基于CERES资料的新疆云物理参数时空分布特征

苏亚乔，王 勇，张林梅，郑焙文，张云惠

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆生态气象与卫星遥感中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

水资源是国家经济社会可持续发展的重要物质保障，更是人类命运共同体的物质根本。作为发展中国家，我国水资源严重短缺，目前人均水资源占有量约为世界人均占有量的四分之一，被列为世界人均水资源匮乏国家之一。全国城市中有400余座供水不足、110余座严重缺水，占中国城市总数的73.9%，且大部分位于我国北方及西北半干旱、干旱地区[1]，新疆作为典型的干旱半干旱地区，水资源紧缺已成为制约当地经济发展的重要障碍。改善水资源短缺问题的途径为开源和节流。但节流必须与经济发展水平相适应，节流空间有限。同时，地表和地下水资源开发已接近极限。因此，开发利用空中云水资源已成为各界关注的缓解水资源短缺的有效途径之一。

云的宏微观结构特征与云降水条件、机制、效率及人工增雨潜力等紧密相关。不同的云结构特征所造成的天气现象更是千差万别[2]。故云粒子有效半径、云水路径、光学厚度、云顶气压等云物理参数，对于研究云系宏微观特征、气候变化、降水演变以及空中水资源有效开发等具有重要的意义。常规气象台站提供的气象观测资料很难获得云中液态水含量等云参数，目前主要通过微波辐射计[3]、飞机探测[4-5]、卫星探测[6-7]等手段获得云参数。相较于其他探测手段，卫星具备大范围、全过程、长时间的优点[8]。随着气象卫星的发展，利用卫星资料反演的各种云微物理特征被广泛应用于气象研究中。Rosenfeld等[9]运用NOAA极轨卫星资料反演了对流云温度和云粒子有效半径的分布特征，该反演方法还可应用于MODIS、FY-3[10]等卫星的云微物理特征反演和强对流识别研究[11]。刘健等[12]通过对FY-1D和NOAA极轨卫星反演得到的云光学厚度和地面降水数据的分析，指出地面雨量与云光学厚度呈正相关。张杰等[13]对MODIS云特征参数与降水量的关系进行研究后发现，祁连山区产生较大降水的云粒子有效半径通常在6～12 μm，云光学厚度在8～20。王羽佳等[14]利用CERES资料分析了东亚地区单层卷云物理特性。李帅等[15]用FY-2F资料研究了新疆区域云量和云类的分布特征。王昀等[16]、光莹等[17]分别研究了新疆层状云冰粒子属性的季节变化以及层状云微物理属性垂直分布的季节变化。王磊等[18]、龚静等[19]分别探究了华北和青海省东部云特征参量与降水的相关性。

新疆对降水的需求巨大，云特征参量的时空分布特征影响着降水产生的效率，也决定着人工增水的效果。本文利用2011—2020年ERA5再分析降水数据、云和地球辐射能量系统（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System，CERES）云产品，分析新疆云参数的时空变化分布特征，归纳总结北疆、南疆、山区云物理参数与降水量的相关性，为开发新疆空中云水资源做初步探索，为人工影响天气作业的潜势预报提供初步参考。

1 资料与方法

使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA5的0.25°×0.25°逐小时降水数据和Aqua卫星搭载的CERES仪器探测的三级（Level-3）数据，包括云水路径（液相、冰相）、云粒子有效半径（液相、冰相）、云顶（底）温度、云光学厚度、云顶气压（分辨率为1°×1°）。

ERA5是ECWMF推出的第五代再分析产品，具有时空分辨率高、更新快、参数多等优点。有研究指出ERA5相对于ERA-Interim在数据质量上有很大的提升[20-21]。CERES探测器的长波和短波在地面校准误差分别为0.5%和1%。采用了新的角度分布模型后，减少了2～4倍的系统误差和均方根误差。它的伺服系统定位精度高，温度探测器的时间常数、热滞系数小，表明该仪器具有测量快速、系统误差小的特征[22]。

利用2011—2020年8种云物理参数与多年月平均降水量数据，将新疆分为山区（包括阿尔泰山、天山、昆仑山、南疆西部山区）、北疆（以天山为界的北部非山区）、南疆（以天山为界的南部非山区）3个区域（图1）进行讨论，分析云参数与降水量的时空分布特点及对应关系；运用ArcGIS软件分别提取北疆、南疆、山区的格点数据做空间平均，分析3个区域的云参数与降水量的差异；并通过计算云参数与降水量的Pearson相关系数，分析其显著性。

图1 分区示意图

2 结果与分析

2.1 云参数与降水量空间分布特征

由2011—2020年10 a平均云参数、降水量空间分布（图2）可知，新疆各地的降水分布及强度极不均匀，总体呈山区多（强）、南疆少（弱）、北疆介于两者之间的特征。山区空间平均降水量为487.3 mm，占全疆降水量的62.5%，是南疆降水量的8.5倍（表1），其中阿尔泰山北部，天山中、西段以及昆仑山北坡西段的降水量较丰富，阿尔泰山东南部，天山东段，昆仑山南部及东段的降水量相对较少。南疆年降水量为57.5 mm，仅占全疆降水总量的7.4%（表1），塔里木盆地北部、西部边缘降水量为50～100 mm，东部和南部降水量＜50 mm。北疆空间平均降水量则介于两者之间，年降水量为234.6 mm（表1），伊犁河谷、塔城盆地年降水量为250～350 mm，准噶尔盆地降水量为50～200 mm，降水少的地区为天山尾闾淖毛湖一带，降水量＜50 mm。

云液水路径值为北疆＞山区＞南疆，呈自北向东南递减的分布特征，阿勒泰北部的云液水路径值＞70 g/m2，阿尔泰山区降水量大值区与云液水路径的大值区重合（图2a）。云冰水路径值自西向东递减，与云液水路径不同，山区是3个区域中云冰水路径值最大的区域，天山西段、昆仑山北部西段的降水量大值区对应的云冰水路径值＞140 g/m2（图2b），北疆次之，南疆最小（表1）。

云粒子有效半径（液相）的分布呈西高东低，且在东部的哈密、吐鲁番一带有一明显低值中心（图2c）。云粒子有效半径（冰相）在天山西段值较大，＞30 μm，在南疆东部及昆仑山南部相对较小，北疆云粒子有效半径（冰相）介于山区与南疆之间（图2d、表1）。

云底温度在山区较高，说明山区云底高度相对较低（图2e），云顶温度空间差别不大，北疆、南疆空间平均云顶温度略低，山区略高（图2f、表1），山区的云底云顶温度差最大（表1），表明山区相对其他区域的云层更厚。

云光学厚度自东向西减小，从空间平均上看，山区＞北疆＞南疆，这与降水量的空间平均值分布一致（图2g、表1）。

云顶气压呈北高南低的分布形式，山区的空间平均云顶气压远低于北疆、南疆，云顶气压可以直接表征云顶发展的高度，说明山区的云层较厚（图2h、表1）。

表1 2011—2020年10 a平均降水量、云参数空间平均值

图2 年平均降水量与云参数空间分布

综上可初步判定云参数值与降水量的相关性强。云水路径（冰相）、云粒子有效半径（冰相）、云光学厚度在空间上呈现山区最大，北疆次之，南疆最少的分布状态，这与降水量的空间分布一致。另外，降水量最少的南疆同时云水路径值（液、冰相）也最小；降水量最多的山区拥有最大的云顶云底温度差和最低的云顶气压值。

2.2 云参数与降水量时间分布特征

2.2.1 季节变化

为了便于统计分析，采用天文上的3个月为一季来划分新疆季节，即12月—翌年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。

3个区域的降水量在季节上的分布不均匀，均为夏季最多，春季次之，冬季最少，秋季介于春、冬两季降水量之间。山区降水量季节差异最大，夏季降水丰沛，占山区年均降水量的50.7%，是冬季降水的7.1倍；北疆降水量季节变化率相对较小，夏季降水占北疆年均降水量的37.6%，是冬季降水的3.5倍；南疆夏季的降水量甚至少于山区冬季降水量，可见南疆降水匮乏（图3a）。

北疆的云冰水路径值季节分布与降水量季节分布一致，夏季的云冰水路径值最高为156.7 g/m2（图3c）；云顶气压季节分布为冬季最高，秋季次之，夏季最低，春季介于夏、秋两季云顶气压值之间，与降水量季节分布相反（图3i）；云粒子有效半径（液、冰相）在降水量最多的夏季最小、降水量最少的冬季最大（图3d、3e）；云顶（底）温度由高到低季节排序依次是：夏、秋、春、冬，说明夏季云高低于冬季云高，有利于降水产生，云顶（底）温度在夏季最高、冬季最低（图3f、3g）。

南疆的云冰水路径值与降水量季节分布一致，夏季的云冰水路径值最高，为164.8 g/m2，相比于北疆，虽然云冰水路径值的增大均对降水量有正向影响，但是同时期南疆较大的云冰水路径值所带来的降水量却少于北疆，说明云冰水路径值对降水的影响作用南疆弱于北疆（图3c）；云液水路径值在夏季最大（图3b）；云粒子有效半径（液、冰相）在夏季最小、冬季最大（图3d、3e）；云底、云顶温度在夏季最高、冬季最低（图3f、3g）；云光学厚度在夏季最大（图3h）。

山区的云冰水路径值与降水量季节分布一致（图3c）；云液水路径值在夏季最大（图3b）；云粒子有效半径（冰相）在夏季最小（图3d、3e）；云底、云顶温度在降水量最多的夏季最高、在降水量最少的冬季最低（图3f、3g）；云光学厚度在夏季最大（图3h）；云顶气压在夏季最低（图3i）。

图3 降水量、云参数季节分布

2.2.2 月变化

降水量在南、北疆、山区的月变化较一致，1—3月有所增多，4—6月迅速增加，7—8月为降水量最丰沛的时段，此时南、北疆、山区的月降水量保持在8、25、80 mm以上，且降水量最大值均出现在6月，9—10月降水量迅速减少（图4a）。

北疆云水路径（液、冰相）值的月变化呈双峰型，最大值分别出现在8和7月，云水路径（液、冰相）值与降水量在3—9月呈同位相变化（图4a、4b）；云粒子有效半径（液、冰相）与降水量呈反位相变化（图4c、4d）；云底、云顶温度的月变化呈单峰型，最大、最小值分别出现在7和1月，且与降水量的月变化趋势完全一致（图4e、4f）；云光学厚度的月变化呈双峰型，与降水量在5—10月呈同位相变化（图4g）；云顶气压月变化为12月最高，6月最低，云顶气压与降水量在3—9月呈反位相变化（图4h）。

南疆云液水路径值的月变化呈双峰型，云冰水路径值的月变化呈单峰型，最大值分别出现在8和6月，云水路径（液、冰相）值与降水量在3—10月呈同位相变化，云冰水路径值在3—10月变化幅度较大，在11月—翌年2月变化幅度小（图4a、4b）；云粒子有效半径（液、冰相）与降水量在5—10月呈反位相变化，且云粒子有效半径冰相比液相变化幅度大（图4c、4d）；云底、云顶温度与降水量在2—12月的月变化趋势完全一致（图4e、4f）；云光学厚度的月变化呈双峰型，与降水量在3—10月呈同位相变化，且云光学厚度在6—8月南疆大于北疆（图4g）；云顶气压月变化呈单峰型，12月最高，6月最低，云顶气压与降水量在4—10月呈反位相变化（图4h）。

山区云水路径（液、冰相）值的月变化与南疆的类似，最大值均出现在降水量最多的6月，云水路径（液、冰相）值与降水量在3—10月呈同位相变化（图4a、4b）；云粒子有效半径（液、冰相）与降水量在5—10月呈反位相变化，在11月—翌年2月呈同位相变化，且云粒子有效半径冰相比液相变化幅度大（图4c、4d）；云底、云顶温度与降水量的月变化趋势十分相似（图4e、4f）；云光学厚度与降水量在3—10月呈同位相变化，且云光学厚度在11月—翌年2月变化幅度很小（图4g）；云顶气压月变化呈单峰型，12月最高，6月最低，云顶气压与降水量在3—10月呈反位相变化（图4h）。

图4 降水量（柱状）与云参数（折线）月际变化特征

2.3 云物理参数与降水的关系

通过进一步对云参数与降水量进行Pearson相关性分析，得出夏季（6—8月）北疆云水路径（液、冰相）、云粒子有效半径（冰相）、云底、云顶温度、云光学厚度、南疆云粒子有效半径（液相）、云光学厚度、云顶气压、山区云水路径（液、冰相）、云粒子有效半径（液、冰相）、云底、云顶温度、云光学厚度、云顶气压与对应区域降水量的相关系数通过了0.05的显著性检验。

为探索夏季云参数与降水量在各区域的具体关系，相关系数绝对值≥0.8认为有强的相关性，0.3～0.8认为有弱的相关性，≤0.3认为没有相关性，并结合2011—2020年夏季云参数与降水量的相关系数空间分布进行分析。

北疆云液水路径值在塔城、阿勒泰北部及哈密西北部（图5a），云冰水路径值在阿勒泰北部（图5b），云底温度在伊犁北部、博州南部以及阿勒泰北部（图5e），云顶温度在阿勒泰北部、博州、伊犁北部、塔城西南部及北部（图5f），云光学厚度在塔城西部、博州北部、伊犁河谷（图5g）与降水量呈弱正相关，且通过α=0.05的显著性检验（以下描述均为通过α=0.05的显著性检验的区域）。云粒子有效半径（冰相）在塔城、阿勒泰北部及博州（图5d）与降水量呈弱负相关。

南疆云光学厚度在克州西南部、喀什北部、和田北部、巴州中部（图5g）与降水量呈弱正相关。云粒子有效半径（液相）在乌什—伊吾、莎车—若羌（图5c），云顶气压在南疆地区大部（图5h）与降水量呈弱负相关。云顶气压在喀什地区中部（图5h）与降水量呈强负相关。

山区云液水路径值在西天山、阿尔泰山北部（图5a），云冰水路径值在阿尔泰山北部（图5b），云底、云顶温度在西天山北部、阿尔泰山北部（图5e、5f），云光学厚度在西天山、南疆西部山区、昆仑山北坡（图5g）与降水量呈弱正相关；云液水路径值在阿尔泰山北端（图5a）与降水量呈强正相关。云粒子有效半径（液相）在东天山、南疆西部山区中部、昆仑山北坡东部（图5c），云粒子有效半径（冰相）在阿尔泰山北部（图5d），云顶气压在东天山、南疆西部山区南部、昆仑山北坡（图5h）与降水量呈弱负相关；云顶气压在南疆西部山区北部与降水量呈强正相关（图5h）。

图5 夏季降水量与云参数的相关系数

3 结论

利用2011—2020年ERA5再分析降水数据、CERES云产品对新疆云参数的时空变化分布特征及云物理参数与降水的相关性进行了统计分析，得到以下结论：

（1）从空间分布特征来看，云水路径值（冰相）、云粒子有效半径（冰相）、云光学厚度在空间上呈现山区最大、北疆次之、南疆最小的分布状态，与降水量的空间分布一致。云水路径值（液、冰相）最小的南疆同时降水量最少。拥有最大云顶、云底温度差和最低云顶气压值的山区降水量最多。

（2）从时间分布特征来看，北疆的云光学厚度、云液水路径值与降水量在5—10月呈同位相变化；云冰水路径值与降水量季节分布一致；云粒子有效半径（液、冰相）在夏季最小、冬季最大；云底、云顶温度与降水量的月变化趋势完全一致；云顶气压与降水量季节分布相反。南疆的云光学厚度、云液水路径值在夏季最大；云冰水路径值与降水量季节分布一致；云粒子有效半径（液、冰相）、云顶气压与降水量在5—10月呈反位相变化；云底、云顶温度与降水量在2—12月的月变化趋势完全一致。山区的云液水路径最大值出现在6月；云冰水路径值与降水量季节分布一致；云粒子有效半径（冰相）在夏季最小；云底、云顶温度与降水量的月变化趋势十分相似；云光学厚度与降水量在3—10月呈同位相变化；云顶气压在夏季最低。

（3）从夏季（6—8月）云物理参数与降水的关系来看，北疆云水路径（液、冰相）值、云底、云顶温度、云光学厚度与降水量呈弱正相关；云粒子有效半径（冰相）与降水量呈弱负相关。南疆云光学厚度与降水量呈弱正相关；云粒子有效半径（液相）、云顶气压与降水量呈弱负相关；喀什地区中部的云顶气压与降水量呈强负相关。山区云水路径（液、冰相）值、云底、云顶温度、云光学厚度与降水量呈弱正相关；阿尔泰山北端的云液水路径值与降水量呈强正相关；云粒子有效半径（液、冰相）、云顶气压与降水量呈弱负相关；南疆西部山区北部的云顶气压与降水量呈强正相关，以上相关均通过α=0.05的显著性检验。