)生的向上運(yùn)動有利于將濕空氣輸送到高層大氣，并在到達(dá)凝結(jié)高度后成云（Zhang et al.,2020）。綜上所述，影響挪威?！蛡愔ШＳ騍c形成的因素可歸結(jié)為較大的向上表面潛（感）熱通量帶來良好的水汽條件以及邊界層弱不穩(wěn)定環(huán)境，以及低壓系統(tǒng)帶來的上升運(yùn)動動力條件。

圖9 2006～2010 年北極挪威海—巴倫支海區(qū)域季海表面氣壓（黑線實(shí)線；單位：hPa）和海氣溫差（彩色，單位：K）季節(jié)分布：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig. 9 Seasonal distribution of sea surface pressure (black solid line, units: hPa) and sea temperature difference (shaded, units: K) in the Arctic Norwegian Sea-Barents Sea area from 2006 to 2010: (a) Spring; (b) summer; (c) autumn; (d) winter

根據(jù)圖10 表示的Sc 云頂高度季節(jié)變化分析可知，此海域夏季Sc 云頂高度較低，僅1 km 左右，而冬季可達(dá)到1.2 km 以上，且云頂高度均略高于邊界層高度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Sc 云頂高度季節(jié)變化趨勢與邊界層高度變化趨勢相同。其原因考慮為夏季向上的熱通量較小，水汽不充足；另外大氣較為穩(wěn)定（圖11），且低壓中心東移出此海域，未形成明顯低壓區(qū)，故抬升作用不強(qiáng)。此外，云厚度隨季節(jié)變化的趨勢也與云頂高度的變化趨勢一致，云頂較高的云層較厚，而薄云的云頂高度相對較低，即夏季云厚度最小，約為0.5 km；冬季最大，最大值約為1 km。

圖11 2006～2010 年北極挪威海—巴倫支海區(qū)不同高度低層穩(wěn)定度（LST）和Sc 云量季節(jié)變化Fig. 11 Seasonal variation in the lower tropospheric stability (LST) at different heights and cloud amounts of Sc in the Arctic Norwegian Sea-Barents Sea from 2006 to 2010

5 結(jié)論與討論

本文使用2006 年6 月至2010 年12 月的CloudSat和CALIPSO 衛(wèi)星合成的二級云產(chǎn)品反演資料以及ERA5 月平均再分析資料，初步分析了北極地區(qū)各類云云量區(qū)域分布特征、季節(jié)分布特征以及挪威海—巴倫支海域Sc 云量季節(jié)變化影響因子。主要結(jié)論如下：

（1）總云量大值區(qū)主要位于挪威海—巴倫支海區(qū)域的海面上，可以達(dá)到90%以上，北冰洋主體部分、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海以及楚科奇海附近海區(qū)總云量占70%左右。另外，北極地區(qū)分布著大量的Sc，主要分布于挪威海—巴倫支海區(qū)，冬春秋季節(jié)更為明顯。從冬季到春季，喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海、波弗特海及加拿大北極群島海域的Sc 云量有所增加；夏季大部地區(qū)Sc 云量有所下降；而秋季大部地區(qū)有所增加，較其它季節(jié)為最大。

（2）秋季是北極地區(qū)全年中總云量最多的季節(jié)，且喀拉海—楚科奇海區(qū)域（66°N～90°N，60°E～160°W）云量增加幅度較為明顯，相對較大的海氣溫差、表面潛熱通量造成邊界層上升運(yùn)動較強(qiáng)且相對濕度大，有利于云的形成和維持。

（3）挪威海—巴倫支海域（66°N～90°N，20°W～60°E）低層穩(wěn)定度與Sc 云量呈負(fù)相關(guān)，即當(dāng)夏季低層氣層穩(wěn)定度越大，Sc 云量越少，此現(xiàn)象與熱帶、中緯度等地區(qū)相反。北極全年均為穩(wěn)定的大氣層，Sc 的形成需要通過強(qiáng)迫抬升達(dá)到飽和，而低層穩(wěn)定度下降正好表明存在大范圍的上升運(yùn)動。因此，影響此海域Sc 形成因素可歸結(jié)為開闊的海洋通過地表—大氣耦合、熱量和濕度的湍流表面通量降低低層穩(wěn)定性，促進(jìn)層積云的形成。