基于ISCCP观测的云量全球分布及其在NCEP再分析场中的指示

国际卫星云气候计划(ISCCP)已经积累了20多年的持续云观测资料,提供了迄今为止最具权威的全球尺度云量信息,为全面认识全球尺度云气候特征提供了有利条件.利用长期稳定的ISCCP D2云量资料,文中系统地分析了全球尺度总云量以及高、中、低云云量的空间分布特征.结果表明,全球总云量均值为66.5(单位:%),其中洋面71.6.陆面55.9.全球云量分布极不均衡,且海陆差异显著,洋面局部云量最高可达90,而包括南极大陆在内的所有陆面区域多为云量低值中心.高云和低云全球分布形式存在明显差异,其中陆面以高云为主,洋面低云相对较多.低云集中分布于太平洋东南部和东北部的近海岸地区以及南半球洋面,热带辐合带、南太平洋辐合带等大尺度强对流活动区内高云数量占优势.特别,在气候平均态上分离低云和高云区,并结合对NCEP再分析资料所提供环流背景场的分析,研究发现两类云所对应的垂直和水平风场具有明显的差异.高云区从低空到对流层顶为一致的强下降运动,低云区的中高层被上升气流所控制但近地面一般存在弱的上升运动.反映在水平辐散场上,两类云对应的辐散度在垂直方向上变化趋势相反,其中低云对应的典型背景场为低层辐散高空辐合.进一步考虑水汽因素,600与850 hPa水汽通量散度差对低云(负差异)和高云(正差异)的云量空间分布有较好的指示意义.     

近二十年全球变暖背景下东亚地区云量变化特征分析

利用ISCCP的D2云气候资料集，采用趋势分析方法得到了东亚地区1984—2006年各种不同种类云量的变化趋势，并重点分析了全球变暖背景下气温与不同云量变化之间的关系。结果表明：近20年东亚地区总云量和高、低云量呈现波动减少趋势，减少量分别为2.24%、1.65%和1.68%，中云量呈增加趋势，增加量为1.07%；且云量变化存在较大的区域差异。温室效应所导致的东亚地区气温改变和水汽含量变化，是导致云量分布变化的重要原因，在青藏高原、孟加拉湾及热带辐合带区域的气温与高云存在显著负相关，与中、低云存在正相关，而在西太平洋、日本以东以北洋面的气温与低云呈显著负相关，与高云呈正相关。     

青藏高原中东部云量变化与气温的不对称升高

利用ISCCP资料和地面观测资料,对1984 2009年青藏高原中东部云量和云状的气候特点进行了研究,并分析了日最高温度和日最低温度的变化特点及其与云量变化之间的关系。结果表明,青藏高原中东部地区中低云量呈明显的单峰型日变化,而高云云量日变化不显著;青藏高原地区日最低气温的上升速率与日最高气温不一致,即气温出现不对称升高。青藏高原中东部地区白天、夜间云的变化分别与日最高、最低气温的变化速率存在显著相关,并在云量变化与气温的不对称升高之间存在着正反馈机制。高原中东部地区不对称升温使得日出时的地气温差减小,并可能通过减弱对流作用使日出后的云量减少。云量的减少导致到达地面的太阳短波辐射增加,从而使得当日上午气温升高明显;中午,高云的增多与中低云的减少增加了地面接收的太阳短波辐射,导致了较高的日最高温度;而傍晚除卷云外,各类云的云量均出现增加,起到了减缓傍晚气温下降的作用,有利于出现较高的日最低温度。     

基于CERES卫星资料分析中国近15 a云量变化

利用2001年1月至2015年12月Aqua/CERES卫星产品SYN云量资料,采用趋势分析法、小波分析法分析近15 a我国总云量及中低云、中高云和高云的气候场特征及其与气象要素的相关性。结果表明:总云量整体由东南向西北带状递减,最高值位于西南地区,可达80%以上,最低值位于塔里木盆地及蒙古高原西部地区,可低于30%。高云的高值区主要集中在高海拔区域,中高云分布与高云类似,中低云与总云量分布类似。除中低云外,总云量及不同高度的云量均在夏季达到最高值,且其区域特性显著。近15 a来总云量年际变化整体呈下降趋势,趋势系数为-0. 15%·a-1,主要受较低层云量减少的影响,高云则呈现一定的增加趋势。青藏高原上空不同高度云量变化趋势较其他地区显著,并以减少趋势为主。不同高度的云量季节变化差异较大,总云量在春季和冬季变化较大,高云、中高云的季节变化较小,中低云在春季和夏季变化较大。不同高度的云量均存在2～3 a较短的震荡周期。不同类型云量均受到相对湿度的影响,近期地表温度的增加与高云增加、低云减少相关,高云与降水的相关性更高。     

利用CFSR资料分析近30年全球云量分布及变化

在利用MODIS卫星的云产品资料对CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料云产品质量进行检验评估的基础上,采用CFSR资料对1979—2009年全球总云量及低、中、高云量的平均分布及其随纬度的变化进行了分析;用经验模态分解(EMD)方法分析了近30年全球云量的变化趋势,结果表明:(1)全球近30年平均总云量约为59%,全球总云量及低云量、中云量都有明显的纬向分布特征,全球总云量有3个峰值带和3个低值带。(2)低云量的海陆分布差异较明显,陆地上的低云量明显低于海洋上的,除了两个极圈附近,南半球各纬度的低云量都比北半球相应纬度上的都要多;高云量的高值、低值中心均集中在赤道附近到南、北半球30°之间的中低纬度,并且低值中心主要分布在大洋的东部。(3)总云量的总变化趋势为增长,具体表现为随时间呈现先略减少后大幅增加趋势,其突变点大致在1993年,在1993年之后,总云量显著增多。低云量和高云量均呈现增长趋势,中云量则相反,呈减少趋势。低云量增幅最明显,接近2%,中、高云量则增减幅度较小。     

云层分布对辐射增效和冷却的影响

本文计算了冬、夏两季在平原和高原地区分别有低云、高云和当高、低云同时出现时的短波辐射增热率,长波辐射冷却率以及高低云之间的相互影响。结果发现:1)高原上云的短波增热率和长波冷却率要比平原上的大,低云的增热和冷却较平原尤甚。2)高云存在时,地面附近由冷却变为增热。3)高原地区出现双层云时总是使地面附近增热。4)当两层云同时出现时,高云的短波增热率和长波冷却率都有所增大,低云的短波增热率减小,低云的长波冷却率则减小很多。5)低云量的变化对高云的冷却影响较小,而高云量变化对低云的冷却影响甚大。6)云的短波辐射增热受地面反照率的影响不很大,但对太阳高度角的变化甚为敏感。 由以上结果看来,在大气环流和气候模式中必须要很好地考虑高云云量的变化,否则难以得到好的结果。在区域气候模式中不可忽略高原地区和平原地区云的辐射增热和冷却作用的差别。     

CMA-GFS云预报的偏差分布特征

利用2021年3月—2022年2月ERA5再分析数据云量、云水凝物对中国气象局研发的全球数值预报系统CMA-GFS同期云量产品和由云量、云水凝物产品计算的云发生、云水凝物积分的偏差特征进行诊断评估, 初步探讨了CMA-GFS云预报偏差存在的可能原因。结果显示:CMA-GFS云量、云水凝物的分布较为合理, CMA-GFS能够描绘全球云量、云水凝物的分布特征, 并能够反映季节特征;CMA-GFS预报高云和中云的云量偏差大于低云的云量偏差, 而高云和中云的云量均方根误差较低云偏小, 说明模式高云和中云的预报稳定性优于低云;与ERA5再分析数据相比, CMA-GFS液相水凝物积分以负偏差为主, 冰相水凝物积分以正偏差为主;云量、云水凝物的偏差在不同地区成因不同, 在热带地区的偏差与对流参数化和微物理方案不协调有关, 在南北半球中高纬度地区的偏差与相对湿度偏差相关。     

长春市近40年月季云量气候变化趋势分析

本文对长春市１９５１年～１９９０年、月、季平均的０２时、０８时、１４时和２０时的云量及白天（０８时和１４时的平均）、夜间（２０时与０２时之平均）总云量和低云量的气候变化趋势进行了线性拟合分析。得出：近４０年长春全年各月季４个标准观测时次的总云量均明显减少;而低云量则是夏半年增加明显,且以夜间增加为主;冬半年,尤其是白昼低云量也呈减少趋势;分析得出：总云量的减少主要是中高云减少所致,也就是说,云的厚度总体来说减少了。这也正是近４０年长春降水量呈明显下降趋势的最直接成因。而气温变化趋势则不仅仅是云量变化所致,其成因较为复杂。     

河西走廊东部云量时空变化特征

利用河西走廊东部5个气象站1961~2013年总云量和低云量观测资料,运用线性趋势法、方差分析和累积距平等方法,系统分析了河西走廊东部云量的时空分布及变化特征。结果表明,受地理位置、海拔高度和天气系统的影响,河西走廊东部总云量和低云量均表现为自东北向西南递增的空间分布特征,其中低海拔平原区小于高海拔山区,南部山区天祝最多,沙漠戈壁干旱区民勤最少。近53a来,河西走廊东部总云量和低云量的年、年代际变化均呈增多趋势,低云量的增多趋势尤为显著(民勤除外);总云量、低云量的时间序列分布存在5~7 a、5~6 a的准周期变化,且前者突变时间为1997年,后者突变时间1987年和1996年。总云量春季最多、冬季最少,低云量夏季最多、冬季最少。各地各季节总云量近53 a间总体上均呈增多趋势,气候倾向率冬季最大、秋季最小;除民勤外,各地各季节低云量也呈增多趋势,气候倾向率春季最大、冬季最小。总云量和低云量的月变化特征明显且变率较大,总云量的峰值出现在5~6月和9月,低谷出现在12月;低云量的峰值出现在7月(天祝峰值在8月),低谷出现在12月到次年1月。     

利用卫星产品评估数值预报模式云层垂直结构

对云层垂直结构的准确参数化描述是数值天气预报模式准确计算长短波辐射通量、辐射加热率廓线、云反射率、云辐射效应等参数的重要基础,但地基观测数据无法对模式预报的云层垂直分层情况进行验证。文章基于卫星资料Collection5版本的MODIS云产品MOD06,利用国际上能够较准确判别云层垂直分层的一个新算法,以反演的高、中、低云发生频率和云顶气压结果,评估美国国家环境预报中心(NCEP)北美中尺度模式NAM的云层垂直结构。2006年7～10月北美地区(153°～48°W,12°～62°N)的评估结果表明:①卫星反演和模式预报的高、中、低云的云量区域分布比较相似,尤其是高云。热带太平洋地区模式预报高云量大于卫星反演值。模式预报的低云在墨西哥及北美大陆、大西洋地区更多。②卫星反演和模式预报中云发生频率的差异最小,模式预报高云和低云发生频率峰值比卫星反演的峰值更大,且云顶出现的高度更高。③模式预报中云量和低云量的纬度平均值比卫星反演的高,尤其是低云量。NAM的云参数化有待于进一步改进。     

HORIZONTAL AND VERTICAL DISTRIBUTIONS OF CLOUD COVER OVER EASTERN CHINA AND THE EAST CHINA SEA

Based on data from satellite and surface observations,the horizontal and vertical distributions of clouds over eastern China and the East China Sea are examined.Three maximum centers of cloud cover are clearly visible in the horizontal distribution of total cloud cover.Two of these maxima occur over land.As the clouds mainly originate from the climbing airflows in the southern and eastern slopes of the Tibetan Plateau,they can be classified as dynamic clouds.The third center of cloud cover is over the sea.As the clouds mainly form from the evaporation of the warm Kuroshio Current,they can be categorized as thermodynamic clouds.Although the movement of the cloud centers reflect the seasonal variation of the Asian summer monsoon,cloud fractions of six cloud types that are distinct from the total cloud cover show individual horizontal patterns and seasonal variations.In their vertical distribution,cloud cover over the land and sea exhibits different patterns in winter but similar patterns in summer.In cold seasons,limited by divergent westerlies in the middle troposphere,mid-level clouds prevail over the leeside of the Tibetan Plateau.At the same time,suppressed by strong downdraft of the western Pacific subtropical high,low clouds dominate over the ocean.In warm seasons both continental and marine clouds can penetrate upward into the upper troposphere because they are subject to similar unstable stratification conditions.     

CPR雷达探测北半球夏季多层云系结构统计特征分析

利用2007~2010年北半球夏季（6~8月）CloudSat卫星搭载的云廓线雷达（Cloud Profile Radar,CPR）探测结果对0°~60°N区域单层、双层和三层云系的水平分布、垂直结构特征及各云层云类组成、云水路径等物理量分布进行分析。云量的统计结果表明CPR探测的单层、双层和三层云系的云量分别为36.63%、8.26%和1.40%,云量的水平分布表明其高值区主要位于对流旺盛区域,且高值区的云层云顶高、厚度大,而低值区则多位于副热带高压区域。对不同云类的出现频率统计分析结果表明,单层云系中各云类的出现频率相近;多层云系的上层以卷云为主,下层以层积云为主。对比海陆差异发现洋面卷云和层积云的出现频率显著高于陆面,但高层云和高积云的出现频率低于陆面。云水路径分析表明,单层云系的冰水路径和液水路径均最大,而在多层云系中云层越高、厚度越大、冰水路径越大,液水路径则随着云层的降低增大。     

Diurnal variation of outgoing longwave radiation associated with high cloud and UTH changes from Meteosat-5 measurements

Diurnal variations of outgoing longwave radiation (OLR) are examined in conjunction with diurnal variations of high cloud and upper tropospheric humidity (UTH) over the Indian Ocean and surrounding land areas using Meteosat-5 measurements. Most land areas exhibit a significant diurnal variation of OLR with the largest amplitude over the Arabian Peninsula, whereas the diurnal variation of OLR is much weaker over the Indian Ocean. While diurnal maxima of OLR are found in the early afternoon over many regions of the analysis domain following the diurnal cycle of solar heating, convectively active regions of both land and ocean where high cloud and UTH exhibit distinct diurnal variations show OLR maxima before local noon. These results indicate that high cloud development in the afternoon induces a shift in local time of OLR maxima over convective regions. In agreement with earlier studies it is shown that UTH diurnal variations are less important in regard to their impact on the OLR variations.     

Albedo enhancement of marine clouds to counteract global warming: impacts on the hydrological cycle

Recent studies have shown that changes in solar radiation affect the hydrological cycle more strongly than equivalent CO₂ changes for the same change in global mean surface temperature. Thus, solar radiation management ??geoengineering?? proposals to completely offset global mean temperature increases by reducing the amount of absorbed sunlight might be expected to slow the global water cycle and reduce runoff over land. However, proposed countering of global warming by increasing the albedo of marine clouds would reduce surface solar radiation only over the oceans. Here, for an idealized scenario, we analyze the response of temperature and the hydrological cycle to increased reflection by clouds over the ocean using an atmospheric general circulation model coupled to a mixed layer ocean model. When cloud droplets are reduced in size over all oceans uniformly to offset the temperature increase from a doubling of atmospheric CO₂, the global-mean precipitation and evaporation decreases by about 1.3% but runoff over land increases by 7.5% primarily due to increases over tropical land. In the model, more reflective marine clouds cool the atmospheric column over ocean. The result is a sinking motion over oceans and upward motion over land. We attribute the increased runoff over land to this increased upward motion over land when marine clouds are made more reflective. Our results suggest that, in contrast to other proposals to increase planetary albedo, offsetting mean global warming by reducing marine cloud droplet size does not necessarily lead to a drying, on average, of the continents. However, we note that the changes in precipitation, evaporation and P-E are dominated by small but significant areas, and given the highly idealized nature of this study, a more thorough and broader assessment would be required for proposals of altering marine cloud properties on a large scale.     

中国东部大陆和邻近海域暖云特性时空分布及其与气象条件的关系

基于2003~2016年MODIS/Aqua（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）云产品资料（MYD08_D3）,分析了中国东部大陆及其邻近海域云量（CF）、云滴有效半径（CER）、和液水路径（LWP）的空间分布以及季节变化,并结合同期ERA-Interim再分析资料的850 hPa垂直速度（ω_850hPa）、低对流层稳定度（LTS）、以及MODIS/Aqua水汽产品中的大气可降水量（PWV）资料,分析了云宏微观物理量与动力、热力及水汽条件之间的关系。从空间分布来看,夏季由日本海至中南半岛存在一个东北西南走向的云量高值区,覆盖我国东部地区,冬季云量高值区位于我国南方地区和东部海域上空;云滴有效半径冬、夏分布类似,均为由东南洋面至西北内陆递减;夏季液水路径分布较为均一,冬季空间差异很大,30°N是明显的高低值分界线,这与冬季水汽的分布密切相关。陆地和海洋上云量均呈冬高夏低的变化趋势,陆地大于海洋,而云滴有效半径和液水路径则为夏高冬低,海洋大于陆地。总体来说,云量与PWV和LTS均表现为正相关、与ω_850hPa呈负相关,表明低层的上升运动有利于水汽向上输送、凝结形成云,但稳定的大气层结又会阻碍云进一步向上发展,使其被限制在底层空间,由于本文的研究对象为暖云,多为中低云,因而云量较高;云滴有效半径和液水路径均与LTS、ω_850hPa表现为负相关,但是对PWV的变化不是很敏感,表明水汽并不是影响云滴尺度和液水路径的主导因素,其主要受动力、热力抬升作用的影响;以上关系在不同区域、不同季节的表现存在一定差异。     

东亚地区云垂直结构的CloudSat卫星观测研究

本文利用卫星CloudSat同时结合了与其同轨道的卫星CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)2007至2009年3年的观测资料,将东亚地区划分为六个研究区域,着重研究了东亚地区云垂直分布的统计特征.结果表明:东亚地区不同高度的云量之和具有明显的季节变化趋势,夏季最大,春秋次之,冬季最小.海洋上空的单层云量最大值出现在冬季,而在陆地上空则出现在夏季.从云出现概率来看,东亚地区单层云出现的概率在春、夏、秋、冬季节依次为52.2%,48.1%,49.2%和51.9%,而多层(2层和2层以上)云出现的概率在春、夏、秋、冬季节分别为24.2%,31.0%,19.7%,15.8%.云出现的总概率和多层云出现的概率,在六个区域都呈现出夏季最大,冬季最小;对4个季节都呈现出东亚南部比东亚北部大,海洋上空比陆地上空大的特点,表明云出现的总概率的季节变化主要由多层云出现的概率的变化决定.东亚地区云系统中最高层云云顶的高度,在夏季最高,为15.9 km,在冬季最低,为8.2 km;在东亚南部和海洋上空较高,平均为15.1 km;在东亚北部较低,平均为12.1 km,且呈现东亚南北部之间差异较大的特点.东亚地区云系统的云层厚度基本位于1 km到3 km之间,且夏季大,冬季小;对同一季节,不同区域的云层厚度差别较小;当多层云系统中的云层数目增加时,云层的平均厚度减少,且较高层的云层平均厚度大于较低层的.云层间距的概率分布基本呈单峰分布,出现峰值范围的云层间距在1到3 km之间,各区域之间没有明显差别,季节变化也不大.本文的研究为在气候模式中精确描述云的垂直结构提供了有用的参数化依据.     

雷暴云特征数据集及我国雷暴活动特征

基于FY-2E气象卫星相当黑体亮度温度（TBB）和云分类数据（CLC）及全球闪电探测网（WWLLN）闪电数据,通过对TBB不超过-32℃的云区进行椭圆拟合,定义1 h内上述云区或椭圆区域有WWLLN闪电发生的个例为雷暴云,获得雷暴云时间、位置、形态、结构、闪电活动等特征参量,构建雷暴云特征数据集,并基于该数据集初步分析了我国陆地和毗邻海域的雷暴活动特征。研究表明:我国华南、西南、青藏高原东、中部和南海雷暴最为活跃,华北和东北地区是北方雷暴活动较强的区域。雷暴活动时间变化海陆差异明显,陆地雷暴活动峰值出现在6—8月,南海雷暴活动一个峰值出现在5月左右,另一峰值出现在8月后,且纬度越低出现越晚。陆地大部分地区雷暴活动在14:00—20:00（北京时）达到峰值,毗邻海域雷暴活动峰值主要出现在早上。雷暴云TBB不超过-32℃面积符合对数正态分布,峰值区间位于1×103~1×104 km2,平均值为3.0×104 km2。南海雷暴云面积最大,陆地上大于雷暴云面积平均值1.2×105 km2的区域主要分布于我国地形的第一阶梯和柴达木盆地。     

郑州地区紫外线辐射强度变化规律分析

由于地球自转和公转的原因,太阳紫外线辐射强度呈现出以一年和一天为周期的规律性变化.一年之内,以夏季最强,冬季最弱;一天之内,中午前后最强,早晚最弱.影响紫外线辐射强度的因子比较多,最主要的是云量、云状和能见度.经分析,紫外线辐射强度随着云量的增加而减小,随着能见度的增大而增强;高云对紫外线辐射强度影响较小,低云影响较大,中云居中.通过研究,确定了它们之间的定量关系.     

中国沙漠沙尘气溶胶对沙漠源区及北太平洋地区大气辐射加热的影响

针对2001年春季中国沙漠和北太平洋上空沙尘气溶胶的空间分布情况，利用辐射传输模式，分别计算了沙尘气溶胶对沙漠和海洋大气的辐射加热（冷却）率，并讨论了低云、中云、高云对辐射加热率的影响。结果表明:春季，位于中国沙漠和太平洋上空的沙尘层对大气具有明显的加热作用。当沙漠上空光学厚度为1.0，海洋上空光学厚度为0.3时，取春季平均太阳高度角，沙尘层对应的净辐射加热率分别为2.8 K/d和0.4 K/d。由于WMO推荐的沙尘模型比东亚沙尘模型对太阳辐射吸收强，采用该模型计算得到的中国沙漠和海洋上空的加热率比采用东亚沙尘模型分别高1.5 K/d和0.2 K/d。沙尘对大气的加热率很大程度上依赖于沙尘的大气载荷。这种依赖性首先受太阳高度角的影响， 其次也受地表反照率的影响。云对沙尘层辐射加热（冷却）率的影响与云的高度和厚度有关。低云能够加热沙漠和海洋上空的沙尘大气，冷却地面和洋面。中、高云冷却沙漠上空的沙尘层。在海洋上空，中云对云层以上的沙尘层有加热作用，对云层以下的沙尘层有冷却作用。高云对海洋上空沙尘层的辐射加热（冷却）率的影响比较小，加热还是冷却，取决于云的厚度，当云层较薄时，加热沙尘层，而当云层较厚的时候，有可能冷却沙尘层。     

基于CloudSat–CALIPSO资料的全球不同类型云的水平和垂直分布特征

基于Cloud Sat-CALIPSO(Cloud Sat–Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星观测资料,分析了全球总云量和8类云的云量、云底高、云顶高、云厚度的水平和垂直分布。分析结果表明,全球平均总云量为66.7%,其中卷云(Ci)和层积云(Sc)云量之和与其他6类云量总和相当,是全球云量最多的两类云。积状云云量呈现从赤道向极地递减的特征,层状云则相反,反映了二者不同的生成环境,同时下垫面地形和天气系统也严重影响云的分布。8类云的高度及厚度特征有显著差异。Ci的云底高度和云顶高度都较高,厚度则较薄;高层云(As)和高积云(Ac)的云底高度和云顶高度都位于大气中层,但As比Ac出现的高度高且厚度大;层云(St)、层积云和积云(Cu)的云底高度和云顶高度都很低,属于薄的低云;雨层云(Ns)和深对流云(DC)云底较低但云顶伸展很高,归属于厚云类。总体而言,海洋上云底高度较陆地低;赤道等大气不稳定地区,云底较高,云厚度较大;高原地区则表现出"高云不高,低云不低,云厚较薄"的特征。