基于CloudSat/CALIPSO卫星的南京地区冰云物理特性分析

李思玲，曾钦文,2，吴礼春

(1.广东省龙川县气象局，广东 龙川 517300；2.成都信息工程大学，四川 成都 610225;3.南京信息工程大学，江苏 南京 210044)

千姿百态的云都是由空气中水汽凝结(或凝华)成的微小水滴或冰晶组成。云的形态各式各样，不同形态的云常常伴随着不同的天气现象。在大气科学领域，云可以帮助驱动水循环和整个气候系统，在天气预报预警中起着至关重要的作用。云还是气候变化研究中不确定性要素之一，通过吸收和散射太阳短波辐射以及反射地表长波辐射来平衡地气系统的能量收支，因此云对地球的辐射计算具有较大的影响。同时，高空云层温度低，多为冰晶粒子组成，容易对飞行过程中的飞机造成积冰等现象，对飞行过程有着一定的干扰[1]。冰云是几乎完全或完全由各种形状(非球形)的冰晶粒子所组成的云(例如卷云)，云体相对较薄，透光性较好，这种云的温度远低于0 ℃，如卷云、卷积云、卷层云和高纬度地区冬季的高层云等。根据数据显示[2-3]，冰云在全球的水平尺度上分布不均匀，冰云大约覆盖全球云量的30%。冰云反射红外辐射和太阳辐射，对地气系统具有辐射强迫作用，反射效应和温室效应之间的平衡，决定了冰云对地气系统的辐射强迫的正负。因此，加强对冰云的探索研究，为认识冰云对地气系统、大气水循环等过程具有重要意义。

研究并深入了解自然界中各类云的物理结构特征和分布特征是全球天气及气候研究的基本和重要方面。近年来，国内外利用CloudSat/CALIPSO卫星研究相关要素的技术越来越成熟，反演云粒子的冰水含量、光学厚度、有效半径、垂直分布结构等方面已经有了较多的研究成果[4-9]。为了深入研究云物理过程、云内精细结构及其辐射效应，需要获取云的物理参数，本研究将充分利用CloudSat和CALIPSO卫星资料，分析南京地区冰云的物理特性，从而初步了解该地区的冰云物理特性，为后期研究冰云提供理论基础和参考价值。

1 观测仪器介绍及资料的选取

1.1 CloudSat和CALIPSO卫星简介

CloudSat和CALIPSO(云—气溶胶激光雷达和红外探测卫星观测)是由美国NASA发射的卫星。其中，CloudSat卫星位于太阳同步卫星轨道上，其上搭载的唯一有效载荷为94Hz的毫米波(3 mm)云剖面雷达CPR(Cloud Profile Radar)。云剖面雷达CPR的星下点横轨分辨率为1.4 km，沿轨分辨率为2.5 km，实际垂直分辨率为240 m。CloudSat卫星的部分数据产品如表1所示。

表1 部分CloudSat卫星数据产品编码及其名称Tab.1 Part of the CloudSat satellite data product: code and its name

云—气溶胶激光雷达和红外探测卫星观测(CALIPSO)上一共搭载了3种有效载荷：偏振激光雷达CALIOP，被动红外成像仪IIR和宽视角相机WFC。其中，双波段云—气溶胶偏振激光雷达CALIOP是其搭载的最主要仪器，能提供云—气溶胶的后向散射以及它们的消光系数廓线[10]。卜令兵等[11]通过研究扫描激光雷达对云空间的分布得出结论，扫描激光雷达比传统激光雷达在探测云高和云光学厚度上更加精准，在云探测方面更具优势。本研究将利用CALIOP第二层产品5 km云廓线提供的数据来分析冰云退偏比的垂直廓线信息。

1.2 资料的选取

本研究所使用资料主要来源于CloudSat和CALIPSO卫星网站，两者联合反演的产品数据：2B-CLDCLASS-LIDAR、2B-GEOPROF、2C-ICE，其包含物理量分别是：冰云的发生率、云底和云顶高度、冰云的微物理特性(冰水含量IWC和粒子有效半径ER)。比较毫米波雷达和激光雷达所用的个例为2009年8月17日和2010年5月6日南京及周边地区上空的冰云，分析冰云宏观物理特性所用资料为2007—2010年期间南京地区(中心经纬度：32.044°N，118.779°E)的卫星联合反演的2B-CLDCLASS-LIDAR和2B-GEOPROF产品数据，而微观物理特性所使用资料为2007—2010年联合反演的2C-ICE产品数据。

2 反演方法介绍(以反演IWC为例)

2.1 毫米波雷达反演(CloudSat方法)

CloudSat卫星单独反演所提供的冰云IWC数据存在于2层产品CloudSat-2B-CWC-RO中，其代表了冰云云体中包含的冰晶质量，是研究冰云物理特性的重要光学参数，表达式为:

(1)

式中，V为冰云粒子体积，ρi为冰晶密度，n(L)为冰云粒子的尺度分布。

2.2 激光雷达反演(CALIPSO方法)

利用激光雷达(CALIOP)反演冰云粒子的消光系数，再通过经验公式[12]得到冰云IWC的相关数据信息，表达式为：

(2)

其中，σ为消光系数，C0、C1为经验参数。

2.3 联合反演方法

CloudSat卫星的2层数据产品2C-ICE为激光雷达衰减的后向散射系数和毫米波雷达的反射率因子联合反演所得，其中包含了IWC物理量。其反演原理为：根据本地的气候条件及其温度变化等标准建立冰云粒子的冰水含量先验值，再利用先验值与雷达反射率因子及后向散射系数计算初始值，并与实测值相对比，通过迭代计算直到收敛获得最接近实测值的那组IWC数据。

3 毫米波雷达(CPR)和激光雷达(CALIOP)探测结果对比

为了更加直观了解CloudSat和CALIPSO卫星对冰云的探测和反演能力，本研究利用2009年8月17日和2010年5月6日基于两颗卫星资料的中国南京及其周边地区冰云的两个探测个例，其中包括用CloudSat卫星和CALIPSO卫星各自单独反演的、综合CloudSat和CALIPSO探测数据联合反演的冰云IWC。

3.1 个例一(2009年8月17日)

图1为2009年8月17日CPR反演的冰云反射率因子、CALIOP探测的冰云后向散射系数及冰云的光学厚度，从图可知，云底高度都大于7 km，可以确定此云层为冰云。图1a为雷达反射率因子，冰云云层信息大概集中在10～14 km高度之间，厚度较小，云层上部分布较为稀疏，13 km以上冰云很少，并且没有下部平整，水平分布不连续，28.5°～29.5°N之间有断缺。图1b为后向散射系数，冰云信息大概集中在10～15 km高度之间，整体分布呈带状，14～15 km之间有较为完整的薄冰云存在，云层较厚，水平分布连续，没有断缺，但是冰云下部不平整。对比图1a、1b可知，CPR探测能够得到有效的冰云云底高度信息，而无法得到较为准确的云顶高度，而CALIOP反演能够得到有效的冰云云顶高度信息，因此，联合两者的探测将更为完整。图1c为CALIOP得到的南京地区冰云的光学厚度，其中光学厚度值越大，代表冰云云层越厚，从图中可知，一共有3个高峰值，代表对应的纬度地区的冰云云体较厚。对应图1a、1b也可知，对于光学厚度小于1的区域，CPR探测结果存在明显的信息缺失现象。可见，对于10 km以上的冰云，CALIOP具有较好的探测结果。Deng等[13]也根据相关研究得出，10 km以上的卷云层主要由CALIPSO可观测到。

图1 2009年8月17日南京及周边地区上空的冰云物理参数分布(a)雷达反射率因子，(b)后向散射系数，(c)光学厚度Fig.1 Distribution of ice cloud physical parameters over Nanjing and surrounding areas on August 17, 2009(a) radar reflectivity factor, (b) backscatter coefficient, (c) optical thickness

图2为2009年8月17日南京及周边地区上空的冰云的CPR及二者联合反演的冰云IWC，图2a为CPR单独反演的结果，IWC情况基本与图1a反演的雷达反射率因子情况一致，图2b为CALIOP单独反演的结果，与图1b反演后向散射系数情况一致，图2c为联合CPR与CALIOP探测反演的结果。对比图2a、2b、2c可知，图2a云层较薄，在28.5°～29.5°N之间(黑色椭圆内)有断缺现象，31.5°～32°N上(红色椭圆内)有向下突出的云信息；图2b冰云云体较厚，云体上部分布稠密、完整，水平分布连续，无断缺情况出现，但31.5°～32°N上有缺测现象(即红色椭圆内没有向下突出的云信息)；图2c云体厚，上部分布稠密、完整，水平连续不断缺，红色椭圆内有向下突出的云信息。通过对比可知，图2c的效果明显比前两者反演较好，两者联合反演的冰云IWC能够结合CPR和CALIOP各自单独反演得到的IWC信息，既能反演得到冰云上部的有效云顶高度，也能得到下部的有效云底高度，从而得到更加完整的冰云信息，因此，本研究对IWC的分析不用单独反演的资料而使用联合反演的资料。

图2 2009年8月17日南京及周边地区上空的冰云IWC：(a)CPR单独反演，(b)CALIOP单独反演，(c)CPR-CALIOP联合反演Fig.2 Ice Cloud IWC over Nanjing and surrounding areas on August 17, 2009(a)CPR inversion, (b) CALIOP inversion, (c) CPR-CALIOP inversion

3.2 个例二(2010年5月6日)

图3为2010年5月6日南京及周边地区上空冰云CPR、CALIOP及联合反演的冰云IWC，图3a为CPR单独探测反演的结果，可以看出云层下部平整，信息较为完整，上部有缺测现象；图3b为CALIOP单独反演结果，与CPR反演结果相反；图3c为联合反演的结果，上下部云层平整，整层冰云信息较为全面。与图2对比可知，联合CPR和CALIOP的探测数据能够更全面更完整更精确地反演得到冰云IWC。故联合使用CPR和CALIOP既能够发挥各自的优势又能弥补单一仪器探测的局限性，在周期近似和水平分辨率相同的条件下，对同一云系进行同步观测，得到的数据能更加精确地反应云的时空变化及其垂直廓线等相关物理特性[14-16]。

CloudSat卫星上搭载的94 GHz的毫米波云剖面雷达(CPR)，能够透过相对较厚的云体并探测多层云，从而获得云体内部结构信息，但是，因为探测波长的关系CPR能够敏感探测到尺度较大的粒子而对探测较小粒子有一定的局限。CALIPSO上搭载的云—气溶胶偏振激光雷达(CALIOP)，其探测波长较短，对相对较薄的云层和纤细的云顶比较敏感，特别适合对高空冰云的探测和研究，但是由于短波长透过云层时会造成较强的衰减，可能出现激光雷达无法完全穿透较厚云体而得到完整云层信息的情况，因此CALIOP仅能探测相对较薄的云层。

图3 2010年5月6日南京及周边地区上空的冰云IWC：(a)CPR单独反演，(b)CALIOP单独反演，(c)CPR-CALIOP联合反演Fig.3 Ice Cloud IWC over Nanjing and surrounding areas on May 6, 2010(a)CPR inversion, (b) CALIOP inversion, (c) CPR-CALIOP inversion

利用CloudSat和CALIPSO卫星联合反演资料对南京地区的冰云的物理特性进行分析，能够更加全面地得到冰云的相关数据信息，将有助于得到该地区更精确的冰云发生率、冰水含量、粒子尺度等非常重要的云物理参数，同时对深入了解冰云的辐射强迫具有重要意义，从而可进一步提高对冰云的认识。Chan等[17]也通过对比CloudSat和CALIPSO卫星的探测分析，研究得出CPR单独探测可能会漏掉云中尺度相对较小的过冷水云和含量相对较小的冰云，而联合两者的探测更为完整全面。因此，本研究对冰云物理特性的统计分析都将利用CloudSat和CALIPSO联合反演的数据进行分析研究。

4 冰云的宏观特性统计分析

4.1 冰云发生率

不同种类的云发生概率在一定程度上反应和影响着当地的气候变化状况，同时也对研究气候系统的辐射能量收支具有重要的意义。从图4可知，2007年和2009年的夏季冰云发生率明显高于其他季节，其中，2007夏季最大发生率为15.47%左右，2009年夏季概率值为16.15%左右。2008年春季(12.54%)和夏季(12.20%)发生率大致相同，2010年春季发生率明显高于其他季节，约为13.0%。在2007—2010年的年际变化中，春秋季的冰云发生率逐年上升，而夏季的发生率随年份呈现先减少，后增加，再减少的趋势，冬季的发生率则先增大，后减小，再增大。通过统计可知，2007—2010年期间的冰云发生率分别33.51%、38.94%、35.89%、35.58%，发生率随年份呈现先递增后递减的趋势，2008年为4 a中冰云发生率最大的一年。其中，2007—2010年春夏季的发生率分别为24.91%、24.74%、29.30%、21.68%，2009年春夏季发生率最高，2010年最低。冰云的每年春夏季发生率都比秋冬季要高，有研究表明，其原因与季风的发生和水汽条件有关，即与南京的气候条件相关。南京市属于典型的亚热带季风气候区，四季分明：春季风和日丽；夏季炎热，雨量充沛，初夏受锋面雨带影响，南京进入梅雨季节，降雨明显增多；秋季干燥凉爽；冬季受欧亚大陆气团影响，天气晴朗、寒冷、干燥。

图4 2007—2010年南京地区不同季节的冰云发生率Fig.4 Ice cloud incidence in different seasons in Nanjing from 2007 to 2010

4.2 云底和云顶高度分布

图5为2007—2010年每年南京地区的冰云云底高度在不同高度范围内(7～17 km)的出现概率，高度的间隔为1 km(下同)。从图可知，4 a不同高度范围内的云底高度发生率都不超过30%。2007年、2008年、2009年的冰云云底高度最高概率均发生在7～8 km范围内，2008年概率最大，概率值为29.34%，而2010年的最高概率发生在8～9 km高度范围内，概率值为21.38%。在16～17 km范围内，2008年与2010年几乎没有冰云存在。因此，2007—2010年的云底高度主要分布在7～8 km之间，冰云云底高度的概率整体上均随着高度升高呈逐渐减少的趋势。从统计结果可知，2007—2010年的冰云云底高度平均值分别为9.809 5 km、9.438 2 km、10.065 0 km、9.899 0 km，云底高度平均值最大值出现在2009年，最小值出现在2008年，平均值随年份呈现先减后增再减的趋势。

图5 2007—2010年南京地区冰云云底高度在不同范围内的概率Fig.5 Probability of the height of the cloud cloud bottom in different regions in Nanjing from 2007 to 2010

图6表示2007—2010年南京地区冰云云顶高度在不同高度范围内(8～19 km)出现的概率，对比图5的云底高度可知，云顶高度在高度上的概率分布并非随高度上升而一直减少，不同年份的最高概率值出现在不同区间内，但都不会超过12 km，主要分布在8～12 km之间。2008年和2009年都有一个明显的波峰，2008年出现在11～12 km高度范围内，概率值约为22.92%，2009年出现在9～10 km高度上，概率值约为23.92%，明显比其他高度范围高，随后冰云云顶高度的出现概率整体随高度升高而减小。2007年的冰云云顶高度概率整体上随高度升高而减小，最大概率出现在8～9 km高度内，概率值约为18.47%；2010年的最大概率出现在10～11 km高度范围内，概率值约为16.92%，随后出现在8～9 km之间，概率值为15.76%。另外，在18～19 km范围内，冰云云顶高度几乎为0，即说明2007—2010年期间南京地区19 km以上高度几乎没有冰云存在。2007—2010年冰云云顶高度平均值分别为11.276 3 km、11.068 7 km、11.685 3 km、11.663 0 km，大致位于对流层底部，云顶高度与云底高度一样，平均值最大值出现在2009年，最小值为2008年，平均值变化趋势与云底高度一致。

图6 2007—2010年南京地区冰云云顶高度Fig.6 Ice cloud cloud top height in Nanjing from 2007 to 2010

根据李特[18]等分析华北地区冰云分布特征表明，冰云出现的高度与气溶胶的光学厚度有关联，气溶胶粒子通过大气垂直上升运动被输送到对流层不同高度，凝结形成冰核，将导致冰云分布高度的不同。冰云云顶高度不同年份表现不同，可能与当时的天气状况和气溶胶粒子的分布有一定关系。

5 冰云的微观物理统计分析

5.1 冰水含量(IWC)

IWC反应的是云体中冰晶的质量，是研究冰云微物理特性的重要物理参量之一。从图7可知，每年冰云粒子的冰水含量值在0～0.090 g/m3之间都有分布，而最高概率值分布在0～0.005 0 g/m3范围内，2007年(53.05%)和2009年(53.81%)都超过了50%，2008年和2010年出现的概率分别为43.60%、47.36%。根据统计得出，冰水含量值在0～0.050 g/m3内冰云粒子出现的概率为93.2%，在0.050～0.090 g/m3范围内出现概率为5.9%，大于0.090 g/m3的出现概率为0.8%。因此，2007—2010年期间，冰云粒子的冰水含量值大小与其分布出现的概率呈负相关，即冰水含量值越小，冰云粒子出现的概率越大，这种情况与IWC随高度的分布以及其粒子有效半径有关。

2007—2010年期间IWC的平均值分别为0.012 84 g/m3、0.016 46 g/m3、0.012 33 g/m3、0.015 25 g/m3， 2008年最大，而2009年最小，平均值的变化随年份呈先增加后减少再增加的趋势。

图7 2007—2010年南京地区冰云冰水含量的范围统计Fig.7 Statistics on the range of ice cloud ice water content in Nanjing from 2007 to 2010

5.2 粒子有效半径(ER)

根据图8可知，ER值在0～90.0 μm之间均有分布，每年南京地区冰云的ER在中间某个范围段的数量占了绝大部分，而范围较小或较大的冰云粒子数量相对较少。2007年和2008年的冰云ER变化趋势大体相同，而2009年和2010年变化趋势较为一致。每年的冰云粒子有效半径值都有一个明显的波峰，其中，2007年和2008年出现在30.0～40.0 μm范围内，概率值分别为25.48%、25.79%，而2009年的波峰出现在40.0～50.0 μm范围内，概率值为21.11%，2010年则出现在20.0～30.0 μm范围内，概率值为21.59%。其中，大于90.0 μm的大冰云粒子概率也不足1%，几乎为0。据统计，冰云粒子有效半径在高纬度地区的低空层，最大可达200 μm以上[5]。因此，可以看出，冰云ER主要集中在20.0～50.0 μm范围内，ER值大小与其出现的概率之间的关系可以总结为：随着有效半径的增大，冰云粒子出现的概率先递增后递减。

2007—2010年冰云ER的平均值分别为43.599 2 μm、43.526 5 μm、37.059 0 μm、38.321 2 μm，冰云ER的平均值随年份呈逐渐递减的趋势，其中，2007年平均值均最大，而2009年的平均值最小。

图8 2007—2010年南京地区冰云粒子有效半径范围统计Fig.8 Statistics of effective radius range of ice cloud particles in Nanjing from 2007 to 2010

6 结论

本研究利用CloudSat和CALIPSO卫星联合反演的观测资料分析了2007—2010年期间南京地区的冰云相关物理特性，得出了以下结论：

①CloudSat卫星搭载的毫米波雷达(CPR)、CALIPSO卫星搭载的偏振激光雷达(CALIOP)是目前探测冰云的两种重要的遥感探测方式，两者各自单独反演能够得到部分有效层云信息，但是不够完整，而联合两者的探测及反演结合了各自的优势，又相互弥补不足之处，得到的冰云信息更为准确，对冰云的研究也更精确。

②在宏观物理特性中，2007—2010年期间的冰云发生率随年份先递增后递减的趋势，发生率最大为2008年，每年春夏季发生率均比秋冬季要高。云底高度主要分布在7～8 km内，最高概率出现在2009年的7～8 km范围内，云顶高度主要分布在8～12 km，最高概率也是出现在2009年的9～10 km内；云底高度的概率整体上均随着高度升高呈逐渐减少的趋势；云底和云顶高度的最大平均值都出现在2009年，分布为10.07 km、11.69 km。

③在微观物理特性中，冰云粒子IWC值的大小与其出现的概率呈负相关；冰云冰水含量的最高概率值分布在0～0.005 0 g/m3范围中；4 a平均值分别为0.012 84 g/m3、0.016 46 g/m3、0.012 33 g/m3、0.015 25 g/m3，在2008年达到最大。ER主要集中分布在20.0～50.0 μm范围内，2007年最大，2009年最小；冰云粒子出现的概率随着有效粒子半径的增大呈先递增后递减的趋势。