基于卫星资料的天山山区云的垂直结构特征分析

基于 卫星资料的天山山区云的垂直结构特征分析

韩佳婷 1 魏兵强 2 杜佩德 3 闫晓璐 1

1. 山西省朔州市平鲁区气象局 037600； 2.95968 部队 100097 ； 3. 朔州市气象局 037600

摘要：采用2007年3月--2009年11月的CloudSat与CALIPSO相结合的2B-CLDCLASS-LIDAR云产品数据和2B-CWC-RO卫星数据，分析天山山区各层云季节、年变化，云顶、云底高度季节、年变化及云层物理厚度季节、年变化以及频次分布。

关键词：天山；卫星资料；云的垂直结构特征；年变化

引言

近年来，随着卫星科技和云量、云高等参数的反演方法的逐渐发展，高空间分辨率的卫星资料为研究云的各种特性提供了有效的科学的方法，卫星不但可以给出很大范围的云类型、云量等特征，而且还能够提供无法由地面常规观测给出的的云宏观和微观物理特性的参量数据。近年来，随着探测技术的不断发展，国内主要利用ISCCP( International Satellite Cloud Climatology Project)的月平均资料研究云高、云量等变化方面, 如陈勇航[1]等利用 ISCCP D2云的月平均资料对西北地区不同云类型的分布特征进行分析以及云量的多年变化趋势；张亚洲[2]等利用ISCCP提供的月平均气候资料研究南海地区总云量的气候特征；丁守国[3]等利用ISCCP最新的云气候资料集给出总云量以及云高的分布特征，同时采用趋势分析的方法研究全球不同云类、云量的变化趋势；基于此，本文对天山山区各层云季节、年变化，云顶、云底高度季节、年变化及云层物理厚度季节、年变化以及频次分布进行分析。

1.各层云季节、年变化

1.1单层云、二层云、三层云及多层云出现频率的月变化

2B-CLDCLASS-LIDAR云分类产品将云层划分为10层，每层云出现的廓线总数与10层云出现的廓线总数的比值为各层云出现的频率。由于云的结构会影响区域天气和气候的特征，单层云以及多层云的多少对降水的性质产生很大的影响，因此本文首先研究各层云在天山地区出现的频率。

图1给出了2007-2009年每月不同云系统云层频率分布图。从图中可以看出，天山山区2007-2009年单层云、二层云、三层云以及多层云具有相似的月变化特征。云系统出现的频率有逐年上升的趋势，2009年云系统出现的频率普遍大于2008年，2008年云系统出现的频率普遍大于2007年。单层云出现的频率远大于其他云层出现的频率，在多层云系统中，二层云所占的比例较大。天山山区在3月-4月，7月-9月期间云量有明显的上升趋势，5月-6月,9-11月期间云量有明显的下降趋势。在9月单层云量达到最大，6月云量最少。在4-5月，单层云下降趋势，而多层云与单层云呈相反变化，为上升趋势。这是因为4月地表感热增大，云层垂直复杂度增加，所以多层云所占的比例会增加。

图1 不同云层系统频率的月变化

1.2单层云、二层云、三层云及多层云出现频率的季节变化

图2给出了天山山区不同云层数目发生频率的季节变化。从整体上看，三年的云量基本没有变化，单层云出现的频率大于多层云。对于单层云，在秋季出现的频率最大，约占67%；在春季出现的频率最低，约占60%；冬季出现的频率略大于夏季。相反，对于多层云，春季出现的频率最大，约占30%；夏季次之；秋季出现的频率最低，约占10%。这可能因为山脉海拔较高，春、夏季高原辐射效应与地表感热加强，大气不稳定性增强，使得对流活动加强，容易出现较复杂的云层分布，所以多层云出现的频率增大。

图2 各季节不同云层频率的季节变化

2.云顶、云底高度季节、年变化

2.1云顶和云底高度的年平均特征

由于云顶、云底高度反映了云的发展状况，且会对降水产生很大的影响。本文统计2007-2009年研究区域的云顶高度和云底高度（云顶高度、云底高度均相对海平面高度），并对其进行逐月平均得到图3。由图可以得到：从整体看，云底云顶高度年变化波动较大，云底高度的范围在4-6km，云顶高度的范围在7-10km左右。在四月，云底高度最高，在4月-10月，云底高度呈下降趋势。在10月、11月云底高度又增加。云顶和云底有相同的变化。

图3 云底、云顶高度的年变化

2.2平均云底和云顶高度的季节变化

图4是平均云底高度和平均云顶高度的季节变化图。其中春季为每年的3月、4月、5月；夏季为6月、7月、8月；秋季为9月、10月、11月；冬季为12月、1月、2月。从图中可以看出，春季云顶高度最高，平均高度为9.5km左右，秋季云顶高度最低，平均高度为8km左右，夏季与冬季的云顶高度相差不大。云底高度与云顶高度有相同的变化，即春季云底高度最高，秋季云底高度最低，夏季与冬季云底高度相差不大。

图4 平均云底高度、云顶高度的平均季节分布

3.云层物理厚度季节、年变化以及频次分布

3.1云层物理厚度年变化和季节变化

图5为云层厚度的年平均变化，云层厚度由云顶高度减云底高度得到。由图可以得到，天山山区云层厚度的年变化趋势波动变化不大。云层厚度一般在3.2km-4.4km之间波动。整体的云层厚度在5月达到最大，在9月达到最小。图6为2007-2009年三年平均云层厚度的季节变化。对三年各个季节的云层厚度求平均得到如下图所示的平均季节图。从云层厚度的季节变化来讲，天山山区春季云层厚度最厚，夏季次之，秋季最薄，冬季次之。即天山山区春季、夏季降水较多，秋季降水最少，冬季次之。

图5 平均云层厚度的年变化 图6平均云层厚度的季节变化

3.2云层物理厚度季节频次分布

图7为云层物理厚度的季节变化累积频次分布图。结果显示，随云层厚度的增加，各云层出现的频率逐渐降低。在小于2km范围内，各个季节云层厚度出现的频率基本相同，约占40%；各个季节不超过4km的云层约占60%，且秋季不超过4km的云层出现的频率最大，即秋季云层相对较薄；天山山区各个季节物理厚度不超过6km的云层占80%。春季大于6km云层厚度出现的频率相对较高。即春季云层相对较厚，即春季降水较多。从整体看，天山山区云层介于薄云与厚云之间，因此相对水资源比较充沛。

图7 云层累积频率分布

结论

1. 天山山区单层云云量最高，其次为二层云。天山山区单层云在9月达到最大，在6月达到最小。而多层云在4-5月有最大值，因为4月地表感热增大，云层垂直复杂度增加，所以多层云所占的比例会增加。

2. 单层云出现的频率大于多层云。对于单层云单层云在秋季出现的频率最大，约占67%，在春季出现的频率最低，约占60%，冬季出现的频率略大于夏季。相反，对于多层云，春季出现的频率最大，约占30%，夏季次之，秋季出现的频率最低，约占10%。

参考文献

[1]陈勇航,陈艳,黄建平,郑志海,苏婧,黄鹤. 中国西北地区云的分布及其变化趋势[J]. 高原气象,2007,(04):741-748. [2017-09-12].

[2]张亚洲, 邓文彬, 梅华, et al. 南海地区总云量的气候特征研究[J]. 气象科技, 2011, 39(5):569-574.

[3]丁守国, 石广玉, 赵春生. 利用ISCCP D2资料分析近20年全球不同云类云量的变化及其对气候可能的影响[J]. 科学通报, 2004, 49(11).

作者简介：韩佳婷（1994.10）女，汉族，山西省朔州市应县人，本科学历，助理工程师，从事研究方向或职业：气象。