中國及周邊地區多層云垂直結構時空分布特征

馮 曉 ,蔡宏珂 ,衡志煒

（1.四川省氣象災害防御技術中心，成都 610072；2.成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；3.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072）

引言

眾所周知，在地球-大氣系統中，云的輻射作用不可忽視。國際衛星云氣候學計劃（International Satellite Cloud Climatology Project，簡稱ISCCP）的衛星和地面觀測資料顯示，現階段全球范圍內云的平均覆蓋率分別達到了67%和62%[1?2]。自20世紀70年代中期以來，云自身及其在大氣模型相關過程中的重要性一直備受關注[3]。

在云的宏觀特征中，云的垂直結構（cloud vertical structure，簡稱CVS）?多層云系統主要在鋒面活動以及熱帶深對流的鄰近區域發生頻率相對較高，它在很大程度上影響著地-氣系統的能量收支平衡，而輻射能的收支分布是大氣和海洋運動必不可少的動力來源。不同高度云的輻射作用不同，通常低云的反射率效應起冷卻作用，而高云的溫室效應對地-氣系統的加熱作用比較明顯[3?4]。基于此，在不同的大尺度模式中，云的垂直分布特征對氣候模式的模擬精度有非常重要的影響。例如，已有研究[5]指出，在云垂直結構分布中，云層之間重疊的現象會給確定IWP（Ice Water Path）的分布造成很大困難，主要原因就是長期以來衛星對云的反演建立在均一單層云假定基礎上，而沒有考慮到云層重疊的普遍發生及其對地-氣系統輻射平衡的影響，由此導致云的微物理特性反演出現較大誤差。針對多層云的輻射效應，諸多研究做出了不同的重疊假設，但是相關的數值實驗顯示，不同的云重疊假設會對大尺度天氣模式產生不同程度的影響，導致實驗結果產生很大的誤差[6?8]。王天河等[9]利用2007～2010年的觀測資料，研究了不同類型云對天頂處輻射通量的影響，并且根據云的實際分布，評估了全球不同類型云系統對輻射能量平衡的影響，特別以層積云和高云共存的多層云系統為例，初步討論了多層云系統對輻射能量平衡的作用。Wang等[10]通過數值模擬實驗初步分析了云垂直結構對大尺度環流的影響。

由于云特性及其輻射效應具有較強的時空變化特征，傳統觀測資料很難反映云的垂直結構信息，尤其是在多層云出現時，不能準確把握多層云的內部情況。因此，應用新型探測儀器的高精度數據，深入分析不同高度多層云的時空演變特征，獲取更精確且完整的云垂直結構特征參數，具有重要的科學意義和應用價值。本文將采用2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷達1km水平分辨率的云層產品（CAL_LID_L2_01kmCLay-Standard-V4-10），研究東亞地區多層云在不同高度上的分布特征及季節變化規律，以期獲取更精確的云垂直結構特征參數，進而為改進大氣模式相關物理過程提供科技支撐。

1 資料及方法

1.1 資料來源

研究選用了CALIPSO主動遙感探測衛星4.0版本的2級云層產品（Cloud Layer Products），水平分辨率較高且時段較長。CALIPSO衛星是美國NASA與法國國家航天中心（CNES）合作實施的“云-氣溶膠激光雷達和紅外探測者衛星觀測”計劃的探測器之一。其主要任務是提供全球云和氣溶膠觀測數據，用于研究云和氣溶膠在調節地球氣候中的作用以及兩者的相互影響。CALIPSO晝夜共兩次飛臨中國大陸東部，白天約在UTC（世界時）05時左右沿東南-西北方向，夜間約在UTC18時左右沿東北-西南方向。CALIOP作為CALIPSO衛星載荷中最關鍵的儀器，其突出特點是可以同時發出532nm和1064nm兩個波段的激光脈沖，并提供這兩個波段在運行軌道上對地方向的后向散射垂直廓線。通過對后向散射的測量，可以較準確地反演出云和氣溶膠的高度及消光系數廓線[11?12]。CALIOP探測波長較短且對大氣中稀薄云層的敏感度高，對光學厚度為0.01或更小的云的檢測能力較好[13]。經過與不同激光雷達的廣泛對比驗證[14?16]，CALIOP的探測性能良好，與地面觀測器和被動遙感衛星探測器相比較，其顯著優勢在于采用主動遙感方法首次實現了在全球范圍內對云層垂直結構進行長時間數據搜集，為探究云輻射對地氣系統的影響以及優化大尺度氣候模式提供了更全面詳細的觀測資料[17?18]。雖然CALIOP存在難以穿透較厚云層的局限，可能導致較厚云層的云底高度及下方云層信息不準確或丟失，但多項研究均表明CALIOP數據用于云層分布研究是可行的[19?20]。

1.2 研究方法

本文選取了2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷達1km水平分辨率的云層產品（CAL_LID_L2_01kmCLay-Standard-V4-10），對中國及周邊地區（0°～55°N，70°～140°E）不同高度多層云的水平分布和季節變化進行了統計分析。分析的物理量有單個激光廓線上探測到的云層數、數據可信度、各云層云頂氣壓、地形高度以及經緯度等輔助參數。根據衛星沿軌觀測數據將研究區域劃分為1.2°×1.2°的經緯度網格，共有60×75個網格。經統計（圖1），衛星觀測次數超過400次、觀測廓線數超過40000個的網格占總網格數的95%以上，表明本次研究樣本充足，在此分辨率下的統計結果可信度較高。由于極軌衛星對地觀測的軌道因素，高緯地區觀測次數多于低緯地區（圖1a）。在討論云物理量季節變化特征時，以每年3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月～次年2月為冬季。

圖1 2006～2016年中國及周邊地區CALIPSO衛星觀測情況（a.軌道數，b.樣本數)

ISCCP根據云頂氣壓（Cloud Top Pressure）和云的光學厚度(Cloud Optical Thickness)對云進行分類[21]，這與地面觀測中的云類型有一定的差異[22]。本文以此作為云分類標準，利用激光雷達提供的云頂氣壓（PTop）參數將每一層云分為高云（50hPa≤PTop<440hPa）、中云（440hPa≤PTop<680hPa）和低云（680hPa≤PTop<1000hPa），由此得到不同層數云的云層配置，如表1所示。

表1 不同層數的云層配置

2 多層云出現概率及云高的水平分布

2.1 多層云出現概率

研究[23?24]表明，單層云出現概率高于多層云。中國及周邊地區單層云出現概率為40%～60%，部分地區可達70%及以上，而多層云的出現概率多為15%～25%，極少數地區超過30%。雖然多層云發生概率遠小于單層云，但仍然不可忽視，因為多層云的宏微觀及光學特性是分析云輻射特性的重要研究因子之一。

多層云的樣本總量與云天的樣本總量之比即為多層云出現概率。圖2給出了2006～2016年平均的中國及周邊地區多層云出現概率水平分布。如圖所示，以青藏高原和蒙古高原為主的高緯度地區表現為明顯的低值，多層云出現概率為10%～15%，其中青藏高原以西的零星地區多層云出現概率低于5%，同緯度的四川盆地北部多層云出現概率略高，但仍不超過20%；30°N以南的低緯度地區，多層云出現概率有所增加，尤其孟加拉國和馬來群島北部，出現概率超過30%，同緯度地區差異不明顯。

圖2 2006～2016年平均的中國及周邊地區多層云出現概率水平分布（單位：%）

2.2 多層云出現概率的高度差異

雙層云（N=2）、三層云（N=3）及四層云（N=4）的樣本數與多層云樣本總數之比表示其各自對多層云的貢獻。

如圖3所示，雙層云在多層云中出現概率最大，但其水平分布特征與多層云相反。在多層云的低發區中，青藏高原西部的雙層云對多層云貢獻最大，超過98%；而在多層云的高發區中，印度半島北部的雙層云占多層云的比例不足90%。如圖4所示，三層云出現概率的極值區與多層云基本一致，青藏高原西部三層云出現概率不足2%，低緯度的印度半島西北部和中南半島地區三層云出現概率接近10%，其中孟加拉國及其附近地區約為14%，南北差異較為明顯。四層云在多層云系統中占比大多在0.2%以下，其出現概率最大的孟加拉國地區也未超過1%（圖5）。

圖3 同圖2，但為雙層云

圖4 同圖2，但為三層云

圖5 同圖2，但為四層云

為了進一步分析不同高度多層云的特征，本文分別討論了雙層云和三層云中出現概率較大的三種不同高度云層配置的水平分布，其他云層配置的出現概率均不足10%，本文不做分析。

如圖6和圖7所示，不同高度雙層云和三層云的分布特征類似。雙層云中“高云+高云”（圖6a）和三層云中“高云+高云+高云”（圖7a）的配置在青藏高原主體出現概率分別超過80%和60%，在孟加拉灣地區出現概率分別超過40%和30%。雙層云中“高云+中云”（圖6b）與三層云中“高云+高云+中云”（圖7b）的配置主要出現在高原以外的低海拔大陸地區，出現概率分別超過50%和60%。雙層云中“高云+低云”（圖6c）與三層云中“高云+高云+低云”（圖7c）的配置在低緯度海域出現概率較大，中國南海附近分別為50%～60%和30%～40%，西太平洋北部和日本海附近超過30%，但北方大陸地區出現概率均低于20%，大多在10%左右。

圖6 2006～2016年平均的中國及周邊地區不同高度雙層云出現概率水平分布（a.高云+高云，b.高云+中云，c.高云+低云；單位：%；斜線部分表示地形高度在3.1km以上，即氣壓值<680hPa）

圖7 同圖6，但為三層云（a.高云+高云+高云，b.高云+高云+中云，c.高云+高云+低云）

綜上所述，多層云系統中云層發生概率隨著云層數的增多而減小，雙層云和三層云中不同高度云層配置的水平分布特征具有顯著區域差異。這種空間分布差異是否與地形和水汽條件有關，將在后續工作中進一步探討。

3 多層云出現概率及云高的季節變化

各季節多層云樣本數與全年多層云樣本總數之比為多層云各季出現概率。如圖8所示。多層云出現概率最大的季節為夏季，秋季和春季次之，冬季最小。夏季，多層云在中國大陸地區出現概率多在40%以上，青藏高原、云貴高原、四川盆地和吐魯番盆地及周邊地區甚至超過了55%。春季相對秋季來看，多層云在20°N以南地區出現概率減少了10%左右。冬季，多層云在中國大陸地區出現概率僅為15%，沿海和西太平洋地區為20%～30%。

圖8 2006～2016年平均的不同季節多層云出現概率空間分布（a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季，單位：%）

不同高度雙層云和三層云的季節變化分別用各季節不同高度云層配置對全年雙層云和三層云的貢獻來表示，即為各季節不同高度雙層云和三層云云層配置的出現概率，如圖9和圖10所示。夏秋兩季為雙層云和三層云的主要貢獻季節，其中夏季“高云+高云”與“高云+高云+高云”的配置在青藏高原及其以南的印度半島、孟加拉灣和中南半島出現概率較大，在高原主體甚至超過35%；春冬兩季，這兩種配置的云層出現概率均明顯減少，冬季甚至不足5%（圖9a～d和圖10a～d）。夏季，雙層云中“高云+中云”與三層云中“高云+高云+中云”的配置出現概率分別大于“高云+高云”與“高云+高云+高云”的配置，其中“高云+中云”的配置在蒙古高原、印度半島北部以及中南半島出現概率超過15%，部分地區達到25%，“高云+高云+中云”的配置在青藏高原及其附近陸地出現概率超過35%；雙層云中“高云+中云”的配置在春季30°N以南地區和冬季中國大陸大部分地區均很少出現，三層云中“高云+高云+中云”的配置則恰好相反（圖9e～h和圖10e～h）。不同季節的雙層云中“高云+低云”與三層云中“高云+高云+低云”的配置在海洋上空出現概率均大于陸地上空；與之前兩種云高配置相比，冬季雙層云中“高云+低云”的配置在孟加拉灣、中國東北部海域、南海和西太平洋出現概率有明顯增加，而冬季三層云中“高云+高云+低云”的配置則少量出現在西太平洋北部（圖9i～l和圖10i～l）。

圖9 2006～2016年平均的各季中國及周邊地區不同高度雙層云出現概率空間分布（a～d.高云+高云，e～h.高云+中云，i～l.高云+低云；從左至右依次為春、夏、秋、冬季；單位：%；斜線表示地形高度在3.1km以上，即氣壓值<680hPa）

圖10 同圖9，但為三層云（a～d.高云+高云+高云，e～h.高云+高云+中云，i～l.高云+高云+低云）

4 結論

本文利用2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷達1km水平分辨率的云層產品對中國及周邊地區多層云進行系統研究，重點對比分析了不同高度雙層云和三層云的分布特征及季節變化規律，得出以下結論：

(1)多層云在青藏高原和蒙古高原出現概率較低，在30°N以南的低緯度地區出現概率有所增加，尤其孟加拉國和馬來群島北部出現概率超過30%，但同緯度地區差異不明顯。

(2) 多層云系統中云層發生概率隨著云層數的增多而減小。雙層云在多層云中占比最大，其水平分布特征與多層云相反，在青藏高原西部出現概率超過98%；三層云出現概率的最值區與多層云基本一致，青藏高原西部出現概率不足2%，三層云在孟加拉國附近出現概率約為14%；四層云在多層云系統中全年出現概率不超過1%。

(3) 不同高度雙層云和三層云的分布特征類似。雙層云中“高云+高云”和三層云中“高云+高云+高云”的配置在青藏高原主體出現概率分別超過80%和60%，；雙層云中“高云+中云”和三層云中“高云+高云+中云”的配置主要出現在高原以外的低海拔大陸地區，概率分別超過50%和60%；雙層云中“高云+低云”和三層云中“高云+高云+低云”的配置普遍存在于孟加拉灣、南海、西太平洋和中國東部海域等低海拔地區。

(4) 多層云出現概率最大的季節為夏季，其次為秋季和春季，冬季最小。夏季中國大陸地區基本在40%以上，青藏高原、云貴高原、四川盆地以及吐魯番盆地及周邊地區甚至超過了55%。春季相對秋季來看，20°N以南地區多層云出現概率減少了10%左右，而冬季多層云最少，除中國大陸多層云出現概率僅有15%以外，沿海和西太平洋地區在20%～30%之間。

(5) 夏秋兩季為雙層云和三層云的主要貢獻季節。以夏季為例，雙層云中“高云+高云”和三層云中“高云+高云+高云”的配置在青藏高原及其以南的印度半島、孟加拉灣和中南半島出現概率較大，高原主體甚至超過35%；雙層云中“高云+中云”和三層云“高云+高云+中云”的配置出現概率分別大于“高云+高云”和“高云+高云+高云”的配置，其中“高云+中云”的配置在蒙古高原、印度半島北部以及中南半島出現概率超過15%，部分地區達到25%，“高云+高云+中云”的配置在青藏高原及其附近陸地出現概率超過35%；雙層云中“高云+低云”和三層云中“高云+高云+低云”的配置在海洋上空出現概率均大于陸地上空。