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云的垂直结构特征同云辐射特性、降水的物理过程、降水机制和降水效率以及人工增雨的条件等方面都有着十分密切的关系。云与辐射的相互作用对于全球的天气和气候变化过程有着重要的影响,不同高度的云有着不同的辐射强迫,获得云在垂直方向上的分布特征对改进全球气候模式非常重要。不同结构的降水云系是人工增雨作业的主要对象,充分认识不同地区降水云垂直结构的宏微观特征,对于提高人工降水基础科学认识,科学选择作业条件,分析作业效果等十分重要。加强对不同地区,不同性质云结构的认识对提高气候预测精度、降水精细化预报能力以及人工催化播云的科学水平等都具有十分重要的意义。
Cloudsat是世界上首颗专门用于研究云的卫星,本文利用Cloudsat获得的2008年3月到2009年2月间的云产品资料,针对我国华北和江淮典型区域,结合地面常规观测等其他资料,就不同地区云的垂直结构统计特征、降水云识别方法及降水云的垂直结构特征等,进行了研究,主要结果有:
1.华北和江淮地区云统计特征。两地区平均云频率随高度的分布存在着明显的季节变化,春夏季的云量多于秋冬季,华北和江淮春夏季云量分布主要在20％-60％之间,秋冬季主要在10％-30％之间。两地区的高云云量最多,中云云量次之,低云云量最少。单层云频率大于多层云频率,多层云中以双层云出现的概率最高,两地区的双层云出现频率存在季节变化,即春夏季的概率大于秋冬季。两地区平均云项、云底高度存在季节变化,夏半年的平均云项、云底高度均高于冬半年,双层云的上层也有此特点,下层季节变化不明显。
2.Cloudsat识别降水云的方法研究。首先分析了94GHz云雷达探测云粒子和降水粒子的能力,其次对识别降水云的方法进行了合理性分析,并对比分析了几种不同阈值识别降水的差别,最后将Cloudsat识别的降水与地面降水做对比,并进行大量的个例分析,验证了Cloudsat识别降水云方法的合理性,给出了使用阈值法判断Cloudsalt廓线是否存在降水的方法。
3.华北和江淮地区降水云统计特征。对华北和江淮地区总降水频数分布、降水云中云层数比例、降水云和非降水云云底高度、云厚及双层云夹层厚度和平均云项、云底进行了统计分析。结果表明,降水主要是由单层云引起的,华北和江淮地区由单层云引发的降水比例分别为78.1％和69.7％,多层云为21.9％和30.3％,而双层云降水以4月份最多,且江淮多于华北地区,江淮地区双层云降水频率可达50％。通过对降水云和非降水云宏观结构的对比,可以得到两地区降水云的云底以小于2km为主,云厚多为2-4km,其中单层云云厚大于6km的比例非常高,夹层厚度在1-3km之间；非降水云云底以大于2km为主,云厚通常小于2km,夹层集中在4km以上。从南北方典型作业区来看,华北和江淮地区降水云云底高、云厚的区别并不明显,然而对多层云降水条件非常重要的夹层厚度略有差异,江淮地区以1-2km为主,频率为32.2％,华北地区以2-3km为主,频率为26.4％。
通过本文的研究,对华北和江淮地区云的垂直结构有了初步的了解,提出了Cloudsat识别降水云的方法,并进行了合理性分析和初步的验证,利用该方法针对两地区降水云和非降水云垂直结构进行了进一步的统计分析,为研究云与辐射的相互作用以及人工影响天气作业条件的准确选择、播云催化方案的科学设计提供依据。