福建省及周邊地區云類型的主動衛星檢測*

張玉軒 呂巧誼 鄭 輝 江慧遠

福建省及周邊地區云類型的主動衛星檢測*

張玉軒1,2呂巧誼1,2鄭 輝1,2江慧遠3

（1.廈門市氣象臺，廈門市氣象局，福建 廈門 361012，2.海峽氣象開放實驗室，廈門市氣象局，福建 廈門 361012，3. 南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇 南京 210044）

利用CloudSat和CALIPSO衛星融合云分類產品2B-CLDCLASS-LIDAR 2007-2010年觀測資料，研究福建省及周邊地區云系的構成、發生頻率、垂直結構特征。研究結果表明，云系的層數以一層為主，且其發生頻率約是雙層云系統的2倍或多層云系統的4倍。在單層狀態下，層積云、高積云和高云是主導云類型，在全年的占比之和達70.8%。而在雙層狀態下，這三種云類型相互重疊出現的情況也最頻繁。與雙層云系統和三層云系統相比，單層云系統的云底高度或云頂高度均要高于它們的最底層云或最上層云。此外，由于各季節的主導云類型不同，云系的垂直結構呈現出明顯的季節變化，表現為夏季云分數廓線在15.5km處達到峰值，而冬季則在3.5km處達到峰值。

福建省及周邊地區 不同云類型 發生頻率 垂直云結構 主動衛星

1 概述

一些模式的模擬研究指出：不同模式對云宏、微觀物理特性的描述差異會直接導致模擬結果存在很大差異，從而使得云成為影響氣候變化預測準確性的重要因子。大量研究根據云的宏、微觀物理特性對云進行了分類，譬如：中國云圖分類標準和國際衛星云氣候計劃（ISCCP）將云劃分為卷云、高層云、高積云等類型。研究結果表明，不同類型的云受其宏觀和微觀物理特性差異的影響，在輻射效應和降水類型等方面存在明顯的差異。因此，研究不同云類型對于準確理解地氣系統輻射能量收支、降雨的分布，以及全球氣候變暖等問題都具有重要意義。

過去，氣象觀測站基于傳統觀測方式獲取的云量、云高和云狀等數據在精度方面存在較大不確定性，并且資料的空間分辨率也較差。衛星上搭載的被動遙感儀器雖然一定程度上解決了氣象觀測站空間分布稀疏的局限，但其接收的云頂輻射信息仍難以準確反演云層的垂直結構特征。直至2006年，CloudSat和CALIPSO衛星成功發射，其搭載的主動遙感儀器實現了全球范圍內云層垂直結構的觀測。由于這兩顆衛星運行軌道一致且過境同一地點的時間間隔很短，它們的觀測資料能夠融合互補，為研究全球云層三維結構提供重要的數據支持。目前，該衛星產品也已被廣泛應用于云層垂直結構分析和云微物理特性廓線反演等相關研究中。

福建省及周邊地區地處亞熱帶海洋性季風氣候區，山丘多，平原少。在這種特殊的氣候和下墊面條件下，全年和各個季節盛行什么類型的云，以及它們的垂直結構特征如何，仍缺乏足夠的認識。為此，本文利用主動衛星觀測資料分析福建省及周邊地區不同云類型的發生頻率及其垂直結構特征。研究結果將有助于完善福建省及周邊地區的氣候分析，并且對人工增雨作業的開展有一定的參考意義。

2 數據和研究方法

2.1 數據

本文主要使用CloudSat和CALIPSO兩顆衛星觀測資料融合反演的云分類產品2B-CLDCLASS-LIDAR。該產品結合了星載毫米波云雷達（CPR）與激光雷達（CALIOP）各自的探測優勢，使CloudSat無法探測到的光學薄云和CALIPSO無法穿透的光學厚云能被同時探測到，因而能提供大氣中較為完整和準確的云垂直分布信息。該產品結合了主動遙感裝置（云雷達和激光雷達）的有效垂直檢測和其他被動遙感儀器（如紅外或微波輻射計）的輔助測量來對云進行分類。在反演云類型的過程中，采用了閥值與模糊理論分類方法，將云分為高云、高層云、高積云、層云、層積云、積云、雨層云和深對流云等8種云類型。表1給出了在本文中該產品所選取的時間跨度及參數。

表1 研究所用數據的名稱、選取的時間跨度及參數

2.2 研究方法

選取23°~29°N，115°~121°E的區域作為研究區域，見圖1。選取了2007年1月至2010年12月過境的衛星軌道資料開展研究。不同序號軌道帶上的衛星軌道數量約59~71，而觀測廓線數量則可達4萬多條（見表2）。其次，將云層數為1、2或3的觀測廓線分別歸為單層云系統、雙層云和三層云系統，而云層數大于或等于3時歸為多層云系統。進一步，根據云類型參數，將單層云系統和雙層云系統分為高云、高層云、高積云、層云、層積云、積云、雨層云和深對流云等8種類型及其組合。最后，根據云頂高度和云底高度等參數，深入分析福建省及周邊地區云系統的垂直結構特征。值得說明的是，根據福建的地理位置和天氣氣候的演變規律，本文將福建自然天氣季節劃分為：3~6月為春季、7~9月為夏季、10~11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。

圖1 CloudSat和CALIPSO衛星過境中國福建省及周邊地區( 23°-29°N，115°-121°E)的地面軌跡（黑色虛線為福建省省界，而灰色線為衛星地面軌跡）

表2 不同衛星軌道的軌數及觀測廓線數量

3 分析結果

3.1 不同類型云系統的發生頻率

根據李積明等的定義，統計了單層云系統、雙層云系統和多層云系統的發生頻率，即觀測到的單層云系統（雙層云系統或多層云系統）的廓線數量與廓線總數的比值（見表3）。可以看到，單層云系統全年41.7%的發生頻率約是雙層云系統（21.7%）的2倍或者多層云系統（9.8%）的4倍。在不同季節條件下也有相似結果，即單層云系統遠高于雙層和多層云系統。這可能與研究區域的地形地勢、海陸差異以及臺風有關。此外，單層云系統發生頻率的季節差異小于雙層云系統和多層云系統。在冬季和春季，單層云系統的發生頻率差異最大，但僅為2.6%，而雙層、多層云系統的冬春差異則分別為12%和11.5%。值得注意的是，單層云系統發生頻率表現為春季最低（40.8%）和冬季最高（43.4%），而雙層、多層云系統則表現為春季最高（28.1%和15.3%）和冬季最低（16.1%和3.8%）。這表明，季節間熱動力條件、水汽條件甚至氣溶膠的差異將能影響云層的重疊情況。

表3 單層云系統、雙層云系統以及多層云系統的全年和四季發生頻率

3.2 單層云系統中不同云類型的占比

圖2為單層云系統中8種不同云類型（包括高云、高層云、高積云、層云、層積云、積云、雨層云和深對流云）所占的比例的統計結果。就全年而言，層積云（26.9%）、高積云（24.2%）、高云（19.7%）和積云（10.7%）占單層云系統的比重達81.5%，表明它們是構成福建省及周邊地區單層云系統的主要云類型。就季節而言，高云在夏季占比最大（45.3%），夏季地表受日照強烈加熱影響，極易在近地層形成絕對不穩定層結，有利于云頂高度較高的高云發生。深對流云在春季比重最大（7.3%），福建春季常出現冰雹等強對流天氣過程，有利于深對流云發生。此外，高積云在春季、秋季和冬季的比重都超過20%，特別是冬季的比重達33.2%，這與王帥輝等人的研究結論相一致。福建省及周邊地區秋季和冬季存在的大量單層形式的層積云，比重均超過30%，這也與安潔的研究結論相似。

圖2 不同季節，單層云系統中不同云類型所占比重

3.3 雙層云系統中不同云類型組合的樣本數

圖3為雙層云系統中8種云類型相互重疊情況出現頻次的統計結果。可以看到，一些搭配組合在真實大氣中是不存在的。例如，層積云并不會出現在高云的上層。高云/高積云、高云/層積云、高積云/層積云樣本數量遠大于其他雙層云類型，是構成研究區域雙層云系統的主導云類型。這可能是因為層積云、高積云和高云在單層狀態下大量存在，其彼此間更容易重疊出現。高云所在大氣高度較高，底層有更大的垂直大氣空間留給其他云類型發生發展，可以看到高云與不同云類型重疊的情況發生較為頻繁。在不同季節，福建省及周邊地區主導的雙層云類型存在一定差異，高云/高積云和高云/層積云兩種雙層云類型在春季和夏季占主導地位，但在秋季和冬季，相比其他雙層云類型出現概率不高；高積云/層積云在秋季和冬季出現概率高，但在春季和夏季則較低。

圖3 不同季節，雙層云類型在不同組合條件下的樣本數量

3.4 云分數剖面結構

作為云層宏微觀物理特性的重要參數，不同類型云系統的垂直結構特征需進一步分析。圖4分別給出了過境軌道上的云分數剖面結構，軌道2、3、6和7收集到了福建省內云層垂直結構的寶貴信息。軌道2沿著福建省最南部漳州市橫穿至最北部南平市，可以看到漳州市云分數超過10%的面積集中出現在對流層上層12~17km范圍內，這可能與其東南部海域對流層高層大范圍（12.5~17km）的云分數高值區（超過20%）有關。隨著緯度向北，對流層各個位置出現云層的概率增大。在福建省北部，7.5km以下云層的出現概率均超過20%，表明研究區域可能盛行中低云系統。這種差異可能受福建省特殊地形影響，福建省以山地丘陵為主，地勢呈現西北高、東南低的特點，地形引起的動力抬升和充沛的水汽供給有利于促進云層在低層大氣形成并向上發展。軌道3、6和7的云分數剖面圖也進一步證實該結論，可以看到福建省東南部云分數高值區出現在2.5km附近的低層大氣，而北部云分數高值區垂直覆蓋范圍較大，可向上延伸至12.5km附近（見軌道6）。

圖4 衛星過境軌道上對應的云分數剖面結構

3.5 云分數垂直分布

圖5為云分數廓線全年及季節平均的統計結果。就年平均而言，云分數廓線呈現雙峰結構，分別在2.25km和12.25km達到峰值，且雙峰間10km垂直大氣柱內云分數均較大。這表明在福建省及周邊地區垂直大氣柱中云水資源豐富，各個高度云層形成的概率均較大。就季節平均而言，可以看到春季和夏季的云分數隨著高度增加均存在顯著的增加，分別約在12.25km和15.5km處達到最大值，主要是由于高云在春夏季有較高的發生頻率。而高積云、層云、層積云和積云等在冬季盛行且都有較低的云底高度。因此冬季節云分數廓線在3.5km處達到峰值后隨高度增加逐漸降低，且在7.5km以上大氣均表現為低于5%，遠小于春季和夏季。

圖5 云分數全年和各個季節平均的垂直廓線

3.6 不同類型云系統的云底和云頂高度

圖6為單層云系統、雙層云系統和三層云系統的云底高度和云頂高度全年及季節平均的統計結果。就全年平均而言，單層云系統的云底高度（4.1km）要高于雙層、三層云系統（2.7、2.3km），而其云頂高度（6.5km）則低于雙層、三層云系統（10.1km和12.2km）。就季節平均而言，單層云系統、雙層云系統和三層云系統各個云層的云底和云頂高度均表現為夏季最高，春秋次之，冬季最低。例如，單層云系統的云底和云頂高度在夏季分別高達6.8、9.8km，而在冬季則僅為2.5、3.9km，其夏冬季節差異可達4.3、5.9km。單層云系統、雙層云系統以及三層云系統的各云層均在春季和夏季有較大的厚度。

圖6 不同季節，單層云系統、雙層云系統以及三層云系統中各云層的云底和云頂高度平均值（柱子的底部和頂部分別代表云底和云頂高度平均值）

4 結論

（1）就全年而言，單層云系統發生頻率約為雙層云系統的兩倍以及多層云系統的4倍，表明單層云系統是福建省及周邊地區云系的主要構成。而單層的層積云、高積云和高云的占比之和高達70.8%，表明其為單層云系統的主導云類型。并且，這三種云類型相互重疊組成的雙層云系統，即高云/高積云、高云/層積云和高積云/層積云也有最高的出現概率。就季節變化而言，單層云系統的最小和最大發生頻率分別出現在春季和冬季，而雙層以及多層云系統則相反。

（2）就全年而言，云分數廓線表現為雙峰結構，且云分數在雙峰之間10km范圍內均較大，表明福建省及周邊地區在各大氣高度均有較豐富的云水資源。對比雙層云和三層云系統，單層云系統年均的云底高度和云頂高度分別高于和低于它們的最底層云和最上層云。就季節變化而言，夏季和冬季的云分數廓線的峰值所在高度有較大差異，分別為15.5km和3.5km。對于不同云層數目的云系統，各個云層的云底高度以及云頂高度也都表現為夏季最高而冬季最低。

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國家自然科學基金項目“熱帶氣旋不同強度變化下云特征及輻射效應的衛星檢測” （編號：41805028）；福建省氣象局青年科技專項“基于主動衛星資料研究福建省不同類型云系統的發生頻率及云特征”（編號：2018Q02）；福建省氣象局新錄用研究生基層專項項目“云物理初始化在福建強降水數值預報中的影響研究”（編號：2019G04）。

呂巧誼，E-mail：414562004@qq.com。

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1673-8683(2020)01-0003-06