利用MODIS云产品对安徽不同地区云特性的研究

曹亚楠，周述学，袁野，吴林林

(1.安徽省人工影响天气办公室，合肥 230031；2.中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京 100081)

0 引言

云的宏微观特性与降水有密切的关系，是人工影响天气工作要研究的重要问题。如云顶温度(或云顶高度)决定了云粒子的尺度大小[1]，有助于了解云系的发展程度和演变趋势；云中粒子的有效半径随着高度的变化对于云的发展演变起着一定的作用。已有研究表明[2]，对于云顶有效粒子半径达到14 μm的云层就有可能产生降水。云光学厚度反映云系的厚实程度和整个路径上的消光能力，一定程度上反映云中含水量分布，且云的光学厚度与降水的关系密切，如地面降雨区与高空云光学厚度正相关[3]。云相态是判断云类型的重要依据。所以开展云特性的研究对合理科学地开展人工增雨工作具有重要的意义。安徽省地处我国南北气候过渡带，南北冷暖气流常交汇于江淮地区，使得天气气候复杂，灾害频发，其中旱涝最为常见。安徽省累年平均干旱发生频率自北向南递减，北重南轻，呈季节性，旱涝交替出现，其中淮北地区和江淮地区是干旱最容易发生发展的地方。另外，近年来大气污染问题也日益严峻，并且呈现季节性，空气质量的改善问题也越来越受关注。所以安徽省不同地区上空云特性研究对不同地区不同季节合理科学地开展人工增雨工作具有重要的指导和参考价值。

近年来随着具有覆盖范围广、信息量大、时空分辨率高、数据真实可靠等优势的卫星遥感探测逐步替代了地基观测成为云观测的重要研究手段，很多学者基于卫星遥感探测资料对中国地区云特性进行了统计分析研究。如王帅辉等[4]利用CloudSat 2B-CLDCLASS云分类资料，研究了中国及周边地区各类云的云量、云顶高度、云底、云厚等宏观特征，并获得了这些云宏观性质分布的区域差异和季节变化。杨大生和王普才[5]利用 CloudSat卫星资料，分析了2006—2008年中国地区夏季月平均云粒子有效半径的垂直和区域变化，并获得水云和冰云粒子有效半径的垂直和区域分布特征。这些研究加深了我们对于中国地区云宏微观特性的认识，但是也可以看出，目前对于不同相态云微物理性质区域性差异等方面的研究较少，而这些研究结果对区域模式模拟云微物理参量以及人工增雨条件的判别提供相应的观测信息和验证材料。

中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)作为搭载在地球观测系统计划的Terra和Aqua卫星上重要的传感器，具有数据涵盖波段范围广、空间分辨率高和探测灵敏度高等特点。由于MODIS具有多光谱高分辨率的特点，其云产品中的云相态分类有利于分析不同云相态特性，且研究表明[6-7]其与地面观测有较好的一致性。本文基于安徽省MODIS云产品数据(MYD06_L2)2006—2015年10年云若干宏微观特性对安徽省淮北(HB)地区和江淮(JH)地区不同云特性进行了统计对比分析。研究安徽省淮北地区和江淮地区上空云特性，有助于两地区人工影响天气部门根据区域实际情况科学合理地开展人影作业，切实缓解干旱以及改善空气质量等民生问题。

1 资料选取

采用Aqua卫星上搭载的MODIS提供的2006—2015年云产品资料(MYD06_L2)。由于安徽省淮北地区和江淮地区是干旱最容易发生发展的地方，所以本文选择对2个地区上空云特性进行研究。按照常规季节分类，将一年分为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—次年2月)，统计对比分析2个地区不同相态云的若干宏微观特性。在研究中，剔除野点，观测的某一相态云的像元数和该样本中观测的所有相态云像元数的比值作为该云相态的发生概率。在分析多年季节分布特征及变化趋势时，将每3个月的数据进行平均得到各季节的云特性平均值进行研究。

2 云特性研究

2.1 不同云相态发生概率

由于不同相态的云可降水的潜力不同，所以对淮北地区(HB)和江淮地区(JH)两地不同的云相态四季发生概率进行了研究。图1为10年间两地区不同云相态四季发生概率逐年变化情况，其中HB-C、HB-W、HB-I、HB-M分别表示淮北地区晴空、水云、冰云和混合相云，江淮地区类似，下文不再赘述。从图中可以看出，两地区上空水云和冰云发生概率较高，混合相云发生概率相对较小。淮北地区春季晴空发生概率在0.3左右，其次是秋冬季，夏季晴空发生的概率较低在0.1左右；淮北地区春季水云发生概率逐年变化较为平稳，在0.2～0.3之间，夏秋冬季逐年变化较大，在0.3～0.5之间；淮北地区春季冰云发生概率相对较高在0.2～0.4之间，夏季在0.2～0.3之间，秋冬两季相对较低在0.05～0.2之间。通过以上分析可以看出，春季，淮北地区上空晴空发生的概率相对较高，云水条件较差，这与淮北地区春季容易发生春旱一致。夏季较强的天气扰动和丰沛的云水条件使得水云和冰云较多，这与淮北地区降水主要集中在夏季一致。另外，从以上分析也可以看出，淮北地区夏秋冬三季水云发生的概率相对较高，夏季冰云发生概率相对较高，而秋冬季水云发生概率较高，可见该地区在不同季节实施冷云作业的同时需要考虑同时开展暖云催化人工增雨作业，有助于达到较好的人工增雨效果。江淮地区春季晴空发生概率在0.2～0.35之间，夏季较低在0.1左右，秋冬两季在0.1～0.3之间；春季水云发生概率逐年变化较大在0.2～0.4之间，夏季在0.3～0.45之间，秋冬季在0.35～0.55间且在2011年前逐年变化较为稳定；江淮地区春季冰云发生概率在0.1～0.3之间，逐年变化较大，夏季逐年变化较为平稳在0.2～0.3之间，秋冬两季发生概率较小在0.1～0.2之间。可见，江淮地区夏季晴空发生概率低，而水云和冰云的发生概率都相对较高，云水条件好，较强的天气扰动和旺盛的对流，可同时开展冷云催化和暖云催化人工增雨作业，以缓解江淮地区干旱和水资源的短缺。

图1 淮北地区和江淮地区不同云相态四季发生概率逐年变化

此外，从图1可以看出，两地区四季不同云相态发生概率没有明显的线性增大或减小的发展趋势，且混合相云发生概率逐年变化幅度小，四季变化趋势都较为一致。两地区夏秋冬三季的各云相态发生概率间关系较为一致：夏季呈现水云大于冰云大于晴空大于混合相云，水云发生概率都是晴空的3～4倍，是冰云的1～2倍。从统计结果来看，夏季两地区上空云水资源都较为丰富，适合进行人工增雨作业。秋冬两季呈现水云大于晴空大于冰云大于混合相云，水云年均发生概率是晴空的1～2倍，其中秋季两地区水云年均发生概率是冰云的4～5倍，冬季水云发生概率是冰云的3～5倍。可见秋冬两季两地区上空天气扰动和对流较弱，但有一定的云水条件开展人工增雨工作。

另外，为了更好地研究两地区上空不同云相态逐年变化情况，对10年间淮北地区和江淮地区上空云相态发生概率的逐年变化进行了研究，如图2所示。从图中可以看出，两地区上空不同云相态分布10年来总体变化趋势一致，且两地区间相同云相态年均发生概率相当：水云发生概率是冰云的约2倍，晴空和冰云出现的年均概率相当，混合相态云相对较少。同时，水云和冰云年均发生概率逐年变化较小，没有明显的增大或者减小的趋势，个别年份变化较大，如2011年江淮地区水云和冰云发生概率分别出现一个高值和低值，淮北地区水云发生概率在2007年出现一个高值。混合相云发生概率逐年变化很小，较为稳定。

图2 淮北和江淮地区不同云相态的发生概率逐年变化

2.2 云粒子有效半径

研究表明[2]，对于云顶有效粒子半径达到14 μm的云层有可能产生降水。Rosenfeld 等[8-9]提出了代表对流云垂直发展状态的T-re(温度-有效粒子半径)关系式，并分析研究了不同情况下的对流云降水形成过程。刘贵华等[10]通过极轨卫星分析不同过冷层状云及降水特征，结合增雨假设，总结出适宜人工增雨作业的卫星判据，其中云粒子有效半径被归纳为人工增雨卫星指标之一。可见云粒子有效半径与人工增雨的关系密切。

本文对安徽省淮北地区和江淮地区上空不同云相态即水云、冰云和混合相云粒子有效半径四季季均值逐年变化情况进行了对比分析研究，如图3所示。从图3中可以看出，春秋冬三季两个地区间水云粒子有效半径的逐年季均值呈现淮北地区略高于江淮地区。同时，春季淮北和江淮地区水云粒子有效半径季均值分别为14.3 μm和12.9 μm，冬季分别为13.7 μm和12.5 μm，且冬季逐年变化幅度较大。春季水云粒子有效半径淮北地区相对高于江淮地区较为明显，江淮地区逐年变化幅度小。通过上文的分析可知淮北地区春季水云和冰云以及混合相

图3 淮北地区和江淮地区四季不同相态云粒子有效半径季均值逐年变化

云发生概率相对较低，统计的水云粒子半径相对较高，当云层较厚且云底较低的时候，地面容易产生降水[11]，具有一定的增雨潜力。夏季两地区间水云粒子有效半径季均值相差不大，且逐年变化较为平稳，在14 μm左右。夏季水云粒子相对较大，可能是因为夏季水汽充沛，持续降水使得大气中的颗粒污染物受到冲刷，湿沉降造成作为云凝结核的颗粒物减少而云滴尺度增大的缘故。

另外，从图3中可以看出，淮北地区四季冰云粒子有效半径季均值略高于江淮地区，且春秋冬三季的年际变化较大。春季两地区在2009—2013年间年际变化较大，在22～26 μm之间逐年变化；夏季冰云粒子有效半径季均值比其他三季逐年变化平稳，变化幅度小，两地区在该季在24 μm左右平稳变化；秋季两地区逐年季均值年际变化较大，呈波浪式在20～25 μm之间变化；冬季两地区年际变化相对较大，在20～25 μm之间逐年变化，但两地区在2009—2013年间年际变化较小。可见，两地区冰云粒子有效半径四季变化不明显，逐年变化幅度较大。此外，春冬两季淮北地区混合相云粒子有效半径季均值比江淮地区略大，夏秋两季两地区相当，在20～25 μm之间。混合相云粒子有效半径逐年变化幅度相对较大可能跟云的发展和演变有关。

另外，研究[2]指出云顶有效粒子半径达到14 μm的云层有可能产生降水。通过上文分析可以看到夏季两地区间水云粒子有效半径季均值相差不大，且逐年变化较为平稳，在14 μm左右，所以对两地区水云粒子有效半径发生概率进行了研究，如图4所示。研究发现两地区水云粒子有效半径主要发生都在5～30 μm之间。将其发生概率细化，分为5～10 μm、10～15 μm、15～20 μm、20～25 μm以及25～30 μm 5档进行研究。如图4所示为10年间两地区水云粒子有效半径发生概率逐年逐月变化情况，其中5～10 μm、10～15 μm、15～20 μm、20～25 μm以及25～30μm 5档分别对应横坐标中的1～5档。总地来说，淮北地区和江淮地区水云粒子有效半径发生概率逐月逐年变化趋基本一致，水云粒子有效半径在第1～3档即5～20 μm发生概率相对较高。从图中可以看出，1—4月、11月和12月水云粒子有效半径在第1档5～10 μm发生概率相对较高，其次是第2档10～15 μm；5—10月水云粒子有效半径在第2档10～15 μm发生概率相对较高，其次是第1档5～10 μm和第3档15～20 μm，这种分布和上文中夏季水云粒子有效半径在14 μm左右一致。两地区夏季多降水和研究结果[2]指出云顶有效粒子半径达到14 μm的云层就有可能产生降水一致。

图4 10年间淮北地区和江淮地区水云粒子有效半径逐月发生概率分布

2.3 云光学厚度

云光学厚度反映云系的厚实程度，一定程度上反映云中含水量分布，且与降水的关系密切，所以本文对安徽省淮北地区和江淮地区上空云光学厚度进行了研究。图5为10年间淮北地区和江淮地区云光学厚度逐月发生概率分布情况。图中考虑用等比级数分档，将云光学厚度分档为1～8，即分别对应小于1、1～2、2～4、4～8、8～16、16～32、32～64、64～100。从图5可以看出，两地区上空云光学厚度月发生概率在1～100之间都有所分布，逐年变化不尽相同。淮北地区在5—8月、10月云光学厚度发生概率在第3～4档即2～8之间出现一个最大值，在

图5 10年间淮北地区和江淮地区云光学厚度逐月发生概率分布

其他分档处如5～7档之间较之略低，也存在一定的发生概率，若干年如2013年5月、2007年7月在第7档即32～64出现峰值。淮北地区在其他月份云光学厚度主要发生在第3～7档即4～64之间，且逐年不尽相同。江淮地区1—12月中云光学厚度在1～100之间均有发生，且在第3～7档即4～64之间各档云光学厚度月发生概率相对较高且大小相当，且除7月份外其他月份逐年有所变化。可见，江淮地区云的光学厚度逐月较淮北来说分布较为均匀，在第3～7档即4～64之间各档云光学厚度月发生概率相对较高。总体来说，淮北地区上空云光学厚度小于8的发生概率相对较大，江淮地区云的光学厚度逐月分布较为均匀，在4～64之间各档云光学厚度月发生概率相对较高，结合文献[11]光学厚度小于10的云很难产生降水，可见淮北地区较江淮地区容易干旱，这也和安徽省平均干旱发生频率自北向南递减，北重南轻的情况一致。

为了进一步研究两地区云光学厚度的逐年变化情况，本文对淮北地区和江淮地区四季不同相态云光学厚度季均值逐年变化进行了研究，如图6所示。从图中可以看出，两地区上空云光学厚度逐年变化较大。春秋冬季两地区水云光学厚度的季均值逐年变化差别较为明显：江淮地区相对较高，淮北地区则较低。夏季两地区间水云光学厚度季均值逐年变化规律性差。春冬季两地区冰云光学厚度逐年呈现江淮地区相对较高，且冬季淮北地区逐年变化幅度较小，在10～15之间，而江淮地区在12～32之间。夏秋季两地区冰云光学厚度和水云一样，逐年变化规律性差，且逐年变化幅度大。此外，两地区春冬季混合相云光学厚度呈现江淮地区较高，淮北地区相对较低，冬季差异较明显，且冬季淮北地区逐年变化幅度较小。夏季其逐年变化幅度较小，秋季逐年变化幅度较大，如秋季淮北地区在15～35之间，江淮地区在17～35之间。通过以上分析，春冬两季云光学厚度江淮地区相对淮北地区较高。

图6 淮北地区和江淮地区四季不同相态云光学厚度季均值逐年变化

2.4 云顶高度

云顶高度有助于了解云的发展程度和演变趋势，对于人工增雨要达到最佳催化效果意义重大。由于在实际人工增雨作业中，云体大多为上层冷云下层暖云的冷暖混合云，本文对安徽省淮北地区和江淮地区上空冰云和混合相云云顶高度及其在10年间的逐月概率分布以及四季变化进行了研究。图7和图8分别为10年间淮北地区和江淮地区冰云和混合相云云顶高度逐月发生概率分布情况。从图7可以看出，两地区冰云云顶高度发生概率主要分布在7～13 km之间，其中5—8月两地区逐年较为一致，5月在10 km左右发生概率最大，6—8月在11 km左右发生概率最大，其他月份两地区逐年变化较大，且不尽相同。12月、1月和2月两地区冰云云顶高度最大发生概率逐年有所不同，其中12月淮北地区和江淮地区分别在8～9 km和7～10 km之间，1月分别在8～10 km和8～11 km之间，2月分别在7～9 km和7～11 km之间，且2月江淮地区逐年变化较大；3和4月两地区最大发生概率在8～11 km之间且逐年有所不同；9—11月两地区冰云云顶高度最大发生概率在8～12 km之间且逐年有所不同。从图8可以看出，两地区混合相云云顶高度发生概率主要分布在5～11 km之间，其中5—9月两地区逐年较为一致，最大发生概率处逐年有所不同，在8～10 km之间。其他月份两地区则逐年不尽相同。12月、1月和2月，两地区主要发生在6～10 km之间，其中淮北地区混合相云顶高度发生概率逐年变化较为一致，且最大发生概率在7～8 km之间，江淮地区逐年变化较大，且最大发生概率在7～9 km之间。3月和4月两地区发生概率逐年变化都大，其中3月淮北地区和江淮地区最大发生概率分别在7～9 km和6～9 km之间；4月两地区最大发生概率在7～10 km之间，但是逐年不尽相同。10月淮北地区和江淮地区最大发生概率在分别在7～9 km和8～9 km之间；11月淮北地区和江淮地区最大发生概率在6～9 km和8～9 km之间。综上所述，两地区冰云和混合相云云顶高度发生概率在夏季逐年变化较为一致。

图7 10年间淮北地区和江淮地区冰云云顶高度逐月发生概率分布

图8 10年间淮北地区和江淮地区混合相云云顶高度逐月发生概率分布

为了进一步研究不同相态的云顶高度逐年变化情况，分析研究了10年间淮北地区和江淮地区四季冰云和混合相云云顶高度季均值逐年变化情况，如图9所示。从图9可以看出，四季两地区间冰云以及混合相云云顶高度季均值相差都不大。其中，两地区春季冰云云顶高度季均值在9～10 km之间，都在2011年出现一个低值；夏季在9.5～10.5 km之间；秋季在8.5～9.5 km之间；冬季两地区逐年变化范围较大，在7.5～9.5 km之间。两地区春季混合相云云顶高度季均值在7～8.5 km之间；夏季在8～9 km之间；秋季在7.5～8.5 km之间；冬季逐年变化范围较大，在6～8.5 km之间。可见，两地区冰云和混合相云云顶高度夏季较高，冬季年际变化相对较大。另外，从图9可以看出0 ℃层高度对季节敏感，夏季相对较高。综上所述，在实际作业中，综合云体光学厚度、高度、粒子大小、0 ℃层等有效判断人工增雨时机及作业部位，采用合适的催化方式，从而可以达到较好的人工增雨效果。

图9 淮北地区和江淮地区四季不同云相态云顶高度季均值逐年变化

3 结束语

利用MODIS 2006—2015年10年云产品数据(MYD06_L2)对安徽省淮北地区和江淮地区若干云特性进行了统计分析和对比研究，结果表明：

①两地区不同云相态发生概率呈现：夏季水云大于冰云大于晴空大于混合相云，秋冬两季水云大于晴空大于冰云大于混合相云。

②10年间淮北地区四季冰云粒子有效半径略高于江淮地区，夏季在24 μm左右平稳变化。夏秋季两地区混合相云粒子有效半径相当，在20～25 μm之间，且淮北地区夏秋冬季年际变化相对较小。

③淮北地区在5—8月、10月云光学厚度发生概率在4～8之间出现一个最大值，其他月份云光学厚度主要在4～64之间，且逐年不尽相同。江淮地区云光学厚度发生概率逐月较均匀，在4～64之间相对较高。春冬季江淮地区云光学厚度相对江淮地区较高。

④两地区冰云云顶高度发生概率主要分布在7～13 km之间，其中5—8月份两地区逐年较为一致。两地区混合相云云顶高度发生概率主要分布在5～11 km之间，其中5—9月两地区逐年较为一致，最大发生概率处逐年有所不同，在8～10 km之间。四季两地区间冰云以及混合相云云顶高度相差都不大。两地区冰云和混合相云云顶高度夏季较高，冬季年际变化相对较大。

在实际人影作业中，综合判断云相态、云光学厚度、云顶高度、粒子大小等云特性有效判断人工增雨作业云体、可适用的催化方式、增雨潜力、作业高度、作业时机等，从而可以达到较好的人工增雨效果。本文通过对安徽省淮北地区和江淮地区上空若干云特性的研究，为两地区合理科学的人影工作的规划和作业提供了一定的理论依据。