基于CERES 资料的东亚地区单层卷云物理特性时空分布特征

王羽佳，王 军，陈勇航，刘 琼，秦 艳，司钰文，刘 鑫，刘统强，邬贤文

（东华大学环境科学与工程学院，上海201620）

云在地球的覆盖率超过55%，在地气系统的辐射收支、水循环和水汽交换方面具有重要的作用[1-2]。东亚地区位于亚洲东部和太平洋西海岸，是季风的重要生成区和影响区，有着明显的风向季节转换及干湿季交替特征，易受全球气候变化的影响[3]。东亚地区的云特性，不少学者给出了研究结果，吴涧等[4]发现近20 a 东亚地区总云量和高、低云量呈现波动减少趋势。彭杰等[5-6]研究发现东亚地区单层云的出现概率在48%～52.2%，远大于多层云的15.8%～31.0%。张华等[7]得出东亚地区冰水路径值的范围基本在700 g/m2以下，而液态水含量范围＜360 mg/m3的结论。虽然已有的研究不少，但针对某一特定类型单层云的研究尚为罕见。卷云生成于对流层较冷的部分，组成成分多是不同形状和尺度的冰晶粒子[8]。由于形成高度较高且组成粒子形状不规则这两个特性，很难对卷云进行探测及表征，给气候模式中的精确计算带来困难[9-10]，且数值预报模式中各种物理参数方案对云的考虑主要建立在均一单层云假设的基础上[11]，因此急需对单层卷云的物理特性进行研究。

本文利用2003 年1 月—2016 年12 月的CERES SSF Aqua MODIS Edition 4A 云资料，对东亚地区单层卷云的云量、云厚、冰粒子等效半径、冰水柱含量、云光学厚度进行研究，以此来更具体地了解不同云特性对地气系统的影响机制，并为云辐射效应和气候环境预测提供参考依据。

1 资料与分析方法

CERES SSF 数据是通过反演分析Aqua 卫星上MODIS 仪器探测的每日瞬时数据而得到[12]。CERES的最低空间分辨率为20 km，可以用于处理中小尺度区域的云图像资料，具有较高的准确性和快速获取数据的能力[13]，从而有效弥补地面观测空间覆盖不足的缺陷[14]。本文主要分析的卫星反演物理量是云量、冰粒子等效半径、冰水柱含量和云光学厚度，同时还用到了经纬度、云层数、云层气压。单层卷云的云厚是通过云顶、云底气压以及压高公式计算得出。

本文利用ISCCP D2 云资料的分类方法，按照云顶气压将单层云（多层云）分为高云（<440 hPa）、中云（440～680 hPa）、低云（>680 hPa）3 类，然后根据云光学厚度再将不同类云细分为9 种，其中卷云属于高云，且云光学厚度＜3.6[15]。在空间上，东亚有着不同的气候类型和地形地貌，东南部是夏季风活动区域，区域内又有陆地区和海洋区之分，东北部是温带季风气候，西北部为干旱半干旱气候，西南部则因高海拔而有复杂的地域特性。因此，根据气候与地形对东亚地区进行分区研究十分必要。本文参照《中国自然地理》（1995）[16]的划分方法，将东亚地区（19°～53°N，74°～137°E）划分为5 个区域：西北地区、西部地区、北部地区、南部地区和东部海域（图1）。处理数据过程中，将东亚地区按经纬度划分为2°× 2°的网格，并选取所需要的物理量进行网格内平均，得到格点平均值，作为结果分析的依据。

图1 东亚地区分区

2 单层卷云的宏观物理特性

2.1 单层卷云的云量和云厚多年平均空间分布

图2 是单层卷云在东亚及其5 个子区域云量和云厚的多年年平均空间分布。东亚地区单层卷云量（图2a）范围集中在25%～46%，高低值区分布明显。在华北平原及太行山脉附近，由于东临渤海与黄海，水汽形成条件充分，使得该区域的单层卷云量较高（42%～46%）。范梦琪等[17]研究也表明青岛上空总云量远高于其他同纬度内陆地区，并且卷云出现频率最高。同时，西北地区蒙古与俄罗斯交界处也有少部分高值分布。单层卷云量的低值区主要分布在青藏高原喜马拉雅山脉附近和南部地区的横断山脉、云贵高原处，年均值低至25%～34%。在塔里木盆地、天山山脉处的单层卷云量相对较高，这可能是因为该地区受塔里木河的影响，水汽相对充足，加上青藏高原地形的抬升作用，易生成地形型卷云[18]。

图2b 为单层卷云的云厚在东亚地区的空间分布。总体来讲，东亚整个地区的单层卷云的云厚大部分都超过1.2 km，只在青藏高原靠近喜马拉雅山脉的地方有少量低于1.2 km 的低值存在。云的形成与水汽息息相关，水汽在青藏高原爬升的过程中会以降水的形式散失，可能使得青藏高原的云厚较薄。在南部地区的云厚分布范围集中在1.2～2.0 km，其中横断山脉、云贵高原、四川盆地直至华北平原一带的云厚较薄，不足1.6 km。日本岛、日本海、朝鲜半岛及附近区域的云厚较厚，多在2.0～2.4 km。

图2 2003—2016 年东亚地区单层卷云宏观物理特性的空间分布特征

2.2 单层卷云的云量和云厚年际变化

为进一步了解单层卷云云量和云厚的时间变化趋势，对东亚5 个子区域的年际变化进行分析。由图3a 可知，单层卷云量在不同区域有不同的变化规律。将5 个子区域进行对比，北部地区和西北地区的年际变化较为相似。而14 a 来西部地区的单层卷云量最低，波动幅度最小，年平均值最大为35.83%（2012 年），最小为32.57%（2004 年），差值仅为3.26%。南部地区的波动幅度最大，极差值高达11.53%，季风运动可能是造成该地区云量不稳定的原因。单层卷云的云厚（图3b）在东亚不同区域的变化更加明显，西北地区的云厚年平均值最高，北方地区及东部海域次之，南部地区在除了2003 年和2004 年的其他年份均为次低，西部地区的云厚在2005—2016 年间均为最低，年平均值不足1.7 km。云厚的年际波动幅度与云量一样，均是南部地区最大，西部地区最小，差值分别为0.37 km 和0.1 km。

2.3 单层卷云的云量和云厚季节变化

单层卷云量在东亚地区及其5 个子区域的季节平均如表1 所示，东亚整个地区的春至冬季的季节平均值分别为42.43%、38.93%、35.75%和35.83%。5个区域中，春季年均值最大的是北方地区，云量高达47.43%；南部地区与和东部海域四季变化相似，均在夏季季节均值最大，春秋次之，冬季最小，这一变化规律也与季节空间分布吻合。单层卷云量在西部地区的季节变化为春季最高，秋季最低，两季相差14.09%，薛小宁[19]也曾利用2013—2015 年MODIS卫星资料研究得出青藏高原地区卷云在春季出现概率最高（0.27），秋季最低（0.14）。与其他区域不一样，西北地区在冬季达到最大值为45.71%，春季次之，和冬季的差值仅为0.89%，夏季单层卷云量最低，秋季为次低。

表2 是单层卷云的云厚在东亚不同地区的季节变化趋势。对整个东亚地区而言，春季至冬季的云厚变化为先减小后增加，其中夏季云厚最小，季节均值仅为1.75 km；冬季云厚较厚，为2.07 km。5 个子区域有不同的季节变化，北部地区、西部地区和东部海域的云厚春季至夏季为减小趋势，夏季至冬季逐渐增加，并在冬季达到四季最高值。南部地区则为先增加后减小的变化过程，夏季云厚较厚，为1.78 km。西北地区在春秋季的季节均值均为2.13 km，夏季相对减小，冬季云厚则大幅度增加，达到2.22 km。综合来说，除南部地区外，东亚其他区域的单层卷云在冬季较厚，夏季较薄。

表1 单层卷云量在东亚及其5 个子区域的季节平均 %

表2 单层卷云云厚在东亚及其5 个子区域的季节平均 %

3 单层卷云的微观物理特性

3.1 单层卷云的冰粒子等效半径和冰水柱含量多年平均空间分布

图4a 为单层卷云的冰粒子等效半径在东亚地区的多年年平均分布。整个东亚地区年平均值波动差异较小，冰粒子等效半径年均值都在22～32 μm。冰粒子等效半径的较高值区（28～30 μm）分布集中，多出现在43°N 以北的陆地地区和大部分海面上空。因暖湿气流与冷气流交汇在青藏高原东南端时易形成强对流冰云，导致该区域的冰粒子等效半径相对较高[20]。单层卷云的冰粒子等效半径低值区（22～24 μm）出现在2 个地方，一个在塔里木盆地，另一个在云贵高原、横断山脉处。陈玲[21]研究指出青藏高原中部的冰粒子等效半径比四川盆地大，有利于冰晶凝华增长，达到一定程度后能够发生淞附和聚并，粒子继续变大，解释了单层卷云冰粒子等效半径在青藏高原中部明显提升现象。

图3 单层卷云在东亚不同区域的云量（a）云厚（b）年际变化

图4 2003—2016 年东亚地区单层卷云微观特性的空间分布特征

单层卷云的冰水柱含量在东亚地区高低值区分布明显。冰水柱含量以西部地区的帕米尔高原及其附近地区为起点逐渐向东呈阶梯状递减（图4b）。除西部地区外，其他4 个区域分布较为平均，年均值在12～21 g/m2的占多数。冰水柱含量高值区从青藏高原一直延伸到四川盆地及其附近，并且年均值普遍高于24 g/m2。28°N 以南是冰水柱含量低值的主要分布地，其中东部海域南部及南海部分地区的冰水柱含量相对较低，年均值范围集中在12～15 g/m2。东北大兴安岭、蒙古高原东端也存在15～18 g/m2的较低值。

3.2 单层卷云的冰粒子等效半径和冰水柱含量年际变化

对单层卷云的冰粒子等效半径（图5a）和冰水柱含量（图5b）年际变化进行分析。由图5a 可知东亚不同区域的单层卷云的冰粒子等效半径多在26～29.3 μm。东部海域14 a 来都是冰粒子等效半径最大的区域，除2013 年和2015 年外，其他年平均值都不小于28.5 μm。相反，西部地区的冰粒子等效半径在2006—2016 年都是5 个子区域中最小的，基本＜27 μm。从波动幅度来看，南部地区和东部海域波动明显，两地区的极差值分别为2.0 μm 和1.21 μm。单层卷云冰水柱含量在5 个子区域的年际变化与单层卷云的冰水柱含量空间分布特征大致吻合，各区域间年均值有一定差异。西部地区的冰水柱含量年平均值均超过24 g/m2，北部地区和西北地区次之，年平均值范围多为18～21 g/m2，而南部地区和东部海域则都基本＜18 g/m2，但与其它3 个区域相比，南部地区和东部海域的波动较为剧烈。

3.3 单层卷云的冰粒子等效半径和冰水柱含量季节变化

单层卷云的冰粒子等效半径季节平均值如表3所示。东亚整个地区季节均值波动不明显，各季节间最大差值仅为0.12 μm。北方地区和西部地区季节平均值都是在春冬季较大，夏秋次之，但北部地区4个季节的冰粒子等效半径都略高于西部地区。南方地区四季波动幅度最显著，最大值和最小值分别为29.40 μm（夏季）和22.28 μm（冬季），差值达到了7.12 μm，这主要是受到了东亚季风的影响。东部海域四季均值从大到小分别是夏季（29.57 μm）、秋季（28.90 μm）、春季（28.02 μm）、冬季（27.57 μm）。冬季时，单层卷云的冰粒子等效半径在西北地区和北部地区较大，南部地区最小，与赵敏[22]研究得出冬季冰云的粒子等效半径高值区位于蒙古高原东部、东北平原、渤海湾和朝鲜半岛上空，低值位于中国华南地区的结论基本符合。在数值上，本文所得数值偏小，这可能是因为冰云中下部冰粒子半径较大，使得冰云整体的粒子等效半径要比位于冰云上部的卷云冰粒子等效半径高。

图5 单层卷云在东亚不同区域的（a）冰粒子等效半径（b）冰水柱含量年际变化

表3 单层卷云冰粒子半径在东亚及其5 个子区域的季节平均 μm

表4 为单层卷云冰水柱含量在东亚及其5 个子区域的季节平均值。东亚整个地区的冰水柱含量为先减小后增加的季节变化趋势，四季均值分别为21.58、17.77、18.82、20.31 g/m2。北方地区四季均值为19～22 g/m2，变化幅度不如其它4 个区域明显。南部地区春季的冰水柱含量最大，西北地区则为冬季，2 个地区均值夏季较低，季节均值分别为15.08 g/m2和16.41 g/m2。东部海域为冰水柱含量较小的区域，季节均值都＜19 g/m2。与之相反，西部地区在所有子区域中季节均值最大，春季达到最大值28.67 g/m2，秋冬季次之，夏季有最小值，为22.73 g/m2。

表4 单层卷云冰水柱含量在东亚及其5 个子区域的季节平均 g/m2

4 单层卷云的光学特性

4.1 单层卷云光学厚度多年平均空间分布

单层卷云光学厚度（图6）与冰水柱含量的多年年均值空间分布整体相似，海陆差异较为明显。高值区（1.7～2.1）集中分布在西部地区的青藏高原，并且以昆仑山脉为中心向四周阶梯度递减。单层卷云光学厚度在海域上空存在低值区，南海海域及太平洋西部是主要分布地，年均值多数不足0.9。在高低值区外的剩下区域分布变化相对平缓，云光学厚度范围集中在1.1～1.3，大部分地区的年均值都不超过1.5。杨冰韵[23]对云光学厚度在东亚不同区域垂直分布进行研究，发现当云层高度＞5 km 后，青藏地区的云光学厚度最高。单层卷云多生成于对流层顶端，云层高度普遍＞5 km，云光学厚度高值区分布与杨冰韵的研究结果相符合，但由于使用卫星资料不同，本文的研究结果略大。

图6 2003—2016 年东亚地区单层卷云光学厚度的空间分布特征

4.2 单层卷云光学厚度的年际变化

图7 单层卷云光学厚度在东亚5 个子区域的年际变化。从图7 中可以看出，东亚5 个子区域主要有3 个年际变化范围：西部地区是光学厚度年均值最大的地区，数值范围为1.74～1.85；北部地区和西北地区年均值次之，多在1.2～1.35，两区域中北部地区云光学厚度值又相对小于西北地区；东部海域和南部地区单层卷云光学厚度较小，最大值分别不超过1.12 和1.02，但这2 个区域年际间的波动幅度相对明显。

4.3 单层卷云光学厚度的季节变化

图7 单层卷云光学厚度在东亚不同区域的的年际变化

从表5 的多年季节平均值来看，单层卷云光学厚度具有鲜明的区域特征。东亚整个地区春季季节均值最大，为1.36，夏季次高，其它两个季节无明显差异。在5 个子区域中西部地区季节均值整体偏高，春季有最大值，为1.91。北方地区、南方地区、东部海域四季变化趋势一致，都是逐季降低，春冬季差值分别为0.17、0.2 和0.21。而西北地区的春至秋季是逐季减小，到了冬季，季节均值又有所增加，和春季仅相差0.04。

表5 单层卷云光学厚度在东亚及其5 个子区域的季节平均

4.4 单层卷云宏微物理特性与光学特性的年际变化对比

为了解单层卷云宏微观物理特性与光学特性间的变化关系，本文对它们在东亚地区的年际变化进行比较分析。图8a～8d 分别是单层卷云量、云厚、冰水柱含量、冰粒子等效半径与云光学厚度在东亚整个地区的年际变化对比。由图8a 可知，单层卷云量在2003—2005 年较低，都在38%以下，2006 年开始云量大幅度增加，维持在38%～41%。比较发现，单层卷云光学厚度与云量年际变化趋势在2006—2011年基本一致，云光学厚度随着云量的减少而减小。但在2004—2005 年、2014—2015 年，随着云量的减少，云光学厚度反而增加。单层卷云云厚与云光学厚度14 a 的年平均值范围分别为1.83～1.94 km 和1.23～1.30。以2010 年为分界线，2010 年前两者的变化趋势较为一致，但波动幅度不同，2010 年后两者多呈相反的变化趋势。东亚地区单层卷云冰粒子等效半径14 a 平均值多在27.5～27.8 μm，2012 年有最大年均值，28.04 μm，与云光学厚度进行比较，两者在2006—2011 年间有连续的变化趋势，并且在该年份区域间呈正相关变化。对冰水柱含量与云光学厚度而言（图8d），单层卷云的冰水柱含量增加时，云光学厚度也相应地变大，两者在2003—2016 年间的变化趋势大部分一样，只在2012 年、2016 年稍有不同。陈纹锋等[24-25]也曾研究发现在所有高度上冰水柱含量都随着云光学厚度的增大而增大，云光学厚度主要随冰水柱含量的变化而变化。

5 结论

利用CERES SSF 卫星资料，研究了2003—2016 年东亚及其5 个子区域单层卷云的物理特性时空分布特征，得出以下结论：

图8 东亚地区单层卷云不同云物理特性与光学厚度年际变化

（1）单层卷云在东亚地区多年年均值范围为25%～46%。在山东省及其附近海域、蒙古与俄罗斯交界处有云量在42%～46%的较高值区。低值区分布范围为25%～34%，有两个主要的分布地点：青藏高原南坡端、云贵高原及其附近。单层卷云的云厚以40°N 为分界线，呈南薄北厚分布态势。在年际变化上，两个云物理特性都是南部地区波动幅度最大，西部地区最小。冬季时，云厚在东部海域有最大季节均值，为2.25 km。

（2）单层卷云冰粒子等效半径在东亚地区除个别区域外，年均值都在24～30 μm。中国地区的冰粒子等效半径多在24～28 μm，东北三省部分区域的年均值较高，大于28 μm。南部地区的年际和季节变化都波动明显。而对于冰水柱含量，西部地区的年均值普遍大于24 g/m2，并以帕米尔高原及其附近地区为起点逐渐向东呈阶梯状递减。西部地区14 a 的冰水柱含量年均值均较高，并且在春季时较大。

（3）单层卷云光学厚度在东亚地区的空间分布海陆差异明显。云光学厚度在青藏高原出现高值，年均值大于1.7，而低值区多位于海域上空，多数不足0.9。东亚各区域云光学厚度从大到小排序为西部地区>西北地区>北部地区>南部地区>东部海域。5 个子区域的云光学厚度均在春季较大。单层卷云冰水柱含量与云光学厚度呈正比例变化。