基于CloudSat探測的遼寧地區(qū)夏季云系特征

潘 曉，李得勤，公 穎，徐 迪，白 華，崔 錦

（1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，東北冷渦研究重點開放實驗室，遼寧 沈陽 110166；2.遼寧省氣象災害監(jiān)測預警中心，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省沈陽市氣象局，遼寧 沈陽 110168）

引 言

云在全球能量平衡和水循環(huán)中扮演著重要角色，是影響天氣和氣候變化的重要因子［1－4］。研究表明，單層和多層云系的熱動力和微物理過程不同，造成的輻射強迫和氣候反饋不同［5－6］，模式中假定的云層不同，其對模擬結果有重要影響［7－8］。因此，了解單層和多層云系的垂直結構及微物理結構特征對于數(shù)值天氣預報和氣候預測具有重要意義。

目前，衛(wèi)星遙感技術已成為研究云結構的重要手段，其中較為常見的衛(wèi)星云數(shù)據(jù)主要來源于中分辨率成像光譜儀（MODIS）和國際衛(wèi)星云氣候計劃（ISCCP）［9－11］。然而，傳統(tǒng)的衛(wèi)星僅能探測云頂信息，且對云量的估計和地面站觀測存在一定差異［12－13］，對云的三維結構和微物理結構的探測也具有很大局限性，尤其對于多層云系。CloudSat上搭載的首部星載云探測雷達（cloud profile radar，CPR），能夠探測云的三維結構，為探究多層云系特征提供了新的機遇。該資料同機載雷達和船載雷達相比具有較好的一致性［14－15］，被廣泛應用于天氣預報和氣候變化研究中。

基于CloudSat數(shù)據(jù)產(chǎn)品的云特征研究表明，全球有云發(fā)生的概率為50.6%，多層云系占17%［16］，云量高值區(qū)主要分布在對流發(fā)展旺盛的區(qū)域［17］，多層云系和不同云類型的分布存在顯著的區(qū)域差異和季節(jié)變化特征［18－23］，如中國西北地區(qū)夏季以積狀云發(fā)展為主，冬、春季則以層狀云發(fā)展為主［22］，而青藏高原及周邊地區(qū)單層云發(fā)生概率均高于多層云（高原南坡除外）［23］。對云垂直結構研究發(fā)現(xiàn)，東亞地區(qū)云層厚度主要為1～3 km，且夏季大于冬季［24］。云的微物理參數(shù)決定其光學參數(shù)［25］，因此云的粒子數(shù)密度、有效半徑及云水路徑、云水含量等微物理參數(shù)和光學參數(shù)也存在顯著的時空變化［25－29］，如高原及周邊地區(qū)總云水路徑的大值區(qū)主要分布在西南坡和東南部，而低值區(qū)主要位于昆侖山脈、祁連山脈及其以北地區(qū)［27］。然而，現(xiàn)有的研究多集中在多層云系的云量和整層大氣云微物理參數(shù)的時空分布特征，而對多層云系不同云層的垂直結構、云類組成、微物理量結構及相應的環(huán)境溫濕特征認識還很有限。為此，本文基于2B－GEOPROF－LIDAR產(chǎn)品，對遼寧地區(qū)夏季單層和多層云系各云層的宏觀垂直結構、云類組成、微物理結構及相應的環(huán)境溫濕特征進行統(tǒng)計分析，以期為遼寧地區(qū)數(shù)值天氣預報和氣候預測中云微物理方案的改進和人工影響天氣作業(yè)提供一定參考。

1 資料和方法

使用了CloudSat數(shù)據(jù)中心在線提供的2BGEOPROF、2B－CLDCLASS、2B－GEOPROF－LIDAR和2B－CWC－RO四種標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品和ECMWF－AUX輔助數(shù)據(jù)產(chǎn)品（http：／／cloudsat.atmos.colostate.edu／data），主要云參量見表1。CloudSat上搭載的CPR工作頻率是94 GHz，每條探測軌道有36 383個像素點，像素的星下點沿軌和跨軌分辨率分別為2.5和1.4 km，垂直分辨率是500 m；每條垂直廓線有125層，分辨率為240 m。“A－列車”衛(wèi)星群是由 CloudSat、CALIPSO、PARASOL、Aqua和Aura共同組成，并將衛(wèi)星群中多儀器探測的數(shù)據(jù)及再分析數(shù)據(jù)進行融合反演，從而得到各種云數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

表1 CloudSat數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供的主要云參量Tab.1 The main cloud parameters of CloudSat data products

為了同時獲得研究區(qū)內(nèi)同一塊云的宏觀特征、微物理結構和大氣溫濕特征，將研究區(qū)域內(nèi)5種數(shù)據(jù)相同軌道同一星下點的云參量進行匹配，得到云廓線相應的云參量融合數(shù)據(jù)，包括時間、經(jīng)緯度、海拔高度、垂直高度、云雷達反射率因子、云判別數(shù)據(jù)（cloud＿mask）、云層數(shù)、各層云頂高度、各層云底高度、冰／水粒子數(shù)密度、冰／水粒子有效半徑、冰／液態(tài)水含量、冰／液態(tài)水路徑、大氣溫度、比濕和氣壓等。其中，cloud＿mask越大，CPR探測回波的可靠性越大［30］。

CPR探測的雷達回波最小約為－29 dBZ［18］，因此判別云的條件為：雷達反射率因子大于等于－29 dBZ且cloud＿mask大于等于20。由于CPR受地表反射雜波的影響，對接近地面的云不能進行有效探測，因此對云變量垂直廓線的統(tǒng)計限定在近地面 0.5 km以上［26］。

云發(fā)生概率定義為探測到的有云廓線數(shù)占總廓線數(shù)的百分比［21］，其中各高度上的云概率則為對應高度上探測到的有云廓線與總探測廓線的百分比。為方便描述，單層云系用S（single）代表；雙層云系用D（double）代表，上下層分別為D1和D2；三層云系用T（triple）代表，由上到下分別表示為T1、T2和T3［17］。

等頻率高度圖（contoured frequency by altitude diagrams，CFAD），定義為雷達回波強度在各高度上出現(xiàn)的頻次［31］，用來表示云的垂直結構。NCFAD是在CFAD的基礎上，將各高度的頻次以最大頻次標準化得到［32］。

圖1是2008年7月5日遼寧及周邊地區(qū)一次強對流天氣過程的云類型及云層分布?？梢姡舜芜^程深厚的對流云發(fā)展旺盛，云頂高度約14 km，降水云云底接近地面，周邊常伴有云砧（卷云）；在多層云系中，上層多為卷云，且與高層云和高積云組合出現(xiàn)?？梢姡珻loudSat的云參量融合數(shù)據(jù)能夠很好地反映云類型及云層分布，該數(shù)據(jù)集具有較高的可靠性。

圖1 遼寧及周邊地區(qū)2008年7月5日一次強對流天氣過程的云類型和相應的云層（a）及地形高度（b，單位：km）分布（棕色實線為CPR探測軌跡）Fig.1 The distribution of cloud types and corresponding layer number during the strong convection process observed by CPR on 5 July 2008（a）and elevation（b，Unit：km）over Liaoning and its neighborhood（the brown solid line for the detection trajectory of CPR）

2 結果與分析

2.1 云分布特征

云量是云宏觀特征中的重要參量，其變化能夠直接改變局地大氣輻射收支平衡。表2是2007—2010年夏季（6—8月）遼寧地區(qū)不同層云系的發(fā)生概率?？梢钥闯觯?007—2010年夏季CPR在遼寧地區(qū)總的探測廓線為35 584，其中有云的探測廓線為25 852，云概率為72.65%，主要由單層云系組成（51.26%），其次為雙層云系（18.44%）和三層云系（2.78%）。由于三層以上云系的云廓線數(shù)過少（59條），為確保結果具有統(tǒng)計意義，只對三層及以下的云系特征進行研究。

表2 2007—2010年遼寧地區(qū)夏季云及不同層云系的廓線數(shù)和發(fā)生概率Tab.2 The profile number and occurrence probability of total cloud and different layers cloud over Liaoning Province in summer during 2007－2010

圖2是遼寧地區(qū)夏季不同層云系云概率的垂直廓線?？梢钥闯?，單層云的云概率隨高度降低先增大后減小，在9 km高度達到峰值（18%），而在近地面2 km處有一小波動，且云頂高度最高約為15 km［圖2（a）］。雙層云中［圖2（b）］，D1的云概率隨高度變化呈典型的單峰分布，在9.5 km達到峰值，云概率約為5.4%，且云頂最大高度低于單層云，約為14 km，云底最低高度為4 km；D2的云概率隨高度變化也呈單峰分布，只是波峰存在多個小的波動，其主要分布在2～6 km，云頂最高高度較D1低，約為11 km，且云底最低高度也較D1低。三層云中［圖2（c）］，T1、T2和 T3的云概率隨高度變化表現(xiàn)出不同的分布特征，T1和T3呈單峰分布，而T2呈雙峰分布，分別在10、6和2 km處達到最大，且云頂最高高度和云底最低高度由上至下依次降低，其中T1的云頂最高高度也較單層云的低，為14 km。

不同類型云的垂直結構和微物理特征差異顯著。2B－CLDCLASS依據(jù)云的水平垂直尺度特征、云相態(tài)、是否有降水、雷達最大反射率因子以及ECMWF的溫度廓線等信息，將云分為8種基本云類：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）和深對流云（Dc）［18］。由于 CPR受近地面回波干擾，對 St統(tǒng)計的概率非常?。?］，因此該類型不作分析。

圖3是遼寧地區(qū)夏季各層云系不同類型云的云概率垂直廓線分布。對于單層云［圖3（a）］，Ci和As所占比例最大，其次為Dc和Ac。其中，Ci主要分布在8～12 km高度，峰值（31%）出現(xiàn)在10 km高度附近；As主要分布在4～10 km高度，峰值（29%）位于6.5 km高度附近；Dc分布范圍最寬，云頂高度可達15 km，云體較厚，降水云底接近地面；相對Dc，Ns發(fā)生概率較小，約為Dc的30%，云頂高度最高為12 km，表明單層云系的降水云多以Dc為主；Cu概率最小，可能與CPR不能識別近地面和較薄的云有關［18］。對于多層云系，上層云（D1和T1）主要由Ci構成，其次為As和Ac，且隨著云層數(shù)增加，Ci所占比例增大；中層云T2主要由Ac和As組成，其次是Ci，且T2的Ci和As云層厚度小于T1；下層云D2主要由As、Ac和Sc組成，其次為Dc、Ns和Ci，Cu所占比例最小，降水多發(fā)生在下層云中，而T3主要以 Sc為主，其次為 As和 Ac，云層厚度較薄。

圖2 2007—2010年夏季遼寧地區(qū)不同層云系云概率的垂直廓線（a）單層云，（b）雙層云，（c）三層云Fig.2 The vertical profiles of cloud occurrence probability for different cloud layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（a）single－layer cloud，（b）double－layer cloud，（c）triple－layer cloud

圖3 2007—2010年夏季遼寧地區(qū)各層云系不同云類型云概率的垂直廓線（a）S，（b）D1，（c）D2，（d）T1，（e）T2，（f）T3Fig.3 The vertical profiles of cloud occurrence probability of different types for different clould layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（a）S，（b）D1，（c）D2，（d）T1，（e）T2，（f）T3

2.2 云垂直結構特征

圖4是遼寧地區(qū)夏季各層云系反射率因子的NCFAD分布。可以看出，單層云的CPR回波頂高度約為15 km，回波強度最大可達20 dBZ，回波強度集中在－20～10 dBZ之間，頻次高值區(qū)分布在8～11 km高度，其回波強度為－18～－8 dBZ，該范圍內(nèi)云系主要由Ci和As組成，云粒子多由較小的冰晶構成［圖4（a）］。另外，強回波區(qū)域（0～15 dBZ）主要由Dc組成，在5 km以上的回波強度隨著高度降低迅速增強，可能是冰粒子在下降過程中發(fā)生了碰并增長［20］；在5 km以下的云粒子主要由水粒子組成，回波強度隨高度降低而減小，可能是水粒子在下降過程中發(fā)生了蒸發(fā)或破碎。對于雙層云，D1的CPR回波頂高度約為14 km，回波強度最大約為10 dBZ，－30～－10 dBZ的回波出現(xiàn)頻次較高，分布在8～12 km高度，該范圍內(nèi)主要由Ci組成，回波強度較單層云小，Ci的粒子半徑小于As［圖4（b）］，這與譚瑞婷等［17］的結論一致。另外，在7 km高度以下主要由As組成，其回波頻次分布較為均勻，表明As粒子的譜分布較寬。D2的回波頂高約為11 km，回波強度最大為15 dBZ，－30～－25 dBZ的回波出現(xiàn)頻次較高，分布在1～5 km高度范圍內(nèi)，相應的云類別為Ac［圖4（c）］，可見Ac云粒子半徑較小。對于三層云［圖4（d）、圖4（e）和圖4（f）］，T1的NCFAD分布與D1相似，但回波強度相對較小，這與T1中Ci比例增加、As比例減小有關；T2和T1分布類似，回波集中在3～10 km高度，回波強度有所加強；T3回波的頻次分布較為均勻，集中在5 km以下，多由Sc組成，表明Sc粒子譜分布較寬。

圖4 2007—2010年夏季遼寧地區(qū)各層云系反射率因子的NCFAD分布（a）S，（b）D1，（c）D2，（d）T1，（e）T2，（f）T3Fig.4 The NCFAD of reflectivity factor for different cloud layers over Liaoning Province in summer from 2007 to 2010（a）S，（b）D1，（c）D2，（d）T1，（e）T2，（f）T3

另外，對云頂高度、云底高度、云層厚度和相鄰云層間距（cloud layers distance，CLD）進行了統(tǒng)計（圖5）?？梢钥闯觯瑔螌釉破骄祈?、云底高度分別為8.86、5.6 km，云層厚度平均為 3.27 km，大于多層云系中各云層的平均厚度；雙層云中，D1的平均云頂、云底高度分別為10.70、8.49 km，云層厚度為2.21 km，而D2的平均云頂、云底高度分別為4.78、2.93 km，云層厚度為1.85 km，較 D1薄；三層云中，T1、T2和 T3的平均云頂高度分別為11.62、7.32和3.51 km，云底高度分別為 10.08、6.08和 2.31 km，云層厚度自上而下依次減小，分別為1.55、1.24和1.20 km，表明Ci平均厚度大于 As和 Ac，Sc最小。由于夏季深厚對流云發(fā)生時常伴有云砧的生成，且CPR對較薄的卷云難以識別，因此Ci的平均厚度較大。相鄰的CLD與云和降水的發(fā)展有一定的關系［33］，雙層云的 CLD平均為 3.71 km，大于三層云云系（上層和中層2.76 km，中層和下層2.57 km）。

圖5 2007—2010年夏季遼寧地區(qū)各層云系的平均云底高度（黑色值）、云頂高度（黑色值）和云層厚度（紅色值）及CLD（綠色值）（單位：km）Fig.5 The average cloud base height（black values），cloud top height（black values），cloud layer thickness（red values）and CLD（green values）（Unit：km）for different layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010

2.3 云微物理結構特征

研究云的微物理結構，對進一步了解云微物理過程、降水效率、云輻射強迫作用及改進數(shù)值天氣預報和氣候模式極為重要［8］。圖6為單層和多層云系的粒子數(shù)密度（冰粒子數(shù)密度Ni、水粒子數(shù)密度Nl）與高度的聯(lián)合概率密度分布，發(fā)現(xiàn)冰粒子主要分布在4 km高度以上，水粒子主要出現(xiàn)在9 km高度以下，超過0℃層的水粒子主要由過冷水滴組成。對于單層云S，Ni最大可達550 L－1，其中在4～7 km高度內(nèi)，隨著高度升高Ni逐漸增加；在7～13 km高度，Ni的平均廓線基本不變，約為150 L－1；在13 km高度以上主要為Dc，Ni隨高度升高而增加。對于多層云系中各云層，Ni平均廓線分布類似于S，但斜率和值相對較小，且雙層云大于三層云，下層云大于上層云，表明Sc大于 As（Ac），Ci最小。無論是單層云，還是多層云，Nl主要分布在0～80 cm－3范圍內(nèi)，從4 km高度至近地面Nl基本無變化，而在4 km高度以上隨著高度升高迅速減小。

圖7是單層和多層云系的云水含量（云的冰水含量IWC、液態(tài)水含量LWC）與高度的聯(lián)合概率密度分布?？梢钥闯?，對于單層云S，IWC最大超過1200 mg·m－3，低值出現(xiàn)的頻次較高，主要分布在8～11 km高度，該高度范圍內(nèi)Ci發(fā)生概率最大，表明Ci的IWC一般小于200 mg·m－3；IWC平均廓線表明，在4 km高度以上隨著高度升高IWC先增大后減小，在7 km處達到峰值（150 mg·m－3），這同楊大生等［26］在中國高緯度地區(qū)夏季6 km以上平均IWC隨著高度增加呈減少趨勢一致。由于Dc主要存在于S中，因此S的IWC和LWC平均廓線值高于多層云。對于多層云系，下層云的平均IWC大于上層云，且雙層云大于三層云，這與組成云系的類別有關。另外，各層云系的LWC均在近地面達到最大，且雙層云系大于三層云系，下層大于上層，即Sc大于 As（Ac），Ci最小。

云的冰水路徑和液態(tài)水路徑分別表征著整層大氣中云的冰水和液態(tài)水含量總和。夏季遼寧地區(qū)上空單層云系的冰水路徑（269.05 g·m－2）大于多層云系，雙層云系（122.47 g·m－2）大于三層云系（67.61 g·m－2），而液態(tài)水路徑各層云系差異較小，單層、雙層和三層云系依次為 212.02、209.38和208.16 g·m－2（表略）。

圖6 2007—2010年夏季遼寧地區(qū)各層云系冰粒子數(shù)密度（上）、水粒子數(shù)密度（下）與高度的聯(lián)合概率密度分布（單位：%）（黑色實線為平均廓線，下同）Fig.6 The joint probability density distribution of ice particle number density（the top），water particle number density（the bottom）and height for different cloud layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（Unit：%）（The black solid line represents average profile，the same as below）

圖7 2007—2010年夏季遼寧地區(qū)各層云系冰水含量（上）、液態(tài)水含量（下）與高度的聯(lián)合概率密度分布（單位：%）Fig.7 The joint probability density distribution of ice water content（the top），liquid water content（the bottom）and height for different cloud layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（Unit：%）

研究云滴的有效半徑對深入了解云的微物理過程具有重要意義。從圖8看出，冰粒子有效半徑（IR）主要分布在30～160μm范圍內(nèi)，其中8～12 km高度的IR相對較小，主要分布在40～90μm之間，表明Ci粒子半徑較小，與前文結論一致。對于單層云S，IR平均廓線隨高度降低逐漸增大，表明云中的冰粒子在下降過程中存在碰并增長過程。對于多層云系，IR平均廓線值低于S，且三層云系小于雙層云系，上層小于下層，同云水含量和粒子數(shù)密度的變化特征相同。水粒子有效半徑（LR）主要分布在3～25μm范圍內(nèi)，大值區(qū)主要位于近地面，對應云水含量的大值區(qū)，且在2～8 km高度范圍內(nèi)LR隨高度變化不大，約為10μm。

2.4 環(huán)境溫濕特征

圖9是夏季遼寧地區(qū)平均比濕廓線和不同層云系下比濕距平廓線?？梢钥闯?，水汽在近地面最大約為12 g·kg－1，且隨著高度升高迅速減小。在晴空條件下，大氣比濕距平為負，近地面約為－1 g·kg－1；在有云條件下，比濕距平為正，表明大氣中水汽較無云時多，且云層數(shù)越多，水汽越充足。

圖8 2007—2010年夏季遼寧地區(qū)各層云系冰粒子（上）、水粒子（下）有效半徑與高度的聯(lián)合概率密度分布（單位：%）Fig.8 The joint probability density distribution of effective radius of ice particle（the top），water particle（the bottom）and height for different cloud layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（Unit：%）

圖9 2007—2010年夏季遼寧地區(qū)比濕平均廓線（a）和不同層云系下比濕距平廓線（b）Fig.9 The vertical profile of average specific humidity（a）and specific humidity anomaly of cloud with different layers（b）over Liaoning Province in summer during 2007－2010

夏季，云在白天和夜晚的輻射強迫不同，因此統(tǒng)計了白天和夜晚平均近地面溫度及各層云系下近地面溫度距平（表3），發(fā)現(xiàn)，在白天，近地面溫度有云時比平均值低0.47 K，且多層云系降溫效果大于單層云系，降溫幅度可達1 K，而晴空時則比平均值高1.31 K，表明白天云反射太陽短波輻射的冷卻作用大于長波輻射加熱作用；在夜晚，云對地面輻射強迫只限于紅外部分，有云時較平均值高0.13 K，且隨云層數(shù)增加增溫作用越明顯，而晴空時則低于平均值0.32 K。值得注意的是，由于深厚對流云主要發(fā)生在單層云中，且發(fā)生時近地面溫度降低，因此單層云夜晚近地面溫度距平接近0 K。

表3 2007—2010年夏季白天和夜晚遼寧地區(qū)近地面平均溫度和各層云系下近地面溫度距平Tab.3 The average value of near－surface temperature and its anomaly under different cloud layers conditions in the daytime and nighttime of summer during 2007－2010 over Liaoning Province單位：K

3 結 論

（1）夏季遼寧地區(qū)云概率為72.65%，主要由單層云組成（51.26%），其次為雙層云（18.44%）和三層云（2.78%）。單層云系主要由Ci和As組成，其次是Ac和Dc。多層云系的上層以Ci為主，雙層云的下層主要由Ac、As和Sc組成，少部分由Ns和Dc組成，而三層云多以中層為As或Ac、下層為Sc的組合出現(xiàn)。單層降水云主要以Dc為主，Ns多發(fā)生在單層云和雙層云的下層中。

（2）夏季遼寧地區(qū)云頂最大高度約15 km，單層云出現(xiàn)在7～11 km高度的頻率大，主要由粒子較小的Ci和As組成，且強回波區(qū)域主要由Dc組成，回波強度隨著高度的升高先增大后減小，峰值在5 km高度附近。多層云系中各云層的回波強度均較單層云低，下層強于上層，且隨著云層數(shù)的增加云層厚度、相鄰云層間距逐漸減小。

（3）對于單層云，Ni隨高度升高而增大，但7～13 km范圍變化不大，而Nl在4 km高度以下變化不大，在4 km以上則隨著高度的升高逐漸減小；IWC隨著高度升高先增大后減小，在7 km處達到峰值，而LWC則隨著高度的升高而減小，在近地面最大；IR隨著高度的升高逐漸減小，大值區(qū)主要在近地面。多層云系中各層的云微物理量垂直廓線分布同單層云類似，但值相對較小，且上層小于下層，這與組成云層的類型有關，其中Dc的粒子半徑、云水含量和粒子數(shù)密度最大，其次為Sc和As（Ac），Ci最小。單層云系的冰水路徑大于多層云系，而液態(tài)水路徑各層云系差異較小。

（4）有云條件下的比濕較晴空時大，大氣中水汽更充足，且多層云系水汽比單層云系更豐富。云在白天和夜晚的平均輻射強迫效應不同，白天有云時近地面溫度降低，夜晚則相反。