基于CloudSat資料對中國低緯度陸地區(qū)域卷云物理特征的研究

鄭倩 孫杭媛 潘欣 顧振海 黃億 葉飛

(1 衢州市氣象局，浙江 衢州 324000；2 常山縣氣象局，浙江 常山 3242003 龍游縣氣象局，浙江 龍游 324400)

引 言

卷云是是層狀、鉤狀或纖維狀的高云，通常位于-35 ℃以下的低溫對流層中，完全由冰粒組成，在中緯度地區(qū)的覆蓋率約為30%，在熱帶地區(qū)則高達70%[1-2]。由于卷云與長波和短波輻射相互作用并影響對流層和平流層上部的水汽收支，卷云是地球能量平衡的重要組成部分[3]。并且卷云不僅改變行星的輻射收支，還影響水文和氣候敏感性以及地表氣候[4]。但是卷云在輻射強迫和氣候變化中的作用仍然存在很大的不確定性[5]。因此研究卷云的物理特征，有助于更好地認識卷云在輻射強迫和氣候變化中的作用。

衛(wèi)星觀測是研究卷云的重要手段之一。CloudSat衛(wèi)星于2006年4月28日成功發(fā)射，是首顆采用先進雷達來探查云垂直結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星，搭載的云剖面雷達CPR可以提供全球范圍的云垂直結(jié)構(gòu)分布，還有云和氣候關(guān)系信息[6]。CloudSat衛(wèi)星發(fā)射后，Sassen， et al[7]發(fā)現(xiàn)全球平均的卷云發(fā)生率在16.7%左右。我國也有許多學者利用CloudSat對云的分布特征和垂直結(jié)構(gòu)做了研究[8-9]。其中，對于我國及周邊地區(qū)、華北地區(qū)、青藏高原、東北地區(qū)乃至全球不同地區(qū)的宏微觀特征[10-14]，以及不同地區(qū)不同云系垂直結(jié)構(gòu)的對比分析都有較多的研究[15-16]。關(guān)于卷云方面的研究也已逐步開展，主要是對于不同地區(qū)分析卷云的分布特征[17-18]，但是對于我國低緯度區(qū)域的卷云發(fā)生率、云微物理特征的時空差異研究還比較少。在全球范圍內(nèi)，不少國外學者早已對低緯度[19]、中緯度[20]、高緯度[21]不同緯度的卷云分布做過研究。ZHAO， et al[22]利用近20 a衛(wèi)星反演資料分析表明在中低緯地區(qū)卷云的反射率隨緯度先減小后增大，在高緯度地區(qū)，南半球卷云反射率隨緯度升高而增大，北半球反之。

低緯度地區(qū)多對流性降水，已有研究表明低緯度地區(qū)的卷云與對流活動關(guān)系密切[23]，而且卷云的分布在水平和垂直方向上有明顯的地域性[24]。因此，研究我國低緯度地區(qū)卷云的物理特征顯得尤其重要。目前，由于資料的限制，國內(nèi)基于衛(wèi)星遙感的卷云研究大多集中在2012年以前，且時間較短，多為1～2 a。而且云水含量、粒子數(shù)濃度、粒子尺寸等作為重要的云物理參數(shù)[25]，對天氣及氣候變化、人工影響天氣以及飛行等方面都有重要的影響[26]。因此，本文利用2008年9月—2016年8月的CloudSat衛(wèi)星資料對我國低緯度陸地區(qū)域卷云的發(fā)生率、冰/液水路徑、冰/液水含量、冰粒/液滴數(shù)濃度、冰粒/液滴有效半徑，以及雷達反射率因子等物理特征進行研究，有助于提高對卷云的認識，進一步了解低緯度地區(qū)對流性降水的發(fā)生機制，并為模式模擬等提供參考依據(jù)。此外，在天文觀測、衛(wèi)星和航天飛機進入大氣層、商業(yè)飛行和通信系統(tǒng)方面等也需要認識卷云的形成和特征[27]。

1 資料與方法

本文研究區(qū)域是我國低緯度地區(qū)(5°～36.5°N，78°～124°E)。選取資料包括2008年9月—2016年8月CloudSat衛(wèi)星的2B-CLDCLASS、2B-CWC-RO和2B-GEOPROF資料。文中涉及的地圖均基于國家測繪地理信息局標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2016)1554的中國地圖制作，底圖無修改。

Cloudsat衛(wèi)星的2B-CLDCLASS、2B-CWC-RO和2B-GEOPROF 資料的分辨率為2.5 km×1.4 km，垂直方向包含125層，每層240 m。其中，2B-CLDCLASS 是云分類產(chǎn)品，根據(jù)水平和垂直方向上的不同規(guī)則、由CPR測量的最大雷達反射率因子Ze、降水指示以及包括歐洲中尺度天氣預報中心ECMWF的溫度和高度的輔助數(shù)據(jù)，將云分為8 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)、深對流云(Dc)；2B-CWC-RO是云水含量產(chǎn)品，包含CPR測量的每個雷達剖面的云的冰水含量、有效半徑以及相關(guān)量的估算值；2B-GEOPROF產(chǎn)品則提供了雷達反射率因子[28]。圖1 為經(jīng)過我國低緯度區(qū)域的CloudSat衛(wèi)星軌道路徑。每條軌道的重復周期是16 d，可以看到CloudSat衛(wèi)星能夠探測到我國低緯度大部分區(qū)域的云系，因此得到卷云物理量的數(shù)據(jù)具有一定合理性。

圖1 研究區(qū)域劃分及經(jīng)過研究區(qū)域的CloudSat軌道路徑

為了能夠反映卷云物理特征的區(qū)域性差異， 參考中國地理分區(qū)及國外云特征研究的分區(qū)[29]，將我國低緯度陸地區(qū)域劃分為3個子區(qū)域(圖1)，分別為：Ⅰ區(qū)西部地區(qū)(西南地區(qū)，深紅色區(qū)域表示)、Ⅱ區(qū)中部地區(qū)(華中地區(qū)，青色區(qū)域表示)和Ⅲ區(qū)東部沿海地區(qū)(華東及中南地區(qū)，藍色區(qū)域表示)。

本文的統(tǒng)計方法為：首先，根據(jù)2B-CLDCLASS/2B-CWC-RO/2B-GEOPROF資料中的經(jīng)緯度信息篩選出2008年9月—2016年8月所有經(jīng)過我國低緯度陸地區(qū)域(5°～36.5°N，78°～124°E) 的掃描廓線；其次，根據(jù)云分類產(chǎn)品2B-CLDCLASS中的cloud_scenario值判斷是否有卷云存在(判定條件為垂直方向上只要有一層卷云存在，則整層就有卷云發(fā)生)，得到我國低緯度區(qū)域內(nèi)有卷云發(fā)生的垂直廓線；然后分別判斷我國低緯度區(qū)域內(nèi)的有卷云發(fā)生的垂直廓線是否經(jīng)過3個子區(qū)域，得到3個子區(qū)域有卷云發(fā)生的掃描廓線；最后，根據(jù)3個子區(qū)域的掃描廓線提取2B-CWC-RO產(chǎn)品中冰/ 液水路徑、冰/ 液水含量、數(shù)濃度、有效半徑數(shù)據(jù)以及2B-GEOPROF中的雷達反射率數(shù)據(jù)，計算在我國低緯度3個子區(qū)域內(nèi)卷云物理特征的季節(jié)分布。

2 結(jié)果分析

2.1 卷云發(fā)生率的分布及季節(jié)變化

楊冰韻等[30]指出，在垂直廓線上只要有一層被判定為卷云，則認為整層上有卷云發(fā)生。因此，卷云整層發(fā)生率PZ的公式為：

，

(1)

其中：ZC指的是卷云發(fā)生的層數(shù)。

對每一層而言，發(fā)生卷云的垂直廓線數(shù)與總廓線數(shù)比值百分比則為卷云發(fā)生率P。其公式為：

。

(2)

其中：NC指的是卷云發(fā)生的垂直廓線數(shù)；N指的是總廓線數(shù)(圖2)。

圖2 垂直廓線數(shù)和層數(shù)

表1為2008年9月—2016年8月我國低緯度地區(qū)3個子區(qū)域內(nèi)有卷云發(fā)生的樣本數(shù)和所有掃描點的樣本數(shù)?？梢姡瑨呙铇颖緮?shù)較多的區(qū)域卷云樣本數(shù)也相對較多，東部沿海在所有區(qū)域中均最小。

表1 3個區(qū)域內(nèi)卷云樣本數(shù)和掃描樣本數(shù)

由圖3可以看出，西部地區(qū)卷云整層發(fā)生率整體低于中部地區(qū)和東部沿海地區(qū)。卷云易出現(xiàn)在有豐富水汽的風暴帶以及對流比較旺盛的地區(qū)[7]。造成這種分布的主要原因和水汽的分布有很大關(guān)系。由全國大氣水汽含量分布[31]可見，干季西部地區(qū)水汽含量在0.5～1.0 cm，中部在2～2.5 cm，東部沿海在2.5～3.5 cm；雨季西部地區(qū)水汽含量在0.5～3.5 cm，中部在3.5～5.5 cm，東部沿海在4～6 cm。與西部地區(qū)相比，中部和東部沿海地區(qū)更靠近海洋，因此水汽條件也更加充沛[32]。但從卷云整層發(fā)生率高值區(qū)的分布來看，最高出現(xiàn)在西部地區(qū)的青藏高原地區(qū)和云貴交界處，分別為14.11%和13.6%。不難看出，卷云整體發(fā)生率的高值區(qū)具有顯著的局地性。閔敏等[24]指出由于日照直射引起的區(qū)域性強烈輻合和垂直對流運動是導致卷云頻發(fā)的主要原因，青藏高原的相對高值主要是伴隨海拔較高的高積云的系統(tǒng)的發(fā)生導致的。

圖3 中國低緯度陸地區(qū)域卷云整層發(fā)生率的分布(單位：%)

從卷云整層發(fā)生率的區(qū)域差異(圖4)來看，中部地區(qū)的值在春、夏、冬季中為最大；其次為東部沿海，西部地區(qū)的值則最小。從時間差異來看，卷云整層發(fā)生率在3個子區(qū)域中都為夏季最大、冬季最小。其中，東部沿海和中部地區(qū)春季發(fā)生率大于秋季，而西部地區(qū)秋季發(fā)生率大于春季。具體來說，春季東部沿海、中部和西部地區(qū)的卷云整層發(fā)生率分別為7.59%、7.69%和6.22%；3個子區(qū)域夏季卷云整層發(fā)生率分別為7.96%、8.33% 和7.30%、秋季為7.38%、6.83%、6.52%、冬季則為6.73%、7.02%和5.67%。西部地區(qū)與其他地區(qū)相比卷云整層發(fā)生率較低，夏季最高為7.30%，一方面是由于西部地區(qū)位于內(nèi)陸，水汽條件相對缺乏，更難形成卷云；另一方面由于西部地區(qū)面積較大，而卷云容易發(fā)生的區(qū)域相對較少，因此整體的卷云整層發(fā)生率也較小。而中部地區(qū)的面積較小，卷云容易發(fā)生的區(qū)域也相對較多，再加上中部地區(qū)的水汽條件較好，因此整體的卷云整層發(fā)生率較高。東部沿海地區(qū)雖然水汽條件比較好，夏季對流活動較多，但夏季臺風數(shù)量也較多，高洋等[33]指出隨著臺風強度的不斷增加，卷云的外流現(xiàn)象明顯，卷云出現(xiàn)頻率大于60%的區(qū)域主要集中在距離臺風中心400 km之外，這可能是導致東部沿海地區(qū)的卷云整層發(fā)生率略低于中部地區(qū)、略高于西部地區(qū)的一個重要原因。

圖4 3個子區(qū)域卷云發(fā)生率的季節(jié)變化(單位: %)

為了更直觀地感受卷云發(fā)生率在垂直高度上的變化，圖5給出了卷云發(fā)生率垂直分布的季節(jié)變化。卷云的主要發(fā)生高度在5.04～18.71 km，卷云發(fā)生率的最大值出現(xiàn)在春季中部地區(qū)，為15.34%，出現(xiàn)的海拔高度為9.83 km。除春季的最大值外，其余3個季節(jié)的最大值分別為：夏季為14.96%，出現(xiàn)在東南沿海，海拔高度為12.47 km；秋季為6.59%，出現(xiàn)在東南沿海，海拔高度為11.51 km；冬季則為10.26%，出現(xiàn)在中部地區(qū)，海拔高度為8.63 km。由此可見，春、冬季卷云發(fā)生率垂直高度上的最大值出現(xiàn)在中部地區(qū)，夏、秋季則出現(xiàn)在東南沿海地區(qū)，這和水平方向上的分布大體一致。3個子區(qū)域卷云發(fā)生率垂直分布的季節(jié)變化均是由高到低先遞增再遞減，除中部地區(qū)最大值出現(xiàn)在春季外，其余最大值均出現(xiàn)在夏季，而平均值均是夏季最大，這與本文之前在整層發(fā)生率的研究是一致的。東部沿海地區(qū)卷云發(fā)生率在垂直分布中的最大值按季節(jié)從大到小依次為夏季14.96%、春季10.43%、秋季6.59%和冬季6.28%，對應(yīng)的海拔高度分別為12.47、10.31、11.51和9.11 km。中部地區(qū)則依次為春季15.34%、夏季13.69%、冬季10.26%、秋季5.94%，對應(yīng)的海拔高度分別為11.75、9.83、10.79和8.63 km。西部地區(qū)則依次為夏季9.54%、春季5.20%、秋季3.83%、冬季2.95%，對應(yīng)的海拔高度分別為12.22、10.49、11.99和8.63 km。不同于東部沿海地區(qū)和西部地區(qū)，中部地區(qū)的卷云發(fā)生率冬季大于秋季。值得注意地是，卷云發(fā)生率最大值的分布高度按地區(qū)由大到小依次為：西部地區(qū)、東部沿海地區(qū)和中部地區(qū)。其中西部地區(qū)卷云發(fā)生率最大值的分布高度較高的原因主要是西部地區(qū)海拔高度相對較高[34]。

圖5 卷云發(fā)生率垂直分布的季節(jié)變化(單位: %): (a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季

2.2 卷云冰水路徑和液水路徑的分布和季節(jié)變化

冰/液水路徑指的是冰/液態(tài)水含量在整層上的積分。3個子區(qū)域卷云在不同季節(jié)的冰水路徑(圖6)平均值在30.03～90.95 g·m-2，而液水路徑在108.20～187.00 g·m-2。顯然，3個子區(qū)域卷云在不同季節(jié)均表現(xiàn)為液水路徑大于冰水路徑。其中，東部沿海地區(qū)夏季二者差異較小，這與夏季東部沿海地區(qū)更容易形成冰云有關(guān)。

圖6 卷云冰水路徑(a)和液水路徑(b)的季節(jié)變化

對于冰水路徑，其最大值出現(xiàn)在夏季的東部沿海，這同樣與夏季東部沿海更容易形成冰云分不開。除春、冬季卷云冰水路徑最大值在中部地區(qū)外，夏、秋季均在東部沿海地區(qū)。對于液水路徑，最大值出現(xiàn)在秋季的西部地區(qū)。除秋季外，春季卷云液水路徑最大值在中部地區(qū)。因此，卷云液水路徑最大值春、冬季在中部地區(qū)，夏、秋季在西部地區(qū)。東部沿海和西部地區(qū)卷云液水路徑的最大值均出現(xiàn)在秋季，而中部地區(qū)夏季液水路徑最少。由于青藏高原的特殊地形，沿該地區(qū)抬升的暖濕空氣會產(chǎn)生很多地形型卷云，而青藏高原東北坡的卷云相對高值主要出現(xiàn)在春、冬季[24]，因此夏、秋季西部地區(qū)卷云液水路徑相對較高。顯然，混合卷云的整層發(fā)生率與卷云冰水路徑呈正相關(guān)，與液水路徑呈負相關(guān)。

2.3 卷云冰水含量和液水含量的分布和季節(jié)變化

冰/液水含量反映了云中整體所含的冰晶質(zhì)量/含水量[30]。卷云冰水含量(圖7)的主要分布高度在5.04～18.71 km，這與卷云的發(fā)生高度一致。而卷云液水含量的主要分布高度在5.04～9.35 km。顯然，卷云液水含量的分布高度遠遠低于冰水含量。卷云冰水含量的最大值為45.89 mg·m-3，出現(xiàn)在夏季東部沿海地區(qū)，出現(xiàn)的海拔高度為16.79 km。而液水含量的最大值為350.88 mg·m-3，同樣出現(xiàn)在夏季東部沿海地區(qū)，出現(xiàn)的海拔高度為5.52 km。從冰水含量與液水含量的數(shù)值量級可見，卷云中的冰水含量仍小于液水含量。

圖7 卷云冰水含量和液水含量垂直分布的季節(jié)變化：(a、b)春季；(c、d)夏季；(e、f)秋季；(g、h)冬季

對于冰水含量，除春季的最大值32.92 mg·m-3，海拔高度為15.11 km外，其余季節(jié)的最大值分別為：秋季為19.17 mg·m-3，海拔高度為9.35 km；冬季則為16.19 mg·m-3，海拔高度為7.91 km，均出現(xiàn)在東南沿海地區(qū)。對于液水含量，除夏季的最大值外，其余季節(jié)的最大值分別為：春季為170.89 mg·m-3，出現(xiàn)在東部沿海地區(qū)，海拔高度為5.76 km；秋季為240.52 mg·m-3，出現(xiàn)在西部地區(qū)，海拔高度為5.76 km；冬季則為29.44 mg·m-3，出現(xiàn)在西部地區(qū)，海拔高度為5.76 km。四季卷云冰水含量垂直高度上的最大值出現(xiàn)在東部沿海地區(qū)。除秋、冬兩季出現(xiàn)在西部地區(qū)以外，春、夏兩季卷云液水含量垂直高度上的最大值均出現(xiàn)在東部沿海地區(qū)。3個子區(qū)域卷云冰水含量垂直分布在季節(jié)變化中均存在多個峰值，但在春、夏和秋季最大值均集中在分布高度的中上部，而冬季最大值則集中在中下部；液水含量垂直分布主要集中在分布高度的中下部，其中冬季3個區(qū)域均為單峰變化，其余季節(jié)多呈雙峰變化。由此可見，溫度與水汽含量的分布是造成卷云冰水含量和液水含量分布的主要原因，而且溫度越低，水汽含量越少，卷云冰水含量和液水含量隨高度的變化也越簡單，這與鄭倩等[11]的研究結(jié)論一致。楊大生等[35]指出，在中云高度以上(低緯度對應(yīng)8 km以上)冰晶隨著自身不斷長大而下沉造成冰水含量通常隨著云高度增加而降低。這也是造成卷云四季冰水含量最大值主要集中在分布高度中上部，而不是上部的主要原因。

2.4 卷云冰粒數(shù)濃度和液滴數(shù)濃度的垂直分布和季節(jié)變化

粒子數(shù)濃度可以很好地表示云中不同的發(fā)展階段， 也是進行降水可能性判斷的依據(jù)[36]。卷云冰粒數(shù)濃度(圖8)的主要分布高度為5.04～18.71 km，這與卷云冰水含量的發(fā)生高度一致。而卷云液滴數(shù)濃度的主要分布高度在5.04～9.35 km。同樣地，這與卷云液水含量的發(fā)生高度也一致。卷云冰粒數(shù)濃度的最大值出現(xiàn)在夏季西部地區(qū)，為340.40 L-1，出現(xiàn)的海拔高度為17.99 km，為春季卷云冰粒數(shù)濃度的最大高度。而液滴數(shù)濃度的最大值出現(xiàn)在夏季的東部沿海地區(qū)，為72.55 cm-3，出現(xiàn)的海拔高度為5.52 km，為夏季卷云液滴數(shù)濃度的最小高度。

圖8 卷云冰粒數(shù)濃度和液滴數(shù)濃度垂直分布的季節(jié)變化：(a、b)春季；(c、d)夏季；(e、f)秋季；(g、h)冬季

對于冰粒數(shù)濃度，除夏季的最大值外，其余3個季節(jié)的最大值分別為：春季為287.10 L-1，出現(xiàn)在東部沿海地區(qū)，海拔高度為17.27 km；秋季為176.44 L-1，出現(xiàn)在西部地區(qū)，海拔高度為16.07 km；冬季則為138.35 L-1，出現(xiàn)在中部地區(qū)，海拔高度為16.07 km。對于液滴數(shù)濃度，除夏季的最大值外，其余3個季節(jié)的最大值分別為：春季為26.12 cm-3，出現(xiàn)在東部沿海地區(qū)，海拔高度為5.52 km；秋季為67.3 cm-3，出現(xiàn)在西部地區(qū)，海拔高度為5.52 km；冬季則為7.91 cm-3，出現(xiàn)在中部地區(qū)，海拔高度為5.76 km。春、秋和冬季卷云冰粒數(shù)濃度垂直高度上的最大值出現(xiàn)區(qū)域均與液滴數(shù)濃度一致。3個子區(qū)域卷云冰粒數(shù)濃度垂直分布在不同季節(jié)均存在多個峰值，但在春、夏和秋季最大值均集中在分布高度的上部，而冬季則集中在中上部；而液滴數(shù)濃度垂直分布主要集中在分布高度的下部。當云頂發(fā)展到0 ℃層以上，云滴處于過冷卻狀態(tài)，一旦過冷卻水云區(qū)有冰相粒子形成，則由于同溫度下水和冰的表面熱力性質(zhì)差異，云的膠體穩(wěn)定狀態(tài)被打破，產(chǎn)生從大量云滴到少數(shù)冰晶的水汽質(zhì)量擴散，促使冰晶快速增長，而海拔高度越高則溫度相對越低，因此冰云粒子數(shù)濃度隨云層高度增加而增加[27]，與前期研究一致。

2.5 卷云冰粒有效半徑和液滴有效半徑的分布和季節(jié)變化

云粒子有效半徑是重要的云微物理量參數(shù)之一[37]。卷云冰粒有效半徑(圖9)的主要分布高度在5.04～18.71 km，而卷云液滴有效半徑的主要分布高度在5.04～9.35 km。卷云冰粒有效半徑的最大值出現(xiàn)在春季中部地區(qū)，為51.5 μm，出現(xiàn)的海拔高度為16.58 km，為春季卷云冰粒有效半徑的最大高度。而液滴有效半徑的最大值出現(xiàn)在夏季的東部沿海地區(qū)，為13.2 μm，出現(xiàn)的海拔高度為5.52 km，為夏季卷云液滴有效半徑的最小高度。

圖9 卷云冰粒有效半徑和液滴有效半徑垂直分布的季節(jié)變化：(a、b)春季；(c、d)夏季；(e、f)秋季；(g、h)冬季

對于冰粒有效半徑，除秋季最大值外，其余3個季節(jié)的最大值分別為：夏季為50.09 μm，海拔高度為9.35 km，出現(xiàn)在中部地區(qū)；秋季為47.80 μm，海拔高度為5.76 km，出現(xiàn)在西部地區(qū)；冬季則為50.8 μm，海拔高度為15.11 km，出現(xiàn)在西部地區(qū)。對于液滴有效半徑，除夏季的最大值外，其余3個季節(jié)的最大值分別為：春季為9.38 μm，出現(xiàn)在東部沿海地區(qū)，海拔高度為5.75 km；秋季為11.7 μm，出現(xiàn)在西部地區(qū)，海拔高度為5.76 km；冬季則為8.21 μm，出現(xiàn)在西部地區(qū)，海拔高度為5.76 km。秋、冬季卷云冰粒有效半徑垂直高度上的最大值所在區(qū)域均與液滴有效半徑一致。3個子區(qū)域卷云冰粒有效半徑垂直分布在季節(jié)變化中均存在多個峰值，但在春、冬季最大值均集中在分布高度的上部，而夏季最大值集中在中部，秋季則集中在下部；液滴有效半徑垂直分布主要集中在分布高度的下部。

2.6 卷云雷達反射率因子的分布和季節(jié)變化

4個季節(jié)卷云雷達反射率因子(圖10)的最大值在-19.89～-16.78 dBZ，分布高度在7.19～10.55 km，最大為中部地區(qū)的-16.78 dBZ。其中，春季卷云雷達反射率因子的最大值在東部沿海地區(qū)，為-17.93 dBZ，分布高度在8.87 km；中部地區(qū)為-17.69 dBZ，分布高度在8.63 km；西部地區(qū)為-19.89 dBZ，分布高度在8.63 km。夏季卷云雷達反射率因子的最大值在東部沿海地區(qū)，為-17.47 dBZ，分布高度在10.55 km；中部地區(qū)為-16.78 dBZ，分布高度在9.59 km；西部地區(qū)為-19.09 dBZ，分布高度在9.35 km。秋季卷云雷達反射率因子的最大值在東部沿海地區(qū)，為-18.52 dBZ，分布高度在9.35 km；中部地區(qū)為-18.99 dBZ，分布高度在9.35 km；西部地區(qū)為-19.08 dBZ，分布高度在9.11 km。冬季卷云雷達反射率因子的最大值在東部沿海地區(qū)，為-19.67 dBZ，分布高度在8.15 km；中部地區(qū)為-19.66 dBZ，分布高度在7.19 km；西部地區(qū)為-19.68 dBZ，分布高度在8.63 km。3個子區(qū)域雷達反射率因子最大值均出現(xiàn)在夏季，且大多在分布高度的中下層，即8～10 km處。這可能是冰粒在降落過程中碰并增長導致雷達回波強度最大值集中在中下層[38]。

圖10 卷云雷達反射率因子垂直分布的季節(jié)變化(單位: dBZ): (a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季

2.7 卷云發(fā)生率與卷云物理量相關(guān)性

在水平分布中，對比分析圖4、6，結(jié)果表明卷云的整層發(fā)生率與卷云的冰水路徑呈明顯的正相關(guān)，與液水路徑呈負相關(guān)。

統(tǒng)計垂直分布中所有發(fā)生率不為0的卷云數(shù)據(jù)，分析卷云的物理量與卷云垂直分布中的發(fā)生率的相關(guān)性(圖11)。由于液水含量、液滴數(shù)濃度、液滴有效半徑這3種微物理量與發(fā)生率的相關(guān)性均未通過相關(guān)性檢驗，因此不做討論，而冰水含量、冰粒數(shù)濃度、冰粒有效半徑和雷達發(fā)射率因子這4種物理量與發(fā)生率的相關(guān)性都通過了顯著性檢驗，其中雷達發(fā)射率因子與降水強度為正相關(guān)且相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)R達到0.613 4，冰粒數(shù)濃度和冰粒有效半徑與發(fā)生率也為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R分別為0.532 6和0.412 9，而冰水含量與發(fā)生率的負相關(guān)系數(shù)極低，R為-0.090 5。

圖11 卷云發(fā)生率與4個物理量的相關(guān)性: (a)冰水含量; (b)冰粒數(shù)濃度; (c)冰粒有效半徑;(d)雷達反射率因子

3 結(jié)論

本文利用2008年9月—2016年8月的CloudSat數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析包括卷云的發(fā)生率、冰水/液水路徑、冰水/液水含量、冰粒/液滴數(shù)濃度、冰粒/液滴有效半徑、以及雷達反射率等在內(nèi)的卷云物理特征。主要結(jié)論如下：

(1) 我國低緯度區(qū)域卷云的整層發(fā)生率西部地區(qū)整體低于中部地區(qū)與東部沿海地區(qū)，但最高值出現(xiàn)在西部地區(qū)，為14.11%。從時間上看，東部沿海、中部和西部地區(qū)發(fā)生率均表現(xiàn)為夏季最高、冬季最低。從垂直高度上看，卷云的主要發(fā)生高度在5.04～18.71 km，卷云發(fā)生率的最大值為15.34%，出現(xiàn)在春季中部地區(qū)，出現(xiàn)的高度為9.35 km。3個子區(qū)域卷云發(fā)生率垂直分布在4個季節(jié)中變化均是由高到低先遞增再遞減。春季和冬季卷云發(fā)生率垂直高度上的最大值出現(xiàn)在中部地區(qū)，夏、秋季則出現(xiàn)在東南沿海地區(qū)。

(2) 3個子區(qū)域卷云在季節(jié)中的冰水路徑平均值在30.03～90.95 g·m-2，而液水路徑在108.20～187.00 g·m-2。冰水路徑最大值出現(xiàn)在夏季的東部沿海，液水路徑最大值出現(xiàn)在秋季的西部地區(qū)。3個子區(qū)域卷云冰水路徑的最大值均出現(xiàn)在夏季；東部沿海和西部地區(qū)卷云液水路徑的最大值均出現(xiàn)在秋季。

(3) 卷云冰水含量、冰粒數(shù)濃度、冰粒有效半徑的主要分布高度在5.04～18.71 km，液水含量、液滴數(shù)濃度、液滴有效半徑的主要分布高度在5.04～9.35 km。卷云冰水含量的最大值出現(xiàn)在夏季東部沿海地區(qū)，為45.89 mg·m-3，出現(xiàn)的海拔高度為16.79 km，而液水含量的最大值出現(xiàn)在夏季的東部沿海地區(qū)，為350.88 mg·m-3，出現(xiàn)的海拔高度為5.52 km；冰粒數(shù)濃度的最大值出現(xiàn)在夏季西部地區(qū)，為340.40 L-1，高度為17.99 km，為夏季卷云冰粒數(shù)濃度的最大高度，而液滴數(shù)濃度的最大值出現(xiàn)在夏季的東部沿海地區(qū)，為72.55 cm-3，高度為5.52 km，為夏季卷云液滴數(shù)濃度的最小高度；冰粒有效半徑的最大值為51.5 μm，出現(xiàn)在秋季東部沿海地區(qū)，出現(xiàn)的海拔高度為16.58 km，而液滴有效半徑的最大值為13.2 μm，出現(xiàn)在夏季的東部沿海地區(qū)，高度為5.52 km。3個子區(qū)域卷云冰水含量在春、夏和秋季的最大值均集中在分布高度的中上部，而在冬季則集中在中下部；冰粒數(shù)濃度在春、夏和秋季最大值均集中在分布高度的上部，而在冬季則集中在中上部；冰粒有效半徑春、冬兩季最大值集中在分布高度的上部，而在夏季集中在中部，秋季則集中在下部。液水含量、液滴有效半徑、液滴數(shù)濃度垂直分布主要集中在分布高度的中下部。

(4)卷云雷達反射率因子主要分布高度在在5.04～18.71 km，分布范圍主要在-35.11～-16.78 dBZ。四季的卷云雷達反射率因子的最大值在-19.89～-16.78 dBZ，分布高度在中下部，7.19～10.55 km處。