基于CERES資料的新疆云物理參數(shù)時(shí)空分布特征

蘇亞喬，王 勇，張林梅，鄭焙文，張?jiān)苹?/p>

（1.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，新疆 烏魯木齊 830002）

水資源是國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)保障，更是人類命運(yùn)共同體的物質(zhì)根本。作為發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺，目前人均水資源占有量約為世界人均占有量的四分之一，被列為世界人均水資源匱乏國(guó)家之一。全國(guó)城市中有400余座供水不足、110余座嚴(yán)重缺水，占中國(guó)城市總數(shù)的73.9%，且大部分位于我國(guó)北方及西北半干旱、干旱地區(qū)[1]，新疆作為典型的干旱半干旱地區(qū)，水資源緊缺已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要障礙。改善水資源短缺問(wèn)題的途徑為開(kāi)源和節(jié)流。但節(jié)流必須與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)，節(jié)流空間有限。同時(shí)，地表和地下水資源開(kāi)發(fā)已接近極限。因此，開(kāi)發(fā)利用空中云水資源已成為各界關(guān)注的緩解水資源短缺的有效途徑之一。

云的宏微觀結(jié)構(gòu)特征與云降水條件、機(jī)制、效率及人工增雨潛力等緊密相關(guān)。不同的云結(jié)構(gòu)特征所造成的天氣現(xiàn)象更是千差萬(wàn)別[2]。故云粒子有效半徑、云水路徑、光學(xué)厚度、云頂氣壓等云物理參數(shù)，對(duì)于研究云系宏微觀特征、氣候變化、降水演變以及空中水資源有效開(kāi)發(fā)等具有重要的意義。常規(guī)氣象臺(tái)站提供的氣象觀測(cè)資料很難獲得云中液態(tài)水含量等云參數(shù)，目前主要通過(guò)微波輻射計(jì)[3]、飛機(jī)探測(cè)[4-5]、衛(wèi)星探測(cè)[6-7]等手段獲得云參數(shù)。相較于其他探測(cè)手段，衛(wèi)星具備大范圍、全過(guò)程、長(zhǎng)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)[8]。隨著氣象衛(wèi)星的發(fā)展，利用衛(wèi)星資料反演的各種云微物理特征被廣泛應(yīng)用于氣象研究中。Rosenfeld等[9]運(yùn)用NOAA極軌衛(wèi)星資料反演了對(duì)流云溫度和云粒子有效半徑的分布特征，該反演方法還可應(yīng)用于MODIS、FY-3[10]等衛(wèi)星的云微物理特征反演和強(qiáng)對(duì)流識(shí)別研究[11]。劉健等[12]通過(guò)對(duì)FY-1D和NOAA極軌衛(wèi)星反演得到的云光學(xué)厚度和地面降水?dāng)?shù)據(jù)的分析，指出地面雨量與云光學(xué)厚度呈正相關(guān)。張杰等[13]對(duì)MODIS云特征參數(shù)與降水量的關(guān)系進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，祁連山區(qū)產(chǎn)生較大降水的云粒子有效半徑通常在6～12 μm，云光學(xué)厚度在8～20。王羽佳等[14]利用CERES資料分析了東亞地區(qū)單層卷云物理特性。李帥等[15]用FY-2F資料研究了新疆區(qū)域云量和云類的分布特征。王昀等[16]、光瑩等[17]分別研究了新疆層狀云冰粒子屬性的季節(jié)變化以及層狀云微物理屬性垂直分布的季節(jié)變化。王磊等[18]、龔靜等[19]分別探究了華北和青海省東部云特征參量與降水的相關(guān)性。

新疆對(duì)降水的需求巨大，云特征參量的時(shí)空分布特征影響著降水產(chǎn)生的效率，也決定著人工增水的效果。本文利用2011—2020年ERA5再分析降水?dāng)?shù)據(jù)、云和地球輻射能量系統(tǒng)（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System，CERES）云產(chǎn)品，分析新疆云參數(shù)的時(shí)空變化分布特征，歸納總結(jié)北疆、南疆、山區(qū)云物理參數(shù)與降水量的相關(guān)性，為開(kāi)發(fā)新疆空中云水資源做初步探索，為人工影響天氣作業(yè)的潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供初步參考。

1 資料與方法

使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）ERA5的0.25°×0.25°逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)和Aqua衛(wèi)星搭載的CERES儀器探測(cè)的三級(jí)（Level-3）數(shù)據(jù)，包括云水路徑（液相、冰相）、云粒子有效半徑（液相、冰相）、云頂（底）溫度、云光學(xué)厚度、云頂氣壓（分辨率為1°×1°）。

ERA5是ECWMF推出的第五代再分析產(chǎn)品，具有時(shí)空分辨率高、更新快、參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。有研究指出ERA5相對(duì)于ERA-Interim在數(shù)據(jù)質(zhì)量上有很大的提升[20-21]。CERES探測(cè)器的長(zhǎng)波和短波在地面校準(zhǔn)誤差分別為0.5%和1%。采用了新的角度分布模型后，減少了2～4倍的系統(tǒng)誤差和均方根誤差。它的伺服系統(tǒng)定位精度高，溫度探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)、熱滯系數(shù)小，表明該儀器具有測(cè)量快速、系統(tǒng)誤差小的特征[22]。

利用2011—2020年8種云物理參數(shù)與多年月平均降水量數(shù)據(jù)，將新疆分為山區(qū)（包括阿爾泰山、天山、昆侖山、南疆西部山區(qū)）、北疆（以天山為界的北部非山區(qū)）、南疆（以天山為界的南部非山區(qū)）3個(gè)區(qū)域（圖1）進(jìn)行討論，分析云參數(shù)與降水量的時(shí)空分布特點(diǎn)及對(duì)應(yīng)關(guān)系；運(yùn)用ArcGIS軟件分別提取北疆、南疆、山區(qū)的格點(diǎn)數(shù)據(jù)做空間平均，分析3個(gè)區(qū)域的云參數(shù)與降水量的差異；并通過(guò)計(jì)算云參數(shù)與降水量的Pearson相關(guān)系數(shù)，分析其顯著性。

圖1 分區(qū)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 云參數(shù)與降水量空間分布特征

由2011—2020年10 a平均云參數(shù)、降水量空間分布（圖2）可知，新疆各地的降水分布及強(qiáng)度極不均勻，總體呈山區(qū)多（強(qiáng)）、南疆少（弱）、北疆介于兩者之間的特征。山區(qū)空間平均降水量為487.3 mm，占全疆降水量的62.5%，是南疆降水量的8.5倍（表1），其中阿爾泰山北部，天山中、西段以及昆侖山北坡西段的降水量較豐富，阿爾泰山東南部，天山東段，昆侖山南部及東段的降水量相對(duì)較少。南疆年降水量為57.5 mm，僅占全疆降水總量的7.4%（表1），塔里木盆地北部、西部邊緣降水量為50～100 mm，東部和南部降水量＜50 mm。北疆空間平均降水量則介于兩者之間，年降水量為234.6 mm（表1），伊犁河谷、塔城盆地年降水量為250～350 mm，準(zhǔn)噶爾盆地降水量為50～200 mm，降水少的地區(qū)為天山尾閭淖毛湖一帶，降水量＜50 mm。

云液水路徑值為北疆＞山區(qū)＞南疆，呈自北向東南遞減的分布特征，阿勒泰北部的云液水路徑值＞70 g/m2，阿爾泰山區(qū)降水量大值區(qū)與云液水路徑的大值區(qū)重合（圖2a）。云冰水路徑值自西向東遞減，與云液水路徑不同，山區(qū)是3個(gè)區(qū)域中云冰水路徑值最大的區(qū)域，天山西段、昆侖山北部西段的降水量大值區(qū)對(duì)應(yīng)的云冰水路徑值＞140 g/m2（圖2b），北疆次之，南疆最?。ū?）。

云粒子有效半徑（液相）的分布呈西高東低，且在東部的哈密、吐魯番一帶有一明顯低值中心（圖2c）。云粒子有效半徑（冰相）在天山西段值較大，＞30 μm，在南疆東部及昆侖山南部相對(duì)較小，北疆云粒子有效半徑（冰相）介于山區(qū)與南疆之間（圖2d、表1）。

云底溫度在山區(qū)較高，說(shuō)明山區(qū)云底高度相對(duì)較低（圖2e），云頂溫度空間差別不大，北疆、南疆空間平均云頂溫度略低，山區(qū)略高（圖2f、表1），山區(qū)的云底云頂溫度差最大（表1），表明山區(qū)相對(duì)其他區(qū)域的云層更厚。

云光學(xué)厚度自東向西減小，從空間平均上看，山區(qū)＞北疆＞南疆，這與降水量的空間平均值分布一致（圖2g、表1）。

云頂氣壓呈北高南低的分布形式，山區(qū)的空間平均云頂氣壓遠(yuǎn)低于北疆、南疆，云頂氣壓可以直接表征云頂發(fā)展的高度，說(shuō)明山區(qū)的云層較厚（圖2h、表1）。

表1 2011—2020年10 a平均降水量、云參數(shù)空間平均值

圖2 年平均降水量與云參數(shù)空間分布

綜上可初步判定云參數(shù)值與降水量的相關(guān)性強(qiáng)。云水路徑（冰相）、云粒子有效半徑（冰相）、云光學(xué)厚度在空間上呈現(xiàn)山區(qū)最大，北疆次之，南疆最少的分布狀態(tài)，這與降水量的空間分布一致。另外，降水量最少的南疆同時(shí)云水路徑值（液、冰相）也最??；降水量最多的山區(qū)擁有最大的云頂云底溫度差和最低的云頂氣壓值。

2.2 云參數(shù)與降水量時(shí)間分布特征

2.2.1 季節(jié)變化

為了便于統(tǒng)計(jì)分析，采用天文上的3個(gè)月為一季來(lái)劃分新疆季節(jié)，即12月—翌年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

3個(gè)區(qū)域的降水量在季節(jié)上的分布不均勻，均為夏季最多，春季次之，冬季最少，秋季介于春、冬兩季降水量之間。山區(qū)降水量季節(jié)差異最大，夏季降水豐沛，占山區(qū)年均降水量的50.7%，是冬季降水的7.1倍；北疆降水量季節(jié)變化率相對(duì)較小，夏季降水占北疆年均降水量的37.6%，是冬季降水的3.5倍；南疆夏季的降水量甚至少于山區(qū)冬季降水量，可見(jiàn)南疆降水匱乏（圖3a）。

北疆的云冰水路徑值季節(jié)分布與降水量季節(jié)分布一致，夏季的云冰水路徑值最高為156.7 g/m2（圖3c）；云頂氣壓季節(jié)分布為冬季最高，秋季次之，夏季最低，春季介于夏、秋兩季云頂氣壓值之間，與降水量季節(jié)分布相反（圖3i）；云粒子有效半徑（液、冰相）在降水量最多的夏季最小、降水量最少的冬季最大（圖3d、3e）；云頂（底）溫度由高到低季節(jié)排序依次是：夏、秋、春、冬，說(shuō)明夏季云高低于冬季云高，有利于降水產(chǎn)生，云頂（底）溫度在夏季最高、冬季最低（圖3f、3g）。

南疆的云冰水路徑值與降水量季節(jié)分布一致，夏季的云冰水路徑值最高，為164.8 g/m2，相比于北疆，雖然云冰水路徑值的增大均對(duì)降水量有正向影響，但是同時(shí)期南疆較大的云冰水路徑值所帶來(lái)的降水量卻少于北疆，說(shuō)明云冰水路徑值對(duì)降水的影響作用南疆弱于北疆（圖3c）；云液水路徑值在夏季最大（圖3b）；云粒子有效半徑（液、冰相）在夏季最小、冬季最大（圖3d、3e）；云底、云頂溫度在夏季最高、冬季最低（圖3f、3g）；云光學(xué)厚度在夏季最大（圖3h）。

山區(qū)的云冰水路徑值與降水量季節(jié)分布一致（圖3c）；云液水路徑值在夏季最大（圖3b）；云粒子有效半徑（冰相）在夏季最小（圖3d、3e）；云底、云頂溫度在降水量最多的夏季最高、在降水量最少的冬季最低（圖3f、3g）；云光學(xué)厚度在夏季最大（圖3h）；云頂氣壓在夏季最低（圖3i）。

圖3 降水量、云參數(shù)季節(jié)分布

2.2.2 月變化

降水量在南、北疆、山區(qū)的月變化較一致，1—3月有所增多，4—6月迅速增加，7—8月為降水量最豐沛的時(shí)段，此時(shí)南、北疆、山區(qū)的月降水量保持在8、25、80 mm以上，且降水量最大值均出現(xiàn)在6月，9—10月降水量迅速減少（圖4a）。

北疆云水路徑（液、冰相）值的月變化呈雙峰型，最大值分別出現(xiàn)在8和7月，云水路徑（液、冰相）值與降水量在3—9月呈同位相變化（圖4a、4b）；云粒子有效半徑（液、冰相）與降水量呈反位相變化（圖4c、4d）；云底、云頂溫度的月變化呈單峰型，最大、最小值分別出現(xiàn)在7和1月，且與降水量的月變化趨勢(shì)完全一致（圖4e、4f）；云光學(xué)厚度的月變化呈雙峰型，與降水量在5—10月呈同位相變化（圖4g）；云頂氣壓月變化為12月最高，6月最低，云頂氣壓與降水量在3—9月呈反位相變化（圖4h）。

南疆云液水路徑值的月變化呈雙峰型，云冰水路徑值的月變化呈單峰型，最大值分別出現(xiàn)在8和6月，云水路徑（液、冰相）值與降水量在3—10月呈同位相變化，云冰水路徑值在3—10月變化幅度較大，在11月—翌年2月變化幅度?。▓D4a、4b）；云粒子有效半徑（液、冰相）與降水量在5—10月呈反位相變化，且云粒子有效半徑冰相比液相變化幅度大（圖4c、4d）；云底、云頂溫度與降水量在2—12月的月變化趨勢(shì)完全一致（圖4e、4f）；云光學(xué)厚度的月變化呈雙峰型，與降水量在3—10月呈同位相變化，且云光學(xué)厚度在6—8月南疆大于北疆（圖4g）；云頂氣壓月變化呈單峰型，12月最高，6月最低，云頂氣壓與降水量在4—10月呈反位相變化（圖4h）。

山區(qū)云水路徑（液、冰相）值的月變化與南疆的類似，最大值均出現(xiàn)在降水量最多的6月，云水路徑（液、冰相）值與降水量在3—10月呈同位相變化（圖4a、4b）；云粒子有效半徑（液、冰相）與降水量在5—10月呈反位相變化，在11月—翌年2月呈同位相變化，且云粒子有效半徑冰相比液相變化幅度大（圖4c、4d）；云底、云頂溫度與降水量的月變化趨勢(shì)十分相似（圖4e、4f）；云光學(xué)厚度與降水量在3—10月呈同位相變化，且云光學(xué)厚度在11月—翌年2月變化幅度很?。▓D4g）；云頂氣壓月變化呈單峰型，12月最高，6月最低，云頂氣壓與降水量在3—10月呈反位相變化（圖4h）。

圖4 降水量（柱狀）與云參數(shù)（折線）月際變化特征

2.3 云物理參數(shù)與降水的關(guān)系

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)云參數(shù)與降水量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，得出夏季（6—8月）北疆云水路徑（液、冰相）、云粒子有效半徑（冰相）、云底、云頂溫度、云光學(xué)厚度、南疆云粒子有效半徑（液相）、云光學(xué)厚度、云頂氣壓、山區(qū)云水路徑（液、冰相）、云粒子有效半徑（液、冰相）、云底、云頂溫度、云光學(xué)厚度、云頂氣壓與對(duì)應(yīng)區(qū)域降水量的相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

為探索夏季云參數(shù)與降水量在各區(qū)域的具體關(guān)系，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值≥0.8認(rèn)為有強(qiáng)的相關(guān)性，0.3～0.8認(rèn)為有弱的相關(guān)性，≤0.3認(rèn)為沒(méi)有相關(guān)性，并結(jié)合2011—2020年夏季云參數(shù)與降水量的相關(guān)系數(shù)空間分布進(jìn)行分析。

北疆云液水路徑值在塔城、阿勒泰北部及哈密西北部（圖5a），云冰水路徑值在阿勒泰北部（圖5b），云底溫度在伊犁北部、博州南部以及阿勒泰北部（圖5e），云頂溫度在阿勒泰北部、博州、伊犁北部、塔城西南部及北部（圖5f），云光學(xué)厚度在塔城西部、博州北部、伊犁河谷（圖5g）與降水量呈弱正相關(guān)，且通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)（以下描述均為通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域）。云粒子有效半徑（冰相）在塔城、阿勒泰北部及博州（圖5d）與降水量呈弱負(fù)相關(guān)。

南疆云光學(xué)厚度在克州西南部、喀什北部、和田北部、巴州中部（圖5g）與降水量呈弱正相關(guān)。云粒子有效半徑（液相）在烏什—伊吾、莎車—若羌（圖5c），云頂氣壓在南疆地區(qū)大部（圖5h）與降水量呈弱負(fù)相關(guān)。云頂氣壓在喀什地區(qū)中部（圖5h）與降水量呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)。

山區(qū)云液水路徑值在西天山、阿爾泰山北部（圖5a），云冰水路徑值在阿爾泰山北部（圖5b），云底、云頂溫度在西天山北部、阿爾泰山北部（圖5e、5f），云光學(xué)厚度在西天山、南疆西部山區(qū)、昆侖山北坡（圖5g）與降水量呈弱正相關(guān)；云液水路徑值在阿爾泰山北端（圖5a）與降水量呈強(qiáng)正相關(guān)。云粒子有效半徑（液相）在東天山、南疆西部山區(qū)中部、昆侖山北坡東部（圖5c），云粒子有效半徑（冰相）在阿爾泰山北部（圖5d），云頂氣壓在東天山、南疆西部山區(qū)南部、昆侖山北坡（圖5h）與降水量呈弱負(fù)相關(guān)；云頂氣壓在南疆西部山區(qū)北部與降水量呈強(qiáng)正相關(guān)（圖5h）。

圖5 夏季降水量與云參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

利用2011—2020年ERA5再分析降水?dāng)?shù)據(jù)、CERES云產(chǎn)品對(duì)新疆云參數(shù)的時(shí)空變化分布特征及云物理參數(shù)與降水的相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

（1）從空間分布特征來(lái)看，云水路徑值（冰相）、云粒子有效半徑（冰相）、云光學(xué)厚度在空間上呈現(xiàn)山區(qū)最大、北疆次之、南疆最小的分布狀態(tài)，與降水量的空間分布一致。云水路徑值（液、冰相）最小的南疆同時(shí)降水量最少。擁有最大云頂、云底溫度差和最低云頂氣壓值的山區(qū)降水量最多。

（2）從時(shí)間分布特征來(lái)看，北疆的云光學(xué)厚度、云液水路徑值與降水量在5—10月呈同位相變化；云冰水路徑值與降水量季節(jié)分布一致；云粒子有效半徑（液、冰相）在夏季最小、冬季最大；云底、云頂溫度與降水量的月變化趨勢(shì)完全一致；云頂氣壓與降水量季節(jié)分布相反。南疆的云光學(xué)厚度、云液水路徑值在夏季最大；云冰水路徑值與降水量季節(jié)分布一致；云粒子有效半徑（液、冰相）、云頂氣壓與降水量在5—10月呈反位相變化；云底、云頂溫度與降水量在2—12月的月變化趨勢(shì)完全一致。山區(qū)的云液水路徑最大值出現(xiàn)在6月；云冰水路徑值與降水量季節(jié)分布一致；云粒子有效半徑（冰相）在夏季最?。辉频?、云頂溫度與降水量的月變化趨勢(shì)十分相似；云光學(xué)厚度與降水量在3—10月呈同位相變化；云頂氣壓在夏季最低。

（3）從夏季（6—8月）云物理參數(shù)與降水的關(guān)系來(lái)看，北疆云水路徑（液、冰相）值、云底、云頂溫度、云光學(xué)厚度與降水量呈弱正相關(guān)；云粒子有效半徑（冰相）與降水量呈弱負(fù)相關(guān)。南疆云光學(xué)厚度與降水量呈弱正相關(guān)；云粒子有效半徑（液相）、云頂氣壓與降水量呈弱負(fù)相關(guān)；喀什地區(qū)中部的云頂氣壓與降水量呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)。山區(qū)云水路徑（液、冰相）值、云底、云頂溫度、云光學(xué)厚度與降水量呈弱正相關(guān)；阿爾泰山北端的云液水路徑值與降水量呈強(qiáng)正相關(guān)；云粒子有效半徑（液、冰相）、云頂氣壓與降水量呈弱負(fù)相關(guān)；南疆西部山區(qū)北部的云頂氣壓與降水量呈強(qiáng)正相關(guān)，以上相關(guān)均通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。