全球云水量氣候分布及變化趨勢特征分析

程敬雅 游慶龍 , 蔡淼

1 復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，上海 200438

2 珠海復(fù)旦創(chuàng)新研究院，廣東珠海 518057

3 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081

1 引言

云是自然界水循環(huán)過程中有形的結(jié)果，全球云平 均 覆 蓋 約 為69%（Rossow and Schiffer,1999;Stubenrauch et al.,2013），在氣候系統(tǒng)中擔(dān)任著絕對重要的角色。云相態(tài)的改變可釋放大量潛熱加熱大氣，同時它能吸收和反射太陽短波輻射并吸收和放射長波輻射，影響大氣的能量收支平衡，驅(qū)動大氣的運(yùn)動，制約大氣中水循環(huán)交換過程（Yang et al.,2006;傅 云 飛 等，2008;Kiemle et al.,2011）。云及其輻射相互作用是對未來氣候預(yù)測的最大不確定性，云復(fù)雜的反饋機(jī)制使其成為氣候敏感性的最大不確定源（Cess et al.,1989;Held and Soden,2000;汪方和丁一匯，2005）。云是由懸浮在大氣中的小水滴和小冰晶等水凝物組成，云中水凝物的相態(tài)與分布對云的特性有直接的影響。在20世紀(jì)80年代之前還沒有全球范圍內(nèi)云中水凝物含量的觀測（Platt et al.,1987;Rossow and Schiffer,1999），對于云中發(fā)生的微物理過程還無法進(jìn)行描述，多基于經(jīng)驗(yàn)理論參數(shù)化法來計算潛熱通量（Kuo,1965;Klemp and Wilhelmson,1978）。Tao et al.（1990）提出云粒子相態(tài)的轉(zhuǎn)變對云中熱量平衡起決定性作用，云中液態(tài)水和固態(tài)水相對含量的多少及其分布廓線可以有效的估算潛熱。云中水凝物含量差異還會導(dǎo)致云對長波輻射和太陽短波輻射的反射率、透過率和吸收率有所不同（汪宏七和趙高祥，1996），從而進(jìn)一步影響云的輻射性質(zhì)，制約地氣系統(tǒng)的能量收支平衡（Somerville,1985;Shupe and Intrieri,2004），平均0.05 kg/m2的液態(tài)水含量變化將導(dǎo)致云 凈 輻 射 強(qiáng) 迫 改 變－25 W/m2（Greenwald et al.,1995）。同時，云中含水量與降水強(qiáng)弱也有直接聯(lián)系，液態(tài)水含量高的低云有利于降水的發(fā)生發(fā)展（劉健和董超華，2002;楊大生和王普才，2012）。云中包含的液態(tài)水和固態(tài)水物質(zhì)，稱為云液水含量（Cloud Liquid Water Content,LWC）和云冰水含量（Cloud Ice Water Content,IWC），其垂直積分為柱云水量（或液態(tài)水路徑，Liquid Water Path,LWP）和柱云冰量（或冰水路徑，Ice Water Path,IWP）（耿蓉等，2018），文中將兩者合稱為云水量（Cloud Water Content,CWC）。云水量的垂直和水平分布對全球氣候變化和局地天氣都具有重要影響，是云模式中微物理過程和氣候積云模式的重要參數(shù)，也是人工降雨潛力區(qū)判斷的重要依據(jù)（王穎等，2016）。

前人已有大量研究表明云水量與水汽、降水以及環(huán)流場配置關(guān)系密切。Greenwald et al.（1995）用SSM/I（Special Sensor Microwave/Imager）、ERBE（Earth Radiation Budget Experiment）和ISCCP（International Satellite Cloud Climatology Project）

3套遙感資料對全球海洋上空的LWP的空間分布、時間變率以及和溫度、輻射收支的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)LWP最大值出現(xiàn)在北半球中緯度急流處和熱帶對流區(qū)，在緯向平均上有3個極大峰值，全球海洋上空平均LWP約為0.113 kg/m2。Yu et al.（2004）提出地表溫度和低層云之間的反饋過程不同于對流云，地表溫度升高將導(dǎo)致大氣層結(jié)減少、相對濕度降低，會抑制陸地上空層云的形成，從而減少低云云水量。Xu et al.（2005）繼而研究也發(fā)現(xiàn)，東南太平洋LWP的增加與智利西海岸以南異常反氣旋環(huán)流的發(fā)展有關(guān)，反氣旋環(huán)流帶來的南極高緯干冷氣流與之相關(guān)的沉降增溫，加強(qiáng)了反氣旋中逆溫結(jié)構(gòu)，有利于層云的發(fā)展。且還證明海平面氣壓和地面風(fēng)等環(huán)流變量先于云中液態(tài)水約2周變化，而海表溫度滯后于其變化約2周，表明低云中LWP變率是由大氣環(huán)流引起的而不是下墊面。Zuidema and Joyce（2008）利 用SSM/I、AMSR（Advanced Microwave Scanning Radiometer）和地面測站的數(shù)據(jù)來研究北半球高緯海域的水汽、LWP和降雨三者之間的關(guān)系，春季LWP增加通常與水汽路徑（Water Vapor Path,WVP）增加同步，而秋季LWP降低滯后于WVP的降低，最顯著滯后區(qū)域在北太平洋，LWP最大值出現(xiàn)在8月，比北大西洋晚一個月，與8月最大降水相關(guān)。李興宇等（2008）研究發(fā)現(xiàn)中國地區(qū)云水路徑的分布與大氣環(huán)流、地形特征和大氣濕度分布及水汽傳輸密切相關(guān)，以增加趨勢為主，存在季節(jié)性差異。這些變化主要與大氣環(huán)流變化導(dǎo)致的抬升運(yùn)動的增強(qiáng)以及水汽的增加相關(guān)，符合氣溫增加導(dǎo)致水循環(huán)增強(qiáng)的觀點(diǎn)。林丹和王維佳（2019）統(tǒng)計分析了西南地區(qū)云水含量等云參數(shù)的時空分布特征和變化趨勢，結(jié)果表明云水含量在西部地區(qū)和海拔低的地區(qū)更高，各地液水和冰水含量均呈減少趨勢。長期以來對大氣中云水量的研究多限于局地云水的氣候效應(yīng)及成因分析，且時間尺度較短，本文關(guān)注在較長時間尺度上、全球范圍內(nèi)云水的時空特征，并將水汽場與環(huán)流場相結(jié)合，分析云水量與水平水汽輸送通量及其散度的關(guān)系，為研究云的潛熱、輻射和云降水等效應(yīng)提供參考。

2 資料和方法

2.1 資料

所用資料為美國能源部（U.S. Department of Energy）、科學(xué)生物與環(huán)境研究所（Office of Science Biological and Environmental Research,BER）和美國國家大氣海洋局（National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA）聯(lián)合發(fā)布的20世紀(jì)再分析版本2c（The NOAA-CIRES 20th Century Reanalysis version 2c）數(shù)據(jù)集（Compo et al.,2011），時間長度延伸到1851年，為19世紀(jì)氣候應(yīng)用生成的四維再分析數(shù)據(jù)集。20世紀(jì)再分析版本v2c是目前國際上新發(fā)展的一套具有創(chuàng)新性、綜合性的20世紀(jì)全球大氣環(huán)流再分析數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集與觀測模式相結(jié)合，可提供一套極為全面的氣候描述與分析（陳崢等，2018）。20世紀(jì)再分析版本2c使用了與版本2（20th Century Reanalysis version 2）相同的模式，在版本2的基礎(chǔ)上，加入COBE-SST2海冰數(shù)據(jù)（Hirahara et al.,2014）、SODAsi.2的海平面溫度場（Giese et al.,2016）以及ISPD（The International Surface Pressure Databank）觀測數(shù)據(jù)資料對邊界條件進(jìn)行了優(yōu)化。

云水量是20世紀(jì)再分析版本2c資料中的預(yù)報量（Moorthi et al.,2001）：

其中，qc為云水量，數(shù)據(jù)中沒有對云液水和云冰水進(jìn)行區(qū)分，兩者共同被儲存為云水量；t為時間變量；等號右側(cè)的前兩項(xiàng)表示三維空間的平流項(xiàng)，V為風(fēng)矢量；Sc為對流活動產(chǎn)生的云水水凝物，由對流參數(shù)化中的云擾動項(xiàng)提供；P為降水率，E為云水水凝物的蒸發(fā)率，分別來自Sundqvist et al.（1989）和Zhao and Carr（1997）的參數(shù)化結(jié)果；Fqc表示水平和垂直方向上云水水凝物的擴(kuò)散。文中使用的云水量數(shù)據(jù)是對單位面積內(nèi)，海平面（1000 hPa）至大氣頂（10 hPa）共計24層的云水量進(jìn)行垂直積分的積分量，表示整層大氣中的柱云水量。

本文研究時間段為1960～2014年，月平均水平風(fēng)場（u、v）、比濕、地表氣壓和云水量數(shù)據(jù)的水平空間分辨率為 2°（緯度）×2°（經(jīng)度）。季節(jié)劃分按照3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月至次年2月為冬季。使用一元線性回歸方法計算變化趨勢，9點(diǎn)滑動平均來表征年代際變化特征，相關(guān)分析來分析云水量與水平水汽輸送通量散度的關(guān)系。

2.2 水汽通量及散度計算方法

2.2.1 水平水汽輸送通量

水平水汽輸送通量（下文簡稱水汽通量）表示在單位時間內(nèi)流經(jīng)某一單位面積的水汽量（單位：kg m?1s?1）。整層水汽通量公式為

其中，g為重力加速度，pt和ps分別為上邊界氣壓（取300 hPa）和海平面氣壓，垂直積分氣壓層包含從1000 hPa到300 hPa，共計15層；q為相應(yīng)層大氣的比濕。

2.2.2 水平水汽輸送通量散度

水平水汽輸送通量散度（下文簡稱水汽通量散度）表示單位時間、單位體積內(nèi)匯聚或輻散出去的水汽量，利用中央有限差分方法計算散度（潘留杰等，2015）。水汽通量散度值為正時，表示輻散；為負(fù)時，表示輻合。整層水汽通量散度[單位：10?5kg m?2(10 a)?1]是表示水汽輸送聚集程度的物理量：

其中，V為各層大氣的風(fēng)速矢量，u、v分別為各層的緯、經(jīng)向風(fēng)；?為向量微分算子。

3 結(jié)論與討論

3.1 多年平均態(tài)分布特征

圖1a為1960～2014年多年平均云水量分布，全球云水量空間分布不均，大致呈現(xiàn)海洋高于陸地，南半球高于北半球的分布格局。海洋上空云水量大值區(qū)域位于熱帶輻合帶、北太平洋、北大西洋、中印度洋、南半球中緯度等海域，在南半球中緯度35°S～50°S之間形成一緯向云水高值帶，其平均云水量為92.7 g m?2，這與中緯度地區(qū)氣旋活動頻繁相一致（Sinclair,2002）。北半球?qū)?yīng)緯度受地形影響，高值帶斷裂成北大西洋和北太平洋兩個高值區(qū)域，其值分別約為98.4 g m?2和106.2 g m?2。海洋上低值區(qū)域主要位于中低緯副熱帶大陸西海岸海域，全球大致有5個低值中心，分別位于南北美洲、以赤道為界的南北非洲和大洋洲西側(cè)。全球海洋上空緯向平均上有4個極大峰值，分別位于50°N、7°N、5°S、45°S左右緯度處，其中最大值為97.7 g m?2，對應(yīng)位于南半球中緯度海洋上；陸地上云水量分布的區(qū)域性差異更加顯著，大值區(qū)域主要集中在北美東部平原、亞馬孫平原、巴西高原、北歐、非洲中部、中國東南部以及東南亞地區(qū)等，全球在南北美交界處約4°N熱帶輻合帶的陸地上空有云水量最高值，高達(dá)168.8 g m?2，而撒哈拉沙漠中心地區(qū)上空年均云水值低于5 g m?2。陸地緯向平均波動較之海洋上空更大，有3個極大峰值，分別位于55°N、0°、54°S緯度處，赤道處云水量約為79.6 g m?2。高緯度地區(qū)，無論是北極海洋上空還是南極大陸上空，云水量都較為貧乏。海洋和陸地上空云水量占比約為4﹕3，全球云水量緯向平均分布與海洋緯向平均相當(dāng)接近，特別是在赤道峰值及以南緯度，黑、藍(lán)曲線大致趨于重合，表明在赤道附近及南半球上空，海洋上的云水量占據(jù)全球云水量的主體地位，對全球云水量的分布起著決定性的作用。

圖1 全球1960~2014年（a1）云水量多年平均分布及其（a2）緯向平均、（b1）300 hPa以下整層水汽通量（箭頭，單位：kg m?1 s?1）和水汽通量散度多年平均分布（陰影，綠色表示輻合，棕色表示輻散）及其（b2）散度場緯向平均Fig. 1 Global average distributions of (a1) cloud water content and (a2) its zonal average and (b1) water vapor flux in the whole layer below 300 hPa(arrows,units: kg m?1 s?1) and its divergence (shadow,green for convergence and brown for divergence) and (b2) zonal average of divergence during 1960?2014

水汽主要存在于300 hPa以下的大氣低層，水汽輸送和輻合程度決定了云中水凝物的分布和降水的多寡，云液水含量大值區(qū)對應(yīng)低層的輻合上升運(yùn)動，對流層中低層水汽通量散度可在一定程度上表征云水含量（衡志煒，2013；劉菊菊等，2018）。圖1b為相應(yīng)的300 hPa以下整層積分的水汽通量和水汽通量散度的多年平均分布。在中、低緯地區(qū)，水汽通量散度場的輻合、輻散區(qū)和云水量的高、低值區(qū)域有很好一致性。赤道輻合帶8°N左右無論是海洋還是陸地都為顯著的水汽輻合區(qū)以及其南北兩側(cè)的陸地上空也有水汽的輻合，水汽主要來源于10°N～30°N和0°～40°S的低緯海洋。中高緯地區(qū)在西風(fēng)帶控制下，表現(xiàn)為穩(wěn)定的水汽通量帶，水汽通量散度較小，為水汽輻合區(qū)，陸地上的巴西高原和東南亞等云水大值區(qū)，都受到來自南半球中高緯強(qiáng)水汽通量帶輻散出來的水汽影響。

各季的云水量分布在空間上和全年平均整體大致相似（如圖2所示），各個地區(qū)含量值高低存在季節(jié)差異，四季中春、秋季云水量分布相似，南北半球分布較為均勻，和全年平均分布大致一致，夏、冬季節(jié)云水量分布體現(xiàn)了顯著的季節(jié)性差異。海洋上空，夏季熱帶輻合帶和南半球海洋上空云水量有顯著的發(fā)展加寬加強(qiáng)，而冬季海洋云水量大值帶集中于北半球北大西洋和北太平洋上空，低緯和南半球的緯向云水大值帶有明顯的縮窄減弱。在海洋上空對應(yīng)的緯向平均上，夏季南半球在40°S和10°S左右出現(xiàn)雙峰值，分別云水量約為110.8 g m?2和84.2 g m?2，熱帶輻合帶處峰值位于8°N緯度處，約為107.1 g m?2；冬季熱帶輻合帶峰值含量顯著降低，約為86.7 g m?2，北半球海洋上空發(fā)展到103.2 g m?2左右。陸地上空，夏季中低緯陸地上空云水量差異顯著，大多集中于熱帶輻合帶和亞洲、南美季風(fēng)區(qū)，而原本在春季處于云水低值的區(qū)域，其上空云水量在夏季進(jìn)一步降低，例如中東及南、北非等區(qū)域，造成夏季在這些區(qū)域之間高空干濕對比加劇。從夏季到冬季，熱帶輻合帶的云水量逐漸減少，大值帶有整體有南移傾向，導(dǎo)致南半球的南美和南非大陸上空云水量有明顯增多發(fā)展。夏、冬兩季云水量在陸地上空對應(yīng)緯度處形成近反向分布，這一特征在中低緯大陸上空顯著。

圖2 全球（a1）春季、（b1）夏季、（c1）秋季、（d1）冬季云水量多年平均分布及其（a2）春季、（b2）夏季、（c2）秋季、（d2）冬季緯向平均Fig. 2 Global average distributions of seasonal cloud water content in (a1) spring,(b1) summer,(c1) autumn,and (d1) winter and (a2) spring,(b2)summer,(c2) autumn,and (d2) winter zonal average

海陸整體而言，夏季云水大值區(qū)域集中于熱帶輻合帶和南半球海洋上空，冬季則主要位于北半球海洋和南半球陸地上空，春、秋兩季屬于云水大值帶過渡發(fā)展季節(jié)。秋季云水量發(fā)展大致表現(xiàn)為海洋上空北半球增加南半球減少，陸地上空熱帶輻合帶的大值區(qū)向南擴(kuò)散，春季則與之相反。值得注意的是，南北半球海洋上空云水量大值區(qū)域的位置隨季節(jié)變化較為穩(wěn)定，屬于常年維持的相對穩(wěn)定的多云帶，陸地上空云水大值區(qū)域位置則會發(fā)生季節(jié)性偏移。

圖3給出了全球多年平均各個季節(jié)云水量在全年中占比的空間分布情況。海洋上，北半球海洋上空云水量在秋、冬季節(jié)占比較高，南半球在春、夏季占比較高。陸地上，春、秋季全球云水分布較為平均，其中全球年均最低云水量的東撒哈拉沙漠上空云水量大多集中于秋季；夏、冬季陸地上云水分布則有明顯季節(jié)性差異。受熱帶輻合帶和夏季風(fēng)影響下的中非大陸、南亞、東亞以及南美巴拉那高原地區(qū)，云水量在夏季占全年大部分比重，特別是10°N～20°N之間的撒哈拉沙漠、印度半島和中南半島地區(qū)，云水量大多集中出現(xiàn)于夏季，占比能達(dá)全年云水量的一半以上；而中低緯的南、北美洲、南非大陸、大洋洲以及阿拉伯半島到伊朗高原一帶上空的云水大多出現(xiàn)的冬季。在高緯南北極區(qū)，無論是冰、水下墊面的北冰洋上空還是冰原大陸的南極上空，云水量都是在夏季占比最高，秋季次之，冬季、春季含量低，這與下墊面的性質(zhì)有很大關(guān)系。

圖3 全球云水量（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季多年平均的全年占比分布Fig. 3 Percentage distributions of global average cloud water content in (a) spring,(b) summer,(c) autumn,and (d) winter

全球水汽輸送輻合、輻散區(qū)和云水高、低值區(qū)分布在各個季節(jié)也很好吻合（圖4）。海洋上，相比夏季，北半球北大西洋和北太平洋上空反氣旋性環(huán)流水汽輸送在冬季顯著減弱，適宜的環(huán)流場配置大量的水汽輸送，有利于冬季在該兩處海域生成云水量；而南半球上冬季的氣旋性環(huán)流水汽輸送有明顯發(fā)展且南移傾向，由角動量守恒原理可知，中高緯的西風(fēng)環(huán)流帶縮窄加強(qiáng)，從而影響到南半球中高緯緯向云水大值帶的分布。由于水汽大多來自洋面上的蒸發(fā)，在水平風(fēng)場的作用下被輸送到全球各地，陸地上云水量小于海洋上空，且來自海洋的水汽是形成陸地上空云水水凝物的主要來源，所以水汽通量季節(jié)差異導(dǎo)致的云水季節(jié)性分布不同在陸地上更為明顯。南美熱帶雨林上空是全球云水量最為豐富的區(qū)域之一，在10°N～20°S的區(qū)域之間年均云水量約77.1 g m?2，但各季含量分別約為85.5 g m?2、54.0 g m?2、74.4 g m?2、94.3 g m?2，發(fā)現(xiàn)夏季云水量有明顯的降低，在圖2b上表現(xiàn)為亞馬孫平原上空云水量顯著減少，而其東南側(cè)的巴拉那高原地區(qū)云水量顯著增加。對應(yīng)南美的水汽通量和水汽通量散度場上可以看到，該區(qū)域全年受氣旋性環(huán)流的控制，盛行東北風(fēng)，來自北印度洋的水汽與南太副高輻散的東南氣流相遇輻合抬升，易形成云水。而夏季的東北氣流偏轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，水汽并不在平原上空抬升，而與中高緯平直西風(fēng)帶于南緯30°S左右形成輻合中心，從而致使夏季云水大值區(qū)域南移。非洲大陸受到環(huán)流場影響較大，風(fēng)場的季節(jié)性南北移動致使水汽輻合帶由夏季赤道偏北位置偏移到冬季非洲南端，非洲大陸上空云水量大值帶中心緯度由夏到冬從北緯8°N到南緯15°S左右，冬季水汽通量散度的緯向平均上該緯度有顯著輻合。約10°N～40°N的東南亞地區(qū)及鄰近海域在夏季時表現(xiàn)為強(qiáng)的水汽輻合，有兩條主要的水汽通道，北印度洋的跨赤道氣流和西太平洋的偏東氣流，將來自洋面上的暖濕水汽輸送到大陸，兩支水汽在此輻合抬升（黃榮輝和陳際龍，2010；李文韜等，2018），可形成豐富的云水。南北極區(qū)云水量少很大程度上也是因?yàn)橥ㄏ驑O區(qū)的水汽通量少，沒有充分的水汽來抬升形成水凝物。

圖4 全球（a1）春季、（b1）夏季、（c1）秋季、（d1）冬季300 hPa以下整層水汽通量（箭頭，單位：kg m?1 s?1）、水汽通量散度（陰影，綠色表示輻合，棕色表示輻散）多年平均分布及其（a2）春季、（b2）夏季、（c2）秋季、（d2）冬季緯向平均Fig. 4 Global average distributions of water vapor flux in the whole layer below 300 hPa (arrows,units: kg m?1 s?1) in (a1) spring,(b1) summer,(c1)autumn,and (d1) winter and its divergence (shadow,green for convergence and brown for divergence) and (a2) spring,(b2) summer,(c2) autumn,and(d2) winter zonal average of divergence

3.2 變化趨勢特征及相關(guān)性分析

早期研究中指出對云微物理過程在高緯極區(qū)的觀測模擬不夠完善（Rossow and Schiffer,1999），所以文中在計算時間序列時選用60°S～60°N范圍內(nèi)數(shù)據(jù)（如圖5所示）。該緯度范圍內(nèi)，海陸整體、海洋上空、陸地上空的平均云水量分別約為61.8 g m?2、73.5 g m?2、55.0 g m?2。海陸整體表現(xiàn)為不顯著增加趨勢，約每十年增加0.04 g m?2。從其9年滑動平均序列上來看，云水量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，20世紀(jì)80年代之前云水量表現(xiàn)為顯著下降趨勢，約為?0.64 g m?2(10 a)?1，80年代之后表現(xiàn)為中低緯度云水量在增加，其趨勢值約為0.32 g m?2(10 a)?1，符合20世紀(jì)70年代末全球變暖背景下大氣總水量增加和大氣水循環(huán)加快的結(jié)論（Held and Soden,2006;Wentz et al.,2007）。對應(yīng)緯度范圍的海洋上空云水量的變化和海陸整體有很高的一致性，其增長趨勢為0.07 g m?2(10 a)?1。陸地上空云水量呈現(xiàn)不顯著的年代際下降趨勢，約為?0.04 g m?2(10 a)?1。對比海、陸時間序列，陸地上空云水量的年際變化更加劇烈，多為低值年和高值年交替出現(xiàn)。

圖5 60°S～60°N（a1）海陸整體、（b1）海洋、（c1）陸地上空云水量距平序列（柱狀圖）及其各自9年滑動平均（虛線）和線性趨勢（實(shí)線）；（a2）、（b2）、（c2）分別為60°S～60°N海陸整體、海洋、陸地上空各季云水量月均含量（柱狀，不同色柱表示不同季節(jié)；帶點(diǎn)線表示各月云水量變化趨勢，紅點(diǎn)表示增加，藍(lán)點(diǎn)表示降低）Fig. 5 Sequence of cloud water content anomaly over the (a1) whole,(b1) ocean,and (c1) land (histogram) of 60°S–60°N and their nine-year moving average line (dashed line) and linear trend (solid line);Monthly cloud water content of 60°N–60°S over the (a2) whole,(b2) ocean,and (c2) land of each month (histogram,different color bars indicate different seasons;line with dots represents the monthly trend,red and blue dots are for increasing and decreasing trend,respectively]

圖5a2、5b2、5c2分別為60°S～60°N范圍內(nèi)海陸整體、海洋、陸地上空55年月平均云水量柱狀圖及各月云水量變化趨勢點(diǎn)線。年內(nèi)循環(huán)體現(xiàn)出季節(jié)性差異，海洋上空云水量在春、夏、秋、冬四季依次為77.6 g m?2、81.4 g m?2、76.5 g m?2、77.2 g m?2，各季距平序列上（圖6a2?d2），春、夏季有增長趨勢，秋、冬季呈現(xiàn)不顯著下降趨勢，其中夏季全年增長趨勢約為0.28 g m?2(10 a)?1。大陸上空四季依次為60.9 g m?2、57.6 g m?2、64.1 g m?2、63.9 g m?2，大陸上大致表現(xiàn)為夏季、冬季增加，春季、秋季減少（圖6a3?d3），其中春季和冬季年代際變化劇烈，分 別 約 為?0.24 g m?2(10 a)?1和0.16 g m?2(10 a)?1。海洋上空夏季云水量遠(yuǎn)高于其他三季和陸地水平，秋季云水量最低，說明夏、秋之際中低緯海洋上空云水量迅速降低；而陸地上空與海洋上空云水量呈現(xiàn)反向季節(jié)分布，陸地上表現(xiàn)為夏季云水量最低，秋季最高，且逐月連續(xù)變化，從全年陸地最低水平的6月56.2 g m?2逐月遞增，11月大陸上空云水量增長到65.9 g m?2后又依次遞減。

盡管海洋上空云水量遠(yuǎn)多于陸地上空，但陸地上的云水量與天氣變化的關(guān)系更為直接，是直接影響陸地及區(qū)域氣候的主要因素之一。歐洲、亞洲、北美洲、非洲、大洋洲、南美洲這六大洲平均云水量分別為67.7 g m?2、53.3 g m?2、60.9 g m?2、40.7 g m?2、50.7 g m?2、74.0 g m?2。各大洲的云水量距平序列如圖7所示，非洲和亞洲大陸上空云水量分別以每十年?0.59 g m?2和?0.27 g m?2的幅度下降，南美洲具有較快增幅，為0.46 g m?2(10 a)?1，歐洲和北美洲以較平緩的年代際增幅增加，約為0.12 g m?2(10 a)?1，大洋洲在這55年云水量無明顯變化。對比六大洲整體發(fā)現(xiàn)，年均云水量含量高的大洲云水量有增長趨勢，而原本含量低的大洲卻在進(jìn)一步降低。同時，位于北半球的三大洲云水量年際波動較小，而同經(jīng)度的南半球三大洲云水量年際波動都十分劇烈，其中又尤以四面臨海的大洋洲最為顯著。各大洲9年滑動平均曲線皆呈現(xiàn)為波動狀序列，這可能與大氣中3～5年ENSO準(zhǔn)周期變化相關(guān)。前人也已有研究指出云水量的年際變化有El Ni?o和La Ni?a事件有很好的響應(yīng)，云水量正異常往往對應(yīng)海表溫度的正異常（Weng et al.,1997;Heng et al.,2014）。

圖7 陸地六大洲（a）歐洲、（b）亞洲、（c）北美洲、（d）非洲、（e）大洋洲、（f）南美洲云水量距平序列（柱狀）及其各自9年滑動平均（紅線）和各自線性趨勢（藍(lán)線）Fig. 7 Sequence of cloud water content anomaly for six continents (a) Europe,(b) Asia,(c) North America,(d) Africa,(e) Oceania,and (f) South America (bar chart) and their nine-year moving average (red line) and trend (blue line)

各大洲各季節(jié)云水量均值及變化趨勢值如表1所示。歐洲和南美洲云水量季節(jié)差異顯著，歐洲春、夏季云水量低，秋、冬季高，南美洲冬、春季云水量高，夏、秋季較低。各季變化趨勢上，非洲大陸除夏季有不顯著增加趨勢以外，其余三季都表現(xiàn)為突出的下降趨勢，其中秋季下降高達(dá)?1.6 g m?2(10 a)?1；南美洲表現(xiàn)與之恰好相反，除夏季有不顯著減少趨勢，其余三季增加趨勢顯著。

表1 陸地六大洲歐洲、亞洲、北美洲、非洲、大洋洲、南美洲各季節(jié)云水量均值、變化趨勢以及不同季節(jié)云水量標(biāo)準(zhǔn)差Table 1 The mean value and trend value of cloud water content in each season of six continents Europe,Asia,North America,Africa,Oceania,and South America and their standard deviation

上文中云水量趨勢變化在空間分布上如圖8a所示?？梢钥吹饺蛟扑孔兓诳臻g上分布不均勻，分散多個增、減大值區(qū)域。其中海洋上空增加趨勢較為顯著的區(qū)域位于南半球中高緯海洋和赤道中東、西太平洋；陸地上空主要集中在南北美洲的墨西哥高原、亞馬孫平原、巴西高原和東南亞地區(qū)等區(qū)域。在圖1b水汽通量散度場上上述對應(yīng)區(qū)域主要表現(xiàn)為輻合，在圖8b上體現(xiàn)輻合加強(qiáng)趨勢。云水量減少顯著區(qū)域集中位于北美中部、東南太平洋、中東地區(qū)、東非大陸及鄰近阿拉伯海海域，對應(yīng)圖8b上水汽通量散度在北美中部表現(xiàn)為水汽輻合減弱，東南太平洋和東非及鄰近海域有水汽輻散加強(qiáng)和輻合減弱。除此之外還能看到在整個北極海洋上空云水量呈顯著增長狀態(tài)，而南極大陸上空表現(xiàn)為顯著降低趨勢。

圖8 全球（a1）云水量變化趨勢分布及其（a2）緯向平均、（b1）300 hPa以下整層水汽通量散度變化趨勢分布（藍(lán)色表示散度值減少，紅色表示散度值增大）及其（b2）緯向平均（打點(diǎn)區(qū)域通過α=0.05水平的顯著性檢驗(yàn)）Fig. 8 Global trend distribution of (a1) cloud water content and (a2) its zonal mean and (b1) divergence of water vapor flux in the whole layer below 300 hPa (blue and red are for decreasing and increasing divergence,respectively) and (b2) its zonal mean (dotted area passes the significance test at α=0.05 level)

不同區(qū)域上空的云水量變化趨勢也體現(xiàn)出季節(jié)性差異（圖9）。海洋上，在夏季，太平洋的變化趨勢明顯小于其他季節(jié)，而南半球中高緯海洋上空增加顯著，冬季北半球海洋上空云水量增加顯著，這和各季云水量大值出現(xiàn)的區(qū)域是相一致的。季節(jié)性變化特征在大陸上體現(xiàn)得更為明顯。亞馬孫平原上空云水量在冬、春季增加趨勢顯著，在夏季主要表現(xiàn)為減少趨勢。非洲大陸及鄰近的中東地區(qū)、阿拉伯海和中印度洋部分海域上空云水量在夏季也有不同其他季節(jié)的表現(xiàn)，夏季中非大陸有增加趨勢，以南區(qū)域表現(xiàn)為降低趨勢，秋、冬季與之相反，春季主要為下降趨勢。受季風(fēng)影響顯著的東亞地區(qū)在春季表現(xiàn)為顯著降低趨勢，其余各季均為增加趨勢。

圖9 全球（a1）春季、（b1）夏季、（c1）秋季、（d1）冬季云水量變化趨勢分布（打點(diǎn)區(qū)域通過了α=0.05水平的顯著性檢驗(yàn)）及其（a2）春季、（b2）夏季、（c2）秋季、（d2）冬季緯向平均Fig. 9 Global distributions of the seasonal cloud water content in (a1) spring,(b1) summer,(c1) autumn,and (d1) winter and (a2) spring,(b2)summer,(c2) autumn,and (d2) winter zonal average (dotted area passes the significance test at α=0.05 level)

各季水汽通量散度的變化相對于全年平均而言在空間分布上更加不均勻（圖10），但與各季云水量變化趨勢顯著的區(qū)域有較好的一致性。為進(jìn)一步探討全球、海洋和陸地上空云水量與水汽通量散度的相關(guān)關(guān)系，計算了兩者年均和各季節(jié)的相關(guān)系數(shù)（表2）。結(jié)果表明全年和各季平均而言，全球、海洋和陸地上空云水量與水汽通量散度皆呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即水汽通量散度增大（輻散增強(qiáng)，輻合減弱），云水量減少；水汽通量散度減?。ㄝ椛p弱，輻合增強(qiáng)），云水量增加。全球年均云水量和水汽通量散度相關(guān)系數(shù)為?0.44，通過了α=0.1水平的顯著性檢驗(yàn)，海洋上空全年和各季都通過了α=0.1水平的顯著性檢驗(yàn)，陸地上空都通過了α=0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，表明云水量的變化和水汽通量輻合、輻散的變化具有較高的一致性。

表2 全球、海洋和陸地云水量與300 hPa以下整層水汽通量散度全年及各季節(jié)的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between cloud water content and divergence of water vapor flux in the whole layer below 3 00 hPa of global,ocean,and land

圖10 全球（a1）春季、（b1）夏季、（c1）秋季、（d1）冬季300 hPa以下整層水汽通量散度變化趨勢分布（紅色表示散度值增大，藍(lán)色表示散度值減少，打點(diǎn)區(qū)域通過了α=0.05水平的顯著性檢驗(yàn)）及其（a2）春季、（b2）夏季、（c2）秋季、（d2）冬季緯向平均Fig. 10 Global distribution of the seasonal divergence in the water vapor flux in the whole layer below 300 hPa in (a1) spring,(b1) summer,(c1)autumn,and (d1) winter and (a2) spring,(b2) summer,(c2) autumn,and (d2) winter zonal average (red and blue dots are for increasing and decreasing trend,respectively,dotted area passes the significance test at α=0.05 level)

4 總結(jié)與討論

本文分析指出全球、海洋和陸地上空云水量的分布和變化存在區(qū)域性和季節(jié)性差異，且與水汽通量及其散度的關(guān)系密切。全球云水量主要集中于南北半球的中高緯海洋、熱帶輻合帶和季風(fēng)區(qū)，在空間分布形態(tài)上與水汽通量輻合區(qū)域一致性高。平均而言，南半球云水量高于北半球，海洋云水量高于陸地。夏、冬季節(jié)性特征顯著，夏季大值區(qū)位于熱帶輻合帶和南半球海洋上空，冬季位于北半球海洋和南半球陸地上空，春、秋兩季屬于云水大值帶過渡發(fā)展季節(jié)。

1960～2014年來全球中低緯云水量呈增加趨勢，表現(xiàn)為海洋上以0.07 g m?2(10 a)?1趨勢增加，陸地上以?0.04 g m?2(10 a)?1趨勢減小。海洋上空云水量在春、夏季各月均表現(xiàn)為年代際增長趨勢，秋、冬季呈現(xiàn)不顯著下降趨勢，陸地上大致表現(xiàn)為夏、冬季增加，春、秋季減少。其中海洋夏季和陸地春季變化最為顯著，趨勢分別為0.28 g m?2(10 a)?1和?0.24 g m?2(10 a)?1。

在全球平均氣溫自20世紀(jì)70年代末顯著增溫（IPCC,2013）的背景下，空氣中的水汽以7%/°C的 速 率 增 長（Held and Soden,2006;Back et al.,2013）已被廣泛認(rèn)可，水汽的增加將為有利于云水水凝物的生成。云水水凝物相比于等量水汽輻射效應(yīng)更強(qiáng)，對全球能量平衡起著極其重要的作用（Ramanathan,1987;Cess et al.,1996）。同時，云水水凝物作為降水的唯一和直接來源（蔡淼，2013），是可以通過人工干預(yù)來開發(fā)利用的空中水資源。在今后的研究中加強(qiáng)全球云水量的觀測和研究，對模式參數(shù)化、人工影響天氣以及未來氣候預(yù)估都具有重要意義。

致謝感謝美國能源部、科學(xué)生物與環(huán)境研究所和美國國家大氣海洋局聯(lián)合提供NOAA-CIRES 20世紀(jì)再分析2c版本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)支持。