中国及周边地区多层云垂直结构时空分布特征

冯 晓 ,蔡宏珂 ,衡志炜

（1.四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072；2.成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225；3.中国气象局成都高原气象研究所，成都 610072）

引言

众所周知，在地球-大气系统中，云的辐射作用不可忽视。国际卫星云气候学计划（International Satellite Cloud Climatology Project，简称ISCCP）的卫星和地面观测资料显示，现阶段全球范围内云的平均覆盖率分别达到了67%和62%[1−2]。自20世纪70年代中期以来，云自身及其在大气模型相关过程中的重要性一直备受关注[3]。

在云的宏观特征中，云的垂直结构（cloud vertical structure，简称CVS）−多层云系统主要在锋面活动以及热带深对流的邻近区域发生频率相对较高，它在很大程度上影响着地-气系统的能量收支平衡，而辐射能的收支分布是大气和海洋运动必不可少的动力来源。不同高度云的辐射作用不同，通常低云的反射率效应起冷却作用，而高云的温室效应对地-气系统的加热作用比较明显[3−4]。基于此，在不同的大尺度模式中，云的垂直分布特征对气候模式的模拟精度有非常重要的影响。例如，已有研究[5]指出，在云垂直结构分布中，云层之间重叠的现象会给确定IWP（Ice Water Path）的分布造成很大困难，主要原因就是长期以来卫星对云的反演建立在均一单层云假定基础上，而没有考虑到云层重叠的普遍发生及其对地-气系统辐射平衡的影响，由此导致云的微物理特性反演出现较大误差。针对多层云的辐射效应，诸多研究做出了不同的重叠假设，但是相关的数值实验显示，不同的云重叠假设会对大尺度天气模式产生不同程度的影响，导致实验结果产生很大的误差[6−8]。王天河等[9]利用2007～2010年的观测资料，研究了不同类型云对天顶处辐射通量的影响，并且根据云的实际分布，评估了全球不同类型云系统对辐射能量平衡的影响，特别以层积云和高云共存的多层云系统为例，初步讨论了多层云系统对辐射能量平衡的作用。Wang等[10]通过数值模拟实验初步分析了云垂直结构对大尺度环流的影响。

由于云特性及其辐射效应具有较强的时空变化特征，传统观测资料很难反映云的垂直结构信息，尤其是在多层云出现时，不能准确把握多层云的内部情况。因此，应用新型探测仪器的高精度数据，深入分析不同高度多层云的时空演变特征，获取更精确且完整的云垂直结构特征参数，具有重要的科学意义和应用价值。本文将采用2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷达1km水平分辨率的云层产品（CAL_LID_L2_01kmCLay-Standard-V4-10），研究东亚地区多层云在不同高度上的分布特征及季节变化规律，以期获取更精确的云垂直结构特征参数，进而为改进大气模式相关物理过程提供科技支撑。

1 资料及方法

1.1 资料来源

研究选用了CALIPSO主动遥感探测卫星4.0版本的2级云层产品（Cloud Layer Products），水平分辨率较高且时段较长。CALIPSO卫星是美国NASA与法国国家航天中心（CNES）合作实施的“云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测”计划的探测器之一。其主要任务是提供全球云和气溶胶观测数据，用于研究云和气溶胶在调节地球气候中的作用以及两者的相互影响。CALIPSO昼夜共两次飞临中国大陆东部，白天约在UTC（世界时）05时左右沿东南-西北方向，夜间约在UTC18时左右沿东北-西南方向。CALIOP作为CALIPSO卫星载荷中最关键的仪器，其突出特点是可以同时发出532nm和1064nm两个波段的激光脉冲，并提供这两个波段在运行轨道上对地方向的后向散射垂直廓线。通过对后向散射的测量，可以较准确地反演出云和气溶胶的高度及消光系数廓线[11−12]。CALIOP探测波长较短且对大气中稀薄云层的敏感度高，对光学厚度为0.01或更小的云的检测能力较好[13]。经过与不同激光雷达的广泛对比验证[14−16]，CALIOP的探测性能良好，与地面观测器和被动遥感卫星探测器相比较，其显著优势在于采用主动遥感方法首次实现了在全球范围内对云层垂直结构进行长时间数据搜集，为探究云辐射对地气系统的影响以及优化大尺度气候模式提供了更全面详细的观测资料[17−18]。虽然CALIOP存在难以穿透较厚云层的局限，可能导致较厚云层的云底高度及下方云层信息不准确或丢失，但多项研究均表明CALIOP数据用于云层分布研究是可行的[19−20]。

1.2 研究方法

本文选取了2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷达1km水平分辨率的云层产品（CAL_LID_L2_01kmCLay-Standard-V4-10），对中国及周边地区（0°～55°N，70°～140°E）不同高度多层云的水平分布和季节变化进行了统计分析。分析的物理量有单个激光廓线上探测到的云层数、数据可信度、各云层云顶气压、地形高度以及经纬度等辅助参数。根据卫星沿轨观测数据将研究区域划分为1.2°×1.2°的经纬度网格，共有60×75个网格。经统计（图1），卫星观测次数超过400次、观测廓线数超过40000个的网格占总网格数的95%以上，表明本次研究样本充足，在此分辨率下的统计结果可信度较高。由于极轨卫星对地观测的轨道因素，高纬地区观测次数多于低纬地区（图1a）。在讨论云物理量季节变化特征时，以每年3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月～次年2月为冬季。

图1 2006～2016年中国及周边地区CALIPSO卫星观测情况（a.轨道数，b.样本数)

ISCCP根据云顶气压（Cloud Top Pressure）和云的光学厚度(Cloud Optical Thickness)对云进行分类[21]，这与地面观测中的云类型有一定的差异[22]。本文以此作为云分类标准，利用激光雷达提供的云顶气压（PTop）参数将每一层云分为高云（50hPa≤PTop<440hPa）、中云（440hPa≤PTop<680hPa）和低云（680hPa≤PTop<1000hPa），由此得到不同层数云的云层配置，如表1所示。

表1 不同层数的云层配置

2 多层云出现概率及云高的水平分布

2.1 多层云出现概率

研究[23−24]表明，单层云出现概率高于多层云。中国及周边地区单层云出现概率为40%～60%，部分地区可达70%及以上，而多层云的出现概率多为15%～25%，极少数地区超过30%。虽然多层云发生概率远小于单层云，但仍然不可忽视，因为多层云的宏微观及光学特性是分析云辐射特性的重要研究因子之一。

多层云的样本总量与云天的样本总量之比即为多层云出现概率。图2给出了2006～2016年平均的中国及周边地区多层云出现概率水平分布。如图所示，以青藏高原和蒙古高原为主的高纬度地区表现为明显的低值，多层云出现概率为10%～15%，其中青藏高原以西的零星地区多层云出现概率低于5%，同纬度的四川盆地北部多层云出现概率略高，但仍不超过20%；30°N以南的低纬度地区，多层云出现概率有所增加，尤其孟加拉国和马来群岛北部，出现概率超过30%，同纬度地区差异不明显。

图2 2006～2016年平均的中国及周边地区多层云出现概率水平分布（单位：%）

2.2 多层云出现概率的高度差异

双层云（N=2）、三层云（N=3）及四层云（N=4）的样本数与多层云样本总数之比表示其各自对多层云的贡献。

如图3所示，双层云在多层云中出现概率最大，但其水平分布特征与多层云相反。在多层云的低发区中，青藏高原西部的双层云对多层云贡献最大，超过98%；而在多层云的高发区中，印度半岛北部的双层云占多层云的比例不足90%。如图4所示，三层云出现概率的极值区与多层云基本一致，青藏高原西部三层云出现概率不足2%，低纬度的印度半岛西北部和中南半岛地区三层云出现概率接近10%，其中孟加拉国及其附近地区约为14%，南北差异较为明显。四层云在多层云系统中占比大多在0.2%以下，其出现概率最大的孟加拉国地区也未超过1%（图5）。

图3 同图2，但为双层云

图4 同图2，但为三层云

图5 同图2，但为四层云

为了进一步分析不同高度多层云的特征，本文分别讨论了双层云和三层云中出现概率较大的三种不同高度云层配置的水平分布，其他云层配置的出现概率均不足10%，本文不做分析。

如图6和图7所示，不同高度双层云和三层云的分布特征类似。双层云中“高云+高云”（图6a）和三层云中“高云+高云+高云”（图7a）的配置在青藏高原主体出现概率分别超过80%和60%，在孟加拉湾地区出现概率分别超过40%和30%。双层云中“高云+中云”（图6b）与三层云中“高云+高云+中云”（图7b）的配置主要出现在高原以外的低海拔大陆地区，出现概率分别超过50%和60%。双层云中“高云+低云”（图6c）与三层云中“高云+高云+低云”（图7c）的配置在低纬度海域出现概率较大，中国南海附近分别为50%～60%和30%～40%，西太平洋北部和日本海附近超过30%，但北方大陆地区出现概率均低于20%，大多在10%左右。

图6 2006～2016年平均的中国及周边地区不同高度双层云出现概率水平分布（a.高云+高云，b.高云+中云，c.高云+低云；单位：%；斜线部分表示地形高度在3.1km以上，即气压值<680hPa）

图7 同图6，但为三层云（a.高云+高云+高云，b.高云+高云+中云，c.高云+高云+低云）

综上所述，多层云系统中云层发生概率随着云层数的增多而减小，双层云和三层云中不同高度云层配置的水平分布特征具有显著区域差异。这种空间分布差异是否与地形和水汽条件有关，将在后续工作中进一步探讨。

3 多层云出现概率及云高的季节变化

各季节多层云样本数与全年多层云样本总数之比为多层云各季出现概率。如图8所示。多层云出现概率最大的季节为夏季，秋季和春季次之，冬季最小。夏季，多层云在中国大陆地区出现概率多在40%以上，青藏高原、云贵高原、四川盆地和吐鲁番盆地及周边地区甚至超过了55%。春季相对秋季来看，多层云在20°N以南地区出现概率减少了10%左右。冬季，多层云在中国大陆地区出现概率仅为15%，沿海和西太平洋地区为20%～30%。

图8 2006～2016年平均的不同季节多层云出现概率空间分布（a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季，单位：%）

不同高度双层云和三层云的季节变化分别用各季节不同高度云层配置对全年双层云和三层云的贡献来表示，即为各季节不同高度双层云和三层云云层配置的出现概率，如图9和图10所示。夏秋两季为双层云和三层云的主要贡献季节，其中夏季“高云+高云”与“高云+高云+高云”的配置在青藏高原及其以南的印度半岛、孟加拉湾和中南半岛出现概率较大，在高原主体甚至超过35%；春冬两季，这两种配置的云层出现概率均明显减少，冬季甚至不足5%（图9a～d和图10a～d）。夏季，双层云中“高云+中云”与三层云中“高云+高云+中云”的配置出现概率分别大于“高云+高云”与“高云+高云+高云”的配置，其中“高云+中云”的配置在蒙古高原、印度半岛北部以及中南半岛出现概率超过15%，部分地区达到25%，“高云+高云+中云”的配置在青藏高原及其附近陆地出现概率超过35%；双层云中“高云+中云”的配置在春季30°N以南地区和冬季中国大陆大部分地区均很少出现，三层云中“高云+高云+中云”的配置则恰好相反（图9e～h和图10e～h）。不同季节的双层云中“高云+低云”与三层云中“高云+高云+低云”的配置在海洋上空出现概率均大于陆地上空；与之前两种云高配置相比，冬季双层云中“高云+低云”的配置在孟加拉湾、中国东北部海域、南海和西太平洋出现概率有明显增加，而冬季三层云中“高云+高云+低云”的配置则少量出现在西太平洋北部（图9i～l和图10i～l）。

图9 2006～2016年平均的各季中国及周边地区不同高度双层云出现概率空间分布（a～d.高云+高云，e～h.高云+中云，i～l.高云+低云；从左至右依次为春、夏、秋、冬季；单位：%；斜线表示地形高度在3.1km以上，即气压值<680hPa）

图10 同图9，但为三层云（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 结论

本文利用2006年6月～2016年5月CALIPSO的Level2 Version4激光雷达1km水平分辨率的云层产品对中国及周边地区多层云进行系统研究，重点对比分析了不同高度双层云和三层云的分布特征及季节变化规律，得出以下结论：

(1)多层云在青藏高原和蒙古高原出现概率较低，在30°N以南的低纬度地区出现概率有所增加，尤其孟加拉国和马来群岛北部出现概率超过30%，但同纬度地区差异不明显。

(2) 多层云系统中云层发生概率随着云层数的增多而减小。双层云在多层云中占比最大，其水平分布特征与多层云相反，在青藏高原西部出现概率超过98%；三层云出现概率的最值区与多层云基本一致，青藏高原西部出现概率不足2%，三层云在孟加拉国附近出现概率约为14%；四层云在多层云系统中全年出现概率不超过1%。

(3) 不同高度双层云和三层云的分布特征类似。双层云中“高云+高云”和三层云中“高云+高云+高云”的配置在青藏高原主体出现概率分别超过80%和60%，；双层云中“高云+中云”和三层云中“高云+高云+中云”的配置主要出现在高原以外的低海拔大陆地区，概率分别超过50%和60%；双层云中“高云+低云”和三层云中“高云+高云+低云”的配置普遍存在于孟加拉湾、南海、西太平洋和中国东部海域等低海拔地区。

(4) 多层云出现概率最大的季节为夏季，其次为秋季和春季，冬季最小。夏季中国大陆地区基本在40%以上，青藏高原、云贵高原、四川盆地以及吐鲁番盆地及周边地区甚至超过了55%。春季相对秋季来看，20°N以南地区多层云出现概率减少了10%左右，而冬季多层云最少，除中国大陆多层云出现概率仅有15%以外，沿海和西太平洋地区在20%～30%之间。

(5) 夏秋两季为双层云和三层云的主要贡献季节。以夏季为例，双层云中“高云+高云”和三层云中“高云+高云+高云”的配置在青藏高原及其以南的印度半岛、孟加拉湾和中南半岛出现概率较大，高原主体甚至超过35%；双层云中“高云+中云”和三层云“高云+高云+中云”的配置出现概率分别大于“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、印度半岛北部以及中南半岛出现概率超过15%，部分地区达到25%，“高云+高云+中云”的配置在青藏高原及其附近陆地出现概率超过35%；双层云中“高云+低云”和三层云中“高云+高云+低云”的配置在海洋上空出现概率均大于陆地上空。