基于CloudSat/CALIPSO联合探测的南京地区卷云物理特性分析

潘红林，甘万英，马 诺，陆 辉，霍 文，杨兴华，杨 帆，周成龙

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐830002；2.阿克苏市气象局，新疆 阿克苏843000）

云是地球气候系统的重要组成部分，60% ～70% 的地球表面被云覆盖[1]，对于天气系统和气候变化的研究，云的物理特性是重要的考虑因素之一。云的辐射效应显著影响地气辐射收支的平衡[2]。云的存在，不仅减少了到达地表的太阳辐射，同时也阻挡了部分地表长波辐射能量的散失，对大气温度有直接影响。此外，云的模拟是数值模式中最大的不确定因素和难点之一[3]。云的探测为天气及气候模式提供初始场，不同类型云的降水潜力、内部动力特征和云的辐射效应都强烈依赖于其微物理特性[4]，故深入研究云的微物理过程对提高模式的准确性具有重要意义。例如，卷云是指由冰晶组成的层状、钩状、带状或纤维状的高云，它们是在全球范围内最经常出现的云型之一，卷云在对流层上部，能吸收地面长波辐射，对太阳短波入射辐射影响相对较小，在地气系统辐射收支中主要起增温作用，而其他类型的云则主要起辐射降温作用[5]。

CloudSat搭载的是94 GHz的毫米波云廓线雷达（CPR），侧重于探测光学厚度较厚的大尺度粒子组成的云层，能探测到云内部的信息，同时可以产生云中的液态水和冰水含量的垂直廓线，但它对上层的薄云观测不够细致。CALIPSO上装载的云气溶胶激光雷达（CALIOP），是一部双波长灵敏的偏振激光雷达，对薄云和纤细的云顶很敏感，其特别适合卷云的研究，但它很难透过较厚的云层观测到云内部结构的完整信息，且对卷云的年际变化目前还不能给出结论[6-7]。故二者联合的资料相辅相成，各自的探测优势明显。

目前利用CloudSat和CALIPSO卫星资料对云的研究主要集中于云的分布以及云的特征量分析两个方面。Sassen，et al[8]利用CloudSat和CALIPSO的探测结果研究了全球范围内卷云的分布情况，结果发现全球卷云平均发生率为16.7% ，研究主要侧重于云的分布规律。Grenier，et al[9]通过分析CloudSat和CALIPSO资料研究了极地薄冰云中云参数的分布和气溶胶的分布，该工作涉及了气溶胶、云和辐射的相互作用，有助于进一步了解极地气候的变化。彭杰等[10]对CloudSat卫星观测资料加以统计分析，将东亚地区划分为5个子区域，进一步细化了对东亚地区云的垂直分布特征。叶培龙等[11]利用2007年3月—2008年2月CloudSat及CALIPSO卫星相结合的云分类产品数据，分析了中国西部及周边地区云的垂直结构特征，研究结果表明：所有云的云顶和云底高度在不同高度的出现频率具有明显的区域和季节变化特征。霍娟[12]利用CloudSat和CALIPSO卫星云产品数据分析了2007年1月—2010年12月中国华北、日本海和太平洋地区的中云分布特征，研究结果表明，中云垂直及水平尺度从陆地向海洋逐步增加。Deng，et al[6]将几个A-Train卫星反演的冰云的微物理特性与实际探测的结果进行对比评估，并分析了结果差异性的原因，与反演算法的参数输入及假设粒子的形状大小等因素有关。卜令兵等[13]利用地基雷达观测资料，以光学厚度作为阈值，提出了一种卷云IWC的联合反演算法，其联合算法实现了更有效及更全面的卷云信息的反演。近年来，对于CloudSat和CALIPSO星载雷达的探测数据及产品的应用，主要是针对CPR和CALIOP的联合探测结果的统计分析及微物理参数反演算法的研究，包括对不同云种、不同区域的云分布及云的特征量分析的研究等。

由于南京地区位于东亚季风区，靠近北亚热带的北缘，是我国降水变化率比较大、多旱涝灾害的地区之一。如果能基于CloudSat和CALIPSO联合探测资料进行南京地区卷云的物理特性分析，将有助于得到该地区更精确的冰水含量、粒子尺度等非常重要的云物理参数，对深入了解卷云的辐射强迫具有重要意义，且可为气候模式开发与研究中关于云的特征参数量提供理论基础，从而可进一步提高人们对卷云的认识。

1 探测仪器及数据

“A-TRAIN”卫星观测系统由Aqua、CloudSat、CALIPSO、PARASOL和Aura五颗卫星组成，这些卫星相互配合在同一轨道上实现了准同步、主被动、多波段的对地球的联合观测[14]。CloudSat卫星的轨道高度为705.4 km，其跨轨分辨率为1.4 km，沿轨分辨率为2.5 km，垂直分辨率为0.25 km，与CALIPSO上搭载的CALIOP水平分辨率相同[15]，CALIOP，是一部双波长灵敏的偏振激光雷达，对薄云和纤细的云顶很敏感，特别适合卷云的研究。CloudSat卫星环绕地球一周约98 min，轨迹平均16 d重复一次，该轨道与太阳是同步的，它与CALIPSO卫星非常接近，二者时间仅相差12.5 s。

CloudSat的云雷达标准数据包含2个等级：（1）通过卫星搭载的云雷达直接得到的数据产品（level-1）；（2）根据level-1产品结合其他卫星产品反演得到的数据产品（level-2）。产品主要包括：雷达回波强度，云覆盖，雷达反射率，云的分类，液态水/冰水含量，辐射通量等（表1）。

表1 CloudSat主要数据产品

CALIOP是CALIPSO卫星最主要的探测设备，发射正交极化532 nm和1064 nm三组激光，得到532 nm大气后向散射信号的平行和垂直分量，532 nm波长大气总后向散射强度，1064 nm波长大气后向散射信号。本文使用CALIPSO中的Level1/Level 2（Level 2数据：与Level 1数据相对应的地球物理变量，以及使用多种仪器处理Level 1数据后得到的反演变量）数据产品，分析云的高分辨率垂直分布廓线。表2为Level 2产品的空间分辨率[16]。其中，海拔高度在8.2～20.2 km的范围内，有利于薄卷云的检测。

表2 CALIPSO Level 2数据资料空间分辨率

对于卷云，CloudSat卫星数据产品提供了其垂直结构特征，且在产品2B-CLDCLASS产品中定义了八种云类型的特征[17]（表3）。故认为云底高度大于7 km的为卷云[18]。因此，CPR和CALIOP对卷云的探测能力各有优势，联合使用二者探测数据能更准确地了解卷云的物理特性。

表3 CloudSat 2B-CLDCLASS定义的不同云类型的特征

本文选取以中国南京地区（中心经纬度：32.044°N，118.779°E，海拔高度：8.9 m）为中心，经纬度范围：31.044°～33.044°N，117.779～119.779°E为研究区域，地理位置区域见图1。本文所用数据产品主要是CloudSat发布的2B-CLDCLASS-LIDAR及2CICE，2B-CLDCLASS-LIDAR该数据产品是联合CPR和CALIOP探测的云分类产品，且提供较为准确且全面的云底、云顶高度、云分类信息；2C-ICE产品是集成了CPR和CALIOP的探测优势，基于反射率因子和衰减后向散射系数反演出的冰云微物理特性产品，包括：冰水含量、冰晶有效粒子半径等[19，20]。对于南京及周边地区，由于CloudSat及CALIPSO联合准同步扫描过境的区域仅提供了2007年1月—2010年12月完整年份的2B-CLDCLASS-LIDAR和2C-ICE的数据，为便于比较分析，故对南京及周边地区的4 a数据进行了卷云物理特性的统计分析，从而实现对其卷云的初步认识和了解。

图1 南京及周边地区地理坐标区域（31.04°～33.04°N，117.78°～119.78°E）

2 典型卷云特征分析

首先了解卷云的基本物理和垂直结构特征。本节挑选两个具有典型卷云特征结构的个例进行分析。

图2所选个例发生于2008年4月14日南京地区，该个例水平分布尺度范围较大，约几百公里，高度位于7～13 km范围，云顶及云底分布相对“平坦”，云厚约6 km，宏观分布上具有卷云的典型特征。同样，图2a、2b分别是CPR的反射率因子及CALIOP的后向散射系数分布情况，图2c和2d分别是该个例对应的CPR及CALIOP联合探测反演的云底及云顶高度。由于探测仪器的波长不相同，其对不同大小云粒子的探测能力不同，如图2a和2b中33.5°N附近CPR对上层较薄的云层不敏感，出现探测信号缺失的现象，而CALIOP不能有效穿透下层较厚的云层，可见单一仪器探测具有一定的局限性，不能有效反演得到云顶及云底高度。而图2c、2d是联合反演得到的卷云云顶和云底高度，相对更为全面、合理、有效。

图2 发生于2008年4月14日南京地区的典型卷云个例

图3 发生于2009年5月19日南京地区的典型卷云个例

图3所选个例发生于2009年5月19日南京地区。该个例水平分布尺度范围也较大，约700 km，高度位于7～12.5 km范围，云顶及云底分布相对“平坦”，云厚约5.5 km，宏观分布上具有卷云的典型特征。图3a和3b分别是CPR的反射率因子及CALIOP的后向散射系数分布情况，可看出，在30°N附近，CPR由于对薄卷云不敏感而出现缺测现象，而CALIOP由于信号衰减，不能穿透较厚的云层；图3c、3d和3e分别是该个例对应的CPR、CALIOP及二者联合探测反演的卷云冰水含量 （IWC，Ice Water Content），CPR和CALIOP联合反演的IWC有效弥补了单一探测仪器的局限性，获得了更为全面有效的IWC。图3f、3g分别是CPR及CPR/CALIOP二者联合探测反演的卷云粒子有效半径（ER，Effective Radius），联合探测的反演结果优于单一探测仪器的反演结果。相关文献指出，联合探测仪器反演的结果相对单一仪器探测结果更为精确、全面、合理、有效[19-20]。

本节所分析云体个例是两个典型的卷云个例，通过分析了解其宏观和微观物理垂直分布特征，得到CPR/CALIOP联合反演的卷云物理特性相对更为全面、有效、可靠。下面的章节中针对卷云物理特性等时空分布特征进行更详细的分析。

3 卷云的宏微观物理特性分析

3.1 宏观特性分析

3.1.1 卷云的发生率

云的发生情况尤其是不同云种的发生概率一定程度反映地区气候变化特征，该值同时在研究全球及局地辐射能量收支时亦很重要[12]。本文研究的南京地区卷云的总发生率（Pcirrus）定义为卷云廓线总数（Ncirrus）与云廓线总数（Nall）的比值，即Pcirrus=Ncirrus/Nall。对于宏观特性的分析研究中，本文选取的数据产品是CloudSat的2B-CLDCLASS-LIDAR，该数据产品是联合CPR和CALIOP的云分类，且提供较为准确且全面的云底、云顶高度信息。

图4给出了南京地区2007年1月—2010年12月春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—10月）及冬（12、1、2月）4季节中卷云发生率的对比，整体来看，2007—2010年的卷云在春季、夏季出现概率均高于秋季和冬季，且出现概率最大值在2009年的夏季，为16.15% ，最小概率在2009年的冬季，为0.20% ；在秋季，4 a的卷云出现概率呈现逐年递增的趋势，概率分别为3.22% ，4.43% ，6.39% 及8.59% 。总体而言，4 a的卷云出现概率均是春季和夏季大于秋季和冬季，这一情况在季节分布中亦是如此。

图4 南京地区2007年1月至2010年12月春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—10月）及冬（12、1、2月）四季节中卷云的发生率

3.1.2 云底、云顶高度的分布

除了云的出现频率对地气辐射有影响外，云底所处位置同样影响着地气系统短波和长波辐射收支与平衡。图5中分别给出了2007—2010年南京地区卷云的云底高度范围分布，全年来看，每年卷云云底高度出现频率随高度的增加呈递减趋势，且主要集中在7～8 km之间，云底高度最高频率出现在2009年的7～8 km之间，为29.33% ；云底高度最小频率出现在2008年的15～16 km之间，为0.12% 。图6给出了云顶高度的范围分布情况，云顶高度最高频率出现在2009年的9～10 km之间，为23.92% ，且在18～19 km之间，仅2008年出现该范围内的卷云，频率为0.19% 。此外，计算了不同年份的云底和云顶高度的年平均值和均方差（图7），整体来看，4 a的年平均云底、云顶高度相差较小，图7上同时给出各平均值统计结果的均方差。2007—2010年云底高度年平均值分别为：9.810，9.438，10.065，9.899 km， 均 方 差 分 别 为 ：2.116，1.938，2.433，2.125 km，可见2008年云底高度分布更为集中。云顶高度年平均值分别为：11.276，11.069，11.685，11.663 km，均方差分别为：2.284，1.853，2.525，2.231 km，可见2008年的云顶高度也更为集中。

图5 卷云云底高度的统计

图6 卷云云顶高度的统计

图7 卷云的云底、云顶高度的年平均值

3.2 微观特性的分布

CloudSat主要依据云体温度来区分粒子的相态，CALIPSO则通过分析CALIOP雷达探测到的退偏比和后向散射因子来区分粒子相态。云（冰）水含量以及有效粒子半径是描述云微物理特性的2个重要参数，同时是辐射传输模式以及气候模式中用于表述云物理特性的基本参数[12]。本节选取的数据产品是来自CloudSat的2C-ICE，该产品数据包含反演的IWC和ER。本节分别对卷云的两个基本物理参数分布特征进行统计分析，通过2007年1月—2010年12月共4 a发生的所有卷云个例进行统计，对比分布差异，可了解卷云的垂直结构特征。

3.2.1 冰水含量的分布特性

图8为卷云IWC的不同范围大小出现频率的统计分布（即卷云IWC在不同范围内出现的次数），通过该分析可了解卷云IWC范围大小以及在不同范围内的出现频率，分析时IWC的统计间隔为0.005 0 g/m3。总体来看，4 a的IWC的范围基本集中在0.000 0～0.050 0 g/m3，且随着范围的增加均呈递减趋势，且4 a的IWC最大频率集中范围均在0.000～0.005 0 g/m3之间，分别约占53.05% ，43.59% ，53.81% 及47.34% 。

图8 卷云冰水含量分布统计

3.2.2 粒子有效半径的分布特性

图9为粒子有效半径（ER）的范围大小统计分布（即卷云粒子ER在不同范围内出现的次数），通过该分析可了解ER的范围大小以及在不同范围内的出现频率，分析时ER的统计间隔为10 μm。总体来看，随着ER范围的增大，2007—2010年在不同ER范围内的频率均呈现先增大后减小的趋势，且各年的ER的范围基本集中在30～40 μm之间，频率分别为25.48% ，25.79% ，19.50% 及20.38% ，在该范围内2007年和2008年的出现频率相当，差异较小。

图9 卷云有效粒子半径分布统计

图10 卷云有效粒子半径、冰水含量的年平均值的对比

此外，本文还分析了2007—2010年不同年份的IWC和ER的年平均值的变化（图10），整体来看，4 a的年平均IWC、ER均呈现先递减再增加的趋势，IWC年平均值分别为：0.135 1 g/m3，0.088 1 g/m3，0.045 8 g/m3及0.082 7 g/m3，即2009年出现最小值；ER年平均值分别为：53.720 μm，51.613 μm，45.893 μm及47.231 μm，同样，2009年出现最小值。

4 结论

本文主要利用星载雷达联合探测数据反演产品对南京地区的卷云物理特性进行了统计分析，由于二者准同步探测的完整年限为2007年1月—2010年12月，故本文分析研究了4 a完整的准同步探测反演结果。包含卷云的宏观和微观物理特性，分析了卷云空间分布和季节分布特征，以及卷云的冰水含量（IWC）和有效粒子半径（ER）的分布情况。一方面通过分析了解南京地区卷云的物理结构特征，另一方面为气候模式或辐射传输模式典型高云参数输入和使用提供参考。研究的主要结论如下：

（1）统计分析表明4 a的卷云出现概率均是春季和夏季大于秋季和冬季，这一情况在季节分布中亦是如此。且出现概率最大值在2009年的夏季，为16.15% ，最小概率在2009年的冬季，为0.20% 。

（2）每年卷云云底高度出现频率随高度的增加呈递减趋势，且主要集中在7～8 km之间，云底高度最高频率出现在2009年的7～8 km之间，为29.33% ；云底高度最小频率出现在2008年的15～16 km之间，为0.12% 。云顶高度最高频率出现在2009年的9～10 km之间，为23.92% ，且在18～19 km之间，仅2008年出现该范围内的卷云，频率为0.19% 。4 a的年平均云底、云顶高度相差较小，分布较为稳定，云底、云顶高度年平均值在2009年均出现最大值，分别为10.065 km，11.685 km。

（3）总体来看，4a的IWC的范围基本集中在0.000 0～0.050 0 g/m3，且随着范围的增加均呈递减趋势。随着ER范围的增大，2007—2010年在不同ER范围内的频率均呈现先增大后减小的趋势，且各年的ER的范围基本集中在30～40 μm之间，频率分别为25.48% ，25.79% ，19.50% 及20.38%

（4）4 a的年平均IWC、ER均呈现先递减再增加的趋势，IWC年平均值分别为：0.135 1 g/m3，0.088 1 g/m3，0.045 8 g/m3及0.082 7 g/m3，即2009年出现最小值；ER年平均值分别为：53.720 μm，51.613 μm，45.893 μm及47.231 μm，同样，2009年出现最小值。

综上所述，南京地区位于东亚季风区，受局地对流活动、温度和水汽等因素的影响，2007—2010年，宏观特性呈现出较为稳定的发展态势，微观特性呈现先递减再增加的态势，2009年出现最小值。后期作者将致力于探究不同下垫面的云物理结构特征以及不同云种的物理特性，为气候模式或辐射传输模式提供更为丰富准确的云参数信息。