利用CloudSat/CALIPSO衛星資料分析北半球污染排放區云型頻率分布特征

牛璽 馬曉燕 賈海靈

(1 南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心/中國氣象局 氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京 210044；2 昆明市晉寧區氣象局，昆明 650000)

引 言

云是影響氣候變化的重要因子，在天氣分析、氣候變化以及全球變化中起著十分重要的作用[1]。大氣中云量的增加(減少)會引起地面太陽輻射的減少(增加)[2]，氣溶膠又可以通過成為云凝結核來影響云微物理特性[3]。云與氣溶膠相互作用是氣候系統最不確定的因素之一，也是當前氣候研究和預測中的難點問題[4]。

大氣中云滴大小的不同，常常影響云的生成發展，在偏遠的熱帶海洋中，云滴尺度較大，而在高度污染的大陸區域中的云滴尺度相對較小[5]。以液相單層云為研究對象，在液水路徑準恒定的條件下，陸地和海洋具有相反的氣溶膠—云相關性，即，陸地上的云有效半徑與氣溶膠指數呈正相關，而海洋則為負相關[6-7]?？梢钥闯鲈婆c氣溶膠之間關系緊密，而不同類型的云對大氣的影響效益有所不同，深入研究各類云與氣溶膠之間的復雜關系，對云與氣溶膠之間相互影響機制的探討有重要意義。

鑒于以往的衛星被動遙感和地面觀測提供的云垂直分布的信息非常有限，對云的高精度探測存在比較大的局限性，目前與云相關的諸多研究依舊存在著很大的不確定性[8]。太陽同步軌道氣象衛星Cloudsat[9]所搭載94 GHz毫米波云觀測雷達的垂直分辨率較高，對云整體的垂直結構的觀測更加清晰，提供了豐富的觀測資料[10]。目前利用該衛星資料對云的研究內容非常廣泛，從多角度去剖析大氣中云的特征和變化。云的垂直結構以及垂直分布對大氣輻射的影響至關重要，可通過改變大氣的輻射分布影響大氣循環[11]。同時，全球氣候變化會引起云的調整，會影響云水含量和云滴有效半徑等云微物理特性的變化[12]。不同云型的結構特征以及物理特性存在顯著差異，因而對氣候變化的影響不同，例如，低云冷卻，作為高云的卷云會導致增暖等[13]。因此更為細化，更加全面地去研究不同云類型的基本特性更重要，是研究云與氣溶膠之間相互影響機制的基礎。

目前的一些研究可以看到，LI，et al[14]研究不同云型的重疊現象以及云重疊系統的物理特征，發現高云，高層云，高積云和積云傾向于與其他云類型共存，能深入探討共存云型與大氣條件之間的關系；邱玉珺等[15]研究了中國北方兩個區域云的差異，發現北方東部暖云多出現在春季，而北方西部的暖云多出現在秋季；HUO，et al[16]和霍娟[17]分析了中國內陸和同緯度遠離陸地的太平洋地區卷云特征，發現卷云發生頻率出現多在夏季且海洋多于陸地；方樂鋅等[18]分析研究了全球不同類型云的垂直結構的水平和垂直分布特征，發現海洋上云底高度較陸地低；楊冰韻等[19]、盧志賢等[20]，況祥等[21]研究了中國地區深對流云系的微物理特性，認識深對流云系的發展過程。結合這些研究內容思考，從云本身出發探討云與氣溶膠之間的關系，可以先從不同云型的角度展開研究，因此本文先對不同云類型的發生頻率的分布及四季變化進行初步研究。在云類型統計方面，Sassen，et al[22-24]采用算法對探測的回波處理進而對探測到的云型進行分類并初步分析各類云云量的全球分布，之后研究了卷云的物理特性和發生頻率的全球分布，并說明最大的卷云出現頻率集中在熱帶輻合帶和季風活躍區域，還研究了熱帶地區的卷云和深對流云的分布與季節變化，探究熱帶地區卷云發展和深對流云發展之間的關系；王帥輝等[25]統計分析中國及周邊地區各類云云量的地理分布特征，發現卷云和深對流云系和旺盛對流活動有關；鄭建宇等[26-27]統計了全球各類云的分布和季節變化，分析了形成各類云的大氣條件，指出大范圍上升運動所形成的層狀云主要包括卷云、高層云和雨層云等，而強對流系統常常和高云，積云以及對流云系有關。

云和氣溶膠之間的相互影響機制仍存在許多不清楚的地方，在一些地區氣溶膠光學厚度與云滴尺度之間存在相反的關系[6-7]。探討云與氣溶膠之間的復雜關系，對云本身的研究至關重要，目前的研究工作大多是分析全球范圍內不同云型的分布特征，這對全球氣候變化機制的研究能提供更多的幫助。相較于前人的研究，本文選取北半球人為氣溶膠排放嚴重的工業地區及其臨近海洋(大氣狀況較為清潔)的區域作為對比，利用更精細化的處理方式研究不同云型的時空特征以及海陸差異，以通過對比分析不同云型的分布特征和云型出現頻率的變化特征等，揭示在不同背景下(即氣溶膠污染和相對潔凈的條件下)，云型的分布和出現頻率的變化，為氣溶膠—云相互作用研究提供數據支撐。對北半球主要污染排放區主要云型分布特征的分析，不僅可以深入研究局地氣溶膠—云相互影響機制，還能提升區域氣候模式中云的參數化精度，提高模擬和評估云的氣候反饋作用的精確度。

1 數據資料和研究內容

1.1 數據資料簡介

云探測衛星Cloudsat是A-Train衛星觀測隊列的成員之一[9]，該衛星搭載的CPR(Cloud Profile Radar)，該雷達為94 GHz 的毫米波雷達。衛星每個軌道有36 383個星下像素點，星下點的沿軌分辨率為2.5 km，橫軌分辨率為1.4 km，垂直分辨率為500 m，垂直探測的高度大約30 km，每隔240 m獲得一個掃描數據，因此垂直方向獲得125個不同高度的數據[9-10]，對云的垂直廓線探測更加精細。

本文使用的數據為Cloudsat衛星的二級產品2B-CLDCLASS-LIDAR。該數據產品以軌道為單位存儲，包含總云層數CloudLayer和云層類型CloudLayerType等云分類的數據。CloudLayer為一維數組，包含N個元素，N是每條軌道所包含的總廓線數，數值為0～10，代表每條廓線中掃描到的云層總數。CloudLayerType為N×10的二維數組，代表每條探測廓線中所探測到的云層類別，數值為0～8：0代表無法確定、1為卷云、2為高層云、3為高積云、4為層云、5為層積云、6為積云、7為雨層云、8為深對流云。該數據是利用激光雷達和CPR探測數據得到更完整的云垂直結構，其中CPR對混合相云中的冰粒更敏感，而激光雷達測量對混合相云中的液滴更敏感，因此結合CPR和CALIPSO激光雷達測量可提供更可靠的對云的探測。目前已有很多學者利用Cloudsat的產品和其他衛星傳感器探測的云頂溫度以及云類等產品進行了對比和驗證，說明了該觀測數據的科學性和優勢[28]。

1.2 研究內容及方法

自工業革命以來，人為氣溶膠排放大量增加。為了研究該類地區中不同云型的主要分布特征，本文選取北半球的三大氣溶膠排放地區即中國東部(EC)、美國東部(EU)和歐洲西部(WE)，同時選取其相鄰海洋(ECO、EUO、WEO)作對比研究，其中(圖1)中國東部及其鄰近海洋劃為EC-ECO區域(17°～41°N、104°～140°E)，美國東部及其鄰近海洋劃為EU-EUO區域(25°～46°N、91°～55°W)，歐洲西部及其鄰近海洋劃為WE-WEO區域(35°～60°N、29°W～27°E)。

圖1 北半球主要氣溶膠排放區及鄰近海洋地理位置分布

本文選取的研究資料為Cloudsat衛星二級產品2B-CLDCLASS-LIDAR(具體算法及物理意義參見http:∥www.cloudsat.cira.colostate.edu.html)，該資料中把探測到的云劃分為卷云(Ci)、高層云(As)、高積云(Ac)、層云(St)、層積云(Sc)、積云(Cu)、雨層云(Ns)和深對流云(DC)這8 類，考慮到多層云對氣候變化影響的復雜性，本文研究對象僅為單層云。選取2007年3月至2010年2月和2013年3月至2016年2月總8 a的樣本數據分析其中2010年3月至2013年2月期間的數據存在較長時間段的缺失，因此未納入統計分析。

對各類云發生頻率的空間分布采用1°×1°格點化方式處理，對格點內云類分布的統計方法如下：

(1)

其中：T為每個季度經過每個格點觀測數據的總廓線數；x、y分別代表格點的經緯度；N(cloud)代表在該格點內出現某一類單層云的總廓線數；N(total)代表在該格點內出現所有單層云的總廓線數。

同時，將一個區域內某一類單層云的總廓線數占所有單層云的總廓線的比值代表該區域內某一類單層云的發生頻率，分析不同單層云發生頻率的海陸差異以及月變化。

2 不同單層云發生頻率的四季分布

2.1 高云

圖2所示為卷云(Ci)出現頻率分布的四季變化。卷云作為對流層中最高的云，因形成原因不同而有不同的類型，也與不同的天氣狀況相聯系，通常在夏季十分常見，預示著天氣晴朗，這與圖1中所示卷云夏季在出現得最多的現象相符。

EC-ECO區域春季的卷云出現頻率普遍在30%左右，主要出現在中國東部海洋以及北部陸地區域，高值區在陸地；夏季的卷云出現頻率最高，且高值區集中在整個東南部海洋區域，大部分地區出現頻率都在50%以上，近海地區出現頻率高達70%～90%之間；秋季卷云出現減少，大都出現在20°N附近的海洋區域，出現頻率在40%左右；冬季的卷云出現頻率最低，相對集中在中國東北部，在20°N的海洋上有少量的卷云出現。EU-EUO區域卷云的分布規律與EC-ECO區域類似。春季卷云普遍出現，出現頻率在30%左右，少部分大于40%的高值區出現在美國東南部沿海；夏季的卷云高爆發出現，其出現頻率在40%以上的高值區大多都出現在美國東南部海洋區域，海洋上出現的卷云多于陸地上；秋季卷云的出現減少，較之春季還要少一些，相對在海洋上出現更多；冬季卷云的出現最少，集中出現在美國的南部沿海以及東部海洋區域。WE-WEO區域相比于前兩個區域不同的地方是在海洋上出現的卷云不多。全年歐洲西部的大西洋區域出現的卷云很少，只是在地中海區域出現的卷云較多且都存在高值區，出現頻率都在40%以上，卷云在陸地上的出現頻率為30%左右。夏季卷云出現最多，在地中海區域的高值區范圍最大；其次為秋春兩季；冬季出現的卷云最少。

整體上卷云的出現頻率呈現出明顯的季節變化，多出現在中低緯的海洋區域，其中夏季為卷云高爆發的季節，其次為春秋兩季，冬季最低。卷云在EC-ECO和EU-EUO的海洋區域出現頻率最高可達90%以上，相較之下WE-WEO區域的卷云出現較少。前兩區域卷云的季節變化和分布特征比較相似，而WE-WEO區域卷云分布則有所不同，沒有在海洋上大量出現，這和不同緯度的大氣熱力條件差異有關。Sassen, et al[24]的研究發現卷云的分布主要集中于赤道輻合帶，可以看出越靠近赤道輻合帶近的低緯度區域，對流系統越旺盛，利于卷云的發展，這也和圖2中卷云的分布規律相符。除此之外，還能發現卷云在海陸交界處附近常常以較高的頻率出現，不論是中國東部沿海還是美國東部沿海區域，甚至在歐洲西部的地中海區域也存在這樣的規律，尤其是春夏兩季。這可能是因為夏季海陸的熱力差異加強了大氣對流條件，從而使得卷云的發生更加旺盛。

圖2 單層云中卷云出現頻率分布的四季變化

2.2 中云

圖3所示為高層云(As)出現頻率分布的四季變化，高層云主要是由鋒面氣旋這樣的大范圍上升運動活動形成廣大的層狀云[26]，多在中、高緯度地區出現。

圖3 單層云中高層云出現頻率分布的四季變化

EC-ECO區域，高層云的出現都集中在30°～40°N之間的區域，多出現于陸地上，相比之下30°N以南的區域高層云的出現很少。高層云的基本出現頻率在24%左右，而高頻率出現區域在春秋季節可以達到48%左右，夏季可以達到40%左右，而冬季高層云爆發多達56%左右。EU-EUO區域高層云多出現在陸地區域，整體出現頻率在8%～32%。在季節變化方面，高層云出現在冬季最多，出現頻率基本都在24%左右，其次為春季，夏秋兩季出現的高層云更少。WE-WEO區域高層云的出現特別廣泛，在整個區域都有出現。相對而言，春季高層云出現的高值區多在北海，波羅的海和地中海地區，出現頻率大都在16%～24%，其余地區的出現頻率都小于16%；夏秋兩季高層云出現較少，出現頻率基本在16%左右；冬季高層云的出現增多，高值區多出現于歐洲陸地區域及沿海地區，出現頻率達到24%以上。

3個區域的高層云大多都出現在陸地區域且高層云出現的高值區都在春冬兩季，其中高層云出現頻率在EC-ECO區域最大，EU-EUO區域次之，WE-WEO區域高層云的出現頻率和EU-EUO差不多，但區別于前兩個區域的是高層云在該區域出現的范圍廣，在近海區域出現相對較多。鄭建宇等[26]指出北半球東亞地區盛行東北季風和西北季風，使得中國北部大部分地區受到影響，頻繁的鋒面氣旋活動所造成的大范圍的上升運動利于高層云的形成。因此高層云在EC-ECO北方地區全年出現得都比較多且在春冬季節爆發性出現，這和EC-ECO北方區域頻繁的鋒面氣旋活動相關。而EU-EUO和WE-WEO區域的高層云在春冬季多出現，說明這兩個區域在春冬季節對流層氣流抬升作用較為頻繁，使得大氣中的暖濕氣流絕熱冷卻從而促使高層云的發展。

圖4是高積云(Ac)出現頻率分布的四季變化。EC-ECO區域中高積云出現頻率的高值區在南方陸地區域。春夏兩季高積云在陸地上的出現頻率都在30%左右，海洋區域的出現頻率為18%左右，其中春季高積云出現多在內陸，夏季多偏向于沿海一帶；秋季高積云出現的高值區在南方陸地區域，出現頻率相對升高，基本在30%以上，最高出現頻率有50%以上；冬季高積云高值區的出現位置以及出現頻率和秋季差不多，但海洋區域出現的高積云增多，出現頻率在18%左右。EU-EUO區域高積云出現主要在陸地區域，總體出現相對較少，海洋上的高積云更少，零散分布在整個區域。春秋冬三季，高積云的主要出現在陸地區域，出現頻率大都在12%～18%；夏季為高積云相對出現得多的區域，出現頻率在18%左右，海洋的高積云較其他三季相對增多，但相比于陸地還是很少。WE-WEO區域高積云的出現分布和EU-EUO區域類似，主要出現在夏季且多在陸地區域。春季高積云主要出現在12°～24°E的陸地區域，出現頻率在18%左右；夏季高積云有一個突然的高爆發出現，分布在整個歐洲陸地區域，高值區在12°～24°E，出現頻率在30%以上，其余區域基本在12%以上；秋季高積云的出現銳減，大部分以18%左右的頻率出現在地中海區域；冬季高積云的出現相較前三季節，出現大大減少，出現的都是零星點點。

圖4 層云中高積云出現頻率分布的四季變化

高積云的分布特征很明顯，主要出現在陸地區域。王帥輝等[25]研究指出冬季高積云集中出現在中國南方地區，這和EC-ECO區域的高積云多出現在秋冬兩季的陸地區域的分布規律一樣。高積云多在陸地上出現，這和陸地的長波波動有關，其導致的波狀運動有利于高積云的形成[26]?？傮w上可以看出高積云在夏季與冬季有明顯的差異。EC-ECO區域的高積云主要出現在秋冬季節，相較而言EU-EUO和WE-WEO區域的高積云多出現在夏季。高積云常常與高層云和層積云等互相演變，因此高積云在夏冬兩季的差異還需更深入的研究。

2.3 低云

圖5所示為層云(St)出現頻率分布的四季變化。層云大多由暖濕空氣沿冷空氣斜坡緩慢滑升，絕熱冷卻后形成。由于CPR區分層云和層積云存在一定的困難，所以實際統計探測到的層云數據很少[22]。

圖5 單層云中層云出現頻率分布的四季變化

從圖中可看出，EC-ECO和EU-EUO兩區域全年的層云都出現得很少，每個季節都是零散地分布，后者出現的層云相對多于前者，少量的數據不足以分析層云的分布特性。WE-WEO區域層出的出現相對多一些，少部分地區最高出現頻率在12%～18%，全年保持在4%～10%。層云的分布較廣泛，大多在海洋區域。春夏兩季的層云分布相似，幾乎都出現在大西洋區域，且較高出現頻率區域都集中在35°～50°N；秋冬兩季層云分布相似，出現減少，分布在大西洋，北海以及波羅的海，出現頻率大都在4%～10%。

圖6所示為層積云(Sc)出現頻率分布的四季變化。層積云作為波狀云的一種，常受空氣擾動所形成的波動氣層的影響，而海洋上充足的水汽釋放常在低空造成大范圍擾動，這和圖5中層積云多出現在海洋區域一致。

圖6 單層云中層積云出現頻率分布的四季變化

EC-ECO和EU-EUO兩區域層積云的分布規律相似。夏季出現層積云最少，出現頻率僅為10%～30%；春秋兩季的層積云出現較多，相對來說EU-EUO區域層積云出現的頻率更高且范圍更廣，出現頻率基本在20%以上，少部分高值區達到40%～70%；冬季的層積云出現最多，在海洋上爆發性出現，出現頻率普遍在40%～70%，陸地上也有高值區，其值在60%～80%。WE-WEO區域層積云充滿整個區域，全年在歐洲西部大西洋有大范圍的高值區，與其他兩個區域相同的地方是冬季層積云出現范圍最廣，不同的地方是WE-WEO夏季層積云的出現依舊很多，這是由于大西洋上充足的水汽潛熱釋放在低空造成擾動有利于層積云的形成。全年層積云在海洋上基本都是40%～60%的出現頻率，陸地大都在20%～40%，其中夏季出現頻率大于60%的高值區出現在大西洋，在海洋上爆發性出現，冬季出現頻率大于40%的高值區最廣泛。

層積云在3個區域的分布都相對廣泛，且大都出現在海洋上，層積云在冬季呈現高出現頻率大范圍地出現，出現頻率都在40%以上。EC-ECO區域和EU-EUO區域層積云多出現在海洋上，在冬季爆發出現，春秋兩季次之，夏季出現最少；WE-WEO區域中的大西洋區域為層積云頻繁出現的區域，該區域全年層積云的出現都保持在較高的出現頻率，夏季的出現相對更多。

層云和層積云的分布規律比較相似，主要集中在海洋區域且出現頻率大都高于陸地區域，這說明海洋上的動力與熱力容易形成大規模的層狀云，即使出現頻次特別少的層云在WE-WEO區域中海洋上也具有這樣明顯的分布特征。鄭建宇等[26]研究指出層云和層積云在海洋上的云量遠遠大于陸地上，再次說明海洋上的大氣狀況利于層狀云的發展。層積云在WE-WEO區域出現遠遠比EC-ECO和EU-EUO兩區域多，這是因為高緯度的大西洋地區的海洋熱力條件較太平洋地區弱，大氣動力條件相對穩定。大氣中的波狀運動所造成的擾動使得暖濕氣流中的水汽凝結，從而更容易形成層積云，加之局地輻射冷卻的影響，總體上看來在WE-WEO區域的層積云的發生頻率高于其他兩個區域。

圖7是積云(Cu)出現頻率分布的四季變化。積云的發展常與不穩定大氣中的對流上升運動相聯系，通常在比較潮濕的地區(如海洋上空和沿海地區)出現，但偶爾也會在干燥地區出現，這與圖6中積云的出現頻率的分布相符合。

圖7 單層云中積云出現頻率分布的四季變化

EC-ECO區域中積云主要出現在海洋。春冬兩季積云多出現在17°～25°N的海洋，陸地上幾乎沒有積云出現，少部分高值區高達36%～48%；夏季積云分布較不連續，但出現的范圍增大，出現頻率在12%～36%；秋季積云出現最多，多出現在120°～140°E的海洋區域，出現頻率高達24%～48%。EU-EUO區域，積云也是主要出現在海洋上且較EC-ECO區域出現得更多，季節變化規律有一定相似的地方。春秋冬三季積云集中出現在25°～36°N的海洋區域，出現頻率達12%～42%，其中秋季出現最多，春冬兩季次之；夏季積云在海洋上大范圍出現，出現頻率在24%以上，陸地積云出現為全年最多。WE-WEO區域積云出現的范圍廣，相比之下仍然是出現在海洋上更多，少數的高值區多出現在地中海。春秋冬三季的積云分布規律相似，陸地上出現少，海洋上的高值區多在35°～40°N海洋上，出現頻率基本在6%～24%；夏季積云在地中海區域的高值區出現頻率高達30%～42%。

積云的出現頻次也比較高，多出現在EC-ECO和EU-EUO兩區域，且多出現在夏秋兩季。WE-WEO區域的積云出現頻率低但分布廣泛，全年分布的變化不大。積云的發生發展和卷云一樣需要強烈的熱對流，在大氣對流上升的過程中，常常伴隨積云的生成，因此高緯度地區熱量低，難以觸發熱對流運動，積云出現比較少，而低緯度地區海洋區域熱量大，對流條件充沛，大氣的對流運動更容易觸發積云。而且積云在EC-ECO和EU-EUO兩區域常年出現頻率較高，更加說明低緯度地區的熱對流常常觸發積云的生成。

2.4 深厚云系

圖8所示為雨層云出現頻率分布的四季變化。雨層云屬于厚云族，由暖濕空氣受到冷空氣緩慢抬升后發生絕熱冷卻凝結而成。雨層云多與高層云相聯系[26]，根據高層云出現頻率的季節分布可知，雨層云在冬季的出現頻率相對較高，夏季則相對較低，這與圖7中的雨層云季節變化相符。

圖8 單層云中雨層云出現頻率分布的四季變化

EC-ECO和EU-EUO兩區域雨層云在夏季出現最少，出現頻率大多在5%～15%；春秋兩季雨層云的分布差不多，主要出現在中北部地區，出現頻率基本在10%～20%；冬季雨層云出現的頻次增高，出現頻率在25%～35%的區域明顯增大。WE-WEO區域雨層云出現范圍最廣，出現頻次最多，海陸差異小，除了高值區之外區域出現頻率基本在5%～20%。夏季雨層云出現得最少。春秋兩季雨層云增多，大多出現在歐洲陸地地區和西北部大西洋區域；冬季雨層云總體出現頻次增多，高值區出現在陸地和海洋上，出現頻率為20%～35%。

雨層云一般具有深厚的垂直結構，出現頻率不高于50%，大多都在10%～25%，主要在高緯度地區，在WE-WEO區域出現的頻次明顯較多。已有研究表明雨層云在北半球的季節變化較大[26]，夏季出現較少，冬季出現較多，綜合看3個區域的雨層云季節變化具有相似的規律，冬季為雨層云出現最多的季節，春秋兩季次之，夏季最少。雨層云的形成和高層云同樣都受大范圍的上升運動影響，所以雨層云與高層云的分布特征具有相似的規律。而雨層云的云體更厚，發展過程較高層云更緩慢一些，因此雨層云的出現頻率較高層云要小一些。

圖9是深對流云(Dc)出現頻率分布的四季變化。深對流云作為發展深厚的對流云，其內部有著強烈的對流運動，且容易帶來強對流天氣。赤道輻合帶的天氣條件滿足強對流云的發展[26]，在熱帶到亞熱帶區域，深對流云一年四季都有可能出現，這與圖9中深對流云出現頻率的季節分布相符合。

圖9 單層云中深對流云出現頻率分布的四季變化

深對流云多出現在WE-WEO和EU-EUO這兩區域。EC-ECO區域深對流云出現在夏季最多，冬季幾乎不出現。春秋兩季深對流云的出現頻率在2%～16%，其中春季多出現在中國沿海地區和東部海洋地區，秋季多出現在海洋上；夏季深對流云的出現增多，出現頻率基本在4%以上，10%～16%的高值區出現不少；冬季深對流云的出現銳減，幾乎沒深對流云的出現。EU-EUO區域的深對流云全年分布差不多，夏季最多全年的出現頻率在2%～14%。春秋冬三季分布相似，多出現在海洋上，其中秋季出現相對多一些；夏季深對流云出現最多，沿海地區的出現頻率較高，高達8%～14%。深對流云在WE-WEO區域全年出現很少，只在夏秋兩季出現一些，其中夏季得多出現在歐洲內陸，秋季多出現在沿海一帶，全年在大西洋上零星地出現一些。

深對流云多出現在低緯地區，分布特征很明顯，主要出現在海洋上，出現頻率大部分在2%～8%，少部分高值區10%～16%。和低緯度海洋區域的卷云對比分析，可以發現深對流云具有相似的規律，在海陸交界處附近常以較高的頻率出現，但出現的頻率就低很多，這是因為除了需要較強的垂直運動之外，還需要充足的水汽條件才能使得深對流云得以形成。

3 不同單層云發生頻率的總占比及月變化

不同單層云發生頻率的空間分布可以看出某類云的集中出現在某區域的頻率，但局部地區不能代表整體的一個狀況，因此從海陸的整體出發去探討各類云發生頻率的變化特征。圖10是不同單層云發生頻率在海陸上的一個占比情況?？梢钥闯?，層云和深對流云出現的頻率很低，尤其前者更低，在各個區域都小于5%，即使數據較小，也能看出發生較少的深對流云多出現在中低緯的ECO和EUO區域。出現頻率較高的是卷云和層積云，其中卷云發生頻率在ECO區域的28%多于EC區域的20%，在EU-EUO區域的差異不大，而在WE區域的21%大于WEO區域的11%，這和中低緯地區對流云系發展旺盛有關；層積云發生頻率的海陸差異在WE-WEO區域特別明顯，在WEO區域的52%遠遠大于陸地的31%，可見中高緯海洋上所存在大范圍不規則的擾動有利于層積云這樣的波狀云的形成與發展。其次出現較多的云類為積云，積云的海陸差異很明顯，多出現在中低緯的海洋區域(ECO和EUO區)，占26%，這和卷云多出現在夏季中低緯地區的原因一致；此外的高層云，高積云和雨層云的出現相對較多，且多出現在陸地上，這些云在陸地區域的出現頻率在10%～20%，在海洋區域都在10%以下，說明陸地上相較穩定的大氣運動狀況利于這些云的發展。

圖10 不同單層云發生頻率在各區域的占比

圖11為不同單層云的發生頻率在各個區域的月變化，可以看出各類云的時間變化特征都有相應的特點。圖中最明顯的一個特點就是卷云和層積云發生頻率的月變化存在相反的變化趨勢，即使不同地區這兩類云的發生頻率的大小不同，當卷云發生頻率達到最大值(最小值)的時間段所對應層積云發生頻率達到一個最小值(最大值)，夏季卷云在ECO區域的發生頻率可達50%以上，所對應的層積云發生頻率僅僅5%左右，說明利于卷云形成的大氣條件不利于層積云的形成，反之同理。同時可以看出卷云出現在低緯度地區較多，且海洋上的發生頻率高于陸地上，夏季最高，冬季最低。層積云則是夏季最低，冬季最高，尤其在中高緯的WEO區域出現最多，該區域的發生頻率常年在40%以上。此外可以看出高層云和雨層云的發生頻率的月變化具有相似的趨勢，前人研究也指出層狀云中各屬云具有相似的季節變化[29]，夏季出現得少，冬季出現得比較多，主要出現在陸地上，且高層云多于雨層云。高層云在EC區域出現頻率較高，全年在10%以上，春冬季節可達22%，雨層云在EU區域出現頻率較高，大約在18%左右，而這兩種云在海洋區域的發生頻率全年都在10%以下。積云在低緯度區域的海陸差異很明顯，大多都出現在海洋上，且夏秋季節為積云出現頻率的高值區，大約能在30%以上，冬季最低，可達20%左右，WE-WEO區域積云出現頻率在15%以下。高積云多出現在陸地上，在EC區域多出現在秋季，發生頻率在25%左右，而在EU和WE區域多出現在夏季，發生頻率為別為15%和20%，而海洋上的高積云在ECO區域冬季出現較高一些，發生頻率達17%，在其他兩個區域常年在10%以下，無明顯變化。深對流云和層云的出現特別少，在各個區域的發生頻率常年都在5%以下。

圖11 不同單層云發生頻率在各區域的月變化

4 結論

利用2007年3月至2010年2月和2013年3月至2016年2月共計8 a CloudSat衛星的Level-2B-CLDCLASS資料對3個主要氣溶膠排放地區及鄰近海域的不同類型單層云出現頻次的分布特征進行了統計和分析，主要結論如下：

(1)8種類型單層云發生頻率的分布都有著不同的規律。作為高云的卷云，大多出現在低緯度的海洋區域；高層云和高積云這兩種中云，大部分出現在中低緯工業發達的陸地區域；低云族中的層積云多出現在中高緯的海洋區域，層云多出現在高緯的海洋區域，積云多出現在低緯的海洋區域；雨層云是低云也是厚云，分布主要在中高緯區域，海陸出現頻次差別不大；深對流云是發展比較深厚的云型，多出現在低緯的海洋區域。海洋上大多出現的都是低云，而低云大多都是液態云，海洋上充沛的水汽條件利于這些云的發展。

(2)從總體數據可看出，層積云，卷云和積云是出現最頻繁的3種云型，3種云總和占各地區所有云的50%～70%左右，其次為高層云，高積云和雨層云，而深對流云和層云兩種云占中云僅僅10%以下。層積云多出現在較高緯度的WE與WEO區域，卷云和積云多出現在較低緯度海洋區域(ECO和EUO區域)，高層云，高積云和雨層云很顯著地出現在陸地區域多于海洋區域，少量的深對流云出現在ECO和EUO區域較多。

(3)不同云型的出現頻次最多的季節也是不一樣的，普遍上各類云在春季的發生頻率都處于中間范圍。層積云和卷云的發生頻率的月變化具有明顯相反的變化趨勢，其中卷云夏季最高，冬季最低，層積云則是夏季最低，冬季最高。高層云和雨層云的發生頻率的月變化具有相似趨勢，多出現在冬春季節，夏季出現最少，且在陸地上居多。這些趨勢變化和各類云的形成條件符合時間上的一致性。積云和高積云在夏秋季節出現較多，而積云多出現在海洋，高積云多出現在陸地。少量的深對流云在ECECO區域在夏季有一個較高的出現頻率。層云全年幾乎沒有明顯變化。

總體而言，3個氣溶膠主要排放地區和鄰近海洋中的8種單層云的發生頻率具有不同時空分布及變化。針對出現頻率較高的卷云、高層云、高積云、層積云，積云和雨層云這6類云，可以深入研究這些云的微物理特征以及云高，云厚等垂直結構特征，更加全面地了解各類云型的特征。鑒于深對流云和層云的探測數據較少，對于這兩類云的深入研究，需要從其他的資料去研究其特性問題。除氣候影響外，云的形成和發展還與下層表面，大氣氣溶膠成分和人類活動的不同特征有關。

本文選取人為排放導致大氣污染嚴重的北半球主要污染排放區及其鄰近清潔的海洋區域，從空間上探究大陸與海洋上云型發生頻率的差異，從時間上研究云型發生頻率的變化關系。在此基礎之上，本文的研究內容需要更加深入地探究造成各類云型分布特征在不同地區或者不同季節上的差異的原因，并且在定性分析各類云的發生頻率的基礎之后，后續的研究內容需要使用具體的參數去展現海陸地區氣溶膠的差異，再定量分析氣溶膠與各類云型之間的關系，探究大氣中與氣溶膠影響關系比較密切的云型特征。