牛璽 馬曉燕 賈海靈

(1 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/中國氣象局 氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2 昆明市晉寧區(qū)氣象局，昆明 650000)

引 言

云是影響氣候變化的重要因子，在天氣分析、氣候變化以及全球變化中起著十分重要的作用[1]。大氣中云量的增加(減少)會(huì)引起地面太陽輻射的減少(增加)[2]，氣溶膠又可以通過成為云凝結(jié)核來影響云微物理特性[3]。云與氣溶膠相互作用是氣候系統(tǒng)最不確定的因素之一，也是當(dāng)前氣候研究和預(yù)測(cè)中的難點(diǎn)問題[4]。

大氣中云滴大小的不同，常常影響云的生成發(fā)展，在偏遠(yuǎn)的熱帶海洋中，云滴尺度較大，而在高度污染的大陸區(qū)域中的云滴尺度相對(duì)較小[5]。以液相單層云為研究對(duì)象，在液水路徑準(zhǔn)恒定的條件下，陸地和海洋具有相反的氣溶膠—云相關(guān)性，即，陸地上的云有效半徑與氣溶膠指數(shù)呈正相關(guān)，而海洋則為負(fù)相關(guān)[6-7]?？梢钥闯鲈婆c氣溶膠之間關(guān)系緊密，而不同類型的云對(duì)大氣的影響效益有所不同，深入研究各類云與氣溶膠之間的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)云與氣溶膠之間相互影響機(jī)制的探討有重要意義。

鑒于以往的衛(wèi)星被動(dòng)遙感和地面觀測(cè)提供的云垂直分布的信息非常有限，對(duì)云的高精度探測(cè)存在比較大的局限性，目前與云相關(guān)的諸多研究依舊存在著很大的不確定性[8]。太陽同步軌道氣象衛(wèi)星Cloudsat[9]所搭載94 GHz毫米波云觀測(cè)雷達(dá)的垂直分辨率較高，對(duì)云整體的垂直結(jié)構(gòu)的觀測(cè)更加清晰，提供了豐富的觀測(cè)資料[10]。目前利用該衛(wèi)星資料對(duì)云的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，從多角度去剖析大氣中云的特征和變化。云的垂直結(jié)構(gòu)以及垂直分布對(duì)大氣輻射的影響至關(guān)重要，可通過改變大氣的輻射分布影響大氣循環(huán)[11]。同時(shí)，全球氣候變化會(huì)引起云的調(diào)整，會(huì)影響云水含量和云滴有效半徑等云微物理特性的變化[12]。不同云型的結(jié)構(gòu)特征以及物理特性存在顯著差異，因而對(duì)氣候變化的影響不同，例如，低云冷卻，作為高云的卷云會(huì)導(dǎo)致增暖等[13]。因此更為細(xì)化，更加全面地去研究不同云類型的基本特性更重要，是研究云與氣溶膠之間相互影響機(jī)制的基礎(chǔ)。

目前的一些研究可以看到，LI，et al[14]研究不同云型的重疊現(xiàn)象以及云重疊系統(tǒng)的物理特征，發(fā)現(xiàn)高云，高層云，高積云和積云傾向于與其他云類型共存，能深入探討共存云型與大氣條件之間的關(guān)系；邱玉珺等[15]研究了中國北方兩個(gè)區(qū)域云的差異，發(fā)現(xiàn)北方東部暖云多出現(xiàn)在春季，而北方西部的暖云多出現(xiàn)在秋季；HUO，et al[16]和霍娟[17]分析了中國內(nèi)陸和同緯度遠(yuǎn)離陸地的太平洋地區(qū)卷云特征，發(fā)現(xiàn)卷云發(fā)生頻率出現(xiàn)多在夏季且海洋多于陸地；方樂鋅等[18]分析研究了全球不同類型云的垂直結(jié)構(gòu)的水平和垂直分布特征，發(fā)現(xiàn)海洋上云底高度較陸地低；楊冰韻等[19]、盧志賢等[20]，況祥等[21]研究了中國地區(qū)深對(duì)流云系的微物理特性，認(rèn)識(shí)深對(duì)流云系的發(fā)展過程。結(jié)合這些研究?jī)?nèi)容思考，從云本身出發(fā)探討云與氣溶膠之間的關(guān)系，可以先從不同云型的角度展開研究，因此本文先對(duì)不同云類型的發(fā)生頻率的分布及四季變化進(jìn)行初步研究。在云類型統(tǒng)計(jì)方面，Sassen，et al[22-24]采用算法對(duì)探測(cè)的回波處理進(jìn)而對(duì)探測(cè)到的云型進(jìn)行分類并初步分析各類云云量的全球分布，之后研究了卷云的物理特性和發(fā)生頻率的全球分布，并說明最大的卷云出現(xiàn)頻率集中在熱帶輻合帶和季風(fēng)活躍區(qū)域，還研究了熱帶地區(qū)的卷云和深對(duì)流云的分布與季節(jié)變化，探究熱帶地區(qū)卷云發(fā)展和深對(duì)流云發(fā)展之間的關(guān)系；王帥輝等[25]統(tǒng)計(jì)分析中國及周邊地區(qū)各類云云量的地理分布特征，發(fā)現(xiàn)卷云和深對(duì)流云系和旺盛對(duì)流活動(dòng)有關(guān)；鄭建宇等[26-27]統(tǒng)計(jì)了全球各類云的分布和季節(jié)變化，分析了形成各類云的大氣條件，指出大范圍上升運(yùn)動(dòng)所形成的層狀云主要包括卷云、高層云和雨層云等，而強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)常常和高云，積云以及對(duì)流云系有關(guān)。

云和氣溶膠之間的相互影響機(jī)制仍存在許多不清楚的地方，在一些地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度與云滴尺度之間存在相反的關(guān)系[6-7]。探討云與氣溶膠之間的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)云本身的研究至關(guān)重要，目前的研究工作大多是分析全球范圍內(nèi)不同云型的分布特征，這對(duì)全球氣候變化機(jī)制的研究能提供更多的幫助。相較于前人的研究，本文選取北半球人為氣溶膠排放嚴(yán)重的工業(yè)地區(qū)及其臨近海洋(大氣狀況較為清潔)的區(qū)域作為對(duì)比，利用更精細(xì)化的處理方式研究不同云型的時(shí)空特征以及海陸差異，以通過對(duì)比分析不同云型的分布特征和云型出現(xiàn)頻率的變化特征等，揭示在不同背景下(即氣溶膠污染和相對(duì)潔凈的條件下)，云型的分布和出現(xiàn)頻率的變化，為氣溶膠—云相互作用研究提供數(shù)據(jù)支撐。對(duì)北半球主要污染排放區(qū)主要云型分布特征的分析，不僅可以深入研究局地氣溶膠—云相互影響機(jī)制，還能提升區(qū)域氣候模式中云的參數(shù)化精度，提高模擬和評(píng)估云的氣候反饋?zhàn)饔玫木_度。

1 數(shù)據(jù)資料和研究?jī)?nèi)容

1.1 數(shù)據(jù)資料簡(jiǎn)介

云探測(cè)衛(wèi)星Cloudsat是A-Train衛(wèi)星觀測(cè)隊(duì)列的成員之一[9]，該衛(wèi)星搭載的CPR(Cloud Profile Radar)，該雷達(dá)為94 GHz 的毫米波雷達(dá)。衛(wèi)星每個(gè)軌道有36 383個(gè)星下像素點(diǎn)，星下點(diǎn)的沿軌分辨率為2.5 km，橫軌分辨率為1.4 km，垂直分辨率為500 m，垂直探測(cè)的高度大約30 km，每隔240 m獲得一個(gè)掃描數(shù)據(jù)，因此垂直方向獲得125個(gè)不同高度的數(shù)據(jù)[9-10]，對(duì)云的垂直廓線探測(cè)更加精細(xì)。

本文使用的數(shù)據(jù)為Cloudsat衛(wèi)星的二級(jí)產(chǎn)品2B-CLDCLASS-LIDAR。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品以軌道為單位存儲(chǔ)，包含總云層數(shù)CloudLayer和云層類型CloudLayerType等云分類的數(shù)據(jù)。CloudLayer為一維數(shù)組，包含N個(gè)元素，N是每條軌道所包含的總廓線數(shù)，數(shù)值為0～10，代表每條廓線中掃描到的云層總數(shù)。CloudLayerType為N×10的二維數(shù)組，代表每條探測(cè)廓線中所探測(cè)到的云層類別，數(shù)值為0～8：0代表無法確定、1為卷云、2為高層云、3為高積云、4為層云、5為層積云、6為積云、7為雨層云、8為深對(duì)流云。該數(shù)據(jù)是利用激光雷達(dá)和CPR探測(cè)數(shù)據(jù)得到更完整的云垂直結(jié)構(gòu)，其中CPR對(duì)混合相云中的冰粒更敏感，而激光雷達(dá)測(cè)量對(duì)混合相云中的液滴更敏感，因此結(jié)合CPR和CALIPSO激光雷達(dá)測(cè)量可提供更可靠的對(duì)云的探測(cè)。目前已有很多學(xué)者利用Cloudsat的產(chǎn)品和其他衛(wèi)星傳感器探測(cè)的云頂溫度以及云類等產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比和驗(yàn)證，說明了該觀測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和優(yōu)勢(shì)[28]。

1.2 研究?jī)?nèi)容及方法

自工業(yè)革命以來，人為氣溶膠排放大量增加。為了研究該類地區(qū)中不同云型的主要分布特征，本文選取北半球的三大氣溶膠排放地區(qū)即中國東部(EC)、美國東部(EU)和歐洲西部(WE)，同時(shí)選取其相鄰海洋(ECO、EUO、WEO)作對(duì)比研究，其中(圖1)中國東部及其鄰近海洋劃為EC-ECO區(qū)域(17°～41°N、104°～140°E)，美國東部及其鄰近海洋劃為EU-EUO區(qū)域(25°～46°N、91°～55°W)，歐洲西部及其鄰近海洋劃為WE-WEO區(qū)域(35°～60°N、29°W～27°E)。

圖1 北半球主要?dú)馊苣z排放區(qū)及鄰近海洋地理位置分布

本文選取的研究資料為Cloudsat衛(wèi)星二級(jí)產(chǎn)品2B-CLDCLASS-LIDAR(具體算法及物理意義參見http:∥www.cloudsat.cira.colostate.edu.html)，該資料中把探測(cè)到的云劃分為卷云(Ci)、高層云(As)、高積云(Ac)、層云(St)、層積云(Sc)、積云(Cu)、雨層云(Ns)和深對(duì)流云(DC)這8 類，考慮到多層云對(duì)氣候變化影響的復(fù)雜性，本文研究對(duì)象僅為單層云。選取2007年3月至2010年2月和2013年3月至2016年2月總8 a的樣本數(shù)據(jù)分析其中2010年3月至2013年2月期間的數(shù)據(jù)存在較長時(shí)間段的缺失，因此未納入統(tǒng)計(jì)分析。

對(duì)各類云發(fā)生頻率的空間分布采用1°×1°格點(diǎn)化方式處理，對(duì)格點(diǎn)內(nèi)云類分布的統(tǒng)計(jì)方法如下：

(1)

其中：T為每個(gè)季度經(jīng)過每個(gè)格點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的總廓線數(shù)；x、y分別代表格點(diǎn)的經(jīng)緯度；N(cloud)代表在該格點(diǎn)內(nèi)出現(xiàn)某一類單層云的總廓線數(shù)；N(total)代表在該格點(diǎn)內(nèi)出現(xiàn)所有單層云的總廓線數(shù)。

同時(shí)，將一個(gè)區(qū)域內(nèi)某一類單層云的總廓線數(shù)占所有單層云的總廓線的比值代表該區(qū)域內(nèi)某一類單層云的發(fā)生頻率，分析不同單層云發(fā)生頻率的海陸差異以及月變化。

2 不同單層云發(fā)生頻率的四季分布

2.1 高云

圖2所示為卷云(Ci)出現(xiàn)頻率分布的四季變化。卷云作為對(duì)流層中最高的云，因形成原因不同而有不同的類型，也與不同的天氣狀況相聯(lián)系，通常在夏季十分常見，預(yù)示著天氣晴朗，這與圖1中所示卷云夏季在出現(xiàn)得最多的現(xiàn)象相符。

EC-ECO區(qū)域春季的卷云出現(xiàn)頻率普遍在30%左右，主要出現(xiàn)在中國東部海洋以及北部陸地區(qū)域，高值區(qū)在陸地；夏季的卷云出現(xiàn)頻率最高，且高值區(qū)集中在整個(gè)東南部海洋區(qū)域，大部分地區(qū)出現(xiàn)頻率都在50%以上，近海地區(qū)出現(xiàn)頻率高達(dá)70%～90%之間；秋季卷云出現(xiàn)減少，大都出現(xiàn)在20°N附近的海洋區(qū)域，出現(xiàn)頻率在40%左右；冬季的卷云出現(xiàn)頻率最低，相對(duì)集中在中國東北部，在20°N的海洋上有少量的卷云出現(xiàn)。EU-EUO區(qū)域卷云的分布規(guī)律與EC-ECO區(qū)域類似。春季卷云普遍出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率在30%左右，少部分大于40%的高值區(qū)出現(xiàn)在美國東南部沿海；夏季的卷云高爆發(fā)出現(xiàn)，其出現(xiàn)頻率在40%以上的高值區(qū)大多都出現(xiàn)在美國東南部海洋區(qū)域，海洋上出現(xiàn)的卷云多于陸地上；秋季卷云的出現(xiàn)減少，較之春季還要少一些，相對(duì)在海洋上出現(xiàn)更多；冬季卷云的出現(xiàn)最少，集中出現(xiàn)在美國的南部沿海以及東部海洋區(qū)域。WE-WEO區(qū)域相比于前兩個(gè)區(qū)域不同的地方是在海洋上出現(xiàn)的卷云不多。全年歐洲西部的大西洋區(qū)域出現(xiàn)的卷云很少，只是在地中海區(qū)域出現(xiàn)的卷云較多且都存在高值區(qū)，出現(xiàn)頻率都在40%以上，卷云在陸地上的出現(xiàn)頻率為30%左右。夏季卷云出現(xiàn)最多，在地中海區(qū)域的高值區(qū)范圍最大；其次為秋春兩季；冬季出現(xiàn)的卷云最少。

整體上卷云的出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，多出現(xiàn)在中低緯的海洋區(qū)域，其中夏季為卷云高爆發(fā)的季節(jié)，其次為春秋兩季，冬季最低。卷云在EC-ECO和EU-EUO的海洋區(qū)域出現(xiàn)頻率最高可達(dá)90%以上，相較之下WE-WEO區(qū)域的卷云出現(xiàn)較少。前兩區(qū)域卷云的季節(jié)變化和分布特征比較相似，而WE-WEO區(qū)域卷云分布則有所不同，沒有在海洋上大量出現(xiàn)，這和不同緯度的大氣熱力條件差異有關(guān)。Sassen, et al[24]的研究發(fā)現(xiàn)卷云的分布主要集中于赤道輻合帶，可以看出越靠近赤道輻合帶近的低緯度區(qū)域，對(duì)流系統(tǒng)越旺盛，利于卷云的發(fā)展，這也和圖2中卷云的分布規(guī)律相符。除此之外，還能發(fā)現(xiàn)卷云在海陸交界處附近常常以較高的頻率出現(xiàn)，不論是中國東部沿海還是美國東部沿海區(qū)域，甚至在歐洲西部的地中海區(qū)域也存在這樣的規(guī)律，尤其是春夏兩季。這可能是因?yàn)橄募竞ｊ懙臒崃Σ町惣訌?qiáng)了大氣對(duì)流條件，從而使得卷云的發(fā)生更加旺盛。

圖2 單層云中卷云出現(xiàn)頻率分布的四季變化

2.2 中云

圖3所示為高層云(As)出現(xiàn)頻率分布的四季變化，高層云主要是由鋒面氣旋這樣的大范圍上升運(yùn)動(dòng)活動(dòng)形成廣大的層狀云[26]，多在中、高緯度地區(qū)出現(xiàn)。

圖3 單層云中高層云出現(xiàn)頻率分布的四季變化

EC-ECO區(qū)域，高層云的出現(xiàn)都集中在30°～40°N之間的區(qū)域，多出現(xiàn)于陸地上，相比之下30°N以南的區(qū)域高層云的出現(xiàn)很少。高層云的基本出現(xiàn)頻率在24%左右，而高頻率出現(xiàn)區(qū)域在春秋季節(jié)可以達(dá)到48%左右，夏季可以達(dá)到40%左右，而冬季高層云爆發(fā)多達(dá)56%左右。EU-EUO區(qū)域高層云多出現(xiàn)在陸地區(qū)域，整體出現(xiàn)頻率在8%～32%。在季節(jié)變化方面，高層云出現(xiàn)在冬季最多，出現(xiàn)頻率基本都在24%左右，其次為春季，夏秋兩季出現(xiàn)的高層云更少。WE-WEO區(qū)域高層云的出現(xiàn)特別廣泛，在整個(gè)區(qū)域都有出現(xiàn)。相對(duì)而言，春季高層云出現(xiàn)的高值區(qū)多在北海，波羅的海和地中海地區(qū)，出現(xiàn)頻率大都在16%～24%，其余地區(qū)的出現(xiàn)頻率都小于16%；夏秋兩季高層云出現(xiàn)較少，出現(xiàn)頻率基本在16%左右；冬季高層云的出現(xiàn)增多，高值區(qū)多出現(xiàn)于歐洲陸地區(qū)域及沿海地區(qū)，出現(xiàn)頻率達(dá)到24%以上。

3個(gè)區(qū)域的高層云大多都出現(xiàn)在陸地區(qū)域且高層云出現(xiàn)的高值區(qū)都在春冬兩季，其中高層云出現(xiàn)頻率在EC-ECO區(qū)域最大，EU-EUO區(qū)域次之，WE-WEO區(qū)域高層云的出現(xiàn)頻率和EU-EUO差不多，但區(qū)別于前兩個(gè)區(qū)域的是高層云在該區(qū)域出現(xiàn)的范圍廣，在近海區(qū)域出現(xiàn)相對(duì)較多。鄭建宇等[26]指出北半球東亞地區(qū)盛行東北季風(fēng)和西北季風(fēng)，使得中國北部大部分地區(qū)受到影響，頻繁的鋒面氣旋活動(dòng)所造成的大范圍的上升運(yùn)動(dòng)利于高層云的形成。因此高層云在EC-ECO北方地區(qū)全年出現(xiàn)得都比較多且在春冬季節(jié)爆發(fā)性出現(xiàn)，這和EC-ECO北方區(qū)域頻繁的鋒面氣旋活動(dòng)相關(guān)。而EU-EUO和WE-WEO區(qū)域的高層云在春冬季多出現(xiàn)，說明這兩個(gè)區(qū)域在春冬季節(jié)對(duì)流層氣流抬升作用較為頻繁，使得大氣中的暖濕氣流絕熱冷卻從而促使高層云的發(fā)展。

圖4是高積云(Ac)出現(xiàn)頻率分布的四季變化。EC-ECO區(qū)域中高積云出現(xiàn)頻率的高值區(qū)在南方陸地區(qū)域。春夏兩季高積云在陸地上的出現(xiàn)頻率都在30%左右，海洋區(qū)域的出現(xiàn)頻率為18%左右，其中春季高積云出現(xiàn)多在內(nèi)陸，夏季多偏向于沿海一帶；秋季高積云出現(xiàn)的高值區(qū)在南方陸地區(qū)域，出現(xiàn)頻率相對(duì)升高，基本在30%以上，最高出現(xiàn)頻率有50%以上；冬季高積云高值區(qū)的出現(xiàn)位置以及出現(xiàn)頻率和秋季差不多，但海洋區(qū)域出現(xiàn)的高積云增多，出現(xiàn)頻率在18%左右。EU-EUO區(qū)域高積云出現(xiàn)主要在陸地區(qū)域，總體出現(xiàn)相對(duì)較少，海洋上的高積云更少，零散分布在整個(gè)區(qū)域。春秋冬三季，高積云的主要出現(xiàn)在陸地區(qū)域，出現(xiàn)頻率大都在12%～18%；夏季為高積云相對(duì)出現(xiàn)得多的區(qū)域，出現(xiàn)頻率在18%左右，海洋的高積云較其他三季相對(duì)增多，但相比于陸地還是很少。WE-WEO區(qū)域高積云的出現(xiàn)分布和EU-EUO區(qū)域類似，主要出現(xiàn)在夏季且多在陸地區(qū)域。春季高積云主要出現(xiàn)在12°～24°E的陸地區(qū)域，出現(xiàn)頻率在18%左右；夏季高積云有一個(gè)突然的高爆發(fā)出現(xiàn)，分布在整個(gè)歐洲陸地區(qū)域，高值區(qū)在12°～24°E，出現(xiàn)頻率在30%以上，其余區(qū)域基本在12%以上；秋季高積云的出現(xiàn)銳減，大部分以18%左右的頻率出現(xiàn)在地中海區(qū)域；冬季高積云的出現(xiàn)相較前三季節(jié)，出現(xiàn)大大減少，出現(xiàn)的都是零星點(diǎn)點(diǎn)。

圖4 層云中高積云出現(xiàn)頻率分布的四季變化

高積云的分布特征很明顯，主要出現(xiàn)在陸地區(qū)域。王帥輝等[25]研究指出冬季高積云集中出現(xiàn)在中國南方地區(qū)，這和EC-ECO區(qū)域的高積云多出現(xiàn)在秋冬兩季的陸地區(qū)域的分布規(guī)律一樣。高積云多在陸地上出現(xiàn)，這和陸地的長波波動(dòng)有關(guān)，其導(dǎo)致的波狀運(yùn)動(dòng)有利于高積云的形成[26]。總體上可以看出高積云在夏季與冬季有明顯的差異。EC-ECO區(qū)域的高積云主要出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，相較而言EU-EUO和WE-WEO區(qū)域的高積云多出現(xiàn)在夏季。高積云常常與高層云和層積云等互相演變，因此高積云在夏冬兩季的差異還需更深入的研究。

2.3 低云

圖5所示為層云(St)出現(xiàn)頻率分布的四季變化。層云大多由暖濕空氣沿冷空氣斜坡緩慢滑升，絕熱冷卻后形成。由于CPR區(qū)分層云和層積云存在一定的困難，所以實(shí)際統(tǒng)計(jì)探測(cè)到的層云數(shù)據(jù)很少[22]。

圖5 單層云中層云出現(xiàn)頻率分布的四季變化

從圖中可看出，EC-ECO和EU-EUO兩區(qū)域全年的層云都出現(xiàn)得很少，每個(gè)季節(jié)都是零散地分布，后者出現(xiàn)的層云相對(duì)多于前者，少量的數(shù)據(jù)不足以分析層云的分布特性。WE-WEO區(qū)域?qū)映龅某霈F(xiàn)相對(duì)多一些，少部分地區(qū)最高出現(xiàn)頻率在12%～18%，全年保持在4%～10%。層云的分布較廣泛，大多在海洋區(qū)域。春夏兩季的層云分布相似，幾乎都出現(xiàn)在大西洋區(qū)域，且較高出現(xiàn)頻率區(qū)域都集中在35°～50°N；秋冬兩季層云分布相似，出現(xiàn)減少，分布在大西洋，北海以及波羅的海，出現(xiàn)頻率大都在4%～10%。

圖6所示為層積云(Sc)出現(xiàn)頻率分布的四季變化。層積云作為波狀云的一種，常受空氣擾動(dòng)所形成的波動(dòng)氣層的影響，而海洋上充足的水汽釋放常在低空造成大范圍擾動(dòng)，這和圖5中層積云多出現(xiàn)在海洋區(qū)域一致。

圖6 單層云中層積云出現(xiàn)頻率分布的四季變化

EC-ECO和EU-EUO兩區(qū)域?qū)臃e云的分布規(guī)律相似。夏季出現(xiàn)層積云最少，出現(xiàn)頻率僅為10%～30%；春秋兩季的層積云出現(xiàn)較多，相對(duì)來說EU-EUO區(qū)域?qū)臃e云出現(xiàn)的頻率更高且范圍更廣，出現(xiàn)頻率基本在20%以上，少部分高值區(qū)達(dá)到40%～70%；冬季的層積云出現(xiàn)最多，在海洋上爆發(fā)性出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率普遍在40%～70%，陸地上也有高值區(qū)，其值在60%～80%。WE-WEO區(qū)域?qū)臃e云充滿整個(gè)區(qū)域，全年在歐洲西部大西洋有大范圍的高值區(qū)，與其他兩個(gè)區(qū)域相同的地方是冬季層積云出現(xiàn)范圍最廣，不同的地方是WE-WEO夏季層積云的出現(xiàn)依舊很多，這是由于大西洋上充足的水汽潛熱釋放在低空造成擾動(dòng)有利于層積云的形成。全年層積云在海洋上基本都是40%～60%的出現(xiàn)頻率，陸地大都在20%～40%，其中夏季出現(xiàn)頻率大于60%的高值區(qū)出現(xiàn)在大西洋，在海洋上爆發(fā)性出現(xiàn)，冬季出現(xiàn)頻率大于40%的高值區(qū)最廣泛。

層積云在3個(gè)區(qū)域的分布都相對(duì)廣泛，且大都出現(xiàn)在海洋上，層積云在冬季呈現(xiàn)高出現(xiàn)頻率大范圍地出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率都在40%以上。EC-ECO區(qū)域和EU-EUO區(qū)域?qū)臃e云多出現(xiàn)在海洋上，在冬季爆發(fā)出現(xiàn)，春秋兩季次之，夏季出現(xiàn)最少；WE-WEO區(qū)域中的大西洋區(qū)域?yàn)閷臃e云頻繁出現(xiàn)的區(qū)域，該區(qū)域全年層積云的出現(xiàn)都保持在較高的出現(xiàn)頻率，夏季的出現(xiàn)相對(duì)更多。

層云和層積云的分布規(guī)律比較相似，主要集中在海洋區(qū)域且出現(xiàn)頻率大都高于陸地區(qū)域，這說明海洋上的動(dòng)力與熱力容易形成大規(guī)模的層狀云，即使出現(xiàn)頻次特別少的層云在WE-WEO區(qū)域中海洋上也具有這樣明顯的分布特征。鄭建宇等[26]研究指出層云和層積云在海洋上的云量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地上，再次說明海洋上的大氣狀況利于層狀云的發(fā)展。層積云在WE-WEO區(qū)域出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比EC-ECO和EU-EUO兩區(qū)域多，這是因?yàn)楦呔暥鹊拇笪餮蟮貐^(qū)的海洋熱力條件較太平洋地區(qū)弱，大氣動(dòng)力條件相對(duì)穩(wěn)定。大氣中的波狀運(yùn)動(dòng)所造成的擾動(dòng)使得暖濕氣流中的水汽凝結(jié)，從而更容易形成層積云，加之局地輻射冷卻的影響，總體上看來在WE-WEO區(qū)域的層積云的發(fā)生頻率高于其他兩個(gè)區(qū)域。

圖7是積云(Cu)出現(xiàn)頻率分布的四季變化。積云的發(fā)展常與不穩(wěn)定大氣中的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系，通常在比較潮濕的地區(qū)(如海洋上空和沿海地區(qū))出現(xiàn)，但偶爾也會(huì)在干燥地區(qū)出現(xiàn)，這與圖6中積云的出現(xiàn)頻率的分布相符合。

圖7 單層云中積云出現(xiàn)頻率分布的四季變化

EC-ECO區(qū)域中積云主要出現(xiàn)在海洋。春冬兩季積云多出現(xiàn)在17°～25°N的海洋，陸地上幾乎沒有積云出現(xiàn)，少部分高值區(qū)高達(dá)36%～48%；夏季積云分布較不連續(xù)，但出現(xiàn)的范圍增大，出現(xiàn)頻率在12%～36%；秋季積云出現(xiàn)最多，多出現(xiàn)在120°～140°E的海洋區(qū)域，出現(xiàn)頻率高達(dá)24%～48%。EU-EUO區(qū)域，積云也是主要出現(xiàn)在海洋上且較EC-ECO區(qū)域出現(xiàn)得更多，季節(jié)變化規(guī)律有一定相似的地方。春秋冬三季積云集中出現(xiàn)在25°～36°N的海洋區(qū)域，出現(xiàn)頻率達(dá)12%～42%，其中秋季出現(xiàn)最多，春冬兩季次之；夏季積云在海洋上大范圍出現(xiàn)，出現(xiàn)頻率在24%以上，陸地積云出現(xiàn)為全年最多。WE-WEO區(qū)域積云出現(xiàn)的范圍廣，相比之下仍然是出現(xiàn)在海洋上更多，少數(shù)的高值區(qū)多出現(xiàn)在地中海。春秋冬三季的積云分布規(guī)律相似，陸地上出現(xiàn)少，海洋上的高值區(qū)多在35°～40°N海洋上，出現(xiàn)頻率基本在6%～24%；夏季積云在地中海區(qū)域的高值區(qū)出現(xiàn)頻率高達(dá)30%～42%。

積云的出現(xiàn)頻次也比較高，多出現(xiàn)在EC-ECO和EU-EUO兩區(qū)域，且多出現(xiàn)在夏秋兩季。WE-WEO區(qū)域的積云出現(xiàn)頻率低但分布廣泛，全年分布的變化不大。積云的發(fā)生發(fā)展和卷云一樣需要強(qiáng)烈的熱對(duì)流，在大氣對(duì)流上升的過程中，常常伴隨積云的生成，因此高緯度地區(qū)熱量低，難以觸發(fā)熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)，積云出現(xiàn)比較少，而低緯度地區(qū)海洋區(qū)域熱量大，對(duì)流條件充沛，大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)更容易觸發(fā)積云。而且積云在EC-ECO和EU-EUO兩區(qū)域常年出現(xiàn)頻率較高，更加說明低緯度地區(qū)的熱對(duì)流常常觸發(fā)積云的生成。

2.4 深厚云系

圖8所示為雨層云出現(xiàn)頻率分布的四季變化。雨層云屬于厚云族，由暖濕空氣受到冷空氣緩慢抬升后發(fā)生絕熱冷卻凝結(jié)而成。雨層云多與高層云相聯(lián)系[26]，根據(jù)高層云出現(xiàn)頻率的季節(jié)分布可知，雨層云在冬季的出現(xiàn)頻率相對(duì)較高，夏季則相對(duì)較低，這與圖7中的雨層云季節(jié)變化相符。

圖8 單層云中雨層云出現(xiàn)頻率分布的四季變化

EC-ECO和EU-EUO兩區(qū)域雨層云在夏季出現(xiàn)最少，出現(xiàn)頻率大多在5%～15%；春秋兩季雨層云的分布差不多，主要出現(xiàn)在中北部地區(qū)，出現(xiàn)頻率基本在10%～20%；冬季雨層云出現(xiàn)的頻次增高，出現(xiàn)頻率在25%～35%的區(qū)域明顯增大。WE-WEO區(qū)域雨層云出現(xiàn)范圍最廣，出現(xiàn)頻次最多，海陸差異小，除了高值區(qū)之外區(qū)域出現(xiàn)頻率基本在5%～20%。夏季雨層云出現(xiàn)得最少。春秋兩季雨層云增多，大多出現(xiàn)在歐洲陸地地區(qū)和西北部大西洋區(qū)域；冬季雨層云總體出現(xiàn)頻次增多，高值區(qū)出現(xiàn)在陸地和海洋上，出現(xiàn)頻率為20%～35%。

雨層云一般具有深厚的垂直結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)頻率不高于50%，大多都在10%～25%，主要在高緯度地區(qū)，在WE-WEO區(qū)域出現(xiàn)的頻次明顯較多。已有研究表明雨層云在北半球的季節(jié)變化較大[26]，夏季出現(xiàn)較少，冬季出現(xiàn)較多，綜合看3個(gè)區(qū)域的雨層云季節(jié)變化具有相似的規(guī)律，冬季為雨層云出現(xiàn)最多的季節(jié)，春秋兩季次之，夏季最少。雨層云的形成和高層云同樣都受大范圍的上升運(yùn)動(dòng)影響，所以雨層云與高層云的分布特征具有相似的規(guī)律。而雨層云的云體更厚，發(fā)展過程較高層云更緩慢一些，因此雨層云的出現(xiàn)頻率較高層云要小一些。

圖9是深對(duì)流云(Dc)出現(xiàn)頻率分布的四季變化。深對(duì)流云作為發(fā)展深厚的對(duì)流云，其內(nèi)部有著強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，且容易帶來強(qiáng)對(duì)流天氣。赤道輻合帶的天氣條件滿足強(qiáng)對(duì)流云的發(fā)展[26]，在熱帶到亞熱帶區(qū)域，深對(duì)流云一年四季都有可能出現(xiàn)，這與圖9中深對(duì)流云出現(xiàn)頻率的季節(jié)分布相符合。

圖9 單層云中深對(duì)流云出現(xiàn)頻率分布的四季變化

深對(duì)流云多出現(xiàn)在WE-WEO和EU-EUO這兩區(qū)域。EC-ECO區(qū)域深對(duì)流云出現(xiàn)在夏季最多，冬季幾乎不出現(xiàn)。春秋兩季深對(duì)流云的出現(xiàn)頻率在2%～16%，其中春季多出現(xiàn)在中國沿海地區(qū)和東部海洋地區(qū)，秋季多出現(xiàn)在海洋上；夏季深對(duì)流云的出現(xiàn)增多，出現(xiàn)頻率基本在4%以上，10%～16%的高值區(qū)出現(xiàn)不少；冬季深對(duì)流云的出現(xiàn)銳減，幾乎沒深對(duì)流云的出現(xiàn)。EU-EUO區(qū)域的深對(duì)流云全年分布差不多，夏季最多全年的出現(xiàn)頻率在2%～14%。春秋冬三季分布相似，多出現(xiàn)在海洋上，其中秋季出現(xiàn)相對(duì)多一些；夏季深對(duì)流云出現(xiàn)最多，沿海地區(qū)的出現(xiàn)頻率較高，高達(dá)8%～14%。深對(duì)流云在WE-WEO區(qū)域全年出現(xiàn)很少，只在夏秋兩季出現(xiàn)一些，其中夏季得多出現(xiàn)在歐洲內(nèi)陸，秋季多出現(xiàn)在沿海一帶，全年在大西洋上零星地出現(xiàn)一些。

深對(duì)流云多出現(xiàn)在低緯地區(qū)，分布特征很明顯，主要出現(xiàn)在海洋上，出現(xiàn)頻率大部分在2%～8%，少部分高值區(qū)10%～16%。和低緯度海洋區(qū)域的卷云對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)深對(duì)流云具有相似的規(guī)律，在海陸交界處附近常以較高的頻率出現(xiàn)，但出現(xiàn)的頻率就低很多，這是因?yàn)槌诵枰^強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)之外，還需要充足的水汽條件才能使得深對(duì)流云得以形成。

3 不同單層云發(fā)生頻率的總占比及月變化

不同單層云發(fā)生頻率的空間分布可以看出某類云的集中出現(xiàn)在某區(qū)域的頻率，但局部地區(qū)不能代表整體的一個(gè)狀況，因此從海陸的整體出發(fā)去探討各類云發(fā)生頻率的變化特征。圖10是不同單層云發(fā)生頻率在海陸上的一個(gè)占比情況。可以看出，層云和深對(duì)流云出現(xiàn)的頻率很低，尤其前者更低，在各個(gè)區(qū)域都小于5%，即使數(shù)據(jù)較小，也能看出發(fā)生較少的深對(duì)流云多出現(xiàn)在中低緯的ECO和EUO區(qū)域。出現(xiàn)頻率較高的是卷云和層積云，其中卷云發(fā)生頻率在ECO區(qū)域的28%多于EC區(qū)域的20%，在EU-EUO區(qū)域的差異不大，而在WE區(qū)域的21%大于WEO區(qū)域的11%，這和中低緯地區(qū)對(duì)流云系發(fā)展旺盛有關(guān)；層積云發(fā)生頻率的海陸差異在WE-WEO區(qū)域特別明顯，在WEO區(qū)域的52%遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地的31%，可見中高緯海洋上所存在大范圍不規(guī)則的擾動(dòng)有利于層積云這樣的波狀云的形成與發(fā)展。其次出現(xiàn)較多的云類為積云，積云的海陸差異很明顯，多出現(xiàn)在中低緯的海洋區(qū)域(ECO和EUO區(qū))，占26%，這和卷云多出現(xiàn)在夏季中低緯地區(qū)的原因一致；此外的高層云，高積云和雨層云的出現(xiàn)相對(duì)較多，且多出現(xiàn)在陸地上，這些云在陸地區(qū)域的出現(xiàn)頻率在10%～20%，在海洋區(qū)域都在10%以下，說明陸地上相較穩(wěn)定的大氣運(yùn)動(dòng)狀況利于這些云的發(fā)展。

圖10 不同單層云發(fā)生頻率在各區(qū)域的占比

圖11為不同單層云的發(fā)生頻率在各個(gè)區(qū)域的月變化，可以看出各類云的時(shí)間變化特征都有相應(yīng)的特點(diǎn)。圖中最明顯的一個(gè)特點(diǎn)就是卷云和層積云發(fā)生頻率的月變化存在相反的變化趨勢(shì)，即使不同地區(qū)這兩類云的發(fā)生頻率的大小不同，當(dāng)卷云發(fā)生頻率達(dá)到最大值(最小值)的時(shí)間段所對(duì)應(yīng)層積云發(fā)生頻率達(dá)到一個(gè)最小值(最大值)，夏季卷云在ECO區(qū)域的發(fā)生頻率可達(dá)50%以上，所對(duì)應(yīng)的層積云發(fā)生頻率僅僅5%左右，說明利于卷云形成的大氣條件不利于層積云的形成，反之同理。同時(shí)可以看出卷云出現(xiàn)在低緯度地區(qū)較多，且海洋上的發(fā)生頻率高于陸地上，夏季最高，冬季最低。層積云則是夏季最低，冬季最高，尤其在中高緯的WEO區(qū)域出現(xiàn)最多，該區(qū)域的發(fā)生頻率常年在40%以上。此外可以看出高層云和雨層云的發(fā)生頻率的月變化具有相似的趨勢(shì)，前人研究也指出層狀云中各屬云具有相似的季節(jié)變化[29]，夏季出現(xiàn)得少，冬季出現(xiàn)得比較多，主要出現(xiàn)在陸地上，且高層云多于雨層云。高層云在EC區(qū)域出現(xiàn)頻率較高，全年在10%以上，春冬季節(jié)可達(dá)22%，雨層云在EU區(qū)域出現(xiàn)頻率較高，大約在18%左右，而這兩種云在海洋區(qū)域的發(fā)生頻率全年都在10%以下。積云在低緯度區(qū)域的海陸差異很明顯，大多都出現(xiàn)在海洋上，且夏秋季節(jié)為積云出現(xiàn)頻率的高值區(qū)，大約能在30%以上，冬季最低，可達(dá)20%左右，WE-WEO區(qū)域積云出現(xiàn)頻率在15%以下。高積云多出現(xiàn)在陸地上，在EC區(qū)域多出現(xiàn)在秋季，發(fā)生頻率在25%左右，而在EU和WE區(qū)域多出現(xiàn)在夏季，發(fā)生頻率為別為15%和20%，而海洋上的高積云在ECO區(qū)域冬季出現(xiàn)較高一些，發(fā)生頻率達(dá)17%，在其他兩個(gè)區(qū)域常年在10%以下，無明顯變化。深對(duì)流云和層云的出現(xiàn)特別少，在各個(gè)區(qū)域的發(fā)生頻率常年都在5%以下。

圖11 不同單層云發(fā)生頻率在各區(qū)域的月變化

4 結(jié)論

利用2007年3月至2010年2月和2013年3月至2016年2月共計(jì)8 a CloudSat衛(wèi)星的Level-2B-CLDCLASS資料對(duì)3個(gè)主要?dú)馊苣z排放地區(qū)及鄰近海域的不同類型單層云出現(xiàn)頻次的分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，主要結(jié)論如下：

(1)8種類型單層云發(fā)生頻率的分布都有著不同的規(guī)律。作為高云的卷云，大多出現(xiàn)在低緯度的海洋區(qū)域；高層云和高積云這兩種中云，大部分出現(xiàn)在中低緯工業(yè)發(fā)達(dá)的陸地區(qū)域；低云族中的層積云多出現(xiàn)在中高緯的海洋區(qū)域，層云多出現(xiàn)在高緯的海洋區(qū)域，積云多出現(xiàn)在低緯的海洋區(qū)域；雨層云是低云也是厚云，分布主要在中高緯區(qū)域，海陸出現(xiàn)頻次差別不大；深對(duì)流云是發(fā)展比較深厚的云型，多出現(xiàn)在低緯的海洋區(qū)域。海洋上大多出現(xiàn)的都是低云，而低云大多都是液態(tài)云，海洋上充沛的水汽條件利于這些云的發(fā)展。

(2)從總體數(shù)據(jù)可看出，層積云，卷云和積云是出現(xiàn)最頻繁的3種云型，3種云總和占各地區(qū)所有云的50%～70%左右，其次為高層云，高積云和雨層云，而深對(duì)流云和層云兩種云占中云僅僅10%以下。層積云多出現(xiàn)在較高緯度的WE與WEO區(qū)域，卷云和積云多出現(xiàn)在較低緯度海洋區(qū)域(ECO和EUO區(qū)域)，高層云，高積云和雨層云很顯著地出現(xiàn)在陸地區(qū)域多于海洋區(qū)域，少量的深對(duì)流云出現(xiàn)在ECO和EUO區(qū)域較多。

(3)不同云型的出現(xiàn)頻次最多的季節(jié)也是不一樣的，普遍上各類云在春季的發(fā)生頻率都處于中間范圍。層積云和卷云的發(fā)生頻率的月變化具有明顯相反的變化趨勢(shì)，其中卷云夏季最高，冬季最低，層積云則是夏季最低，冬季最高。高層云和雨層云的發(fā)生頻率的月變化具有相似趨勢(shì)，多出現(xiàn)在冬春季節(jié)，夏季出現(xiàn)最少，且在陸地上居多。這些趨勢(shì)變化和各類云的形成條件符合時(shí)間上的一致性。積云和高積云在夏秋季節(jié)出現(xiàn)較多，而積云多出現(xiàn)在海洋，高積云多出現(xiàn)在陸地。少量的深對(duì)流云在ECECO區(qū)域在夏季有一個(gè)較高的出現(xiàn)頻率。層云全年幾乎沒有明顯變化。

總體而言，3個(gè)氣溶膠主要排放地區(qū)和鄰近海洋中的8種單層云的發(fā)生頻率具有不同時(shí)空分布及變化。針對(duì)出現(xiàn)頻率較高的卷云、高層云、高積云、層積云，積云和雨層云這6類云，可以深入研究這些云的微物理特征以及云高，云厚等垂直結(jié)構(gòu)特征，更加全面地了解各類云型的特征。鑒于深對(duì)流云和層云的探測(cè)數(shù)據(jù)較少，對(duì)于這兩類云的深入研究，需要從其他的資料去研究其特性問題。除氣候影響外，云的形成和發(fā)展還與下層表面，大氣氣溶膠成分和人類活動(dòng)的不同特征有關(guān)。

本文選取人為排放導(dǎo)致大氣污染嚴(yán)重的北半球主要污染排放區(qū)及其鄰近清潔的海洋區(qū)域，從空間上探究大陸與海洋上云型發(fā)生頻率的差異，從時(shí)間上研究云型發(fā)生頻率的變化關(guān)系。在此基礎(chǔ)之上，本文的研究?jī)?nèi)容需要更加深入地探究造成各類云型分布特征在不同地區(qū)或者不同季節(jié)上的差異的原因，并且在定性分析各類云的發(fā)生頻率的基礎(chǔ)之后，后續(xù)的研究?jī)?nèi)容需要使用具體的參數(shù)去展現(xiàn)海陸地區(qū)氣溶膠的差異，再定量分析氣溶膠與各類云型之間的關(guān)系，探究大氣中與氣溶膠影響關(guān)系比較密切的云型特征。