中國(guó)及周邊地區(qū)多層云垂直結(jié)構(gòu)時(shí)空分布特征

馮 曉 ,蔡宏珂 ,衡志煒

（1.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072；2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；3.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072）

引言

眾所周知，在地球-大氣系統(tǒng)中，云的輻射作用不可忽視。國(guó)際衛(wèi)星云氣候?qū)W計(jì)劃（International Satellite Cloud Climatology Project，簡(jiǎn)稱ISCCP）的衛(wèi)星和地面觀測(cè)資料顯示，現(xiàn)階段全球范圍內(nèi)云的平均覆蓋率分別達(dá)到了67%和62%[1?2]。自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，云自身及其在大氣模型相關(guān)過(guò)程中的重要性一直備受關(guān)注[3]。

在云的宏觀特征中，云的垂直結(jié)構(gòu)（cloud vertical structure，簡(jiǎn)稱CVS）?多層云系統(tǒng)主要在鋒面活動(dòng)以及熱帶深對(duì)流的鄰近區(qū)域發(fā)生頻率相對(duì)較高，它在很大程度上影響著地-氣系統(tǒng)的能量收支平衡，而輻射能的收支分布是大氣和海洋運(yùn)動(dòng)必不可少的動(dòng)力來(lái)源。不同高度云的輻射作用不同，通常低云的反射率效應(yīng)起冷卻作用，而高云的溫室效應(yīng)對(duì)地-氣系統(tǒng)的加熱作用比較明顯[3?4]?；诖?，在不同的大尺度模式中，云的垂直分布特征對(duì)氣候模式的模擬精度有非常重要的影響。例如，已有研究[5]指出，在云垂直結(jié)構(gòu)分布中，云層之間重疊的現(xiàn)象會(huì)給確定IWP（Ice Water Path）的分布造成很大困難，主要原因就是長(zhǎng)期以來(lái)衛(wèi)星對(duì)云的反演建立在均一單層云假定基礎(chǔ)上，而沒(méi)有考慮到云層重疊的普遍發(fā)生及其對(duì)地-氣系統(tǒng)輻射平衡的影響，由此導(dǎo)致云的微物理特性反演出現(xiàn)較大誤差。針對(duì)多層云的輻射效應(yīng)，諸多研究做出了不同的重疊假設(shè)，但是相關(guān)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)顯示，不同的云重疊假設(shè)會(huì)對(duì)大尺度天氣模式產(chǎn)生不同程度的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差[6?8]。王天河等[9]利用2007～2010年的觀測(cè)資料，研究了不同類型云對(duì)天頂處輻射通量的影響，并且根據(jù)云的實(shí)際分布，評(píng)估了全球不同類型云系統(tǒng)對(duì)輻射能量平衡的影響，特別以層積云和高云共存的多層云系統(tǒng)為例，初步討論了多層云系統(tǒng)對(duì)輻射能量平衡的作用。Wang等[10]通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)初步分析了云垂直結(jié)構(gòu)對(duì)大尺度環(huán)流的影響。

由于云特性及其輻射效應(yīng)具有較強(qiáng)的時(shí)空變化特征，傳統(tǒng)觀測(cè)資料很難反映云的垂直結(jié)構(gòu)信息，尤其是在多層云出現(xiàn)時(shí)，不能準(zhǔn)確把握多層云的內(nèi)部情況。因此，應(yīng)用新型探測(cè)儀器的高精度數(shù)據(jù)，深入分析不同高度多層云的時(shí)空演變特征，獲取更精確且完整的云垂直結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文將采用2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷達(dá)1km水平分辨率的云層產(chǎn)品（CAL_LID_L2_01kmCLay-Standard-V4-10），研究東亞地區(qū)多層云在不同高度上的分布特征及季節(jié)變化規(guī)律，以期獲取更精確的云垂直結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，進(jìn)而為改進(jìn)大氣模式相關(guān)物理過(guò)程提供科技支撐。

1 資料及方法

1.1 資料來(lái)源

研究選用了CALIPSO主動(dòng)遙感探測(cè)衛(wèi)星4.0版本的2級(jí)云層產(chǎn)品（Cloud Layer Products），水平分辨率較高且時(shí)段較長(zhǎng)。CALIPSO衛(wèi)星是美國(guó)NASA與法國(guó)國(guó)家航天中心（CNES）合作實(shí)施的“云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者衛(wèi)星觀測(cè)”計(jì)劃的探測(cè)器之一。其主要任務(wù)是提供全球云和氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)，用于研究云和氣溶膠在調(diào)節(jié)地球氣候中的作用以及兩者的相互影響。CALIPSO晝夜共兩次飛臨中國(guó)大陸東部，白天約在UTC（世界時(shí)）05時(shí)左右沿東南-西北方向，夜間約在UTC18時(shí)左右沿東北-西南方向。CALIOP作為CALIPSO衛(wèi)星載荷中最關(guān)鍵的儀器，其突出特點(diǎn)是可以同時(shí)發(fā)出532nm和1064nm兩個(gè)波段的激光脈沖，并提供這兩個(gè)波段在運(yùn)行軌道上對(duì)地方向的后向散射垂直廓線。通過(guò)對(duì)后向散射的測(cè)量，可以較準(zhǔn)確地反演出云和氣溶膠的高度及消光系數(shù)廓線[11?12]。CALIOP探測(cè)波長(zhǎng)較短且對(duì)大氣中稀薄云層的敏感度高，對(duì)光學(xué)厚度為0.01或更小的云的檢測(cè)能力較好[13]。經(jīng)過(guò)與不同激光雷達(dá)的廣泛對(duì)比驗(yàn)證[14?16]，CALIOP的探測(cè)性能良好，與地面觀測(cè)器和被動(dòng)遙感衛(wèi)星探測(cè)器相比較，其顯著優(yōu)勢(shì)在于采用主動(dòng)遙感方法首次實(shí)現(xiàn)了在全球范圍內(nèi)對(duì)云層垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)搜集，為探究云輻射對(duì)地氣系統(tǒng)的影響以及優(yōu)化大尺度氣候模式提供了更全面詳細(xì)的觀測(cè)資料[17?18]。雖然CALIOP存在難以穿透較厚云層的局限，可能導(dǎo)致較厚云層的云底高度及下方云層信息不準(zhǔn)確或丟失，但多項(xiàng)研究均表明CALIOP數(shù)據(jù)用于云層分布研究是可行的[19?20]。

1.2 研究方法

本文選取了2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷達(dá)1km水平分辨率的云層產(chǎn)品（CAL_LID_L2_01kmCLay-Standard-V4-10），對(duì)中國(guó)及周邊地區(qū)（0°～55°N，70°～140°E）不同高度多層云的水平分布和季節(jié)變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。分析的物理量有單個(gè)激光廓線上探測(cè)到的云層數(shù)、數(shù)據(jù)可信度、各云層云頂氣壓、地形高度以及經(jīng)緯度等輔助參數(shù)。根據(jù)衛(wèi)星沿軌觀測(cè)數(shù)據(jù)將研究區(qū)域劃分為1.2°×1.2°的經(jīng)緯度網(wǎng)格，共有60×75個(gè)網(wǎng)格。經(jīng)統(tǒng)計(jì)（圖1），衛(wèi)星觀測(cè)次數(shù)超過(guò)400次、觀測(cè)廓線數(shù)超過(guò)40000個(gè)的網(wǎng)格占總網(wǎng)格數(shù)的95%以上，表明本次研究樣本充足，在此分辨率下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可信度較高。由于極軌衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的軌道因素，高緯地區(qū)觀測(cè)次數(shù)多于低緯地區(qū)（圖1a）。在討論云物理量季節(jié)變化特征時(shí)，以每年3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月～次年2月為冬季。

圖1 2006～2016年中國(guó)及周邊地區(qū)CALIPSO衛(wèi)星觀測(cè)情況（a.軌道數(shù)，b.樣本數(shù))

ISCCP根據(jù)云頂氣壓（Cloud Top Pressure）和云的光學(xué)厚度(Cloud Optical Thickness)對(duì)云進(jìn)行分類[21]，這與地面觀測(cè)中的云類型有一定的差異[22]。本文以此作為云分類標(biāo)準(zhǔn)，利用激光雷達(dá)提供的云頂氣壓（PTop）參數(shù)將每一層云分為高云（50hPa≤PTop<440hPa）、中云（440hPa≤PTop<680hPa）和低云（680hPa≤PTop<1000hPa），由此得到不同層數(shù)云的云層配置，如表1所示。

表1 不同層數(shù)的云層配置

2 多層云出現(xiàn)概率及云高的水平分布

2.1 多層云出現(xiàn)概率

研究[23?24]表明，單層云出現(xiàn)概率高于多層云。中國(guó)及周邊地區(qū)單層云出現(xiàn)概率為40%～60%，部分地區(qū)可達(dá)70%及以上，而多層云的出現(xiàn)概率多為15%～25%，極少數(shù)地區(qū)超過(guò)30%。雖然多層云發(fā)生概率遠(yuǎn)小于單層云，但仍然不可忽視，因?yàn)槎鄬釉频暮晡⒂^及光學(xué)特性是分析云輻射特性的重要研究因子之一。

多層云的樣本總量與云天的樣本總量之比即為多層云出現(xiàn)概率。圖2給出了2006～2016年平均的中國(guó)及周邊地區(qū)多層云出現(xiàn)概率水平分布。如圖所示，以青藏高原和蒙古高原為主的高緯度地區(qū)表現(xiàn)為明顯的低值，多層云出現(xiàn)概率為10%～15%，其中青藏高原以西的零星地區(qū)多層云出現(xiàn)概率低于5%，同緯度的四川盆地北部多層云出現(xiàn)概率略高，但仍不超過(guò)20%；30°N以南的低緯度地區(qū)，多層云出現(xiàn)概率有所增加，尤其孟加拉國(guó)和馬來(lái)群島北部，出現(xiàn)概率超過(guò)30%，同緯度地區(qū)差異不明顯。

圖2 2006～2016年平均的中國(guó)及周邊地區(qū)多層云出現(xiàn)概率水平分布（單位：%）

2.2 多層云出現(xiàn)概率的高度差異

雙層云（N=2）、三層云（N=3）及四層云（N=4）的樣本數(shù)與多層云樣本總數(shù)之比表示其各自對(duì)多層云的貢獻(xiàn)。

如圖3所示，雙層云在多層云中出現(xiàn)概率最大，但其水平分布特征與多層云相反。在多層云的低發(fā)區(qū)中，青藏高原西部的雙層云對(duì)多層云貢獻(xiàn)最大，超過(guò)98%；而在多層云的高發(fā)區(qū)中，印度半島北部的雙層云占多層云的比例不足90%。如圖4所示，三層云出現(xiàn)概率的極值區(qū)與多層云基本一致，青藏高原西部三層云出現(xiàn)概率不足2%，低緯度的印度半島西北部和中南半島地區(qū)三層云出現(xiàn)概率接近10%，其中孟加拉國(guó)及其附近地區(qū)約為14%，南北差異較為明顯。四層云在多層云系統(tǒng)中占比大多在0.2%以下，其出現(xiàn)概率最大的孟加拉國(guó)地區(qū)也未超過(guò)1%（圖5）。

圖3 同圖2，但為雙層云

圖4 同圖2，但為三層云

圖5 同圖2，但為四層云

為了進(jìn)一步分析不同高度多層云的特征，本文分別討論了雙層云和三層云中出現(xiàn)概率較大的三種不同高度云層配置的水平分布，其他云層配置的出現(xiàn)概率均不足10%，本文不做分析。

如圖6和圖7所示，不同高度雙層云和三層云的分布特征類似。雙層云中“高云+高云”（圖6a）和三層云中“高云+高云+高云”（圖7a）的配置在青藏高原主體出現(xiàn)概率分別超過(guò)80%和60%，在孟加拉灣地區(qū)出現(xiàn)概率分別超過(guò)40%和30%。雙層云中“高云+中云”（圖6b）與三層云中“高云+高云+中云”（圖7b）的配置主要出現(xiàn)在高原以外的低海拔大陸地區(qū)，出現(xiàn)概率分別超過(guò)50%和60%。雙層云中“高云+低云”（圖6c）與三層云中“高云+高云+低云”（圖7c）的配置在低緯度海域出現(xiàn)概率較大，中國(guó)南海附近分別為50%～60%和30%～40%，西太平洋北部和日本海附近超過(guò)30%，但北方大陸地區(qū)出現(xiàn)概率均低于20%，大多在10%左右。

圖6 2006～2016年平均的中國(guó)及周邊地區(qū)不同高度雙層云出現(xiàn)概率水平分布（a.高云+高云，b.高云+中云，c.高云+低云；單位：%；斜線部分表示地形高度在3.1km以上，即氣壓值<680hPa）

圖7 同圖6，但為三層云（a.高云+高云+高云，b.高云+高云+中云，c.高云+高云+低云）

綜上所述，多層云系統(tǒng)中云層發(fā)生概率隨著云層數(shù)的增多而減小，雙層云和三層云中不同高度云層配置的水平分布特征具有顯著區(qū)域差異。這種空間分布差異是否與地形和水汽條件有關(guān)，將在后續(xù)工作中進(jìn)一步探討。

3 多層云出現(xiàn)概率及云高的季節(jié)變化

各季節(jié)多層云樣本數(shù)與全年多層云樣本總數(shù)之比為多層云各季出現(xiàn)概率。如圖8所示。多層云出現(xiàn)概率最大的季節(jié)為夏季，秋季和春季次之，冬季最小。夏季，多層云在中國(guó)大陸地區(qū)出現(xiàn)概率多在40%以上，青藏高原、云貴高原、四川盆地和吐魯番盆地及周邊地區(qū)甚至超過(guò)了55%。春季相對(duì)秋季來(lái)看，多層云在20°N以南地區(qū)出現(xiàn)概率減少了10%左右。冬季，多層云在中國(guó)大陸地區(qū)出現(xiàn)概率僅為15%，沿海和西太平洋地區(qū)為20%～30%。

圖8 2006～2016年平均的不同季節(jié)多層云出現(xiàn)概率空間分布（a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季，單位：%）

不同高度雙層云和三層云的季節(jié)變化分別用各季節(jié)不同高度云層配置對(duì)全年雙層云和三層云的貢獻(xiàn)來(lái)表示，即為各季節(jié)不同高度雙層云和三層云云層配置的出現(xiàn)概率，如圖9和圖10所示。夏秋兩季為雙層云和三層云的主要貢獻(xiàn)季節(jié)，其中夏季“高云+高云”與“高云+高云+高云”的配置在青藏高原及其以南的印度半島、孟加拉灣和中南半島出現(xiàn)概率較大，在高原主體甚至超過(guò)35%；春冬兩季，這兩種配置的云層出現(xiàn)概率均明顯減少，冬季甚至不足5%（圖9a～d和圖10a～d）。夏季，雙層云中“高云+中云”與三層云中“高云+高云+中云”的配置出現(xiàn)概率分別大于“高云+高云”與“高云+高云+高云”的配置，其中“高云+中云”的配置在蒙古高原、印度半島北部以及中南半島出現(xiàn)概率超過(guò)15%，部分地區(qū)達(dá)到25%，“高云+高云+中云”的配置在青藏高原及其附近陸地出現(xiàn)概率超過(guò)35%；雙層云中“高云+中云”的配置在春季30°N以南地區(qū)和冬季中國(guó)大陸大部分地區(qū)均很少出現(xiàn)，三層云中“高云+高云+中云”的配置則恰好相反（圖9e～h和圖10e～h）。不同季節(jié)的雙層云中“高云+低云”與三層云中“高云+高云+低云”的配置在海洋上空出現(xiàn)概率均大于陸地上空；與之前兩種云高配置相比，冬季雙層云中“高云+低云”的配置在孟加拉灣、中國(guó)東北部海域、南海和西太平洋出現(xiàn)概率有明顯增加，而冬季三層云中“高云+高云+低云”的配置則少量出現(xiàn)在西太平洋北部（圖9i～l和圖10i～l）。

圖9 2006～2016年平均的各季中國(guó)及周邊地區(qū)不同高度雙層云出現(xiàn)概率空間分布（a～d.高云+高云，e～h.高云+中云，i～l.高云+低云；從左至右依次為春、夏、秋、冬季；單位：%；斜線表示地形高度在3.1km以上，即氣壓值<680hPa）

圖10 同圖9，但為三層云（a～d.高云+高云+高云，e～h.高云+高云+中云，i～l.高云+高云+低云）

4 結(jié)論

本文利用2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷達(dá)1km水平分辨率的云層產(chǎn)品對(duì)中國(guó)及周邊地區(qū)多層云進(jìn)行系統(tǒng)研究，重點(diǎn)對(duì)比分析了不同高度雙層云和三層云的分布特征及季節(jié)變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)多層云在青藏高原和蒙古高原出現(xiàn)概率較低，在30°N以南的低緯度地區(qū)出現(xiàn)概率有所增加，尤其孟加拉國(guó)和馬來(lái)群島北部出現(xiàn)概率超過(guò)30%，但同緯度地區(qū)差異不明顯。

(2) 多層云系統(tǒng)中云層發(fā)生概率隨著云層數(shù)的增多而減小。雙層云在多層云中占比最大，其水平分布特征與多層云相反，在青藏高原西部出現(xiàn)概率超過(guò)98%；三層云出現(xiàn)概率的最值區(qū)與多層云基本一致，青藏高原西部出現(xiàn)概率不足2%，三層云在孟加拉國(guó)附近出現(xiàn)概率約為14%；四層云在多層云系統(tǒng)中全年出現(xiàn)概率不超過(guò)1%。

(3) 不同高度雙層云和三層云的分布特征類似。雙層云中“高云+高云”和三層云中“高云+高云+高云”的配置在青藏高原主體出現(xiàn)概率分別超過(guò)80%和60%，；雙層云中“高云+中云”和三層云中“高云+高云+中云”的配置主要出現(xiàn)在高原以外的低海拔大陸地區(qū)，概率分別超過(guò)50%和60%；雙層云中“高云+低云”和三層云中“高云+高云+低云”的配置普遍存在于孟加拉灣、南海、西太平洋和中國(guó)東部海域等低海拔地區(qū)。

(4) 多層云出現(xiàn)概率最大的季節(jié)為夏季，其次為秋季和春季，冬季最小。夏季中國(guó)大陸地區(qū)基本在40%以上，青藏高原、云貴高原、四川盆地以及吐魯番盆地及周邊地區(qū)甚至超過(guò)了55%。春季相對(duì)秋季來(lái)看，20°N以南地區(qū)多層云出現(xiàn)概率減少了10%左右，而冬季多層云最少，除中國(guó)大陸多層云出現(xiàn)概率僅有15%以外，沿海和西太平洋地區(qū)在20%～30%之間。

(5) 夏秋兩季為雙層云和三層云的主要貢獻(xiàn)季節(jié)。以夏季為例，雙層云中“高云+高云”和三層云中“高云+高云+高云”的配置在青藏高原及其以南的印度半島、孟加拉灣和中南半島出現(xiàn)概率較大，高原主體甚至超過(guò)35%；雙層云中“高云+中云”和三層云“高云+高云+中云”的配置出現(xiàn)概率分別大于“高云+高云”和“高云+高云+高云”的配置，其中“高云+中云”的配置在蒙古高原、印度半島北部以及中南半島出現(xiàn)概率超過(guò)15%，部分地區(qū)達(dá)到25%，“高云+高云+中云”的配置在青藏高原及其附近陸地出現(xiàn)概率超過(guò)35%；雙層云中“高云+低云”和三層云中“高云+高云+低云”的配置在海洋上空出現(xiàn)概率均大于陸地上空。