李正鹏，闭建荣，左大鹏，张琳焓，杨帆

（1.兰州大学大气科学学院/半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃兰州 730000；2.西部生态安全省部共建协同创新中心，甘肃兰州 730000；3.甘肃省半干旱气候与环境野外科学观测研究站，甘肃兰州 730000；4.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；5.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆塔中 841000）

引言

云覆盖了全球地表总面积的60%左右，通过直接反射和散射太阳辐射、吸收和发射长波热辐射，调节地-气系统的辐射收支分布，进而对区域或全球尺度的能量平衡、水文循环和气候变化产生显著影响［1-3］。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出，由于缺乏云的宏观特征如云量、云类型、云底高度、云层厚度和微观特性如云滴粒径、云水含量、混合相态的全面综合的观测资料，气溶胶与云的间接辐射效应仍然是当前全球气候变化研究最大的不确定性因素［4］。PAN等［5］在利用卫星资料分析塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶和云后，认为沙尘气溶胶可能会改变该地区卷云的微物理性质，但其中的机制尚不明确。关于云的气候效应，LINDZEN等［6］指出，热带地区卷云的覆盖量会随着温度升高而降低，从而对全球气候系统有明显的负反馈作用。然而，LIN等［7］对此提出了不同的观点，认为卷云的减少具有较弱的正反馈作用；丁守国等［8］也认为全球总云量的减少可能促使全球气候更加趋于变暖。以上结果的差异主要源于对云参量特性认识的不确定性，不同尺度云的时空演化给其定量观测带来很大困难，而云量、云高和云厚等宏观参数都会影响辐射收支过程［9-11］。云量的增加会减少出射长波辐射，产生正长波辐射强迫，即增加地-气系统吸收的能量，而云对短波辐射具有负强迫的冷却作用。云的净辐射效应是长波与短波辐射强迫之和［12］，不同云量、不同高度云的净辐射强迫存在差异。据估算，低云每增加4%，则可抵消由二氧化碳浓度加倍造成的2～3℃增温［10］，所以云宏观特征对区域和全球气候变化研究有重要的意义。

研究表明，自20世纪80年代以来中国西北地区气候发生了由暖干向暖湿的明显转型。施雅风等［13］指出由于大幅度变暖、水循环加强，在中国西北、华北干旱区与半干旱区，降水增加可超越蒸发上升，使气候转向湿润。商沙沙等［14］发现1961—2014年西北地区平均气温呈波动上升趋势，其中冬季的增温速率最大，极端最高、最低气温均呈上升趋势；降水量也呈上升趋势，降水增加较明显区域集中在北疆塔里木盆地西部地区。周雪英等［15］发现1997—2017年塔克拉玛干沙漠腹地降水量增加，降水总日数减少，但大雨雨量和雨日明显增加，降水强度呈增强趋势。而云对西北地区向暖湿转变过程中的贡献是一个十分有挑战的科学难题，突破这个壁垒必须依靠长时间、系统综合的观测资料。当前，云的宏观或微观特性关键参数的探测及反演主要基于毫米波云雷达［16-18］、高光谱偏振激光雷达、全天空成像仪等先进技术手段。曹越前等［19］利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年全天空成像仪、微脉冲激光雷达和太阳总辐射观测资料，分析了不同时段内云量的变化特征及其与太阳辐射的关系，并指出半干旱地区春夏季云量充足。陶法等［20］分析了可见光与红外成像仪在不同条件下云量的探测能力，指出可见光成像仪受能见度影响较大，而红外成像仪较难识别云状。国内气象台站也对云量、云类型和云底高度进行了长期的人工观测，2020年4月，全面取消云的人工观测项目，用云能天观测系统替代。由于条件限制，目前西北地区云宏观特性的相关探测和研究工作还较少，尤其在戈壁沙漠更为缺乏。当前主要利用卫星遥感产品研究沙漠地区云宏观特性的分布［21-22］，陈勇航等［23］提出西北地区云与地气系统之间可能存在这样一个过程：地面气温升高，促使地面蒸发加剧，从而导致中低云量增多而使降水增多，同时高云云量减少。翁笃鸣等［24］利用国际卫星云气候计划（International Satellite Cloud Climatology Project，ISCCP）1984—1988年总云量资料指出塔克拉玛干沙漠腹地的年平均总云量为全国最低（小于0.35），陈勇航等［25］通过2002—2004年CERES SSF Aqua MODIS Edition 1B云资料得到塔克拉玛干沙漠的平均总云量为12%～50%。叶培龙等［26］利用CloudSat与云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星观测（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation，CALIPSO）相结合的云分类产品2BCLDCLASS-LIDAR数据发现夏、秋季单层云多出现在塔里木盆地。

以上研究都揭示了西北地区云的信息和变化规律，但卫星资料的时空分辨率较低，对云层结构和短时强降水过程的发生、发展与演变过程无法做到快速探测。而地基遥感仪器能提供更高时间分辨率的数据，有助于认识云在短时间内的演化过程，但目前利用地基遥感仪器对塔克拉玛干沙漠云进行的研究相当缺乏。利用CHM15K型云高仪设备对塔克拉玛干沙漠腹地塔中站（83.659°E，38.968°N，海拔1100 m）2019年7月23日至9月30日的沙尘气溶胶和云层结构进行连续探测，本文主要根据云高仪的观测资料反演塔中地区的总云覆盖率、云底高度和云层厚度等宏观特性参量，初步分析2019年8—9月沙漠腹地云的宏观特性参数演变规律，以期为区域模式和卫星遥感验证提供地面基础支撑。

1 资料和方法

利用CHM15K型云高仪设备探测的塔克拉玛干沙漠腹地塔中站2019年7月23日至9月30日沙尘气溶胶和云层结构资料。其中CHM15K型云高仪由德国Luftt公司研制，具有能量低、对人眼安全、安装便捷等特点，它通过垂直发射一束波长1064 nm、脉冲能量8 μJ的激光，被大气中的气溶胶或云滴粒子散射，利用接收器采集后向散射信号的时间差和强度，可反演计算不同高度层气溶胶或云层的结构特性。云高仪作为一种探测云层和气溶胶的单通道激光雷达，在全球范围得到广泛使用［27-29］。譬如，德国气象局在欧洲地区布设了近200台CHM15K型云高仪以建立云高仪天气气象观测网，并对2015年夏天不同云高仪探测能力进行对比实验［30］。WIEGNER等［31］利用云高仪较为准确地探测了边界层高度的演变过程。STACHLEWSKA等［32］也利用云高仪监测华沙上空2008—2011年大气边界层的垂直结构。HAEFFELIN等［33］对云高仪的混合层高度检测方法进行了详细讨论。云高仪通常每15 s输出一个规范化距离订正后向散射信号（normalized range corrected signal，NRCS），可探测的最大高度达15 km，空间分辨率为5 m。NRCS计算公式如下：

式中：s为原始后向散射信号（光子计数）；b（光子计数）为背景信号；c为仪器校准系数；p（光子计数）为平均脉冲强度；o（r）为重叠订正函数，r为目标距离。

仪器内部算法提供了多种气溶胶和不同云层数据产品，如图1（a）所示，当NRCS超过一定阈值（300 m以下阈值设定为1×107，随着高度增加非线性降低）时，认为云高仪检测到了云层，自下而上第一次达到阈值记为第一层云，第二次为第二层，依次类推共记录五层云的信息。通过识别云底部和顶部高度，即可获得云层厚度，仪器内部算法对云高的辨别精度可达到±5 m。图1（b）为计算云覆盖率的示意图，所有高度云的覆盖率记为总云覆盖率。某一时刻的云覆盖率为选取的时间间隔内检测到云的次数与总检测记录的比值，即图1（b）阴影部分中散点出现的频率，其中选取的时间间隔由一个随高度变化的函数给出［图1（b）中阴影部分，时间间隔在0～7 km高度从20 min增加到240 min］。由于受到探测视场角的限制，导致云高仪观测的云覆盖率与气象台站人工观测的云量存在概念上的差异。

图1 CHM15K型云高仪反演云底高度、云层厚度（a）和云覆盖率（b）示意图（阴影部分为时间间隔随高度的变化）Fig.1 Schematic diagram of cloud base height，cloud thickness（a）and cloud coverage（b）retrieved by CHM15K ceilometer（The shaded represents the variation of time interval with height）

考虑到数据的时空连续性，本文选取了2019年8—9月欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代全球大气再分析产品——ERA5，其空间分辨率为0.25°×0.25°［34］，可利用云高仪观测结果检验ERA5在观测期间对塔克拉玛干沙漠腹地云的模拟效果。本文使用的产品为ERA5中的“云底高度”和“总云覆盖率”，时间分辨率为1 h，该产品通过模式中第二个最底层向上检索到云量大于1%、凝结水含量大于1.0×106kg·kg-1的高度定义为云底高度，通过预先计算一个网格云覆盖的比例，得到二维单个大气层的云覆盖率。考虑到塔中站（83.66°E，38.97°N）与对应格点（83.75°E，39°N）距离相差不大（10 km以内），文中并未对ERA5再分析资料进行插值，云高仪和ERA5在试验期间数据的时间连续，所以两者时空匹配性较好。

CALIPSO是首颗搭载532、1064 nm波段的双通道云-气溶胶正交偏正激光雷达（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization，CALIOP）的卫星，可提供高分辨率的气溶胶和云层垂直剖面，在-0.5～8.2 km高度的垂直分辨率能够达30 m［35］，其产品广泛应用在云和气溶胶研究领域［36-39］，其“Lidar Level 2 Vertical Feature Mask Record-Version 4.20”通过对云层的高度、温度、热力作用、厚度、云覆盖、均一性、水平范围、是否降雨来确定云底/云顶高度和8种不同的云类型［40］。CALIPSO采取自上而下的探测模式，其对云顶高度的探测性能较好，但对云底高度的探测较差，而云高仪则基于地面自下而上的探测模式，对云底高度的探测可靠度优于卫星，两种探测手段各有优缺点，结合两者可对云结构有更清晰的认识。本文利用CALIPSO过境塔克拉玛干沙漠腹地的云分类产品与云高仪探测结果进行相互对比验证。

2 结果分析

2.1 云层垂直结构

由于NRCS数值较大，为方便表示，下文取NRCS的常用对数即lg NRCS。图2（a）中lg NRCS均小于5.2，表明9月23日云高仪未探测到云层，晴空天气下塔中上空存在一3 km厚的气溶胶层，层结均匀稳定且浓度较低，可代表沙漠地区干洁条件背景水平下气溶胶垂直分布；气溶胶层高度的日变化呈现出下午稍高、早晨和夜间较低（约2 km）且均匀的结构，这主要是受到感热通量驱动的大气边界层高度变化的影响。图2（b）清晰地表明，云高仪探测到8月15日塔中站3 km高度以下主要为沙尘气溶胶（lg NRCS为5.6～6.4），呈现出非常剧烈的日变化特征，同时沙尘分层结构十分明显。根据云高仪的云底高度产品判断，5～8 km高度主要为结构明显的云层，部分云层的NRCS没有沙尘层的强，主要由于云高仪发射的激光脉冲能量较弱，大部分能量被低层的沙尘气溶胶衰减了；但是，云高仪仍能探测到沙尘层上空的云结构信息，在8月15日12：00（世界时，下同），6～7 km高度云层的NRCS十分强烈且持续时间长，表明这段时间内云层分布较为稳定，14：00之后云的NRCS逐渐减弱，出现间歇性分布，表明这段时间云层开始变得浅薄和不稳定，云层结构 持 续 至23：00左 右。CALIPSO卫 星9月23日20：42过境塔中时［图2（c）］塔中地区上空无云层出现，而8月15日20：40过境塔中站时［图2（d）］，在5～8 km高度有明显的卷云分布。可见两种探测方式的结果一致，云高仪对沙漠地区气溶胶和云层的垂直结构都具有较好的探测能力。

图2 2019年9月23日（a、c）、8月15日（b、d）气溶胶和云的垂直分布（a、b）塔中站云高仪lg NRCS，（c、d）CALIPSO探测的云类型（虚线表示CALIPSO过境塔中站）Fig.2 Vertical distribution of aerosol and cloud on September 23（a，c）and August 15（b，d），2019（a，b）lg NRCS from ceilometer at Tazhong station，（c，d）the cloud types detected by CALIPSO（The dotted lines represent the CALIPSO overpassing Tazhong station）

2.2 云底高度

本文选取2019年9月15日云高仪探测得到的各宏观特性物理量进行分析。图3（a）为云高仪输出lg NRCS日变化，可以清晰地看到这一天的大部分时间都被云层笼罩，为了图像清晰易辨，只叠加了第一层的云底高度（图中黑色圆点）。00：00—04：00云底高度为6～7 km，虽然NRCS强，能明显看出云底位置，但云层结构相对破碎，连续性较差，表明云层结构不够稳定；从04：00起，云底高度持续下降至4 km左右，04：00—20：00天空一直被云层笼罩，且NRCS较强，说明这段时间云结构稳定；20：00—22：00，云出现明显较为稳定的多层结构，4～5 km高度内为NRCS较强的云，但时间连续性较04：00—20：00已有所减弱，7～9 km高度也有明显的云层结构，一直持续到24：00，但其NRCS较弱。图3（b）为9月15日云高仪探测得到的5层云底高度日变化，发现主要以第一层和第二层云为主，除了云层本身特征，这与云高仪探测时的能量衰减有关［41］。与图3（a）相比，可以看出云高仪对云底高度的辨别较为准确。

图3 2019年9月15日云高仪探测得到的塔中站lg NRCS（a）、云底高度（b）、云层厚度（c）和总云覆盖率（d）日变化Fig.3 The diurnal variation of lg NRCS（a），cloud base height（b），cloud depth（c）and total cloud cover（d）from ceilometer at Tazhong station on September 15，2019

由图4可知，2019年8月塔中站出现5次降雨过程，分别为4日、18日、20日、21日和28日［图4（a）中红圈内］，对应第一层云底高度都低于100 m，云底高度过低是由降落雨滴引起的NRCS增大而造成的误判，同期雨量筒的观测资料也证实了降雨的出现。其中8月20日全天和21日00：00—06：00都有低云存在，对应于降雨时段，而其他3次降雨过程低云存在时间都短于6 h。9月7日、11日和18日均有明显的低云，其中11日出现降雨过程［图4（b）］。8月和9月，塔中站第一层平均云底高度分别为4.5 km和4.7 km，两个月云底高度最大的差异主要是由于8月云层出现的频率明显更高，而9月出现更长时间的连续晴天（19—30日为晴空天气）。虽然，云高仪能提供5层云底高度的数据产品，但是，受到激光较低脉冲能量的限制，云高仪对多层云的探测存在一定误差，导致多层云的反演精度还有待提高。与ERA5再分析资料的云底高度［图4（c）、图4（d）］对比发现，两种结果的整体日变化趋势和高度范围都比较一致，云高仪探测的8—9月平均第一层云底高度为4.6 km，而ERA5的为4.5 km。两种资料结果都清晰呈现出8月和9月几次降雨时的低云状况，云高仪探测到降雨时的云底高度更低。

依据地面气象观测规范［42］中对云观测的标准，云底高度100～2500 m为低云，2500～4500 m为中云，4500 m以上为高云。由图5可知，8、9月，云高仪探测塔中站上空主要以高云和中云为主，两个月高云的占比均超过50%，高云、中云占比之和均超过90%，8月低云占比大于9月，这一结果在图4中也有体现。云层数是大气环流模式中重要的云参数，云的重叠（即有无多层云）对大气和地表的辐射加热或冷却有很大影响，两个月单层云占比均超过80%，这在一定程度上反映了观测期间塔中云层的特点，但云高仪射出的激光能量的衰减也是不可忽略的，特别是在底层云较为深厚时，造成对上层云识别的困难。

2.3 云层厚度

图4 2019年8月（a、c）和9月（b、d）塔中站云底高度的逐日变化（a、b）云高仪结果，（c、d）ERA5结果（红色圈代表降雨过程）Fig.4 The daily variation of cloud base height at Tazhong station in August（a，c）and September（b，d）2019（a，b）the results from ceilometer，（c，d）the results from ERA5（The red circles represent the precipitation processes）

图5 云高仪探测塔中站8月（a、b）和9月（c、d）的低、中、高云（a、c）和单层云、多层云（b、d）占比Fig.5 The percentages of low，middle，high cloud（a，c）and single-layer，multi-layer cloud（b，d）at Tazhong station from ceilometer in August（a，b）and September（c，d）

云层厚度是云宏观特性的另一个基本物理参数，对识别不同类型云，评估其辐射强迫与云水转化率均有重要指示。图3（c）为云高仪探测的9月15日云层厚度的变化，00：00—04：00云层厚度逐渐从1500 m降到很小，04：00—12：00云层厚度逐渐增厚到2500 m，之后又逐渐减小，所以这一天的云层厚度经历了从厚变薄、薄变厚、再变薄的过程。总体趋势是第一层云的厚度大于其他层，造成这个结果的原因除了归结于塔中站云层特点，也要把信号衰减考虑进去：光子在经过第一层云时，其能量已经过较强的衰减，继续穿透更高云层时便有可能能量不足。不同的是20：00—22：00第二层云的厚度大于第一层，这与图3（a）中的lg NRCS结果是一致的：7～9 km高度第二层云的厚度大于4～5 km高度第一层云的厚度。

云高仪探测的云层厚度基本都在2000 m以内，8月第一层云的平均厚度为402 m，9月为532 m。从第一层云的厚度分布（图6）看出，塔中站8月和9月第一层云的厚度在500 m以下的占比分别为64.2%和58.8%，在500～1000 m的占比均超过20.0%，总的来说第一层云的厚度越薄，占比越大。厚度较小的云占绝大多数，造成这一特征的原因可能是塔中地处塔克拉玛干沙漠腹地，大范围内空气都较干燥，大气中水含量少，加之蒸发量大［43］，虽然云出现频次较高，但很少出现较为深厚的云。

图6 8月（a）和9月（b）云高仪探测塔中站第一层云的厚度（单位：m）占比Fig.6 The percentages of the first cloud thickness（Unit：m）at Tazhong station from ceilometer in August（a）and September（b）

2.4 总云覆盖率

云覆盖率在研究当地大气干湿特性及云对气候的反馈作用中不可或缺，我国的云量地面观测从最开始的人工主观观测到2014年取消云状观测，再到2020年4月1日地面气象观测自动化改革从全国试运行切换调整为正式业务运行，实现了云量、云高的自动化观测。云高仪对总云覆盖率的探测原理是选定的时间间隔内检测到云的次数与总检测记录的比值，即时间维度上的定义，与地面全天空成像仪和再分析资料中空间维度上的定义有所差别。图3（d）为9月15日云高仪探测得到的总云覆盖率，可以看出，除了02：00—06：00和18：00—21：00外，其余时间都对应着很高的覆盖率，基本都在0.9和1，这与图3（a）的lg NRCS一致；除了这两个时段，其他时间云层在时间上都是相当连续的，表明这一天云层的持续时间长、结构较为稳定。

图7 8月（a、b）、9月（c、d）的塔中站总云覆盖率（a、c）云高仪结果，（b、d）ERA5结果Fig.7 Total cloud coverage at Tazhong station in August（a，b）and September（c，d）（a，c）the results from ceilometer，（b，d）the results from ERA5

在云高仪探测的8月总云覆盖率中［图7（a）］，全天空云覆盖（总云覆盖率等于1）占比最大，达32.6%，其次是全天空无云（总云覆盖率等于0）占比16.6%；覆盖率为0.3～0.7的占比都较小，均未超过10%，表明塔中更容易出现大系统的云结构，或者晴朗无云；与ERA5的总云覆盖率［图7（b）］相比，两者除了探测到全天空无云的占比一致外，其他占比都存在明显差异，主要体现在ERA5资料判断的少云天更多，而多云天更少。云高仪探测的总云覆盖率中，9月与8月有明显差异：9月［图7（c）］全天空无云的占比明显增加，达40.8%，这对应于前面提到的9月19—30日晴朗无云；与ERA5资料［图7（d）］相比，差异与8月近似，ERA5资料判断的少云天更多，而多云天更少，造成不一致的原因可能是两数据的定义存在明显差异。当时间序列较长时，这种差异将会减小，两种资料对应关系有所改进［9］。可见，2019年8—9月塔中的总云覆盖率并不低，造成这一原因可能是沙漠地区强烈的蒸发作用，加上沙尘过程常伴随冷锋天气系统，致使大范围云系出现。

3 结论

用CHM15K型云高仪对塔中站2019年7月23日至9月30日云层结构进行连续探测，重点分析8、9月塔中站上空云底高度、云层厚度和总覆盖率的变化特征。得出以下结论：

（1）8、9月塔克拉玛干沙漠腹地云底高度的平均值为4.6 km，以高、中云为主，单层云占主导。

（2）8月和9月第一层云的平均厚度分别为402 m和532 m，云层厚度小于500 m的占比最大。

（3）8、9月塔中的总云覆盖率并不低，8月全天空云覆盖的占比最大为32.6%，而9月全天空无云占比最大为40.8%。

由于云高仪具有很高的时空分辨率，其对云的宏观特征分析和演变过程等更为清晰，同时成本较低、方便操作、能够实现长期无人值守自动工作的优点，但也存在能量低，容易受到地面强沙尘影响等不足。未来如果能够结合毫米波云雷达、高光谱偏振激光雷达和全天空成像仪等进行对比试验，将会对云层的探测和识别提供更为可靠的手段。