黎微微 施紅蓉 陳洪濱 唐熠 何文英

1 桂林市氣象局，廣西桂林 541000

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室，北京 100029

3 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點實驗室，北京 100029

4 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101

5 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044

1 引言

淺對流云（Shallow Convective Cloud，SCC）是大氣輻射平衡系統(tǒng)中的重要部分，其輻射效應(yīng)是影響氣候變化重要影響因素之一。深入了解SCC生成和維持及其向?qū)α餍越邓妻D(zhuǎn)換的機(jī)制，對于認(rèn)識和預(yù)報深對流強(qiáng)雷暴有著積極的意義；更加全面地探測SCC，對次網(wǎng)格中（淺）對流參數(shù)化等方案的改進(jìn)以及驗證和改進(jìn)云分辨模式和大渦模擬也十分必要，也是數(shù)值天氣預(yù)報和氣候模式研究中的一個重要內(nèi)容（Brown et al., 2002; Essery et al.,2003; Berg et al., 2013; Manrique-Su?én et al., 2013;Rieck et al., 2014）。由于SCC 水平、垂直尺度較小，并且生命尺度短，對其觀測技術(shù)有限，針對淺對流云的觀測研究仍然較少。

過去對SCC 的研究手段包括飛機(jī)搭載云微物理觀測設(shè)備直接觀測，地面激光雷達(dá)、云雷達(dá)、高光譜儀等主被動遙感觀測，以及大渦模式模擬等手段。Brown et al.（2002）通過大渦模式模擬發(fā)現(xiàn)了陸地SCC 的特征，并把結(jié)果運(yùn)用到了數(shù)值天氣預(yù)報和氣候模型中的參數(shù)化開發(fā)和評估之中，得到了較好的效果。2016 年夏季在美國南部大平原，研究者們基于云雷達(dá)、云高儀等地基觀測設(shè)備，專門針對SCC 開展觀測試驗，通過試驗觀測結(jié)果提升了下一代氣候模式中陸—?dú)庀嗷プ饔?、SCC 的參數(shù)化方案，同時用觀測結(jié)果來評估了模式預(yù)測SCC 宏微觀物理特征的能力（Vogelmann et al.,2012; Shrivastava et al., 2013; Heymsfield et al., 2013;Battaglia et al., 2014; Chen et al., 2014; Giangrande et al., 2014）。Shi et al.（2017）采用加密探空等觀測方式，對內(nèi)蒙古地區(qū)夏季出現(xiàn)的淺對流云進(jìn)行觀測研究，結(jié)合歷史探測資料和衛(wèi)星資料分析，深入認(rèn)識了高原陸地淺對流云生成和維持及其相互作用機(jī)制。

隨著高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，相比傳統(tǒng)的紅外/可見光傳感器觀測方式，主動遙感衛(wèi)星能夠給出具有垂直分辨率的云宏、微觀物理特征；同時相比地面單個站點觀測，主動遙感衛(wèi)星具有更廣的空間覆蓋（Stephens et al., 2002, 2008; Stephens,2005）。CloudSat 衛(wèi)星和CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）衛(wèi)星搭載云探測雷達(dá)和云—?dú)馊苣z偏振雷達(dá)，可以獲得云—?dú)馊苣z的三維結(jié)構(gòu)特征，為淺對流云觀測提供了新途徑。

內(nèi)蒙古草原地勢起伏落差小，屬于溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，全年盛行偏西風(fēng)，降水多集中在7 月、8 月、9 月3 個月內(nèi)，降雨量由東南向西北遞減，是全球夏季陸地與降水耦合程度較強(qiáng)區(qū)域之一（Dirmeyer et al., 2006; Findell et al., 2011），對于研究陸地—自由大氣—云相互作用比較理想。盡管國內(nèi)外已經(jīng)有很多利用CloudSat/CALIPSO 衛(wèi)星資料對不同類型云的研究（Chen et al., 2016），但針對SCC，尤其是內(nèi)蒙古草原上空SCC 的研究還很少。為了深入了解SCC 的宏觀特征，本文利用2009～2010 年CloudSat、CALIPSO 和MODIS 3 個衛(wèi)星聯(lián)合產(chǎn)品，對內(nèi)蒙古草原區(qū)域SCC 出現(xiàn)頻率的季節(jié)變化、水平分布以及云底高度分布等宏觀特征進(jìn)行分析。本文第二節(jié)是數(shù)據(jù)與方法介紹，第三節(jié)描述內(nèi)蒙古草原SCC 時空分布特征，最后一節(jié)對全文進(jìn)行了總結(jié)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 觀測區(qū)域介紹

內(nèi)蒙古白旗站（42.2°N，114.9°E）位于內(nèi)蒙古中部，錫林郭勒盟西南部，平均海拔高度為1.3 km，中國科學(xué)院大氣物理研究所自2014 年開始在該站點對SCC 進(jìn)行地面觀測。但是其觀測數(shù)據(jù)有限，為更全面認(rèn)識SCC 還需結(jié)合衛(wèi)星遙感觀測資料分析其宏觀特征。本文研究的內(nèi)蒙古草原區(qū)域 如 圖1 所 示（41°N～45°N，112°E～116°E），可以看出該區(qū)域地形起伏不大，該區(qū)域平均海拔為1.24±0.2 km。

圖1 內(nèi)蒙古草原海拔高度分布（41°N～45°N，112°E～116°E）Fig. 1 Inner Mongolia grassland altitude (41°N-45°N, 112°E-116°E)

2.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文采用了2009～2010 年CloudSat Level 2的2B-CLDCLASS-LIDAR 和2B-GEOPROF 數(shù) 據(jù)（http://www.cloudsat.cira.colostate.edu/data-products/level-2b/[2021-02-01]），這兩個數(shù)據(jù)產(chǎn)品集合了Cloud-Sat、CALIPSO 和MODIS 3 個衛(wèi)星觀測結(jié)果，且在這個時間段有較好的匹配性（CloudSat 在2011年偏離了軌道，由于2B-CLDCLASS-LIDAR 結(jié)合了MODIS 和CALIPSO，在這之后這類產(chǎn)品數(shù)據(jù)中斷。2012 年CloudSat 調(diào)整回來，但與A-train的MODIS 和CALIPSO 的匹配較差，2012～2018年的數(shù)據(jù)和2009～2010 年的數(shù)據(jù)有偏差。2018 年CloudSat 的軌道再次發(fā)生變化，故2009～2010 年數(shù)據(jù)匹配性較好）。2B-GEOPROF 產(chǎn)品提供雷達(dá)反射率因子和MODIS 云量等物理量。2B-CLDCLASSLIDAR 產(chǎn)品提供云的分類、云層結(jié)構(gòu)、云頂高、云底高等信息。2B-CLDCLASS-LIDAR 給出了8 種云類型，分別為卷云（Cirrus，Ci）、高層云（Altostratus，As）、高積云（Altocumulus，Ac）、層云（Stratus，St）、層積云（Stratuscumulus，Sc）、積雨云（Nimbostratus，Ns）、深對流云（Deep Convection，DC）和積云（Cumulus，Cu）。其中Cu 包含了SCC和濃積云（Wang and Sassen, 2001, 2007）。濃積云與SCC 的主要區(qū)別在云量，濃積云的云量遠(yuǎn)大于SCC 的云量。Chandra et al.（2013）利用美國大平原13 年地基云雷達(dá)資料研究分析了SCC 的宏觀特征，統(tǒng)計結(jié)果顯示SCC 的Ze 小于-15 dBZ并且云量小于40%。本文選擇將CloudSat 二級產(chǎn)品中的Cu 并用云量為50%作為界限，云量大于50%判定為濃積云，云量小于50%為SCC，基于此閾值來統(tǒng)計研究SCC 的宏觀特征。圖2 和圖3 分別展示了用云量作閾值篩選的淺對流云和濃積云兩個典型個例（2010 年7 月23 日淺對流云天和2010年5 月4 日濃積云天）。2010 年7 月23 日，MODIS 衛(wèi)星云圖（圖2c）清晰表明內(nèi)蒙古草原上空出現(xiàn)大范圍SCC；同時配合CloudSat 云雷達(dá)（圖2a）和CALIPSO 激光雷達(dá)（圖2b）發(fā)現(xiàn)均在海拔高度5 km 處探測到SCC 存在（當(dāng)?shù)睾０胃叨葹?.3 km 左右）。說明該個例是典型的SCC 天氣。而在2010 年5 月4 日（圖3），MODIS 衛(wèi)星云圖上顯示較大空間范圍被云覆蓋。CloudSat（圖3a）和CALIPSO 激光雷達(dá)（圖3b）也顯示研究區(qū)域內(nèi)云的空間尺寸較大，是發(fā)展旺盛的濃積云，該個例不是SCC 天氣，與用云量作閾值篩選的結(jié)果一致。

圖2 2010 年7 月23 日內(nèi)蒙古草原上空（a）CloudSat 衛(wèi)星CPR（Cloud Profile Radar）雷達(dá)反射率因子（單位：dBZ）垂直分布，（b）CALIPSO 衛(wèi)星LIDAR 532 nm 后向散射垂直分布（單位：km-1 sr-1），（c）MODIS 衛(wèi)星（250 m 分辨率）云圖，（d）CALIPSO 衛(wèi)星運(yùn)行軌跡Fig. 2 Satellite image of the grassland of Inner Mongolia on 23 July 2010: (a) CloudSat CPR radar reflectivity factor (dBZ) vertical distribution;(b) CALIPSO LIDAR 532-nm backscattering vertical distribution (km-1 sr-1); (c) MODIS (250-m resolution) cloud images; (d) trajectory map of CALIPSO satellite

圖3 2010 年5 月4 日內(nèi)蒙古草原上空（a）CloudSat CPR 雷達(dá)反射率因子（單位：dBZ）垂直分布，（b）CALIPSO LIDAR 532 nm 后向散射垂直分布（單位：km-1 sr-1），（c）MODIS（250 m 分辨率）云圖，（d）CALIPSO 衛(wèi)星運(yùn)行軌跡Fig. 3 Satellite image of Inner Mongolia grassland on 4 May 2010: (a) CloudSat CPR radar reflectivity factor (dBZ) vertical distribution;(b) CALIPSO LIDAR 532-nm backscattering vertical distribution (km-1 sr-1); (c) MODIS (250-m resolution) cloud images; (d) trajectory map of CALIPSO satellite

3 內(nèi)蒙古草原SCC 時空分布特征

3.1 內(nèi)蒙古草原SCC 出現(xiàn)頻率的季節(jié)變化特征

將SCC 出現(xiàn)頻率的季節(jié)變化定義為研究區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星觀測到SCC 天數(shù)與衛(wèi)星過境天數(shù)之比的季節(jié)變化。2009～2010 年研究區(qū)域衛(wèi)星過境共141 d，其中46 d 出現(xiàn)SCC。2009～2010 年兩年SCC 平均每月出現(xiàn)頻率為0.31；出現(xiàn)頻率最高的是9 月，為0.53；出現(xiàn)頻率最少的是2 月，為0.09（圖4）。上述結(jié)果表明，內(nèi)蒙古草原地區(qū)SCC 主要發(fā)生在夏季和秋季，且集中在8 月、9 月、10 月3 個月，春季次之，冬季最少。而SCC 在夏季7 月出現(xiàn)頻次明顯小于6 月和8 月。7 月出現(xiàn)頻率偏少主要受夏季季風(fēng)北抬降水影響。雖然夏季地面接收到的太陽輻射增加，地表加熱作用增強(qiáng)，有利于對流云產(chǎn)生，但是觀測區(qū)域此時正值華北雨季，受到降水增多影響，造成7 月份SCC 出現(xiàn)頻率明顯偏低。

圖4 2009～2010 年內(nèi)蒙古草原SCC 出現(xiàn)頻率的逐月變化Fig. 4 Monthly variation of the occurrence frequency of SCCs(Shallow Convective Clouds) above the Inner Mongolia steppe during 2009-2010

3.2 內(nèi)蒙古草原 SCC 出現(xiàn)頻率水平分布

SCC 出現(xiàn)頻率水平分布（Occurrence Frequency,OF）定義為

其中，Nscc是研究時間段內(nèi)2°（緯度）×2°（經(jīng)度）網(wǎng)格點內(nèi)CloudSat 探測到SCC 的廓線數(shù)量，NT是相同時間和經(jīng)緯度網(wǎng)格內(nèi)CloudSat 探測的總廓線數(shù)量（包括晴空時候的廓線）。

選取白旗為代表站，圖5 是2009～2010 年內(nèi)蒙古白旗觀測站（圖中紅色標(biāo)注）附近區(qū)域SCC出現(xiàn)頻率水平分布圖。圖中白旗站點附近SCC 平均出現(xiàn)頻率為0.6%。而白旗站點附近SCC 有兩個出現(xiàn)頻率高值區(qū)域，一個是距離白旗東南方向400 km 的燕山山脈，SCC 平均出現(xiàn)頻率為1.6%左右；另一個是白旗偏西南方向，SCC 平均出現(xiàn)頻率為1%左右。對應(yīng)白旗附近區(qū)域地形高程圖，可以看出出現(xiàn)頻率較大區(qū)域與地形海拔梯度較大區(qū)域吻合，因此地形的抬升作用可能會增加SCC 的出現(xiàn)頻率，使得白旗附近的SCC 出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)西北低、東南高的趨勢。Li and Zhang（2015）相關(guān)的研究也給出了類似的結(jié)論，他們通過CloudSat 衛(wèi)星觀測到青藏高原南麓和西部SCC 出現(xiàn)頻率很高，由于地形作用影響，淺對流云出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)大于周邊地區(qū)，同時南麓區(qū)域夏季深對流天氣出現(xiàn)頻率高。

圖5 2009～2010 年白旗站點附近2°（緯度）×2°（經(jīng)度）格點分辨率的SCC 出現(xiàn)頻率水平分布（等值線，單位：%）。紅色菱形代表白旗觀測站點，填色表示地形海拔高度（單位：m），灰色虛線是行政規(guī)劃界限Fig. 5 The horizontal distribution of the SCC occurrence frequency (contours, units: %) at a 2°×2° longitude and latitude grid resolution near Baiqi station during 2009-2010. The red diamond represents the Bai Qi observation station, the color map shows the elevation of the terrain (m), and the dotted gray line is the administrative planning boundary

圖6 給出了白旗站點附近2°（緯度）×2°（經(jīng)度）格點1～12 月SCC 出現(xiàn)頻率水平分布。圖中看出，白旗觀測點的出現(xiàn)頻率水平分布也同樣有明顯的季節(jié)變化，5 月、6 月以及9 月、10 月出現(xiàn)頻率值明顯高于其他月份；除了冬季出現(xiàn)頻率較小外，7 月、8 月的出現(xiàn)頻率也很小。這是由于夏季地面接收到的太陽輻射增加，地表加熱作用增強(qiáng)，有利于地面形成對流熱泡，大氣不穩(wěn)定有利于SCC 的生成（李昀英等, 2015），但是該觀測點夏季處于華北雨季，受到副高北抬的影響，水汽較充沛，降水增多。SCC 出現(xiàn)頻率高值中心隨著季節(jié)南北移動；高值中心上半年偏北，下半年偏南。

圖6 2009～2010 年白旗站點附近2°（緯度）×2°（經(jīng)度）格點分辨率的1～12 月SCC 出現(xiàn)頻率水平分布（等值線，單位：%）。填色表示地形海拔高度（單位：m），灰色虛線是行政規(guī)劃界限Fig. 6 Horizontal distribution of the SCC occurrence frequency at 2°×2° longitude and latitude grid points from January to December (contoured,units: %) near Baiqi station from 2009 to 2010. The color map shows the elevation of the terrain (m), and the dotted gray line is the boundary of administrative planning

3.3 內(nèi)蒙古草原 SCC 云底高度分布特征

圖7 給出了2009～2010 年內(nèi)蒙古草原SCC 云底高度分布圖。由圖可見SCC 云底高度的中值8月最高，12 月最低，呈現(xiàn)明顯的冬夏差異。Berg and Kassianov（2008）利用美國南部大平原地基遙感資料計算SCC 宏觀物理特征，發(fā)現(xiàn)云底高度呈現(xiàn)明顯的日變化，從出現(xiàn)到消散，云底高度不斷增加；此外，云底高度存在年際變化，相對干的年份的云底高度要高于濕的年份。云底高度與邊界層日變化、以及邊界層湍流強(qiáng)度有關(guān)。不同季節(jié)SCC云底高度的差異，可能與邊界層發(fā)展旺盛程度有關(guān)，夏季湍流旺盛，邊界層高度高，云底高度高；相反，冬季湍流相對弱，邊界層高度低，云底高度相對低（Berg and Kassianov, 2008）。

圖7 2009～2010 年內(nèi)蒙古草原SCC 每月云底高度分布（箱內(nèi)橫線代表中位數(shù)，上下邊緣線分別代表上四分位數(shù)和下四分位數(shù)，短線為正常值的分布區(qū)間，點為異常值）Fig. 7 Monthly cloud base height distribution of SCCs in the Inner Mongolia steppe during 2009-2010. The horizontal line in the box represents the median, the upper and lower edge lines represent the upper and lower quartiles, respectively, the short line is the distribution interval of normal values,and the point is the outlier values

圖8 給出了2009～2010 年內(nèi)蒙古草原區(qū)域SCC 平均云底高度為1.14±0.46 km，平均云頂高度為1.62±1.62 km，平均云厚為0.48±1.17 km（圖8 所示）。Shi et al.（2017）利用2014 年內(nèi)蒙古草原夏季加密探空觀測對SCC 分析得到白旗站的SCC 云底高度距離地面3 km 左右（Shi et al.,2017）。Siebesma and Cuijpers（1995）觀測并模擬了巴巴多斯（Barbados）海上SCC，云底高度在0.6 km 左右。Chandra et al.（2013）在美國南部大平原毫米波云雷達(dá)測到SCC 云底高度在1.5 km左右。不同地區(qū)SCC 云底高度差異較大。研究指出，這種地區(qū)之間云底高的差異主要與海拔高度有關(guān)（Ray et al., 2003; Chagnon et al., 2004）。

圖8 2009～2010 年內(nèi)蒙古草原研究區(qū)域（a）云底高度（間隔：0.20 km）、（b）云頂高度（間隔：0.5 km）、（c）云厚（間隔：0.5 km）統(tǒng)計直方圖Fig. 8 Statistical histogram of (a) Cloud base height (intervals: 0.20 km), (b) cloud top height (intervals: 0.5 km), and (c) cloud thickness(intervals: 0.5 km) above the Inner Mongolia steppe study area during 2009-2010

為進(jìn)一步比較不同地區(qū)SCC 云底高度可能存在的差異，本文選取長江中下游平原—上海、華北平原—鄭州、內(nèi)蒙古草原—白旗站與青藏高原草原—阿柔這4 個區(qū)域進(jìn)行SCC 云底高度進(jìn)行分析統(tǒng)計（圖9）。白旗、上海、鄭州和阿柔4 個區(qū)域平均海拔高度分別為2.6 m、48.2 m、1200 m 和3500 m（圖9a）。4 個區(qū)域中，上海平均云底高度最小，并且較為均一，全年標(biāo)準(zhǔn)差在90 m 左右；阿柔平均云底高度最大，云底高度變化幅度也最大；鄭州和白旗次之（圖9b）。海拔較高的白旗和阿柔，云底高度及其變化幅度遠(yuǎn)大于上海和鄭州。海拔越高的地方，SCC 云底高度越高，變化幅度越大。隨著觀測區(qū)域海拔高度的增加，SCC 云底高度有明顯上升趨勢。內(nèi)蒙古草原SCC 云底高度及其變化幅度也受海拔高度影響。

圖9 2009～2010 中國長江中下游平原—上海（SH）、華北平原—鄭州（ZZ）、內(nèi)蒙古草原—白旗（BQ）、青海草原—阿柔（AR）4 個區(qū)域（a）平均海拔高度和（b）SCC 云底高度（距離地面高度）箱線圖Fig. 9 (a) Average altitudes and (b) box chart of the SCC cloud base height (height above ground) in the middle and lower reaches of the Yangtze River Plain-Shanghai (SH), the North China Plain-Zhengzhou (ZZ), the Inner Mongolia grassland-Baiqi (BQ), and the Qinghai grassland-A’rou(AR) from 2009 to 2010

4 結(jié)論與討論

本文采用2009～2010 年CloudSat、CALIPSO 和MODIS 3 個衛(wèi)星融合產(chǎn)品2B-CLDCLASS-LIDAR和2B-GEOPROF，分析了內(nèi)蒙古草原區(qū)域SCC 出現(xiàn)頻率季節(jié)變化、水平分布以及云底高度分布等宏觀特征。主要結(jié)論如下：

（1）2009～2010 年內(nèi)蒙古草原SCC 出現(xiàn)頻率有明顯的季節(jié)變化，主要發(fā)生在夏季和秋季，集中在8 月、9 月、10 月3 個月，春季次之，冬季最少。由于內(nèi)蒙古草原7 月份正值雨季，SCC 在7月份出現(xiàn)頻次相對較少。

（2）2009～2010 年內(nèi)蒙古草原SCC 年在該區(qū)域范圍內(nèi)SCC 出現(xiàn)頻率水平分布呈現(xiàn)西北低、東南高的趨勢，出現(xiàn)頻率最高的位置出現(xiàn)在海拔梯度大的地方，地形抬升作用會引起SCC 出現(xiàn)頻率增加。出現(xiàn)頻率的高值中心隨著季節(jié)變化，由南向北移動。

（3）2009～2010 年內(nèi)蒙古草原SCC 平均云底高度，8 月最高，12 月最低，呈現(xiàn)明顯的冬夏差異。通過比較不同地區(qū)SCC 云底高度發(fā)現(xiàn)，隨著觀測區(qū)域海拔高度增加，SCC 云底高度有上升趨勢。除此以外，海拔越高，SCC 云底高度變化幅度越大。內(nèi)蒙古草原和青藏草原SCC 云底高度略大于華北平原和長江中下游平原。

本文基于衛(wèi)星遙感資料與地面觀測資料研究了內(nèi)蒙古草原SCC 的宏觀特征（包括出現(xiàn)頻率的季節(jié)分布、水平分布及云底高度分布等特征），對內(nèi)蒙古SCC 做了初步分析，對SCC 有初步認(rèn)識。目前僅對SCC 宏觀特征進(jìn)行了分析，在今后的研究中，我們將進(jìn)一步結(jié)合其他云微物理參數(shù)，改進(jìn)SCC 的識別方法；并結(jié)合地基觀測研究淺對流向深對流發(fā)展的觸發(fā)、發(fā)展機(jī)制等科學(xué)問題進(jìn)行研究，從而更加全面認(rèn)識SCC，為改進(jìn)模式中的淺對流參數(shù)化提供有力的科學(xué)實測依據(jù)。

致謝本文中使用的CloudSat Level 2 的2 B-CLDCLASSLIDAR 和2 B-GEOPROF 數(shù)據(jù)由美國航天局（NASA）戈達(dá)德空間飛行中心提供，在此表示感謝。