基于ISCCP云资料的中国地区不同类型云的时空分布

范思睿，王维佳，林 丹

(1.四川省人工影响天气办公室，四川 成都 610072；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081；3.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072；4.四川省成都市气象局，四川 成都 611133)

引 言

云是最常见且极其活跃多变的天气现象，它是气候系统中的重要成员，直接影响和参与地气系统的辐射及水循环过程，在全球能量收支和水资源分布中扮演重要角色。研究表明，云在空间上的微小变化对气候的影响程度足以超过现有温室气体和人造气溶胶等因素[1]，其时空演变势必影响到区域气候、生态、水资源的变化[2]。因此，正确认识云的分布与变化，不仅对云、大气辐射、区域气候之间的影响机制研究非常重要[3]，而且对水资源短缺的干旱和半干旱地区的空中云水资源开发以及气候模式的改进等意义重大。

长期以来，云的观测主要依靠传统的地面人工目测，但由于云的多变性和夜晚、天气条件的影响，目测存在较大的局限性和误差，特别是地形复杂、地面台站稀少的地区，导致这些地区云量数据的非客观性，严重制约了云的研究。随着卫星探测技术以及云参量反演方法的发展，国际卫星云气候计划(international satellite cloud climatology project，ISCCP)为揭示全球大范围云气候特征提供了重要手段，反演出15种类型云的云产品，如光学厚度和云水路径，为系统研究云的辐射效应及空中云水资源提供可参考的观测事实[4-6]。由宏观结构和微物理属性所决定的云辐射强迫效应在不同类型云之间存在较大差别，故不同类型云对短波和长波辐射的影响程度不同，致使在总辐射效应中表现出显著的差异，高而薄的云往往倾向于阻碍地面的向上长波辐射而加热大气，而低而密实的云则更多表现为反射太阳短波辐射而冷却大气[7]，因此开展不同类型云的时空分布研究更具有实际意义。

中国地区云水路径的时空分布与大气环流、地理位置及地形特征、大气湿度及水汽传输等密切相关，且在全球变暖背景下整体表现增加趋势。其中，西北地区空中云水资源多与地形分布有关，天山、昆仑山、祁连山一带是总云量、光学厚度和云水路径高值区，而低值区分布在塔里木盆地和戈壁沙漠一带，且高云和部分中云与降水分布一致[8-10]。云光学厚度在中国南方地区较大，特别是四川盆地；中国大部分地区云光学厚度呈增加趋势，青藏高原和东北地区最为显著，且增加趋势在夏季最明显，这可能是气溶胶通过影响云的有效半径来改变云光学厚度[11-13]。其中，西北地区云光学厚度平均为1～5，光学厚度在夏季最大、冬季最小，且云光学厚度和云水路径的分布与总云量相似[8]。以上研究多是将云作为一个整体，然而，不同类型云的粒子相态、水凝物分布、云顶高度、云内温度不同，其降水机制及对大气辐射和区域气候、云水资源开发的影响不同，但这方面的工作尚不多见。因此，本文利用长时间序列的ISCCP中D2月平均云资料，从不同区域、不同云类角度出发，详细分析中国地区云量、云水路径、云光学厚度的时空分布特征，这对不同区域的空中云水资源合理开发有重要意义。

1 资料和区域划分

ISCCP是世界气候研究计划的一个子计划，始于1982年，经过多年观测建立的云气候数据集提供多种云参数资料，该资料由4颗地球同步卫星(GMS、METEOSAT、GOES、INSAT)和至少1颗太阳同步极轨卫星(NOAA)获取的辐射值，经过云识别、辐射分析等处理得到[4-6]。选用1994年1月至2009年12月ISCCP的D系列数据集中D2资料，D系列是在C系列基础上通过辐射率再定标、修改云检测阈值和辐射模式算法、云产品进一步网格化后的新版本云参量数据集，其中D2是D1的月平均数据集，包含云量、云水路径、云光学厚度、云顶温度、云顶气压、反射率等多种云参数，其空间分辨率为280 km×280 km(2.5°×2.5°)。

针对ISCCP中D2数据集的适用性，ROSSOW等[5-6]研究指出，云量、云光学厚度的误差分别不超过5%、10%。在中国，ISCCP的月平均总云量与地面观测的云量分布非常一致，年际变化特征及变化趋势大致相同，在高原和东部地区两者相关性较好，而在北方地区相关性略差，可见ISCCP云产品D2数据集在中国有较高的适用性[8-11,14-17]。

与常规地面观测不同，ISCCP是按云顶气压和云光学厚度对云进行分类，根据云顶气压可分为高云、中云、低云3种类型，即云顶气压高于680 hPa为低云，680～440 hPa之间为中云，低于440 hPa为高云；然后，根据光学厚度再将低云、中云、高云细分为9种类型(图1)。

图1 ISCCP中D2数据集的云分类示意图Fig.1 Schematic diagram of cloud classification in D2 dataset of ISCCP

云量指观测时天空被云遮蔽的成数；云水路径指单位面积垂直气柱中所含有的液态云水和固态云水总和，这两个参数对评估空中云水资源和降水有重要意义；云光学厚度通过可见光波段反演而来，是地气辐射系统的主要调节参数。

考虑到中国国土面积广大、地形复杂，按照王帅辉等[18]的划分区域进行分析研究，即以35°N线区分南方和北方，以110°E线区分东部和西部，将中国划分为5个区域(图2)：西北(35°N—50°N、73°E—110°E)，东北(35°N—55°N、110°E—135°E)，青藏高原(27°N—35°N、78°E—98°E)，西南(18°N—35°N、98°E—110°E)，东南(18°N—35°N、110°E—123°E)。

图2 中国地理分区Fig.2 The geographic zonal division in China

2 云的空间分布和季节变化

2.1 空间分布

图3是1994—2009年中国地区年平均总云量、云水路径及云光学厚度的空间分布。可以看出，中国地区总云量为45%～75%，南方云量较北方更为富集，四川盆地、贵州、重庆为云量富集中心，总云量在65%以上，而北方总云量为45%～60%，其中青藏高原西部和西北地区云量尤为稀少，而西南地区的云南西南部(横断山脉南侧)云量也较少[图3(a)]。LI等[19]、张琪等[20]利用地面云量观测资料得到四川盆地是中国总云量富集中心，与本文结论一致。四川盆地上空多云区是青藏高原和西风气流共同作用下形成，冬季，西风气流增强，青藏高原将西风气流分成南北两支，两分支气流又在青藏高原东侧的四川盆地上空重新汇合，加之盆地水汽充足，相对湿度大，为云的富集提供了有利条件[21]。中国地区云水路径为25～164 g·m-2，南方地区云水路径(105 g·m-2以上)远大于北方地区(85 g·m-2以下)，西北地区尤为偏小(65 g·m-2以下)。云水路径由光学厚度推算得到[9]，故而云的光学厚度与云水路径的空间分布一致，西南和东南地区云光学厚度和云水路径几乎是北方地区的2倍(表1)。

综上所述，中国地区总云量、云水路径及云光学厚度的空间分布基本一致，呈南高北低的分布格局，高值区主要从青藏高原东北坡延伸到东南地区，总云量、云水路径、云光学厚度分别在60%、105 g·m-2和6以上，与我国降水充沛区一致；低值区位于常年干旱的西北地区，总云量、云水路径、云光学厚度分别低于60%、85 g·m-2、4。可见，我国南方地区尤其是四川盆地到东南沿海一带，其云量和云水含量丰富，而北方特别是西北地区和青藏高原西部云量和云水含量偏少。

图3 1994—2009年中国地区年平均总云量(a，单位：%)、云水路径(b，单位：g·m-2)及云光学厚度(c)的空间分布Fig.3 Spatial distribution of annual average total cloud amount (a, Unit: %), cloud water path (b, Unit: g·m-2) and cloud optical depth (c) over China during 1994-2009

地 区总云量/%云水路径/(g·m-2)云光学厚度地 区总云量/%云水路径/(g·m-2)云光学厚度西北地区57.1261.973.26西南地区67.09103.316.47东北地区62.4864.473.46东南地区68.98105.686.36青藏高原56.5376.284.20中国62.4482.344.75

2.2 季节变化

图4是中国各分区总云量、云水路径及云光学厚度的月变化。可以看出，中国地区总云量月变化特征地区差异较小，均表现为夏多冬少的单峰型分布，东北、西南、东南地区总云量峰值出现在6—7月，西北地区4月就达到峰值，而青藏高原峰值则较为滞后(7—8月)；总云量月变化幅度较大的是西南地区和高原，西南地区月平均总云量为52%～83%，标准差为11.17，青藏高原为35%～74%，标准差为12.99，而季节变化幅度最小的是东南地区，常年维持在65%左右，标准差仅4.09。

云光学厚度的月变化特征和云水路径较一致[图4(b)和图4(c)]，两参数月变化特征地区差异较大，高原、东北地区表现为夏大冬小的单峰型月变化特征，峰值在6—7月，东南地区正相反，表现为冬大夏小的单峰型月变化特征，峰值在2月，而西北地区则表现为双峰型月变化，峰值与次峰值分别在12月和7月；西南地区云水路径和云光学厚度两参数的月变化特征差异较大，前者表现为夏大冬小，后者除春季较小外，其他月份相差不大。此外，东南地区两参数月变化幅度最大，云水路径和光学厚度标准差分别为18.22和1.50，青藏高原月变化幅度最小，标准差分别为8.73和0.69。

综上所述，总云量月变化特征的地区差异小，均呈夏多冬少的单峰型分布，而云光学厚度和云水路径月变化特征的地区差异大，西南、高原、东北、东南地区均为单峰型分布，峰值出现在夏季或冬季，而西北地区为双峰型分布，峰值和次峰值分别在12月和7月；西南地区和高原云量的月变化幅度较大，东南地区最小，而云光学厚度和云水路径月变化幅度正相反，东南地区最大，高原最小。

从空间上来看，中国地区四季总云量夏季最大，春季次之，秋、冬季显著偏小，高值中心在四川盆地及其周边，低值区位于西北和高原西部(图5)。云水路径的高值中心冬季最大，春秋季次之，夏季最小，且地区差异较大，其中东北地区夏季最大，冬季最小；西南和东南地区冬季最大，春秋季次之，夏季最小，而西北地区和高原夏季最大，秋季最小(图6)。云光学厚度与云水路径的季节分布类似(图略)。

3 不同类型云的空间分布和季节变化

3.1 不同类型云的空间分布

图7是不同类型水云的总云量和云水路径空间分布。整体看出，大部分水云(积云除外)在我国南方和高原地区分布更广，这主要是受季风影响，东南和西南地区水汽来源丰富，而青藏高原的动力和热力作用为云的形成提供了有利条件。积云主要分布在我国北方地区，高积云主要分布在高原。6种水云的云水路径及空间分布差异较大，积云和高积云的云水路径较小，在15 g·m-2以下，且空间差异不明显，西南地区相对较大，而层云和雨层云较大，在200 g·m-2以上，两者的空间分布大致相反，层云的高值在西北地区西部，雨层云的高值在东部；层积云和高层云的云水路径在35～85 g·m-2之间，两者高值中心在四川盆地到东南沿海一带。

图4 中国各分区总云量(a)、云水路径(b)和云光学厚度(c)的月变化Fig.4 Monthly variations of total cloud amount (a), cloud water path (b) and cloud optical depth (c) over sub-zones of China

图5 中国地区四季总云量空间分布(单位：%)(a)春，(b)夏，(c)秋，(d)冬Fig.5 The spatial distribution of total cloud amounts over China in four seasons (Unit: %)(a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

图6 中国地区四季云水路径空间分布(单位：g·m-2)(白色区域无值，下同)(a)春，(b)夏，(c)秋，(d)冬Fig.6 Spatial distribution of cloud water path over China in four seasons (Unit: g·m-2)(The value in white area was nodata, the same as below)(a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter

图7 中国地区不同类型水云的总云量(a、b、c、d、e、f，单位：%)和云水路径(g、h、i、j、k、l，单位：g·m-2)空间分布(a、g)积云，(b、h)层积云，(c、i)层云，(d、j)高积云，(e、k)高层云，(f、l)雨层云Fig.7 Spatial distribution of total cloud amount (a, b, c, d, e, f, Unit: %) and cloud water path (g, h, i, j, k, l, Unit: g·m-2) of liquid-phase cloud with different types over China(a, g) cumulus, (b, h) stratocumulus, (c, i) stratus,(d, j) altocumulus, (e, k) altostratus, (f, l) nimbostratus

图8是不同类型冰云总云量和云水路径的空间分布。冰云易受温度影响，温度低有利于冰云生成，故冰云主要积聚在高纬度地区。冰云中的低云(冰积云、冰层积云、冰层云)受温度影响很难存在，冰雨层云在中国地区云量低于2%，故而不讨论。分布最广、云量最大的卷云，在中国北方和青藏高原地区的总云量达14%以上，而云水路径低于20 g·m-2。闵敏等[22]研究指出，暖湿空气受青藏高原地形抬升作用易产生地形卷云，故而卷云常年出现在高原东北部。高云中卷层云分布也较广，高值中心位于青藏高原，云水路径约110 g·m-2，而西南和东南地区云水路径达 130 g·m-2以上，这与马茜蓉等[23]基于CERES卫星资料得到的“高云云量大值区分布在高海拔地区”的结论一致。冰云中深对流云与水云中雨层云、层积云的空间分布较一致，深对流云的总云量较低(在8%以下)，高值区主要分布在东南和西南地区，其云水路径非常大，超过390 g·m-2，西南和东南地区仍为高值区，高值中心达490 g·m-2，可见深对流云、水雨层云、水层积云主要存在于东南和西南地区，云量多、云水含量大，这与东南和西南地区降水充沛一致。冰高层云和冰高积云主要呈纬向分布且积聚在高纬度地区，前者云水路径低于18 g·m-2，后者云水路径相对较高，贵州一带是高值中心，其值约为130 g·m-2。

另外，对不同类型水云和冰云按照上述5个区域进行统计平均(表2和表3)，其中合计为算术相加，忽略了不同云叠加的情形。可以看出，中国地区卷云总云量最多，各区域内卷云总云量都在12%以上，是15种云类中覆盖范围最广、云量最大的类型，但其云水路径低于15 g·m-2，云光学厚度小于1.5，可见中国上空经常出现卷云，这对大气辐射和气候产生一定的影响，但其增雨潜力低；卷层云和水云中高层云、积云和层积云的总云量也较大，且卷层云的云水含量和光学厚度较大，分别超过100 g·m-2、9.0，表明该云类出现几率大且增雨潜力大，对降水和大气辐射影响较大，而其他3类水云的云水含量和云光学厚度较小，对降水和大气辐射的影响较小；受温度影响，冰态的低云云量最少，由于卫星对低云探测不足，低云存在低估现象。

另外，水云中层积云、高层云、雨层云和冰云中高积云、卷云都存在明显的区域差异，3种水云主要分布在35°N以南的南方地区，2种冰云主要分布在35°N以北的北方地区。其中，水雨层云和深对流云的总云量、云水路径和光学厚度均较大，前者主要分布在四川盆地至江浙一带，后者主要分布在长江流域，这两种类型云对南方的降水有较大贡献。陈勇航等[8]研究指出，云量多少和云水路径大小与干湿气候状况有很好的对应。云水路径和云光学厚度大且云量小的水层云、冰层云、冰雨层云在中国地区分布较少，对降水贡献不足。

表2 中国不同类型云总云量的区域平均Tab.2 Regional average values of total cloud amount of cloud with different types over different regions of China 单位：%

注：-表示无效值，下同

表3 中国不同类型云的云水路径和光学厚度区域平均Tab.3 Regional average values of cloud water path and cloud optical depth of cloud with different types over different areas of China

3.2 不同类型云的季节变化

从图9看出，我国北方和高原地区大部分水云总云量的月变化表现为夏多冬少的单峰型分布，在西南和东南地区呈冬多夏少的分布，冰云总云量的季节变化地域性差异较小，卷层云和深对流云、卷云呈夏(春)多冬少的单峰型分布，其他冰云正相反，均表现为冬多夏少的分布，其中冰高积云和冰高层云冬多夏少特征尤为典型。这是因为高积云和高层云属于中云，容易受温度和对流强度变化影响，冬季对流层温度降低、对流减弱使得冰云集聚且向中低层发展，而夏季温度升高、对流增强使得冰云向水云集聚并向高层发展。在东南和西南地区，冰云总云量的月变化特征与北方地区一致，其中卷云、卷层云和深对流云的总云量夏多冬少的单峰型非常典型，其他类型正相反，为冬多夏少的单峰型月分布，且一致性极高，表明冰云云量的季节变化受地理位置影响较小；水云总云量的月变化特征与北方地区相反，大部分水云(水高层云和水高积云除外)的总云量在冬季富集、夏季稀少。需要指出的是，根据ISCCP云分类方法，青藏高原大部分地区(3000 m以上)探测到的云都被分为中云和高云，故而不讨论该地区的低云；受低纬地区温度的影响，西南和东南大部地区不存在冰层积云和冰层云，故而不讨论这两者在西南和东南地区的季节变化。

综上所述，不同类型云的总云量季节变化特征明显，水云总云量在北方和高原地区夏多冬少，在西南和东南地区则冬多夏少；冰云总云量季节变化特征地域性差异较小，冰高积云和冰高层云冬多夏少，卷层云和深对流云夏多冬少，而卷云在北方和高原地区春多冬少，在东南和西南地区则夏多冬少。

整体来看，水云中层云、雨层云和冰云中深对流云、雨层云的云水路径在大部分地区存在季节变化(图10)。其中，2类水云的云水路径季节变化几乎同步，在西北地区冬季高、其他季节低，在东北地区春秋季高、夏冬季低，在东南地区表现为双峰型分布，峰值分别在2月和11月，在高原地区仅在夏季表现较低，其他季节约为300 g·m-2，在西南地区仅在11月及前后有微弱上升，其他季节变化不明显；2类冰云的云水路径季节变化在西北和东北地区表现同步，8月达到峰值，而在东南、西南和高原地区总体表现为冬高夏低的季节变化。

图9 中国不同区域水云(a、c、e、g、i)和冰云(b、d、f、h、j)的总云量月变化(a、b)西北地区，(c、d)东北地区，(e、f)高原地区，(g、h)西南地区，(i、j)东南地区Fig.9 Monthly variations of total cloud amount of liquid-phase clouds (a, c, e, g, i) and ice-phase clouds(b, d, f, h, j) with different types over five regions of China(a, b) northwestern area, (c, d) northeastern area, (e, f) Tibet Plateau,(g, h) southwestern area, (i, j) southeastern area

图10 中国不同区域水云(a、c、e、g、i)和冰云(b、d、f、h、j)的云水路径月变化(a、b)西北地区，(c、d)东北地区，(e、f)高原地区，(g、h)西南地区，(i、j)东南地区Fig.10 Monthly variations of cloud water path of liquid-phase clouds (a, c, e, g, i) andice-phase clouds (b, d, f, h, j) with different types over five regions of China(a, b) northwestern area, (c, d) northeastern area, (e, f) Tibet Plateau,(g, h) southwestern area, (i、j) southeastern area

4 结 论

(1)中国区域总云量和云水路径、云光学厚度的空间分布较一致，由东南向西北依次递减，高值区主要分布在南方地区，尤其是四川盆地到东南沿海一带，与我国降水充沛区分布较吻合，低值中心位于西北地区和青藏高原西部。

(2)中国区域总云量整体表现为夏多冬少的季节变化特征，且地域性差异较小，东北、西南、东南地区总云量峰值出现在6—7月，西北地区峰值出现略早(4月)，高原地区峰值出现较为滞后(7—8月)；云水路径和云光学厚度的季节变化较为一致，但地域性差异较大，西南、高原、东北地区夏大冬小，东南和西北地区冬大夏小。

(3)中国区域大部分水云分布在四川盆地到东南沿海一带，而大部分冰云分布在西北和高原地区。其中，卷云覆盖最广、云量最大，其次为卷层云、水高层云、水积云和水层积云，而冰云中低云云量最少。水云中雨层云、层积云和冰云中深对流云的云量、云水路径和光学厚度均较大，云水含量丰富，对南方降水贡献较大；水云中层云、冰云中层云和雨层云的云水路径和光学厚度大，但云量小，说明云水含量丰富但云生成少。

(4)不同云类总云量的季节变化特征明显，且不同区域表现不一，水云总云量在北方和高原地区夏多冬少，在西南和东南地区冬多夏少；冰云云量季节变化的地域性差异较小，高积云和高层云冬多夏少，卷层云和深对流云夏多冬少，而卷云在北方和高原地区春多冬少，在东南和西南地区夏多冬少。水云中层云和雨层云的云水路径有明显的季节变化，且同步性较强，其中，西北地区冬季较高，其他季节波动较小，高原和东北地区夏季较低，其他季节波动较小，东南地区呈双峰型分布，峰值分别在2月和11月。冰云中深对流云、雨层云的云水路径有明显的季节变化，且同步性较强，北方地区夏季达到峰值，南方和高原地区总体表现冬大夏小。