內蒙古西部地區(qū)降水云宏觀特征

衣娜娜，蘇立娟，鄭旭程，張 敏，弓 泓

(1.內蒙古自治區(qū)氣象科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010000；2.內蒙古自治區(qū)人工影響天氣重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010000)

引 言

云是人工影響天氣催化作業(yè)的主要對象，云宏觀結構特征與云輻射特性、云降水條件、降水機制、降水效率以及人工增雨潛力等密切相關，云的宏觀結構特征及演變規(guī)律，對準確識別作業(yè)條件、有效捕獲可播云區(qū)、科學實施人工播云催化尤為重要[1-3]。很多研究利用Cloudsat(cloud satellite)衛(wèi)星資料分析了不同地區(qū)的云宏觀結構特征[4-10]，但極軌衛(wèi)星覆蓋范圍小，軌道重復周期長，獲取的資料和數(shù)據(jù)比較有限。風云靜止衛(wèi)星可以實時獲取大范圍云系的宏觀結構，探空觀測可以獲取云內部宏觀信息，二者相互補充，對于開展精細的天氣作業(yè)條件分析、作業(yè)科學設計和效果分析檢驗等人工影響天氣的各個環(huán)節(jié)都具有十分重要的意義[11]。

目前，利用風云靜止衛(wèi)星和探空資料對云宏觀結構與降水關系的研究發(fā)現(xiàn)云宏觀結構變化先于降水變化，同時降水云云層厚度大，云中有效粒子半徑較大且云底高度較低[12-16]。研究表明[17]，全球約30%的云可以產(chǎn)生降水，而在總云中占比較大的無降水云，其宏觀結構與降水云存在一定的差異。分析降水云與非降水云之間的宏觀結構差異，對進一步理解云中降水的產(chǎn)生機制和云的氣候效應，改進模式云微物理參數(shù)化方案，提高降水預報水平具有重要意義[18]。

隨著氣候變暖，干旱問題日益明顯，對人們生產(chǎn)生活的影響越來越大，深入分析降水云結構，是合理開發(fā)有限的空中水資源，緩解干旱的有效途徑之一[19-22]。內蒙古西部地區(qū)常年干旱，云量資源較少[23]，且關于內蒙古地區(qū)云宏觀結構和降水的研究較少，對云宏觀結構及降水形成的一些關鍵物理過程及形成機理的認識仍然不足，人工影響天氣缺乏定量化科學指標[24]。

本文利用L波段探空以及風云靜止衛(wèi)星的反演產(chǎn)品，分析內蒙古西部地區(qū)降水云和無降水云宏觀結構，進一步分析不同降水性質的云宏觀結構，為更好地識別人工增雨播云條件，認識內蒙古西部地區(qū)降水云系的發(fā)展演變規(guī)律、優(yōu)化定量估測降水技術和效果檢驗提供幫助。

1 資料與方法

1.1 降水性質劃分

利用自動站降水、雷達回波、衛(wèi)星云圖等資料，挑選2017及2018年內蒙古西部地區(qū)49個降水過程。降水性質劃分標準主要參考雷達回波，降水全過程中雷達PPI上表現(xiàn)為大面積較均勻的層狀云回波(中心強度小于30 dBZ)，定義為穩(wěn)定性降水；雷達PPI上表現(xiàn)為局地對流單體回波(回波中心強度大于40 dBZ)，并且無層狀云回波出現(xiàn)，定義為對流性降水[25]。49個降水過程中共挑選出穩(wěn)定性降水過程11個(2017年3個、2018年8個)，對流性降水過程28個(2017年13個、2018年15個)。因為內蒙古雨季主要集中在夏季，而夏季多為對流性降水，穩(wěn)定性降水主要集中在降水較少的春季(3—5月)和9月，所以穩(wěn)定性降水過程較少。

1.2 降水強度劃分

利用2017及2018年3—9月內蒙古西部地區(qū)30個氣象站的逐時降水量資料，具體站點分布如圖1所示，該圖基于內蒙古自治區(qū)標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為蒙s(2019)33的標準地圖制作，底圖無修改。通常根據(jù)雨強(r)將降水分為4類：r=0 mm·h-1為無降水；r<1 mm·h-1為弱降水；1mm·h-1≤r<10mm·h-1為一般降水；r≥10mm·h-1為強降水[14]。將單站連續(xù)逐時降水序列按照升序排列，其中第99個百分位值定義為強降水閾值，內蒙古西部強降水閾值大于等于6.0 mm，且年平均強降水過程不到1次[26]。因此本文將r=0 mm·h-1定義為無降水，r<1 mm·h-1為弱降水，1 mm·h-1≤r<6 mm·h-1為一般降水，r≥6 mm·h-1為強降水。

圖1 內蒙古西部地區(qū)30個氣象站分布Fig.1 The distribution of 30 meteorological stations in western Inner Mongolia

1.3 衛(wèi)星反演產(chǎn)品

FY-2靜止衛(wèi)星反演產(chǎn)品融合了高空、地面及微波輻射計等其他觀測，與MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)、Cloudsat等實測資料進行對比，產(chǎn)品具有較高的可信度。光學厚度利用0.64 μm的可見光通道反演，夜間沒有可見光，利用亮溫差反演得到云光學厚度，相比白天，夜間的反演結果還有待進一步檢驗[27]，液水路徑的反演也存在上述問題。因此本文使用2017年5—9月、2018年4—9月每日08:00—20:00 FY-2靜止衛(wèi)星的反演數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為5 km，時間分辨率為1 h。

1.4 云宏觀特征診斷

我國業(yè)務布網(wǎng)的L波段高空氣象探測系統(tǒng)，由我國自主研發(fā)的GFE(L)1型二次測風雷達和GTS1型數(shù)字探空儀組成，采用二次測風雷達測距體制，能夠連續(xù)自動探測高空氣溫、濕度、氣壓、風向和風速等要素。GTS1型數(shù)字探空儀采樣周期為1.2 s(也稱探空秒數(shù)據(jù))，每分鐘的采樣頻率為50次，按照6.67 m·s-1上升速度算，L波段高空探測儀的空間垂直分辨率為8 m[28]。采用相對濕度閾值法處理探空數(shù)據(jù)[29]，反演云的垂直結構，主要考慮3個方面：(1)氣溫低于0 ℃時，需要利用冰面飽和水汽壓計算相對濕度；(2)云層中的相對濕度最大值大于87%，最小值大于等于84%；(3)相對濕度在云頂有負跳變，在云底有正跳變。具體公式如下[29-30]：

(1)

式中：es(hPa)為水面飽和水汽壓；qs(kg·kg-1)為飽和比濕，q(kg·kg-1)為比濕；esi(hPa)為冰面飽和水氣壓；T(℃)為溫度；p(hPa)為氣壓；RH(%)為相對濕度。具體方法如圖2所示，根據(jù)相對濕度閾值84%以及相對濕度在云頂有負跳變、在云底有正跳變診斷云底高度和云頂高度，用顏色填充確定云區(qū)。其中云層厚度即云底高度到云頂高度的空間厚度；云夾層用相對濕度閾值方法診斷在云內出現(xiàn)的不連續(xù)云區(qū)，圖2中2個綠色填充區(qū)之間定義為1個夾層；云夾層厚度即云夾層底到云夾層頂?shù)目臻g總厚度。

圖2 相對濕度閾值法處理探空數(shù)據(jù)樣例Fig.2 The sample of radiosonde data processed by using relative humidity threshold method

1.5 衛(wèi)星與探空反演云頂高度對比

對比分析探空和衛(wèi)星反演的降水云、無降水云的云頂高度(圖3，衛(wèi)星反演資料時段為2017年5—9月與2018年4—9月)?？梢钥闯?，雖然二者的反演方法不同，但探空和衛(wèi)星反演的云頂高度總體變化趨勢一致，且相關系數(shù)為0.24，通過α=0.01的顯著性檢驗，表明探空和衛(wèi)星反演的云頂高度具有較好的相關性。

圖3 2017及2018年3—9月內蒙古西部L波段探空和FY-2衛(wèi)星反演的云頂高度Fig.3 The cloud top height inversed by L-band souding and FY-2 satellite in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

2 降水云宏觀特征

統(tǒng)計2017及2018年內蒙古西部地區(qū)降水云、無降水云及臨近降水云云底高度，其中Y代表降水云樣本，N代表無降水云樣本，Y-1表示統(tǒng)計時刻前后1 h內有降水發(fā)生的云，定義為臨近降水云樣本，共挑選出降水云樣本70個，無降水云樣本544個，臨近降水云樣本31個。表1列出2017及2018年內蒙古西部地區(qū)降水云、無降水云及臨近降水云的垂直結構特征?？梢钥闯?，降水云、臨近降水云、無降水云的云底高度平均值分別為2.06、2.59、4.22 km，其中無降水云云底高度平均值最高。降水云、臨近降水云及無降水云的云頂高度平均值分別為11.00、10.02、9.12 km，其中降水云云頂高度平均值值最高。降水云、臨近降水云及無降水云的云層厚度平均值分別為8.94、7.42、4.86 km，無降水云云層最薄，且云層厚度最小值為0.03 km。

表1 2017及2018年3—9月內蒙古西部地區(qū)降水云、無降水云及臨近降水云垂直結構特征Tab.1 Statistical characteristics of vertical structures of precipitation clouds, non-precipitation clouds and approaching precipitation clouds in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

無降水云云頂高度最大值為15.00 km，其樣本對應的云底高度也較高，為10.16 km；云底高度最小值為1.02 km，其樣本對應的云有4個夾層，為多層云結構；云層厚度最大值為13.28 km，其樣本對應的云底高度雖然較低(1.69 km)，但該樣本夾層厚度較大，第一層夾層厚度1.96 km，第二層夾層厚度4.82 km。上述無降水云的3種極值情況均未產(chǎn)生降水，因此對降水云、臨近降水云、無降水云的云底高度、云頂高度、云層厚度及多層云結構進行詳細分析。

2.1 云底高度

圖4為2017及2018年3—9月內蒙古西部地區(qū)降水云、無降水云及臨近降水云不同云底高度出現(xiàn)概率和累計概率分布。可以看出，將云底高度進行分段統(tǒng)計[圖4(a)]，70個降水云樣本中，云底高度在1.5～2.0 km的樣本最多(35.7%)，其次是1.0～1.5 km(24.3%)，云底高度在2.5～3.0 km及大于3.5 km的樣本最少，均為8.6%。臨近降水云樣本中，云底高度在1.5～2.0 km的樣本最多(29.0%)，其次是3.0～3.5 km的樣本(25.8%)，云底高度在1.0～1.5 km及2.0～2.5 km的樣本最少，均為9.7%，相比降水云云底高度，臨近降水云云底高度較高。無降水云云底高度大于3.5 km的樣本有60.7%，超過半數(shù)。

對云底高度進行累計統(tǒng)計[圖4(b)]，降水云云底高度小于等于3.0 km的樣本達81.4%，臨近降水云云底高度小于等于3.5 km的樣本達87.1%。無降水云云底高度小于等于2.0 km的樣本只有19.4%，所以內蒙古西部地區(qū)絕大部分降水云的云底高度小于等于3.0 km，高于內蒙古中部地區(qū)的降水云云底高度2.5 km[31]，臨近降水云云底高度小于等于3.5 km，無降水云云底高度大于2.0 km。綜上所述，降水的發(fā)生與云底高度密切相關，但無降水云中有39.3%的樣本云底高度小于等于3.5 km，降水云中有18.6%的樣本云底高度大于3.0 km，臨近降水云有12.9%的樣本云底高度大于3.5 km，統(tǒng)計上述3種情況的樣本，主要與云頂高度、云層厚度、云夾層厚度以及云夾層數(shù)密切相關。

圖4 2017及2018年3—9月內蒙古西部地區(qū)降水云、無降水云及臨近降水云不同云底高度出現(xiàn)概率(a)和累計概率分布(b)Fig.4 The percentage (a) and cumulative percentage (b) of different interval cloud base height for precipitation clouds, non-precipitation clouds and approaching precipitation clouds in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

2.2 云層厚度與云頂高度

圖5為2017及2018年3—9月內蒙古西部地區(qū)降水云、無降水云及臨近降水云云層厚度和云頂高度累計出現(xiàn)概率分布?？梢钥闯?，降水云云層較厚，云層厚度小于3.0 km的樣本數(shù)只占1.4%，云層厚度大于等于6.0 km、大于等于8.0 km的樣本數(shù)分別占85.7%、65.7%。臨近降水云云層厚度小于4.0 km的樣本數(shù)占9.7%，較降水云云層厚度偏小，云層厚度大于等于6.0 km、大于等于5.0 km的樣本數(shù)分別占77.4%、83.9%。無降水云云層較薄，云層厚度大于等于5.0 km、大于等于6.0 km的樣本數(shù)分別占47.8%、36.9%。

圖5 2017及2018年3—9月內蒙古西部地區(qū)降水云、無降水云及臨近降水云不同云層厚度(a)和云頂高度(b)累計出現(xiàn)概率分布Fig.5 The cumulative percentage of different interval of cloud thickness (a) and cloud top height (b) for precipitation clouds, non-precipitation clouds and approaching precipitation clouds in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

由云頂高度累計出現(xiàn)概率可以看出，降水云云頂高度較高，云頂小于6.0 km的樣本數(shù)只占1.4%，大于等于8.0 km的樣本達87.1%。臨近降水云云頂高度也較高，小于6.0 km的樣本數(shù)占9.7%，大于等于8.0 km的樣本達80.6%。無降水云云頂高度較低，大于等于8.0 km的樣本達68.9%。

無降水云中云頂高度大于等于10.0 km、云層厚度大于等于8.0 km的樣本占較大比例，對這些樣本進一步分析，其中69.3%的樣本云夾層數(shù)小于2，但這些樣本的云底較高或夾層較厚，云夾層數(shù)為0、1、2的樣本對應的云底高度平均值分別為3.9、3.3、2.6 km，夾層數(shù)為1、2的樣本云夾層厚度平均值分別為2.8、2.2 km。

2.3 多層云結構

統(tǒng)計降水云、臨近降水云與無降水云的云夾層數(shù)，降水云0夾層樣本數(shù)最多達37.1%，云夾層數(shù)2層以下樣本數(shù)為81.4%，夾層數(shù)為4的只占4.3%；臨近降水云中2個夾層樣本數(shù)最多(29.0%)，3層以下樣本數(shù)達74.2%，夾層數(shù)為4的樣本數(shù)占比25.8%，略小于2個夾層；無降水云樣本中4個云夾層的樣本數(shù)為11.6%，但0個夾層和1個夾層的樣本數(shù)占比也較大，分別為32.7%、28.1%，因此需要對夾層結構特征進行進一步分析。

圖6為2017及2018年3—9月內蒙古西部地區(qū)降水云、臨近降水云與無降水云云夾層個數(shù)和夾層厚度平均值統(tǒng)計?？梢钥闯觯?夾層的情況，降水云云層厚度最大(9.2 km)，其次是臨近降水云(7.9 km)，無降水云云層厚度最小(3.0 km)。降水云與臨近降水云的云頂高度均為11.3 km，無降水云的云頂高度只有8.0 km。降水云、臨近降水云、無降水云的云底高度分別為2.0、3.4、5.2 km，即降水云云底高度最低，無降水云云底高度最高，這與表1統(tǒng)計的云底高度整體規(guī)律一致。

圖6 2017及2018年3—9月內蒙古西部地區(qū)降水云、臨近降水云與無降水云的云底高度、云頂高度、云層厚度、云夾層底高度、云夾層頂高度、夾層厚度和云夾層個數(shù)Fig.6 The interlayer number and cloud base height, cloud top height, cloud layer thickness, cloud interlayer bottom height, cloud interlayer top height, interlayer thickness of precipitation clouds, approaching precipitation clouds and non-precipitation clouds in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

1個、2個、3個夾層中均是降水云的云底高度最低，其次是臨近降水云，無降水云的云底高度最高；1個、2個夾層中降水云云層厚度最大，3個、4個夾層中臨近降水云云層厚度最大，1個、2個、3個、4個夾層中無降水云云層厚度最??；1個、2個、4個夾層中降水云云頂高度最高，3個夾層中臨近降水云云頂高度最高，1個、3個、4個夾層中無降水云云頂高度最低。

整體上，不同夾層樣本中，降水云、臨近降水云的云夾層厚度均小于無降水云。1個夾層的云夾層厚度樣本中，降水云、臨近降水云、無降水云的夾層厚度平均值分別為0.8、1.3、1.7 km。降水云、臨近降水云、無降水云第一個云夾層底距云底距離平均值分別為2.9、4.6、1.4 km。3個、4個夾層的云夾層厚度統(tǒng)計特征與1個夾層的規(guī)律基本一致，即降水云<臨近降水云<無降水云，降水云第一個夾層底距云底的距離大于無降水云且夾層間距離較大，夾層分布較稀疏。

針對占有較大比例的云夾層數(shù)小于等于3的無降水樣本、夾層數(shù)大于等于2的降水樣本、夾層數(shù)大于等于3的臨近降水云樣本進行統(tǒng)計。發(fā)現(xiàn)云夾層數(shù)小于等于3的無降水云樣本，云底高度較高，平均為3.0 km，云底高度大于3.0 km的樣本達到76.7%，云底高度大于4.0 km的樣本占53.2%，且云層較薄，云層厚度在4.5 km左右，夾層厚度較大，為1.0 km左右，夾層分布較密集，不利于降水；云夾層數(shù)大于等于2的降水云樣本，云底小于2.0 km，云層厚度大于8.0 km，云頂高度10.0 km左右，雖然云夾層數(shù)較多，但云夾層厚度小于800 m；云夾層數(shù)大于等于3的臨近降水云樣本，云底小于2.0 km，云厚大于7.0 km，云夾層厚度小于0.6 km。

3 衛(wèi)星反演降水云特征

降水與云特征密切相關，為統(tǒng)計內蒙古西部地區(qū)云特征和降水關系，規(guī)定某時次、某站點對應的衛(wèi)星反演云參數(shù)與后一時次小時雨量(雨強)為一個統(tǒng)計樣本。2017年5—9月及2018年4—9月共挑選降水云樣本330個，無降水云樣本1740個。圖7為降水云與無降水云不同區(qū)間光學厚度和液水路徑出現(xiàn)概率分布?？梢钥闯觯邓乒鈱W厚度大于20的樣本占78.2%，無降水云只占29.7%。液水路徑的統(tǒng)計特征與光學厚度相似，降水云液水路徑大于20 g·m-2的樣本占96.1%，液水路徑大于150 g·m-2的樣本占69.4%，而無降水云液水路徑大于150 g·m-2的樣本只占41.3%。

圖7 2017年5—9月及2018年4—9月內蒙古西部地區(qū)降水云與無降水云不同區(qū)間光學厚度(a)和液水路徑(b)出現(xiàn)概率分布Fig.7 The percentage of different interval of optical thickness (a) and liquid water path (b) of precipitation clouds and non-precipitation clouds in western Inner Mongolia from May to September 2017 and from April to September 2018

4 穩(wěn)定性和對流性降水云特征

統(tǒng)計兩類降水性質的云光學厚度和液水路徑，在330個降水樣本中，穩(wěn)定性降水樣本55個，對流性降水樣本275個；在1740個無降水樣本中，穩(wěn)定性無降水樣本177個，對流性無降水樣本1563個。

圖8為2017年5—9月及2018年4—9月內蒙古西部地區(qū)穩(wěn)定性、對流性降水云和無降水云不同區(qū)間光學厚度和液水路徑出現(xiàn)概率分布。可以看出，總體上對流性降水云的光學厚度大于穩(wěn)定性降水云，穩(wěn)定性降水云光學厚度大于20的樣本數(shù)占70.9%，穩(wěn)定性無降水云光學厚度大于20的樣本數(shù)只占31.1%，對流性降水云光學厚度大于25的樣本數(shù)占70.9%，對流性無降水云只占18.9%?？傮w上對流性降水云的液水路徑大于穩(wěn)定性降水云，液水路徑大于100g·m-2的穩(wěn)定性降水云樣本數(shù)占72.7%，而對流性降水云的樣本數(shù)占80%。液水路徑大于150 g·m-2的對流性降水云樣本占71.3%，而穩(wěn)定性降水云只占60%。

圖8 2017年5—9月及2018年4—9月內蒙古西部地區(qū)穩(wěn)定性、對流性降水云和無降水云不同區(qū)間光學厚度(a)和液水路徑(b)出現(xiàn)概率分布Fig.8 The percentage of different interval of optical thickness (a) and liquid water path (b) of stable stratiform, convective precipitation clouds and non-precipitation clouds in western Inner Mongolia from May to September 2017 and from April to September 2018

5 雨強與云特征關系

圖9為2017年5—9月及2018年4—9月內蒙古西部地區(qū)降水云、對流性降水云、穩(wěn)定性降水云樣本中不同雨強的液水路徑和光學厚度分布?？梢钥闯觯邓畯姸扰c云特征密切相關，整體上隨著光學厚度增加，液水路徑增大，雨強增大(一般降水樣本逐漸增多)，這與孫麗等[16]研究結論一致。云光學厚度在[20，55)區(qū)間、液水路徑在[100，250 g·m-2]區(qū)間的樣本占總降水樣本的14.8%，其中弱降水、一般降水、強降水分別占67.3%、30.6%、2.1%。一般降水有兩個峰值，一個位于高光學厚度和高液水含量區(qū)，另一個位于云光學厚度大于等于55，液水路徑小于等于500 g·m-2的降水云區(qū)。

圖9 2017年5—9月及2018年4—9月內蒙古西部地區(qū)降水云(a)、對流性降水云(b)、穩(wěn)定性降水云(c)樣本中不同雨強的云光學厚度和液水路徑分布Fig.9 The distribution of optical thickness and liquid water path of precipitation clouds (a), convective precipitation clouds (b), stable stratiform precipitation clouds (c) in western Inner Mongolia from May to September 2017 and from April to September 2018

對流性降水云、穩(wěn)定性降水云的光學厚度與液水路徑統(tǒng)計特征與整體一致，但對流性降水云的光學厚度和液水路徑均大于穩(wěn)定性降水云，光學厚度大于等于25，液水路徑大于等于100 g·m-2的對流性降水云樣本占總對流性降水云樣本的64.7%，其中弱降水、一般降水、強降水分別占61.8%、37.1%、1.1%；光學厚度大于等于20，液水路徑大于等于75 g·m-2的穩(wěn)定性降水云樣本占總穩(wěn)定性降水云樣本的59.7%，其中弱降水、一般降水樣本分別占86.5%、13.5%。

6 結 論

(1)利用L波段探空數(shù)據(jù)、FY-2衛(wèi)星反演產(chǎn)品以及降水數(shù)據(jù)挑選內蒙古西部地區(qū)2017及2018年3—9月49個降水過程，統(tǒng)計上述樣本顯示：當云底高度小于等于3.0 km，云頂高度大于等于8.0 km，云層厚度大于等于6.0 km，云夾層數(shù)小于等于2且夾層厚度小于等于0.6 km，夾層分布稀疏時，易出現(xiàn)降水。

(2)當云底高度大于3.5 km，云頂高度大于8.0 km，云層厚度6.0 km左右，云夾層較多且夾層厚度在1.0 km左右，夾層分布較密集時，不易出現(xiàn)降水。

(3)當云光學厚度大于等于20，液水路徑大于等于100 g·m-2時，易出現(xiàn)降水。高光學厚度和高液水含量區(qū)以及光學厚度大于等于55和液水路徑小于等于500 g·m-2的降水云，易出現(xiàn)一般降水。