内蒙古草原浅对流云特征卫星观测分析

黎微微 施红蓉 陈洪滨 唐熠 何文英

1 桂林市气象局，广西桂林 541000

2 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室，北京 100029

3 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室，北京 100029

4 中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室，北京 100101

5 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044

浅对流云（Shallow Convective Cloud，SCC）是大气辐射平衡系统中的重要部分，其辐射效应是影响气候变化重要影响因素之一。深入了解SCC生成和维持及其向对流性降水云转换的机制，对于认识和预报深对流强雷暴有着积极的意义；
更加全面地探测SCC，对次网格中（浅）对流参数化等方案的改进以及验证和改进云分辨模式和大涡模拟也十分必要，也是数值天气预报和气候模式研究中的一个重要内容（Brown et al., 2002; Essery et al.,2003; Berg et al., 2013; Manrique-Suñén et al., 2013;Rieck et al., 2014）。由于SCC 水平、垂直尺度较小，并且生命尺度短，对其观测技术有限，针对浅对流云的观测研究仍然较少。

过去对SCC 的研究手段包括飞机搭载云微物理观测设备直接观测，地面激光雷达、云雷达、高光谱仪等主被动遥感观测，以及大涡模式模拟等手段。Brown et al.（2002）通过大涡模式模拟发现了陆地SCC 的特征，并把结果运用到了数值天气预报和气候模型中的参数化开发和评估之中，得到了较好的效果。2016 年夏季在美国南部大平原，研究者们基于云雷达、云高仪等地基观测设备，专门针对SCC 开展观测试验，通过试验观测结果提升了下一代气候模式中陆—气相互作用、SCC 的参数化方案，同时用观测结果来评估了模式预测SCC 宏微观物理特征的能力（Vogelmann et al.,2012; Shrivastava et al., 2013; Heymsfield et al., 2013;Battaglia et al., 2014; Chen et al., 2014; Giangrande et al., 2014）。Shi et al.（2017）采用加密探空等观测方式，对内蒙古地区夏季出现的浅对流云进行观测研究，结合历史探测资料和卫星资料分析，深入认识了高原陆地浅对流云生成和维持及其相互作用机制。

随着高分辨率卫星遥感技术的发展，相比传统的红外/可见光传感器观测方式，主动遥感卫星能够给出具有垂直分辨率的云宏、微观物理特征；
同时相比地面单个站点观测，主动遥感卫星具有更广的空间覆盖（Stephens et al., 2002, 2008; Stephens,2005）。CloudSat 卫星和CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）卫星搭载云探测雷达和云—气溶胶偏振雷达，可以获得云—气溶胶的三维结构特征，为浅对流云观测提供了新途径。

内蒙古草原地势起伏落差小，属于温带干旱半干旱大陆性季风气候，全年盛行偏西风，降水多集中在7 月、8 月、9 月3 个月内，降雨量由东南向西北递减，是全球夏季陆地与降水耦合程度较强区域之一（Dirmeyer et al., 2006; Findell et al., 2011），对于研究陆地—自由大气—云相互作用比较理想。尽管国内外已经有很多利用CloudSat/CALIPSO 卫星资料对不同类型云的研究（Chen et al., 2016），但针对SCC，尤其是内蒙古草原上空SCC 的研究还很少。为了深入了解SCC 的宏观特征，本文利用2009～2010 年CloudSat、CALIPSO 和MODIS 3 个卫星联合产品，对内蒙古草原区域SCC 出现频率的季节变化、水平分布以及云底高度分布等宏观特征进行分析。本文第二节是数据与方法介绍，第三节描述内蒙古草原SCC 时空分布特征，最后一节对全文进行了总结。

2.1 观测区域介绍

内蒙古白旗站（42.2°N，114.9°E）位于内蒙古中部，锡林郭勒盟西南部，平均海拔高度为1.3 km，中国科学院大气物理研究所自2014 年开始在该站点对SCC 进行地面观测。但是其观测数据有限，为更全面认识SCC 还需结合卫星遥感观测资料分析其宏观特征。本文研究的内蒙古草原区域 如 图1 所 示（41°N～45°N，112°E～116°E），可以看出该区域地形起伏不大，该区域平均海拔为1.24±0.2 km。

图1 内蒙古草原海拔高度分布（41°N～45°N，112°E～116°E）Fig. 1 Inner Mongolia grassland altitude (41°N-45°N, 112°E-116°E)

2.2 卫星数据

本文采用了2009～2010 年CloudSat Level 2的2B-CLDCLASS-LIDAR 和2B-GEOPROF 数 据（http://www.cloudsat.cira.colostate.edu/data-products/level-2b/[2021-02-01]），这两个数据产品集合了Cloud-Sat、CALIPSO 和MODIS 3 个卫星观测结果，且在这个时间段有较好的匹配性（CloudSat 在2011年偏离了轨道，由于2B-CLDCLASS-LIDAR 结合了MODIS 和CALIPSO，在这之后这类产品数据中断。2012 年CloudSat 调整回来，但与A-train的MODIS 和CALIPSO 的匹配较差，2012～2018年的数据和2009～2010 年的数据有偏差。2018 年CloudSat 的轨道再次发生变化，故2009～2010 年数据匹配性较好）。2B-GEOPROF 产品提供雷达反射率因子和MODIS 云量等物理量。2B-CLDCLASSLIDAR 产品提供云的分类、云层结构、云顶高、云底高等信息。2B-CLDCLASS-LIDAR 给出了8 种云类型，分别为卷云（Cirrus，Ci）、高层云（Altostratus，As）、高积云（Altocumulus，Ac）、层云（Stratus，St）、层积云（Stratuscumulus，Sc）、积雨云（Nimbostratus，Ns）、深对流云（Deep Convection，DC）和积云（Cumulus，Cu）。其中Cu 包含了SCC和浓积云（Wang and Sassen, 2001, 2007）。浓积云与SCC 的主要区别在云量，浓积云的云量远大于SCC 的云量。Chandra et al.（2013）利用美国大平原13 年地基云雷达资料研究分析了SCC 的宏观特征，统计结果显示SCC 的Ze 小于-15 dBZ并且云量小于40%。本文选择将CloudSat 二级产品中的Cu 并用云量为50%作为界限，云量大于50%判定为浓积云，云量小于50%为SCC，基于此阈值来统计研究SCC 的宏观特征。图2 和图3 分别展示了用云量作阈值筛选的浅对流云和浓积云两个典型个例（2010 年7 月23 日浅对流云天和2010年5 月4 日浓积云天）。2010 年7 月23 日，MODIS 卫星云图（图2c）清晰表明内蒙古草原上空出现大范围SCC；
同时配合CloudSat 云雷达（图2a）和CALIPSO 激光雷达（图2b）发现均在海拔高度5 km 处探测到SCC 存在（当地海拔高度为1.3 km 左右）。说明该个例是典型的SCC 天气。而在2010 年5 月4 日（图3），MODIS 卫星云图上显示较大空间范围被云覆盖。CloudSat（图3a）和CALIPSO 激光雷达（图3b）也显示研究区域内云的空间尺寸较大，是发展旺盛的浓积云，该个例不是SCC 天气，与用云量作阈值筛选的结果一致。

图2 2010 年7 月23 日内蒙古草原上空（a）CloudSat 卫星CPR（Cloud Profile Radar）雷达反射率因子（单位：dBZ）垂直分布，（b）CALIPSO 卫星LIDAR 532 nm 后向散射垂直分布（单位：km-1 sr-1），（c）MODIS 卫星（250 m 分辨率）云图，（d）CALIPSO 卫星运行轨迹Fig. 2 Satellite image of the grassland of Inner Mongolia on 23 July 2010: (a) CloudSat CPR radar reflectivity factor (dBZ) vertical distribution;(b) CALIPSO LIDAR 532-nm backscattering vertical distribution (km-1 sr-1); (c) MODIS (250-m resolution) cloud images; (d) trajectory map of CALIPSO satellite

图3 2010 年5 月4 日内蒙古草原上空（a）CloudSat CPR 雷达反射率因子（单位：dBZ）垂直分布，（b）CALIPSO LIDAR 532 nm 后向散射垂直分布（单位：km-1 sr-1），（c）MODIS（250 m 分辨率）云图，（d）CALIPSO 卫星运行轨迹Fig. 3 Satellite image of Inner Mongolia grassland on 4 May 2010: (a) CloudSat CPR radar reflectivity factor (dBZ) vertical distribution;(b) CALIPSO LIDAR 532-nm backscattering vertical distribution (km-1 sr-1); (c) MODIS (250-m resolution) cloud images; (d) trajectory map of CALIPSO satellite

3.1 内蒙古草原SCC 出现频率的季节变化特征

将SCC 出现频率的季节变化定义为研究区域内卫星观测到SCC 天数与卫星过境天数之比的季节变化。2009～2010 年研究区域卫星过境共141 d，其中46 d 出现SCC。2009～2010 年两年SCC 平均每月出现频率为0.31；
出现频率最高的是9 月，为0.53；
出现频率最少的是2 月，为0.09（图4）。上述结果表明，内蒙古草原地区SCC 主要发生在夏季和秋季，且集中在8 月、9 月、10 月3 个月，春季次之，冬季最少。而SCC 在夏季7 月出现频次明显小于6 月和8 月。7 月出现频率偏少主要受夏季季风北抬降水影响。虽然夏季地面接收到的太阳辐射增加，地表加热作用增强，有利于对流云产生，但是观测区域此时正值华北雨季，受到降水增多影响，造成7 月份SCC 出现频率明显偏低。

图4 2009～2010 年内蒙古草原SCC 出现频率的逐月变化Fig. 4 Monthly variation of the occurrence frequency of SCCs(Shallow Convective Clouds) above the Inner Mongolia steppe during 2009-2010

3.2 内蒙古草原 SCC 出现频率水平分布

SCC 出现频率水平分布（Occurrence Frequency,OF）定义为

其中，Nscc是研究时间段内2°（纬度）×2°（经度）网格点内CloudSat 探测到SCC 的廓线数量，NT是相同时间和经纬度网格内CloudSat 探测的总廓线数量（包括晴空时候的廓线）。

选取白旗为代表站，图5 是2009～2010 年内蒙古白旗观测站（图中红色标注）附近区域SCC出现频率水平分布图。图中白旗站点附近SCC 平均出现频率为0.6%。而白旗站点附近SCC 有两个出现频率高值区域，一个是距离白旗东南方向400 km 的燕山山脉，SCC 平均出现频率为1.6%左右；
另一个是白旗偏西南方向，SCC 平均出现频率为1%左右。对应白旗附近区域地形高程图，可以看出出现频率较大区域与地形海拔梯度较大区域吻合，因此地形的抬升作用可能会增加SCC 的出现频率，使得白旗附近的SCC 出现频率呈现西北低、东南高的趋势。Li and Zhang（2015）相关的研究也给出了类似的结论，他们通过CloudSat 卫星观测到青藏高原南麓和西部SCC 出现频率很高，由于地形作用影响，浅对流云出现频率远大于周边地区，同时南麓区域夏季深对流天气出现频率高。

图5 2009～2010 年白旗站点附近2°（纬度）×2°（经度）格点分辨率的SCC 出现频率水平分布（等值线，单位：%）。红色菱形代表白旗观测站点，填色表示地形海拔高度（单位：m），灰色虚线是行政规划界限Fig. 5 The horizontal distribution of the SCC occurrence frequency (contours, units: %) at a 2°×2° longitude and latitude grid resolution near Baiqi station during 2009-2010. The red diamond represents the Bai Qi observation station, the color map shows the elevation of the terrain (m), and the dotted gray line is the administrative planning boundary

图6 给出了白旗站点附近2°（纬度）×2°（经度）格点1～12 月SCC 出现频率水平分布。图中看出，白旗观测点的出现频率水平分布也同样有明显的季节变化，5 月、6 月以及9 月、10 月出现频率值明显高于其他月份；
除了冬季出现频率较小外，7 月、8 月的出现频率也很小。这是由于夏季地面接收到的太阳辐射增加，地表加热作用增强，有利于地面形成对流热泡，大气不稳定有利于SCC 的生成（李昀英等, 2015），但是该观测点夏季处于华北雨季，受到副高北抬的影响，水汽较充沛，降水增多。SCC 出现频率高值中心随着季节南北移动；
高值中心上半年偏北，下半年偏南。

图6 2009～2010 年白旗站点附近2°（纬度）×2°（经度）格点分辨率的1～12 月SCC 出现频率水平分布（等值线，单位：%）。填色表示地形海拔高度（单位：m），灰色虚线是行政规划界限Fig. 6 Horizontal distribution of the SCC occurrence frequency at 2°×2° longitude and latitude grid points from January to December (contoured,units: %) near Baiqi station from 2009 to 2010. The color map shows the elevation of the terrain (m), and the dotted gray line is the boundary of administrative planning

3.3 内蒙古草原 SCC 云底高度分布特征

图7 给出了2009～2010 年内蒙古草原SCC 云底高度分布图。由图可见SCC 云底高度的中值8月最高，12 月最低，呈现明显的冬夏差异。Berg and Kassianov（2008）利用美国南部大平原地基遥感资料计算SCC 宏观物理特征，发现云底高度呈现明显的日变化，从出现到消散，云底高度不断增加；
此外，云底高度存在年际变化，相对干的年份的云底高度要高于湿的年份。云底高度与边界层日变化、以及边界层湍流强度有关。不同季节SCC云底高度的差异，可能与边界层发展旺盛程度有关，夏季湍流旺盛，边界层高度高，云底高度高；
相反，冬季湍流相对弱，边界层高度低，云底高度相对低（Berg and Kassianov, 2008）。

图7 2009～2010 年内蒙古草原SCC 每月云底高度分布（箱内横线代表中位数，上下边缘线分别代表上四分位数和下四分位数，短线为正常值的分布区间，点为异常值）Fig. 7 Monthly cloud base height distribution of SCCs in the Inner Mongolia steppe during 2009-2010. The horizontal line in the box represents the median, the upper and lower edge lines represent the upper and lower quartiles, respectively, the short line is the distribution interval of normal values,and the point is the outlier values

图8 给出了2009～2010 年内蒙古草原区域SCC 平均云底高度为1.14±0.46 km，平均云顶高度为1.62±1.62 km，平均云厚为0.48±1.17 km（图8 所示）。Shi et al.（2017）利用2014 年内蒙古草原夏季加密探空观测对SCC 分析得到白旗站的SCC 云底高度距离地面3 km 左右（Shi et al.,2017）。Siebesma and Cuijpers（1995）观测并模拟了巴巴多斯（Barbados）海上SCC，云底高度在0.6 km 左右。Chandra et al.（2013）在美国南部大平原毫米波云雷达测到SCC 云底高度在1.5 km左右。不同地区SCC 云底高度差异较大。研究指出，这种地区之间云底高的差异主要与海拔高度有关（Ray et al., 2003; Chagnon et al., 2004）。

图8 2009～2010 年内蒙古草原研究区域（a）云底高度（间隔：0.20 km）、（b）云顶高度（间隔：0.5 km）、（c）云厚（间隔：0.5 km）统计直方图Fig. 8 Statistical histogram of (a) Cloud base height (intervals: 0.20 km), (b) cloud top height (intervals: 0.5 km), and (c) cloud thickness(intervals: 0.5 km) above the Inner Mongolia steppe study area during 2009-2010

为进一步比较不同地区SCC 云底高度可能存在的差异，本文选取长江中下游平原—上海、华北平原—郑州、内蒙古草原—白旗站与青藏高原草原—阿柔这4 个区域进行SCC 云底高度进行分析统计（图9）。白旗、上海、郑州和阿柔4 个区域平均海拔高度分别为2.6 m、48.2 m、1200 m 和3500 m（图9a）。4 个区域中，上海平均云底高度最小，并且较为均一，全年标准差在90 m 左右；
阿柔平均云底高度最大，云底高度变化幅度也最大；
郑州和白旗次之（图9b）。海拔较高的白旗和阿柔，云底高度及其变化幅度远大于上海和郑州。海拔越高的地方，SCC 云底高度越高，变化幅度越大。随着观测区域海拔高度的增加，SCC 云底高度有明显上升趋势。内蒙古草原SCC 云底高度及其变化幅度也受海拔高度影响。

图9 2009～2010 中国长江中下游平原—上海（SH）、华北平原—郑州（ZZ）、内蒙古草原—白旗（BQ）、青海草原—阿柔（AR）4 个区域（a）平均海拔高度和（b）SCC 云底高度（距离地面高度）箱线图Fig. 9 (a) Average altitudes and (b) box chart of the SCC cloud base height (height above ground) in the middle and lower reaches of the Yangtze River Plain-Shanghai (SH), the North China Plain-Zhengzhou (ZZ), the Inner Mongolia grassland-Baiqi (BQ), and the Qinghai grassland-A’rou(AR) from 2009 to 2010

本文采用2009～2010 年CloudSat、CALIPSO 和MODIS 3 个卫星融合产品2B-CLDCLASS-LIDAR和2B-GEOPROF，分析了内蒙古草原区域SCC 出现频率季节变化、水平分布以及云底高度分布等宏观特征。主要结论如下：

（1）2009～2010 年内蒙古草原SCC 出现频率有明显的季节变化，主要发生在夏季和秋季，集中在8 月、9 月、10 月3 个月，春季次之，冬季最少。由于内蒙古草原7 月份正值雨季，SCC 在7月份出现频次相对较少。

（2）2009～2010 年内蒙古草原SCC 年在该区域范围内SCC 出现频率水平分布呈现西北低、东南高的趋势，出现频率最高的位置出现在海拔梯度大的地方，地形抬升作用会引起SCC 出现频率增加。出现频率的高值中心随着季节变化，由南向北移动。

（3）2009～2010 年内蒙古草原SCC 平均云底高度，8 月最高，12 月最低，呈现明显的冬夏差异。通过比较不同地区SCC 云底高度发现，随着观测区域海拔高度增加，SCC 云底高度有上升趋势。除此以外，海拔越高，SCC 云底高度变化幅度越大。内蒙古草原和青藏草原SCC 云底高度略大于华北平原和长江中下游平原。

本文基于卫星遥感资料与地面观测资料研究了内蒙古草原SCC 的宏观特征（包括出现频率的季节分布、水平分布及云底高度分布等特征），对内蒙古SCC 做了初步分析，对SCC 有初步认识。目前仅对SCC 宏观特征进行了分析，在今后的研究中，我们将进一步结合其他云微物理参数，改进SCC 的识别方法；
并结合地基观测研究浅对流向深对流发展的触发、发展机制等科学问题进行研究，从而更加全面认识SCC，为改进模式中的浅对流参数化提供有力的科学实测依据。

致谢本文中使用的CloudSat Level 2 的2 B-CLDCLASSLIDAR 和2 B-GEOPROF 数据由美国航天局（NASA）戈达德空间飞行中心提供，在此表示感谢。