基于CloudSat/CALIPSO衛(wèi)星的南京地區(qū)冰云物理特性分析

李思玲，曾欽文,2，吳禮春

(1.廣東省龍川縣氣象局，廣東 龍川 517300；2.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225;3.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044)

千姿百態(tài)的云都是由空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)成的微小水滴或冰晶組成。云的形態(tài)各式各樣，不同形態(tài)的云常常伴隨著不同的天氣現(xiàn)象。在大氣科學(xué)領(lǐng)域，云可以幫助驅(qū)動(dòng)水循環(huán)和整個(gè)氣候系統(tǒng)，在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中起著至關(guān)重要的作用。云還是氣候變化研究中不確定性要素之一，通過吸收和散射太陽短波輻射以及反射地表長(zhǎng)波輻射來平衡地氣系統(tǒng)的能量收支，因此云對(duì)地球的輻射計(jì)算具有較大的影響。同時(shí)，高空云層溫度低，多為冰晶粒子組成，容易對(duì)飛行過程中的飛機(jī)造成積冰等現(xiàn)象，對(duì)飛行過程有著一定的干擾[1]。冰云是幾乎完全或完全由各種形狀(非球形)的冰晶粒子所組成的云(例如卷云)，云體相對(duì)較薄，透光性較好，這種云的溫度遠(yuǎn)低于0 ℃，如卷云、卷積云、卷層云和高緯度地區(qū)冬季的高層云等。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示[2-3]，冰云在全球的水平尺度上分布不均勻，冰云大約覆蓋全球云量的30%。冰云反射紅外輻射和太陽輻射，對(duì)地氣系統(tǒng)具有輻射強(qiáng)迫作用，反射效應(yīng)和溫室效應(yīng)之間的平衡，決定了冰云對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射強(qiáng)迫的正負(fù)。因此，加強(qiáng)對(duì)冰云的探索研究，為認(rèn)識(shí)冰云對(duì)地氣系統(tǒng)、大氣水循環(huán)等過程具有重要意義。

研究并深入了解自然界中各類云的物理結(jié)構(gòu)特征和分布特征是全球天氣及氣候研究的基本和重要方面。近年來，國內(nèi)外利用CloudSat/CALIPSO衛(wèi)星研究相關(guān)要素的技術(shù)越來越成熟，反演云粒子的冰水含量、光學(xué)厚度、有效半徑、垂直分布結(jié)構(gòu)等方面已經(jīng)有了較多的研究成果[4-9]。為了深入研究云物理過程、云內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)及其輻射效應(yīng)，需要獲取云的物理參數(shù)，本研究將充分利用CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星資料，分析南京地區(qū)冰云的物理特性，從而初步了解該地區(qū)的冰云物理特性，為后期研究冰云提供理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。

1 觀測(cè)儀器介紹及資料的選取

1.1 CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星簡(jiǎn)介

CloudSat和CALIPSO(云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)和紅外探測(cè)衛(wèi)星觀測(cè))是由美國NASA發(fā)射的衛(wèi)星。其中，CloudSat衛(wèi)星位于太陽同步衛(wèi)星軌道上，其上搭載的唯一有效載荷為94Hz的毫米波(3 mm)云剖面雷達(dá)CPR(Cloud Profile Radar)。云剖面雷達(dá)CPR的星下點(diǎn)橫軌分辨率為1.4 km，沿軌分辨率為2.5 km，實(shí)際垂直分辨率為240 m。CloudSat衛(wèi)星的部分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品如表1所示。

表1 部分CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品編碼及其名稱Tab.1 Part of the CloudSat satellite data product: code and its name

云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)和紅外探測(cè)衛(wèi)星觀測(cè)(CALIPSO)上一共搭載了3種有效載荷：偏振激光雷達(dá)CALIOP，被動(dòng)紅外成像儀IIR和寬視角相機(jī)WFC。其中，雙波段云—?dú)馊苣z偏振激光雷達(dá)CALIOP是其搭載的最主要儀器，能提供云—?dú)馊苣z的后向散射以及它們的消光系數(shù)廓線[10]。卜令兵等[11]通過研究掃描激光雷達(dá)對(duì)云空間的分布得出結(jié)論，掃描激光雷達(dá)比傳統(tǒng)激光雷達(dá)在探測(cè)云高和云光學(xué)厚度上更加精準(zhǔn)，在云探測(cè)方面更具優(yōu)勢(shì)。本研究將利用CALIOP第二層產(chǎn)品5 km云廓線提供的數(shù)據(jù)來分析冰云退偏比的垂直廓線信息。

1.2 資料的選取

本研究所使用資料主要來源于CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星網(wǎng)站，兩者聯(lián)合反演的產(chǎn)品數(shù)據(jù)：2B-CLDCLASS-LIDAR、2B-GEOPROF、2C-ICE，其包含物理量分別是：冰云的發(fā)生率、云底和云頂高度、冰云的微物理特性(冰水含量IWC和粒子有效半徑ER)。比較毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)所用的個(gè)例為2009年8月17日和2010年5月6日南京及周邊地區(qū)上空的冰云，分析冰云宏觀物理特性所用資料為2007—2010年期間南京地區(qū)(中心經(jīng)緯度：32.044°N，118.779°E)的衛(wèi)星聯(lián)合反演的2B-CLDCLASS-LIDAR和2B-GEOPROF產(chǎn)品數(shù)據(jù)，而微觀物理特性所使用資料為2007—2010年聯(lián)合反演的2C-ICE產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

2 反演方法介紹(以反演IWC為例)

2.1 毫米波雷達(dá)反演(CloudSat方法)

CloudSat衛(wèi)星單獨(dú)反演所提供的冰云IWC數(shù)據(jù)存在于2層產(chǎn)品CloudSat-2B-CWC-RO中，其代表了冰云云體中包含的冰晶質(zhì)量，是研究冰云物理特性的重要光學(xué)參數(shù)，表達(dá)式為:

(1)

式中，V為冰云粒子體積，ρi為冰晶密度，n(L)為冰云粒子的尺度分布。

2.2 激光雷達(dá)反演(CALIPSO方法)

利用激光雷達(dá)(CALIOP)反演冰云粒子的消光系數(shù)，再通過經(jīng)驗(yàn)公式[12]得到冰云IWC的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，表達(dá)式為：

(2)

其中，σ為消光系數(shù)，C0、C1為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

2.3 聯(lián)合反演方法

CloudSat衛(wèi)星的2層數(shù)據(jù)產(chǎn)品2C-ICE為激光雷達(dá)衰減的后向散射系數(shù)和毫米波雷達(dá)的反射率因子聯(lián)合反演所得，其中包含了IWC物理量。其反演原理為：根據(jù)本地的氣候條件及其溫度變化等標(biāo)準(zhǔn)建立冰云粒子的冰水含量先驗(yàn)值，再利用先驗(yàn)值與雷達(dá)反射率因子及后向散射系數(shù)計(jì)算初始值，并與實(shí)測(cè)值相對(duì)比，通過迭代計(jì)算直到收斂獲得最接近實(shí)測(cè)值的那組IWC數(shù)據(jù)。

3 毫米波雷達(dá)(CPR)和激光雷達(dá)(CALIOP)探測(cè)結(jié)果對(duì)比

為了更加直觀了解CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星對(duì)冰云的探測(cè)和反演能力，本研究利用2009年8月17日和2010年5月6日基于兩顆衛(wèi)星資料的中國南京及其周邊地區(qū)冰云的兩個(gè)探測(cè)個(gè)例，其中包括用CloudSat衛(wèi)星和CALIPSO衛(wèi)星各自單獨(dú)反演的、綜合CloudSat和CALIPSO探測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的冰云IWC。

3.1 個(gè)例一(2009年8月17日)

圖1為2009年8月17日CPR反演的冰云反射率因子、CALIOP探測(cè)的冰云后向散射系數(shù)及冰云的光學(xué)厚度，從圖可知，云底高度都大于7 km，可以確定此云層為冰云。圖1a為雷達(dá)反射率因子，冰云云層信息大概集中在10～14 km高度之間，厚度較小，云層上部分布較為稀疏，13 km以上冰云很少，并且沒有下部平整，水平分布不連續(xù)，28.5°～29.5°N之間有斷缺。圖1b為后向散射系數(shù)，冰云信息大概集中在10～15 km高度之間，整體分布呈帶狀，14～15 km之間有較為完整的薄冰云存在，云層較厚，水平分布連續(xù)，沒有斷缺，但是冰云下部不平整。對(duì)比圖1a、1b可知，CPR探測(cè)能夠得到有效的冰云云底高度信息，而無法得到較為準(zhǔn)確的云頂高度，而CALIOP反演能夠得到有效的冰云云頂高度信息，因此，聯(lián)合兩者的探測(cè)將更為完整。圖1c為CALIOP得到的南京地區(qū)冰云的光學(xué)厚度，其中光學(xué)厚度值越大，代表冰云云層越厚，從圖中可知，一共有3個(gè)高峰值，代表對(duì)應(yīng)的緯度地區(qū)的冰云云體較厚。對(duì)應(yīng)圖1a、1b也可知，對(duì)于光學(xué)厚度小于1的區(qū)域，CPR探測(cè)結(jié)果存在明顯的信息缺失現(xiàn)象?？梢姡瑢?duì)于10 km以上的冰云，CALIOP具有較好的探測(cè)結(jié)果。Deng等[13]也根據(jù)相關(guān)研究得出，10 km以上的卷云層主要由CALIPSO可觀測(cè)到。

圖1 2009年8月17日南京及周邊地區(qū)上空的冰云物理參數(shù)分布(a)雷達(dá)反射率因子，(b)后向散射系數(shù)，(c)光學(xué)厚度Fig.1 Distribution of ice cloud physical parameters over Nanjing and surrounding areas on August 17, 2009(a) radar reflectivity factor, (b) backscatter coefficient, (c) optical thickness

圖2為2009年8月17日南京及周邊地區(qū)上空的冰云的CPR及二者聯(lián)合反演的冰云IWC，圖2a為CPR單獨(dú)反演的結(jié)果，IWC情況基本與圖1a反演的雷達(dá)反射率因子情況一致，圖2b為CALIOP單獨(dú)反演的結(jié)果，與圖1b反演后向散射系數(shù)情況一致，圖2c為聯(lián)合CPR與CALIOP探測(cè)反演的結(jié)果。對(duì)比圖2a、2b、2c可知，圖2a云層較薄，在28.5°～29.5°N之間(黑色橢圓內(nèi))有斷缺現(xiàn)象，31.5°～32°N上(紅色橢圓內(nèi))有向下突出的云信息；圖2b冰云云體較厚，云體上部分布稠密、完整，水平分布連續(xù)，無斷缺情況出現(xiàn)，但31.5°～32°N上有缺測(cè)現(xiàn)象(即紅色橢圓內(nèi)沒有向下突出的云信息)；圖2c云體厚，上部分布稠密、完整，水平連續(xù)不斷缺，紅色橢圓內(nèi)有向下突出的云信息。通過對(duì)比可知，圖2c的效果明顯比前兩者反演較好，兩者聯(lián)合反演的冰云IWC能夠結(jié)合CPR和CALIOP各自單獨(dú)反演得到的IWC信息，既能反演得到冰云上部的有效云頂高度，也能得到下部的有效云底高度，從而得到更加完整的冰云信息，因此，本研究對(duì)IWC的分析不用單獨(dú)反演的資料而使用聯(lián)合反演的資料。

圖2 2009年8月17日南京及周邊地區(qū)上空的冰云IWC：(a)CPR單獨(dú)反演，(b)CALIOP單獨(dú)反演，(c)CPR-CALIOP聯(lián)合反演Fig.2 Ice Cloud IWC over Nanjing and surrounding areas on August 17, 2009(a)CPR inversion, (b) CALIOP inversion, (c) CPR-CALIOP inversion

3.2 個(gè)例二(2010年5月6日)

圖3為2010年5月6日南京及周邊地區(qū)上空冰云CPR、CALIOP及聯(lián)合反演的冰云IWC，圖3a為CPR單獨(dú)探測(cè)反演的結(jié)果，可以看出云層下部平整，信息較為完整，上部有缺測(cè)現(xiàn)象；圖3b為CALIOP單獨(dú)反演結(jié)果，與CPR反演結(jié)果相反；圖3c為聯(lián)合反演的結(jié)果，上下部云層平整，整層冰云信息較為全面。與圖2對(duì)比可知，聯(lián)合CPR和CALIOP的探測(cè)數(shù)據(jù)能夠更全面更完整更精確地反演得到冰云IWC。故聯(lián)合使用CPR和CALIOP既能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)又能彌補(bǔ)單一儀器探測(cè)的局限性，在周期近似和水平分辨率相同的條件下，對(duì)同一云系進(jìn)行同步觀測(cè)，得到的數(shù)據(jù)能更加精確地反應(yīng)云的時(shí)空變化及其垂直廓線等相關(guān)物理特性[14-16]。

CloudSat衛(wèi)星上搭載的94 GHz的毫米波云剖面雷達(dá)(CPR)，能夠透過相對(duì)較厚的云體并探測(cè)多層云，從而獲得云體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，但是，因?yàn)樘綔y(cè)波長(zhǎng)的關(guān)系CPR能夠敏感探測(cè)到尺度較大的粒子而對(duì)探測(cè)較小粒子有一定的局限。CALIPSO上搭載的云—?dú)馊苣z偏振激光雷達(dá)(CALIOP)，其探測(cè)波長(zhǎng)較短，對(duì)相對(duì)較薄的云層和纖細(xì)的云頂比較敏感，特別適合對(duì)高空冰云的探測(cè)和研究，但是由于短波長(zhǎng)透過云層時(shí)會(huì)造成較強(qiáng)的衰減，可能出現(xiàn)激光雷達(dá)無法完全穿透較厚云體而得到完整云層信息的情況，因此CALIOP僅能探測(cè)相對(duì)較薄的云層。

圖3 2010年5月6日南京及周邊地區(qū)上空的冰云IWC：(a)CPR單獨(dú)反演，(b)CALIOP單獨(dú)反演，(c)CPR-CALIOP聯(lián)合反演Fig.3 Ice Cloud IWC over Nanjing and surrounding areas on May 6, 2010(a)CPR inversion, (b) CALIOP inversion, (c) CPR-CALIOP inversion

利用CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星聯(lián)合反演資料對(duì)南京地區(qū)的冰云的物理特性進(jìn)行分析，能夠更加全面地得到冰云的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將有助于得到該地區(qū)更精確的冰云發(fā)生率、冰水含量、粒子尺度等非常重要的云物理參數(shù)，同時(shí)對(duì)深入了解冰云的輻射強(qiáng)迫具有重要意義，從而可進(jìn)一步提高對(duì)冰云的認(rèn)識(shí)。Chan等[17]也通過對(duì)比CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星的探測(cè)分析，研究得出CPR單獨(dú)探測(cè)可能會(huì)漏掉云中尺度相對(duì)較小的過冷水云和含量相對(duì)較小的冰云，而聯(lián)合兩者的探測(cè)更為完整全面。因此，本研究對(duì)冰云物理特性的統(tǒng)計(jì)分析都將利用CloudSat和CALIPSO聯(lián)合反演的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

4 冰云的宏觀特性統(tǒng)計(jì)分析

4.1 冰云發(fā)生率

不同種類的云發(fā)生概率在一定程度上反應(yīng)和影響著當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓癄顩r，同時(shí)也對(duì)研究氣候系統(tǒng)的輻射能量收支具有重要的意義。從圖4可知，2007年和2009年的夏季冰云發(fā)生率明顯高于其他季節(jié)，其中，2007夏季最大發(fā)生率為15.47%左右，2009年夏季概率值為16.15%左右。2008年春季(12.54%)和夏季(12.20%)發(fā)生率大致相同，2010年春季發(fā)生率明顯高于其他季節(jié)，約為13.0%。在2007—2010年的年際變化中，春秋季的冰云發(fā)生率逐年上升，而夏季的發(fā)生率隨年份呈現(xiàn)先減少，后增加，再減少的趨勢(shì)，冬季的發(fā)生率則先增大，后減小，再增大。通過統(tǒng)計(jì)可知，2007—2010年期間的冰云發(fā)生率分別33.51%、38.94%、35.89%、35.58%，發(fā)生率隨年份呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢(shì)，2008年為4 a中冰云發(fā)生率最大的一年。其中，2007—2010年春夏季的發(fā)生率分別為24.91%、24.74%、29.30%、21.68%，2009年春夏季發(fā)生率最高，2010年最低。冰云的每年春夏季發(fā)生率都比秋冬季要高，有研究表明，其原因與季風(fēng)的發(fā)生和水汽條件有關(guān)，即與南京的氣候條件相關(guān)。南京市屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明：春季風(fēng)和日麗；夏季炎熱，雨量充沛，初夏受鋒面雨帶影響，南京進(jìn)入梅雨季節(jié)，降雨明顯增多；秋季干燥涼爽；冬季受歐亞大陸氣團(tuán)影響，天氣晴朗、寒冷、干燥。

圖4 2007—2010年南京地區(qū)不同季節(jié)的冰云發(fā)生率Fig.4 Ice cloud incidence in different seasons in Nanjing from 2007 to 2010

4.2 云底和云頂高度分布

圖5為2007—2010年每年南京地區(qū)的冰云云底高度在不同高度范圍內(nèi)(7～17 km)的出現(xiàn)概率，高度的間隔為1 km(下同)。從圖可知，4 a不同高度范圍內(nèi)的云底高度發(fā)生率都不超過30%。2007年、2008年、2009年的冰云云底高度最高概率均發(fā)生在7～8 km范圍內(nèi)，2008年概率最大，概率值為29.34%，而2010年的最高概率發(fā)生在8～9 km高度范圍內(nèi)，概率值為21.38%。在16～17 km范圍內(nèi)，2008年與2010年幾乎沒有冰云存在。因此，2007—2010年的云底高度主要分布在7～8 km之間，冰云云底高度的概率整體上均隨著高度升高呈逐漸減少的趨勢(shì)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，2007—2010年的冰云云底高度平均值分別為9.809 5 km、9.438 2 km、10.065 0 km、9.899 0 km，云底高度平均值最大值出現(xiàn)在2009年，最小值出現(xiàn)在2008年，平均值隨年份呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì)。

圖5 2007—2010年南京地區(qū)冰云云底高度在不同范圍內(nèi)的概率Fig.5 Probability of the height of the cloud cloud bottom in different regions in Nanjing from 2007 to 2010

圖6表示2007—2010年南京地區(qū)冰云云頂高度在不同高度范圍內(nèi)(8～19 km)出現(xiàn)的概率，對(duì)比圖5的云底高度可知，云頂高度在高度上的概率分布并非隨高度上升而一直減少，不同年份的最高概率值出現(xiàn)在不同區(qū)間內(nèi)，但都不會(huì)超過12 km，主要分布在8～12 km之間。2008年和2009年都有一個(gè)明顯的波峰，2008年出現(xiàn)在11～12 km高度范圍內(nèi)，概率值約為22.92%，2009年出現(xiàn)在9～10 km高度上，概率值約為23.92%，明顯比其他高度范圍高，隨后冰云云頂高度的出現(xiàn)概率整體隨高度升高而減小。2007年的冰云云頂高度概率整體上隨高度升高而減小，最大概率出現(xiàn)在8～9 km高度內(nèi)，概率值約為18.47%；2010年的最大概率出現(xiàn)在10～11 km高度范圍內(nèi)，概率值約為16.92%，隨后出現(xiàn)在8～9 km之間，概率值為15.76%。另外，在18～19 km范圍內(nèi)，冰云云頂高度幾乎為0，即說明2007—2010年期間南京地區(qū)19 km以上高度幾乎沒有冰云存在。2007—2010年冰云云頂高度平均值分別為11.276 3 km、11.068 7 km、11.685 3 km、11.663 0 km，大致位于對(duì)流層底部，云頂高度與云底高度一樣，平均值最大值出現(xiàn)在2009年，最小值為2008年，平均值變化趨勢(shì)與云底高度一致。

圖6 2007—2010年南京地區(qū)冰云云頂高度Fig.6 Ice cloud cloud top height in Nanjing from 2007 to 2010

根據(jù)李特[18]等分析華北地區(qū)冰云分布特征表明，冰云出現(xiàn)的高度與氣溶膠的光學(xué)厚度有關(guān)聯(lián)，氣溶膠粒子通過大氣垂直上升運(yùn)動(dòng)被輸送到對(duì)流層不同高度，凝結(jié)形成冰核，將導(dǎo)致冰云分布高度的不同。冰云云頂高度不同年份表現(xiàn)不同，可能與當(dāng)時(shí)的天氣狀況和氣溶膠粒子的分布有一定關(guān)系。

5 冰云的微觀物理統(tǒng)計(jì)分析

5.1 冰水含量(IWC)

IWC反應(yīng)的是云體中冰晶的質(zhì)量，是研究冰云微物理特性的重要物理參量之一。從圖7可知，每年冰云粒子的冰水含量值在0～0.090 g/m3之間都有分布，而最高概率值分布在0～0.005 0 g/m3范圍內(nèi)，2007年(53.05%)和2009年(53.81%)都超過了50%，2008年和2010年出現(xiàn)的概率分別為43.60%、47.36%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，冰水含量值在0～0.050 g/m3內(nèi)冰云粒子出現(xiàn)的概率為93.2%，在0.050～0.090 g/m3范圍內(nèi)出現(xiàn)概率為5.9%，大于0.090 g/m3的出現(xiàn)概率為0.8%。因此，2007—2010年期間，冰云粒子的冰水含量值大小與其分布出現(xiàn)的概率呈負(fù)相關(guān)，即冰水含量值越小，冰云粒子出現(xiàn)的概率越大，這種情況與IWC隨高度的分布以及其粒子有效半徑有關(guān)。

2007—2010年期間IWC的平均值分別為0.012 84 g/m3、0.016 46 g/m3、0.012 33 g/m3、0.015 25 g/m3， 2008年最大，而2009年最小，平均值的變化隨年份呈先增加后減少再增加的趨勢(shì)。

圖7 2007—2010年南京地區(qū)冰云冰水含量的范圍統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics on the range of ice cloud ice water content in Nanjing from 2007 to 2010

5.2 粒子有效半徑(ER)

根據(jù)圖8可知，ER值在0～90.0 μm之間均有分布，每年南京地區(qū)冰云的ER在中間某個(gè)范圍段的數(shù)量占了絕大部分，而范圍較小或較大的冰云粒子數(shù)量相對(duì)較少。2007年和2008年的冰云ER變化趨勢(shì)大體相同，而2009年和2010年變化趨勢(shì)較為一致。每年的冰云粒子有效半徑值都有一個(gè)明顯的波峰，其中，2007年和2008年出現(xiàn)在30.0～40.0 μm范圍內(nèi)，概率值分別為25.48%、25.79%，而2009年的波峰出現(xiàn)在40.0～50.0 μm范圍內(nèi)，概率值為21.11%，2010年則出現(xiàn)在20.0～30.0 μm范圍內(nèi)，概率值為21.59%。其中，大于90.0 μm的大冰云粒子概率也不足1%，幾乎為0。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冰云粒子有效半徑在高緯度地區(qū)的低空層，最大可達(dá)200 μm以上[5]。因此，可以看出，冰云ER主要集中在20.0～50.0 μm范圍內(nèi)，ER值大小與其出現(xiàn)的概率之間的關(guān)系可以總結(jié)為：隨著有效半徑的增大，冰云粒子出現(xiàn)的概率先遞增后遞減。

2007—2010年冰云ER的平均值分別為43.599 2 μm、43.526 5 μm、37.059 0 μm、38.321 2 μm，冰云ER的平均值隨年份呈逐漸遞減的趨勢(shì)，其中，2007年平均值均最大，而2009年的平均值最小。

圖8 2007—2010年南京地區(qū)冰云粒子有效半徑范圍統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of effective radius range of ice cloud particles in Nanjing from 2007 to 2010

6 結(jié)論

本研究利用CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星聯(lián)合反演的觀測(cè)資料分析了2007—2010年期間南京地區(qū)的冰云相關(guān)物理特性，得出了以下結(jié)論：

①CloudSat衛(wèi)星搭載的毫米波雷達(dá)(CPR)、CALIPSO衛(wèi)星搭載的偏振激光雷達(dá)(CALIOP)是目前探測(cè)冰云的兩種重要的遙感探測(cè)方式，兩者各自單獨(dú)反演能夠得到部分有效層云信息，但是不夠完整，而聯(lián)合兩者的探測(cè)及反演結(jié)合了各自的優(yōu)勢(shì)，又相互彌補(bǔ)不足之處，得到的冰云信息更為準(zhǔn)確，對(duì)冰云的研究也更精確。

②在宏觀物理特性中，2007—2010年期間的冰云發(fā)生率隨年份先遞增后遞減的趨勢(shì)，發(fā)生率最大為2008年，每年春夏季發(fā)生率均比秋冬季要高。云底高度主要分布在7～8 km內(nèi)，最高概率出現(xiàn)在2009年的7～8 km范圍內(nèi)，云頂高度主要分布在8～12 km，最高概率也是出現(xiàn)在2009年的9～10 km內(nèi)；云底高度的概率整體上均隨著高度升高呈逐漸減少的趨勢(shì)；云底和云頂高度的最大平均值都出現(xiàn)在2009年，分布為10.07 km、11.69 km。

③在微觀物理特性中，冰云粒子IWC值的大小與其出現(xiàn)的概率呈負(fù)相關(guān)；冰云冰水含量的最高概率值分布在0～0.005 0 g/m3范圍中；4 a平均值分別為0.012 84 g/m3、0.016 46 g/m3、0.012 33 g/m3、0.015 25 g/m3，在2008年達(dá)到最大。ER主要集中分布在20.0～50.0 μm范圍內(nèi)，2007年最大，2009年最??；冰云粒子出現(xiàn)的概率隨著有效粒子半徑的增大呈先遞增后遞減的趨勢(shì)。