基于毫米波测云雷达的建瓯云宏观分布特征

余安安 陈孝腔 吴雪菲 李 栋 刘光普

(福建省大气探测技术保障中心,福建 福州 350008)

1 概述

云在大气辐射传输、全球水循环、全球能量平衡等方面扮演重要角色，因此，观测云在天气预报、人工影响天气、飞行保障、军事保障等方面有着重要意义。目前，已有许多学者对云的宏微观、时空分布等特征进行研究，比如不同云层的云类型特征[1]、云量与云顶高度的时空特征[2]等。研究范围大至全球、太平洋、东亚等，小至中国、中国西南部、北京地区等。主要的研究方法可以分为三种：一是人工主动观测分析[3]，这种方法结果相对真实，但主观性强，时空分辨率低，费时又费力。二是通过卫星资料[4]进行研究分析。ISCCP(International Satellite Cloud Climatology Project，国际卫星云气候计划)提供了比较系统、覆盖全球且质量相对较好的云数据资料[5-6]。CloudSat和CALIPSO资料在研究全球云层三维结构方面具有优势[7-10]，这些数据资料被广泛应用在云的各方面研究中，但此方法时空分辨率相对偏低。三是利用地面云探测设备或是机载云探测设备对云特征进行观测分析[11-13]。这种方法具有时空分辨率高、云结构信息丰富的优点，但受探测范围的限制，具有区域性。然而探测范围的局限性对小区域云特征的研究影响较小，高时空分辨率和精细的云体结构会更有利于小区域云特征的深入研究分析。因此，第三种方法对于局部地区的云特征研究有着重要意义。

建瓯位于福建省北部，武夷山脉东南面，属中亚热带海洋性季风气候，四季分明，雨量充足，云也相对丰富。本文利用地基毫米波测云雷达资料，分析建瓯地区云的宏观分布特征及时间变化特征，对于了解建瓯及周边武夷山地区气候特征具有一定参考意义，同时也有利于应对气候变化、服务生态文明建设和经济社会发展。

2 研究方法和数据

2.1 研究方法

雷达电磁波在大气中传播时，遇到云滴、雨滴等各种粒子时，因极化形成一个振荡的多极子，产生以粒子为中心的各个方向的散射。后向散射指的是沿电磁波发射路径反射并且被天线接收的电磁波信号，粒子的回波强度由后向散射截面决定，粒子后向散射截面可由公式(1)表示：

(1)

其中，σ为雷达截面(m2)，D为粒子直径(m)，λ为发射电磁波波长(m)，m为已知复折射指数。对某一种类型的粒子，雷达波长λ越短，粒子的后向散射截面积σ越大，后向散射能力也越强，从而产生的回波越强。毫米波测云雷达波长短，因此具备探测更小粒子的特性，适合进行云的观测。

毫米波测云雷达的主要技术指标如表1所示。

表1 毫米波测云雷达主要技术指标

本文利用建瓯2019年5月-2020年4月毫米波测云雷达观测数据，对建瓯地区云出现特征(即云出现与时间的关系)、层高特征(即云层、云底高、云顶高分布情况)、云类型特征(各种云类型出现及分布比例)进行深入分析，进而得到建瓯地区的云宏观分布特征及时间变化特征。

2.2 数据获取率

由于设备维护、故障等多种因素，毫米波测云雷达观测数据会出现缺失情况。因此，我们定义数据月获取率为雷达观测时间占当月时间的比值，相应的，得到年获取率、小时获取率等。全年获取率约为98.8%，其中2019年5月、6月、10月获取率较低，其余各月数据获取较为完善。因此，通过该数据得到的分析具有一定客观、真实的价值。

3 分析结果

3.1 云出现特征

本文用云出现率来估算建瓯地区云的发生情况[13]。云出现率，即一定时段内(例如小时、日、月等)云廓线出现时长占总观测时长的比例。本文依据环流形式、天气过程和要素特征的转折划定福建的自然天气季节：3～6月是春季，7～9月是夏季，10～11月是秋季，12～2月为冬季[19]。2019年5月-2020年4月，建瓯地区云出现率分布情况如图1所示。全年平均出现率为62.8%，季度云最大出现率在春季，最小在秋季。月出现率最大值及最小值分别在6月和11月。建瓯地处中亚热带海洋性季风气候区，春季早春雨、梅雨多，降水量约占全年降水量的一半，秋冬干燥，因此呈现春季云多而秋季云少、春夏交替的6月云出现率高、秋冬交替的11月云出现率低等特征。

图1 2019年5月-2020年4月建瓯地区年平均云出现率、季平均云出现率和月平均云出现率

由上述所知，相比人工观测或卫星观测，毫米波测云雷达的定点观测具有时间分辨率高的优势，能够在更小时间尺度上研究云的宏微观物理变化过程。因此，以小时为单位统计云出现率，可以分析出建瓯地区云出现率的日变化情况，如图2所示。从图2可以看出，建瓯地区云出现率在一日中各时段之间的差异比较显著。其中16∶00至21∶00时段云出现率相对高些，2∶00至4∶00时段相对低些。2∶00至4∶00时段温度偏低，云出现率较小。接近午时时，随着太阳辐射的增强，云顶夹卷增强，干空气被夹卷进云内，加快了云的蒸发速度，因此中午云出现率较低。随着太阳辐射的减弱，水汽又开始堆积，14∶00后云出现率开始升高，周而复始。据观测表明，我国各地区对流降水大都多发生在傍晚时分[14]，与当前建瓯17∶00至19∶00时段云出现率达到高值特征一致。不同季节云出现率日变化情况也有所不同，秋季云出现率日变化差距最大，最大差距为50.47%。春、夏、秋三季4：00至6∶00、14∶00至18∶00时段云出现率均呈现先升高、后降低的特点。冬季，云出现率早上峰值出现在7∶00-8∶00时段，比春、夏、秋季晚1小时，总体上升和下降变化幅度较低，相比春、夏、秋季日变化特征不显著。

图2 2019年5月-2020年4月建瓯地区年平均云小时出现率和季度平均云小时出现率

3.2 层高特征

统计建瓯地区2019年5月-2020年4月期间不同云层的出现率分别是：单层云出现率为37.58%，双层云出现率约为18.09%，多层云出现率大致为7.12%。

2019年5月-2020年4月逐月云层分布趋势基本相同，其中双层及多层云出现率从6月开始至11月大致呈下降趋势，到11月时各层云出现率均表现为最低，而后双层及多层云出现率又呈上升趋势。单层云出现率从6月开始至11月呈现波浪式下降，11月至1月相对平稳，而后波浪上升。总体而言，建瓯地区单层云居多，平均每个季度单层云出现率都为最高。图3为不同季节各种云层的云出现率，从图3可知，各个季度单层云出现率差距较小，春夏多云、秋冬少云的主要原因是春夏季双层云及多层云的出现率大。春季双层及以上云出现率最高，说明在对流活动旺盛的情况下容易出现比较复杂的云层垂直分布。建瓯属于中亚热带海洋性季风气候，海洋是暖性下垫面，水汽密集，为形成云提供了条件。秋、冬季温度低，对流层稳定性较强，不利于上升运动发展，水汽难以向上输送；春季强对流天气活跃，变性冷空气与新南下冷空气、暖湿气流与北方冷空气交汇，大气层结不稳定，云层会逐渐上升[15]。而且热带季风区在夏季风影响期间更容易产生多层云。

图3 2019年5月-2020年4月建瓯地区单层云、双层云、多层云季度云出现率

建瓯地区平均云底高约1.2km，平均云顶高约5.5km。表2为各季度云底高、云顶高及云厚度，季节变化特征都较为明显。秋季云底高度最低，夏季云底及云顶高度最高。春季和夏季都有厚度比较大的云层。

表2 2019年5月-2020年4月建瓯地区云底及云顶高度分布 单位:km

由于云层大于三的情况很少，以下主要统计单层、双层及三层云特征情况。图4为单层云、双层云和三层云云底高和云顶高的季平均结果。双层云的云底高度低于单层云与三层云，单层云云顶高较低。就季节来看，双层云和三层云云底高最高都为夏季，单层云为冬季；单层云、双层云云顶最高在春季，三层云云顶高最高在夏季。云底高度通常是云的形成高度。水汽由未饱和达到饱和形成云的方式一般有两种，一种是水汽含量不变，降温冷却，另一种是温度不变，增加水汽含量，因此温度和水汽含量共同作用影响云的形成。夏季平均温度高，凝结高度相对抬升，使得云底高度也随之升高。冬季低层干燥，水汽条件较不充沛，因此云底高度也会较高。同时春夏季陆地表面受热不均，经常在近地层形成绝对不稳定层结，对流容易发展，利于云顶高度较高的云发生。另外，综合来看，单层云的云厚度最大；随着云层数增多，云的平均厚度随之减小；三层云云层更易重叠出现。

图4 2019年5月-2020年4月建瓯地区单层云、双层云和三层云云底和云顶高度的季度平均值

3.3 云类型特征

单层云中积雨云占比最大，其次为层云，占比最小的为雨层云。春、冬两季积雨云所占比重最大，夏、秋两季层云所占比例最大。建瓯地区春季经常有强对流天气过程，产生雷暴、冰雹等天气现象，因此积雨云占比较大。2019年5月-2020年4月，建瓯地区冬季气候偏暖，暖湿空气势力较强，当北方有较强冷空气南下时，暖湿空气被迫抬升，对流加剧，因此2019年5月-2020年4月期间冬季积雨云所占比重也随之增大。秋季大气结构相对稳定，容易形成静稳天气特征，导致雾的发生。层云一般由雾抬升而成，因此在秋季所占比例较大。但层云的出现并没有非常明显的季节性[16]，所以在春、夏、冬三季所占比例均不小。

图5为双层云中不同类型的云分布情况。全年以积云/高积云、层云/高云和层云/层积云为主导云类型。春季低云+低云/中云/高云配置出现率高，以积云/高积云、层云/高云、层云/层积云为主；夏季低云+低云配置出现率高，以层云/层积云为主；秋、冬季低云+中云配置出现率高，以积云/高积云为主。2019年5月-2020年4月期间冬季温度偏高，较容易形成积云。建瓯地区多丘陵和山间盆谷，夜晚山坡上降温快，冷空气流入低谷和盆地，暖空气被抬升，形成逆温层。尤其在冬季，冷空气的密度要比暖空气的大，逆温层形成更加容易，冷空气达到饱和从而形成高积云。因此，建瓯地区冬季积云/高积云占比较大,这与张玉轩的结论相似[17]。秋季高空冷空气下沉，到地面受热后空气中的水分蒸发，相对湿度降低，气压升高，云层也升高，经常出现透光高积云，预示秋高气爽。再加上秋季总体云出现率低，因此秋季积云/高积云的占比相对较大。春、夏两季层状云的发生率远大于对流云的发生率[18]，因此春、夏两季层云/层积云占据较多，但建瓯地区春季对流活动旺盛，因此春季低层云中积云占据比值不低。从图5可以看到，有少量层积云、层云出现在高云的上层，卫星观测资料结果也出现过类似情况[17]，具体原因还值得进一步研究。

图5 2019年5月-2020年4月建瓯地区双层云各季度不同云类型分布

图6为单层云和双层云中不同云类型所占比例的日变化情况。可以看到，一日当中大部分时段所占比例较大的均为层云。建瓯地处沿海的福建省，海上回流较多，因此层云的发生率较高。从图6可以看出，层云平均在6∶00至7∶00时段达到一定峰值，层云一般是由雾抬升形成，日出前较多，日出后云则会逐渐消散。晚上辐射雾发生频率较高，因而在19∶00至20∶00时段又达到一个峰值。占比最小的为雨层云，建瓯地区雨层云占比日变化特征与中国总体雨层云特征相似，中国地区总体雨层云发生较少，平均不超过2%，且无明显日变化[14]。其他云类型占比较为接近。层积云在6∶00至7∶00时段达到峰值，18∶00至19∶00达到谷值，符合层积云“一峰一谷”的日变化特征。层积云与边界层的发展密切相关，它的日变化特征在一定程度上反映了边界层的日变化规律。积雨云在午后14∶00至15∶00达到峰值，夜晚22∶00至23∶00达到最低值。上述可知，积雨云与对流活动密切相关，午后对流活动加强，积雨云增多；夜间地面辐射降温，大气层相对稳定。高层云在中国地区发生频率比较小，8∶00至14∶00时段有上涨趋势，可能和积雨云有关，为积雨云消散后残留下来的。积云、高积云的日变化特征不太明显。

图6 2019年5月-2020年4月建瓯地区一日中各时段占比分布

4 结论

本文利用建瓯地区2019年5月-2020年4月的毫米波测云雷达数据资料对建瓯地区云宏观分布及时间变化特征进行了定量化的统计分析，得到了以下结论。

①云出现率约为62.8%；春季云出现率最高，秋季最低；6月云出现率最大，11月最小。一日中16∶00至21∶00时段云出现率相对较高，2∶00至4∶00时段相对较低。不同季节云出现率日变化特征有所不同，秋季云出现率日变化差距最大，最大差距为50.47%。冬季日变化特征相对不显著。

②平均云底高约为1.2km，平均云顶高约为5.5km。云顶高、云底高和云厚度的季节变化特征较为明显，夏季云底及云顶高度最高。春、夏季云层厚度比较大。

年平均单层云出现率为37.58%，双层云出现率约为18.09%，多层云出现率大致为7.12%。建瓯地区总体以单层云为主，且各个季度中单层云的出现率均最高。造成各个季度云出现率不同的主要原因是双层云及多层云出现率的不同。春、夏两季双层云和多层云出现率较高。另外，随着云层数增多，云层的平均厚度减小，云层也更易重叠出现。

③单层云中积雨云占比最大，其次为层云，占比最小的为雨层云。双层云以积云/高积云、层云/高云和层云/层积云为主导云类型。各季度主导云类型有所不同。受2019年5月-2020年4月期间冬季较高温度和建瓯地形的影响，建瓯地区冬季积云/高积云占双层云比例较大。

不同云类型日变化情况也有所差异。层云具有“双峰值”特征；层积云具有“一峰一谷”特征；积雨云午后所占比例增大。积云、高积云的日变化特征则不太明显。