基于CloudSat/CALIPSO聯(lián)合探測的南京地區(qū)卷云物理特性分析

潘紅林，甘萬英，馬 諾，陸 輝，霍 文，楊興華，楊 帆，周成龍

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗基地，新疆 烏魯木齊830002；2.阿克蘇市氣象局，新疆 阿克蘇843000）

云是地球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，60% ～70% 的地球表面被云覆蓋[1]，對于天氣系統(tǒng)和氣候變化的研究，云的物理特性是重要的考慮因素之一。云的輻射效應(yīng)顯著影響地氣輻射收支的平衡[2]。云的存在，不僅減少了到達地表的太陽輻射，同時也阻擋了部分地表長波輻射能量的散失，對大氣溫度有直接影響。此外，云的模擬是數(shù)值模式中最大的不確定因素和難點之一[3]。云的探測為天氣及氣候模式提供初始場，不同類型云的降水潛力、內(nèi)部動力特征和云的輻射效應(yīng)都強烈依賴于其微物理特性[4]，故深入研究云的微物理過程對提高模式的準確性具有重要意義。例如，卷云是指由冰晶組成的層狀、鉤狀、帶狀或纖維狀的高云，它們是在全球范圍內(nèi)最經(jīng)常出現(xiàn)的云型之一，卷云在對流層上部，能吸收地面長波輻射，對太陽短波入射輻射影響相對較小，在地氣系統(tǒng)輻射收支中主要起增溫作用，而其他類型的云則主要起輻射降溫作用[5]。

CloudSat搭載的是94 GHz的毫米波云廓線雷達（CPR），側(cè)重于探測光學(xué)厚度較厚的大尺度粒子組成的云層，能探測到云內(nèi)部的信息，同時可以產(chǎn)生云中的液態(tài)水和冰水含量的垂直廓線，但它對上層的薄云觀測不夠細致。CALIPSO上裝載的云氣溶膠激光雷達（CALIOP），是一部雙波長靈敏的偏振激光雷達，對薄云和纖細的云頂很敏感，其特別適合卷云的研究，但它很難透過較厚的云層觀測到云內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整信息，且對卷云的年際變化目前還不能給出結(jié)論[6-7]。故二者聯(lián)合的資料相輔相成，各自的探測優(yōu)勢明顯。

目前利用CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星資料對云的研究主要集中于云的分布以及云的特征量分析兩個方面。Sassen，et al[8]利用CloudSat和CALIPSO的探測結(jié)果研究了全球范圍內(nèi)卷云的分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)全球卷云平均發(fā)生率為16.7% ，研究主要側(cè)重于云的分布規(guī)律。Grenier，et al[9]通過分析CloudSat和CALIPSO資料研究了極地薄冰云中云參數(shù)的分布和氣溶膠的分布，該工作涉及了氣溶膠、云和輻射的相互作用，有助于進一步了解極地氣候的變化。彭杰等[10]對CloudSat衛(wèi)星觀測資料加以統(tǒng)計分析，將東亞地區(qū)劃分為5個子區(qū)域，進一步細化了對東亞地區(qū)云的垂直分布特征。葉培龍等[11]利用2007年3月—2008年2月CloudSat及CALIPSO衛(wèi)星相結(jié)合的云分類產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析了中國西部及周邊地區(qū)云的垂直結(jié)構(gòu)特征，研究結(jié)果表明：所有云的云頂和云底高度在不同高度的出現(xiàn)頻率具有明顯的區(qū)域和季節(jié)變化特征。霍娟[12]利用CloudSat和CALIPSO衛(wèi)星云產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析了2007年1月—2010年12月中國華北、日本海和太平洋地區(qū)的中云分布特征，研究結(jié)果表明，中云垂直及水平尺度從陸地向海洋逐步增加。Deng，et al[6]將幾個A-Train衛(wèi)星反演的冰云的微物理特性與實際探測的結(jié)果進行對比評估，并分析了結(jié)果差異性的原因，與反演算法的參數(shù)輸入及假設(shè)粒子的形狀大小等因素有關(guān)。卜令兵等[13]利用地基雷達觀測資料，以光學(xué)厚度作為閾值，提出了一種卷云IWC的聯(lián)合反演算法，其聯(lián)合算法實現(xiàn)了更有效及更全面的卷云信息的反演。近年來，對于CloudSat和CALIPSO星載雷達的探測數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的應(yīng)用，主要是針對CPR和CALIOP的聯(lián)合探測結(jié)果的統(tǒng)計分析及微物理參數(shù)反演算法的研究，包括對不同云種、不同區(qū)域的云分布及云的特征量分析的研究等。

由于南京地區(qū)位于東亞季風區(qū)，靠近北亞熱帶的北緣，是我國降水變化率比較大、多旱澇災(zāi)害的地區(qū)之一。如果能基于CloudSat和CALIPSO聯(lián)合探測資料進行南京地區(qū)卷云的物理特性分析，將有助于得到該地區(qū)更精確的冰水含量、粒子尺度等非常重要的云物理參數(shù)，對深入了解卷云的輻射強迫具有重要意義，且可為氣候模式開發(fā)與研究中關(guān)于云的特征參數(shù)量提供理論基礎(chǔ)，從而可進一步提高人們對卷云的認識。

1 探測儀器及數(shù)據(jù)

“A-TRAIN”衛(wèi)星觀測系統(tǒng)由Aqua、CloudSat、CALIPSO、PARASOL和Aura五顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星相互配合在同一軌道上實現(xiàn)了準同步、主被動、多波段的對地球的聯(lián)合觀測[14]。CloudSat衛(wèi)星的軌道高度為705.4 km，其跨軌分辨率為1.4 km，沿軌分辨率為2.5 km，垂直分辨率為0.25 km，與CALIPSO上搭載的CALIOP水平分辨率相同[15]，CALIOP，是一部雙波長靈敏的偏振激光雷達，對薄云和纖細的云頂很敏感，特別適合卷云的研究。CloudSat衛(wèi)星環(huán)繞地球一周約98 min，軌跡平均16 d重復(fù)一次，該軌道與太陽是同步的，它與CALIPSO衛(wèi)星非常接近，二者時間僅相差12.5 s。

CloudSat的云雷達標準數(shù)據(jù)包含2個等級：（1）通過衛(wèi)星搭載的云雷達直接得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品（level-1）；（2）根據(jù)level-1產(chǎn)品結(jié)合其他衛(wèi)星產(chǎn)品反演得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品（level-2）。產(chǎn)品主要包括：雷達回波強度，云覆蓋，雷達反射率，云的分類，液態(tài)水/冰水含量，輻射通量等（表1）。

表1 CloudSat主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品

CALIOP是CALIPSO衛(wèi)星最主要的探測設(shè)備，發(fā)射正交極化532 nm和1064 nm三組激光，得到532 nm大氣后向散射信號的平行和垂直分量，532 nm波長大氣總后向散射強度，1064 nm波長大氣后向散射信號。本文使用CALIPSO中的Level1/Level 2（Level 2數(shù)據(jù)：與Level 1數(shù)據(jù)相對應(yīng)的地球物理變量，以及使用多種儀器處理Level 1數(shù)據(jù)后得到的反演變量）數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析云的高分辨率垂直分布廓線。表2為Level 2產(chǎn)品的空間分辨率[16]。其中，海拔高度在8.2～20.2 km的范圍內(nèi)，有利于薄卷云的檢測。

表2 CALIPSO Level 2數(shù)據(jù)資料空間分辨率

對于卷云，CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供了其垂直結(jié)構(gòu)特征，且在產(chǎn)品2B-CLDCLASS產(chǎn)品中定義了八種云類型的特征[17]（表3）。故認為云底高度大于7 km的為卷云[18]。因此，CPR和CALIOP對卷云的探測能力各有優(yōu)勢，聯(lián)合使用二者探測數(shù)據(jù)能更準確地了解卷云的物理特性。

表3 CloudSat 2B-CLDCLASS定義的不同云類型的特征

本文選取以中國南京地區(qū)（中心經(jīng)緯度：32.044°N，118.779°E，海拔高度：8.9 m）為中心，經(jīng)緯度范圍：31.044°～33.044°N，117.779～119.779°E為研究區(qū)域，地理位置區(qū)域見圖1。本文所用數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要是CloudSat發(fā)布的2B-CLDCLASS-LIDAR及2CICE，2B-CLDCLASS-LIDAR該數(shù)據(jù)產(chǎn)品是聯(lián)合CPR和CALIOP探測的云分類產(chǎn)品，且提供較為準確且全面的云底、云頂高度、云分類信息；2C-ICE產(chǎn)品是集成了CPR和CALIOP的探測優(yōu)勢，基于反射率因子和衰減后向散射系數(shù)反演出的冰云微物理特性產(chǎn)品，包括：冰水含量、冰晶有效粒子半徑等[19，20]。對于南京及周邊地區(qū)，由于CloudSat及CALIPSO聯(lián)合準同步掃描過境的區(qū)域僅提供了2007年1月—2010年12月完整年份的2B-CLDCLASS-LIDAR和2C-ICE的數(shù)據(jù)，為便于比較分析，故對南京及周邊地區(qū)的4 a數(shù)據(jù)進行了卷云物理特性的統(tǒng)計分析，從而實現(xiàn)對其卷云的初步認識和了解。

圖1 南京及周邊地區(qū)地理坐標區(qū)域（31.04°～33.04°N，117.78°～119.78°E）

2 典型卷云特征分析

首先了解卷云的基本物理和垂直結(jié)構(gòu)特征。本節(jié)挑選兩個具有典型卷云特征結(jié)構(gòu)的個例進行分析。

圖2所選個例發(fā)生于2008年4月14日南京地區(qū)，該個例水平分布尺度范圍較大，約幾百公里，高度位于7～13 km范圍，云頂及云底分布相對“平坦”，云厚約6 km，宏觀分布上具有卷云的典型特征。同樣，圖2a、2b分別是CPR的反射率因子及CALIOP的后向散射系數(shù)分布情況，圖2c和2d分別是該個例對應(yīng)的CPR及CALIOP聯(lián)合探測反演的云底及云頂高度。由于探測儀器的波長不相同，其對不同大小云粒子的探測能力不同，如圖2a和2b中33.5°N附近CPR對上層較薄的云層不敏感，出現(xiàn)探測信號缺失的現(xiàn)象，而CALIOP不能有效穿透下層較厚的云層，可見單一儀器探測具有一定的局限性，不能有效反演得到云頂及云底高度。而圖2c、2d是聯(lián)合反演得到的卷云云頂和云底高度，相對更為全面、合理、有效。

圖2 發(fā)生于2008年4月14日南京地區(qū)的典型卷云個例

圖3 發(fā)生于2009年5月19日南京地區(qū)的典型卷云個例

圖3所選個例發(fā)生于2009年5月19日南京地區(qū)。該個例水平分布尺度范圍也較大，約700 km，高度位于7～12.5 km范圍，云頂及云底分布相對“平坦”，云厚約5.5 km，宏觀分布上具有卷云的典型特征。圖3a和3b分別是CPR的反射率因子及CALIOP的后向散射系數(shù)分布情況，可看出，在30°N附近，CPR由于對薄卷云不敏感而出現(xiàn)缺測現(xiàn)象，而CALIOP由于信號衰減，不能穿透較厚的云層；圖3c、3d和3e分別是該個例對應(yīng)的CPR、CALIOP及二者聯(lián)合探測反演的卷云冰水含量 （IWC，Ice Water Content），CPR和CALIOP聯(lián)合反演的IWC有效彌補了單一探測儀器的局限性，獲得了更為全面有效的IWC。圖3f、3g分別是CPR及CPR/CALIOP二者聯(lián)合探測反演的卷云粒子有效半徑（ER，Effective Radius），聯(lián)合探測的反演結(jié)果優(yōu)于單一探測儀器的反演結(jié)果。相關(guān)文獻指出，聯(lián)合探測儀器反演的結(jié)果相對單一儀器探測結(jié)果更為精確、全面、合理、有效[19-20]。

本節(jié)所分析云體個例是兩個典型的卷云個例，通過分析了解其宏觀和微觀物理垂直分布特征，得到CPR/CALIOP聯(lián)合反演的卷云物理特性相對更為全面、有效、可靠。下面的章節(jié)中針對卷云物理特性等時空分布特征進行更詳細的分析。

3 卷云的宏微觀物理特性分析

3.1 宏觀特性分析

3.1.1 卷云的發(fā)生率

云的發(fā)生情況尤其是不同云種的發(fā)生概率一定程度反映地區(qū)氣候變化特征，該值同時在研究全球及局地輻射能量收支時亦很重要[12]。本文研究的南京地區(qū)卷云的總發(fā)生率（Pcirrus）定義為卷云廓線總數(shù)（Ncirrus）與云廓線總數(shù)（Nall）的比值，即Pcirrus=Ncirrus/Nall。對于宏觀特性的分析研究中，本文選取的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是CloudSat的2B-CLDCLASS-LIDAR，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品是聯(lián)合CPR和CALIOP的云分類，且提供較為準確且全面的云底、云頂高度信息。

圖4給出了南京地區(qū)2007年1月—2010年12月春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—10月）及冬（12、1、2月）4季節(jié)中卷云發(fā)生率的對比，整體來看，2007—2010年的卷云在春季、夏季出現(xiàn)概率均高于秋季和冬季，且出現(xiàn)概率最大值在2009年的夏季，為16.15% ，最小概率在2009年的冬季，為0.20% ；在秋季，4 a的卷云出現(xiàn)概率呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，概率分別為3.22% ，4.43% ，6.39% 及8.59% 。總體而言，4 a的卷云出現(xiàn)概率均是春季和夏季大于秋季和冬季，這一情況在季節(jié)分布中亦是如此。

圖4 南京地區(qū)2007年1月至2010年12月春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—10月）及冬（12、1、2月）四季節(jié)中卷云的發(fā)生率

3.1.2 云底、云頂高度的分布

除了云的出現(xiàn)頻率對地氣輻射有影響外，云底所處位置同樣影響著地氣系統(tǒng)短波和長波輻射收支與平衡。圖5中分別給出了2007—2010年南京地區(qū)卷云的云底高度范圍分布，全年來看，每年卷云云底高度出現(xiàn)頻率隨高度的增加呈遞減趨勢，且主要集中在7～8 km之間，云底高度最高頻率出現(xiàn)在2009年的7～8 km之間，為29.33% ；云底高度最小頻率出現(xiàn)在2008年的15～16 km之間，為0.12% 。圖6給出了云頂高度的范圍分布情況，云頂高度最高頻率出現(xiàn)在2009年的9～10 km之間，為23.92% ，且在18～19 km之間，僅2008年出現(xiàn)該范圍內(nèi)的卷云，頻率為0.19% 。此外，計算了不同年份的云底和云頂高度的年平均值和均方差（圖7），整體來看，4 a的年平均云底、云頂高度相差較小，圖7上同時給出各平均值統(tǒng)計結(jié)果的均方差。2007—2010年云底高度年平均值分別為：9.810，9.438，10.065，9.899 km， 均 方 差 分 別 為 ：2.116，1.938，2.433，2.125 km，可見2008年云底高度分布更為集中。云頂高度年平均值分別為：11.276，11.069，11.685，11.663 km，均方差分別為：2.284，1.853，2.525，2.231 km，可見2008年的云頂高度也更為集中。

圖5 卷云云底高度的統(tǒng)計

圖6 卷云云頂高度的統(tǒng)計

圖7 卷云的云底、云頂高度的年平均值

3.2 微觀特性的分布

CloudSat主要依據(jù)云體溫度來區(qū)分粒子的相態(tài)，CALIPSO則通過分析CALIOP雷達探測到的退偏比和后向散射因子來區(qū)分粒子相態(tài)。云（冰）水含量以及有效粒子半徑是描述云微物理特性的2個重要參數(shù)，同時是輻射傳輸模式以及氣候模式中用于表述云物理特性的基本參數(shù)[12]。本節(jié)選取的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是來自CloudSat的2C-ICE，該產(chǎn)品數(shù)據(jù)包含反演的IWC和ER。本節(jié)分別對卷云的兩個基本物理參數(shù)分布特征進行統(tǒng)計分析，通過2007年1月—2010年12月共4 a發(fā)生的所有卷云個例進行統(tǒng)計，對比分布差異，可了解卷云的垂直結(jié)構(gòu)特征。

3.2.1 冰水含量的分布特性

圖8為卷云IWC的不同范圍大小出現(xiàn)頻率的統(tǒng)計分布（即卷云IWC在不同范圍內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)），通過該分析可了解卷云IWC范圍大小以及在不同范圍內(nèi)的出現(xiàn)頻率，分析時IWC的統(tǒng)計間隔為0.005 0 g/m3。總體來看，4 a的IWC的范圍基本集中在0.000 0～0.050 0 g/m3，且隨著范圍的增加均呈遞減趨勢，且4 a的IWC最大頻率集中范圍均在0.000～0.005 0 g/m3之間，分別約占53.05% ，43.59% ，53.81% 及47.34% 。

圖8 卷云冰水含量分布統(tǒng)計

3.2.2 粒子有效半徑的分布特性

圖9為粒子有效半徑（ER）的范圍大小統(tǒng)計分布（即卷云粒子ER在不同范圍內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)），通過該分析可了解ER的范圍大小以及在不同范圍內(nèi)的出現(xiàn)頻率，分析時ER的統(tǒng)計間隔為10 μm。總體來看，隨著ER范圍的增大，2007—2010年在不同ER范圍內(nèi)的頻率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且各年的ER的范圍基本集中在30～40 μm之間，頻率分別為25.48% ，25.79% ，19.50% 及20.38% ，在該范圍內(nèi)2007年和2008年的出現(xiàn)頻率相當，差異較小。

圖9 卷云有效粒子半徑分布統(tǒng)計

圖10 卷云有效粒子半徑、冰水含量的年平均值的對比

此外，本文還分析了2007—2010年不同年份的IWC和ER的年平均值的變化（圖10），整體來看，4 a的年平均IWC、ER均呈現(xiàn)先遞減再增加的趨勢，IWC年平均值分別為：0.135 1 g/m3，0.088 1 g/m3，0.045 8 g/m3及0.082 7 g/m3，即2009年出現(xiàn)最小值；ER年平均值分別為：53.720 μm，51.613 μm，45.893 μm及47.231 μm，同樣，2009年出現(xiàn)最小值。

4 結(jié)論

本文主要利用星載雷達聯(lián)合探測數(shù)據(jù)反演產(chǎn)品對南京地區(qū)的卷云物理特性進行了統(tǒng)計分析，由于二者準同步探測的完整年限為2007年1月—2010年12月，故本文分析研究了4 a完整的準同步探測反演結(jié)果。包含卷云的宏觀和微觀物理特性，分析了卷云空間分布和季節(jié)分布特征，以及卷云的冰水含量（IWC）和有效粒子半徑（ER）的分布情況。一方面通過分析了解南京地區(qū)卷云的物理結(jié)構(gòu)特征，另一方面為氣候模式或輻射傳輸模式典型高云參數(shù)輸入和使用提供參考。研究的主要結(jié)論如下：

（1）統(tǒng)計分析表明4 a的卷云出現(xiàn)概率均是春季和夏季大于秋季和冬季，這一情況在季節(jié)分布中亦是如此。且出現(xiàn)概率最大值在2009年的夏季，為16.15% ，最小概率在2009年的冬季，為0.20% 。

（2）每年卷云云底高度出現(xiàn)頻率隨高度的增加呈遞減趨勢，且主要集中在7～8 km之間，云底高度最高頻率出現(xiàn)在2009年的7～8 km之間，為29.33% ；云底高度最小頻率出現(xiàn)在2008年的15～16 km之間，為0.12% 。云頂高度最高頻率出現(xiàn)在2009年的9～10 km之間，為23.92% ，且在18～19 km之間，僅2008年出現(xiàn)該范圍內(nèi)的卷云，頻率為0.19% 。4 a的年平均云底、云頂高度相差較小，分布較為穩(wěn)定，云底、云頂高度年平均值在2009年均出現(xiàn)最大值，分別為10.065 km，11.685 km。

（3）總體來看，4a的IWC的范圍基本集中在0.000 0～0.050 0 g/m3，且隨著范圍的增加均呈遞減趨勢。隨著ER范圍的增大，2007—2010年在不同ER范圍內(nèi)的頻率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且各年的ER的范圍基本集中在30～40 μm之間，頻率分別為25.48% ，25.79% ，19.50% 及20.38%

（4）4 a的年平均IWC、ER均呈現(xiàn)先遞減再增加的趨勢，IWC年平均值分別為：0.135 1 g/m3，0.088 1 g/m3，0.045 8 g/m3及0.082 7 g/m3，即2009年出現(xiàn)最小值；ER年平均值分別為：53.720 μm，51.613 μm，45.893 μm及47.231 μm，同樣，2009年出現(xiàn)最小值。

綜上所述，南京地區(qū)位于東亞季風區(qū)，受局地對流活動、溫度和水汽等因素的影響，2007—2010年，宏觀特性呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的發(fā)展態(tài)勢，微觀特性呈現(xiàn)先遞減再增加的態(tài)勢，2009年出現(xiàn)最小值。后期作者將致力于探究不同下墊面的云物理結(jié)構(gòu)特征以及不同云種的物理特性，為氣候模式或輻射傳輸模式提供更為豐富準確的云參數(shù)信息。