基于CERES 資料的東亞地區(qū)單層卷云物理特性時空分布特征

王羽佳，王 軍，陳勇航，劉 瓊，秦 艷，司鈺文，劉 鑫，劉統(tǒng)強，鄔賢文

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620）

云在地球的覆蓋率超過55%，在地氣系統(tǒng)的輻射收支、水循環(huán)和水汽交換方面具有重要的作用[1-2]。東亞地區(qū)位于亞洲東部和太平洋西海岸，是季風(fēng)的重要生成區(qū)和影響區(qū)，有著明顯的風(fēng)向季節(jié)轉(zhuǎn)換及干濕季交替特征，易受全球氣候變化的影響[3]。東亞地區(qū)的云特性，不少學(xué)者給出了研究結(jié)果，吳澗等[4]發(fā)現(xiàn)近20 a 東亞地區(qū)總云量和高、低云量呈現(xiàn)波動減少趨勢。彭杰等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)東亞地區(qū)單層云的出現(xiàn)概率在48%～52.2%，遠大于多層云的15.8%～31.0%。張華等[7]得出東亞地區(qū)冰水路徑值的范圍基本在700 g/m2以下，而液態(tài)水含量范圍＜360 mg/m3的結(jié)論。雖然已有的研究不少，但針對某一特定類型單層云的研究尚為罕見。卷云生成于對流層較冷的部分，組成成分多是不同形狀和尺度的冰晶粒子[8]。由于形成高度較高且組成粒子形狀不規(guī)則這兩個特性，很難對卷云進行探測及表征，給氣候模式中的精確計算帶來困難[9-10]，且數(shù)值預(yù)報模式中各種物理參數(shù)方案對云的考慮主要建立在均一單層云假設(shè)的基礎(chǔ)上[11]，因此急需對單層卷云的物理特性進行研究。

本文利用2003 年1 月—2016 年12 月的CERES SSF Aqua MODIS Edition 4A 云資料，對東亞地區(qū)單層卷云的云量、云厚、冰粒子等效半徑、冰水柱含量、云光學(xué)厚度進行研究，以此來更具體地了解不同云特性對地氣系統(tǒng)的影響機制，并為云輻射效應(yīng)和氣候環(huán)境預(yù)測提供參考依據(jù)。

1 資料與分析方法

CERES SSF 數(shù)據(jù)是通過反演分析Aqua 衛(wèi)星上MODIS 儀器探測的每日瞬時數(shù)據(jù)而得到[12]。CERES的最低空間分辨率為20 km，可以用于處理中小尺度區(qū)域的云圖像資料，具有較高的準(zhǔn)確性和快速獲取數(shù)據(jù)的能力[13]，從而有效彌補地面觀測空間覆蓋不足的缺陷[14]。本文主要分析的衛(wèi)星反演物理量是云量、冰粒子等效半徑、冰水柱含量和云光學(xué)厚度，同時還用到了經(jīng)緯度、云層數(shù)、云層氣壓。單層卷云的云厚是通過云頂、云底氣壓以及壓高公式計算得出。

本文利用ISCCP D2 云資料的分類方法，按照云頂氣壓將單層云（多層云）分為高云（<440 hPa）、中云（440～680 hPa）、低云（>680 hPa）3 類，然后根據(jù)云光學(xué)厚度再將不同類云細分為9 種，其中卷云屬于高云，且云光學(xué)厚度＜3.6[15]。在空間上，東亞有著不同的氣候類型和地形地貌，東南部是夏季風(fēng)活動區(qū)域，區(qū)域內(nèi)又有陸地區(qū)和海洋區(qū)之分，東北部是溫帶季風(fēng)氣候，西北部為干旱半干旱氣候，西南部則因高海拔而有復(fù)雜的地域特性。因此，根據(jù)氣候與地形對東亞地區(qū)進行分區(qū)研究十分必要。本文參照《中國自然地理》（1995）[16]的劃分方法，將東亞地區(qū)（19°～53°N，74°～137°E）劃分為5 個區(qū)域：西北地區(qū)、西部地區(qū)、北部地區(qū)、南部地區(qū)和東部海域（圖1）。處理數(shù)據(jù)過程中，將東亞地區(qū)按經(jīng)緯度劃分為2°× 2°的網(wǎng)格，并選取所需要的物理量進行網(wǎng)格內(nèi)平均，得到格點平均值，作為結(jié)果分析的依據(jù)。

圖1 東亞地區(qū)分區(qū)

2 單層卷云的宏觀物理特性

2.1 單層卷云的云量和云厚多年平均空間分布

圖2 是單層卷云在東亞及其5 個子區(qū)域云量和云厚的多年年平均空間分布。東亞地區(qū)單層卷云量（圖2a）范圍集中在25%～46%，高低值區(qū)分布明顯。在華北平原及太行山脈附近，由于東臨渤海與黃海，水汽形成條件充分，使得該區(qū)域的單層卷云量較高（42%～46%）。范夢琪等[17]研究也表明青島上空總云量遠高于其他同緯度內(nèi)陸地區(qū)，并且卷云出現(xiàn)頻率最高。同時，西北地區(qū)蒙古與俄羅斯交界處也有少部分高值分布。單層卷云量的低值區(qū)主要分布在青藏高原喜馬拉雅山脈附近和南部地區(qū)的橫斷山脈、云貴高原處，年均值低至25%～34%。在塔里木盆地、天山山脈處的單層卷云量相對較高，這可能是因為該地區(qū)受塔里木河的影響，水汽相對充足，加上青藏高原地形的抬升作用，易生成地形型卷云[18]。

圖2b 為單層卷云的云厚在東亞地區(qū)的空間分布。總體來講，東亞整個地區(qū)的單層卷云的云厚大部分都超過1.2 km，只在青藏高原靠近喜馬拉雅山脈的地方有少量低于1.2 km 的低值存在。云的形成與水汽息息相關(guān)，水汽在青藏高原爬升的過程中會以降水的形式散失，可能使得青藏高原的云厚較薄。在南部地區(qū)的云厚分布范圍集中在1.2～2.0 km，其中橫斷山脈、云貴高原、四川盆地直至華北平原一帶的云厚較薄，不足1.6 km。日本島、日本海、朝鮮半島及附近區(qū)域的云厚較厚，多在2.0～2.4 km。

圖2 2003—2016 年東亞地區(qū)單層卷云宏觀物理特性的空間分布特征

2.2 單層卷云的云量和云厚年際變化

為進一步了解單層卷云云量和云厚的時間變化趨勢，對東亞5 個子區(qū)域的年際變化進行分析。由圖3a 可知，單層卷云量在不同區(qū)域有不同的變化規(guī)律。將5 個子區(qū)域進行對比，北部地區(qū)和西北地區(qū)的年際變化較為相似。而14 a 來西部地區(qū)的單層卷云量最低，波動幅度最小，年平均值最大為35.83%（2012 年），最小為32.57%（2004 年），差值僅為3.26%。南部地區(qū)的波動幅度最大，極差值高達11.53%，季風(fēng)運動可能是造成該地區(qū)云量不穩(wěn)定的原因。單層卷云的云厚（圖3b）在東亞不同區(qū)域的變化更加明顯，西北地區(qū)的云厚年平均值最高，北方地區(qū)及東部海域次之，南部地區(qū)在除了2003 年和2004 年的其他年份均為次低，西部地區(qū)的云厚在2005—2016 年間均為最低，年平均值不足1.7 km。云厚的年際波動幅度與云量一樣，均是南部地區(qū)最大，西部地區(qū)最小，差值分別為0.37 km 和0.1 km。

2.3 單層卷云的云量和云厚季節(jié)變化

單層卷云量在東亞地區(qū)及其5 個子區(qū)域的季節(jié)平均如表1 所示，東亞整個地區(qū)的春至冬季的季節(jié)平均值分別為42.43%、38.93%、35.75%和35.83%。5個區(qū)域中，春季年均值最大的是北方地區(qū)，云量高達47.43%；南部地區(qū)與和東部海域四季變化相似，均在夏季季節(jié)均值最大，春秋次之，冬季最小，這一變化規(guī)律也與季節(jié)空間分布吻合。單層卷云量在西部地區(qū)的季節(jié)變化為春季最高，秋季最低，兩季相差14.09%，薛小寧[19]也曾利用2013—2015 年MODIS衛(wèi)星資料研究得出青藏高原地區(qū)卷云在春季出現(xiàn)概率最高（0.27），秋季最低（0.14）。與其他區(qū)域不一樣，西北地區(qū)在冬季達到最大值為45.71%，春季次之，和冬季的差值僅為0.89%，夏季單層卷云量最低，秋季為次低。

表2 是單層卷云的云厚在東亞不同地區(qū)的季節(jié)變化趨勢。對整個東亞地區(qū)而言，春季至冬季的云厚變化為先減小后增加，其中夏季云厚最小，季節(jié)均值僅為1.75 km；冬季云厚較厚，為2.07 km。5 個子區(qū)域有不同的季節(jié)變化，北部地區(qū)、西部地區(qū)和東部海域的云厚春季至夏季為減小趨勢，夏季至冬季逐漸增加，并在冬季達到四季最高值。南部地區(qū)則為先增加后減小的變化過程，夏季云厚較厚，為1.78 km。西北地區(qū)在春秋季的季節(jié)均值均為2.13 km，夏季相對減小，冬季云厚則大幅度增加，達到2.22 km。綜合來說，除南部地區(qū)外，東亞其他區(qū)域的單層卷云在冬季較厚，夏季較薄。

表1 單層卷云量在東亞及其5 個子區(qū)域的季節(jié)平均 %

表2 單層卷云云厚在東亞及其5 個子區(qū)域的季節(jié)平均 %

3 單層卷云的微觀物理特性

3.1 單層卷云的冰粒子等效半徑和冰水柱含量多年平均空間分布

圖4a 為單層卷云的冰粒子等效半徑在東亞地區(qū)的多年年平均分布。整個東亞地區(qū)年平均值波動差異較小，冰粒子等效半徑年均值都在22～32 μm。冰粒子等效半徑的較高值區(qū)（28～30 μm）分布集中，多出現(xiàn)在43°N 以北的陸地地區(qū)和大部分海面上空。因暖濕氣流與冷氣流交匯在青藏高原東南端時易形成強對流冰云，導(dǎo)致該區(qū)域的冰粒子等效半徑相對較高[20]。單層卷云的冰粒子等效半徑低值區(qū)（22～24 μm）出現(xiàn)在2 個地方，一個在塔里木盆地，另一個在云貴高原、橫斷山脈處。陳玲[21]研究指出青藏高原中部的冰粒子等效半徑比四川盆地大，有利于冰晶凝華增長，達到一定程度后能夠發(fā)生淞附和聚并，粒子繼續(xù)變大，解釋了單層卷云冰粒子等效半徑在青藏高原中部明顯提升現(xiàn)象。

圖3 單層卷云在東亞不同區(qū)域的云量（a）云厚（b）年際變化

圖4 2003—2016 年東亞地區(qū)單層卷云微觀特性的空間分布特征

單層卷云的冰水柱含量在東亞地區(qū)高低值區(qū)分布明顯。冰水柱含量以西部地區(qū)的帕米爾高原及其附近地區(qū)為起點逐漸向東呈階梯狀遞減（圖4b）。除西部地區(qū)外，其他4 個區(qū)域分布較為平均，年均值在12～21 g/m2的占多數(shù)。冰水柱含量高值區(qū)從青藏高原一直延伸到四川盆地及其附近，并且年均值普遍高于24 g/m2。28°N 以南是冰水柱含量低值的主要分布地，其中東部海域南部及南海部分地區(qū)的冰水柱含量相對較低，年均值范圍集中在12～15 g/m2。東北大興安嶺、蒙古高原東端也存在15～18 g/m2的較低值。

3.2 單層卷云的冰粒子等效半徑和冰水柱含量年際變化

對單層卷云的冰粒子等效半徑（圖5a）和冰水柱含量（圖5b）年際變化進行分析。由圖5a 可知東亞不同區(qū)域的單層卷云的冰粒子等效半徑多在26～29.3 μm。東部海域14 a 來都是冰粒子等效半徑最大的區(qū)域，除2013 年和2015 年外，其他年平均值都不小于28.5 μm。相反，西部地區(qū)的冰粒子等效半徑在2006—2016 年都是5 個子區(qū)域中最小的，基本＜27 μm。從波動幅度來看，南部地區(qū)和東部海域波動明顯，兩地區(qū)的極差值分別為2.0 μm 和1.21 μm。單層卷云冰水柱含量在5 個子區(qū)域的年際變化與單層卷云的冰水柱含量空間分布特征大致吻合，各區(qū)域間年均值有一定差異。西部地區(qū)的冰水柱含量年平均值均超過24 g/m2，北部地區(qū)和西北地區(qū)次之，年平均值范圍多為18～21 g/m2，而南部地區(qū)和東部海域則都基本＜18 g/m2，但與其它3 個區(qū)域相比，南部地區(qū)和東部海域的波動較為劇烈。

3.3 單層卷云的冰粒子等效半徑和冰水柱含量季節(jié)變化

單層卷云的冰粒子等效半徑季節(jié)平均值如表3所示。東亞整個地區(qū)季節(jié)均值波動不明顯，各季節(jié)間最大差值僅為0.12 μm。北方地區(qū)和西部地區(qū)季節(jié)平均值都是在春冬季較大，夏秋次之，但北部地區(qū)4個季節(jié)的冰粒子等效半徑都略高于西部地區(qū)。南方地區(qū)四季波動幅度最顯著，最大值和最小值分別為29.40 μm（夏季）和22.28 μm（冬季），差值達到了7.12 μm，這主要是受到了東亞季風(fēng)的影響。東部海域四季均值從大到小分別是夏季（29.57 μm）、秋季（28.90 μm）、春季（28.02 μm）、冬季（27.57 μm）。冬季時，單層卷云的冰粒子等效半徑在西北地區(qū)和北部地區(qū)較大，南部地區(qū)最小，與趙敏[22]研究得出冬季冰云的粒子等效半徑高值區(qū)位于蒙古高原東部、東北平原、渤海灣和朝鮮半島上空，低值位于中國華南地區(qū)的結(jié)論基本符合。在數(shù)值上，本文所得數(shù)值偏小，這可能是因為冰云中下部冰粒子半徑較大，使得冰云整體的粒子等效半徑要比位于冰云上部的卷云冰粒子等效半徑高。

圖5 單層卷云在東亞不同區(qū)域的（a）冰粒子等效半徑（b）冰水柱含量年際變化

表3 單層卷云冰粒子半徑在東亞及其5 個子區(qū)域的季節(jié)平均 μm

表4 為單層卷云冰水柱含量在東亞及其5 個子區(qū)域的季節(jié)平均值。東亞整個地區(qū)的冰水柱含量為先減小后增加的季節(jié)變化趨勢，四季均值分別為21.58、17.77、18.82、20.31 g/m2。北方地區(qū)四季均值為19～22 g/m2，變化幅度不如其它4 個區(qū)域明顯。南部地區(qū)春季的冰水柱含量最大，西北地區(qū)則為冬季，2 個地區(qū)均值夏季較低，季節(jié)均值分別為15.08 g/m2和16.41 g/m2。東部海域為冰水柱含量較小的區(qū)域，季節(jié)均值都＜19 g/m2。與之相反，西部地區(qū)在所有子區(qū)域中季節(jié)均值最大，春季達到最大值28.67 g/m2，秋冬季次之，夏季有最小值，為22.73 g/m2。

表4 單層卷云冰水柱含量在東亞及其5 個子區(qū)域的季節(jié)平均 g/m2

4 單層卷云的光學(xué)特性

4.1 單層卷云光學(xué)厚度多年平均空間分布

單層卷云光學(xué)厚度（圖6）與冰水柱含量的多年年均值空間分布整體相似，海陸差異較為明顯。高值區(qū)（1.7～2.1）集中分布在西部地區(qū)的青藏高原，并且以昆侖山脈為中心向四周階梯度遞減。單層卷云光學(xué)厚度在海域上空存在低值區(qū)，南海海域及太平洋西部是主要分布地，年均值多數(shù)不足0.9。在高低值區(qū)外的剩下區(qū)域分布變化相對平緩，云光學(xué)厚度范圍集中在1.1～1.3，大部分地區(qū)的年均值都不超過1.5。楊冰韻[23]對云光學(xué)厚度在東亞不同區(qū)域垂直分布進行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)云層高度＞5 km 后，青藏地區(qū)的云光學(xué)厚度最高。單層卷云多生成于對流層頂端，云層高度普遍＞5 km，云光學(xué)厚度高值區(qū)分布與楊冰韻的研究結(jié)果相符合，但由于使用衛(wèi)星資料不同，本文的研究結(jié)果略大。

圖6 2003—2016 年東亞地區(qū)單層卷云光學(xué)厚度的空間分布特征

4.2 單層卷云光學(xué)厚度的年際變化

圖7 單層卷云光學(xué)厚度在東亞5 個子區(qū)域的年際變化。從圖7 中可以看出，東亞5 個子區(qū)域主要有3 個年際變化范圍：西部地區(qū)是光學(xué)厚度年均值最大的地區(qū)，數(shù)值范圍為1.74～1.85；北部地區(qū)和西北地區(qū)年均值次之，多在1.2～1.35，兩區(qū)域中北部地區(qū)云光學(xué)厚度值又相對小于西北地區(qū)；東部海域和南部地區(qū)單層卷云光學(xué)厚度較小，最大值分別不超過1.12 和1.02，但這2 個區(qū)域年際間的波動幅度相對明顯。

4.3 單層卷云光學(xué)厚度的季節(jié)變化

圖7 單層卷云光學(xué)厚度在東亞不同區(qū)域的的年際變化

從表5 的多年季節(jié)平均值來看，單層卷云光學(xué)厚度具有鮮明的區(qū)域特征。東亞整個地區(qū)春季季節(jié)均值最大，為1.36，夏季次高，其它兩個季節(jié)無明顯差異。在5 個子區(qū)域中西部地區(qū)季節(jié)均值整體偏高，春季有最大值，為1.91。北方地區(qū)、南方地區(qū)、東部海域四季變化趨勢一致，都是逐季降低，春冬季差值分別為0.17、0.2 和0.21。而西北地區(qū)的春至秋季是逐季減小，到了冬季，季節(jié)均值又有所增加，和春季僅相差0.04。

表5 單層卷云光學(xué)厚度在東亞及其5 個子區(qū)域的季節(jié)平均

4.4 單層卷云宏微物理特性與光學(xué)特性的年際變化對比

為了解單層卷云宏微觀物理特性與光學(xué)特性間的變化關(guān)系，本文對它們在東亞地區(qū)的年際變化進行比較分析。圖8a～8d 分別是單層卷云量、云厚、冰水柱含量、冰粒子等效半徑與云光學(xué)厚度在東亞整個地區(qū)的年際變化對比。由圖8a 可知，單層卷云量在2003—2005 年較低，都在38%以下，2006 年開始云量大幅度增加，維持在38%～41%。比較發(fā)現(xiàn)，單層卷云光學(xué)厚度與云量年際變化趨勢在2006—2011年基本一致，云光學(xué)厚度隨著云量的減少而減小。但在2004—2005 年、2014—2015 年，隨著云量的減少，云光學(xué)厚度反而增加。單層卷云云厚與云光學(xué)厚度14 a 的年平均值范圍分別為1.83～1.94 km 和1.23～1.30。以2010 年為分界線，2010 年前兩者的變化趨勢較為一致，但波動幅度不同，2010 年后兩者多呈相反的變化趨勢。東亞地區(qū)單層卷云冰粒子等效半徑14 a 平均值多在27.5～27.8 μm，2012 年有最大年均值，28.04 μm，與云光學(xué)厚度進行比較，兩者在2006—2011 年間有連續(xù)的變化趨勢，并且在該年份區(qū)域間呈正相關(guān)變化。對冰水柱含量與云光學(xué)厚度而言（圖8d），單層卷云的冰水柱含量增加時，云光學(xué)厚度也相應(yīng)地變大，兩者在2003—2016 年間的變化趨勢大部分一樣，只在2012 年、2016 年稍有不同。陳紋鋒等[24-25]也曾研究發(fā)現(xiàn)在所有高度上冰水柱含量都隨著云光學(xué)厚度的增大而增大，云光學(xué)厚度主要隨冰水柱含量的變化而變化。

5 結(jié)論

利用CERES SSF 衛(wèi)星資料，研究了2003—2016 年東亞及其5 個子區(qū)域單層卷云的物理特性時空分布特征，得出以下結(jié)論：

圖8 東亞地區(qū)單層卷云不同云物理特性與光學(xué)厚度年際變化

（1）單層卷云在東亞地區(qū)多年年均值范圍為25%～46%。在山東省及其附近海域、蒙古與俄羅斯交界處有云量在42%～46%的較高值區(qū)。低值區(qū)分布范圍為25%～34%，有兩個主要的分布地點：青藏高原南坡端、云貴高原及其附近。單層卷云的云厚以40°N 為分界線，呈南薄北厚分布態(tài)勢。在年際變化上，兩個云物理特性都是南部地區(qū)波動幅度最大，西部地區(qū)最小。冬季時，云厚在東部海域有最大季節(jié)均值，為2.25 km。

（2）單層卷云冰粒子等效半徑在東亞地區(qū)除個別區(qū)域外，年均值都在24～30 μm。中國地區(qū)的冰粒子等效半徑多在24～28 μm，東北三省部分區(qū)域的年均值較高，大于28 μm。南部地區(qū)的年際和季節(jié)變化都波動明顯。而對于冰水柱含量，西部地區(qū)的年均值普遍大于24 g/m2，并以帕米爾高原及其附近地區(qū)為起點逐漸向東呈階梯狀遞減。西部地區(qū)14 a 的冰水柱含量年均值均較高，并且在春季時較大。

（3）單層卷云光學(xué)厚度在東亞地區(qū)的空間分布海陸差異明顯。云光學(xué)厚度在青藏高原出現(xiàn)高值，年均值大于1.7，而低值區(qū)多位于海域上空，多數(shù)不足0.9。東亞各區(qū)域云光學(xué)厚度從大到小排序為西部地區(qū)>西北地區(qū)>北部地區(qū)>南部地區(qū)>東部海域。5 個子區(qū)域的云光學(xué)厚度均在春季較大。單層卷云冰水柱含量與云光學(xué)厚度呈正比例變化。