利用CloudSat/CALIPSO卫星资料分析北半球污染排放区云型频率分布特征

牛玺 马晓燕 贾海灵

(1 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局 气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044；2 昆明市晋宁区气象局，昆明 650000)

引 言

云是影响气候变化的重要因子，在天气分析、气候变化以及全球变化中起着十分重要的作用[1]。大气中云量的增加(减少)会引起地面太阳辐射的减少(增加)[2]，气溶胶又可以通过成为云凝结核来影响云微物理特性[3]。云与气溶胶相互作用是气候系统最不确定的因素之一，也是当前气候研究和预测中的难点问题[4]。

大气中云滴大小的不同，常常影响云的生成发展，在偏远的热带海洋中，云滴尺度较大，而在高度污染的大陆区域中的云滴尺度相对较小[5]。以液相单层云为研究对象，在液水路径准恒定的条件下，陆地和海洋具有相反的气溶胶—云相关性，即，陆地上的云有效半径与气溶胶指数呈正相关，而海洋则为负相关[6-7]。可以看出云与气溶胶之间关系紧密，而不同类型的云对大气的影响效益有所不同，深入研究各类云与气溶胶之间的复杂关系，对云与气溶胶之间相互影响机制的探讨有重要意义。

鉴于以往的卫星被动遥感和地面观测提供的云垂直分布的信息非常有限，对云的高精度探测存在比较大的局限性，目前与云相关的诸多研究依旧存在着很大的不确定性[8]。太阳同步轨道气象卫星Cloudsat[9]所搭载94 GHz毫米波云观测雷达的垂直分辨率较高，对云整体的垂直结构的观测更加清晰，提供了丰富的观测资料[10]。目前利用该卫星资料对云的研究内容非常广泛，从多角度去剖析大气中云的特征和变化。云的垂直结构以及垂直分布对大气辐射的影响至关重要，可通过改变大气的辐射分布影响大气循环[11]。同时，全球气候变化会引起云的调整，会影响云水含量和云滴有效半径等云微物理特性的变化[12]。不同云型的结构特征以及物理特性存在显著差异，因而对气候变化的影响不同，例如，低云冷却，作为高云的卷云会导致增暖等[13]。因此更为细化，更加全面地去研究不同云类型的基本特性更重要，是研究云与气溶胶之间相互影响机制的基础。

目前的一些研究可以看到，LI，et al[14]研究不同云型的重叠现象以及云重叠系统的物理特征，发现高云，高层云，高积云和积云倾向于与其他云类型共存，能深入探讨共存云型与大气条件之间的关系；邱玉珺等[15]研究了中国北方两个区域云的差异，发现北方东部暖云多出现在春季，而北方西部的暖云多出现在秋季；HUO，et al[16]和霍娟[17]分析了中国内陆和同纬度远离陆地的太平洋地区卷云特征，发现卷云发生频率出现多在夏季且海洋多于陆地；方乐锌等[18]分析研究了全球不同类型云的垂直结构的水平和垂直分布特征，发现海洋上云底高度较陆地低；杨冰韵等[19]、卢志贤等[20]，况祥等[21]研究了中国地区深对流云系的微物理特性，认识深对流云系的发展过程。结合这些研究内容思考，从云本身出发探讨云与气溶胶之间的关系，可以先从不同云型的角度展开研究，因此本文先对不同云类型的发生频率的分布及四季变化进行初步研究。在云类型统计方面，Sassen，et al[22-24]采用算法对探测的回波处理进而对探测到的云型进行分类并初步分析各类云云量的全球分布，之后研究了卷云的物理特性和发生频率的全球分布，并说明最大的卷云出现频率集中在热带辐合带和季风活跃区域，还研究了热带地区的卷云和深对流云的分布与季节变化，探究热带地区卷云发展和深对流云发展之间的关系；王帅辉等[25]统计分析中国及周边地区各类云云量的地理分布特征，发现卷云和深对流云系和旺盛对流活动有关；郑建宇等[26-27]统计了全球各类云的分布和季节变化，分析了形成各类云的大气条件，指出大范围上升运动所形成的层状云主要包括卷云、高层云和雨层云等，而强对流系统常常和高云，积云以及对流云系有关。

云和气溶胶之间的相互影响机制仍存在许多不清楚的地方，在一些地区气溶胶光学厚度与云滴尺度之间存在相反的关系[6-7]。探讨云与气溶胶之间的复杂关系，对云本身的研究至关重要，目前的研究工作大多是分析全球范围内不同云型的分布特征，这对全球气候变化机制的研究能提供更多的帮助。相较于前人的研究，本文选取北半球人为气溶胶排放严重的工业地区及其临近海洋(大气状况较为清洁)的区域作为对比，利用更精细化的处理方式研究不同云型的时空特征以及海陆差异，以通过对比分析不同云型的分布特征和云型出现频率的变化特征等，揭示在不同背景下(即气溶胶污染和相对洁净的条件下)，云型的分布和出现频率的变化，为气溶胶—云相互作用研究提供数据支撑。对北半球主要污染排放区主要云型分布特征的分析，不仅可以深入研究局地气溶胶—云相互影响机制，还能提升区域气候模式中云的参数化精度，提高模拟和评估云的气候反馈作用的精确度。

1 数据资料和研究内容

1.1 数据资料简介

云探测卫星Cloudsat是A-Train卫星观测队列的成员之一[9]，该卫星搭载的CPR(Cloud Profile Radar)，该雷达为94 GHz 的毫米波雷达。卫星每个轨道有36 383个星下像素点，星下点的沿轨分辨率为2.5 km，横轨分辨率为1.4 km，垂直分辨率为500 m，垂直探测的高度大约30 km，每隔240 m获得一个扫描数据，因此垂直方向获得125个不同高度的数据[9-10]，对云的垂直廓线探测更加精细。

本文使用的数据为Cloudsat卫星的二级产品2B-CLDCLASS-LIDAR。该数据产品以轨道为单位存储，包含总云层数CloudLayer和云层类型CloudLayerType等云分类的数据。CloudLayer为一维数组，包含N个元素，N是每条轨道所包含的总廓线数，数值为0～10，代表每条廓线中扫描到的云层总数。CloudLayerType为N×10的二维数组，代表每条探测廓线中所探测到的云层类别，数值为0～8：0代表无法确定、1为卷云、2为高层云、3为高积云、4为层云、5为层积云、6为积云、7为雨层云、8为深对流云。该数据是利用激光雷达和CPR探测数据得到更完整的云垂直结构，其中CPR对混合相云中的冰粒更敏感，而激光雷达测量对混合相云中的液滴更敏感，因此结合CPR和CALIPSO激光雷达测量可提供更可靠的对云的探测。目前已有很多学者利用Cloudsat的产品和其他卫星传感器探测的云顶温度以及云类等产品进行了对比和验证，说明了该观测数据的科学性和优势[28]。

1.2 研究内容及方法

自工业革命以来，人为气溶胶排放大量增加。为了研究该类地区中不同云型的主要分布特征，本文选取北半球的三大气溶胶排放地区即中国东部(EC)、美国东部(EU)和欧洲西部(WE)，同时选取其相邻海洋(ECO、EUO、WEO)作对比研究，其中(图1)中国东部及其邻近海洋划为EC-ECO区域(17°～41°N、104°～140°E)，美国东部及其邻近海洋划为EU-EUO区域(25°～46°N、91°～55°W)，欧洲西部及其邻近海洋划为WE-WEO区域(35°～60°N、29°W～27°E)。

图1 北半球主要气溶胶排放区及邻近海洋地理位置分布

本文选取的研究资料为Cloudsat卫星二级产品2B-CLDCLASS-LIDAR(具体算法及物理意义参见http:∥www.cloudsat.cira.colostate.edu.html)，该资料中把探测到的云划分为卷云(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)这8 类，考虑到多层云对气候变化影响的复杂性，本文研究对象仅为单层云。选取2007年3月至2010年2月和2013年3月至2016年2月总8 a的样本数据分析其中2010年3月至2013年2月期间的数据存在较长时间段的缺失，因此未纳入统计分析。

对各类云发生频率的空间分布采用1°×1°格点化方式处理，对格点内云类分布的统计方法如下：

(1)

其中：T为每个季度经过每个格点观测数据的总廓线数；x、y分别代表格点的经纬度；N(cloud)代表在该格点内出现某一类单层云的总廓线数；N(total)代表在该格点内出现所有单层云的总廓线数。

同时，将一个区域内某一类单层云的总廓线数占所有单层云的总廓线的比值代表该区域内某一类单层云的发生频率，分析不同单层云发生频率的海陆差异以及月变化。

2 不同单层云发生频率的四季分布

2.1 高云

图2所示为卷云(Ci)出现频率分布的四季变化。卷云作为对流层中最高的云，因形成原因不同而有不同的类型，也与不同的天气状况相联系，通常在夏季十分常见，预示着天气晴朗，这与图1中所示卷云夏季在出现得最多的现象相符。

EC-ECO区域春季的卷云出现频率普遍在30%左右，主要出现在中国东部海洋以及北部陆地区域，高值区在陆地；夏季的卷云出现频率最高，且高值区集中在整个东南部海洋区域，大部分地区出现频率都在50%以上，近海地区出现频率高达70%～90%之间；秋季卷云出现减少，大都出现在20°N附近的海洋区域，出现频率在40%左右；冬季的卷云出现频率最低，相对集中在中国东北部，在20°N的海洋上有少量的卷云出现。EU-EUO区域卷云的分布规律与EC-ECO区域类似。春季卷云普遍出现，出现频率在30%左右，少部分大于40%的高值区出现在美国东南部沿海；夏季的卷云高爆发出现，其出现频率在40%以上的高值区大多都出现在美国东南部海洋区域，海洋上出现的卷云多于陆地上；秋季卷云的出现减少，较之春季还要少一些，相对在海洋上出现更多；冬季卷云的出现最少，集中出现在美国的南部沿海以及东部海洋区域。WE-WEO区域相比于前两个区域不同的地方是在海洋上出现的卷云不多。全年欧洲西部的大西洋区域出现的卷云很少，只是在地中海区域出现的卷云较多且都存在高值区，出现频率都在40%以上，卷云在陆地上的出现频率为30%左右。夏季卷云出现最多，在地中海区域的高值区范围最大；其次为秋春两季；冬季出现的卷云最少。

整体上卷云的出现频率呈现出明显的季节变化，多出现在中低纬的海洋区域，其中夏季为卷云高爆发的季节，其次为春秋两季，冬季最低。卷云在EC-ECO和EU-EUO的海洋区域出现频率最高可达90%以上，相较之下WE-WEO区域的卷云出现较少。前两区域卷云的季节变化和分布特征比较相似，而WE-WEO区域卷云分布则有所不同，没有在海洋上大量出现，这和不同纬度的大气热力条件差异有关。Sassen, et al[24]的研究发现卷云的分布主要集中于赤道辐合带，可以看出越靠近赤道辐合带近的低纬度区域，对流系统越旺盛，利于卷云的发展，这也和图2中卷云的分布规律相符。除此之外，还能发现卷云在海陆交界处附近常常以较高的频率出现，不论是中国东部沿海还是美国东部沿海区域，甚至在欧洲西部的地中海区域也存在这样的规律，尤其是春夏两季。这可能是因为夏季海陆的热力差异加强了大气对流条件，从而使得卷云的发生更加旺盛。

图2 单层云中卷云出现频率分布的四季变化

2.2 中云

图3所示为高层云(As)出现频率分布的四季变化，高层云主要是由锋面气旋这样的大范围上升运动活动形成广大的层状云[26]，多在中、高纬度地区出现。

图3 单层云中高层云出现频率分布的四季变化

EC-ECO区域，高层云的出现都集中在30°～40°N之间的区域，多出现于陆地上，相比之下30°N以南的区域高层云的出现很少。高层云的基本出现频率在24%左右，而高频率出现区域在春秋季节可以达到48%左右，夏季可以达到40%左右，而冬季高层云爆发多达56%左右。EU-EUO区域高层云多出现在陆地区域，整体出现频率在8%～32%。在季节变化方面，高层云出现在冬季最多，出现频率基本都在24%左右，其次为春季，夏秋两季出现的高层云更少。WE-WEO区域高层云的出现特别广泛，在整个区域都有出现。相对而言，春季高层云出现的高值区多在北海，波罗的海和地中海地区，出现频率大都在16%～24%，其余地区的出现频率都小于16%；夏秋两季高层云出现较少，出现频率基本在16%左右；冬季高层云的出现增多，高值区多出现于欧洲陆地区域及沿海地区，出现频率达到24%以上。

3个区域的高层云大多都出现在陆地区域且高层云出现的高值区都在春冬两季，其中高层云出现频率在EC-ECO区域最大，EU-EUO区域次之，WE-WEO区域高层云的出现频率和EU-EUO差不多，但区别于前两个区域的是高层云在该区域出现的范围广，在近海区域出现相对较多。郑建宇等[26]指出北半球东亚地区盛行东北季风和西北季风，使得中国北部大部分地区受到影响，频繁的锋面气旋活动所造成的大范围的上升运动利于高层云的形成。因此高层云在EC-ECO北方地区全年出现得都比较多且在春冬季节爆发性出现，这和EC-ECO北方区域频繁的锋面气旋活动相关。而EU-EUO和WE-WEO区域的高层云在春冬季多出现，说明这两个区域在春冬季节对流层气流抬升作用较为频繁，使得大气中的暖湿气流绝热冷却从而促使高层云的发展。

图4是高积云(Ac)出现频率分布的四季变化。EC-ECO区域中高积云出现频率的高值区在南方陆地区域。春夏两季高积云在陆地上的出现频率都在30%左右，海洋区域的出现频率为18%左右，其中春季高积云出现多在内陆，夏季多偏向于沿海一带；秋季高积云出现的高值区在南方陆地区域，出现频率相对升高，基本在30%以上，最高出现频率有50%以上；冬季高积云高值区的出现位置以及出现频率和秋季差不多，但海洋区域出现的高积云增多，出现频率在18%左右。EU-EUO区域高积云出现主要在陆地区域，总体出现相对较少，海洋上的高积云更少，零散分布在整个区域。春秋冬三季，高积云的主要出现在陆地区域，出现频率大都在12%～18%；夏季为高积云相对出现得多的区域，出现频率在18%左右，海洋的高积云较其他三季相对增多，但相比于陆地还是很少。WE-WEO区域高积云的出现分布和EU-EUO区域类似，主要出现在夏季且多在陆地区域。春季高积云主要出现在12°～24°E的陆地区域，出现频率在18%左右；夏季高积云有一个突然的高爆发出现，分布在整个欧洲陆地区域，高值区在12°～24°E，出现频率在30%以上，其余区域基本在12%以上；秋季高积云的出现锐减，大部分以18%左右的频率出现在地中海区域；冬季高积云的出现相较前三季节，出现大大减少，出现的都是零星点点。

图4 层云中高积云出现频率分布的四季变化

高积云的分布特征很明显，主要出现在陆地区域。王帅辉等[25]研究指出冬季高积云集中出现在中国南方地区，这和EC-ECO区域的高积云多出现在秋冬两季的陆地区域的分布规律一样。高积云多在陆地上出现，这和陆地的长波波动有关，其导致的波状运动有利于高积云的形成[26]。总体上可以看出高积云在夏季与冬季有明显的差异。EC-ECO区域的高积云主要出现在秋冬季节，相较而言EU-EUO和WE-WEO区域的高积云多出现在夏季。高积云常常与高层云和层积云等互相演变，因此高积云在夏冬两季的差异还需更深入的研究。

2.3 低云

图5所示为层云(St)出现频率分布的四季变化。层云大多由暖湿空气沿冷空气斜坡缓慢滑升，绝热冷却后形成。由于CPR区分层云和层积云存在一定的困难，所以实际统计探测到的层云数据很少[22]。

图5 单层云中层云出现频率分布的四季变化

从图中可看出，EC-ECO和EU-EUO两区域全年的层云都出现得很少，每个季节都是零散地分布，后者出现的层云相对多于前者，少量的数据不足以分析层云的分布特性。WE-WEO区域层出的出现相对多一些，少部分地区最高出现频率在12%～18%，全年保持在4%～10%。层云的分布较广泛，大多在海洋区域。春夏两季的层云分布相似，几乎都出现在大西洋区域，且较高出现频率区域都集中在35°～50°N；秋冬两季层云分布相似，出现减少，分布在大西洋，北海以及波罗的海，出现频率大都在4%～10%。

图6所示为层积云(Sc)出现频率分布的四季变化。层积云作为波状云的一种，常受空气扰动所形成的波动气层的影响，而海洋上充足的水汽释放常在低空造成大范围扰动，这和图5中层积云多出现在海洋区域一致。

图6 单层云中层积云出现频率分布的四季变化

EC-ECO和EU-EUO两区域层积云的分布规律相似。夏季出现层积云最少，出现频率仅为10%～30%；春秋两季的层积云出现较多，相对来说EU-EUO区域层积云出现的频率更高且范围更广，出现频率基本在20%以上，少部分高值区达到40%～70%；冬季的层积云出现最多，在海洋上爆发性出现，出现频率普遍在40%～70%，陆地上也有高值区，其值在60%～80%。WE-WEO区域层积云充满整个区域，全年在欧洲西部大西洋有大范围的高值区，与其他两个区域相同的地方是冬季层积云出现范围最广，不同的地方是WE-WEO夏季层积云的出现依旧很多，这是由于大西洋上充足的水汽潜热释放在低空造成扰动有利于层积云的形成。全年层积云在海洋上基本都是40%～60%的出现频率，陆地大都在20%～40%，其中夏季出现频率大于60%的高值区出现在大西洋，在海洋上爆发性出现，冬季出现频率大于40%的高值区最广泛。

层积云在3个区域的分布都相对广泛，且大都出现在海洋上，层积云在冬季呈现高出现频率大范围地出现，出现频率都在40%以上。EC-ECO区域和EU-EUO区域层积云多出现在海洋上，在冬季爆发出现，春秋两季次之，夏季出现最少；WE-WEO区域中的大西洋区域为层积云频繁出现的区域，该区域全年层积云的出现都保持在较高的出现频率，夏季的出现相对更多。

层云和层积云的分布规律比较相似，主要集中在海洋区域且出现频率大都高于陆地区域，这说明海洋上的动力与热力容易形成大规模的层状云，即使出现频次特别少的层云在WE-WEO区域中海洋上也具有这样明显的分布特征。郑建宇等[26]研究指出层云和层积云在海洋上的云量远远大于陆地上，再次说明海洋上的大气状况利于层状云的发展。层积云在WE-WEO区域出现远远比EC-ECO和EU-EUO两区域多，这是因为高纬度的大西洋地区的海洋热力条件较太平洋地区弱，大气动力条件相对稳定。大气中的波状运动所造成的扰动使得暖湿气流中的水汽凝结，从而更容易形成层积云，加之局地辐射冷却的影响，总体上看来在WE-WEO区域的层积云的发生频率高于其他两个区域。

图7是积云(Cu)出现频率分布的四季变化。积云的发展常与不稳定大气中的对流上升运动相联系，通常在比较潮湿的地区(如海洋上空和沿海地区)出现，但偶尔也会在干燥地区出现，这与图6中积云的出现频率的分布相符合。

图7 单层云中积云出现频率分布的四季变化

EC-ECO区域中积云主要出现在海洋。春冬两季积云多出现在17°～25°N的海洋，陆地上几乎没有积云出现，少部分高值区高达36%～48%；夏季积云分布较不连续，但出现的范围增大，出现频率在12%～36%；秋季积云出现最多，多出现在120°～140°E的海洋区域，出现频率高达24%～48%。EU-EUO区域，积云也是主要出现在海洋上且较EC-ECO区域出现得更多，季节变化规律有一定相似的地方。春秋冬三季积云集中出现在25°～36°N的海洋区域，出现频率达12%～42%，其中秋季出现最多，春冬两季次之；夏季积云在海洋上大范围出现，出现频率在24%以上，陆地积云出现为全年最多。WE-WEO区域积云出现的范围广，相比之下仍然是出现在海洋上更多，少数的高值区多出现在地中海。春秋冬三季的积云分布规律相似，陆地上出现少，海洋上的高值区多在35°～40°N海洋上，出现频率基本在6%～24%；夏季积云在地中海区域的高值区出现频率高达30%～42%。

积云的出现频次也比较高，多出现在EC-ECO和EU-EUO两区域，且多出现在夏秋两季。WE-WEO区域的积云出现频率低但分布广泛，全年分布的变化不大。积云的发生发展和卷云一样需要强烈的热对流，在大气对流上升的过程中，常常伴随积云的生成，因此高纬度地区热量低，难以触发热对流运动，积云出现比较少，而低纬度地区海洋区域热量大，对流条件充沛，大气的对流运动更容易触发积云。而且积云在EC-ECO和EU-EUO两区域常年出现频率较高，更加说明低纬度地区的热对流常常触发积云的生成。

2.4 深厚云系

图8所示为雨层云出现频率分布的四季变化。雨层云属于厚云族，由暖湿空气受到冷空气缓慢抬升后发生绝热冷却凝结而成。雨层云多与高层云相联系[26]，根据高层云出现频率的季节分布可知，雨层云在冬季的出现频率相对较高，夏季则相对较低，这与图7中的雨层云季节变化相符。

图8 单层云中雨层云出现频率分布的四季变化

EC-ECO和EU-EUO两区域雨层云在夏季出现最少，出现频率大多在5%～15%；春秋两季雨层云的分布差不多，主要出现在中北部地区，出现频率基本在10%～20%；冬季雨层云出现的频次增高，出现频率在25%～35%的区域明显增大。WE-WEO区域雨层云出现范围最广，出现频次最多，海陆差异小，除了高值区之外区域出现频率基本在5%～20%。夏季雨层云出现得最少。春秋两季雨层云增多，大多出现在欧洲陆地地区和西北部大西洋区域；冬季雨层云总体出现频次增多，高值区出现在陆地和海洋上，出现频率为20%～35%。

雨层云一般具有深厚的垂直结构，出现频率不高于50%，大多都在10%～25%，主要在高纬度地区，在WE-WEO区域出现的频次明显较多。已有研究表明雨层云在北半球的季节变化较大[26]，夏季出现较少，冬季出现较多，综合看3个区域的雨层云季节变化具有相似的规律，冬季为雨层云出现最多的季节，春秋两季次之，夏季最少。雨层云的形成和高层云同样都受大范围的上升运动影响，所以雨层云与高层云的分布特征具有相似的规律。而雨层云的云体更厚，发展过程较高层云更缓慢一些，因此雨层云的出现频率较高层云要小一些。

图9是深对流云(Dc)出现频率分布的四季变化。深对流云作为发展深厚的对流云，其内部有着强烈的对流运动，且容易带来强对流天气。赤道辐合带的天气条件满足强对流云的发展[26]，在热带到亚热带区域，深对流云一年四季都有可能出现，这与图9中深对流云出现频率的季节分布相符合。

图9 单层云中深对流云出现频率分布的四季变化

深对流云多出现在WE-WEO和EU-EUO这两区域。EC-ECO区域深对流云出现在夏季最多，冬季几乎不出现。春秋两季深对流云的出现频率在2%～16%，其中春季多出现在中国沿海地区和东部海洋地区，秋季多出现在海洋上；夏季深对流云的出现增多，出现频率基本在4%以上，10%～16%的高值区出现不少；冬季深对流云的出现锐减，几乎没深对流云的出现。EU-EUO区域的深对流云全年分布差不多，夏季最多全年的出现频率在2%～14%。春秋冬三季分布相似，多出现在海洋上，其中秋季出现相对多一些；夏季深对流云出现最多，沿海地区的出现频率较高，高达8%～14%。深对流云在WE-WEO区域全年出现很少，只在夏秋两季出现一些，其中夏季得多出现在欧洲内陆，秋季多出现在沿海一带，全年在大西洋上零星地出现一些。

深对流云多出现在低纬地区，分布特征很明显，主要出现在海洋上，出现频率大部分在2%～8%，少部分高值区10%～16%。和低纬度海洋区域的卷云对比分析，可以发现深对流云具有相似的规律，在海陆交界处附近常以较高的频率出现，但出现的频率就低很多，这是因为除了需要较强的垂直运动之外，还需要充足的水汽条件才能使得深对流云得以形成。

3 不同单层云发生频率的总占比及月变化

不同单层云发生频率的空间分布可以看出某类云的集中出现在某区域的频率，但局部地区不能代表整体的一个状况，因此从海陆的整体出发去探讨各类云发生频率的变化特征。图10是不同单层云发生频率在海陆上的一个占比情况。可以看出，层云和深对流云出现的频率很低，尤其前者更低，在各个区域都小于5%，即使数据较小，也能看出发生较少的深对流云多出现在中低纬的ECO和EUO区域。出现频率较高的是卷云和层积云，其中卷云发生频率在ECO区域的28%多于EC区域的20%，在EU-EUO区域的差异不大，而在WE区域的21%大于WEO区域的11%，这和中低纬地区对流云系发展旺盛有关；层积云发生频率的海陆差异在WE-WEO区域特别明显，在WEO区域的52%远远大于陆地的31%，可见中高纬海洋上所存在大范围不规则的扰动有利于层积云这样的波状云的形成与发展。其次出现较多的云类为积云，积云的海陆差异很明显，多出现在中低纬的海洋区域(ECO和EUO区)，占26%，这和卷云多出现在夏季中低纬地区的原因一致；此外的高层云，高积云和雨层云的出现相对较多，且多出现在陆地上，这些云在陆地区域的出现频率在10%～20%，在海洋区域都在10%以下，说明陆地上相较稳定的大气运动状况利于这些云的发展。

图10 不同单层云发生频率在各区域的占比

图11为不同单层云的发生频率在各个区域的月变化，可以看出各类云的时间变化特征都有相应的特点。图中最明显的一个特点就是卷云和层积云发生频率的月变化存在相反的变化趋势，即使不同地区这两类云的发生频率的大小不同，当卷云发生频率达到最大值(最小值)的时间段所对应层积云发生频率达到一个最小值(最大值)，夏季卷云在ECO区域的发生频率可达50%以上，所对应的层积云发生频率仅仅5%左右，说明利于卷云形成的大气条件不利于层积云的形成，反之同理。同时可以看出卷云出现在低纬度地区较多，且海洋上的发生频率高于陆地上，夏季最高，冬季最低。层积云则是夏季最低，冬季最高，尤其在中高纬的WEO区域出现最多，该区域的发生频率常年在40%以上。此外可以看出高层云和雨层云的发生频率的月变化具有相似的趋势，前人研究也指出层状云中各属云具有相似的季节变化[29]，夏季出现得少，冬季出现得比较多，主要出现在陆地上，且高层云多于雨层云。高层云在EC区域出现频率较高，全年在10%以上，春冬季节可达22%，雨层云在EU区域出现频率较高，大约在18%左右，而这两种云在海洋区域的发生频率全年都在10%以下。积云在低纬度区域的海陆差异很明显，大多都出现在海洋上，且夏秋季节为积云出现频率的高值区，大约能在30%以上，冬季最低，可达20%左右，WE-WEO区域积云出现频率在15%以下。高积云多出现在陆地上，在EC区域多出现在秋季，发生频率在25%左右，而在EU和WE区域多出现在夏季，发生频率为别为15%和20%，而海洋上的高积云在ECO区域冬季出现较高一些，发生频率达17%，在其他两个区域常年在10%以下，无明显变化。深对流云和层云的出现特别少，在各个区域的发生频率常年都在5%以下。

图11 不同单层云发生频率在各区域的月变化

4 结论

利用2007年3月至2010年2月和2013年3月至2016年2月共计8 a CloudSat卫星的Level-2B-CLDCLASS资料对3个主要气溶胶排放地区及邻近海域的不同类型单层云出现频次的分布特征进行了统计和分析，主要结论如下：

(1)8种类型单层云发生频率的分布都有着不同的规律。作为高云的卷云，大多出现在低纬度的海洋区域；高层云和高积云这两种中云，大部分出现在中低纬工业发达的陆地区域；低云族中的层积云多出现在中高纬的海洋区域，层云多出现在高纬的海洋区域，积云多出现在低纬的海洋区域；雨层云是低云也是厚云，分布主要在中高纬区域，海陆出现频次差别不大；深对流云是发展比较深厚的云型，多出现在低纬的海洋区域。海洋上大多出现的都是低云，而低云大多都是液态云，海洋上充沛的水汽条件利于这些云的发展。

(2)从总体数据可看出，层积云，卷云和积云是出现最频繁的3种云型，3种云总和占各地区所有云的50%～70%左右，其次为高层云，高积云和雨层云，而深对流云和层云两种云占中云仅仅10%以下。层积云多出现在较高纬度的WE与WEO区域，卷云和积云多出现在较低纬度海洋区域(ECO和EUO区域)，高层云，高积云和雨层云很显著地出现在陆地区域多于海洋区域，少量的深对流云出现在ECO和EUO区域较多。

(3)不同云型的出现频次最多的季节也是不一样的，普遍上各类云在春季的发生频率都处于中间范围。层积云和卷云的发生频率的月变化具有明显相反的变化趋势，其中卷云夏季最高，冬季最低，层积云则是夏季最低，冬季最高。高层云和雨层云的发生频率的月变化具有相似趋势，多出现在冬春季节，夏季出现最少，且在陆地上居多。这些趋势变化和各类云的形成条件符合时间上的一致性。积云和高积云在夏秋季节出现较多，而积云多出现在海洋，高积云多出现在陆地。少量的深对流云在ECECO区域在夏季有一个较高的出现频率。层云全年几乎没有明显变化。

总体而言，3个气溶胶主要排放地区和邻近海洋中的8种单层云的发生频率具有不同时空分布及变化。针对出现频率较高的卷云、高层云、高积云、层积云，积云和雨层云这6类云，可以深入研究这些云的微物理特征以及云高，云厚等垂直结构特征，更加全面地了解各类云型的特征。鉴于深对流云和层云的探测数据较少，对于这两类云的深入研究，需要从其他的资料去研究其特性问题。除气候影响外，云的形成和发展还与下层表面，大气气溶胶成分和人类活动的不同特征有关。

本文选取人为排放导致大气污染严重的北半球主要污染排放区及其邻近清洁的海洋区域，从空间上探究大陆与海洋上云型发生频率的差异，从时间上研究云型发生频率的变化关系。在此基础之上，本文的研究内容需要更加深入地探究造成各类云型分布特征在不同地区或者不同季节上的差异的原因，并且在定性分析各类云的发生频率的基础之后，后续的研究内容需要使用具体的参数去展现海陆地区气溶胶的差异，再定量分析气溶胶与各类云型之间的关系，探究大气中与气溶胶影响关系比较密切的云型特征。