基于CERES資料的新疆云物理參數時空分布特征

蘇亞喬，王 勇，張林梅，鄭焙文，張云惠

（1.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆生態氣象與衛星遙感中心，新疆 烏魯木齊 830002）

水資源是國家經濟社會可持續發展的重要物質保障，更是人類命運共同體的物質根本。作為發展中國家，我國水資源嚴重短缺，目前人均水資源占有量約為世界人均占有量的四分之一，被列為世界人均水資源匱乏國家之一。全國城市中有400余座供水不足、110余座嚴重缺水，占中國城市總數的73.9%，且大部分位于我國北方及西北半干旱、干旱地區[1]，新疆作為典型的干旱半干旱地區，水資源緊缺已成為制約當地經濟發展的重要障礙。改善水資源短缺問題的途徑為開源和節流。但節流必須與經濟發展水平相適應，節流空間有限。同時，地表和地下水資源開發已接近極限。因此，開發利用空中云水資源已成為各界關注的緩解水資源短缺的有效途徑之一。

云的宏微觀結構特征與云降水條件、機制、效率及人工增雨潛力等緊密相關。不同的云結構特征所造成的天氣現象更是千差萬別[2]。故云粒子有效半徑、云水路徑、光學厚度、云頂氣壓等云物理參數，對于研究云系宏微觀特征、氣候變化、降水演變以及空中水資源有效開發等具有重要的意義。常規氣象臺站提供的氣象觀測資料很難獲得云中液態水含量等云參數，目前主要通過微波輻射計[3]、飛機探測[4-5]、衛星探測[6-7]等手段獲得云參數。相較于其他探測手段，衛星具備大范圍、全過程、長時間的優點[8]。隨著氣象衛星的發展，利用衛星資料反演的各種云微物理特征被廣泛應用于氣象研究中。Rosenfeld等[9]運用NOAA極軌衛星資料反演了對流云溫度和云粒子有效半徑的分布特征，該反演方法還可應用于MODIS、FY-3[10]等衛星的云微物理特征反演和強對流識別研究[11]。劉健等[12]通過對FY-1D和NOAA極軌衛星反演得到的云光學厚度和地面降水數據的分析，指出地面雨量與云光學厚度呈正相關。張杰等[13]對MODIS云特征參數與降水量的關系進行研究后發現，祁連山區產生較大降水的云粒子有效半徑通常在6～12 μm，云光學厚度在8～20。王羽佳等[14]利用CERES資料分析了東亞地區單層卷云物理特性。李帥等[15]用FY-2F資料研究了新疆區域云量和云類的分布特征。王昀等[16]、光瑩等[17]分別研究了新疆層狀云冰粒子屬性的季節變化以及層狀云微物理屬性垂直分布的季節變化。王磊等[18]、龔靜等[19]分別探究了華北和青海省東部云特征參量與降水的相關性。

新疆對降水的需求巨大，云特征參量的時空分布特征影響著降水產生的效率，也決定著人工增水的效果。本文利用2011—2020年ERA5再分析降水數據、云和地球輻射能量系統（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System，CERES）云產品，分析新疆云參數的時空變化分布特征，歸納總結北疆、南疆、山區云物理參數與降水量的相關性，為開發新疆空中云水資源做初步探索，為人工影響天氣作業的潛勢預報提供初步參考。

1 資料與方法

使用歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）ERA5的0.25°×0.25°逐小時降水數據和Aqua衛星搭載的CERES儀器探測的三級（Level-3）數據，包括云水路徑（液相、冰相）、云粒子有效半徑（液相、冰相）、云頂（底）溫度、云光學厚度、云頂氣壓（分辨率為1°×1°）。

ERA5是ECWMF推出的第五代再分析產品，具有時空分辨率高、更新快、參數多等優點。有研究指出ERA5相對于ERA-Interim在數據質量上有很大的提升[20-21]。CERES探測器的長波和短波在地面校準誤差分別為0.5%和1%。采用了新的角度分布模型后，減少了2～4倍的系統誤差和均方根誤差。它的伺服系統定位精度高，溫度探測器的時間常數、熱滯系數小，表明該儀器具有測量快速、系統誤差小的特征[22]。

利用2011—2020年8種云物理參數與多年月平均降水量數據，將新疆分為山區（包括阿爾泰山、天山、昆侖山、南疆西部山區）、北疆（以天山為界的北部非山區）、南疆（以天山為界的南部非山區）3個區域（圖1）進行討論，分析云參數與降水量的時空分布特點及對應關系；運用ArcGIS軟件分別提取北疆、南疆、山區的格點數據做空間平均，分析3個區域的云參數與降水量的差異；并通過計算云參數與降水量的Pearson相關系數，分析其顯著性。

圖1 分區示意圖

2 結果與分析

2.1 云參數與降水量空間分布特征

由2011—2020年10 a平均云參數、降水量空間分布（圖2）可知，新疆各地的降水分布及強度極不均勻，總體呈山區多（強）、南疆少（弱）、北疆介于兩者之間的特征。山區空間平均降水量為487.3 mm，占全疆降水量的62.5%，是南疆降水量的8.5倍（表1），其中阿爾泰山北部，天山中、西段以及昆侖山北坡西段的降水量較豐富，阿爾泰山東南部，天山東段，昆侖山南部及東段的降水量相對較少。南疆年降水量為57.5 mm，僅占全疆降水總量的7.4%（表1），塔里木盆地北部、西部邊緣降水量為50～100 mm，東部和南部降水量＜50 mm。北疆空間平均降水量則介于兩者之間，年降水量為234.6 mm（表1），伊犁河谷、塔城盆地年降水量為250～350 mm，準噶爾盆地降水量為50～200 mm，降水少的地區為天山尾閭淖毛湖一帶，降水量＜50 mm。

云液水路徑值為北疆＞山區＞南疆，呈自北向東南遞減的分布特征，阿勒泰北部的云液水路徑值＞70 g/m2，阿爾泰山區降水量大值區與云液水路徑的大值區重合（圖2a）。云冰水路徑值自西向東遞減，與云液水路徑不同，山區是3個區域中云冰水路徑值最大的區域，天山西段、昆侖山北部西段的降水量大值區對應的云冰水路徑值＞140 g/m2（圖2b），北疆次之，南疆最小（表1）。

云粒子有效半徑（液相）的分布呈西高東低，且在東部的哈密、吐魯番一帶有一明顯低值中心（圖2c）。云粒子有效半徑（冰相）在天山西段值較大，＞30 μm，在南疆東部及昆侖山南部相對較小，北疆云粒子有效半徑（冰相）介于山區與南疆之間（圖2d、表1）。

云底溫度在山區較高，說明山區云底高度相對較低（圖2e），云頂溫度空間差別不大，北疆、南疆空間平均云頂溫度略低，山區略高（圖2f、表1），山區的云底云頂溫度差最大（表1），表明山區相對其他區域的云層更厚。

云光學厚度自東向西減小，從空間平均上看，山區＞北疆＞南疆，這與降水量的空間平均值分布一致（圖2g、表1）。

云頂氣壓呈北高南低的分布形式，山區的空間平均云頂氣壓遠低于北疆、南疆，云頂氣壓可以直接表征云頂發展的高度，說明山區的云層較厚（圖2h、表1）。

表1 2011—2020年10 a平均降水量、云參數空間平均值

圖2 年平均降水量與云參數空間分布

綜上可初步判定云參數值與降水量的相關性強。云水路徑（冰相）、云粒子有效半徑（冰相）、云光學厚度在空間上呈現山區最大，北疆次之，南疆最少的分布狀態，這與降水量的空間分布一致。另外，降水量最少的南疆同時云水路徑值（液、冰相）也最小；降水量最多的山區擁有最大的云頂云底溫度差和最低的云頂氣壓值。

2.2 云參數與降水量時間分布特征

2.2.1 季節變化

為了便于統計分析，采用天文上的3個月為一季來劃分新疆季節，即12月—翌年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

3個區域的降水量在季節上的分布不均勻，均為夏季最多，春季次之，冬季最少，秋季介于春、冬兩季降水量之間。山區降水量季節差異最大，夏季降水豐沛，占山區年均降水量的50.7%，是冬季降水的7.1倍；北疆降水量季節變化率相對較小，夏季降水占北疆年均降水量的37.6%，是冬季降水的3.5倍；南疆夏季的降水量甚至少于山區冬季降水量，可見南疆降水匱乏（圖3a）。

北疆的云冰水路徑值季節分布與降水量季節分布一致，夏季的云冰水路徑值最高為156.7 g/m2（圖3c）；云頂氣壓季節分布為冬季最高，秋季次之，夏季最低，春季介于夏、秋兩季云頂氣壓值之間，與降水量季節分布相反（圖3i）；云粒子有效半徑（液、冰相）在降水量最多的夏季最小、降水量最少的冬季最大（圖3d、3e）；云頂（底）溫度由高到低季節排序依次是：夏、秋、春、冬，說明夏季云高低于冬季云高，有利于降水產生，云頂（底）溫度在夏季最高、冬季最低（圖3f、3g）。

南疆的云冰水路徑值與降水量季節分布一致，夏季的云冰水路徑值最高，為164.8 g/m2，相比于北疆，雖然云冰水路徑值的增大均對降水量有正向影響，但是同時期南疆較大的云冰水路徑值所帶來的降水量卻少于北疆，說明云冰水路徑值對降水的影響作用南疆弱于北疆（圖3c）；云液水路徑值在夏季最大（圖3b）；云粒子有效半徑（液、冰相）在夏季最小、冬季最大（圖3d、3e）；云底、云頂溫度在夏季最高、冬季最低（圖3f、3g）；云光學厚度在夏季最大（圖3h）。

山區的云冰水路徑值與降水量季節分布一致（圖3c）；云液水路徑值在夏季最大（圖3b）；云粒子有效半徑（冰相）在夏季最小（圖3d、3e）；云底、云頂溫度在降水量最多的夏季最高、在降水量最少的冬季最低（圖3f、3g）；云光學厚度在夏季最大（圖3h）；云頂氣壓在夏季最低（圖3i）。

圖3 降水量、云參數季節分布

2.2.2 月變化

降水量在南、北疆、山區的月變化較一致，1—3月有所增多，4—6月迅速增加，7—8月為降水量最豐沛的時段，此時南、北疆、山區的月降水量保持在8、25、80 mm以上，且降水量最大值均出現在6月，9—10月降水量迅速減少（圖4a）。

北疆云水路徑（液、冰相）值的月變化呈雙峰型，最大值分別出現在8和7月，云水路徑（液、冰相）值與降水量在3—9月呈同位相變化（圖4a、4b）；云粒子有效半徑（液、冰相）與降水量呈反位相變化（圖4c、4d）；云底、云頂溫度的月變化呈單峰型，最大、最小值分別出現在7和1月，且與降水量的月變化趨勢完全一致（圖4e、4f）；云光學厚度的月變化呈雙峰型，與降水量在5—10月呈同位相變化（圖4g）；云頂氣壓月變化為12月最高，6月最低，云頂氣壓與降水量在3—9月呈反位相變化（圖4h）。

南疆云液水路徑值的月變化呈雙峰型，云冰水路徑值的月變化呈單峰型，最大值分別出現在8和6月，云水路徑（液、冰相）值與降水量在3—10月呈同位相變化，云冰水路徑值在3—10月變化幅度較大，在11月—翌年2月變化幅度小（圖4a、4b）；云粒子有效半徑（液、冰相）與降水量在5—10月呈反位相變化，且云粒子有效半徑冰相比液相變化幅度大（圖4c、4d）；云底、云頂溫度與降水量在2—12月的月變化趨勢完全一致（圖4e、4f）；云光學厚度的月變化呈雙峰型，與降水量在3—10月呈同位相變化，且云光學厚度在6—8月南疆大于北疆（圖4g）；云頂氣壓月變化呈單峰型，12月最高，6月最低，云頂氣壓與降水量在4—10月呈反位相變化（圖4h）。

山區云水路徑（液、冰相）值的月變化與南疆的類似，最大值均出現在降水量最多的6月，云水路徑（液、冰相）值與降水量在3—10月呈同位相變化（圖4a、4b）；云粒子有效半徑（液、冰相）與降水量在5—10月呈反位相變化，在11月—翌年2月呈同位相變化，且云粒子有效半徑冰相比液相變化幅度大（圖4c、4d）；云底、云頂溫度與降水量的月變化趨勢十分相似（圖4e、4f）；云光學厚度與降水量在3—10月呈同位相變化，且云光學厚度在11月—翌年2月變化幅度很小（圖4g）；云頂氣壓月變化呈單峰型，12月最高，6月最低，云頂氣壓與降水量在3—10月呈反位相變化（圖4h）。

圖4 降水量（柱狀）與云參數（折線）月際變化特征

2.3 云物理參數與降水的關系

通過進一步對云參數與降水量進行Pearson相關性分析，得出夏季（6—8月）北疆云水路徑（液、冰相）、云粒子有效半徑（冰相）、云底、云頂溫度、云光學厚度、南疆云粒子有效半徑（液相）、云光學厚度、云頂氣壓、山區云水路徑（液、冰相）、云粒子有效半徑（液、冰相）、云底、云頂溫度、云光學厚度、云頂氣壓與對應區域降水量的相關系數通過了0.05的顯著性檢驗。

為探索夏季云參數與降水量在各區域的具體關系，相關系數絕對值≥0.8認為有強的相關性，0.3～0.8認為有弱的相關性，≤0.3認為沒有相關性，并結合2011—2020年夏季云參數與降水量的相關系數空間分布進行分析。

北疆云液水路徑值在塔城、阿勒泰北部及哈密西北部（圖5a），云冰水路徑值在阿勒泰北部（圖5b），云底溫度在伊犁北部、博州南部以及阿勒泰北部（圖5e），云頂溫度在阿勒泰北部、博州、伊犁北部、塔城西南部及北部（圖5f），云光學厚度在塔城西部、博州北部、伊犁河谷（圖5g）與降水量呈弱正相關，且通過α=0.05的顯著性檢驗（以下描述均為通過α=0.05的顯著性檢驗的區域）。云粒子有效半徑（冰相）在塔城、阿勒泰北部及博州（圖5d）與降水量呈弱負相關。

南疆云光學厚度在克州西南部、喀什北部、和田北部、巴州中部（圖5g）與降水量呈弱正相關。云粒子有效半徑（液相）在烏什—伊吾、莎車—若羌（圖5c），云頂氣壓在南疆地區大部（圖5h）與降水量呈弱負相關。云頂氣壓在喀什地區中部（圖5h）與降水量呈強負相關。

山區云液水路徑值在西天山、阿爾泰山北部（圖5a），云冰水路徑值在阿爾泰山北部（圖5b），云底、云頂溫度在西天山北部、阿爾泰山北部（圖5e、5f），云光學厚度在西天山、南疆西部山區、昆侖山北坡（圖5g）與降水量呈弱正相關；云液水路徑值在阿爾泰山北端（圖5a）與降水量呈強正相關。云粒子有效半徑（液相）在東天山、南疆西部山區中部、昆侖山北坡東部（圖5c），云粒子有效半徑（冰相）在阿爾泰山北部（圖5d），云頂氣壓在東天山、南疆西部山區南部、昆侖山北坡（圖5h）與降水量呈弱負相關；云頂氣壓在南疆西部山區北部與降水量呈強正相關（圖5h）。

圖5 夏季降水量與云參數的相關系數

3 結論

利用2011—2020年ERA5再分析降水數據、CERES云產品對新疆云參數的時空變化分布特征及云物理參數與降水的相關性進行了統計分析，得到以下結論：

（1）從空間分布特征來看，云水路徑值（冰相）、云粒子有效半徑（冰相）、云光學厚度在空間上呈現山區最大、北疆次之、南疆最小的分布狀態，與降水量的空間分布一致。云水路徑值（液、冰相）最小的南疆同時降水量最少。擁有最大云頂、云底溫度差和最低云頂氣壓值的山區降水量最多。

（2）從時間分布特征來看，北疆的云光學厚度、云液水路徑值與降水量在5—10月呈同位相變化；云冰水路徑值與降水量季節分布一致；云粒子有效半徑（液、冰相）在夏季最小、冬季最大；云底、云頂溫度與降水量的月變化趨勢完全一致；云頂氣壓與降水量季節分布相反。南疆的云光學厚度、云液水路徑值在夏季最大；云冰水路徑值與降水量季節分布一致；云粒子有效半徑（液、冰相）、云頂氣壓與降水量在5—10月呈反位相變化；云底、云頂溫度與降水量在2—12月的月變化趨勢完全一致。山區的云液水路徑最大值出現在6月；云冰水路徑值與降水量季節分布一致；云粒子有效半徑（冰相）在夏季最小；云底、云頂溫度與降水量的月變化趨勢十分相似；云光學厚度與降水量在3—10月呈同位相變化；云頂氣壓在夏季最低。

（3）從夏季（6—8月）云物理參數與降水的關系來看，北疆云水路徑（液、冰相）值、云底、云頂溫度、云光學厚度與降水量呈弱正相關；云粒子有效半徑（冰相）與降水量呈弱負相關。南疆云光學厚度與降水量呈弱正相關；云粒子有效半徑（液相）、云頂氣壓與降水量呈弱負相關；喀什地區中部的云頂氣壓與降水量呈強負相關。山區云水路徑（液、冰相）值、云底、云頂溫度、云光學厚度與降水量呈弱正相關；阿爾泰山北端的云液水路徑值與降水量呈強正相關；云粒子有效半徑（液、冰相）、云頂氣壓與降水量呈弱負相關；南疆西部山區北部的云頂氣壓與降水量呈強正相關，以上相關均通過α=0.05的顯著性檢驗。