祁連山北坡云垂直分布特征

黃穎 張文煜,3* 冒立鑫 王開強(qiáng)

(1 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000； 2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 3 鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，鄭州 450001； 4 甘肅省民樂縣氣象局，張掖 734500)

引言

河西走廊位于中國西北干旱、半干旱區(qū)，年降水量較小且降水量空間分布嚴(yán)重不均，生態(tài)環(huán)境脆弱[1-2]。水資源短缺嚴(yán)重制約著河西地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，通過人工影響天氣開發(fā)利用空中云水資源是當(dāng)前解決水資源短缺的有效途徑之一[3-4]。云是人工增雨的作業(yè)對象，云的結(jié)構(gòu)與降水機(jī)制及降水效率密切相關(guān)[5-7]。因此，充分認(rèn)識云的垂直結(jié)構(gòu)特征對有效地選擇催化作業(yè)時(shí)機(jī)和最佳作業(yè)部位、提高人工影響天氣的作業(yè)效果具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者們從不同角度對各地區(qū)的云垂直分布特征進(jìn)行了諸多研究[8-14]。Weisz等對AIRS、MODIS、CloudSat和CALIPSO反演的云頂高度進(jìn)行了比較，并討論了紅外輻射探測器探測云頂高度的優(yōu)缺點(diǎn)[8]。丁守國等利用ISCCP的D2云氣候資料集分析了總云量及高云、中云和低云的全球分布特征，并分析了全球不同云類云量的長期變化趨勢[9]。韓丁等基于COSMIC掩星資料，利用相對濕度閾值法判定云底及云頂高度，并對中國及周邊地區(qū)云的垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究[10]。葉培龍等利用CloudSat與CALIPSO衛(wèi)星結(jié)合的云分類產(chǎn)品，對中國西部及周邊地區(qū)的云層數(shù)、云高度及其季節(jié)變化進(jìn)行了分析[11]。張正國等利用飛機(jī)云物理探測資料對層狀云的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，探討了層狀云降水的機(jī)制[12]。劉蓓對祁連山南麓的地形云特征進(jìn)行了分析，并探討了山谷風(fēng)對其造成的影響[13]。

關(guān)于中國西北地區(qū)云垂直分布的研究多集中于青藏高原和天山地區(qū)。祁連山脈處于青藏高原東北部邊緣，其北坡的云分布特征與河西走廊的降水有著密切關(guān)系。目前對于云垂直結(jié)構(gòu)的研究多采用云雷達(dá)資料，常見的有地基、機(jī)載和星載云雷達(dá)(CloudSat衛(wèi)星等)。地基云雷達(dá)目前還未做到廣泛的布網(wǎng)，只有較少的觀測點(diǎn)；CloudSat、CALIPSO等衛(wèi)星雖然能提供大范圍的觀測，但受衛(wèi)星軌道限制，不能對某一點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測，且其對近地面云層的探測誤差較大[14-15]。廣泛布網(wǎng)的無線電探空資料提供秒級分辨率的氣溫、濕度信息，可以用于檢測云的垂直分布?；谝陨涎芯勘尘埃疚睦闷钸B山北坡的探空資料對該地區(qū)云的出現(xiàn)頻率及高度特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為祁連山地區(qū)降水的研究以及人工影響天氣作業(yè)提供理論參考。

1 資料和方法

1.1 資料

本文使用的資料為祁連山北坡敦煌、酒泉、張掖、民勤4個(gè)探空站2014—2019年1日2次的探空數(shù)據(jù)。敦煌位于甘肅省河西走廊最西端，地處甘肅、青海及新疆交匯處，四周受沙漠戈壁包圍，平均氣溫9.6 ℃，平均年降水37.9 mm，蒸發(fā)量達(dá)2505 mm[16]；酒泉地處河西走廊西端，黑河流域中游，年均氣溫3.9～9.3 ℃，年均降水量小于176 mm，蒸發(fā)量為2148 mm[17]；張掖地處黑河中游地區(qū)，其北部為荒漠戈壁及巴丹吉林沙漠南部邊緣，年平均降水量為117 mm，蒸發(fā)量為2390 mm，平均氣溫為7.6 ℃[18]；民勤縣位于河西走廊東北部，其東、西、北三面被騰格里和巴丹吉林沙漠包圍，是一個(gè)半封閉的內(nèi)陸荒漠區(qū)，年均氣溫7.8 ℃，年均降水量113.2 mm年均蒸發(fā)量高達(dá)2644 mm[19]。各站點(diǎn)的地理位置如圖1所示。

圖1 祁連山北坡探空站地理位置及地形高度

1.2 露點(diǎn)差和相對濕度閾值結(jié)合法

目前利用探空資料判定云垂直結(jié)構(gòu)的方法中，相對濕度閾值法的應(yīng)用最為廣泛，但該方法存在一個(gè)缺陷：當(dāng)發(fā)生降水或大霧等天氣現(xiàn)象時(shí)，近地面的相對濕度可能會大于所設(shè)定的閾值，此時(shí)相對濕度閾值法判定的底層云云底高度是不準(zhǔn)確的[10]。而溫度露點(diǎn)差閾值法的判定取決于大氣溫度和露點(diǎn)溫度之差，可彌補(bǔ)相對濕度閾值法的缺陷[20]。本文結(jié)合溫度露點(diǎn)差閾值法和相對濕度閾值法對云垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行判定，先用相對濕度閾值法確定出所有云的云頂高度和除最底層云之外的云底高度，再用溫度露點(diǎn)差閾值法確定最底層云的云底高度。同時(shí)，參考?xì)W建軍[21]、吳昊等[22]的研究方法：若上下兩云層間距小于300 m且夾層內(nèi)相對濕度大于80%，則將該夾層視為云層，與上下兩云層連為一體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；云層厚度小于80 m時(shí)，將該高度層視為大氣濕層，不作為云層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(1)溫度露點(diǎn)差閾值法。溫度露點(diǎn)差閾值法對不同的溫度范圍設(shè)定對應(yīng)的溫度露點(diǎn)差閾值(記為ΔTd)，當(dāng)某個(gè)高度上的溫度露點(diǎn)差小于設(shè)定的閾值時(shí)，將該高度的大氣濕層判定為云層。本文參照Poore等設(shè)定的閾值[23]，以溫度露點(diǎn)差閾值法判定云的垂直結(jié)構(gòu)，閾值如表1所示。

表1 溫度露點(diǎn)差閾值法的閾值設(shè)定 ℃

(2)相對濕度閾值法。相對濕度閾值法最早由Wang等于1995年提出[24]，該方法判定某一高度范圍內(nèi)出現(xiàn)云層必須滿足3個(gè)條件：云層內(nèi)相對濕度至少為84%，最大相對濕度大于或等于87%，且相對濕度在云頂和云底的跳變至少為3%。Zhang等指出，WR95法云頂和云底跳變3%的條件適用于低垂直分辨率的探空數(shù)據(jù)，但對于秒級的高分辨率探空數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)[25]。故本文參照李紹輝等[20]的做法，將WR95法與Zhang等的研究相結(jié)合，將相對濕度閾值法判定云層的條件改進(jìn)為：云層內(nèi)相對濕度大于或等于84%，且最大相對濕度大于或等于87%。

2 云發(fā)生頻率的統(tǒng)計(jì)分析

2.1 不同層數(shù)云的發(fā)生頻率

Wang等研究發(fā)現(xiàn)，云的層數(shù)對于大氣內(nèi)部的輻射傳輸有重要的影響[26]，因此表2對2014—2019年祁連山北坡4個(gè)站點(diǎn)有云及不同層數(shù)云的發(fā)生頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。由表2可知，祁連山北坡云的發(fā)生頻率在20%～40%之間，張掖地區(qū)出現(xiàn)云的頻率最高，為37.72%，其次是民勤32.26%，敦煌最低僅為22.37%。除張掖站之外，云發(fā)生頻率自東向西、自南向北遞減，這與祁連山大氣水汽含量的空間分布有較好的一致性[27]。張掖是河西走廊最大的綠洲[18]，其局地的氣候環(huán)境較其他3個(gè)站點(diǎn)更為濕潤，水汽含量更高，因此云發(fā)生頻率最高。由各站點(diǎn)不同層數(shù)云的出現(xiàn)頻率可見，祁連山北坡單層云出現(xiàn)的頻率明顯高于多層云，其出現(xiàn)頻率占所有云的50%以上；其次為2層云，其出現(xiàn)頻率約占所有云的30%；除敦煌站外，其他3站的3層云出現(xiàn)頻率約占所有云的10%；4層及其以上層數(shù)的云出現(xiàn)頻率較小，占所有云的比例不到2%。祁連山北坡全年出現(xiàn)單層云的頻率明顯高于多層云，且多層云大多數(shù)為2層云和3層云，該特征與中國大部分地區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致[28]。

表2 2014—2019年祁連山北坡單層云和多層云的發(fā)生率 %

2.2 不同層數(shù)云發(fā)生頻率的季節(jié)變化

祁連山北坡大部分云的層數(shù)小于4層，因此本文主要關(guān)注單層云、2層云和3層云的變化特征，圖2給出各站點(diǎn)所有云以及各層數(shù)云出現(xiàn)頻率的季節(jié)變化。由于夏季對流活動旺盛且水汽較為充沛，各站點(diǎn)云出現(xiàn)的頻率都呈現(xiàn)出“夏季>秋季>春季>冬季”的規(guī)律，單層、2層和3層云在夏季出現(xiàn)頻率皆大于其他季節(jié)。除夏季單層云和2層云出現(xiàn)的頻率較為接近外，其他季節(jié)單層云出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)高于2層云和3層云。冬季3層云出現(xiàn)頻率極低，在6年的樣本中，敦煌和張掖站冬季3層云的發(fā)生頻率不足0.3%，酒泉和民勤站冬季則沒有出現(xiàn)3層云。

圖2 祁連山北坡敦煌(a)，酒泉(b)，張掖(c)，民勤(d)不同層數(shù)云發(fā)生頻率的季節(jié)變化

3 云高度和厚度特征

3.1 平均云高度和厚度

利用2014—2019年4個(gè)探空站的探空資料對祁連山北坡的平均云頂高度、云底高度、云層厚度以及多層云相鄰兩層之間的晴空厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)所有云層的平均云底高度、云頂高度及云層厚度分別為3.2 km、4.4 km和1.2 km；多層云平均夾層厚度為0.5 km，其中2層云中的平均晴空厚度為0.4 km，3層云的下層與中層云、中層與上層云之間的平均晴空厚度分別為0.7 km和0.4 km。祁連山北坡各站點(diǎn)單層云的云底高度和云頂高度分別分布在2.4～2.8 km和3.4～3.9 km之間；各站點(diǎn)單層云的厚度較為接近，敦煌、酒泉、張掖的單層云厚度為1.1 km，民勤稍薄為1.0 km。雙層云的下層云云底高度和云頂高度分別分布在2.4～3.0 km和4.1～4.4 km，厚度為1.4～1.8 km；雙層云的上層云云底高度和云頂高度分別分布在4.5～4.7 km和5.5～5.8 km，厚度為0.9～1.0 km；雙層云之間的晴空夾層厚度在0.3～0.4 km。3層云的底層云云底高度和云頂高度分別分布在2.0～2.5 km和2.8～3.5 km，厚度為0.8～1.0 km；中間層云云底高度和云頂高度分別分布在3.6～4.1 km和4.7～4.8 km，厚度為0.8～1.0 km；頂層云云底高度和云頂高度分別分布在5.0～5.3 km和5.9～6.2 km，厚度為0.9～1.0 km；底層與中間層云和中間層與頂層云之間的晴空夾層厚度分別為0.5～0.8 km和0.2～0.4 km。祁連山北坡雙層云的下層云厚度明顯大于上層云，而3層云中頂層云的厚度最大，此特征與基于掩星資料計(jì)算的中國地區(qū)云垂直結(jié)構(gòu)相一致[29]。

圖3 2014—2019年祁連山北坡云垂直分布的平均范圍

3.2 平均云高度和厚度的季節(jié)變化

圖4為各站點(diǎn)不同層數(shù)云平均云底高度和云頂高度的季節(jié)變化，各站點(diǎn)云垂直結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化明顯且變化規(guī)律較為一致，各層數(shù)云的云底高度、云頂高度都表現(xiàn)為夏高冬低。祁連山北坡單層云的云層厚度在春季最厚為1.3 km，夏季最薄為0.9 km，各站點(diǎn)春季和夏季的單層云厚度變化范圍分別為1.2～1.4 km和0.9～1.0 km。雙層云的下層云厚度大于上層云，上下層云之間的晴空夾層厚度冬天最大，春天最小。由于3層云在冬季出現(xiàn)的頻率極低，且6年的樣本中有2個(gè)站點(diǎn)未在冬季出現(xiàn)3層云，故僅對春夏秋三季的3層云進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)3層云的中層與下層云之間晴空厚度大于中層與上層云之間的晴空厚度。

圖4 2014—2019祁連山北坡敦煌(a)、酒泉(b)、張掖(c)、民勤(d)云高度的季節(jié)變化

4 結(jié)論

利用2014—2019年敦煌、酒泉、張掖、民勤4個(gè)探空站的探空數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了祁連山北坡的云垂直結(jié)構(gòu)特征，得到以下主要結(jié)論：

(1)祁連山北坡全年云的發(fā)生頻率較低，僅為20%～40%；單層云的發(fā)生頻率高于多層云，且多層云以2層云和3層云為主。

(2)祁連山北坡所有云的發(fā)生頻率呈現(xiàn)夏高冬低的規(guī)律，單層、2層和3層云在夏季出現(xiàn)頻率皆大于其他季節(jié)；夏季單層云和2層云出現(xiàn)的頻率較為接近，春秋冬三季單層云出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)高于2層云和3層云。

(3)就全年平均云高度而言，祁連山北坡2層云的下層云厚度為1.4～1.8 km，上層云厚度為0.9～1.0 km，下層云厚度明顯大于上層云；3層云中頂層云的厚度最大，為0.9～1.0 km，且底層云與中層云之間的晴空夾層厚度大于中層云與頂層云之間的晴空厚度。

(4)祁連山北坡云層高度季節(jié)變化顯著，各層數(shù)云的云底高度、云頂高度都表現(xiàn)為夏高冬低。單層云的云層厚度在春季最厚為1.3 km、夏季最薄為0.9 km；雙層云上下云層之間的晴空夾層厚度冬季最大，為0.7 km；3層云的中層與下層云之間晴空厚度大于中層與上層云之間的晴空厚度。