青藏高原夏季卷云分布特征及生成机制研究_王凯.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June，2023王凯，陈健，洪哲澄，等，2023.青藏高原夏季卷云分布特征及生成机制研究 J.高原气象，42（3）：543-552.WANG Kai，CHEN Jian，HONG Zhecheng，et al，2023.Research of the Distribution Characteristics and Generation Mechanism of Cirrus Clouds over the Qinghai-Xizang Plateau in SummerJ.Plateau Meteorology，42（3）：543-552.DOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00069.青藏高原夏季卷云分布特征及生成机制研究王凯1，陈健1，洪哲澄2，颜楚荞3，贺千山2（1.南京信息工程大学遥感与测绘工程学院，江苏 南京 210044；2.上海市气象局，上海 200030；3.复旦大学大气与海洋科学系，上海 200438）摘要：卷云在地球能量平衡和大气水循环中扮演着重要的角色。本文使用“云卫星”（CLOUDSAT）联合“云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星”（CALIPSO）数据分析了2007-2010年青藏高原区域夏季6-8月的卷云分布特性和生成机制。结果表明，研究期间高层卷云发生数远远高于低层卷云发生数，高层卷云主要分布在高原南部地区，而低层卷云除了高原西部，在高原的边缘均有较大的发生频率。重力波耗损量和低层卷云发生数成正相关，重力波耗损量越大，导致卷云发生数越多，这是因为高原地区卷云的形成与重力波导致的温度扰动密切相关。深对流活动主要分布在青藏高原东南部，当向外长波辐射（OLR）低于140 W m-2，即深对流活动最强时，高层卷云日发生数呈现爆发性增长，远高于高原北部和西部地区。青藏高原南部边缘除了受深对流的影响，水汽含量和垂直向上风速也与卷云发生密切相关，呈现从南到北逐渐减少的趋势，这与高原地形的抬升强迫有直接关系。关键词：卷云；深对流；重力波文章编号：1000-0534（2023）03-0543-10 中图分类号：P426.5+1 文献标识码：ADOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.000691 引言 云的时空变化是影响全球天气和气候变化的重要因子之一，它的辐射效应对地球能量起到了显著的控制作用，同时也通过直接参与降水过程影响了地球水循环。卷云薄而纤细，内部主要由冰晶粒子组成。卷云云底高度一般在6 km以上，云顶一般位于对流层顶下部，并经常出现在多层云系统中。通过卫星对全球卷云进行观测，发现其在地球表面的瞬时覆盖率为 20%40%（杨亦萍等，2016）。对于卫星难以探测到的不可见卷云（云光学厚度小于0.03），不仅对辐射平衡有重要影响，还会影响到水汽和其他气体从对流层向平流层的传输，所以对卷云的卫星和地基观测研究一直是个难点和热点问题（Fu et al，2006）。在全球不同地区已有几个大型观测实验研究卷云的发生和形成及其气候影响（Platt et al，2002；Comstock et al，2002；Pace et al，2003；Sunilkumar et al，2005）。目前的研究认为卷云的形成受两个主流机制影响：深对流溢出（Prabhakara et al，1993；Wang et al，1996）、受大尺度波动（Kelvin波或重力波）或天气尺度抬升引起的局地转化（Boehm and Lee，2003；Immler et al，2008；Fueglistaler et al，2009）。众多观测发现卷云通常出现在对流活动区域附近以及较低的向外长波辐射（OLR）区域附近（Winker and Trepte，1998；Eguchi et al，2007）。这是因为深对流活动能够把水凝物粒子从边界层传到上对流层从而促发卷云的形成（Luo et al，2011）。另外大尺度抬升或大气波动产生的温度起伏也会导致上对流层的卷云局地转化（Riihimaki and Mc收稿日期：20220321；定稿日期：20220629资助项目：国家重点研发计划项目子课题（2017YFC1501701）；国家自然科学基金项目（41875146，42030612，91837311）作者简介：王凯（1998-），男，江苏淮安人，研究生，主要从事青藏高原天气机理研究.E-mail：通信作者：贺千山（1975-），男，河南开封人，研究员，主要从事大气物理与大气环境研究.E-mail：高原气象42 卷Farlane，2010）。青藏高原作为最为典型的高原地区，平均海拔在 4000 m 以上，被称为“世界屋脊”和“地球第三极”，它是北半球气候变化的启动区和调节区，这里的气候变化不仅直接驱动我国东部、西南部的气候变化，对全球的气候变化也具有明显的敏感性和调节性。夏季青藏高原受南亚高压影响，该地区的卷云呈现了与同纬度其他地区不同的特点。一方面亚洲夏季风系统（Asian Summer Monsoon，ASM）通过快速的垂直传输把大量人为气溶胶前体物从亚洲输送到上对流层，这些物质被限制在上层ASM 内 反 气 旋 内（Fu et al，2006；Randel et al，2010）。另一方面高原地区大地形的抬升运动能够促使暖湿空气上升到高层大气，有利于卷云的发生发展（Zhao et al，2019；Yang et al，2020）。同时，与副热带地区类似，ASM期间青藏高原的深对流活动显著增强，它与地形抬升及气溶胶及其前体物的堆积相配合，有利于冰晶的生成，从而导致卷云的生成。由于地形和水汽环流的影响，青藏高原地区这两种机制对卷云的形成更为复杂，目前还不是很明确。Gao et al（2003）利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据分析了水汽和卷云的季节变化，发现高原上空高云反射率在4月达到最大而11月降到最低。Chen and Liu（2005）研究了高原上空卷云的季节性变化，发现3-4月由于地形抬升作用致使暖湿空气缓慢抬升到对流层顶进而产生出现大量的卷云。一些卫星观测也表明高原频繁发生的深对流与卷云的发生密切相关（Li et al，2005；Jin，2006）。He et al（2013）利用激光雷达获得了高原上空卷云几何和光学的时空变化特征，发现卷云的发生与对流层上部的向外长波辐射及温度扰动有很强的相关，表明亚洲夏季风控制下的深对流和重力波是控制高原上空卷云生消的主要动力因素。然而，高原地区对卷云观测的垂直和时间分辨率还是远远达不到要求。之前的地基激光雷达观测通常是在固定站点，时间也较短，另外受下层云遮挡，难以有效观测到上层卷云，因此对于整个高原范围内不同高度卷云的分布认识还不清楚（Wang et al，2005；Noel et al，2007）。也有研究在高原地区采用 CALIPSO 对云顶与对流层顶关系（Pan and Munchak，2011），以及生成机制（Zhang et al，2020）进行过分析，但由于 CALIPSO在探测卷云上存在对大尺度粒子识别较困难的问题，而CLOUDSAT联合CALIPSO提高了对大尺度粒子的识别能力，在卷云观测上具有更大的优势，尤其是识别高层薄卷云的能力大大提高。因此本文利用CLOUDSAT联合CALIPSO数据分析了2007-2010年高原地区夏季的卷云时空分布特征，同时采用再分析数据和相关卫星产品对不同高度卷云的形成机制进行了分析，研究结果将有助于深入理解青藏高原的热动力效应并进一步提高气候模拟的准确度。2 数据来源及方法介绍 2.1研究数据2.1.1CLOUDSAT联合CALIPSO数据CloudSat卫星是第一颗用主动毫米波雷达在全球范围内观测及研究云量、云的分布和垂直结构、辐射特性及降水信息的卫星。由于其搭载是94 GHz的云廓线雷达（CPR），可以有效“切开”云层，更加有利于研究云的微物理特征，且对大尺度的粒子较为敏感（潘红林，2017）。CALIPSO卫星将主动激光雷达仪器与被动红外和可见光成像仪相结合，以探测全球薄云和气溶胶的垂直结构和特性。它是首颗搭载 532 nm 和1064 nm波段的双通道的云-气溶胶正交偏振激光雷达（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CALIOP）的卫星，能够同时测得高空的微弱水汽凝结层以及光学厚度较薄的冰云（郑建宇等，2018）。CPR雷达和CALIOP激光雷达测量的组合能够精确定位到光学薄云的高度和位置，可以有效区分那些在没有被较低云遮挡时被地基观测归类的卷云（Sassen et al，2008）。CLOUDSAT 联合 CALIPSO产品2B-CLDCLASS-LIDAR（ftp：/ftp.cloudsat.cira.colostate.edu/）在青藏高原地区的探测时间为每日05:00（世界时，下同）-08:00和17:00-20:00，水平分辨率为2.5 km1.4 km，云层垂直方向分为10层，产品中包含云类别、云顶高度和云底高度等数据。其云分类算法根据云的垂直和水平特征，是否存在降水，云体温度及MODIS测得的向上辐射信息将云定义为八种基本云类型，分别为：卷云、高层云、高积云、层云、层积云、积云、雨积云和深对流云。为了充分利用该数据，采用2007-2010年夏季的所有数据对青藏高原的卷云进行空间分布特征研究。544王凯等：青藏高原夏季卷云分布特征及生成机制研究3 期2.1.2向外长波辐射（OLR）向外长波辐射是指大气层层顶向外的长波辐射。该辐射量由云顶温度决定，云顶越高则云顶温度越低，向外长波辐射就越小，表征对流越强；反之，向外长波辐射越大，则对流越弱。OLR低值区是主要的对流区（谢安等，1988）。本文采用NOAA卫星的日平均 OLR 数据（https：/www.ncei.noaa.gov/data/outgoing-longwave-radiation-daily），时间分辨率为1 d，水平空间分辨率为11。以210 W m-2作为阈值来识别深对流位置及其强度（Fujiwara et al，2009）。2.1.3重力波强度采用重力波损耗量表征重力波的强度，该参数的定义是在整个大气柱上每单位面积平均流中的动能转化为热量的平均速率，受到地形阻塞和地形重力波等相关的应力的影响。为了与CLOUDSAT联合CALIPSO产品的时间精确匹配，采用欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料 ERA-5中对应时间内重力波损耗量水平数据格点资料，空间分辨率为0.250.25，时间分辨率为1 h。ERA-5是由欧洲中期天气预报中心（ECMWF）发布的综合性的再分析数据，覆盖时间为1979年至今（谢劭峰等，2021）。同时在该数据集中选取了研究区域的水汽含量和垂直风速数据配合分析地形对卷云生成的影响。2.2研究方法图1给出了本文的研究区域为青藏高原及其周边（68E-106E，24N-40N）。由于 2B-CLDCLASS-LIDAR产品是轨道数据，首先将逐轨道资料数据按照2（纬度）2（经度）格点进行栅格化处理（傅云飞等，2008；谭瑞婷，2018）。为了确认栅格范围的合理性，随机选出相邻的4个网格（红色方框区域），每个网格内探测廓线样本数分别为9602、10313、9813和10149，可以看到相邻网格之间样本数差距不大，每个网格中平均探测廓线样本数均超过9000，说明我们的栅格化处理给出的统计结果具有普遍性和可信性。我们统计每个网格内的卷云发生数时，将同一经纬度下不同高度的间隔为1 km以上的云层视为独立个体。考虑到水汽均质核化的温度需要低于-38 C，相应的高度在12 km附近，因此我们按照卷云的云顶高度将其分为812 km和12 km以上两类卷云分别进行讨论。同样通过对重力波耗损量逐小时格点（0.250.25）重新栅