利用Ka 波段云雷達對青藏高原三類重要天氣系統(tǒng)云宏觀參數(shù)日變化特征的研究

武靜雅 2, 孫強 畢永恒 田玉芳 王一楠 呂達仁 2,

1 中國科學院大氣物理研究所, 北京 100029

2 中國科學院大學, 北京 100049

3 中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室, 北京 100029

1 引言

青藏高原是世界上最高、地形最復(fù)雜的大高原。國內(nèi)外的許多研究表明，青藏高原的動力和熱力作用對我國災(zāi)害性天氣和氣候異常、東亞大氣環(huán)流、亞洲季風甚至全球氣候都有顯著影響（葉篤正和高由禧，1979; Adler et al., 2003；吳國雄等，2018）。

有云頻率、云底高度、云頂高度和云厚等宏觀參數(shù)的日變化受到大尺度環(huán)流、當?shù)靥栞椛浜偷乇磉^程的聯(lián)合影響，又反過來影響上空感熱和潛熱的分布、輻射能傳遞、地表輻射收支等（汪宏七和趙高祥，1994；Wu and Liu, 2003）。研究云參數(shù)的日變化特征，不僅有助于理解青藏高原云的形成機制，也有助于理解青藏高原天氣氣候變化的規(guī)律（李昀英等，2003；宇如聰?shù)龋?014）。

毫米波云雷達（W/Ka 波段）是觀測云的最優(yōu)雷 達（Houze, 2014）。2006年 美 國 國 家 宇 航 局（NASA）發(fā)射的云探測衛(wèi)星CloudSat 上搭載的W 波段云廓線雷達CPR（The Cloud Profiling Radar）可以觀測青藏高原云宏觀參數(shù)（Stephens et al.,2002）。一些學者利用其產(chǎn)品對青藏高原云系垂直結(jié)構(gòu)進行了研究，如對青藏高原、高原南坡和南亞季風區(qū)云厚差異的對比（王勝杰等，2010），對東亞季風區(qū)、印度季風區(qū)、西北太平洋季風區(qū)和青藏高原四個不同區(qū)域云量、云垂直結(jié)構(gòu)及其季節(jié)變化特征的對比（汪會等，2011），以及高原地區(qū)和毗鄰陸地和海洋地區(qū)云系垂直結(jié)構(gòu)特征及其季節(jié)變化特征的對比（Yan et al., 2016）等。但是，由于Cloudsat太陽同步運行軌道的限制，CPR 只能正午及半夜前后經(jīng)過高原上空，無法獲得高原云的日平均及日變化特征。另外，W 波段云雷達相對Ka 波段云雷達單位距離衰減大，星地距離導致其衰減不可忽視。有研究表明，Cloudsat 的資料無法觀測到云頂高度在距地2.5 km 內(nèi)的低云（Chan and Comiso, 2011）。

我國第三次青藏高原大氣科學試驗中使用了一部Ka 波段云雷達，據(jù)此研究了夏季短時段的云底高度、云頂高度、云厚等云參數(shù)的日變化特征（劉黎平等，2015；常祎和郭學良，2016；張濤等，2019）。由于該試驗只在夏季短期開展，無法獲得全年各季節(jié)各類天氣系統(tǒng)云參數(shù)日變化統(tǒng)計特征。

不同天氣系統(tǒng)云的形成機制不同，云參數(shù)的日變化特征會存在差異。分別了解各類天氣系統(tǒng)的有云頻率、云底高度、云頂高度和云厚日變化特征，一方面可以提高其應(yīng)用時的地區(qū)和天氣系統(tǒng)針對性，另一方面可以為天氣系統(tǒng)機理研究、數(shù)值模擬研究提供重要觀測事實和統(tǒng)計特征。青藏高原主要的天氣系統(tǒng)包括西風槽、切變線、低渦、西南季風等，不同系統(tǒng)主要發(fā)生季節(jié)不同，西風槽系統(tǒng)主要影響時間為每年10月至次年5月，切變線、低渦和西南季風的主要影響時間為6月至9月（葉篤正等，1977；李國平等，2002；李躍清等，2011）。目前已觀測到的西南季風云系個例較少，本文中將不涉及該類天氣系統(tǒng)，待有足夠個例后再行分析研究。

中國科學院大氣物理研究所牽頭研制的國家重大科研儀器設(shè)備“多波段多大氣成分主被動綜合探測系統(tǒng)（Atmospheric Profiling Synthetic Observation System, 簡稱APSOS）”可以對地表至熱層低層進行觀測。該系統(tǒng)安裝在西藏羊八井國際宇宙線觀測站（30.21°N, 90.43°E；海拔4300 m；以下稱APSOS站）（Lü et al., 2018）。APSOS 由多部先進的主動和被動遙感儀器組成，包括激光雷達5 部，Ka波段云雷達，太赫茲波譜儀及地基觀測儀器，其中的Ka 波段雷達于2018年7月開始觀測，是首部實現(xiàn)了對青藏高原云全年不間斷觀測的毫米波云雷達。而且相較于CPR，Ka 波段云雷達的衰減更小，加之其與云層距離更近，可以獲得更加準確的云參數(shù)。蔣秋菲（2019）利用這部雷達資料研究了2017年冬季云頂高度、云底高度、云厚日變化以及冰水含量。

基于2019年APSOS 的Ka 波段云雷達的連續(xù)觀測資料，本文分析得到了2019年青藏高原西風槽、切變線和低渦系統(tǒng)三類重要天氣系統(tǒng)有云頻率、單層非降水云或者降水云非降水時段的云頂高度、云底高度和云厚的日變化時域特征。為探究各云參數(shù)日變化時域特征的主要影響因素的特征，對各參數(shù)的日變化進行了頻域分析，獲得了代表各參數(shù)日平均值的直流分量和代表主要影響因素的諧波。并進一步根據(jù)主要諧波進行擬合，給出了各參數(shù)日變化的回歸方程，提供數(shù)值模擬等的研究使用。

2 資料與方法

由于青藏高原觀測站較為稀疏，采用觀測站資料判斷天氣系統(tǒng)可能引起較大誤差。本研究中采用歐洲中期天氣預(yù)報中心高時空分辨率（時間分辨率為1 h，空間分辨率0.25°×0.25°）ERA5（the fifth generation ECMWF atmospheric reanalysis data）的500 hPa 位勢高度場和水平風場資料來判斷2019年西風槽、低渦和切變線系統(tǒng)（以下簡稱為三類系統(tǒng)）影響APSOS站的起止時間。篩選了各天氣系統(tǒng)影響時間段內(nèi)APSOS 的Ka 波段云雷達等效反射率因子數(shù)據(jù)，計算得到各天氣系統(tǒng)影響時間段內(nèi)有云的時間段、有云時云層數(shù)和各層云的云底高度、云頂高度、云厚參數(shù)。由于降水會引起Ka 波段雷達的較大衰減，進一步篩選得到未發(fā)生降水時的數(shù)據(jù)用于分析。各天氣系統(tǒng)影響APSOS站起止時間判定方法、Ka 波段云雷達簡介及云宏觀參數(shù)計算方法以及云參數(shù)日變化頻域特征分析方法依次在2.1、2.2 及2.3 中說明。

2.1 各天氣系統(tǒng)影響APSOS站時間段判斷方法

表1 列出了三類系統(tǒng)影響APSOS站開始時間和結(jié)束時間的判斷標準及2019年影響總次數(shù)和總時長。三類系統(tǒng)各自均有足夠長的觀測時間，其中最短的低渦系統(tǒng)去除降水影響總時長最短亦達到227 h，表明利用這些資料進行云參數(shù)日變化的統(tǒng)計結(jié)果具有較好的代表性。

表1 西風槽、低渦和切變線系統(tǒng)影響APSOS站起止時間的判斷標準和2019年影響次數(shù)及總時長Table 1 Criteria for judging the start and end times and duration of APSOS (Atmospheric Profiling Synthetic Observation System) station influenced by the westerly trough, vortex, and shear line in 2019

2.2 Ka 波段云雷達簡介及云宏觀參數(shù)計算方法

2.2.1 Ka 波段云雷達簡介

APSOS 的Ka 波段云雷達長期不間斷以垂直對空方式觀測其上方云層，獲得等效反射率因子、徑向速度、速度譜寬和線性退偏振比數(shù)據(jù)，其主要參數(shù)列在表2 中。

表2 APSOS 的Ka 波段云雷達參數(shù)表Table 2 Parameters of the APSOS Ka-band cloud radar

2.2.2 云宏觀參數(shù)計算方法

利用篩選得到的雷達等效反射率因子數(shù)據(jù)確定三類系統(tǒng)影響下的有云時間段、有云時各層云的云底高度、云頂高度和云厚。具體算法為：選取第一個時刻的等效反射率因子數(shù)據(jù)，從最低距離庫開始逐庫向上判斷，如果某個庫及其上面連續(xù)5 個庫均有回波信號，并且等效反射率因子值全部大于對應(yīng)高度的靈敏度則認為該庫所在高度為首層云云底高度，繼續(xù)逐庫向上判斷，如果某個庫回波信號有效，但其上面連續(xù)5 個庫都沒有有效回波信號，則判定該距離庫所在高度為首層云云頂高度。依據(jù)此方法繼續(xù)逐庫向上判斷，依次識別各層云的云底高度和云頂高度參數(shù)。對后續(xù)每一時刻的等效反射率因子數(shù)據(jù)用同樣方法進行判斷直至結(jié)束，至少有一層云存在的時刻判定為有云時刻。

2.3 云參數(shù)日變化頻域特征分析方法

通過對某一云參數(shù)日變化時域特征進行快速傅里葉變換，獲得代表日平均值的直流分量和代表主要影響因素的主要諧波。具體方法為：將諧波按振幅由大到小排列，逐一加入擬合，當擬合優(yōu)度不再明顯上升，即認為主要諧波已參與了擬合。以有云頻率p為例，對p進行快速傅里葉變換，可以得到直流分量（日均有云頻率）p0以及主要諧波p′，p的回歸方程可以表示為直流分量p0與主要諧波p′的和，即p=p0+p′。

3 三類系統(tǒng)有云頻率日變化的時域和頻域特征

3.1 時域特征

圖1 給出了西風槽、切變線和低渦系統(tǒng)有云頻率的日變化、日均有云頻率（頻域分析的直流分量）以及擬合函數(shù)曲線。每一小時有云頻率定義為該小時半小時前至半小時后時間段內(nèi)有云時刻所占百分比，利用Ka 波段云雷達計算得到的三類系統(tǒng)影響下的有云時刻統(tǒng)計得到各天氣系統(tǒng)有云頻率日變化曲線，依次如圖1a–c 中黑色線所示。西風槽有云頻率日變化曲線為單峰單谷型，谷值（38%）出現(xiàn)在08時（當?shù)氐胤綍r，下同），峰值（74%）出現(xiàn)在17時。切變線有云頻率日變化曲線也是單峰單谷型，谷值（30%）出現(xiàn)在07時，峰值（73%）出現(xiàn)在17時。低渦有云頻率日變化曲線為多峰多谷型。08～20時為有云頻率較高的時間段，21時至次日07時是有云頻率較低的時間段，兩段時間均包含多個峰值和谷值。最低谷值（50%）出現(xiàn)07時，最大峰值（88%）出現(xiàn)在15時，09時和19時均出現(xiàn)接近最高值的峰。

圖1 2019年（a）西風槽、（b）切變線、（c）低渦系統(tǒng)有云頻率日變化時域特征、直流分量及回歸方程曲線Fig. 1 Diurnal variation characteristics, main harmonics, and regression equation of the cloud frequency of (a) westerly trough, (b) shear line, and (c)vortex system in 2019

3.2 頻域特征

對三類系統(tǒng)有云頻率日變化頻域特征進行分析，直流分量和主要諧波振幅、初相位列在表3 中，有云頻率日變化回歸方程（為方便分析，本文回歸方程中頻率單位使用h?1）曲線及擬合優(yōu)度依次列在圖2 中。西風槽系統(tǒng)日平均有云頻率為56.9%，主要受日變化和半日變化周期諧波調(diào)制，擬合優(yōu)度是0.96。切變線系統(tǒng)日平均有云頻率為50.8%，主要受日變化和半日變化周期諧波調(diào)制，擬合優(yōu)度是0.99。低渦系統(tǒng)日平均有云頻率為73%，受日變化周期諧波調(diào)制作用最大，但還受到其他3 個周期諧波的調(diào)制，擬合優(yōu)度是0.69。

圖2 2019年西風槽系統(tǒng)（左）、切邊線系統(tǒng)（中）、低渦系統(tǒng)（右）單層云（a、d、g）平均云頂高度、（b、e、h）平均云底高度、（c、f、i）平均云厚及標準差的日變化Fig. 2 Diurnal variations of the (a, d, g) mean cloud top height, (b, e, h) mean cloud base height, and (c, f, i) mean cloud thickness and their standard deviation averaged in the westerly trough system (left), shear line system (middle), and vortex system (right) in 2019

表3 2019年西風槽、切變線及低渦系統(tǒng)有云頻率傅里葉分析直流分量振幅和主要諧波參數(shù)Table 3 Amplitude of the DC (direct-current) component and main frequency parameters of Fourier decomposition in cloud frequency in the westerly trough, shear line, and vortex system in 2019

通過對三類天氣系統(tǒng)有云頻率日變化的時域和頻域分析可以看出，西風槽和切變線日變化特征相似，均為單峰單谷型，谷值出現(xiàn)在日出前，峰值出現(xiàn)在17時。主要諧波周期均為日變化和半日變化周期，利用日變化周期和半日變化周期的諧波擬合，就已經(jīng)達到很高的擬合優(yōu)度。而低渦系統(tǒng)日變化特征為多峰多谷型，包含4 個主要諧波，其中調(diào)制作用最大的是日變化周期的諧波，即使采用四個諧波擬合，其擬合優(yōu)度亦僅為0.69。低渦系統(tǒng)的日均有云頻率遠高于前兩類天氣系統(tǒng)，受諧波調(diào)制作用最小，切變線系統(tǒng)有云頻率受諧波調(diào)制最大，西風槽系統(tǒng)次之。

4 三類系統(tǒng)單層云云頂高度、云底高度和云厚日變化的時域和頻域特征

4.1 時域特征

研究過程中發(fā)現(xiàn)，三類系統(tǒng)基本以單層云為主，了解各系統(tǒng)單層云云底高度、云頂高度和云厚日變化特征十分必要。圖2 給出了西風槽、切變線和低渦系統(tǒng)單層云平均云頂高度（本文高度均為距地面高度）、平均云底高度、平均云厚及各參數(shù)離散度的日變化曲線。西風槽系統(tǒng)單層云云頂高度、云底高度和云厚日變化曲線是單峰單谷型，谷值基本出現(xiàn)在日出前，峰值出現(xiàn)在日落前，各參數(shù)離散度日變化不明顯，均有相對較小的幾小時。切變線系統(tǒng)的單層云云頂高度、云底高度和云厚日變化曲線也是單峰單谷型，谷值基本出現(xiàn)在日出前，峰值出現(xiàn)在日落前，各參數(shù)離散度日變化不明顯，均有相對較小的幾小時。切變線系統(tǒng)的谷值及其出現(xiàn)時間、峰值及其出現(xiàn)時間、離散度值及其較小的時間段與西風槽系統(tǒng)的不同。低渦系統(tǒng)單層云的云頂高度、云底高度、云厚日變化曲線與前兩類系統(tǒng)完全不同，02～12時云頂高度、云底高度相對較低，其余時間段內(nèi)相對較高，但兩段時間內(nèi)均具有多個峰谷值。04～11時是云頂高度、云底高度離散度相對較小的時間段，其余時間離散度相對較高，但是兩段時間內(nèi)均存在多個峰谷值。云厚和云厚離散度呈多峰多谷型，不存在相對較高的時間段。云頂高度、云底高度和云厚的最大峰值均出現(xiàn)在14時。

4.2 頻域特征

三類系統(tǒng)單層云云頂高度、云底高度、云厚日變化頻域特征分析的直流分量和主要諧波參數(shù)列在表4 中，回歸方程曲線及擬合優(yōu)度如圖3 所示。西風槽系統(tǒng)日均云頂高度是3.841 km，主要諧波周期包括日變化、半日變化、6 和8 小時周期，擬合優(yōu)度是0.87。日均云底高度是2.234 km，主要諧波周期包含日變化和半日變化周期，擬合優(yōu)度是0.82。日均云厚是1.554 km，主要諧波周期包含日變化、6 h 和8 h 周期，擬合優(yōu)度是0.55。切變線系統(tǒng)日均云頂高度是4.074 km，主要諧波周期包括日變化、8 h、6 h 和半日變化周期，擬合優(yōu)度是0.91。日均云底高度是2.670 km，主要諧波周期包括日變化、8 h、6 h 周 期，擬 合 優(yōu) 度 是0.77。日 均 云 厚 是1.348 km，主要諧波周期包括日變化、半日變化、4 h、6 h、2.18 h 和8 h 周期，擬合優(yōu)度是0.67。低渦系統(tǒng)日均云頂高度是4.080 km，主要諧波周期包括日變化、8 h、半日變化、2 h、4.8 h、3 h、1.6 h周期，擬合優(yōu)度是0.4。日均云底高度是2.523 km，主要諧波周期包括日變化、半日變化、8 h 周期，擬合優(yōu)度是0.34。日均云厚是1.565 km，主要諧波周期包括4.8 h、6 h、半日、1.14 h、日變化、1.7 h、2 h、1.4 h、8 h 周期，擬合優(yōu)度是0.28。

圖3 2019年（a）西風槽、（b）切變線、（c）低渦系統(tǒng)單層云云頂高度、云底高度、云厚日變化及回歸方程曲線Fig. 3 Diurnal variations and regression equation curves in the cloud top height, cloud base height, and cloud thickness of (a) westerly trough, (b)shear line, and (c) vortex system in 2019

表4 2019年西風槽、切變線及低渦系統(tǒng)單層云云頂高度、云底高度、云厚日變化傅里葉分析直流分量振幅和主要諧波參數(shù)Table 4 Amplitude of the DC components, main frequency parameters of the Fourier decomposition of diurnal variations of cloud top, cloud base, and thickness of single-layer cloud of the westerly trough, shear line, and vortex system in 2019

日均云頂高度由高到低為低渦系統(tǒng)、切變線系統(tǒng)、西風槽系統(tǒng)；日平均云底高度由高到低依次為切變線系統(tǒng)、低渦系統(tǒng)、西風槽系統(tǒng)；日平均云厚由厚到薄依次為低渦系統(tǒng)、西風槽系統(tǒng)、切變線系統(tǒng)。由各系統(tǒng)云參數(shù)主要諧波數(shù)目可見，西風槽系統(tǒng)頻譜分布最集中，低渦系統(tǒng)頻譜分布最分散，切變線系統(tǒng)居中。各系統(tǒng)中云底高度頻譜分布最集中，云厚頻譜分布最分散。除低渦系統(tǒng)云厚振幅最大的諧波是4.8 h 周期諧波，其他云參數(shù)日變化振幅最大諧波均為日變化周期諧波。

5 結(jié)論

長期以來，由于缺乏持續(xù)定量的觀測，對高原云宏觀參數(shù)日變化的了解十分不足。APSOS 的Ka波段雷達是首部實現(xiàn)了對青藏高原云全年不間斷觀測的毫米波云雷達，本文利用該資料首次揭示了青藏高原三類重要的天氣系統(tǒng)（西風槽、切變線和低渦系統(tǒng)）的云宏觀參數(shù)日變化的時域和頻域特征，并給出了統(tǒng)計回歸方程?？蔀橄嚓P(guān)研究和應(yīng)用人員了解青藏高原云宏觀參數(shù)日變化，改進模式模擬中的不確定性提供參考依據(jù)，為云參數(shù)研究分析提供了一種新方法，主要結(jié)論有：

（1）西風槽系統(tǒng)有云頻率、單層云云頂高度、云底高度和云厚時域日變化趨勢呈單峰單谷型，谷值出現(xiàn)在日出前，峰值出現(xiàn)在日落前。有云頻率、單層云云底高度日變化頻譜中主要諧波周期為日變化和半日變化周期，單層云云頂高度頻譜主要諧波周期是日變化、半日變化、6 h 和8 h 周期，單層云云底高度頻譜主要諧波周期是日變化和半日變化周期，單層云云厚主要諧波周期是日變化、6 h 和8 h 周期。

（2）切變線系統(tǒng)有云頻率、單層云云頂高度、云底高度和云厚日變化時域特征、頻域特征與西風槽類似。時域日變化趨勢也呈單峰單谷型，谷值出現(xiàn)在日出前，峰值出現(xiàn)在日落前，但峰谷值出現(xiàn)具體時間與西風槽系統(tǒng)不同。有云頻率日變化頻譜主要諧波周期是日變化和半日變化周期，單層云云頂高度頻譜主要諧波周期是日變化、8 h、6 h 和半日變化周期、云底高度頻譜主要諧波周期是日變化、8 h 和6 h 周期，云厚頻譜主要諧波周期是日變化、半日變化、4 h、6 h、2.2 h 和8 h 周期。

（3）低渦系統(tǒng)的有云頻率、單層云云頂高度、云底高度日變化的時域、頻域特征與前兩類系統(tǒng)完全不同，時域表現(xiàn)為多峰多谷型，雖然有云頻率白天較夜間高，云頂高度、云底高度12～02時較02～12時高，但兩段時間內(nèi)包含多個峰值和谷值，并不單調(diào)。云厚日變化時域也是多峰多谷型，但不存在相對較高時間段。有云頻率、單層云云頂高度、云底高度頻譜中最大振幅的諧波周期也是日變化周期，但是頻譜分布十分分散，云厚頻譜諧波中振幅最大的諧波周期是4.8 h。

（4）根據(jù)主要諧波得到了三類系統(tǒng)有云頻率、單層云云頂高度、云底高度和云厚日變化統(tǒng)計回歸方程和擬合優(yōu)度（方程中頻率單位均使用h?1，y代表有云頻率、T代表云頂高度，B代表云底高度，H代表云厚，t代表時間），總結(jié)在表5 中，以便相關(guān)研究使用。

6 討論

本文的工作首次給出了由云雷達全年無間斷定量觀測的三類天氣系統(tǒng)的云特征統(tǒng)計結(jié)果，初步統(tǒng)計揭示了云系移動變化過程中與太陽輻射、地表相互作用過程的相互關(guān)系，特別是日變化及其諧波過程的關(guān)系，有關(guān)的物理過程分析將是下一步的工作。

致謝本工作所用APSOS 云雷達資料由APSOS 全大氣層觀測站提供，部分作者是該系統(tǒng)的科技人員。在此感謝APSOS 的宣越健正研級高級工程師對觀測站的全方位貢獻。博士研究生孫曉光、陳澤，碩士研究生劉博、趙薇、陳文琳等人也參與了觀測工作。感謝南京恩瑞特實業(yè)有限公司的劉一峰高工，李小永工程師，高磊工程師等對Ka 波段云雷達的技術(shù)支持。