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。     

基于CloudSat卫星资料的青藏高原云系发生频率及其结构

应用2006年5月至2013年5月7年的Cloud Sat卫星观测资料,针对青藏高原上空不同高度、不同季节8类云(卷云、高层云、高积云、层云、层积云、积云、雨层云、浓积云)的发生频率,分析研究了青藏高原地区云的水平和垂直分布特征及其物理成因,为数值预报模式对云系模拟能力的评估提供了有效的验证信息。研究表明:青藏高原云的发生频率为35%,其中:低云的频率最大,接近21%;中云次之,频率14%;高云的频率最小。垂直分布上,低云最大频率的高度为5~6 km,中云为7~8 km,高云为11~12 km。水平分布上,高原东南部、西北部云发生频率较高,是高原的两个相对多云中心。低云与总的云频率水平分布基本一致;中云是高原北部、中部频率高,南部低,与低云明显不同;高云主要是夏季在高原南部频率高。从不同季节来看,冬季高原西部的低云频率高;春季高原中北部的中云频率高,西部和东南部的低云频率高;夏季南部的低云和高云频率高;秋季云发生频率都很低。在物理成因上,低云的形成主要是地形抬升作用,中云的形成与高原热力作用相关。     

基于变分客观分析方法的青藏高原试验区夏季对流降水过程热动力特征分析

本文利用基于变分客观分析方法的物理协调大气分析模型,构建了青藏高原试验区大气热力—动力相互协调的数据集,并通过该数据集对青藏高原试验区夏季深厚及浅薄对流降水过程的热动力特征进行分析,结果表明:变分客观分析后的垂直速度场能更好地与实际观测的对流降水过程相吻合;深厚对流降水期高云含量多,整层大气为较强的上升运动,上升运动可达100 hPa左右,浅薄期高云含量少,上升运动仅能延伸到300 hPa左右;两种对流降水过程中视热源Q₁在低层为冷却作用,高层为加热作用,在深厚期中高层Q₁存在两个加热中心,中层受较强的水汽凝结释放潜热加热所影响,高层主要受过冷云水凝结成冰晶形成高云时释放的热量所影响;在浅薄期中高层Q₁只存在一个加热中心,大气的加热主要来源于水汽的凝结潜热释放;深厚对流降水期视水汽汇Q₂的加热作用可以延伸到200 hPa,而浅薄期仅到340 hPa左右。     

基于CloudSat资料的中国及周边地区各类云的宏观特征分析

利用2006年7月—2009年4月的CloudSat2B-CLDCLASS云分类资料,针对中国及周边地区(0°—60°N,70°—140°E)各类云量和垂直结构参数的地理分布及季节变化进行了统计分析,并根据气候特征的地域差异从该区域选出8个子区域,逐区统计了各类云的垂直结构特征。结果表明,各类云量的分布存在较明显的区域差异和季节变化;青藏高原和帕米尔高原地区卷云、高层云和高积云等中高云的高度和厚度相对较小,陆上深对流云的云底高度大于海上,而热带、副热带地区云顶高度大于中纬度地区;除积云、层积云和雨层云外,中国南方地区其他各类云的云层厚度均大于北方地区;除了层积云外,其他各类云的云顶高度在各区域都存在比较明显的季节变化,低云云底高度的季节变化和区域差异都很小,而中高云的云底高度除了在印度洋季风区、南海和西太平洋地区季节差异较小外,其他地区季节差异较明显,各个地区在任何季节内,深对流云厚度最大,层积云最小;各类云出现频率随高度的分布具有较明显的区域差异;卷云与高积云的相关性比较强,经常相伴出现,夏季更加明显,而雨层云和深对流云之间相互排斥,两者几乎不可能同时出现。此外,统计中国及周边地区各类云的水平均一性发现,中...     

青藏高原东侧不同云类对气温变化影响的初步分析

利用1984-2009年青藏高原东侧的地面气温和ISCCP D2云资料,对不同云类与气温的关系及影响进行了SVD、对比和合成分析。结果表明,20世纪80年代是近50年来川渝盆地最冷的10年,90年代中期是川渝盆地由偏冷向偏暖变化的一个重要转折期,且川渝盆地变暖滞后全国主要是由春季和秋季气温异常造成,其中盆地西部是显著异常区。雨层云、卷云、深对流云与气温均存在显著关系,且与气温关系和影响程度均不同;其中,雨层云、深对流云产生"温室效应"与气温存在正相关关系,卷云反射太阳短波辐射与气温呈负相关关系;由于雨层云、深对流云产生降水削弱增温效果,不及卷云与气温的关系突出。另外,雨层云、卷云、深对流云3者之间存在显著相关关系,且卷云与雨层云、深对流云均存在负相关关系,雨层云与深对流云之间呈正相关关系;3者间卷云与雨层云的负相关最为显著。鉴于这3种云类共同影响气温且与气温相关较显著,建立多云回归模型,并通过了显著性检验,对川渝盆地的气候变化预报起到一定的指导作用。     

中国西北地区云的分布及其变化趋势

利用1983年7月—2001年9月ISCCP D2云的月平均资料,针对西北地区15种不同类型云的分布特征进行了分析,给出了中、低云量之和以及高云量在3个气候子区的多年变化趋势,初步探讨了其形成机制。结果表明:水层云、冰层云、水雨层云、冰雨层云和深对流云的光学厚度和云水路径值最大;水层云主要出现在天山山区、北疆地区和陕西南部,冰层云主要出现在北疆地区,水雨层云、冰雨层云和深对流云以及水高层云、冰高层云、卷层云的云量高值区在天山—昆仑山—祁连山一带以及陕南和/或陇南地区,因此上述地区也是有利于人工增水作业的地区。近20年中,高云量在3个气候区都呈明显下降趋势,中、低云量之和则呈上升趋势。西北地区云与地气系统之间可能存在这样一个过程:地面气温的升高,促使地面蒸发加剧,从而导致中、低云量增多而使降水增多,同时高云云量减少。     

基于ISCCP云资料的中国地区不同类型云的时空分布

利用1994—2009年国际卫星云气候计划ISCCP中D2卫星观测月平均云数据集,从不同区域、不同云类角度出发,详细分析中国地区云量、云水路径、云光学厚度的时空分布特征。结果表明:(1)中国地区大部分水云分布在四川盆地至东南沿海一带,而大部分冰云分布在北方和青藏高原地区,其中卷云覆盖最广、云量最大,其次为卷层云、水高层云、水积云,而冰云中低云云量最小。(2)水云中层积云、雨层云和冰云中深对流云总云量、云水路径和云光学厚度均较大,云水含量丰富,对四川盆地至东南沿海一带降水贡献较大。(3)不同云类的总云量季节变化明显,不同区域表现不一,多数水云尤其是雨层云在北方和高原地区夏多冬少,而在西南和东南地区冬多夏少;冰云季节变化的地域性差异较小,多数区域高积云和高层云冬多夏少,卷层云和深对流云夏多冬少,表明冬季对流减弱使得冰云集聚且向中低层发展,而夏季温度升高、对流增强使得水云集聚并向高层发展。(4)水云中层云和雨层云的云水路径有明显的季节变化,且地域性特征明显,尤其是东南地区,表现为双峰型分布,峰值分别在2月和11月;冰云的云水路径在北方地区夏季达到峰值,而在南方地区冬季达到峰值。     

“98.7”特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支诊断

1998年7月20~23日 (“98.7”) 发生在鄂东和鄂西南地区的特大暴雨过程, 不仅与700 hPa上低涡切变线的生成和持续发展密切相关, 而且与沿低涡切变线相继生成和强烈发展的MαCS与MβCS直接关联。利用非静力模式MM5.V2.12成功模拟提供的高分辨输出资料对这次特大暴雨中尺度系统发展的热量和水汽收支进行了诊断。结果发现:当有强对流发生并伴有强降水时, 就会有强的视热源Q₁和视水汽汇Q₂出现, 而强的Q₁与Q₂和强降水区基本是对应的; Q₁随高度增高而增大, 最大加热位面基本上都在486.1 hPa (σ=0.54) 附近; 在对流层深厚的中空加热层是积云对流活跃和强暴雨持续发生、发展的一种重要热力机制; 在对流层上半部的相对冷层为暴雨区上空积云对流提供了极为有利的热力不稳定条件, 积云对流在中、低空的凝结潜热不仅加热对流层中层大气, 而且向高层输送, 加热高层的环境大气; 在暴雨初期, Q₂的双峰结构与低空层积云及中空积云对流凝结变干有关; Q₂的中空峰值大体与Q₁的峰值相应, Q₂的深厚变干层与Q₁的深厚加热层非常一致。 诊断结果表明, 用非静力中尺度模式成功模拟的高分辨输出资料对Q₁和Q₂进行数值诊断是可行的。通过对强暴雨过程Q₁和Q₂的诊断, 可为改进积云对流参数化中加热和增湿廓线提供可靠的物理依据。     

河南“21.7”极端暴雨过程天气尺度系统发展维持机制分析

利用实况资料和ERA5再分析资料对“21.7”河南极端暴雨过程的锋生作用、大气非绝热加热和水汽净收支进行了深入分析,揭示此次过程天气尺度系统发展维持机制。结果表明：本次极端暴雨过程中,河南位于西北太平洋副热带高压(副高)和大陆高压之间的鞍型场中,低层辐合高层辐散的配置有利于500 hPa低压系统的发展和维持;锋生作用主要发生在对流层低层且与θ _se密集区有较好的对应关系,水平散度项和水平变形项起主导作用,两者的贡献基本相当;视热源?Q ₁?和视水汽汇?Q ₂?水平分布与强降雨落区较为吻合,二者的垂直分布有明显差异,Q₁最强加热作用在对流层中高层,而Q₂垂直分布较为均匀但强度明显小于Q₁,Q₁中位温垂直输送项起主导作用,而Q₂中比湿水平平流项发挥着主导作用,这表明本次河南极端暴雨中,区域性强凝结潜热的释放对降水有正反馈作用。伴随来自台风烟花(2106)北侧偏东气流的不断加强西进,强风速切变及地形抬升引发异常强盛的边...     

南半球中高纬度区域不同类型云的辐射特性

利用CloudSat的2B-CLDCLASS-LIDAR云分类产品和2B-FLXHR-LIDAR辐射产品4 a（2007-2010年）的数据,定量分析了单层云（高云、中云、低云）和3种双层云（如:高云与中云共存、高云与低云共存以及中云与低云共存）在南半球中高纬度（40°-65°S）的云量、云辐射强迫和云辐射加热率。其中云辐射加热率定义为有云时的大气加热率廓线与晴空大气加热率廓线的差值。结果表明:研究区域盛行单层低云和单层中云,其云量分别为44.1%和10.3%。并且,中云重叠低云在双层云中云量也是最大（8.7%）。不同类型云的云量也显著影响着其云辐射强迫。单层低云在大气层顶、地表以及大气中的净云辐射强迫分别是-64.8、-56.5和-8.4 W/m2,其绝对值大于其他类型云。虽然单层的中云在大气层顶和地表的净辐射强迫也为负值,但其在大气中的净云辐射强迫为正值（2.3 W/m2）。最后,讨论了不同类型云对大气中辐射能量垂直分布的影响。所有类型云的短波（或长波）云辐射加热率都随高度升高表现为由负值转为正值（或由正值转为负值）。对于大部分云,其净云辐射加热率主要由长波云辐射加热率决定。这些研究结果旨在为模式中云重叠参数化方案在区域的适用性评估及改进提供观测依据。      

中国东部云-降水对应关系的分析与模式评估

为评估和改进模式中不同类型云与降水的对应关系,利用1998—2007年卫星-台站融合降水资料和国际卫星云气候计划的卫星观测云资料,采用诊断方法分析了中国东部季风区冬季层云、夏季对流云、层云与降水的水平分布及季节变化对应关系,并评估了BCC_AGCM模式的T42和T106分辨率版本对云-降水对应关系的模拟能力。观测资料分析结果表明,中国东部冬季云带和雨带都稳定少动,降水主要来自雨层云和高层云,南部沿海层云和层积云也对降水有贡献;夏季,中国东部表现为层积混合云降水特征,对流云带与降水带具有较好的对应关系,并具有一致的移动特征。对流降水主要来自深对流云和卷层云,深对流云云量和降水中心完全吻合,卷层云云带则表现出比深对流云主体和降水带偏北的现象;层云降水主要来自高层云和层积云。模式评估结果表明,中、低分辨率版本的BCC_AGCM模式均模拟出了冬季层云和稳定少动的降水带、夏季深对流云、卷层云和降水带的对应关系及随季风推进的移动特征。与T42模式版本相比,T106模式版本在夏季对流云云量的模拟及其与降水带的对应关系方面有所改善,说明改进的BCC_AGCM积云对流参数化方案与高分辨率模式网格更匹配,但冬季层云云量模拟误差变大,与降水带的对应关系变差,其原因值得进一步分析研究。     

Seasonal variation and physical properties of the cloud system over southeastern China derived from CloudSat products

Based on the National Centers for Environmental Prediction(NCEP) and Climate Prediction Center(CPC) Merged Analysis of Precipitation(CMAP) data and Cloud Sat products, the seasonal variations of the cloud properties, vertical occurrence frequency, and ice water content of clouds over southeastern China were investigated in this study. In the Cloud Sat data, a significant alternation in high or low cloud patterns was observed from winter to summer over southeastern China. It was found that the East Asian Summer Monsoon(EASM) circulation and its transport of moisture leads to a conditional instability, which benefits the local upward motion in summer, and thereby results in an increased amount of high cloud. The deep convective cloud centers were found to coincide well with the northward march of the EASM, while cirrus lagged slightly behind the convection center and coincided well with the outflow and meridional wind divergence of the EASM. Analysis of the radiative heating rates revealed that both the plentiful summer moisture and higher clouds are effective in destabilizing the atmosphere. Moreover, clouds heat the mid-troposphere and the cloud radiative heating is balanced by adiabatic cooling through upward motion, which causes meridional wind by the Sverdrup balance. The cloud heating–forced circulation was observed to coincide well with the EASM circulation, serving as a positive effect on EASM circulation.     

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。      

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。     

Characteristics of Pre-summer Daytime Cloud Regimes over Coastal South China from the Himawari-8 Satellite

Using the high spatiotemporal resolution (2 km-and-10 min) data from the Advanced Himawari Imager onboard the Himawari-8 satellite, this study documents the fine-scale characteristics of daytime cloud regimes (CRs) over coastal South China during the pre-summer rainy season (April–June). Six CRs (CR1–CR6) are identified based on the joint frequency distribution of cloud top brightness temperature and cloud optical thickness, namely, the optically thin-to-moderate cloud mixture, optically thin warm clouds with cirrus, optically thick warm clouds, weak convective cloud mixture, strong convective clouds, and extreme, deep convective clouds. The optically thick warm clouds are the major CR during April and May, with higher frequencies over land, especially along the urban agglomeration, rather than the offshore which may be an indicator of the higher aerosol concentrations being a contributing factor over the cities. The CRs with weak convective cloud mixtures and strong convective clouds appear more frequently over the land, while the two CRs with optically thinner clouds occur mainly offshore. Synoptic flow patterns (SPs) are objectively identified and examined focusing on those favoring the two major rain-producing CRs (CR5 and CR6) and the highly reflective CR with optically thick warm clouds (CR3). The two SPs favoring CR5 and CR6 are characterized by abundant moisture with low-level jets after monsoon onset, and a northwest high-southeast low pattern with strong dynamic convergence along the coastline, respectively. The non-convective CR3 with high reflectance is related to a SP that features the western North Pacific subtropical high extending more westward, leading to a moderate moisture supply and a wide range of convective available potential energy, but also, large convective inhibition.     

On the linkage between changes in cloud cover and precipitation extremes over Central India

In this study, linkage between changing characteristics of precipitation extremes and cloud covers over Central India is explored during summer monsoon period using Satellite data (1998–2015). This is a first attempt to relate the changes in cloud cover to the changes in precipitation extremes. Non-rainy cirrus clouds are excluded from this study. Results show that heavy rainfall (≥ 60 mm/day) is associated with cold cloud tops (Tb≤220 K) while moderate rainfall (<60 mm/day and ≥20 mm) occurs mostly with middle clouds (Tb>220 K and ≤245 K). Low level clouds (Tb> 245 K) are responsible for light rainfall (<20 mm/day). Increases in top 20%, 10%, 5% and 1% heavy precipitation relate well with the increases in very deep convective, deep convective and convective cloud cover. Among these relations, increase in top 5% heavy precipitation relates best with increase in very deep convective cloud cover. Decrease in bottom 30% low precipitation relates with decrease in low level cloud cover. The results reported in this study fit into the framework of how weather extremes respond to climate change.     

暴雨过程大尺度热量、水汽和动量收支分析

近年来对长江流域梅雨期热源热汇分布的一些研究[1]-[3]表明,热源热汇的分布和梅雨期降水性质存在着年际变化,同时,研究区域不同,天气形势和时空尺度不同,所得各类收支的垂直分布特征亦有较大差别。本文用曲面拟合方法计算了1989年梅雨期6月27日至7月4日江南地区暴雨过程的时空平均热量、水汽和动量收支,得到的垂直分布特征是:(1)加热率Q₁峰值位于400—500百帕气层,减湿率Q₂峰值位于500—600百帕气层,两者垂直分布特征说明,该暴雨过程凝结潜热和对流垂直输送作用均十分重要。(2)视西风动量源在600百帕以下为正值,以上为负值,说明东风动量向高层输送;视南风动量源在400百帕以下为负值,以上为正值,说明南风动量向高层输送。      

京津冀地区夏季降水冰云和非降水冰云云特征对比分析

利用2013～2016年的Aqua MODIS卫星和CloudSat卫星的二级产品资料,对发生在京津冀地区夏季的降水冰云和非降水冰云进行了统计。基于此,对比分析了两类冰云的云类型,研究了二者在云特征参数、云层数及垂直结构上的差异,并且探究了二者在不同通道下云特征参数的相对大小。结果表明:1）京津冀地区的降水冰云以深对流云和雨层云为主,分别占48.63%和34.65%,而非降水冰云以高层云和卷云为主,分别占55.62%和31.58%。2）降水冰云和非降水冰云的平均云顶温度、云顶高度、光学厚度、积分云水总量、有效粒子半径分别为230.99 K、10.90 km、53.26、937.98 g/m2、31.45m和236.17 K、10.10 km、12.81、209.00 g/m2、27.54 μm。3）降水冰云以单层云为主,占80.39%,双层云占18.75%;而非降水冰云仍以单层云为主,占85.35%,双层云则占14.38%,比降水冰云低。4）相较于非降水冰云,降水冰云中卷云和高积云云体位置较高,而高层云和深对流云位置较低。5）随高度变化,降水冰云冰水含量是双峰结构,而非降水冰云是单峰结构;二者的粒子数浓度则差异不大;非降水冰云的粒子有效半径在5～7.5 km随高度变化不大,而降水冰云则随高度减小。6）降水冰云的积分云水总量、光学厚度和粒子有效半径>≥模态[、、分别代表该云特征参数在1.6、2.1、3.7 μm通道中的数值,当n=1, 2, 3时,分别代表光学厚度（b₁）、积分云水总量（b₂）、有效半径这三种（b₃）]的比例都高于非降水冰云,而二者在云参数≥≥模态的比例则有差异。