1、2期引言中国地处季风区，华南地区位于我国的最南端，最先受到夏季风的影响，是我国最主要的降水区域之一1。我国的雨季与汛期往往发生在夏季风爆发与盛行期间，中国东部的主要雨带分布与夏季风的爆发与推进息息相关，随着夏季风的爆发与向北推进，中国东部的雨带也随之向北移动，且呈阶梯式移动23。南海夏季风的爆发往往预示着华南地区前汛期的开始，华南前汛期作为华南汛期的开始阶段，发生在这一时期的华南地区的极端降水事件较多1，45。南海夏季风的活动及强度对我国华南地区的天气气候变化有着极为重要的影响611。发生在华南前汛期的季风降水有着持久性和严重性的特点2，许多发生在华南汛期的强降水都在华南地区的不同区域造成了洪
2、涝灾害1215，使当地的人民生命财产安全与经济发展都受到了极大的不利影响3，13。云的宏微观特征与云的辐射特性、降水机制和人工增雨作业条件等关系密切，已有大量学者的研究证实，云的特征特别是云的垂直结构特征对大气环流有着直接显著的影响，并且云在全球辐射强迫中扮演着关键的角色，云与辐射间的相互作用影响着天气气候的变化。除此之外，云还是人工影响天气作业的主要指示器，因此明确云的垂直结构对天气气候与人工影响天气方面的研究都有着非常重要的意义1619。周毓荃等20使用风云卫星反演的云参数产品和地面雨量观测数据分析云特征参数与降水的相关性时发现，云顶高度这一云垂直结构特征与降水概率以及地面降水类型存在密切
3、关系。林墨等21使用FY2E资料对云系结构特征分析发现不同云系产生的广西降水强度存在显著差异，云带强度指数可用作判断降雨强度的指标之一。Yin等22通过选用CloudSat卫星数据对东亚上空的云垂直剖面特征进行分析发现，东亚地区的降水主要与深对流云和雨云有关，降水类型与云垂直结构特征有着相对应的关系。孙鸿聘、王维佳等23-24的研究都认为对云的宏微观特征（包括云高、云层厚度等垂直结构特征和云中粒子浓度和尺度等微观特征）和云物理过收稿日期：2023-01-09基金项目：中国气象局创新发展专项子项目（CXFZ2021Z007）、广西气象科研计划项目（桂气科2022Z02、桂气科2023ZL03）作
4、者简介：黄洁（1995），女，硕士，助理工程师，主要从事气象大数据分析与共享工作。Email：huangj0406163com*通讯作者：林健玲（1976），女，硕士，高级工程师，主要从事气象大数据在预报技术的应用研究工作。Email：380454753qqcom南海夏季风爆发前后华南地区云的垂直结构特征黄洁，林健玲*，任晓炜，李晓君，韦销蔚，阮俊淞（广西壮族自治区气象信息中心，南宁530022）摘要：以南海夏季风爆发月份的统计结果为时间划分依据，基于CloudSat卫星资料对南海夏季风爆发前后华南地区云的平均垂直结构特征及爆发早晚对云垂直结构的影响进行分析。结果表明，华南地区云的垂直结构特征
5、在南海夏季风爆发前后变化显著，主要体现在云出现的频率、云高及云中的粒子尺度。南海夏季风爆发后华南地区上空云出现的频率有所增大，爆发后云的高度抬升了约3km，云中粒子尺度明显增大，液相大粒子比重明显增大，云的雷达反射率因子跨度由爆发前的30至10dBZe增大到爆发后的30至16dBZe。南海夏季风爆发的早晚主要影响爆发月份华南地区低层云中粒子的尺度，早爆发使低层云中粒子增长的程度比晚爆发大，早爆发月份低层云的雷达反射率因子从30至10dBZe显著增大到30至10dBZe，云高受到的影响则不明显。关键词：南海夏季风；云垂直结构；CloudSat；华南地区中图分类号：P426.5文献标识码：Adoi
6、：10.19849/ki.CN45-1356/P.2023.2.07黄洁，林健玲，任晓炜，等南海夏季风爆发前后华南地区云的垂直结构特征J气象研究与应用，2023，44（2）：3944Huang Jie，Lin Jianling，Ren Xiaowei，et al.Analysis of cloud vertical structure characteristics in South China before and after theonset of the South China Sea summer monsoonJJournal of Meteorological Research a
7、nd Application，2023，44（2）：3944第44卷第2期气象研究与应用Vol.44 No.22023年6月JOURNAL OF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLICATIONJun.202344卷气象研究与应用图120062016年南海夏季风爆发月份的时间演变图程进行观测和研究有利于云降水模型的建立。此外，目前业务上对于云垂直结构的观测主要依靠云高仪、卫星和云雷达等，其中云高仪和卫星主要是获取云顶和云底的信息，其中最为有效的云雷达还没实现业务化观测。可见，对于云垂直结构的观测手段仍十分有限，华南地区云的垂直结构特别是云的垂直统计结构特征尚未明确
8、。开展华南地区云垂直结构特征的研究可以填补华南地区云垂直统计结构特征的空白，为华南汛期降水效率和类型的识别判断提供参考依据，本研究的结果还可能有助于在对华南汛期降水进行数值模拟试验时改进数值模型中的参数化方案。Chen等25将华南汛期划分为南海夏季风爆发前后两个阶段对短时强降水的特征进行分析发现，短时强降水的时空分布和日变化随着夏季风的爆发与消退发生了显著变化。刘亚楠等26分析国家级气象站及探空站资料发现南海夏季风爆发前后的华南前汛期降水特征存在差异。本研究从南海夏季风爆发前、爆发过渡期与爆发后的几个时期对华南地区云的垂直结构特征进行分析。1资料与方法1.1 CloudSat卫星产品本研究使用
9、CloudSat卫星资料对华南地区的云垂直结构进行分析，CloudSat卫星是ATrain卫星 编 队（包 括Aqua，CloudSat，CALIPSO，PARASOL和Aura）中的一颗卫星，它使用搭载在其上的毫米波雷达从太空观测云层和降水27。由于云中的粒子小于降水粒子，毫米波雷达观测云时得到的雷达反射率因子要小于天气雷达观测降水时得到的雷达反 射 率 因 子。本 研 究 选 用 的 是20062016年CloudSat反射率高度直方图产品（https：/climservipslpolytechniquefr/cfmipobs/data/CloudSat/CloudSatReflectiv
10、ity/version5/），包含可以组成二维直方图的雷达反射率因子和高于平均海平面的海拔高度，该产品由2级GEOPROF产品生成，产品数据每月合成一次，并存储在22的固定经纬度网格点上28。许多学者的研究表明，使用CloudSat卫星资料反演得到的数据及使用其进行研究分析得到的结果都是有效可靠的2931。1.2南海夏季风爆发数据本研究使用的南海夏季风爆发时间数据可由国家气候中心网站的业务服务板块处获取（http：cmdpncccmanetMonitoringmonsoonphp），该南海夏季风建立的时间参考了环流和温湿条件的综合指标32，主要考虑了南海区域（110120E，1020N）内纬向
11、风和假相当位温的变化，当监测到纬向风稳定地由东风转变为西风，假相当位温稳定地转变为大于340K时，将时间确定为南海夏季风爆发的时间。本研究选取与CloudSat卫星产品对应时间段（20062016年）的南海夏季风爆发时间进行分析。2结果与分析2.1南海夏季风爆发时间基于环流和温湿条件综合指标对南海夏季风建立时间的判定方法，对20062016年南海夏季风爆发月份的统计结果如图1所示，可见除了2009年和2014年的南海夏季风被监测到分别在4月和6月爆发以外，其余所有年份的南海夏季风均在5月份爆发，因此，在每年46月的华南前汛期中，我们将4月份划定为南海夏季风爆发前，将5月份划定为南海夏季风爆发的
12、过渡期，6月份则被划定为南海夏季风爆发后的时间段。2.2华南地区的云垂直结构特征如图2中的网格划分情况所示，本研究选用的CloudSat反射率高度直方图产品数据存储在22的固定经纬度网格点上，图中红色方框则表示在华南地区选取的对云垂直结构特征进行分析的研究区域，提取红框研究区域内的格点数据进行区域平均，并依据通过对南海夏季风爆发月份进行统计所得的时间划分情况，剔除南海夏季风爆发时间较常年早和晚的年份（2009年及2014年），提取每年46月的CloudSat产品数据进行时间平均，得到20062016年华南地区分别在4、5、6月份（分别对应着南海夏季风爆发前、南海夏季风爆发过渡期和南海夏2006
13、20082010201220142016年份南海夏季风爆发月份76543402期季风爆发后）的平均云垂直结构分布如图2所示。由图2a华南地区4月云垂直结构图中的频率大值区可见，在南海夏季风爆发前也即在南海夏季风建立前，华南地区上空主要分布的是向上发展至约3km高度的浅对流和垂直发展抬升至9至12km高的高云，此时探测到的低层浅对流的雷达反射率因子变化跨度在30至10dBZe之间，与高层云的雷达反射率因子的变化跨度基本一致，但高层云的雷达反射率因子更大，这表明高层云中的云粒子尺度更大。并且，对于南海夏季风爆发前的低层浅对流而言，随着雷达反射率因子的增大，即云中粒子尺度增大时，低层浅对流的高度变化
14、不大。但高层云的发展高度则随着云中粒子尺度的增大而有所降低，说明高层云中粒子随着上升气流的抬升生长增大，当云中的粒子增大到一定尺度后，云中向上的垂直气流不足以拖住粒子致使其开始落向地面，此时就会出现如（图2a）所示探测到的随着云雷达反射率因子增大，但发展抬升的高度降低的现象。到5月南海夏季风开始建立时，华南地区云垂直结构发生显著变化（图2b），由云出现的频率大值区显示，随着南海夏季风的爆发，华南地区上空低层云的出现频率有所增长，低层云的高度从3km处抬高至8km处，且此时低层云的雷达反射率因子明显增大到10至16dBZe之间。同样地，高层云的高度也显著增大，被抬升到10至13km处，但高层云的
15、雷达反射率因子在28至16dBZe之间，相较南海夏季风爆发前而言变化不大，这表明南海夏季风爆发首先影响低层云系的发生发展，南海夏季风爆发带来的充足水汽使得低层云中的粒子首先得以生长增大，并被抬升至更高的高度。图2c中6月云垂直结构表明，南海夏季风爆发后华南地区低层到高层云的出现频率都有了非常显著地增加（从4月南海夏季风爆发前的最高出现频率04增长到了6月南海夏季风爆发后的06），此时低层云系统发展得更为深厚，云的高度最高可发展到8km处，低层云的雷达反射率因子主要集中在10至16dBZe的区间，这表明南海夏季风爆发后，由南海地区持续为华南地区带来的水汽非常有利于云的生长，云中粒子得以生长增大，
16、且液相大粒子的比重与爆发前相比有了明显的增加。对爆发后华南地区的高层云而言，南海夏季风爆发除了使得其高度进一步抬升外，在丰沛水汽的持续影响下高层云中的粒子尺度也明显增大，有大量生长增大到一定尺度的液相粒子开始不受云内上升气流的承托开始落向地面。图2华南地区云的平均垂直结构分布图（填色表示云出现的频率）（a）4月；（b）5月；（c）6月2.3南海夏季风爆发早晚对华南地区云垂直结构的影响由南海夏季风爆发月份的统计结果（图1）可知，在2006年至2016年间有两个爆发时间较为异常的年份，其中2009年南海夏季风于4月份爆发，较往年偏早，而2014年爆发时间则较往年偏晚，于6月爆发。为了探讨南海夏季风爆发偏早偏晚对华南地区云的垂直结构的影响，分别提取研究区域内2009年和2014年的格点数据进行区域平均，得到华南地区在南海夏季风爆发早和晚两个年份的云垂直结构如图3、4所示。对比夏季风于5月份爆发的年份的平均云垂直黄洁，林健玲，任晓炜，等：南海夏季风爆发前后华南地区云的垂直结构特征0.100.200.300.400.50(a)(b)(c)18.015.012.09.06.03.0-30-20-1