福建省及周边地区云类型的主动卫星检测*

张玉轩 吕巧谊 郑 辉 江慧远

福建省及周边地区云类型的主动卫星检测*

张玉轩1,2吕巧谊1,2郑 辉1,2江慧远3

（1.厦门市气象台，厦门市气象局，福建 厦门 361012，2.海峡气象开放实验室，厦门市气象局，福建 厦门 361012，3. 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044）

利用CloudSat和CALIPSO卫星融合云分类产品2B-CLDCLASS-LIDAR 2007-2010年观测资料，研究福建省及周边地区云系的构成、发生频率、垂直结构特征。研究结果表明，云系的层数以一层为主，且其发生频率约是双层云系统的2倍或多层云系统的4倍。在单层状态下，层积云、高积云和高云是主导云类型，在全年的占比之和达70.8%。而在双层状态下，这三种云类型相互重叠出现的情况也最频繁。与双层云系统和三层云系统相比，单层云系统的云底高度或云顶高度均要高于它们的最底层云或最上层云。此外，由于各季节的主导云类型不同，云系的垂直结构呈现出明显的季节变化，表现为夏季云分数廓线在15.5km处达到峰值，而冬季则在3.5km处达到峰值。

福建省及周边地区 不同云类型 发生频率 垂直云结构 主动卫星

1 概述

一些模式的模拟研究指出：不同模式对云宏、微观物理特性的描述差异会直接导致模拟结果存在很大差异，从而使得云成为影响气候变化预测准确性的重要因子。大量研究根据云的宏、微观物理特性对云进行了分类，譬如：中国云图分类标准和国际卫星云气候计划（ISCCP）将云划分为卷云、高层云、高积云等类型。研究结果表明，不同类型的云受其宏观和微观物理特性差异的影响，在辐射效应和降水类型等方面存在明显的差异。因此，研究不同云类型对于准确理解地气系统辐射能量收支、降雨的分布，以及全球气候变暖等问题都具有重要意义。

过去，气象观测站基于传统观测方式获取的云量、云高和云状等数据在精度方面存在较大不确定性，并且资料的空间分辨率也较差。卫星上搭载的被动遥感仪器虽然一定程度上解决了气象观测站空间分布稀疏的局限，但其接收的云顶辐射信息仍难以准确反演云层的垂直结构特征。直至2006年，CloudSat和CALIPSO卫星成功发射，其搭载的主动遥感仪器实现了全球范围内云层垂直结构的观测。由于这两颗卫星运行轨道一致且过境同一地点的时间间隔很短，它们的观测资料能够融合互补，为研究全球云层三维结构提供重要的数据支持。目前，该卫星产品也已被广泛应用于云层垂直结构分析和云微物理特性廓线反演等相关研究中。

福建省及周边地区地处亚热带海洋性季风气候区，山丘多，平原少。在这种特殊的气候和下垫面条件下，全年和各个季节盛行什么类型的云，以及它们的垂直结构特征如何，仍缺乏足够的认识。为此，本文利用主动卫星观测资料分析福建省及周边地区不同云类型的发生频率及其垂直结构特征。研究结果将有助于完善福建省及周边地区的气候分析，并且对人工增雨作业的开展有一定的参考意义。

2 数据和研究方法

2.1 数据

本文主要使用CloudSat和CALIPSO两颗卫星观测资料融合反演的云分类产品2B-CLDCLASS-LIDAR。该产品结合了星载毫米波云雷达（CPR）与激光雷达（CALIOP）各自的探测优势，使CloudSat无法探测到的光学薄云和CALIPSO无法穿透的光学厚云能被同时探测到，因而能提供大气中较为完整和准确的云垂直分布信息。该产品结合了主动遥感装置（云雷达和激光雷达）的有效垂直检测和其他被动遥感仪器（如红外或微波辐射计）的辅助测量来对云进行分类。在反演云类型的过程中，采用了阀值与模糊理论分类方法，将云分为高云、高层云、高积云、层云、层积云、积云、雨层云和深对流云等8种云类型。表1给出了在本文中该产品所选取的时间跨度及参数。

表1 研究所用数据的名称、选取的时间跨度及参数

2.2 研究方法

选取23°~29°N，115°~121°E的区域作为研究区域，见图1。选取了2007年1月至2010年12月过境的卫星轨道资料开展研究。不同序号轨道带上的卫星轨道数量约59~71，而观测廓线数量则可达4万多条（见表2）。其次，将云层数为1、2或3的观测廓线分别归为单层云系统、双层云和三层云系统，而云层数大于或等于3时归为多层云系统。进一步，根据云类型参数，将单层云系统和双层云系统分为高云、高层云、高积云、层云、层积云、积云、雨层云和深对流云等8种类型及其组合。最后，根据云顶高度和云底高度等参数，深入分析福建省及周边地区云系统的垂直结构特征。值得说明的是，根据福建的地理位置和天气气候的演变规律，本文将福建自然天气季节划分为：3~6月为春季、7~9月为夏季、10~11月为秋季，12月至翌年2月为冬季。

图1 CloudSat和CALIPSO卫星过境中国福建省及周边地区( 23°-29°N，115°-121°E)的地面轨迹（黑色虚线为福建省省界，而灰色线为卫星地面轨迹）

表2 不同卫星轨道的轨数及观测廓线数量

3 分析结果

3.1 不同类型云系统的发生频率

根据李积明等的定义，统计了单层云系统、双层云系统和多层云系统的发生频率，即观测到的单层云系统（双层云系统或多层云系统）的廓线数量与廓线总数的比值（见表3）。可以看到，单层云系统全年41.7%的发生频率约是双层云系统（21.7%）的2倍或者多层云系统（9.8%）的4倍。在不同季节条件下也有相似结果，即单层云系统远高于双层和多层云系统。这可能与研究区域的地形地势、海陆差异以及台风有关。此外，单层云系统发生频率的季节差异小于双层云系统和多层云系统。在冬季和春季，单层云系统的发生频率差异最大，但仅为2.6%，而双层、多层云系统的冬春差异则分别为12%和11.5%。值得注意的是，单层云系统发生频率表现为春季最低（40.8%）和冬季最高（43.4%），而双层、多层云系统则表现为春季最高（28.1%和15.3%）和冬季最低（16.1%和3.8%）。这表明，季节间热动力条件、水汽条件甚至气溶胶的差异将能影响云层的重叠情况。

表3 单层云系统、双层云系统以及多层云系统的全年和四季发生频率

3.2 单层云系统中不同云类型的占比

图2为单层云系统中8种不同云类型（包括高云、高层云、高积云、层云、层积云、积云、雨层云和深对流云）所占的比例的统计结果。就全年而言，层积云（26.9%）、高积云（24.2%）、高云（19.7%）和积云（10.7%）占单层云系统的比重达81.5%，表明它们是构成福建省及周边地区单层云系统的主要云类型。就季节而言，高云在夏季占比最大（45.3%），夏季地表受日照强烈加热影响，极易在近地层形成绝对不稳定层结，有利于云顶高度较高的高云发生。深对流云在春季比重最大（7.3%），福建春季常出现冰雹等强对流天气过程，有利于深对流云发生。此外，高积云在春季、秋季和冬季的比重都超过20%，特别是冬季的比重达33.2%，这与王帅辉等人的研究结论相一致。福建省及周边地区秋季和冬季存在的大量单层形式的层积云，比重均超过30%，这也与安洁的研究结论相似。

图2 不同季节，单层云系统中不同云类型所占比重

3.3 双层云系统中不同云类型组合的样本数

图3为双层云系统中8种云类型相互重叠情况出现频次的统计结果。可以看到，一些搭配组合在真实大气中是不存在的。例如，层积云并不会出现在高云的上层。高云/高积云、高云/层积云、高积云/层积云样本数量远大于其他双层云类型，是构成研究区域双层云系统的主导云类型。这可能是因为层积云、高积云和高云在单层状态下大量存在，其彼此间更容易重叠出现。高云所在大气高度较高，底层有更大的垂直大气空间留给其他云类型发生发展，可以看到高云与不同云类型重叠的情况发生较为频繁。在不同季节，福建省及周边地区主导的双层云类型存在一定差异，高云/高积云和高云/层积云两种双层云类型在春季和夏季占主导地位，但在秋季和冬季，相比其他双层云类型出现概率不高；高积云/层积云在秋季和冬季出现概率高，但在春季和夏季则较低。

图3 不同季节，双层云类型在不同组合条件下的样本数量

3.4 云分数剖面结构

作为云层宏微观物理特性的重要参数，不同类型云系统的垂直结构特征需进一步分析。图4分别给出了过境轨道上的云分数剖面结构，轨道2、3、6和7收集到了福建省内云层垂直结构的宝贵信息。轨道2沿着福建省最南部漳州市横穿至最北部南平市，可以看到漳州市云分数超过10%的面积集中出现在对流层上层12~17km范围内，这可能与其东南部海域对流层高层大范围（12.5~17km）的云分数高值区（超过20%）有关。随着纬度向北，对流层各个位置出现云层的概率增大。在福建省北部，7.5km以下云层的出现概率均超过20%，表明研究区域可能盛行中低云系统。这种差异可能受福建省特殊地形影响，福建省以山地丘陵为主，地势呈现西北高、东南低的特点，地形引起的动力抬升和充沛的水汽供给有利于促进云层在低层大气形成并向上发展。轨道3、6和7的云分数剖面图也进一步证实该结论，可以看到福建省东南部云分数高值区出现在2.5km附近的低层大气，而北部云分数高值区垂直覆盖范围较大，可向上延伸至12.5km附近（见轨道6）。

图4 卫星过境轨道上对应的云分数剖面结构

3.5 云分数垂直分布

图5为云分数廓线全年及季节平均的统计结果。就年平均而言，云分数廓线呈现双峰结构，分别在2.25km和12.25km达到峰值，且双峰间10km垂直大气柱内云分数均较大。这表明在福建省及周边地区垂直大气柱中云水资源丰富，各个高度云层形成的概率均较大。就季节平均而言，可以看到春季和夏季的云分数随着高度增加均存在显著的增加，分别约在12.25km和15.5km处达到最大值，主要是由于高云在春夏季有较高的发生频率。而高积云、层云、层积云和积云等在冬季盛行且都有较低的云底高度。因此冬季节云分数廓线在3.5km处达到峰值后随高度增加逐渐降低，且在7.5km以上大气均表现为低于5%，远小于春季和夏季。

图5 云分数全年和各个季节平均的垂直廓线

3.6 不同类型云系统的云底和云顶高度

图6为单层云系统、双层云系统和三层云系统的云底高度和云顶高度全年及季节平均的统计结果。就全年平均而言，单层云系统的云底高度（4.1km）要高于双层、三层云系统（2.7、2.3km），而其云顶高度（6.5km）则低于双层、三层云系统（10.1km和12.2km）。就季节平均而言，单层云系统、双层云系统和三层云系统各个云层的云底和云顶高度均表现为夏季最高，春秋次之，冬季最低。例如，单层云系统的云底和云顶高度在夏季分别高达6.8、9.8km，而在冬季则仅为2.5、3.9km，其夏冬季节差异可达4.3、5.9km。单层云系统、双层云系统以及三层云系统的各云层均在春季和夏季有较大的厚度。

图6 不同季节，单层云系统、双层云系统以及三层云系统中各云层的云底和云顶高度平均值（柱子的底部和顶部分别代表云底和云顶高度平均值）

4 结论

（1）就全年而言，单层云系统发生频率约为双层云系统的两倍以及多层云系统的4倍，表明单层云系统是福建省及周边地区云系的主要构成。而单层的层积云、高积云和高云的占比之和高达70.8%，表明其为单层云系统的主导云类型。并且，这三种云类型相互重叠组成的双层云系统，即高云/高积云、高云/层积云和高积云/层积云也有最高的出现概率。就季节变化而言，单层云系统的最小和最大发生频率分别出现在春季和冬季，而双层以及多层云系统则相反。

（2）就全年而言，云分数廓线表现为双峰结构，且云分数在双峰之间10km范围内均较大，表明福建省及周边地区在各大气高度均有较丰富的云水资源。对比双层云和三层云系统，单层云系统年均的云底高度和云顶高度分别高于和低于它们的最底层云和最上层云。就季节变化而言，夏季和冬季的云分数廓线的峰值所在高度有较大差异，分别为15.5km和3.5km。对于不同云层数目的云系统，各个云层的云底高度以及云顶高度也都表现为夏季最高而冬季最低。

[1] 安洁. 基于CloudSat资料的东海及周边云层垂直分布特征[J]. 海洋预报, 2018,35(5): 60-73.

[2] 李积明, 黄建平, 衣育红,等.利用星载激光雷达资料研究东亚地区云垂直分布的统计特征[J]. 大气科学, 2009,33(4): 698-707.

[3] 林新彬,刘爱鸣,林毅,等.福建省天气预报技术手册[M]. 北京: 气象出版社, 2013.

[4] 汪方, 丁一汇, 2005. 气候模式中云辐射反馈过程机理的评述[J].地球科学进展, 20(2): 207-215.

[5] 汪宏七, 赵高祥.云和辐射(I): 云气侯学和云的辐射作用[J]. 大气科学, 1994(Sl): 910-921.

[6] 王帅辉, 韩志刚, 姚志刚,等. 基于CloudSat资料的中国及周边地区各类云的宏观特征分析[J]. 气象学报, 2011,69(5): 883-899.

[7] 张春桂, 张加春, 彭继达. 福建有云覆盖下地表太阳辐射的卫星遥感监测[J]. 中国农业气象, 2014,35(1):109-115.

[8] 张华, 彭杰, 荆现文,等. 东亚地区云的垂直重叠特性及其对云辐射强迫的影响[J]. 中国科学: 地球科学, 2013,56(5): 737-747.

[9] 中国气象局.中国云图[M]. 北京: 气象出版社,2004.

国家自然科学基金项目“热带气旋不同强度变化下云特征及辐射效应的卫星检测” （编号：41805028）；福建省气象局青年科技专项“基于主动卫星资料研究福建省不同类型云系统的发生频率及云特征”（编号：2018Q02）；福建省气象局新录用研究生基层专项项目“云物理初始化在福建强降水数值预报中的影响研究”（编号：2019G04）。

吕巧谊，E-mail：414562004@qq.com。

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1673-8683(2020)01-0003-06