内蒙古西部地区降水云宏观特征

衣娜娜，苏立娟，郑旭程，张 敏，弓 泓

(1.内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010000；2.内蒙古自治区人工影响天气重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010000)

引 言

云是人工影响天气催化作业的主要对象，云宏观结构特征与云辐射特性、云降水条件、降水机制、降水效率以及人工增雨潜力等密切相关，云的宏观结构特征及演变规律，对准确识别作业条件、有效捕获可播云区、科学实施人工播云催化尤为重要[1-3]。很多研究利用Cloudsat(cloud satellite)卫星资料分析了不同地区的云宏观结构特征[4-10]，但极轨卫星覆盖范围小，轨道重复周期长，获取的资料和数据比较有限。风云静止卫星可以实时获取大范围云系的宏观结构，探空观测可以获取云内部宏观信息，二者相互补充，对于开展精细的天气作业条件分析、作业科学设计和效果分析检验等人工影响天气的各个环节都具有十分重要的意义[11]。

目前，利用风云静止卫星和探空资料对云宏观结构与降水关系的研究发现云宏观结构变化先于降水变化，同时降水云云层厚度大，云中有效粒子半径较大且云底高度较低[12-16]。研究表明[17]，全球约30%的云可以产生降水，而在总云中占比较大的无降水云，其宏观结构与降水云存在一定的差异。分析降水云与非降水云之间的宏观结构差异，对进一步理解云中降水的产生机制和云的气候效应，改进模式云微物理参数化方案，提高降水预报水平具有重要意义[18]。

随着气候变暖，干旱问题日益明显，对人们生产生活的影响越来越大，深入分析降水云结构，是合理开发有限的空中水资源，缓解干旱的有效途径之一[19-22]。内蒙古西部地区常年干旱，云量资源较少[23]，且关于内蒙古地区云宏观结构和降水的研究较少，对云宏观结构及降水形成的一些关键物理过程及形成机理的认识仍然不足，人工影响天气缺乏定量化科学指标[24]。

本文利用L波段探空以及风云静止卫星的反演产品，分析内蒙古西部地区降水云和无降水云宏观结构，进一步分析不同降水性质的云宏观结构，为更好地识别人工增雨播云条件，认识内蒙古西部地区降水云系的发展演变规律、优化定量估测降水技术和效果检验提供帮助。

1 资料与方法

1.1 降水性质划分

利用自动站降水、雷达回波、卫星云图等资料，挑选2017及2018年内蒙古西部地区49个降水过程。降水性质划分标准主要参考雷达回波，降水全过程中雷达PPI上表现为大面积较均匀的层状云回波(中心强度小于30 dBZ)，定义为稳定性降水；雷达PPI上表现为局地对流单体回波(回波中心强度大于40 dBZ)，并且无层状云回波出现，定义为对流性降水[25]。49个降水过程中共挑选出稳定性降水过程11个(2017年3个、2018年8个)，对流性降水过程28个(2017年13个、2018年15个)。因为内蒙古雨季主要集中在夏季，而夏季多为对流性降水，稳定性降水主要集中在降水较少的春季(3—5月)和9月，所以稳定性降水过程较少。

1.2 降水强度划分

利用2017及2018年3—9月内蒙古西部地区30个气象站的逐时降水量资料，具体站点分布如图1所示，该图基于内蒙古自治区标准地图服务网站下载的审图号为蒙s(2019)33的标准地图制作，底图无修改。通常根据雨强(r)将降水分为4类：r=0 mm·h-1为无降水；r<1 mm·h-1为弱降水；1mm·h-1≤r<10mm·h-1为一般降水；r≥10mm·h-1为强降水[14]。将单站连续逐时降水序列按照升序排列，其中第99个百分位值定义为强降水阈值，内蒙古西部强降水阈值大于等于6.0 mm，且年平均强降水过程不到1次[26]。因此本文将r=0 mm·h-1定义为无降水，r<1 mm·h-1为弱降水，1 mm·h-1≤r<6 mm·h-1为一般降水，r≥6 mm·h-1为强降水。

图1 内蒙古西部地区30个气象站分布Fig.1 The distribution of 30 meteorological stations in western Inner Mongolia

1.3 卫星反演产品

FY-2静止卫星反演产品融合了高空、地面及微波辐射计等其他观测，与MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)、Cloudsat等实测资料进行对比，产品具有较高的可信度。光学厚度利用0.64 μm的可见光通道反演，夜间没有可见光，利用亮温差反演得到云光学厚度，相比白天，夜间的反演结果还有待进一步检验[27]，液水路径的反演也存在上述问题。因此本文使用2017年5—9月、2018年4—9月每日08:00—20:00 FY-2静止卫星的反演数据，数据空间分辨率为5 km，时间分辨率为1 h。

1.4 云宏观特征诊断

我国业务布网的L波段高空气象探测系统，由我国自主研发的GFE(L)1型二次测风雷达和GTS1型数字探空仪组成，采用二次测风雷达测距体制，能够连续自动探测高空气温、湿度、气压、风向和风速等要素。GTS1型数字探空仪采样周期为1.2 s(也称探空秒数据)，每分钟的采样频率为50次，按照6.67 m·s-1上升速度算，L波段高空探测仪的空间垂直分辨率为8 m[28]。采用相对湿度阈值法处理探空数据[29]，反演云的垂直结构，主要考虑3个方面：(1)气温低于0 ℃时，需要利用冰面饱和水汽压计算相对湿度；(2)云层中的相对湿度最大值大于87%，最小值大于等于84%；(3)相对湿度在云顶有负跳变，在云底有正跳变。具体公式如下[29-30]：

(1)

式中：es(hPa)为水面饱和水汽压；qs(kg·kg-1)为饱和比湿，q(kg·kg-1)为比湿；esi(hPa)为冰面饱和水气压；T(℃)为温度；p(hPa)为气压；RH(%)为相对湿度。具体方法如图2所示，根据相对湿度阈值84%以及相对湿度在云顶有负跳变、在云底有正跳变诊断云底高度和云顶高度，用颜色填充确定云区。其中云层厚度即云底高度到云顶高度的空间厚度；云夹层用相对湿度阈值方法诊断在云内出现的不连续云区，图2中2个绿色填充区之间定义为1个夹层；云夹层厚度即云夹层底到云夹层顶的空间总厚度。

图2 相对湿度阈值法处理探空数据样例Fig.2 The sample of radiosonde data processed by using relative humidity threshold method

1.5 卫星与探空反演云顶高度对比

对比分析探空和卫星反演的降水云、无降水云的云顶高度(图3，卫星反演资料时段为2017年5—9月与2018年4—9月)。可以看出，虽然二者的反演方法不同，但探空和卫星反演的云顶高度总体变化趋势一致，且相关系数为0.24，通过α=0.01的显著性检验，表明探空和卫星反演的云顶高度具有较好的相关性。

图3 2017及2018年3—9月内蒙古西部L波段探空和FY-2卫星反演的云顶高度Fig.3 The cloud top height inversed by L-band souding and FY-2 satellite in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

2 降水云宏观特征

统计2017及2018年内蒙古西部地区降水云、无降水云及临近降水云云底高度，其中Y代表降水云样本，N代表无降水云样本，Y-1表示统计时刻前后1 h内有降水发生的云，定义为临近降水云样本，共挑选出降水云样本70个，无降水云样本544个，临近降水云样本31个。表1列出2017及2018年内蒙古西部地区降水云、无降水云及临近降水云的垂直结构特征。可以看出，降水云、临近降水云、无降水云的云底高度平均值分别为2.06、2.59、4.22 km，其中无降水云云底高度平均值最高。降水云、临近降水云及无降水云的云顶高度平均值分别为11.00、10.02、9.12 km，其中降水云云顶高度平均值值最高。降水云、临近降水云及无降水云的云层厚度平均值分别为8.94、7.42、4.86 km，无降水云云层最薄，且云层厚度最小值为0.03 km。

表1 2017及2018年3—9月内蒙古西部地区降水云、无降水云及临近降水云垂直结构特征Tab.1 Statistical characteristics of vertical structures of precipitation clouds, non-precipitation clouds and approaching precipitation clouds in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

无降水云云顶高度最大值为15.00 km，其样本对应的云底高度也较高，为10.16 km；云底高度最小值为1.02 km，其样本对应的云有4个夹层，为多层云结构；云层厚度最大值为13.28 km，其样本对应的云底高度虽然较低(1.69 km)，但该样本夹层厚度较大，第一层夹层厚度1.96 km，第二层夹层厚度4.82 km。上述无降水云的3种极值情况均未产生降水，因此对降水云、临近降水云、无降水云的云底高度、云顶高度、云层厚度及多层云结构进行详细分析。

2.1 云底高度

图4为2017及2018年3—9月内蒙古西部地区降水云、无降水云及临近降水云不同云底高度出现概率和累计概率分布。可以看出，将云底高度进行分段统计[图4(a)]，70个降水云样本中，云底高度在1.5～2.0 km的样本最多(35.7%)，其次是1.0～1.5 km(24.3%)，云底高度在2.5～3.0 km及大于3.5 km的样本最少，均为8.6%。临近降水云样本中，云底高度在1.5～2.0 km的样本最多(29.0%)，其次是3.0～3.5 km的样本(25.8%)，云底高度在1.0～1.5 km及2.0～2.5 km的样本最少，均为9.7%，相比降水云云底高度，临近降水云云底高度较高。无降水云云底高度大于3.5 km的样本有60.7%，超过半数。

对云底高度进行累计统计[图4(b)]，降水云云底高度小于等于3.0 km的样本达81.4%，临近降水云云底高度小于等于3.5 km的样本达87.1%。无降水云云底高度小于等于2.0 km的样本只有19.4%，所以内蒙古西部地区绝大部分降水云的云底高度小于等于3.0 km，高于内蒙古中部地区的降水云云底高度2.5 km[31]，临近降水云云底高度小于等于3.5 km，无降水云云底高度大于2.0 km。综上所述，降水的发生与云底高度密切相关，但无降水云中有39.3%的样本云底高度小于等于3.5 km，降水云中有18.6%的样本云底高度大于3.0 km，临近降水云有12.9%的样本云底高度大于3.5 km，统计上述3种情况的样本，主要与云顶高度、云层厚度、云夹层厚度以及云夹层数密切相关。

图4 2017及2018年3—9月内蒙古西部地区降水云、无降水云及临近降水云不同云底高度出现概率(a)和累计概率分布(b)Fig.4 The percentage (a) and cumulative percentage (b) of different interval cloud base height for precipitation clouds, non-precipitation clouds and approaching precipitation clouds in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

2.2 云层厚度与云顶高度

图5为2017及2018年3—9月内蒙古西部地区降水云、无降水云及临近降水云云层厚度和云顶高度累计出现概率分布。可以看出，降水云云层较厚，云层厚度小于3.0 km的样本数只占1.4%，云层厚度大于等于6.0 km、大于等于8.0 km的样本数分别占85.7%、65.7%。临近降水云云层厚度小于4.0 km的样本数占9.7%，较降水云云层厚度偏小，云层厚度大于等于6.0 km、大于等于5.0 km的样本数分别占77.4%、83.9%。无降水云云层较薄，云层厚度大于等于5.0 km、大于等于6.0 km的样本数分别占47.8%、36.9%。

图5 2017及2018年3—9月内蒙古西部地区降水云、无降水云及临近降水云不同云层厚度(a)和云顶高度(b)累计出现概率分布Fig.5 The cumulative percentage of different interval of cloud thickness (a) and cloud top height (b) for precipitation clouds, non-precipitation clouds and approaching precipitation clouds in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

由云顶高度累计出现概率可以看出，降水云云顶高度较高，云顶小于6.0 km的样本数只占1.4%，大于等于8.0 km的样本达87.1%。临近降水云云顶高度也较高，小于6.0 km的样本数占9.7%，大于等于8.0 km的样本达80.6%。无降水云云顶高度较低，大于等于8.0 km的样本达68.9%。

无降水云中云顶高度大于等于10.0 km、云层厚度大于等于8.0 km的样本占较大比例，对这些样本进一步分析，其中69.3%的样本云夹层数小于2，但这些样本的云底较高或夹层较厚，云夹层数为0、1、2的样本对应的云底高度平均值分别为3.9、3.3、2.6 km，夹层数为1、2的样本云夹层厚度平均值分别为2.8、2.2 km。

2.3 多层云结构

统计降水云、临近降水云与无降水云的云夹层数，降水云0夹层样本数最多达37.1%，云夹层数2层以下样本数为81.4%，夹层数为4的只占4.3%；临近降水云中2个夹层样本数最多(29.0%)，3层以下样本数达74.2%，夹层数为4的样本数占比25.8%，略小于2个夹层；无降水云样本中4个云夹层的样本数为11.6%，但0个夹层和1个夹层的样本数占比也较大，分别为32.7%、28.1%，因此需要对夹层结构特征进行进一步分析。

图6为2017及2018年3—9月内蒙古西部地区降水云、临近降水云与无降水云云夹层个数和夹层厚度平均值统计。可以看出，0夹层的情况，降水云云层厚度最大(9.2 km)，其次是临近降水云(7.9 km)，无降水云云层厚度最小(3.0 km)。降水云与临近降水云的云顶高度均为11.3 km，无降水云的云顶高度只有8.0 km。降水云、临近降水云、无降水云的云底高度分别为2.0、3.4、5.2 km，即降水云云底高度最低，无降水云云底高度最高，这与表1统计的云底高度整体规律一致。

图6 2017及2018年3—9月内蒙古西部地区降水云、临近降水云与无降水云的云底高度、云顶高度、云层厚度、云夹层底高度、云夹层顶高度、夹层厚度和云夹层个数Fig.6 The interlayer number and cloud base height, cloud top height, cloud layer thickness, cloud interlayer bottom height, cloud interlayer top height, interlayer thickness of precipitation clouds, approaching precipitation clouds and non-precipitation clouds in western Inner Mongolia from March to September in 2017 and 2018

1个、2个、3个夹层中均是降水云的云底高度最低，其次是临近降水云，无降水云的云底高度最高；1个、2个夹层中降水云云层厚度最大，3个、4个夹层中临近降水云云层厚度最大，1个、2个、3个、4个夹层中无降水云云层厚度最小；1个、2个、4个夹层中降水云云顶高度最高，3个夹层中临近降水云云顶高度最高，1个、3个、4个夹层中无降水云云顶高度最低。

整体上，不同夹层样本中，降水云、临近降水云的云夹层厚度均小于无降水云。1个夹层的云夹层厚度样本中，降水云、临近降水云、无降水云的夹层厚度平均值分别为0.8、1.3、1.7 km。降水云、临近降水云、无降水云第一个云夹层底距云底距离平均值分别为2.9、4.6、1.4 km。3个、4个夹层的云夹层厚度统计特征与1个夹层的规律基本一致，即降水云<临近降水云<无降水云，降水云第一个夹层底距云底的距离大于无降水云且夹层间距离较大，夹层分布较稀疏。

针对占有较大比例的云夹层数小于等于3的无降水样本、夹层数大于等于2的降水样本、夹层数大于等于3的临近降水云样本进行统计。发现云夹层数小于等于3的无降水云样本，云底高度较高，平均为3.0 km，云底高度大于3.0 km的样本达到76.7%，云底高度大于4.0 km的样本占53.2%，且云层较薄，云层厚度在4.5 km左右，夹层厚度较大，为1.0 km左右，夹层分布较密集，不利于降水；云夹层数大于等于2的降水云样本，云底小于2.0 km，云层厚度大于8.0 km，云顶高度10.0 km左右，虽然云夹层数较多，但云夹层厚度小于800 m；云夹层数大于等于3的临近降水云样本，云底小于2.0 km，云厚大于7.0 km，云夹层厚度小于0.6 km。

3 卫星反演降水云特征

降水与云特征密切相关，为统计内蒙古西部地区云特征和降水关系，规定某时次、某站点对应的卫星反演云参数与后一时次小时雨量(雨强)为一个统计样本。2017年5—9月及2018年4—9月共挑选降水云样本330个，无降水云样本1740个。图7为降水云与无降水云不同区间光学厚度和液水路径出现概率分布。可以看出，降水云光学厚度大于20的样本占78.2%，无降水云只占29.7%。液水路径的统计特征与光学厚度相似，降水云液水路径大于20 g·m-2的样本占96.1%，液水路径大于150 g·m-2的样本占69.4%，而无降水云液水路径大于150 g·m-2的样本只占41.3%。

图7 2017年5—9月及2018年4—9月内蒙古西部地区降水云与无降水云不同区间光学厚度(a)和液水路径(b)出现概率分布Fig.7 The percentage of different interval of optical thickness (a) and liquid water path (b) of precipitation clouds and non-precipitation clouds in western Inner Mongolia from May to September 2017 and from April to September 2018

4 稳定性和对流性降水云特征

统计两类降水性质的云光学厚度和液水路径，在330个降水样本中，稳定性降水样本55个，对流性降水样本275个；在1740个无降水样本中，稳定性无降水样本177个，对流性无降水样本1563个。

图8为2017年5—9月及2018年4—9月内蒙古西部地区稳定性、对流性降水云和无降水云不同区间光学厚度和液水路径出现概率分布。可以看出，总体上对流性降水云的光学厚度大于稳定性降水云，稳定性降水云光学厚度大于20的样本数占70.9%，稳定性无降水云光学厚度大于20的样本数只占31.1%，对流性降水云光学厚度大于25的样本数占70.9%，对流性无降水云只占18.9%。总体上对流性降水云的液水路径大于稳定性降水云，液水路径大于100g·m-2的稳定性降水云样本数占72.7%，而对流性降水云的样本数占80%。液水路径大于150 g·m-2的对流性降水云样本占71.3%，而稳定性降水云只占60%。

图8 2017年5—9月及2018年4—9月内蒙古西部地区稳定性、对流性降水云和无降水云不同区间光学厚度(a)和液水路径(b)出现概率分布Fig.8 The percentage of different interval of optical thickness (a) and liquid water path (b) of stable stratiform, convective precipitation clouds and non-precipitation clouds in western Inner Mongolia from May to September 2017 and from April to September 2018

5 雨强与云特征关系

图9为2017年5—9月及2018年4—9月内蒙古西部地区降水云、对流性降水云、稳定性降水云样本中不同雨强的液水路径和光学厚度分布。可以看出，降水强度与云特征密切相关，整体上随着光学厚度增加，液水路径增大，雨强增大(一般降水样本逐渐增多)，这与孙丽等[16]研究结论一致。云光学厚度在[20，55)区间、液水路径在[100，250 g·m-2]区间的样本占总降水样本的14.8%，其中弱降水、一般降水、强降水分别占67.3%、30.6%、2.1%。一般降水有两个峰值，一个位于高光学厚度和高液水含量区，另一个位于云光学厚度大于等于55，液水路径小于等于500 g·m-2的降水云区。

图9 2017年5—9月及2018年4—9月内蒙古西部地区降水云(a)、对流性降水云(b)、稳定性降水云(c)样本中不同雨强的云光学厚度和液水路径分布Fig.9 The distribution of optical thickness and liquid water path of precipitation clouds (a), convective precipitation clouds (b), stable stratiform precipitation clouds (c) in western Inner Mongolia from May to September 2017 and from April to September 2018

对流性降水云、稳定性降水云的光学厚度与液水路径统计特征与整体一致，但对流性降水云的光学厚度和液水路径均大于稳定性降水云，光学厚度大于等于25，液水路径大于等于100 g·m-2的对流性降水云样本占总对流性降水云样本的64.7%，其中弱降水、一般降水、强降水分别占61.8%、37.1%、1.1%；光学厚度大于等于20，液水路径大于等于75 g·m-2的稳定性降水云样本占总稳定性降水云样本的59.7%，其中弱降水、一般降水样本分别占86.5%、13.5%。

6 结 论

(1)利用L波段探空数据、FY-2卫星反演产品以及降水数据挑选内蒙古西部地区2017及2018年3—9月49个降水过程，统计上述样本显示：当云底高度小于等于3.0 km，云顶高度大于等于8.0 km，云层厚度大于等于6.0 km，云夹层数小于等于2且夹层厚度小于等于0.6 km，夹层分布稀疏时，易出现降水。

(2)当云底高度大于3.5 km，云顶高度大于8.0 km，云层厚度6.0 km左右，云夹层较多且夹层厚度在1.0 km左右，夹层分布较密集时，不易出现降水。

(3)当云光学厚度大于等于20，液水路径大于等于100 g·m-2时，易出现降水。高光学厚度和高液水含量区以及光学厚度大于等于55和液水路径小于等于500 g·m-2的降水云，易出现一般降水。