利用CloudSat/CALIPSO卫星资料分析北半球污染排放区云型频率分布特征北大核心

本文利用A-Train卫星队列中的Cloudsat卫星所提供的二级云分类产品资料(结合了CALIPSO卫星气溶胶激光雷达)2B-CLDCLASS-LIDAR,选取2007年3月至2017年2月的样本数据进行统计分析,研究北半球主要的气溶胶排放源区(中国东部,美国东部和欧洲西部)不同云型出现频率的分布特征。结果表明,在以单层云出现的8种云类中卷云,层积云和积云的发生频率总和高达50%~70%,其次为高层云、高积云和雨层云,而深对流云和层云这两种云仅占10%以下。各类云的发生频率的空间分布可看出卷云和层积云的发生频率可高达90%以上,高层云的发生频率在70%~80%左右,高积云和积云的发生频率则接近70%以上,深对流云和层云的发生频率则在20%以下。其中,卷云、深对流云和积云主要出现在低纬度的海洋上;高层云和高积云主要出现在中低纬工业发达的陆地上;层积云、层云和雨层云主要出现在中高纬地区,其中层积云和层云出现在海洋上居多,雨层云出现频次的海陆差别不大。不同云型在不同的季节出现频次差异明显,在夏季出现较多的云型以卷云、深对流云,积云和层云为主;在冬季则是高层云、层积云和雨层云这样稳定型的云型占据主导,同时还发现卷云和层积云发生频率的月变化相反,而高层云和雨层云发生频率的月变化相似。     

CloudSat/CALIPSO卫星资料分析云的全球分布及其季节变化特征

全球气候模式（GCM）中云的参数化方案具有不确定性,了解云的时、空变化能为参数化方案提供有效参考。利用搭载在属于A-Train卫星序列的CloudSat和CALIPSO上的94 GHz云廓线雷达（CPR）以及正交极化云-气溶胶激光雷达（CALIOP）联合的2级云分类产品,分析了2007年3月-2010年2月8种云类及三相态的云量地理分布、纬向垂直分布的季节变化特征以及云层分布概率。结果发现,卷云的分布体系与深对流云相似,主要集中在西太平洋暖池、全球各季风区及赤道辐合带,分布格局与气压带、风带季节性移动一致。层云与层积云主要分布在中低纬度非季风区以及中高纬度的洋面上。高积云与高层云的分布形成明显的海陆差异,雨层云与积云的分布形成明显的纬度差异。冰云分布与卷云相似,云高随纬度递增而递减;水云分布与层积云相似,平均分布于2 km高度;混合云集中于高纬度地区及赤道辐合带,中纬度地区随纬度变化集中于海拔0-10 km的弧形带。层状云多以多层云形式出现,积状云多以单、双层云的形式出现,层状云的云重叠现象比积状云更显著。积状和层状云的分布特征与积云和层云降水的分布特征基本一致,验证了不同类型降水的卫星观测结果,同时为气候模式的云量诊断方案提供对比验证的数据。      

青藏高原那曲地区一次深对流云垂直结构的多源卫星和地基雷达观测对比分析

为了加强对青藏高原深对流云垂直结构的深入认识,利用TRMM、CloudSat和Aqua多源卫星观测资料及地基垂直指向雷达（C波段调频连续波雷达和KA波段毫米波云雷达）资料,对第三次青藏高原大气科学试验期间2014年7月9日13-16时（北京时）发生在那曲气象站附近的深厚强对流云和那曲气象站以西100 km左右的深厚弱对流云的垂直结构特征进行了分析,得到的结果如下:（1）深厚强对流云和深厚弱对流云的水平尺度均较小（10-20 km）,垂直发展高度较高（15-16 km,均指海拔高度）;深厚强对流云在0℃层以下雷达反射率因子递增非常快,表明对流云内固态降水粒子下落至0℃层以下后融化过程有很重要的作用;在对流减弱阶段有明显的0℃层亮带出现,亮带位于5.5 km左右（距地1 km）;（2）对比TRMM测雨雷达和C波段调频连续波雷达观测到的雷达反射率因子,发现TRMM测雨雷达在11 km以下存在高估;（3）深对流云主要为冰相云,云内10 km以上主要是丰富小冰粒子,而10 km以下是较少的大冰晶粒子;深厚强对流云和深厚弱对流云的微物理过程都主要包括混合相过程和冰化过程,混合相过程分为两种:一种是-25℃（深厚强对流云）或-29℃（深厚弱对流云）高度以下以凇附增长为主,另一种是该高度以上主要以冰晶聚合、凝华增长为主,该过程冰晶粒子有效半径增长较快。这些空基和地基的观测证据进一步揭示了青藏高原深对流云的垂直结构特征,为模式模拟青藏高原深对流云的检验提供了依据。      

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.     

中国及周边地区多层云垂直结构时空分布特征

利用CALIPSO激光雷达1km水平分辨率的云层产品,计算了中国及周边地区（0°~55°N,70°~140°E）多层云的出现概率,对不同高度多层云的水平分布及其季节变化特征进行了统计分析。结果表明:多层云的出现概率存在显著的区域差异,青藏高原和蒙古高原出现的概率较低,30°N以南的低纬度地区出现的概率较高;多层云系统中双层云占比最大,并且云层发生概率随着云层数的增多而减小;不同高度双层云和三层云的分布特征类似;多层云出现概率夏季最大,冬季最小,其中夏季双层云中“高云+高云”、“高云+中云”和三层云中“高云+高云+高云”、“高云+高云+中云”的配置在青藏高原主体的出现概率最大,而冬季单层云的低云、双层云中“高云+低云”及三层云中少量的“高云+高云+低云”配置在中国东北部海域、南海北部等30°N以北地区的出现概率高于其它季节。      

基于MODIS产品的中国陆地冰云季节变化特征

利用2011年11月-2016年10月Terra卫星MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）3级大气产品数据（MOD08_M3）对中国陆地区域冰云发生概率、有效粒子半径、光学厚度和冰水路径的水平分布与季节变化进行分析。结果表明:冰云特性的水平分布和季节变化特征与东亚季风和强对流天气的发生存在一定联系。近5年冰云发生概率呈上升趋势,季节性变化规律明显,高值区出现在青藏高原东北部;冰云有效粒子水平分布呈现由西南向东北逐渐增加的趋势,总体季节性变化特点不明显,但在纬度较高地区出现随季节变化特征;冰云光学厚度与冰水路径水平分布和季节变化趋势大致相同,呈东南向西北递减趋势,总体季节性变化明显。     

改进阈值的冰晶粒子形状分类方法及其应用

基于历史航测数据,对Holroyd云粒子形状分类方法的阈值进行了改进,使得改进阈值后的Holroyd云粒子形状分类方法更适合机载云粒子成像仪（Cloud Imaging Probe, CIP）在我国华北地区所测冰晶粒子形状识别。将改进阈值后的方法应用于山西一次降水性层状云的飞机观测资料分析发现,此次降水性层云中无论在水平分布还是垂直分布上,出现频率在15%以上的冰晶粒子形状有4种,其中有3种较为固定,分别是霰、线形状和不规则状,另外一种形状则与具体的云内环境有关,垂直方向上不同温度区间内为枝状（?8～0°C）和微小状（?12～?8°C）,不同高度的水平方向上则是枝状（5200 m）、微小状（5500 m）和板状（5800 m）;云中冰晶粒子数浓度在水平和垂直方向上波动较大,最小值小于1 L?1,最大值则大于20 L?1,垂直方向上的最大值分别位于每层云中的下部;云中冰水含量值在水平方向和垂直方向上波动范围也很大,其在垂直方向上的云中最大值区域与冰晶粒子数浓度的最大值区域基本一致。     

祁连山北坡云垂直分布特征

利用敦煌、酒泉、张掖、民勤探空站2014—2019年的探空数据,对祁连山北坡云的发生频率及云垂直结构特征进行分析。结果表明:祁连山北坡全年云的发生频率为20%～40%,以1～3层云为主,且单层云的发生频率高于多层云,多层云以2层云为主;云的发生频率夏高冬低,夏季单层云和2层云出现的频率较为接近,而春、秋、冬季节单层云出现频率远高于2层云和3层云;全年平均云高度2层云的下层云厚度明显大于上层云,3层云的底层云与中层云之间晴空夹层厚度大于中层云与顶层云之间的晴空厚度;祁连山北坡云层高度季节变化显著,单层云和多层云的高度都表现为夏高冬低。     

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。     

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.     

Cloud Variations under Subtropical High Conditions

The cloud variations under subtropical high(STH) conditions during summers over a ten-year period are studied using combined data from the International Satellite Cloud Climatology Project and the National Centers for Environmental Prediction.The results reveal that clouds mainly experience an isolated evolution in the STHs,which is designated in this study by the 1540 gpm geopotential lines at 850 hPa.In the STH domain throughout the Northern Hemisphere,the average amount of total clouds exceeds 30%.Low clouds dominate in the STH domain,contributing over 60%of total cloud amount within the Pacific subtropical high and over 40%within the Atlantic subtropical high.The prevalence of low clouds in above regions is determined by the circulation pattern around 150°-180°E and 850 hPa,which suppresses both the upward development of the cloud tops and the water vapor divergences near the surface.Furthermore,clouds present great geographical incoherence within the STH domain.In the eastern STHs,the amount of middle and low clouds increases to peak in the early morning and decreases to a trough in the afternoon,while the amount of high clouds remains stable throughout the day.Conversely,in the western STHs,the diurnal amplitude of low and middle clouds is less than three,while high clouds dramatically reach the maximum in the afternoon and drop to the minimum in the evening.Among the nine cloud categories,stratocumulus clouds with greater optical thickness account for the most under STH conditions,no matter their occurrence or amount,causing more shortwave cloud radiative forcing to cool the local atmosphere and surface as a consequence.     

中国地区夏季平均加热率的时空分布特征

The latitude-altitude distributions of radiative fluxes and heating rates are investigated by utilizing CloudSat satellite data over China during summer. The Tibetan Plateau causes the downward shortwave fluxes of the lower atmosphere over central China to be smaller than the fluxes over southern and northern China by generating more clouds. The existence of a larger quantity of clouds over central China reflects a greater amount of solar radiation back into space. The vertical gradients of upward shortwave radiative fluxes in the atmosphere below 8 km are greater than those above 8 km. The latitudinal-altitude distributions of downward longwave radiative fluxes show a slantwise decreasing trend from low latitudes to high latitudes that gradually weaken in the downward direction. The upward longwave radiative fluxes also weaken in the upward direction but with larger gradients. The maximum heating rates by solar radiation and cooling rates by longwave infrared radiation are located over 28-40°N at 7-8 km mean sea level (MSL), and they are larger than the rates in the northern and southern regions. The heating and cooling rates match well both vertically and geographically.     

中国西北地区云时空分布特征的初步分析

利用国际卫星云气候计划（ISCCP）获取的1983年7月－1993年12月的月平均云资料，分析了西北地区云的分布特片和季节变化，发现西北地区的云量与地形有很好的一致性；塔里木盆地是云量最少的地区，而且以云层较薄的积云和高云为主，在天山，昆仑山，祁连山一带，存在着云量的极大值区，其中云层较厚，水汽含量较高的层云，雨层云，深对流云占了很大的比例，值得注意的一点是，云的这种时空分布特征具有明显的地域性和稳定性，有利于开展人工增雨工作。     

Observational Characteristics of Cloud Vertical Profiles over the Continent of East Asia from the CloudSat Data

The CloudSat satellite data from June 2006 to April 2011 are used to investigate the characteristics of cloud vertical profiles over East Asia(20°-50°N,80°-120°E),with particular emphasis on the profiles of precipitative clouds in comparison with those of nonprecipitative clouds,as well as the seasonal variations of these profiles.There are some obvious differences between the precipitative and nonprecipitative cloud profiles.Generally,precipitative clouds mainly locate below 8 km with radar reflectivity in the range of-20 to 15 dBZ and maximum values appearing within 2-4-km height,and the clouds usually reach the ground;while nonprecipitative clouds locate in the layers of 4-12 km with radar reflectivity between-28 and 0 dBZ and maximum values within 8-10-km height.There are also some differences among the liquid precipitative,solid precipitative,and possible drizzle precipitative cloud profiles.In precipitative clouds,radar reflectivity increases rapidly from 11 to 7 km in vertical,implying that condensation and collision-coalescence processes play a crucial role in the formation of large-size drops.The frequency distribution of temperature at-15℃ is consistent with the highest frequency of radar reflectivity in solid precipitative clouds,which suggests that the temperatures near-15℃ are conductive to deposition and accretion processes.The vertical profiles of liquid precipitative clouds show almost the same distributions in spring,summer,and autumn but with differences in winter at mainly lower levels.In contrast,the vertical profiles of solid precipitative clouds change from spring to winter with an alternate double and single high-frequency core,which is consistent with variations of the frequency distribution of temperature at-15℃.The vertical profiles of nonprecipitative clouds show a little change with season.The observations also show that the precipitation events over East Asia are mostly related to deep convective clouds and nimbostratus clouds.These results are expected to be useful for evaluation of weather and climate models and for improvement of microphysical parameterizations in numerical models.     

卫星资料统计全球飞机积冰潜势分布特征

利用云探测卫星CloudSat在2007年12月1日—2008年11月30日全年数据, 构建一种利用CloudSat云分类产品、温度产品、液态水含量产品来联合识别飞机积冰潜势的算法, 并利用该算法对上述时段的全球范围内飞机积冰潜势的出现频率进行统计分析, 旨在为航空安全特别是长途飞行提供一定参考依据。并分析了不同云类型和不同季节的飞机积冰潜势分布特征。结果表明:飞机积冰潜势在全球范围内存在纬向、海陆及季节差异特征。整体上中高纬度地区积冰潜势频率比低纬度地区高, 陆地上空的积冰潜势频率比海洋上空高; 对于不同云类型而言, 中高纬度地区积冰潜势以层云、层积云、高层云和高积云为主, 而低纬度地区积冰潜势以深对流云为主; 对于不同季节而言, 夏季积冰频率较低, 冬春季节频率较高。      

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12-13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制。结果表明：本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡。云降水阶段性变化明显,先后出现了层状云降水、层积混合云降水和对流云降水。层状云降水和层积混合云降水均表现出明显的亮带特征,但层积混合云降水的雷达回波强度、回波顶高和降水强度明显大于层状云降水。对流云降水的雷达回波会因强降水而产生明显衰减,因此回波顶高不能表示出实际的云顶情况。层状云降水阶段,云雷达反射率随高度降低增长缓慢,雨滴在下落过程中受蒸发和碰并的共同作用,反射率降低。与层状云降水相比,层积混合云降水的碰并效应强,且由于前期降水对近地面的增湿作用,使云下蒸发弱。对流云降水阶段,反射率的增长主要发生在冰水混合层,有利于大滴的产生,拓宽了云滴谱,提高了碰并效率。     

基于Himawari-8气象卫星的东亚夏季冰云云顶特征分布

利用Advanced Himawari Imager (AHI)/Himawari-8(HW8)云产品分析2017年夏季东亚地区不同下垫面条件对冰云云顶特征的影响,针对不同下垫面条件选择了9个研究区域。结果表明,冰云最常出现在青藏高原和南亚季风区。冰云的发生频率存在南北递减的趋势,并在日本附近有高值中心。冰云云顶的垂直分布高度依赖于纬度,此外还有地形和海陆热力差异的作用。青藏高原和南亚季风区冰云最常发生在6~9 km和6~15 km;冰云云顶温度在南北之间存在明显差异,不同高度的冰云形成方式也存在不同;青藏高原和南亚季风区的冰云光学厚度较高,且冰云光学厚度与发生频率呈正相关。在冰云云顶属性垂直分布中,中国东部冰云发生频率相对于其他区域较低,冰云粒子半径表现出随高度增加先增大后减小的趋势,海洋上的平均冰云粒子半径相对于其他研究区域最大;在中国西部地区,冰云光学厚度存在双峰结构,而其他相对平坦的区域只有一个单峰。     

全球平均经圈环流的基本特征及其与臭氧关系研究

本文利用1957年9月到2002年8月,共540个月的ERA-40的经向风和臭氧质量混合比月平均资料,分析研究了平均经圈环流(MMC)和Hadley环流强弱特征变化及其与臭氧变化的关系.分析指出:(1)平均经圈环流与臭氧分布在垂直方向上有很好的对应和相关关系,平均经圈环流是形成臭氧水平、垂直的气候平均态分布,季节变化,年代际变化的重要因素;(2)垂直方向上北半球臭氧浓度的变化比南半球的变化更明显;(3)典型相关分析表明平均经圈环流与臭氧浓度变化在不同的高度和纬度上有不同的相关关系,臭氧与Hadley和Ferrel环流存在密切的相关关系,特别是Hadley环流,这表明Hadley环流在全球大气臭氧的变化中起重要作用.     

Observational Diagnosis of Cloud Phase in the Winter Antarctic Atmosphere for Parameterizations in Climate Models

The cloud phase composition of cold clouds in the Antarctic atmosphere is explored using data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) instruments for the period 2000--2006. We used the averaged fraction of liquid-phase clouds out of the total cloud amount at the cloud tops since the value is comparable in the two measurements. MODIS data for the winter months (June, July, and August) reveal liquid cloud fraction out of the total cloud amount significantly decreases with decreasing cloud-top temperature below 0oC. In addition, the CALIOP vertical profiles show that below the ice clouds, low-lying liquid clouds are distributed over ～20% of the area. With increasing latitude, the liquid cloud fraction decreases as a function of the local temperature. The MODIS-observed relation between the cloud-top liquid fraction and cloud-top temperature is then applied to evaluate the cloud phase parameterization in climate models, in which condensed cloud water is repartitioned between liquid water and ice on the basis of the grid point temperature. It is found that models assuming overly high cut-offs (》-40oC) for the separation of ice clouds from mixed-phase clouds may significantly underestimate the liquid cloud fraction in the winter Antarctic atmosphere. Correction of the bias in the liquid cloud fraction would serve to reduce the large uncertainty in cloud radiative effects.