利用MODIS云產品對安徽不同地區云特性的研究

曹亞楠，周述學，袁野，吳林林

(1.安徽省人工影響天氣辦公室，合肥 230031；2.中國氣象局云霧物理環境重點實驗室，北京 100081)

0 引言

云的宏微觀特性與降水有密切的關系，是人工影響天氣工作要研究的重要問題。如云頂溫度(或云頂高度)決定了云粒子的尺度大小[1]，有助于了解云系的發展程度和演變趨勢；云中粒子的有效半徑隨著高度的變化對于云的發展演變起著一定的作用。已有研究表明[2]，對于云頂有效粒子半徑達到14 μm的云層就有可能產生降水。云光學厚度反映云系的厚實程度和整個路徑上的消光能力，一定程度上反映云中含水量分布，且云的光學厚度與降水的關系密切，如地面降雨區與高空云光學厚度正相關[3]。云相態是判斷云類型的重要依據。所以開展云特性的研究對合理科學地開展人工增雨工作具有重要的意義。安徽省地處我國南北氣候過渡帶，南北冷暖氣流常交匯于江淮地區，使得天氣氣候復雜，災害頻發，其中旱澇最為常見。安徽省累年平均干旱發生頻率自北向南遞減，北重南輕，呈季節性，旱澇交替出現，其中淮北地區和江淮地區是干旱最容易發生發展的地方。另外，近年來大氣污染問題也日益嚴峻，并且呈現季節性，空氣質量的改善問題也越來越受關注。所以安徽省不同地區上空云特性研究對不同地區不同季節合理科學地開展人工增雨工作具有重要的指導和參考價值。

近年來隨著具有覆蓋范圍廣、信息量大、時空分辨率高、數據真實可靠等優勢的衛星遙感探測逐步替代了地基觀測成為云觀測的重要研究手段，很多學者基于衛星遙感探測資料對中國地區云特性進行了統計分析研究。如王帥輝等[4]利用CloudSat 2B-CLDCLASS云分類資料，研究了中國及周邊地區各類云的云量、云頂高度、云底、云厚等宏觀特征，并獲得了這些云宏觀性質分布的區域差異和季節變化。楊大生和王普才[5]利用 CloudSat衛星資料，分析了2006—2008年中國地區夏季月平均云粒子有效半徑的垂直和區域變化，并獲得水云和冰云粒子有效半徑的垂直和區域分布特征。這些研究加深了我們對于中國地區云宏微觀特性的認識，但是也可以看出，目前對于不同相態云微物理性質區域性差異等方面的研究較少，而這些研究結果對區域模式模擬云微物理參量以及人工增雨條件的判別提供相應的觀測信息和驗證材料。

中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)作為搭載在地球觀測系統計劃的Terra和Aqua衛星上重要的傳感器，具有數據涵蓋波段范圍廣、空間分辨率高和探測靈敏度高等特點。由于MODIS具有多光譜高分辨率的特點，其云產品中的云相態分類有利于分析不同云相態特性，且研究表明[6-7]其與地面觀測有較好的一致性。本文基于安徽省MODIS云產品數據(MYD06_L2)2006—2015年10年云若干宏微觀特性對安徽省淮北(HB)地區和江淮(JH)地區不同云特性進行了統計對比分析。研究安徽省淮北地區和江淮地區上空云特性，有助于兩地區人工影響天氣部門根據區域實際情況科學合理地開展人影作業，切實緩解干旱以及改善空氣質量等民生問題。

1 資料選取

采用Aqua衛星上搭載的MODIS提供的2006—2015年云產品資料(MYD06_L2)。由于安徽省淮北地區和江淮地區是干旱最容易發生發展的地方，所以本文選擇對2個地區上空云特性進行研究。按照常規季節分類，將一年分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—次年2月)，統計對比分析2個地區不同相態云的若干宏微觀特性。在研究中，剔除野點，觀測的某一相態云的像元數和該樣本中觀測的所有相態云像元數的比值作為該云相態的發生概率。在分析多年季節分布特征及變化趨勢時，將每3個月的數據進行平均得到各季節的云特性平均值進行研究。

2 云特性研究

2.1 不同云相態發生概率

由于不同相態的云可降水的潛力不同，所以對淮北地區(HB)和江淮地區(JH)兩地不同的云相態四季發生概率進行了研究。圖1為10年間兩地區不同云相態四季發生概率逐年變化情況，其中HB-C、HB-W、HB-I、HB-M分別表示淮北地區晴空、水云、冰云和混合相云，江淮地區類似，下文不再贅述。從圖中可以看出，兩地區上空水云和冰云發生概率較高，混合相云發生概率相對較小。淮北地區春季晴空發生概率在0.3左右，其次是秋冬季，夏季晴空發生的概率較低在0.1左右；淮北地區春季水云發生概率逐年變化較為平穩，在0.2～0.3之間，夏秋冬季逐年變化較大，在0.3～0.5之間；淮北地區春季冰云發生概率相對較高在0.2～0.4之間，夏季在0.2～0.3之間，秋冬兩季相對較低在0.05～0.2之間。通過以上分析可以看出，春季，淮北地區上空晴空發生的概率相對較高，云水條件較差，這與淮北地區春季容易發生春旱一致。夏季較強的天氣擾動和豐沛的云水條件使得水云和冰云較多，這與淮北地區降水主要集中在夏季一致。另外，從以上分析也可以看出，淮北地區夏秋冬三季水云發生的概率相對較高，夏季冰云發生概率相對較高，而秋冬季水云發生概率較高，可見該地區在不同季節實施冷云作業的同時需要考慮同時開展暖云催化人工增雨作業，有助于達到較好的人工增雨效果。江淮地區春季晴空發生概率在0.2～0.35之間，夏季較低在0.1左右，秋冬兩季在0.1～0.3之間；春季水云發生概率逐年變化較大在0.2～0.4之間，夏季在0.3～0.45之間，秋冬季在0.35～0.55間且在2011年前逐年變化較為穩定；江淮地區春季冰云發生概率在0.1～0.3之間，逐年變化較大，夏季逐年變化較為平穩在0.2～0.3之間，秋冬兩季發生概率較小在0.1～0.2之間。可見，江淮地區夏季晴空發生概率低，而水云和冰云的發生概率都相對較高，云水條件好，較強的天氣擾動和旺盛的對流，可同時開展冷云催化和暖云催化人工增雨作業，以緩解江淮地區干旱和水資源的短缺。

圖1 淮北地區和江淮地區不同云相態四季發生概率逐年變化

此外，從圖1可以看出，兩地區四季不同云相態發生概率沒有明顯的線性增大或減小的發展趨勢，且混合相云發生概率逐年變化幅度小，四季變化趨勢都較為一致。兩地區夏秋冬三季的各云相態發生概率間關系較為一致：夏季呈現水云大于冰云大于晴空大于混合相云，水云發生概率都是晴空的3～4倍，是冰云的1～2倍。從統計結果來看，夏季兩地區上空云水資源都較為豐富，適合進行人工增雨作業。秋冬兩季呈現水云大于晴空大于冰云大于混合相云，水云年均發生概率是晴空的1～2倍，其中秋季兩地區水云年均發生概率是冰云的4～5倍，冬季水云發生概率是冰云的3～5倍。可見秋冬兩季兩地區上空天氣擾動和對流較弱，但有一定的云水條件開展人工增雨工作。

另外，為了更好地研究兩地區上空不同云相態逐年變化情況，對10年間淮北地區和江淮地區上空云相態發生概率的逐年變化進行了研究，如圖2所示。從圖中可以看出，兩地區上空不同云相態分布10年來總體變化趨勢一致，且兩地區間相同云相態年均發生概率相當：水云發生概率是冰云的約2倍，晴空和冰云出現的年均概率相當，混合相態云相對較少。同時，水云和冰云年均發生概率逐年變化較小，沒有明顯的增大或者減小的趨勢，個別年份變化較大，如2011年江淮地區水云和冰云發生概率分別出現一個高值和低值，淮北地區水云發生概率在2007年出現一個高值。混合相云發生概率逐年變化很小，較為穩定。

圖2 淮北和江淮地區不同云相態的發生概率逐年變化

2.2 云粒子有效半徑

研究表明[2]，對于云頂有效粒子半徑達到14 μm的云層有可能產生降水。Rosenfeld 等[8-9]提出了代表對流云垂直發展狀態的T-re(溫度-有效粒子半徑)關系式，并分析研究了不同情況下的對流云降水形成過程。劉貴華等[10]通過極軌衛星分析不同過冷層狀云及降水特征，結合增雨假設，總結出適宜人工增雨作業的衛星判據，其中云粒子有效半徑被歸納為人工增雨衛星指標之一。可見云粒子有效半徑與人工增雨的關系密切。

本文對安徽省淮北地區和江淮地區上空不同云相態即水云、冰云和混合相云粒子有效半徑四季季均值逐年變化情況進行了對比分析研究，如圖3所示。從圖3中可以看出，春秋冬三季兩個地區間水云粒子有效半徑的逐年季均值呈現淮北地區略高于江淮地區。同時，春季淮北和江淮地區水云粒子有效半徑季均值分別為14.3 μm和12.9 μm，冬季分別為13.7 μm和12.5 μm，且冬季逐年變化幅度較大。春季水云粒子有效半徑淮北地區相對高于江淮地區較為明顯，江淮地區逐年變化幅度小。通過上文的分析可知淮北地區春季水云和冰云以及混合相

圖3 淮北地區和江淮地區四季不同相態云粒子有效半徑季均值逐年變化

云發生概率相對較低，統計的水云粒子半徑相對較高，當云層較厚且云底較低的時候，地面容易產生降水[11]，具有一定的增雨潛力。夏季兩地區間水云粒子有效半徑季均值相差不大，且逐年變化較為平穩，在14 μm左右。夏季水云粒子相對較大，可能是因為夏季水汽充沛，持續降水使得大氣中的顆粒污染物受到沖刷，濕沉降造成作為云凝結核的顆粒物減少而云滴尺度增大的緣故。

另外，從圖3中可以看出，淮北地區四季冰云粒子有效半徑季均值略高于江淮地區，且春秋冬三季的年際變化較大。春季兩地區在2009—2013年間年際變化較大，在22～26 μm之間逐年變化；夏季冰云粒子有效半徑季均值比其他三季逐年變化平穩，變化幅度小，兩地區在該季在24 μm左右平穩變化；秋季兩地區逐年季均值年際變化較大，呈波浪式在20～25 μm之間變化；冬季兩地區年際變化相對較大，在20～25 μm之間逐年變化，但兩地區在2009—2013年間年際變化較小。可見，兩地區冰云粒子有效半徑四季變化不明顯，逐年變化幅度較大。此外，春冬兩季淮北地區混合相云粒子有效半徑季均值比江淮地區略大，夏秋兩季兩地區相當，在20～25 μm之間。混合相云粒子有效半徑逐年變化幅度相對較大可能跟云的發展和演變有關。

另外，研究[2]指出云頂有效粒子半徑達到14 μm的云層有可能產生降水。通過上文分析可以看到夏季兩地區間水云粒子有效半徑季均值相差不大，且逐年變化較為平穩，在14 μm左右，所以對兩地區水云粒子有效半徑發生概率進行了研究，如圖4所示。研究發現兩地區水云粒子有效半徑主要發生都在5～30 μm之間。將其發生概率細化，分為5～10 μm、10～15 μm、15～20 μm、20～25 μm以及25～30 μm 5檔進行研究。如圖4所示為10年間兩地區水云粒子有效半徑發生概率逐年逐月變化情況，其中5～10 μm、10～15 μm、15～20 μm、20～25 μm以及25～30μm 5檔分別對應橫坐標中的1～5檔。總地來說，淮北地區和江淮地區水云粒子有效半徑發生概率逐月逐年變化趨基本一致，水云粒子有效半徑在第1～3檔即5～20 μm發生概率相對較高。從圖中可以看出，1—4月、11月和12月水云粒子有效半徑在第1檔5～10 μm發生概率相對較高，其次是第2檔10～15 μm；5—10月水云粒子有效半徑在第2檔10～15 μm發生概率相對較高，其次是第1檔5～10 μm和第3檔15～20 μm，這種分布和上文中夏季水云粒子有效半徑在14 μm左右一致。兩地區夏季多降水和研究結果[2]指出云頂有效粒子半徑達到14 μm的云層就有可能產生降水一致。

圖4 10年間淮北地區和江淮地區水云粒子有效半徑逐月發生概率分布

2.3 云光學厚度

云光學厚度反映云系的厚實程度，一定程度上反映云中含水量分布，且與降水的關系密切，所以本文對安徽省淮北地區和江淮地區上空云光學厚度進行了研究。圖5為10年間淮北地區和江淮地區云光學厚度逐月發生概率分布情況。圖中考慮用等比級數分檔，將云光學厚度分檔為1～8，即分別對應小于1、1～2、2～4、4～8、8～16、16～32、32～64、64～100。從圖5可以看出，兩地區上空云光學厚度月發生概率在1～100之間都有所分布，逐年變化不盡相同。淮北地區在5—8月、10月云光學厚度發生概率在第3～4檔即2～8之間出現一個最大值，在

圖5 10年間淮北地區和江淮地區云光學厚度逐月發生概率分布

其他分檔處如5～7檔之間較之略低，也存在一定的發生概率，若干年如2013年5月、2007年7月在第7檔即32～64出現峰值。淮北地區在其他月份云光學厚度主要發生在第3～7檔即4～64之間，且逐年不盡相同。江淮地區1—12月中云光學厚度在1～100之間均有發生，且在第3～7檔即4～64之間各檔云光學厚度月發生概率相對較高且大小相當，且除7月份外其他月份逐年有所變化。可見，江淮地區云的光學厚度逐月較淮北來說分布較為均勻，在第3～7檔即4～64之間各檔云光學厚度月發生概率相對較高。總體來說，淮北地區上空云光學厚度小于8的發生概率相對較大，江淮地區云的光學厚度逐月分布較為均勻，在4～64之間各檔云光學厚度月發生概率相對較高，結合文獻[11]光學厚度小于10的云很難產生降水，可見淮北地區較江淮地區容易干旱，這也和安徽省平均干旱發生頻率自北向南遞減，北重南輕的情況一致。

為了進一步研究兩地區云光學厚度的逐年變化情況，本文對淮北地區和江淮地區四季不同相態云光學厚度季均值逐年變化進行了研究，如圖6所示。從圖中可以看出，兩地區上空云光學厚度逐年變化較大。春秋冬季兩地區水云光學厚度的季均值逐年變化差別較為明顯：江淮地區相對較高，淮北地區則較低。夏季兩地區間水云光學厚度季均值逐年變化規律性差。春冬季兩地區冰云光學厚度逐年呈現江淮地區相對較高，且冬季淮北地區逐年變化幅度較小，在10～15之間，而江淮地區在12～32之間。夏秋季兩地區冰云光學厚度和水云一樣，逐年變化規律性差，且逐年變化幅度大。此外，兩地區春冬季混合相云光學厚度呈現江淮地區較高，淮北地區相對較低，冬季差異較明顯，且冬季淮北地區逐年變化幅度較小。夏季其逐年變化幅度較小，秋季逐年變化幅度較大，如秋季淮北地區在15～35之間，江淮地區在17～35之間。通過以上分析，春冬兩季云光學厚度江淮地區相對淮北地區較高。

圖6 淮北地區和江淮地區四季不同相態云光學厚度季均值逐年變化

2.4 云頂高度

云頂高度有助于了解云的發展程度和演變趨勢，對于人工增雨要達到最佳催化效果意義重大。由于在實際人工增雨作業中，云體大多為上層冷云下層暖云的冷暖混合云，本文對安徽省淮北地區和江淮地區上空冰云和混合相云云頂高度及其在10年間的逐月概率分布以及四季變化進行了研究。圖7和圖8分別為10年間淮北地區和江淮地區冰云和混合相云云頂高度逐月發生概率分布情況。從圖7可以看出，兩地區冰云云頂高度發生概率主要分布在7～13 km之間，其中5—8月兩地區逐年較為一致，5月在10 km左右發生概率最大，6—8月在11 km左右發生概率最大，其他月份兩地區逐年變化較大，且不盡相同。12月、1月和2月兩地區冰云云頂高度最大發生概率逐年有所不同，其中12月淮北地區和江淮地區分別在8～9 km和7～10 km之間，1月分別在8～10 km和8～11 km之間，2月分別在7～9 km和7～11 km之間，且2月江淮地區逐年變化較大；3和4月兩地區最大發生概率在8～11 km之間且逐年有所不同；9—11月兩地區冰云云頂高度最大發生概率在8～12 km之間且逐年有所不同。從圖8可以看出，兩地區混合相云云頂高度發生概率主要分布在5～11 km之間，其中5—9月兩地區逐年較為一致，最大發生概率處逐年有所不同，在8～10 km之間。其他月份兩地區則逐年不盡相同。12月、1月和2月，兩地區主要發生在6～10 km之間，其中淮北地區混合相云頂高度發生概率逐年變化較為一致，且最大發生概率在7～8 km之間，江淮地區逐年變化較大，且最大發生概率在7～9 km之間。3月和4月兩地區發生概率逐年變化都大，其中3月淮北地區和江淮地區最大發生概率分別在7～9 km和6～9 km之間；4月兩地區最大發生概率在7～10 km之間，但是逐年不盡相同。10月淮北地區和江淮地區最大發生概率在分別在7～9 km和8～9 km之間；11月淮北地區和江淮地區最大發生概率在6～9 km和8～9 km之間。綜上所述，兩地區冰云和混合相云云頂高度發生概率在夏季逐年變化較為一致。

圖7 10年間淮北地區和江淮地區冰云云頂高度逐月發生概率分布

圖8 10年間淮北地區和江淮地區混合相云云頂高度逐月發生概率分布

為了進一步研究不同相態的云頂高度逐年變化情況，分析研究了10年間淮北地區和江淮地區四季冰云和混合相云云頂高度季均值逐年變化情況，如圖9所示。從圖9可以看出，四季兩地區間冰云以及混合相云云頂高度季均值相差都不大。其中，兩地區春季冰云云頂高度季均值在9～10 km之間，都在2011年出現一個低值；夏季在9.5～10.5 km之間；秋季在8.5～9.5 km之間；冬季兩地區逐年變化范圍較大，在7.5～9.5 km之間。兩地區春季混合相云云頂高度季均值在7～8.5 km之間；夏季在8～9 km之間；秋季在7.5～8.5 km之間；冬季逐年變化范圍較大，在6～8.5 km之間。可見，兩地區冰云和混合相云云頂高度夏季較高，冬季年際變化相對較大。另外，從圖9可以看出0 ℃層高度對季節敏感，夏季相對較高。綜上所述，在實際作業中，綜合云體光學厚度、高度、粒子大小、0 ℃層等有效判斷人工增雨時機及作業部位，采用合適的催化方式，從而可以達到較好的人工增雨效果。

圖9 淮北地區和江淮地區四季不同云相態云頂高度季均值逐年變化

3 結束語

利用MODIS 2006—2015年10年云產品數據(MYD06_L2)對安徽省淮北地區和江淮地區若干云特性進行了統計分析和對比研究，結果表明：

①兩地區不同云相態發生概率呈現：夏季水云大于冰云大于晴空大于混合相云，秋冬兩季水云大于晴空大于冰云大于混合相云。

②10年間淮北地區四季冰云粒子有效半徑略高于江淮地區，夏季在24 μm左右平穩變化。夏秋季兩地區混合相云粒子有效半徑相當，在20～25 μm之間，且淮北地區夏秋冬季年際變化相對較小。

③淮北地區在5—8月、10月云光學厚度發生概率在4～8之間出現一個最大值，其他月份云光學厚度主要在4～64之間，且逐年不盡相同。江淮地區云光學厚度發生概率逐月較均勻，在4～64之間相對較高。春冬季江淮地區云光學厚度相對江淮地區較高。

④兩地區冰云云頂高度發生概率主要分布在7～13 km之間，其中5—8月份兩地區逐年較為一致。兩地區混合相云云頂高度發生概率主要分布在5～11 km之間，其中5—9月兩地區逐年較為一致，最大發生概率處逐年有所不同，在8～10 km之間。四季兩地區間冰云以及混合相云云頂高度相差都不大。兩地區冰云和混合相云云頂高度夏季較高，冬季年際變化相對較大。

在實際人影作業中，綜合判斷云相態、云光學厚度、云頂高度、粒子大小等云特性有效判斷人工增雨作業云體、可適用的催化方式、增雨潛力、作業高度、作業時機等，從而可以達到較好的人工增雨效果。本文通過對安徽省淮北地區和江淮地區上空若干云特性的研究，為兩地區合理科學的人影工作的規劃和作業提供了一定的理論依據。