基于毫米波云雷达的黄河流域内蒙古段云宏观特征分析_李慧.pdf
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1、第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June,2023干旱气象Journal of Arid Meteorology基于毫米波云雷达的黄河流域内蒙古段云宏观特征分析李慧1,2,郑旭程1,2,苏立娟2,辛悦2,张杰2(1.内蒙古自治区气象科学研究所,内蒙古 呼和浩特 010051;2.内蒙古自治区人工影响天气中心,内蒙古 呼和浩特 010051)摘要:云是地-气系统的重要组成部分,云宏观特征不仅与地-气系统的辐射收支及区域气候变化密切相关,还直接影响云降水过程模式预报的准确性,鉴于此本文基于2020年8月至2021年7月呼和浩特地区毫米波云雷达观测数据,对黄河流域内
2、蒙古段云出现频率及垂直结构进行统计分析。结果表明:该地区多以晴空为主,全年晴空廓线超过了云雷达总采样廓线的70.00%,相比而言,云出现频率较小,6月最高值也仅为43.84%。云类型以中高云为主,云底高度多出现在3.004.00 km之间,云层较薄,厚度介于0.501.00 km的云出现频率最高。云宏观属性存在明显的季节变化和日变化特征,春季和夏季云的出现频率较高,分别为39.71%和35.77%,冬季云的出现频率最小,春、夏、秋季午后云出现频率明显高于上午时段。关键词:云出现频率;云底高度;云顶高度;云雷达;黄河流域内蒙古段文章编号:1006-7639(2023)03-0434-08 DOI
3、:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0434中图分类号:P414.9+1 文献标志码:A引 言云是地-气系统的重要组成部分,云出现频率、云底高度、云顶高度、云层厚度等宏观特征与地-气系统的辐射收支密切相关,对区域气候变化和水循环有重要影响(丁守国等,2004;李正鹏等,2022;Rossow et al.,1993)。在人工影响天气业务中,云是主要的催化对象,其宏观特征直接关系到人工增雨的作业潜力和作业效果(李盈盈,2018;杨超等,2014)。然而,受大尺度天气环流形势、局地地形、水汽输送、热力扰动等多种因素的综合影响,云的发展演变过程非常复杂,且时空变率
4、较大,云过程在数值模式中很难被准确描述,给数值模拟和预测带来很大的不确定性(朱泽恩等,2017;Zheng et al.,2019)。因此,开展云分布特征的观测、研究,对气候模式中云参数化方案改进,模式预报准确率提高,以及空中云水资源合理开发等都有重要意义(余安安等,2021;李积明等,2009)。黄河流域是我国重要的农业和能源基地,在经济社会发展和生态安全等方面具有重要的战略地位,内蒙古中西部地区地处黄河“几”字弯,独特的气候导致该区域常年干旱少雨(解晗等,2022;曹云等,2022;王澄海等,2022;王盈,2020),人工增雨是促进该区域农牧业增产增收及生态环境修复的重要手段之一,这就需
5、要进一步加深对本地区云系分布特征及云水资源储量的认识。关于内蒙古地区云宏观结构的研究,早年间由于缺乏合适的观测数据,基于国际卫星云气候学计划(International Satellite Cloud Climatology Project,ISCCP)的云气候资料集对内蒙古地区云量的年际和月际变化进行了初步统计分析(达布希拉图等,2009;苏立娟等,2013),之后随着遥感技术的发展,无线电探空数据和卫星反演产品为深入认识区域云系特征提供可能,逐步开展了基于L波段探空秒数据的云垂直结构分析(苏立娟等,2017;衣娜娜等,2021),对降水云、无降水云、临近降水云进行了对比,得到内蒙古中部地区
6、典型降水云系的宏观分布特征,但由于探空资料仅限于08:00和20:00(北京时),无法分析云李 慧,郑旭程,苏立娟,等.基于毫米波云雷达的黄河流域内蒙古段云宏观特征分析 J.干旱气象,2023,41(3):434-441,LI Hui,ZHENG Xucheng,SU Lijuan,et al.Statistical analysis of cloud macrophysical characteristics in the Inner Mongolia section of the Yellow River Basin based on millimeter-wave cloud radar
7、 J.Journal of Arid Meteorology,2023,41(3):434-441,DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0434收稿日期:2022-08-23;改回日期:2022-10-27基金项目:内蒙古自治区自然科学基金项目(2022MS04014)和内蒙古自治区气象局科技创新项目(nmqxkjcx202116)共同资助作者简介:李慧(1992),女,内蒙古乌兰察布市人,工程师,主要从事大气物理及人工影响天气研究。E-mail:。通信作者:郑旭程(1985),女,内蒙古乌兰察布市人,高级工程师,主要从事大气物理及人工影响天气研究。E
8、-mail:。第 3 期李慧等:基于毫米波云雷达的黄河流域内蒙古段云宏观特征分析系的日变化特征,而基于卫星观测的统计分析也存在类似的问题(武静雅等,2022)。毫米波云雷达具有穿透性好、时空分辨率高、灵敏度高和持续观测能力强等特点,已广泛应用于云辐射效应及其对气候的影响评估中(王德旺等,2016;李海飞等,2017;任雍等,2019;张晋茹和杨莲梅,2019;郑佳锋等,2021;肖佩,2018;Ming et al.,2021;胡树贞等,2022)。内蒙古自治区人工影响天气中心于 2020年4月引进了自治区第一台毫米波云雷达,布设于黄河沿岸的呼和浩特市,对区域内云系特征进行精细化连续监测。本文
9、基于呼和浩特毫米波云雷达的观测数据,对黄河流域内蒙古段云出现频率及垂直结构等宏观特征进行统计分析,以期为该区域气候变化研究及合理开发空中云水资源提供参考。1资料与方法1.1仪器及资料所用的毫米波云雷达由中国气象局气象探测中心和西安华腾微波有限责任公司联合研制,布设于呼和浩特市新城区(111.65E,40.83N;海拔高度1 045 m),进行全天候云系观测,云雷达中心频率为35 GHz,天线口径1.8 m,采用全固态、准连续波体制和脉冲压缩信号形式,以顶空垂直固定扫描方式工作,具有-4040 dBZ的探测能力,最大探测高度大于 15.00 km,定量探测高度大于 10.00 km,每 5 s得
10、到一条垂直采样廓线,空间分辨率为30 m,能够测量并输出云回波的反射强度、径向速度、速度谱宽等一次产品。选取 2020年 8月至 2021年 7月云雷达数据较为完整的观测时段,对云宏观特征进行统计分析,统计分析之前为降低数据量,提高处理分析效率,对数据进行分钟平均,并通过33网格对杂波和孤立像素点进行滤波剔除。考虑到降水对云雷达有较强的衰减作用,在统计云顶高度、云底高度、云层厚度时剔除降水时段。在云宏观结构的季节变化分析中,根据气候要素的分布情况,内蒙古地区四季的时间划分:4月9日至6月16日为春季,6月17日至 8月 17日为夏季,8月 18日至 10月 17日为秋季,10 月 18 日至次
11、年 4 月 8 日为冬季(顾润源等,2012)。另外,文中所有时间均为北京时。1.2云、降水的识别方法及云分类毫米波云雷达能够在较小的发射功率下探测到较强的云回波信号,具有很强的穿云能力,能够准确地得到云高、云厚信息,云层发展较强时云回波强度虽然有所减弱,但对云垂直结构的判别影响较小(杨晓等,2019),因此本文采用最小阈值法(田磊等,2021),基于雷达反射率对云边界进行识别,即将反射率因子大于背景廓线(-41 dBZ)的区域确定为云区。首先,确定云底、云顶高度,从地面开始依次向上判断,当某一距离库上出现大于阈值的反射率,且其后连续 5 个距离库(150 m)均有云信号时,将该距离库所在的高
12、度判定为云底高度,之后继续向上判断,当某一点后连续5个距离库(150 m)均为无效数据时,则判定为云顶高度。之后,将找到的云层进行合并或剔除,对于厚度小于7个距离库(210 m)的云层,如果其与上下云层的距离小于10 个距离库(300 m),则进行合并,否则剔除这层云。时间的连续性方面,对于少于5个时次(5 min)的云层,若其厚度小于17个距离库(510 m)且其上下17个距离库内没有持续时间大于5个时次的云层则将其删除。由此得到完整的云边界(宗蓉,2013)。降水识别方面,根据识别出的云底信息,如果云底位置与云雷达最小可测距离一致,则该回波定义为降水(吴翀等,2017)。按照盛裴轩等(20
13、03)云分类方法,云底高度介于0.002.00、2.00高云低云,其中低云和高云的出现频率都在夏季达到最大,分别为13.12%、39.22%,而中云在夏季的出现频率最小,在冬季最大为67.94%。图22020年8月至2021年7月呼和浩特不同层数(a)、不同类型(b)云出现频率的月际变化Fig.2Monthly variation of occurrence frequency of clouds with different layers(a)and types(b)in Hohhot from August 2020 to July 2021表12020年8月至2021年7月呼和浩特四季云
14、、降水及晴空出现频率Tab.1The occurrence frequency of cloud,precipitation and clear sky in Hohhot in four seasons from August 2020 to July 2021单位:季节春季夏季秋季冬季降水2.874.976.301.83晴空60.2964.2370.3677.34云39.7135.7729.6422.66图12020年8月至2021年7月呼和浩特云、降水及晴空出现频率的月际变化Fig.1Monthly variation of occurrence frequency of cloud,p
15、recipitation and clear sky in Hohhot from August 2020 to July 2021436第 3 期李慧等:基于毫米波云雷达的黄河流域内蒙古段云宏观特征分析2.1.3日变化图3为呼和浩特地区云、降水、晴空出现频率的日变化。可以看出,除冬季外,其余季节云的出现频率均有明显的日变化特征。春季云出现频率在00:0014:00变化不大,在40.00%上下波动,午后15:0018:00 逐渐增加,18:00 左右达到最大值51.01%,之后又逐渐降低;晴空的出现频率与云出现频率相反,在 18:00左右最小为 48.99%;春季降水较少,其出现频率的日变化特
16、征不明显,最大值不足6.00%。夏季云出现频率在 00:0006:00 和 15:0023:00呈现稳定的小幅波动,07:0014:00表现出先减小后增加的变化趋势,11:00最小为29.15%,总体而言,午后云出现频率略高于上午时段;夏季晴空 的 出 现 频 率 在 08:0012:00 较 高,最 高 值70.85%出现在11:00,午后随着云和降水的增多,晴空出现频率逐渐下降;夏季降水出现频率的日变化呈现先缓慢增大,19:00之后迅速减小的变化趋势,降水最大频率出现于15:30,为12.77%。秋季云的出现频率在06:0012:00处于相对低值,在20.00%上下浮动,14:0017:0
17、0频率相对较高,在 35.00%左右;晴空出现频率在 06:0012:00较高,为80.00%左右,14:0017:00较低,为55.00%左右;降水的出现频率在 0.00%11.00%之间波动变化,分别在03:00和16:30左右达到2个小峰值,对应的频率分别为10.33%和9.27%。冬季云、降水、晴空的出现频率没有明显的日变化特征,其中,逐小时晴空出现频率都高于其余三季,稳定在80.00%左右;云和降水的出现频率大都小于其余季节,其中云的出现频率均在20.00%上下,而降水出现频率均小于4.00%。总体而言,春季、夏季和秋季午后云的出现频率明显高于上午时段,晴空则相反,春季和冬季由于降水
18、少,日变化特征不明显,夏季和秋季12:00之后降水出现较多。2.2云垂直结构分布特征2.2.1总体分布对云垂直结构的分布特征进行统计分析,期间针对多层云样本,综合考虑各云层的云底高度、云顶高度和云层厚度,即出现双层云的时刻统计2表22020年8月至2021年7月呼和浩特四季不同层数、不同类型云出现频率Tab.2The occurrence frequency of clouds with different layers and types in Hohhot in four seasons from August 2020 to July 2021单位:季节春季夏季秋季冬季单层云83.918
19、0.5282.9684.94双层云14.0816.2614.6013.04三层云2.013.232.442.02低云7.6113.128.2412.87中云65.3347.6760.5167.94高云27.0639.2231.2519.19图3呼和浩特春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)云、降水及晴空出现频率的日变化Fig.3The diurnal variation of occurrence frequency of cloud,precipitation and clear sky in Hohhot in spring(a),summer(b),autumn(c)and wi
20、nter(d)from August 2020 to July 202143741 卷干旱气象个云底高度、2 个云顶高度和 2 个云层厚度,三层云则统计 3 个。从地面到 14.00 km 范围内每间隔0.50 km 划分一个高度区间,统计各区间范围内云底、云顶和云厚的出现频率(图4)。由图4可见,呼和浩特云底、云顶高度和云层厚度分别分布在0.2411.82、0.4212.45、0.0311.10 km范围内,其中云底高 度 位 于 3.004.00 km 的 云 出 现 频 率 较 高,达26.29%(其中 3.003.50 km 占 12.41%,3.504.00 km占13.88%);云
21、顶高度的出现频率分布呈双峰型,最大峰值出现在8.008.50 km,发生频率为8.60%,次峰值出现在5.005.50 km,频率为7.69%;云层厚度的出现频率随高度呈现先增加后减小的单峰型分布,厚度介于0.501.00 km范围内的云出现频率最高,为21.69%。2.2.2月际变化图5为2020年8月至2021年7月呼和浩特单层云、双层云及三层云的云底和云顶高度的月际变化。可以看出,单层云云底、云顶高度变化趋势相近,两者的相关系数为 0.95(通过 0.01的显著性检验)。6 月云底高度最高为 5.20 km,云顶高度为7.40 km;12月云底高度最低为3.60 km,云顶高度为4.60
22、 km;平均云层厚度在8月达到最大值2.70 km。图42020年8月至2021年7月呼和浩特不同区间云底高度(a)、云顶高度(b)及云层厚度(c)的云出现频率Fig.4The occurrence frequency of cloud base height(a),cloud top height(b)and cloud thickness(c)in different ranges in Hohhot from August 2020 to July 2021图52020年8月至2021年7月呼和浩特单层云(a)、双层云(b)及三层云(c)的云底和云顶高度的月际变化Fig.5Monthly
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