基于CloudSat探测的辽宁地区夏季云系特征

潘 晓，李得勤，公 颖，徐 迪，白 华，崔 锦

（1.中国气象局沈阳大气环境研究所，东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁 沈阳 110166；2.辽宁省气象灾害监测预警中心，辽宁 沈阳 110166；3.辽宁省沈阳市气象局，辽宁 沈阳 110168）

引 言

云在全球能量平衡和水循环中扮演着重要角色，是影响天气和气候变化的重要因子［1－4］。研究表明，单层和多层云系的热动力和微物理过程不同，造成的辐射强迫和气候反馈不同［5－6］，模式中假定的云层不同，其对模拟结果有重要影响［7－8］。因此，了解单层和多层云系的垂直结构及微物理结构特征对于数值天气预报和气候预测具有重要意义。

目前，卫星遥感技术已成为研究云结构的重要手段，其中较为常见的卫星云数据主要来源于中分辨率成像光谱仪（MODIS）和国际卫星云气候计划（ISCCP）［9－11］。然而，传统的卫星仅能探测云顶信息，且对云量的估计和地面站观测存在一定差异［12－13］，对云的三维结构和微物理结构的探测也具有很大局限性，尤其对于多层云系。CloudSat上搭载的首部星载云探测雷达（cloud profile radar，CPR），能够探测云的三维结构，为探究多层云系特征提供了新的机遇。该资料同机载雷达和船载雷达相比具有较好的一致性［14－15］，被广泛应用于天气预报和气候变化研究中。

基于CloudSat数据产品的云特征研究表明，全球有云发生的概率为50.6%，多层云系占17%［16］，云量高值区主要分布在对流发展旺盛的区域［17］，多层云系和不同云类型的分布存在显著的区域差异和季节变化特征［18－23］，如中国西北地区夏季以积状云发展为主，冬、春季则以层状云发展为主［22］，而青藏高原及周边地区单层云发生概率均高于多层云（高原南坡除外）［23］。对云垂直结构研究发现，东亚地区云层厚度主要为1～3 km，且夏季大于冬季［24］。云的微物理参数决定其光学参数［25］，因此云的粒子数密度、有效半径及云水路径、云水含量等微物理参数和光学参数也存在显著的时空变化［25－29］，如高原及周边地区总云水路径的大值区主要分布在西南坡和东南部，而低值区主要位于昆仑山脉、祁连山脉及其以北地区［27］。然而，现有的研究多集中在多层云系的云量和整层大气云微物理参数的时空分布特征，而对多层云系不同云层的垂直结构、云类组成、微物理量结构及相应的环境温湿特征认识还很有限。为此，本文基于2B－GEOPROF－LIDAR产品，对辽宁地区夏季单层和多层云系各云层的宏观垂直结构、云类组成、微物理结构及相应的环境温湿特征进行统计分析，以期为辽宁地区数值天气预报和气候预测中云微物理方案的改进和人工影响天气作业提供一定参考。

1 资料和方法

使用了CloudSat数据中心在线提供的2BGEOPROF、2B－CLDCLASS、2B－GEOPROF－LIDAR和2B－CWC－RO四种标准数据产品和ECMWF－AUX辅助数据产品（http：／／cloudsat.atmos.colostate.edu／data），主要云参量见表1。CloudSat上搭载的CPR工作频率是94 GHz，每条探测轨道有36 383个像素点，像素的星下点沿轨和跨轨分辨率分别为2.5和1.4 km，垂直分辨率是500 m；每条垂直廓线有125层，分辨率为240 m。“A－列车”卫星群是由 CloudSat、CALIPSO、PARASOL、Aqua和Aura共同组成，并将卫星群中多仪器探测的数据及再分析数据进行融合反演，从而得到各种云数据产品。

表1 CloudSat数据产品提供的主要云参量Tab.1 The main cloud parameters of CloudSat data products

为了同时获得研究区内同一块云的宏观特征、微物理结构和大气温湿特征，将研究区域内5种数据相同轨道同一星下点的云参量进行匹配，得到云廓线相应的云参量融合数据，包括时间、经纬度、海拔高度、垂直高度、云雷达反射率因子、云判别数据（cloud＿mask）、云层数、各层云顶高度、各层云底高度、冰／水粒子数密度、冰／水粒子有效半径、冰／液态水含量、冰／液态水路径、大气温度、比湿和气压等。其中，cloud＿mask越大，CPR探测回波的可靠性越大［30］。

CPR探测的雷达回波最小约为－29 dBZ［18］，因此判别云的条件为：雷达反射率因子大于等于－29 dBZ且cloud＿mask大于等于20。由于CPR受地表反射杂波的影响，对接近地面的云不能进行有效探测，因此对云变量垂直廓线的统计限定在近地面 0.5 km以上［26］。

云发生概率定义为探测到的有云廓线数占总廓线数的百分比［21］，其中各高度上的云概率则为对应高度上探测到的有云廓线与总探测廓线的百分比。为方便描述，单层云系用S（single）代表；双层云系用D（double）代表，上下层分别为D1和D2；三层云系用T（triple）代表，由上到下分别表示为T1、T2和T3［17］。

等频率高度图（contoured frequency by altitude diagrams，CFAD），定义为雷达回波强度在各高度上出现的频次［31］，用来表示云的垂直结构。NCFAD是在CFAD的基础上，将各高度的频次以最大频次标准化得到［32］。

图1是2008年7月5日辽宁及周边地区一次强对流天气过程的云类型及云层分布。可见，此次过程深厚的对流云发展旺盛，云顶高度约14 km，降水云云底接近地面，周边常伴有云砧（卷云）；在多层云系中，上层多为卷云，且与高层云和高积云组合出现。可见，CloudSat的云参量融合数据能够很好地反映云类型及云层分布，该数据集具有较高的可靠性。

图1 辽宁及周边地区2008年7月5日一次强对流天气过程的云类型和相应的云层（a）及地形高度（b，单位：km）分布（棕色实线为CPR探测轨迹）Fig.1 The distribution of cloud types and corresponding layer number during the strong convection process observed by CPR on 5 July 2008（a）and elevation（b，Unit：km）over Liaoning and its neighborhood（the brown solid line for the detection trajectory of CPR）

2 结果与分析

2.1 云分布特征

云量是云宏观特征中的重要参量，其变化能够直接改变局地大气辐射收支平衡。表2是2007—2010年夏季（6—8月）辽宁地区不同层云系的发生概率。可以看出，2007—2010年夏季CPR在辽宁地区总的探测廓线为35 584，其中有云的探测廓线为25 852，云概率为72.65%，主要由单层云系组成（51.26%），其次为双层云系（18.44%）和三层云系（2.78%）。由于三层以上云系的云廓线数过少（59条），为确保结果具有统计意义，只对三层及以下的云系特征进行研究。

表2 2007—2010年辽宁地区夏季云及不同层云系的廓线数和发生概率Tab.2 The profile number and occurrence probability of total cloud and different layers cloud over Liaoning Province in summer during 2007－2010

图2是辽宁地区夏季不同层云系云概率的垂直廓线。可以看出，单层云的云概率随高度降低先增大后减小，在9 km高度达到峰值（18%），而在近地面2 km处有一小波动，且云顶高度最高约为15 km［图2（a）］。双层云中［图2（b）］，D1的云概率随高度变化呈典型的单峰分布，在9.5 km达到峰值，云概率约为5.4%，且云顶最大高度低于单层云，约为14 km，云底最低高度为4 km；D2的云概率随高度变化也呈单峰分布，只是波峰存在多个小的波动，其主要分布在2～6 km，云顶最高高度较D1低，约为11 km，且云底最低高度也较D1低。三层云中［图2（c）］，T1、T2和 T3的云概率随高度变化表现出不同的分布特征，T1和T3呈单峰分布，而T2呈双峰分布，分别在10、6和2 km处达到最大，且云顶最高高度和云底最低高度由上至下依次降低，其中T1的云顶最高高度也较单层云的低，为14 km。

不同类型云的垂直结构和微物理特征差异显著。2B－CLDCLASS依据云的水平垂直尺度特征、云相态、是否有降水、雷达最大反射率因子以及ECMWF的温度廓线等信息，将云分为8种基本云类：卷云（Ci）、高层云（As）、高积云（Ac）、层云（St）、层积云（Sc）、积云（Cu）、雨层云（Ns）和深对流云（Dc）［18］。由于 CPR受近地面回波干扰，对 St统计的概率非常小［6］，因此该类型不作分析。

图3是辽宁地区夏季各层云系不同类型云的云概率垂直廓线分布。对于单层云［图3（a）］，Ci和As所占比例最大，其次为Dc和Ac。其中，Ci主要分布在8～12 km高度，峰值（31%）出现在10 km高度附近；As主要分布在4～10 km高度，峰值（29%）位于6.5 km高度附近；Dc分布范围最宽，云顶高度可达15 km，云体较厚，降水云底接近地面；相对Dc，Ns发生概率较小，约为Dc的30%，云顶高度最高为12 km，表明单层云系的降水云多以Dc为主；Cu概率最小，可能与CPR不能识别近地面和较薄的云有关［18］。对于多层云系，上层云（D1和T1）主要由Ci构成，其次为As和Ac，且随着云层数增加，Ci所占比例增大；中层云T2主要由Ac和As组成，其次是Ci，且T2的Ci和As云层厚度小于T1；下层云D2主要由As、Ac和Sc组成，其次为Dc、Ns和Ci，Cu所占比例最小，降水多发生在下层云中，而T3主要以 Sc为主，其次为 As和 Ac，云层厚度较薄。

图2 2007—2010年夏季辽宁地区不同层云系云概率的垂直廓线（a）单层云，（b）双层云，（c）三层云Fig.2 The vertical profiles of cloud occurrence probability for different cloud layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（a）single－layer cloud，（b）double－layer cloud，（c）triple－layer cloud

图3 2007—2010年夏季辽宁地区各层云系不同云类型云概率的垂直廓线（a）S，（b）D1，（c）D2，（d）T1，（e）T2，（f）T3Fig.3 The vertical profiles of cloud occurrence probability of different types for different clould layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（a）S，（b）D1，（c）D2，（d）T1，（e）T2，（f）T3

2.2 云垂直结构特征

图4是辽宁地区夏季各层云系反射率因子的NCFAD分布。可以看出，单层云的CPR回波顶高度约为15 km，回波强度最大可达20 dBZ，回波强度集中在－20～10 dBZ之间，频次高值区分布在8～11 km高度，其回波强度为－18～－8 dBZ，该范围内云系主要由Ci和As组成，云粒子多由较小的冰晶构成［图4（a）］。另外，强回波区域（0～15 dBZ）主要由Dc组成，在5 km以上的回波强度随着高度降低迅速增强，可能是冰粒子在下降过程中发生了碰并增长［20］；在5 km以下的云粒子主要由水粒子组成，回波强度随高度降低而减小，可能是水粒子在下降过程中发生了蒸发或破碎。对于双层云，D1的CPR回波顶高度约为14 km，回波强度最大约为10 dBZ，－30～－10 dBZ的回波出现频次较高，分布在8～12 km高度，该范围内主要由Ci组成，回波强度较单层云小，Ci的粒子半径小于As［图4（b）］，这与谭瑞婷等［17］的结论一致。另外，在7 km高度以下主要由As组成，其回波频次分布较为均匀，表明As粒子的谱分布较宽。D2的回波顶高约为11 km，回波强度最大为15 dBZ，－30～－25 dBZ的回波出现频次较高，分布在1～5 km高度范围内，相应的云类别为Ac［图4（c）］，可见Ac云粒子半径较小。对于三层云［图4（d）、图4（e）和图4（f）］，T1的NCFAD分布与D1相似，但回波强度相对较小，这与T1中Ci比例增加、As比例减小有关；T2和T1分布类似，回波集中在3～10 km高度，回波强度有所加强；T3回波的频次分布较为均匀，集中在5 km以下，多由Sc组成，表明Sc粒子谱分布较宽。

图4 2007—2010年夏季辽宁地区各层云系反射率因子的NCFAD分布（a）S，（b）D1，（c）D2，（d）T1，（e）T2，（f）T3Fig.4 The NCFAD of reflectivity factor for different cloud layers over Liaoning Province in summer from 2007 to 2010（a）S，（b）D1，（c）D2，（d）T1，（e）T2，（f）T3

另外，对云顶高度、云底高度、云层厚度和相邻云层间距（cloud layers distance，CLD）进行了统计（图5）。可以看出，单层云平均云顶、云底高度分别为8.86、5.6 km，云层厚度平均为 3.27 km，大于多层云系中各云层的平均厚度；双层云中，D1的平均云顶、云底高度分别为10.70、8.49 km，云层厚度为2.21 km，而D2的平均云顶、云底高度分别为4.78、2.93 km，云层厚度为1.85 km，较 D1薄；三层云中，T1、T2和 T3的平均云顶高度分别为11.62、7.32和3.51 km，云底高度分别为 10.08、6.08和 2.31 km，云层厚度自上而下依次减小，分别为1.55、1.24和1.20 km，表明Ci平均厚度大于 As和 Ac，Sc最小。由于夏季深厚对流云发生时常伴有云砧的生成，且CPR对较薄的卷云难以识别，因此Ci的平均厚度较大。相邻的CLD与云和降水的发展有一定的关系［33］，双层云的 CLD平均为 3.71 km，大于三层云云系（上层和中层2.76 km，中层和下层2.57 km）。

图5 2007—2010年夏季辽宁地区各层云系的平均云底高度（黑色值）、云顶高度（黑色值）和云层厚度（红色值）及CLD（绿色值）（单位：km）Fig.5 The average cloud base height（black values），cloud top height（black values），cloud layer thickness（red values）and CLD（green values）（Unit：km）for different layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010

2.3 云微物理结构特征

研究云的微物理结构，对进一步了解云微物理过程、降水效率、云辐射强迫作用及改进数值天气预报和气候模式极为重要［8］。图6为单层和多层云系的粒子数密度（冰粒子数密度Ni、水粒子数密度Nl）与高度的联合概率密度分布，发现冰粒子主要分布在4 km高度以上，水粒子主要出现在9 km高度以下，超过0℃层的水粒子主要由过冷水滴组成。对于单层云S，Ni最大可达550 L－1，其中在4～7 km高度内，随着高度升高Ni逐渐增加；在7～13 km高度，Ni的平均廓线基本不变，约为150 L－1；在13 km高度以上主要为Dc，Ni随高度升高而增加。对于多层云系中各云层，Ni平均廓线分布类似于S，但斜率和值相对较小，且双层云大于三层云，下层云大于上层云，表明Sc大于 As（Ac），Ci最小。无论是单层云，还是多层云，Nl主要分布在0～80 cm－3范围内，从4 km高度至近地面Nl基本无变化，而在4 km高度以上随着高度升高迅速减小。

图7是单层和多层云系的云水含量（云的冰水含量IWC、液态水含量LWC）与高度的联合概率密度分布。可以看出，对于单层云S，IWC最大超过1200 mg·m－3，低值出现的频次较高，主要分布在8～11 km高度，该高度范围内Ci发生概率最大，表明Ci的IWC一般小于200 mg·m－3；IWC平均廓线表明，在4 km高度以上随着高度升高IWC先增大后减小，在7 km处达到峰值（150 mg·m－3），这同杨大生等［26］在中国高纬度地区夏季6 km以上平均IWC随着高度增加呈减少趋势一致。由于Dc主要存在于S中，因此S的IWC和LWC平均廓线值高于多层云。对于多层云系，下层云的平均IWC大于上层云，且双层云大于三层云，这与组成云系的类别有关。另外，各层云系的LWC均在近地面达到最大，且双层云系大于三层云系，下层大于上层，即Sc大于 As（Ac），Ci最小。

云的冰水路径和液态水路径分别表征着整层大气中云的冰水和液态水含量总和。夏季辽宁地区上空单层云系的冰水路径（269.05 g·m－2）大于多层云系，双层云系（122.47 g·m－2）大于三层云系（67.61 g·m－2），而液态水路径各层云系差异较小，单层、双层和三层云系依次为 212.02、209.38和208.16 g·m－2（表略）。

图6 2007—2010年夏季辽宁地区各层云系冰粒子数密度（上）、水粒子数密度（下）与高度的联合概率密度分布（单位：%）（黑色实线为平均廓线，下同）Fig.6 The joint probability density distribution of ice particle number density（the top），water particle number density（the bottom）and height for different cloud layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（Unit：%）（The black solid line represents average profile，the same as below）

图7 2007—2010年夏季辽宁地区各层云系冰水含量（上）、液态水含量（下）与高度的联合概率密度分布（单位：%）Fig.7 The joint probability density distribution of ice water content（the top），liquid water content（the bottom）and height for different cloud layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（Unit：%）

研究云滴的有效半径对深入了解云的微物理过程具有重要意义。从图8看出，冰粒子有效半径（IR）主要分布在30～160μm范围内，其中8～12 km高度的IR相对较小，主要分布在40～90μm之间，表明Ci粒子半径较小，与前文结论一致。对于单层云S，IR平均廓线随高度降低逐渐增大，表明云中的冰粒子在下降过程中存在碰并增长过程。对于多层云系，IR平均廓线值低于S，且三层云系小于双层云系，上层小于下层，同云水含量和粒子数密度的变化特征相同。水粒子有效半径（LR）主要分布在3～25μm范围内，大值区主要位于近地面，对应云水含量的大值区，且在2～8 km高度范围内LR随高度变化不大，约为10μm。

2.4 环境温湿特征

图9是夏季辽宁地区平均比湿廓线和不同层云系下比湿距平廓线。可以看出，水汽在近地面最大约为12 g·kg－1，且随着高度升高迅速减小。在晴空条件下，大气比湿距平为负，近地面约为－1 g·kg－1；在有云条件下，比湿距平为正，表明大气中水汽较无云时多，且云层数越多，水汽越充足。

图8 2007—2010年夏季辽宁地区各层云系冰粒子（上）、水粒子（下）有效半径与高度的联合概率密度分布（单位：%）Fig.8 The joint probability density distribution of effective radius of ice particle（the top），water particle（the bottom）and height for different cloud layers over Liaoning Province in summer during 2007－2010（Unit：%）

图9 2007—2010年夏季辽宁地区比湿平均廓线（a）和不同层云系下比湿距平廓线（b）Fig.9 The vertical profile of average specific humidity（a）and specific humidity anomaly of cloud with different layers（b）over Liaoning Province in summer during 2007－2010

夏季，云在白天和夜晚的辐射强迫不同，因此统计了白天和夜晚平均近地面温度及各层云系下近地面温度距平（表3），发现，在白天，近地面温度有云时比平均值低0.47 K，且多层云系降温效果大于单层云系，降温幅度可达1 K，而晴空时则比平均值高1.31 K，表明白天云反射太阳短波辐射的冷却作用大于长波辐射加热作用；在夜晚，云对地面辐射强迫只限于红外部分，有云时较平均值高0.13 K，且随云层数增加增温作用越明显，而晴空时则低于平均值0.32 K。值得注意的是，由于深厚对流云主要发生在单层云中，且发生时近地面温度降低，因此单层云夜晚近地面温度距平接近0 K。

表3 2007—2010年夏季白天和夜晚辽宁地区近地面平均温度和各层云系下近地面温度距平Tab.3 The average value of near－surface temperature and its anomaly under different cloud layers conditions in the daytime and nighttime of summer during 2007－2010 over Liaoning Province单位：K

3 结 论

（1）夏季辽宁地区云概率为72.65%，主要由单层云组成（51.26%），其次为双层云（18.44%）和三层云（2.78%）。单层云系主要由Ci和As组成，其次是Ac和Dc。多层云系的上层以Ci为主，双层云的下层主要由Ac、As和Sc组成，少部分由Ns和Dc组成，而三层云多以中层为As或Ac、下层为Sc的组合出现。单层降水云主要以Dc为主，Ns多发生在单层云和双层云的下层中。

（2）夏季辽宁地区云顶最大高度约15 km，单层云出现在7～11 km高度的频率大，主要由粒子较小的Ci和As组成，且强回波区域主要由Dc组成，回波强度随着高度的升高先增大后减小，峰值在5 km高度附近。多层云系中各云层的回波强度均较单层云低，下层强于上层，且随着云层数的增加云层厚度、相邻云层间距逐渐减小。

（3）对于单层云，Ni随高度升高而增大，但7～13 km范围变化不大，而Nl在4 km高度以下变化不大，在4 km以上则随着高度的升高逐渐减小；IWC随着高度升高先增大后减小，在7 km处达到峰值，而LWC则随着高度的升高而减小，在近地面最大；IR随着高度的升高逐渐减小，大值区主要在近地面。多层云系中各层的云微物理量垂直廓线分布同单层云类似，但值相对较小，且上层小于下层，这与组成云层的类型有关，其中Dc的粒子半径、云水含量和粒子数密度最大，其次为Sc和As（Ac），Ci最小。单层云系的冰水路径大于多层云系，而液态水路径各层云系差异较小。

（4）有云条件下的比湿较晴空时大，大气中水汽更充足，且多层云系水汽比单层云系更丰富。云在白天和夜晚的平均辐射强迫效应不同，白天有云时近地面温度降低，夜晚则相反。