張玉軒 呂巧誼 鄭 輝 江慧遠

福建省及周邊地區(qū)云類型的主動衛(wèi)星檢測*

張玉軒1,2呂巧誼1,2鄭 輝1,2江慧遠3

（1.廈門市氣象臺，廈門市氣象局，福建 廈門 361012，2.海峽氣象開放實驗室，廈門市氣象局，福建 廈門 361012，3. 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044）

利用CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星融合云分類產(chǎn)品2B-CLDCLASS-LIDAR 2007-2010年觀測資料，研究福建省及周邊地區(qū)云系的構(gòu)成、發(fā)生頻率、垂直結(jié)構(gòu)特征。研究結(jié)果表明，云系的層數(shù)以一層為主，且其發(fā)生頻率約是雙層云系統(tǒng)的2倍或多層云系統(tǒng)的4倍。在單層狀態(tài)下，層積云、高積云和高云是主導(dǎo)云類型，在全年的占比之和達70.8%。而在雙層狀態(tài)下，這三種云類型相互重疊出現(xiàn)的情況也最頻繁。與雙層云系統(tǒng)和三層云系統(tǒng)相比，單層云系統(tǒng)的云底高度或云頂高度均要高于它們的最底層云或最上層云。此外，由于各季節(jié)的主導(dǎo)云類型不同，云系的垂直結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，表現(xiàn)為夏季云分數(shù)廓線在15.5km處達到峰值，而冬季則在3.5km處達到峰值。

福建省及周邊地區(qū) 不同云類型 發(fā)生頻率 垂直云結(jié)構(gòu) 主動衛(wèi)星

1 概述

一些模式的模擬研究指出：不同模式對云宏、微觀物理特性的描述差異會直接導(dǎo)致模擬結(jié)果存在很大差異，從而使得云成為影響氣候變化預(yù)測準確性的重要因子。大量研究根據(jù)云的宏、微觀物理特性對云進行了分類，譬如：中國云圖分類標準和國際衛(wèi)星云氣候計劃（ISCCP）將云劃分為卷云、高層云、高積云等類型。研究結(jié)果表明，不同類型的云受其宏觀和微觀物理特性差異的影響，在輻射效應(yīng)和降水類型等方面存在明顯的差異。因此，研究不同云類型對于準確理解地氣系統(tǒng)輻射能量收支、降雨的分布，以及全球氣候變暖等問題都具有重要意義。

過去，氣象觀測站基于傳統(tǒng)觀測方式獲取的云量、云高和云狀等數(shù)據(jù)在精度方面存在較大不確定性，并且資料的空間分辨率也較差。衛(wèi)星上搭載的被動遙感儀器雖然一定程度上解決了氣象觀測站空間分布稀疏的局限，但其接收的云頂輻射信息仍難以準確反演云層的垂直結(jié)構(gòu)特征。直至2006年，CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星成功發(fā)射，其搭載的主動遙感儀器實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)云層垂直結(jié)構(gòu)的觀測。由于這兩顆衛(wèi)星運行軌道一致且過境同一地點的時間間隔很短，它們的觀測資料能夠融合互補，為研究全球云層三維結(jié)構(gòu)提供重要的數(shù)據(jù)支持。目前，該衛(wèi)星產(chǎn)品也已被廣泛應(yīng)用于云層垂直結(jié)構(gòu)分析和云微物理特性廓線反演等相關(guān)研究中。

福建省及周邊地區(qū)地處亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，山丘多，平原少。在這種特殊的氣候和下墊面條件下，全年和各個季節(jié)盛行什么類型的云，以及它們的垂直結(jié)構(gòu)特征如何，仍缺乏足夠的認識。為此，本文利用主動衛(wèi)星觀測資料分析福建省及周邊地區(qū)不同云類型的發(fā)生頻率及其垂直結(jié)構(gòu)特征。研究結(jié)果將有助于完善福建省及周邊地區(qū)的氣候分析，并且對人工增雨作業(yè)的開展有一定的參考意義。

2 數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文主要使用CloudSat和CALIPSO兩顆衛(wèi)星觀測資料融合反演的云分類產(chǎn)品2B-CLDCLASS-LIDAR。該產(chǎn)品結(jié)合了星載毫米波云雷達（CPR）與激光雷達（CALIOP）各自的探測優(yōu)勢，使CloudSat無法探測到的光學(xué)薄云和CALIPSO無法穿透的光學(xué)厚云能被同時探測到，因而能提供大氣中較為完整和準確的云垂直分布信息。該產(chǎn)品結(jié)合了主動遙感裝置（云雷達和激光雷達）的有效垂直檢測和其他被動遙感儀器（如紅外或微波輻射計）的輔助測量來對云進行分類。在反演云類型的過程中，采用了閥值與模糊理論分類方法，將云分為高云、高層云、高積云、層云、層積云、積云、雨層云和深對流云等8種云類型。表1給出了在本文中該產(chǎn)品所選取的時間跨度及參數(shù)。

表1 研究所用數(shù)據(jù)的名稱、選取的時間跨度及參數(shù)

2.2 研究方法

選取23°~29°N，115°~121°E的區(qū)域作為研究區(qū)域，見圖1。選取了2007年1月至2010年12月過境的衛(wèi)星軌道資料開展研究。不同序號軌道帶上的衛(wèi)星軌道數(shù)量約59~71，而觀測廓線數(shù)量則可達4萬多條（見表2）。其次，將云層數(shù)為1、2或3的觀測廓線分別歸為單層云系統(tǒng)、雙層云和三層云系統(tǒng)，而云層數(shù)大于或等于3時歸為多層云系統(tǒng)。進一步，根據(jù)云類型參數(shù)，將單層云系統(tǒng)和雙層云系統(tǒng)分為高云、高層云、高積云、層云、層積云、積云、雨層云和深對流云等8種類型及其組合。最后，根據(jù)云頂高度和云底高度等參數(shù)，深入分析福建省及周邊地區(qū)云系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)特征。值得說明的是，根據(jù)福建的地理位置和天氣氣候的演變規(guī)律，本文將福建自然天氣季節(jié)劃分為：3~6月為春季、7~9月為夏季、10~11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。

圖1 CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星過境中國福建省及周邊地區(qū)( 23°-29°N，115°-121°E)的地面軌跡（黑色虛線為福建省省界，而灰色線為衛(wèi)星地面軌跡）

表2 不同衛(wèi)星軌道的軌數(shù)及觀測廓線數(shù)量

3 分析結(jié)果

3.1 不同類型云系統(tǒng)的發(fā)生頻率

根據(jù)李積明等的定義，統(tǒng)計了單層云系統(tǒng)、雙層云系統(tǒng)和多層云系統(tǒng)的發(fā)生頻率，即觀測到的單層云系統(tǒng)（雙層云系統(tǒng)或多層云系統(tǒng)）的廓線數(shù)量與廓線總數(shù)的比值（見表3）?？梢钥吹?，單層云系統(tǒng)全年41.7%的發(fā)生頻率約是雙層云系統(tǒng)（21.7%）的2倍或者多層云系統(tǒng)（9.8%）的4倍。在不同季節(jié)條件下也有相似結(jié)果，即單層云系統(tǒng)遠高于雙層和多層云系統(tǒng)。這可能與研究區(qū)域的地形地勢、海陸差異以及臺風有關(guān)。此外，單層云系統(tǒng)發(fā)生頻率的季節(jié)差異小于雙層云系統(tǒng)和多層云系統(tǒng)。在冬季和春季，單層云系統(tǒng)的發(fā)生頻率差異最大，但僅為2.6%，而雙層、多層云系統(tǒng)的冬春差異則分別為12%和11.5%。值得注意的是，單層云系統(tǒng)發(fā)生頻率表現(xiàn)為春季最低（40.8%）和冬季最高（43.4%），而雙層、多層云系統(tǒng)則表現(xiàn)為春季最高（28.1%和15.3%）和冬季最低（16.1%和3.8%）。這表明，季節(jié)間熱動力條件、水汽條件甚至氣溶膠的差異將能影響云層的重疊情況。

表3 單層云系統(tǒng)、雙層云系統(tǒng)以及多層云系統(tǒng)的全年和四季發(fā)生頻率

3.2 單層云系統(tǒng)中不同云類型的占比

圖2為單層云系統(tǒng)中8種不同云類型（包括高云、高層云、高積云、層云、層積云、積云、雨層云和深對流云）所占的比例的統(tǒng)計結(jié)果。就全年而言，層積云（26.9%）、高積云（24.2%）、高云（19.7%）和積云（10.7%）占單層云系統(tǒng)的比重達81.5%，表明它們是構(gòu)成福建省及周邊地區(qū)單層云系統(tǒng)的主要云類型。就季節(jié)而言，高云在夏季占比最大（45.3%），夏季地表受日照強烈加熱影響，極易在近地層形成絕對不穩(wěn)定層結(jié)，有利于云頂高度較高的高云發(fā)生。深對流云在春季比重最大（7.3%），福建春季常出現(xiàn)冰雹等強對流天氣過程，有利于深對流云發(fā)生。此外，高積云在春季、秋季和冬季的比重都超過20%，特別是冬季的比重達33.2%，這與王帥輝等人的研究結(jié)論相一致。福建省及周邊地區(qū)秋季和冬季存在的大量單層形式的層積云，比重均超過30%，這也與安潔的研究結(jié)論相似。

圖2 不同季節(jié)，單層云系統(tǒng)中不同云類型所占比重

3.3 雙層云系統(tǒng)中不同云類型組合的樣本數(shù)

圖3為雙層云系統(tǒng)中8種云類型相互重疊情況出現(xiàn)頻次的統(tǒng)計結(jié)果。可以看到，一些搭配組合在真實大氣中是不存在的。例如，層積云并不會出現(xiàn)在高云的上層。高云/高積云、高云/層積云、高積云/層積云樣本數(shù)量遠大于其他雙層云類型，是構(gòu)成研究區(qū)域雙層云系統(tǒng)的主導(dǎo)云類型。這可能是因為層積云、高積云和高云在單層狀態(tài)下大量存在，其彼此間更容易重疊出現(xiàn)。高云所在大氣高度較高，底層有更大的垂直大氣空間留給其他云類型發(fā)生發(fā)展，可以看到高云與不同云類型重疊的情況發(fā)生較為頻繁。在不同季節(jié)，福建省及周邊地區(qū)主導(dǎo)的雙層云類型存在一定差異，高云/高積云和高云/層積云兩種雙層云類型在春季和夏季占主導(dǎo)地位，但在秋季和冬季，相比其他雙層云類型出現(xiàn)概率不高；高積云/層積云在秋季和冬季出現(xiàn)概率高，但在春季和夏季則較低。

圖3 不同季節(jié)，雙層云類型在不同組合條件下的樣本數(shù)量

3.4 云分數(shù)剖面結(jié)構(gòu)

作為云層宏微觀物理特性的重要參數(shù)，不同類型云系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)特征需進一步分析。圖4分別給出了過境軌道上的云分數(shù)剖面結(jié)構(gòu)，軌道2、3、6和7收集到了福建省內(nèi)云層垂直結(jié)構(gòu)的寶貴信息。軌道2沿著福建省最南部漳州市橫穿至最北部南平市，可以看到漳州市云分數(shù)超過10%的面積集中出現(xiàn)在對流層上層12~17km范圍內(nèi)，這可能與其東南部海域?qū)α鲗痈邔哟蠓秶?2.5~17km）的云分數(shù)高值區(qū)（超過20%）有關(guān)。隨著緯度向北，對流層各個位置出現(xiàn)云層的概率增大。在福建省北部，7.5km以下云層的出現(xiàn)概率均超過20%，表明研究區(qū)域可能盛行中低云系統(tǒng)。這種差異可能受福建省特殊地形影響，福建省以山地丘陵為主，地勢呈現(xiàn)西北高、東南低的特點，地形引起的動力抬升和充沛的水汽供給有利于促進云層在低層大氣形成并向上發(fā)展。軌道3、6和7的云分數(shù)剖面圖也進一步證實該結(jié)論，可以看到福建省東南部云分數(shù)高值區(qū)出現(xiàn)在2.5km附近的低層大氣，而北部云分數(shù)高值區(qū)垂直覆蓋范圍較大，可向上延伸至12.5km附近（見軌道6）。

圖4 衛(wèi)星過境軌道上對應(yīng)的云分數(shù)剖面結(jié)構(gòu)

3.5 云分數(shù)垂直分布

圖5為云分數(shù)廓線全年及季節(jié)平均的統(tǒng)計結(jié)果。就年平均而言，云分數(shù)廓線呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，分別在2.25km和12.25km達到峰值，且雙峰間10km垂直大氣柱內(nèi)云分數(shù)均較大。這表明在福建省及周邊地區(qū)垂直大氣柱中云水資源豐富，各個高度云層形成的概率均較大。就季節(jié)平均而言，可以看到春季和夏季的云分數(shù)隨著高度增加均存在顯著的增加，分別約在12.25km和15.5km處達到最大值，主要是由于高云在春夏季有較高的發(fā)生頻率。而高積云、層云、層積云和積云等在冬季盛行且都有較低的云底高度。因此冬季節(jié)云分數(shù)廓線在3.5km處達到峰值后隨高度增加逐漸降低，且在7.5km以上大氣均表現(xiàn)為低于5%，遠小于春季和夏季。

圖5 云分數(shù)全年和各個季節(jié)平均的垂直廓線

3.6 不同類型云系統(tǒng)的云底和云頂高度

圖6為單層云系統(tǒng)、雙層云系統(tǒng)和三層云系統(tǒng)的云底高度和云頂高度全年及季節(jié)平均的統(tǒng)計結(jié)果。就全年平均而言，單層云系統(tǒng)的云底高度（4.1km）要高于雙層、三層云系統(tǒng)（2.7、2.3km），而其云頂高度（6.5km）則低于雙層、三層云系統(tǒng)（10.1km和12.2km）。就季節(jié)平均而言，單層云系統(tǒng)、雙層云系統(tǒng)和三層云系統(tǒng)各個云層的云底和云頂高度均表現(xiàn)為夏季最高，春秋次之，冬季最低。例如，單層云系統(tǒng)的云底和云頂高度在夏季分別高達6.8、9.8km，而在冬季則僅為2.5、3.9km，其夏冬季節(jié)差異可達4.3、5.9km。單層云系統(tǒng)、雙層云系統(tǒng)以及三層云系統(tǒng)的各云層均在春季和夏季有較大的厚度。

圖6 不同季節(jié)，單層云系統(tǒng)、雙層云系統(tǒng)以及三層云系統(tǒng)中各云層的云底和云頂高度平均值（柱子的底部和頂部分別代表云底和云頂高度平均值）

4 結(jié)論

（1）就全年而言，單層云系統(tǒng)發(fā)生頻率約為雙層云系統(tǒng)的兩倍以及多層云系統(tǒng)的4倍，表明單層云系統(tǒng)是福建省及周邊地區(qū)云系的主要構(gòu)成。而單層的層積云、高積云和高云的占比之和高達70.8%，表明其為單層云系統(tǒng)的主導(dǎo)云類型。并且，這三種云類型相互重疊組成的雙層云系統(tǒng)，即高云/高積云、高云/層積云和高積云/層積云也有最高的出現(xiàn)概率。就季節(jié)變化而言，單層云系統(tǒng)的最小和最大發(fā)生頻率分別出現(xiàn)在春季和冬季，而雙層以及多層云系統(tǒng)則相反。

（2）就全年而言，云分數(shù)廓線表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)，且云分數(shù)在雙峰之間10km范圍內(nèi)均較大，表明福建省及周邊地區(qū)在各大氣高度均有較豐富的云水資源。對比雙層云和三層云系統(tǒng)，單層云系統(tǒng)年均的云底高度和云頂高度分別高于和低于它們的最底層云和最上層云。就季節(jié)變化而言，夏季和冬季的云分數(shù)廓線的峰值所在高度有較大差異，分別為15.5km和3.5km。對于不同云層數(shù)目的云系統(tǒng)，各個云層的云底高度以及云頂高度也都表現(xiàn)為夏季最高而冬季最低。

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國家自然科學(xué)基金項目“熱帶氣旋不同強度變化下云特征及輻射效應(yīng)的衛(wèi)星檢測” （編號：41805028）；福建省氣象局青年科技專項“基于主動衛(wèi)星資料研究福建省不同類型云系統(tǒng)的發(fā)生頻率及云特征”（編號：2018Q02）；福建省氣象局新錄用研究生基層專項項目“云物理初始化在福建強降水數(shù)值預(yù)報中的影響研究”（編號：2019G04）。

呂巧誼，E-mail：414562004@qq.com。

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1673-8683(2020)01-0003-06