基于CloudSat和Aqua卫星资料的北疆一次暴雪过程中云的宏微观物理属性

刘岩，马骁骏，李浩，黄观，杨再福，陈勇航，崔彩霞，邓军英，凌燕

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.成都信息工程学院资源环境学院，四川成都 610000；3.新疆气象局，新疆乌鲁木 齐830002）

基于CloudSat和Aqua卫星资料的北疆一次暴雪过程中云的宏微观物理属性

刘岩1，马骁骏1，李浩1，黄观2，杨再福1，陈勇航1，崔彩霞3，邓军英1，凌燕1

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.成都信息工程学院资源环境学院，四川成都 610000；3.新疆气象局，新疆乌鲁木 齐830002）

采用CloudSat卫星资料2B-CLDCLASS及2B-CWC-RVOD数据集和Aqua卫星资料的CERES Aqua MODIS Edition 3A数据集，针对2010年12月2—4日北疆地区一次暴雪过程分析了云的类型分布、冰粒子等效半径、低层云等效高度等宏微观物理属性的垂直分布及空间分布情况。结果表明，此次暴雪过程中，云层分布在12 km以下，云中冰粒子等效半径和冰水含量均随云层高度增加而减少，冰粒子数浓度在垂直高度上呈单峰分布，高值分布在云层中部5.5 km处。北疆地区暴雪前和暴雪后基本为低层云云量小于40%的低值区，暴雪时则为大于60%的高值区，云等效高度暴雪前和暴雪后大多为小于6 km值域区，暴雪时为大于6 km的高值区。

CloudSat；Aqua；宏微观物理属性；垂直分布；空间分布

占国土六分之一的新疆以天山为界分为南北疆。北疆是我国主要农牧区，地域辽阔，地形复杂，干旱半干旱气候使得生态环境脆弱，灾害性天气较多。而暴雪是其主要的自然灾害之一，对农、林、牧业、交通、电力、通信等造成严重影响，也给春季防洪以及雪崩、泥石流等次生地质灾害的防御带来巨大压力。北疆暴雪具有降雪量级大，降温幅度强，范围广及持续时间长等特点，带来的雪阻、雪崩及风吹雪的危害最大[1]，因此做好暴雪的预警预报对防灾减灾有着重要的现实意义。

已有不少工作从天气学角度对历史上北疆暴雪个例形成的机理及背景场等进行了诊断分析及数值模拟研究[2-9]，如张书萍[10]分析了2009年冬季发生在我国新疆阿勒泰地区持续的水汽和环流异常特征对该地区持续性暴雪的影响，赵俊荣[11]利用2010年1月实况资料和T639预报资料，分析了新疆北部阿勒泰地区罕见连续性暖区大暴雪天气的特征及其形成的原因，赵正波[12]基于新疆阿勒泰地区7个测站1961—2011年逐日降水量，研究了该地区大到暴雪日数的气候特征。可见，目前对北疆地区暴雪的研究主要集中在阿勒泰地区，而对整个北疆地区的研究较少。

近年来，随着卫星技术和云反演技术的发展，国内外有些学者利用高空间分辨率的CloudSat、Aqua等卫星资料对云的光学特性、辐射强迫等进行了研究。杨冰韵[13]利用CloudSat卫星资料对云的微物理特征量以及云光学参数统计分析了全球和东亚地区的分布情况，并与气候模式进行了比较；邱学兴等[14]利用Aqua卫星资料进行了新疆山区低层云水资源时空分布特征研究；王洪强等[15]利用Aqua卫星资料对新疆阿尔泰山、天山和昆仑山三大山区分析了总云量的多年平均时空分布特征。Luo等[16]利用CloudSat资料对比分析了东亚地区和印度季风区的云垂直结构及其季节变化特征。Wu等[17]通过对比CloudSat和MODIS等数据集，分析了全球冰云的物理量参数分布情况。上述研究为本文的工作提供了有价值的借鉴，但对暴雪过程中云的宏微观物理属性三维空间分布的研究，目前尚罕见。而云物理属性的微小变化都能影响云的结构及降水，因此本文应用高分辨率的CloudSat和CERES卫星资料，对发生在北疆地区的一次暴雪过程中云物理属性的时空变化规律进行研究，以期更好地认识暴雪的物理机制，为其预报预警提供参考。

1 资料与方法

本文采用CloudSat卫星资料2B-CLDCLASS和2B-CWC-RVOD数据集以及“云与地球辐射能量系统CERES（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System）”的CERES Aqua MODIS Edition 3A数据集。CloudSat是美国宇航局（NASA）启动的“地球观测系统科学探路者（ESSP）”计划中的一颗卫星，是为了获得以往卫星测量系统无法获得的云特性而设计的。CloudSat卫星位于705 km高度的太阳同步轨道上，其上的主要有效载荷为一个94 GHz的3 mm波云廓线雷达（CPR），该雷达是一部天底垂直观测雷达（nadir-looking radar），倾角为89°,它的基本参数为：脉冲宽度3.3 μs，脉冲重复频率（PRF）4 300 Hz，数据窗口0～30 km，天线直径1.95 m。Cloudsat卫星绕地球一周的扫描轨道约为99 min，每天约有14～15个扫描轨道。一个轨道长度大约是40 022 km，每个轨道约有37 000个星下像素点，每个像素点的星下点波束覆盖宽度的沿轨分辨率2.5 km，横轨分辨率1.4 km，垂直分辨率是500 m。每个垂直剖面上共有125个垂直层，每层厚度240 m，即垂直探测范围是从地面到大约30 km高度。

美国宇航局NASA发布的CERES SSF Aqua MODIS Edition 3A云资料采用了比ISCCP C2和D2资料（空间分辨率为2.5°×2.5°）更高的空间分辨率。CERES资料中的云特性产品，是由搭载在Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪MODIS（Moderateresolution Imaging Spectroradiometer）每日获取的瞬时观测数据反演得到的。其分析处理方法是在以往的科学实验如国际卫星云气候计划（ISCCP）和地球辐射收支实验ERBE（Earth Radiation Budget Experiment）奠定的基础之上经过改进而来的，对每个像素点，CERES系统用最先进的方法来获取云顶/云底的温度和气压、等效辐射中心、云粒子的相态和等效尺度、在0.65 m波长处的云光学厚度、在10.8 m波长处的云发射率以及云的液相和冰相云水柱含量（water path）等参量，因此其准确性更高，可以用来研究具有不同地形条件的小地域上空云的特性。CERES SSF Aqua MODIS Edition 3A资料把云分为两种：低层云（lower layer cloud）和高层云（upper layer cloud）。

本文利用CloudSat卫星资料2B-CWC-RVOD和2B-CLDCLASS数据集对北疆地区云的分类和云微物理属性冰粒子等效半径、冰粒子数浓度及冰含水量的垂直分布特征进行分析，并结合Aqua卫星资料对新疆北部的低层云的云量和云等效高度的空间分布进行研究。本文选取了2010年12月2—4日北疆范围（40°～50°N，75°～95°E）出现的一次暴雪过程的CloudSat卫星监测数据，共1 050个像素点，选取了Aqua卫星同时段同经纬度范围的卫星数据，对0.5°×0.5°网格点内的所有像素点上的数据求平均，得到样本数见表1。

2 结果与分析

2.1 暴雪过程概况

2010年12月2—4日新疆北部先后出现了入冬以来首场寒潮暴雪灾害天气，阿勒泰、裕民、富蕴和额敏的部分地方出现暴雪，形成13～41 cm的积雪，降水量为12.5～26.2 mm，同时大部分地区日平均气温降幅达12～16℃[18]。此次暴雪灾害天气造成塔城市33 097人被困，裕民交通中断、停电、停暖，富蕴倒塌了10间大棚和50间房屋，受灾人口达3.5万人，给北疆的农林牧业生产、交通运输和人民的日常生活等方面带来很大危害，造成极其严重的损失，因此选取了此次暴雪过程。图1为12月2—4日北疆地区暴雪各站点过程降水量。

2.2 云分类及微物理属性的垂直分布特征

2.2.1 云分类及分布

为了研究此次暴雪过程中云的类型，利用2BCLDCLASS云分类算法，根据云的水平和垂直属性、是否产生降水、温度以及MODIS测得的向上辐射等信息将云分成高云（high）、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（deep）8类。此次降雪过程中出现的云类有高云、高层云、层云、层积云、积云、雨层云和深对流云这7种，主要以深对流云和高层云为主（图2）。

2.2.2 云微物理属性垂直分布

研究云中粒子等效半径、数浓度及水含量可以更好地认识暴雪的物理过程，为暴雪的预警预报提供参考。研究发现，云与暴雪的形成和发展除了受动力和热力条件影响外，云内部的微物理过程也起着重要作用[19]。暴雪形成的条件随云垂直结构的不同而不同，因此，分析云微物理属性大小及分布，对研究云的发展、暴雪形成过程和机制等方面都很有价值。本文通过对冰粒子等效半径、冰粒子数浓度和冰水含量的垂直剖面图和垂直分布进行了分析。

图3给出了云冰粒子等效半径、冰水含量和冰粒子数浓度的垂直剖面图和垂直分布。冰粒子等效半径主要分布在12 km以下，数值随高度的增加而减小，且高值集中分布在云层底部，经纬度大致范围为42°～47°N、81.5～83.5°E，低值则基本分布在云顶（图3a）。冰粒子等效半径随高度增加呈线性递减，最小值为42.65 μm，出现在云层10.8 km处，最大值为112.46 μm，出现在云层底部1.2 km处（图3b）。

从冰水含量的垂直剖面图（图3c）可知，冰水含量主要分布在12 km以下，随高度的增加数值逐渐减小，且高值集中分布在云底，经纬度范围为42°～ 47°N、81.5°～83.5°E，低值则基本分布在云层顶部。由冰水含量垂直分布（图3d）可知，冰水含量随高度增加逐步减少，最后趋于稳定，最小值为3 mg/m3，出现在云层顶部11 km处，最大值为152.66 mg/m3，出现在云层底部1.2 km处。这与陈勇航等[20]针对中天山附近强降雨过程中云冰水含量随高度呈近似正态分布变化不相符合，也说明强降雨与暴雪过程中云的冰水含量这一微物理属性垂直分布特征是有差异的。

从冰粒子数浓度的垂直剖面图（图3e）来看,冰粒子数浓度主要分布在0～12 km高度层上，高值大致分布在云层中部5～10 km处，经纬度范围为42°～ 47°N、81.5°～83.5°E，低值则分布在云顶和云底部。由冰粒子数浓度的垂直分布（图3f）可知，冰粒子数浓度在垂直高度上呈单峰分布，最小值为13.2 L-1，出现在云顶11 km处，最大值为91.06 L-1，出现在云层5.5 km处。在云层底部1～2 km处，冰粒子数浓度主要集中在68～69 L-1，在云顶9～10 km处，则数值主要为27～29 L-1。

2.3 低层云宏微观物理属性的空间分布特征

表2是根据Aqua卫星资料反演得到的数据进行整理统计得出的低层云云量和低层云等效高度这两个微物理属性的最大、最小值及其平均值。根据表2可以看出，对于低层云云量来说，最小值在12月2—4日呈上升趋势，最大值则呈下降趋势，而日平均则为单峰变化；就云等效高度来说，最小值、最大值和日平均值都呈单峰变化，12月3日暴雪时的各数值都为这三日中最高值。

本文将新疆北部地面24 h降水量资料进行整理，结合12月3日北疆地区出现暴雪及以上的8个地区Aqua卫星反演资料，对低层云云量和云等效高度这两个物理属性进行统计计算得到表3。由表3可知，低层云云量和云等效高度与24 h降水量关系性不大，这可能与24 h降水量数据非瞬时对应有关。低层云云量的最小值为59.02%，出现在哈巴河，24 h降水量为7 mm，最大值为90.93%，出现在阿勒泰，降水量为12.5 mm。云等效高度的最小值为7.12 km，出现在吉木乃，24 h降水量为6.6 mm，是8个暴雪地区中降水量最小区域，最大值则为9.49 km出现在富蕴，24 h降水量为12.8 mm。根据表3结合表2可以看出8个地区的低层云云量、云等效高度均大于12月3日暴雪时两个参量的日平均量；低层云云量的8个地区平均值为73.04%，是12月3日暴雪时平均值的1.6倍，云等效高度的8个地区均值为8.06 km，是12月3日暴雪时平均值的1.35倍，这反映了暴雪地区低层云云量比非暴雪区域明显多，云等效高度也明显较高。

2.3.1 低层云云量

由12月2日低层云云量的空间分布（图4a）可知，暴雪前的12月2日北疆地区低层云云量大多低于20%，大于20%的值域区主要分布在天山中部、博罗克努山北部和阿尔泰山区，大于40%的高值区主要集中在博罗克努山西北部和阿尔泰山西南部，大于60%的低层云云量分布在哈巴河和布尔津地区。小于20%的值域区主要为博罗克努山北部和天山山区北部。

图4b给出了12月3日暴雪时北疆地区低层云云量的空间分布。从图中可以看出，小于20%的低值段主要分布在天山南部，20%～40%的低层云云量集中在天山中部和博罗克努山南部。低层云云量大于40%的高值段主要分布在博罗克努山北部和天山山区北部，与表3中给出的8个暴雪区域范围基本相一致。这与山脉的迎风坡气流抬升容易形成云有关，可见，山脉地形对云量的分布有很大的影响，地面观测资料的分析也表明低层云云量和地形分布吻合较好[16]。

从图4c可以看出，暴雪后的12月4日北疆地区大于40%的低层云云量主要分布在天山南部和博罗克努山中部，低层云云量大于60%的高值区主要集中在吐鲁番盆地和库木塔格沙漠地区。小于40%的值域段主要分布在天山北部，小于20%的低值段主要在阿尔泰山西南部。

2.3.2 云等效高度

由暴雪前的12月2日云等效高度的空间分布（图5a）可知，北疆地区云等效高度大多低于6 km，小于3 km的低值段主要分布在天山南部和准格尔盆地区域，云等效高度在3～6 km高度层的主要集中在天山山区西南部、博罗克努山一带及阿尔泰山西南部。等效高度大于6 km的高值段云层主要分布在博罗克努山西部、哈巴河、布尔津和吉木乃一带。

图5b给出了12月3日暴雪时北疆地区云等效高度的空间分布。等效高度小于3 km的云层主要分布在天山南部塔里木盆地区域，3～6 km等效高度的云层主要集中在天山南部和吐鲁番盆地区域。天山北部和库木塔格沙漠地区的低层云等效高度大于6 km，大于9 km的高值段主要分布在哈巴河、阿勒泰、富蕴、清河地区及北塔山西南部。根据表3可知，该区域的24 h降雪量约7 mm以上，最大达到12.8 mm，为暴雪区。结合图6a和6c看出，降雪前后该区域的低层云等效高度都不大于6 km，可见，云等效高度与降雪具有相关性。

从图5c可以看出，暴雪后的12月4日北疆地区低层云等效高度小于6 km的值段主要分布在阿尔泰山南部、博罗克努山和天山山区北部，等效高度小于3 km的低值段云层主要集中在塔城、裕民、额敏、托里和古尔班通古特沙漠一带，值域段在3～6 km的云层主要分布在阿尔泰山西南部、博罗克努山区。低层云等效高度大于6 km的云层主要在博罗克努山—天山南部。

3 结论

本文针对2010年12月2—4日北疆地区一次暴雪过程，利用美国宇航局NASA发布的CloudSat卫星的2B-CLDCLASS及2B-CWC-RVOD数据集和CERES Aqua MODIS Edition 3A数据集分析了云的类型分布、冰粒子等效半径、低层云等效高度等宏微观物理属性的三维空间分布情况，为暴雪的预报预警提供新的科学参考依据。

（1）此次暴雪过程云层分布在12 km以下，云类型主要以深对流云和高层云为主。

（2）云中冰粒子等效半径和冰水含量均随云层高度增加而减少，且最大值都出现在云层底部1.2 km处，最小值则分别出现在云层顶部10.8 km和11 km处；冰粒子数浓度在垂直高度上呈单峰分布，高值分布在云层中部5.5 km处，低值在云顶和云底部。

（3）12月3日暴雪时的低层云云量和云等效高度的日平均值分别为45.919%和5.992 km，都大于暴雪前的12月2日和暴雪后的12月4日平均值；12月3日8个暴雪区域的低层云云量和云等效高度均大于当日北疆地区平均值，暴雪地区低层云云量明显多于非暴雪区域，云等效高度也明显较高。

（4）暴雪前和暴雪后北疆基本为低层云云量小于40%的低值区，暴雪时则为大于60%的高值区，山脉地形对低层云云量影响较大，地形分布与低层云云量吻合较好。暴雪前和暴雪后北疆地区云等效高度大多为小于6 km值域区，暴雪时为大于6 km的高值区，与暴雪区域相一致。

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Cloud Macro and Micro Physical Properties During a Snowstorm Based on CloudSat and Aqua Satellite Data

LIU Yan1，MA Xiaojun1，LI Hao1，HUANG Guan2，YANG Zaifu1，CHEN Yonghang1，CUI Caixia3，DENG Junying1，LING Yan1
（1.College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.College of Resource and Environment，Chengdu University of Information Technology，Sichuan Chengdu，610000,China；3.Xinjiang Meteorological Bureau，Urumqi 830002，China）

Using CloudSat satellite data sets of 2B-CLDCLASS and 2B-CWC-RVOD and CERES Aqua MODIS Edition 3A data sets,the vertical distribution of cloud microphysical properties such as ice effective radius,ice water content and ice number concentration and the spatial distribution of cloud macro-physical properties such as cloud amount and mean cloud effective height for low layer cloud in a snowstorm of Northern Xinjiang were analyzed in 2010 December 2nd-4th.The results showed that,during the snowstorm,the clouds were distributed below 12 km,and ice effective radius and ice water content were increased along with the cloud height increasing.The ice number concentration showed a unimodal distribution in vertical height,and the high values of ice number concentration were distributed in the clouds at the central which were in 5.5 km.The values of cloud amount for low layer cloud were less than 40%before and after the snowstorm while those were greater than 60%in the snowstorm.The values of mean cloud effective height for low layer cloud were less than 6km before and after the snowstorm while those were greater than 6 km in the snowstorm.

CloudSat；Aqua；macro and micro physical properties；vertical distribution；spatial distribution

P407

A

1002-0799（2015）02-0009-07

刘岩，马骁骏，李浩，等.基于CloudSat和Aqua卫星资料的北疆一次暴雪过程中云的宏微观物理属性[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（2）：9-15.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.02. 002

2014-08-06；

2014-11-27

国家科技部公益性行业科研专项（GYHY201106007）；国家科技支撑计划项目（2012BAC23B01）；国家自然科学基金项目（41175026）；中国沙漠气象科学基金（Sqj2012002）共同资助。

刘岩（1990-），女，硕士研究生，研究方向为云水资源和大气环境。E-mail：message0605@gmail.com

杨再福（1963-），男，副教授，E-mail：zzfyang@dhu.edu.cn

陈勇航（1965-），女，教授，E-mail：yonghangchen@126.com