基于Himawari-8气象卫星的东亚夏季冰云云顶特征分布

范学伟 郑有飞 王立稳

(1 南京信息工程大学 大气物理学院，南京 210044;2 无锡太湖学院，江苏 无锡 214064)

引 言

云及其气候作用是影响水文循环和辐射收支的主要因素之一[1]，了解云的高度、结构和辐射特性有重要的气候意义[2]。冰云完全由冰晶组成，覆盖了全球约20%～30%的区域，冰云的水平、垂直分布会作用到地—气系统，影响全球辐射、天气及气候变化等[3]，因此，研究冰云的高度和结构对补充和完善云对气候系统的影响有重要作用。

近年来基于卫星、地面和飞机的云观测数据被广泛运用。例如，由于星载激光雷达和云雷达穿透云层和气溶胶层的特殊能力，结合Cloudsat和CALIPSO数据产品被用来构建云属性的三维结构[4-5]，Delanoё, et al[6-7]还将CloudSat和CALIPSO资料融合形成DARDAR产品，对冰云的垂直分布做出进一步细化分析。此外，基于地面和飞机的云观测已被用于获得可靠的云的水平和垂直分布[8-9]。但是，上述三种数据集都有其自身的问题。Cloudsat产品往往错过云顶高度低于2.5 km、厚度小于1 km的低云且Cloudsat上的云廓线雷达对冰云中微小颗粒的灵敏度较低，大多数光学厚度较薄的卷云都无法被很好地探测到[10]。CALIPSO卫星上的激光雷达无法穿透光学厚度较高的冰云，从而低估冰云含量。尽管地面和飞机云测量与星载观测相比具有相对较高的分辨率，但由于地面观测视野狭窄，空间覆盖范围有限[11]，飞机观测也无法提供较长的时间覆盖。

中分辨率成像光谱仪(MODIS)是地球极轨星载传感器，由于其高空间分辨率和多个探测波段而在检索云特性方面显示出优势[12-13]。然而，MODIS数据的时间分辨率较低，只能提供同一地区每天两次的探测数据，因此几乎不可能捕捉到同一地区空间和时间上的连续变化[14]，特别是在夏季(6—8月)。

随着地球静止卫星的出现，云的特征在先前的开创性研究中得到了进一步发展，例如，利用风云二号系列卫星(FY-2)对云的观测，包括云分类、云粒子有效半径、对流的演变和云的时空分布等[15-16]。然而，由于FY-2的时空分辨率有限，使用该数据研究我国及周边的云属性具有很大不确定性。此外，FY-4云产品的开发仍在进行中，并且最近取得了很大的进展[17]。

日本气象厅发射的地球静止卫星Himawari-8上的Advanced Himawari Imager成像仪可用来描述我国及邻近地区的冰云分布，这些地区的观测数据拥有高时空分辨率[18-19]，在识别和分类云的同时，可提供云属性和空间动态变化，如梁玉冰等[20]利用 Himawari-8的AHI观测数据进行云顶高度反演，并将反演结果与CloudSat的2B-GEOPROF产品数据进行匹配和对比，反演结果与CloudSat的数据结果较一致。Letu，et al[21]将从AHI获得冰云的光学厚度和有效粒子半径数据与MODIS-C6冰云产品进行比较，结果表明，AHI产品与C6产品吻合较好。

与水云相比，冰云云顶高度和垂直分布的研究尚未完善。此前国内学者对东亚地区的云垂直结构、微物理属性和模式参数化方案进行了探讨。例如，李积明等[22]利用CALIPSO卫星云数据研究了东亚地区云的垂直分布特征，发现云顶和云底高度除了随季节变化显著外， 还有明显的区域特征。张华等[23]利用4 a CloudSat卫星资料对东亚地区云的微物理量分布特征和季节变化进行了分析。陈浩伟等[24]利用WRF模式5种云微物理参数化方案对2007—2011年的东亚夏季风气候进行了模拟研究，结果显示5种方案均能较好地模拟出中国东部地区夏季降水的基本分布，但各方案对降水中心强度及其分布的模拟仍然存在明显差异。此前没有区分云的种类，忽视了对冰云云顶高度及相关特征的分析，而冰云的云顶高度与水云具有明显的区别，因此有必要对东亚地区的冰云做进一步研究。

本文利用2017年夏季AHI/HW8 二级云数据产品探究东亚地区冰云云顶特征分布，分析不同下垫面、纬度差异和气候条件对冰云云顶垂直分布和相关属性的影响，对于研究冰云分布和冰云形成的影响因素具有重要意义。

1 数据与方法

1.1 研究区域

研究区域为(18°～55°N，80°～138°E)的东亚区域(图1)。由于东亚季风[25-26]、海陆热力因素差异和地形等诸多因素的影响，该区域冰云的特征差异很大。为了更好地揭示冰云特征，需考虑不同下垫面条件、纬度差异和气候条件情况，本文选择了9个研究区域:A—C覆盖中国西部不同下垫面，从青藏高原(A)到四川盆地(C)，以及戈壁沙漠(B)；D—F代表我国东部相对平坦的不同纬度地区：华南(D)、京津冀(E)和我国东北(F)；G—I是涵盖多种纬度和气候条件的各种海洋区域：孟加拉湾(G)、南海(H)和东海(I)，其中G和H区域与亚洲季风的盛行密切相关。

图1 研究区域划分Fig.1 Regional division of research

1.2 AHI/HW8 云产品

日本气象厅于2014年10月7日发射了新一代地球静止气象卫星HW8，并于2014年10月16日定位于140°E地球同步轨道，轨道高度35 800 km。HW8每10 min进行一次常规观测(75°N～75°S,70°～210°E)，每2.5 min进行一次特定区域(例如台风、特大灾害发生区域)观测。HW8主要搭载的是 AHI 成像仪(Advanced Himawari Imager) ，总共有16个波段，包括3个可见光波段，3个近红外波段和10个红外波段。AHI波长范围为0.47～13.3 μm，空间分辨率为0.5～2 km，时间分辨率为2.5～10 min[27]。

本文使用的冰云云顶特征数据包括AHI/HW8云数据产品中的冰云云顶高度、云顶温度、粒子半径和光学厚度。冰云是从AHI/HW8 云产品中筛选。所有这些云产品时间分辨率为10 min，空间分辨率为2 km，2017年夏季共采集到约13 000个数据文件。冰云发生频率是指在给定时间段内单位网格中监测到的冰云次数与总观测次数的比值,为了便于分析冰云的空间分布，在研究中定义了冰云发生频率指标，如公式(1)，它定义为 AHI/HW8 检测到网格上冰云的发生频数与总频数的比值：

(1)

式中：Fice为冰云发生频率；Nt为在给定像素(2 km×2 km)网格上的观测总数；Nice为观测中冰云发生的次数。因此可以绘制出整个大气柱的冰云云顶垂直频率分布函数。

2 结果与分析

2.1 冰云云顶特征的水平分布

图2显示了东亚地区夏季冰云发生频率的水平分布。东亚地区夏季平均冰云发生频率为24.9%，冰云发生频率从南到北呈逐渐下降的趋势，在日本附近存在微弱高值中心。冰云在青藏高原南部、孟加拉湾及南海邻近地区发生最为频繁，发生频率可达50%以上，孟加拉湾和南海的高冰云发生频率与南亚夏季风的盛行密切相关，季风区冰云发生频率高，非季风区冰云发生频率低，夏季南亚季风从赤道地区带来充足的水汽，水汽因夏季高温蒸发进入上层大气，遇冷凝结形成冰云，所以更加有利于冰云的形成[28]。青藏高原的高冰云发生频率与地形有关，青藏高原的地形使得低空暖湿气流爬坡抬升遇冷凝结形成对流云或地形型卷云，而对流云和卷云中存在冰云，与刘卫国等[29]关于地形对云影响的研究一致：云中微物理过程的发展受地形影响很大，冰相微物理过程明显增强，导致云中冰晶的数量的变化，冰云发生率明显增加。

图2 2017年夏季平均冰云发生频率水平分布(单位：%)Fig.2 Horizontal distribution of the occurrence frequency of iceclouds in summer 2017(unit: %)

图3 2017年夏季不同海拔高度冰云云顶发生频率的空间分布(单位：%)：(a)6～9 km；(b)9～12 km；(c)12～15 km；(d)15～18 kmFig.3 Spatial distribution of the occurrence frequency of ice clouds top at various altitudes in summer 2017 (unit: %):(a) 6-9 km;(b) 9-12 km;(c) 12-15 km;(d)15-18 km

图3为不同高度间隔冰云云顶发生频率的水平分布。东亚夏季的冰云云顶海拔高度位于6 km以上，6 km以下没有发生，冰云很少在高于18 km的高度形成。云顶高度超过9 km的冰云存在一个明显的南北梯度的特征，也就是说，随着纬度增加，云顶高度显著下降，表明冰云云顶高度具有纬度依赖性。对于像孟加拉湾和南海这样的地区，夏季南亚季风时常发生，导致在9～15 km冰云频繁发生。相比之下，在青藏高原由于地形作用而产生的冰云基本位于6～9 km。在30°～50°N形成的冰云的顶部主要位于6～12 km的高度，而在50°N以北区域中的冰云主要发生在6～9 km的海拔之间。亚热带地区，冰云云顶的分布与海陆差异相联系，如图3a、b所示，在30°～45°N的区域中海洋上冰云云顶频率比陆地上高。此外，在9～12 km(图3b)日本海及邻近海域观察到有较高的冰云云顶分布，这可能是由黑潮引起，黑潮的前身是北赤道暖流，具有高水温、高盐度的特点。夏季黑潮水温在27～30 ℃，即使在冬季，表层水温也超过20 ℃，高出临近海水5～6 ℃。因此，黑潮因为自身特点而拥有大量热能，同时海洋暖流减弱了大气分层并促进了垂直混合，正如先前研究[30]，以高海表温度为特征的黑潮往往会导致更多的水汽进入大气，进而导致更多的冰云发生。

冰云的光学厚度与冰云的粒子半径及冰水含量相关。图4为显示出了在不同高度间隔冰云云顶光学厚度的水平分布。冰云云顶光学厚度基本位于4以内，在6～9 km，青藏高原上有较大的冰云光学厚度，在青藏高原南部平均最高冰云光学厚度可达4。在9～12 km，老挝到青藏高原东部的区域冰云光学厚度相对于其他区域较高，最高达到2.5左右，如图3所示，孟加拉湾的冰云发生频率较高，但冰云光学厚度却没有表现出较高的趋势。除此之外，日本附近由于黑潮所产生的冰云的光学厚度也较高，最高达到1.6左右。12～15 km，孟加拉湾和老挝与越南交界处冰云光学厚度较大，达到1.5，其他地区较低。15～18 km，东亚地区平均冰云光学厚度基本趋于0。

图4 2017年夏季不同云顶高度冰云光学厚度的空间分布：(a)6～9 km;(b)9～12 km;(c)12～15 km;(d)15～18 kmFig.4 Spatial distribution of the optical thickness of ice clouds at different cloud top height in summer 2017: (a) 6-9 km;(b) 9-12 km;(c) 12-15 km;(d)15-18 km

图5 2017年夏季不同海拔高度冰云云顶温度的空间分布(单位：℃)：(a)6～9 km；(b)9～12 km；(c)12～15 km；(d)15～18 kmFig.5 Spatial distribution of the temperature of ice clouds top at various altitudes in summer 2017(unit: ℃): (a) 6-9 km；(b) 9-12 km；(c) 12-15 km；(d)15-18 km

温度对冰云的形成至关重要。研究表明，在低于-38 ℃的温度下，可通过均质核化和异质核化形成冰粒。相反，在高于-38 ℃的温度下，冰粒完全由异质核化形成[31]。图5为在不同高度间隔冰云云顶温度的水平分布，随着高度升高冰云云顶温度显著下降。冰云云顶温度以42°N为界，南北存在明显差异。6～9 km，42°N以南平均冰云云顶温度为-17 ℃，42°N以北为-32 ℃。9～12 km，42°N以南平均冰云云顶温度为-33 ℃，42°N以北为-43 ℃。12～15 km，南北冰云云顶温度无明显差距，平均冰云云顶温度为-51 ℃。15～18 km，42°N以南平均冰云云顶温度为-67 ℃，42°N以北为-53 ℃。42°N以南6～12 km冰云云顶温度高于-38 ℃，12 km以上冰云云顶温度低于-38 ℃，表明南部6～12 km的冰云通过异质核化形成，12 km以上冰云通过均质核化和异质核化形成。42°N以北6～9 km冰云云顶温度高于-38 ℃，9 km以上冰云云顶温度低于-38 ℃，表明北部6～9 km的冰云通过异质核化形成，9 km以上冰云通过均质核化和异质核化形成。

2.2 冰云云顶特征的垂直分布

为了更好地揭示冰云云顶的垂直分布，图6显示了冰云云顶的发生频率的纬度—垂直横截面。纬度和地形都与冰云的云顶高度密切相关。在热带季风区，冰云云顶的发生频率远高于其他地区，主要集中在海拔6～15 km。随着纬度的增加，冰云云顶的发生率逐渐减小。

在青藏高原低海拔区域冰云发生频率较高，我国东部地区冰云发生频率较低，除此之外，日本附近也同样显示了较高的冰云发生频率。

图6 冰云云顶发生频率的纬度—垂直横截面(单位：%)Fig.6 The distribution of latitude-vertical cross-sections of the occurrence frequency of ice clouds top(unit: %)

冰云分布具有较大的区域差异。图7为9个研究区域冰云云顶发生频率和云顶温度的垂直分布。在陆地上(图7a—f)，青藏高原上最大冰云云顶发生率为2.48%，最大值发生在7.4 km，相对于其他区域发生频率最大，发生高度最低。戈壁沙漠冰云云顶发生率最大值为1.01%，出现在9.2 km，12 km以上冰云很少发生。四川盆地冰云最大值发生的高度与青藏高原较为接近，为7.6 km，但冰云发生率较低，为1.29%。华南冰云云顶发生率最大值为0.85%，出现在9.8 km，京津冀冰云云顶发生率最大值为0.92%，出现在8.6 km，东北地区冰云云顶发生率最大值为1.02%，出现在8.8 km，在热带海洋(G区和H区)和东海(I区)上，孟加拉湾冰云云顶发生率最大值为1.32%，出现在12 km，南海冰云云顶发生率最大值为1.09%，出现在12 km，东海冰云云顶发生率最大值为1.12%，出现在10 km。热带海洋上的冰云云顶在7～15 km广泛分布，而东海冰云云顶在7～12 km广泛分布。

青藏高原和四川盆地由于地形和季风影响冰云发生率较高，最大冰云发生率所在高度较低，而戈壁沙漠具有较多的沙尘气溶胶，沙尘气溶胶向上传输成为冰核，促进了冰云的形成。在我国东部平原地区，最大冰云发生率随纬度升高而升高，最大冰云发生率所在高度随纬度升高而降低，主要原因是随纬度升高温度降低，而温度降低更有利于冰云形成，同时冰云形成所需的凝结高度也会降低。热带海洋和东海具有充足的水汽条件，且热带海洋海表温度较高，所以海洋上的最大冰云发生率相比陆地上高，凝结高度也会随着海表温度升高而升高。

总体而言，此处显示的云顶的垂直分布与YIN,et al[32]的发现基本一致，他们使用CALIPSO云产品数据来描述东亚云层的三维结构，结果表明我国西南地区云量最大，在青藏高原的东南部发现大量的云层，陆地和海洋之间观察到云的垂直分布存在显著差异，除青藏高原外，其他区域云的垂直剖面中，云分数和最高云分数的高度随着纬度的增加而逐渐下降。

图8为9个研究区域冰云粒子半径和光学厚度垂直分布。冰云的粒子半径大小与冰核密切联系，Twomey效应[33]指出，当云中液态水含量固定的情况下，气溶胶的增多会导致在转化成云凝结核时彼此竞争水汽，使得云滴粒子尺度减小。Twomey效应适用水云而对冰云是否适用还需研究，且大尺度动力条件和海陆差异会导致不同地区大气中的水汽含量差别巨大，增多的气溶胶粒子并不总是能够导致云滴粒子尺度的减小。

图7 9个区域的冰云云顶出现频率和温度的垂直分布Fig.7 Vertical distribution of the occurrence frequency and temperature of ice clouds top over nine regions

图8 9个区域的冰云云顶光学厚度和粒子半径的垂直分布Fig.8 Vertical distribution of the optical thickness and particle radius of ice clouds top over nine regions

9个地区的冰云粒子半径均表现出随高度增加先增大后减小的趋势，但最大粒子半径及其所在的高度略有不同。在我国西部地区冰云最大粒子半径相对其他地区较小，其中戈壁沙漠的粒子半径最小。青藏高原最大冰云粒子半径的高度高达11 km，西部地区整体的最大粒子半径所在高度较高。我国东部冰云粒子半径介于西部和海洋上之间，随着纬度的增大,3个地区的最大粒子半径逐渐减小。东部地区最大粒子半径所在的高度相对其他地区较小。在海洋上水汽充足冰云粒子半径表现出较高的水平，其中南海的冰云粒子半径最大，达到55 μm，海洋上的最大粒子半径所在高度介于西部和东部之间。

我国西部地区冰云光学厚度都存在双峰结构，而其他相对平坦的区域只有一个单峰。青藏高原在6～15 km表现出较高的冰云光学厚度，戈壁沙漠在7～11 km冰云光学厚度较高，达到6以上，四川盆地在7～12 km的冰云光学厚度达到8左右。在我国大陆东部6～9 km，京津冀和东北地区冰云光学厚度偏大，最大光学厚度可达12，且这两个地区峰值表现不明显，在12～15 km华南的光学厚度相对于东部其他地区较大。在热带海洋和东海，孟加拉湾在12～15 km冰云光学厚度较大，约为8，且在6～12 km海洋上的光学厚度整体相比于其他区域较小。

3 结论

本文基于AHI /HW8 二级云产品，研究了2017年夏季东亚地区冰云云顶特征的空间分布。主要结论如下：

(1)夏季冰云发生频率的地理分布与地形、海陆差异和亚洲季风有关。在孟加拉湾和南海附近，存在大量冰云，其频率可达50%甚至更高，与南亚季风区一致。冰云云顶的发生频率表现出由南向北的空间梯度。

(2)在陆地上，青藏高原的冰云发生频率在海拔6～9 km存在极大值，海洋和陆地上冰云发生频率存在明显的差异。青藏高原和季风区冰云发生率大值区有较大的冰云光学厚度；冰云云顶温度在以42°N为界，南北存在明显差异，各高度层冰云形成方式也略有不同。

(3)在9个研究区域中，青藏高原具有较高的冰云云顶发生率和最低的最大值高度，我国西部地区相对平坦的东部地区具有较高冰云云顶发生率，海洋上的冰云云顶在空间上广泛分布，其中孟加拉湾冰云云顶发生率最大。9个研究区域的冰云粒子半径均表现出随高度增加先增大后减小的趋势，在我国西部地区冰云最大粒子半径相对其他地区较小，我国东部冰云粒子半径介于西部和海洋上之间，随着纬度的增大，东部3个地区的最大粒子半径逐渐减小，在海洋上水汽充足冰云粒子半径也较高。我国西部地区冰云光学厚度表现出双峰结构，而其他相对平坦的区域只有一个单峰。青藏高原冰云光学厚度较高，京津冀和东北地区在6～9 km冰云光学厚度偏大，孟加拉湾在12～15 km冰云光学厚度也表现出较高趋势。