大气中的云能吸收太阳光使大气升温､或者反射太阳光使大气降温，因此大气中的云会对地球-大气的辐射平衡产生重要的影响^{[1, 2]}.近年来的研究表明云的物理､光学特性随着季节和地理区域的不同而不同^{[3, 4]}.到目前为止，星载激光雷达被认为是探测全球大气中云的分布和其光学､微观特性的一种有效工具^{[5, 6]}.

近年来激光雷达遥感技术不断成熟，人们已经将激光雷达技术应用到了对大气的测量中.为了能够更好地对大气气溶胶､云的分布以及其光学､物理性质进行测量和研究，欧洲各地面激光雷达联合组织成立了欧洲气溶胶激光雷达研究网络(EARLINET)^[7].欧洲和美国自20世纪90年代初开始利用机载激光雷达进行了一系列的大气探测.为了对全球大气进行研究，自20世纪90 年代末至今激光雷达已经应用到对地探测的卫星上.1994 年9月航天飞机承载的三个波长的激光雷达(LITE)^[8]对地球部分地区大气成功地进行了测量，证明了星载激光雷达对云和气溶胶测量的可行性.为了进一步研究气溶胶､云对大气气候变化的影响，2006年4月美国和法国联合发射的CALIPSO 卫星^[9]，利用激光雷达遥感的原理对大气进行测量，并在可见光通道利用了偏振的原理^[10]，从而能够获得关于大气气溶胶､云更加详细的信息.

基于CALIPSO 卫星2006 年6 月至2010 年3月探测的数据¹⁾，本文主要研究北京地区云的统计特性､类别的区分，以及水云，过冷水和卷云的消偏振特性､光学厚度和分布高度的季节变化情况.本文第二部分简要地描述CALIPSO 卫星偏振激光雷达系统､大气探测原理以及云的分类方法.第三部分给出云的统计分析结果和水云､过冷水以及卷云的季节变化情况.总结分析结果将在第四部分给出.

1)http://eosweb.larc.nasa.gov/HORDERBIN/HTML_Start.cgi

CALIPSO 卫星上的偏振激光雷达系统如图 1所示^[11].Nd:YAG 激光器发射波长为1064nm 和532nm 的激光，其中532nm 的可见光由偏振状态产生仪产生所需的完全线偏振光.卡塞格林望远镜(主镜直径1m,视场角130μrad)接收大气后向散射光.接收的后向散射光经分束镜后分别进入1064nm和532nm 通道.其中，可见光(532nm)通道是一个偏振通道，接收进来的大气后向散射光经过偏振分束镜后分别进入与发射的线偏振光偏振状态分别垂直和平行的通道.可见光和红外光(1064nm)接收通道的探测器分别是光子倍增管(PMT)和雪崩光电二极管(APD).

图 1

Fig. 1

图 1 CALIPSO 卫星上的偏振激光雷达系统[11] Fig. 1 The polarization lidar of CALIPSO[11]

(1)

其中Pλ(z)是在波长为λ 的通道接收到的在高度z处的后向散射信号；Cλ 为波长为λ 的通道的系统参数，此系统参数可以由激光雷达探测的后向散射信号与大气中分子的后向散射信号在没有大气气溶胶的高度做比值而获得.β_，λ(z)和α_，λ(z)分别为在波长λ 下大气分子和大气颗粒的总后向散射系数和消光系数.其中τ 为光学厚度，是消光系数的积分值.CALIPSO 偏振激光雷达系统中三个通道的总衰减的后向散射信号可分别表示为^[11]

(2)

(3)

(4)

其中β_532，// (z)，β_532，⊥ (z)和β₁₀₆₄(z)分别为532nm平行通道､垂直通道以及1064nm 通道接收的总后向散射系数(包括大气中的分子和大气颗粒)；z₀ 为CALIPSO 的校准高度(一般在30-35km 之间).由532nm 的平行通道和垂直通道接收的后向散射信号方程(2)和(3)，消偏振度(包括大气分子和大气中的颗粒)参数δ532(z)可表示为^[13]

(5)

其中，top 和base分别代表云层的上､下边界的高度.CALIPSO 激光雷达自高空向下探测，故而积分就由云层的上边界高度积到其下边界高度.消偏振度δ 能够反映出云层内颗粒的微观特性，是研究云的一个重要物理参数.云的高度､温度信息则是研究云的辐射特性的重要参数.

大气中分布的云，根据其所含水分的结晶情况分为水云和冰云两种.Hu 提出了利用积分的衰减后向散射系数γ 和消偏振度δ 之间的关系来区分水云和冰云^[13-15]，其中

(6)

积分的衰减后向散射系数γ 和消偏振度δ 之间的关系如图 2所示，其中实线表示冰云，虚线表示水云.水滴组成的水云的单次散射不会改变入射光的偏振度^[13]，但是在水云内发生的多次散射就会使接收到的后向散射光的偏振度发生改变^[12].因此，水云的消偏振度随着探测深度的增加､后向散射的增强而增加，并且水云的消偏振度与其光学厚度正相关^[15].由图 2可以看出利用γ-δ 之间的关系可以很好地区分冰云和水云.冰云曲线中位于实线左上方的部分，即消偏振度值低､后向散射值大的区域代表冰云是由水平导向的片状晶体组成.水平导向的片状晶体的镜面反射不会改变入射光的偏振特性，因此其消偏振度的值较低，但镜面反射的后向散射却很大，因此水平导向的片状晶体主要位于冰云曲线的左上方的部分.不规则晶体颗粒的前向散射强，多次散射概率大，因此其消偏振度值大而后向散射信号强度则较低，所以位于冰云曲线右下方部分(对应的消偏振度为0.3-0.5范围内)的冰云则大部分是由不规则晶体颗粒组成的^[15].因此，由积分的衰减后向散射系数γ 和消偏振度δ 之间的关系可以很好地区分水云和冰云，并且能够进一步地区分冰云中的水平导向的片状晶体颗粒和随机导向的不规则晶体颗粒.

图 2

Fig. 2

图 2 积分的衰减后向散射系数γ 和消偏振度δ 之间的关系，其中冰云(实线)､水云(虚线)[15] Fig. 2 Schematic curves showing the relationships [15] between the layer-integrated depolarization ratioδand layer-integrated attenuated back scatter coefficientγfor ice clouds (solid line)and water clouds(dashed line)

为了研究北京地区云的统计特性，本文选取CALIPSO 卫星自2006年6月至2010年3 月之间在北京(39.92°N，116.43°E)100km 范围内探测的云数据，一共有114天的数据文件，其中每个数据文件中包含大约30个探测到的云层信息.探测的云的信息如，532nm 后向散射信号，云的高度､温度､光学厚度以及消偏振度δ和积分的衰减后向散射系数γ 等是由CALI PSO level2的数据文件中获取的.

由CALIPSOlevel2数据文件中提取的云消偏振度δ 和积分的衰减后向散射系数γ 在不同温度范围内的分布如图 3所示.其中，图 3中的每个散点表示探测到的一个云层.基于图 2 区分水云和冰云的原理，由图 3可知:温度在0℃ 以上时，大气中的云大部分为水云，然而由图 3a-3c可以得出温度在0℃至-25℃之间时，大气中依旧会有水云的存在，这个温度下水云中存在的水滴称为过冷水(super-cooledwater)；由图 3c可以得出，温度在-15℃ 到-25℃时，大气中有水平导向的片状晶体的冰云存在.由图 3d-3f可知:温度低于-25℃ 时大气中主要为随机导向的不规则晶体颗粒组成的冰云但是依旧会有少量的片状晶体颗粒的存在，而在温度低于-45℃时，则大气中分布的云基本上全部是随机导向的不规则晶体颗粒组成的冰云.

图 3

Fig. 3

图 3 不同的温度条件下，积分的衰减后向散射系数γ 和消偏振度δ 之间的关系 Fig. 3 The relationships between the layer-integrated depolarization ratioδand layer-integrated attenuated back scatter coefficientγat different temperature zones

为了研究云层的空间分布情况，图 4给出了不同温度下云的消偏振度和云的上边界高度的关系.由图 4可以看出:温度在0℃以上时，大气中的水云主要分布在4km 以下，其平均高度为1.6±1km； 而在温度低于-45℃ 时，大气中的冰云主要分布在8km 以上的高度，其平均高度为11.0±1km.温度在0℃至-25℃之间时，过冷水和水平导向的片状晶体的冰云则分布在4-10km 的范围内.

图 4

Fig. 4

图 4 不同的温度条件下，云层的上边界高度和消偏振度δ 之间的关系 Fig. 4 The relationships between the layer-integrated depolarization ratioδand the cloud layer top altitudeat different temperature zones

由以上结论可知在温度低于-45℃时不存在水云的情况，因此我们将温度在低于-45℃ 时的冰云称为卷云.并且，根据光学厚度的大小可以将卷云进一步分为:不可见卷云(Sub-visualcirrus,光学厚度小于0.03)､薄卷云(thincirrus,光学厚度小于0.3)和不透明卷云(opaquecirruscloud,光学厚度大于0.3).文献[2]中给出了2006年6月至2009年2月间卷云消偏振度的季节性变化，本节将进一步研究不同类别的卷云的统计特性.下面主要研究温度在0℃以上时的水云､温度在0℃至-15℃之间的过冷水和温度在低于-45℃时的卷云的季节分布特性.图 5表示水云､过冷水以及卷云的消偏振度，云 5 北京地区水云､过冷水以及卷云的消偏振度､高度以及对流层顶高度的季节变化图 Illustration of annual cycle of water,super-cooled water and cirrus depolarization ratio,layer altitude and tropopause over Beijing 层上边界高度以及对流层顶高度的月变化曲线图，其消偏振度､分布高度和光学厚度在不同季度下的平均值于表 1中给出.由图 5a曲线可以看出:在夏季和春季时水云的分布高度和消偏振度值要比在秋季和冬季时的相应值大.由表 1的结果可以看出:水云的年平均消偏振度为0.16±0.1，分布高度为1.6±1km,光学厚度为0.5±0.2，并且水云的消偏振度的值与水云的光学厚度正相关.图 5b显示在夏季和秋季时过冷水的分布高度要远远的大于在春季和冬季时的分布高度，而过冷水消偏振度的季节变化则不明显.过冷水的年平均消偏振度为0.15±0.1，分布高度为4.0±1.5km,光学厚度为1.1±0.4.由图 5c可以看出卷云的高度受到对流层顶高度的调制，即卷云的高度随着对流层顶高度的增加而相应地增加，反之亦然.卷云的消偏振度在夏季和春季时的平均值要比在冬季和秋季时的平均值要高.并且由图 5所示的卷云､水云和过冷水的消偏振度可以看出:卷云的消偏振度值大于水云和过冷水的消偏振值；其中卷云的年平均消偏振度为0.28±0.1，分布高度为11.0±1km,光学厚度为0.46±0.2.

表 1(Table 1)

表 1 北京地区水云､过冷水以及卷云的消偏振度，光学厚度和云层的上边界高度不同季节下的统计平均值 Table 1 Statistical mean values of depolarization ratio, optical depth and layer top altitude for water, super-cooled water and cirrus clouds over Beijing for different seasons

表 1 北京地区水云､过冷水以及卷云的消偏振度，光学厚度和云层的上边界高度不同季节下的统计平均值 Table 1 Statistical mean values of depolarization ratio, optical depth and layer top altitude for water, super-cooled water and cirrus clouds over Beijing for different seasons

为了进一步研究水云､过冷水以及卷云消偏振度的分布情况，图 6给出其消偏振度分布的柱状图.其中探测到的卷云共有656例，水云有1018 例，过冷水有790例.由图 6可以看出:探测到的卷云消偏振度主要分布在0.05-0.5 之间，而水云和过冷水的消偏振度则主要分布在0.05-0.3 之间.图 7 表示了三种卷云的消偏振度分布的柱状图.在探测到的卷云中，其中不可见卷云占36%､薄卷云占39%而不透明卷云占25%.由图 7 可以看出:不可见卷云的消偏振度主要分布在0.05-0.2 之间，薄卷云的消偏振度主要分布在0.1-0.4之间，而不透明卷云的消偏振度主要分布在0.3-0.5之间.

图 6

Fig. 6

图 6 北京地区水云、过冷水以及卷云的消偏振度分布的柱状图 Fig. 6 Histogram of depolarization ratio for water,super-cooled water and cirrusclouds over Beijing

图 7

Fig. 7

图 7 北京地区不可见卷云､薄卷云和不透明卷云的消偏振度分布的柱状图 Fig. 7 Histogram of depolarization ratio for sub-visual,thin and opaque cirrus clouds over Beijing

图 8表示了水云､过冷水和卷云的消偏振度随着其温度和高度变化的散点图.其中每个点代表探测到的一个云层.由图 8a在高度0-2km 的范围内，水云的消偏振度随着高度的增加而相应地增加，但在高度为2-4.5km 时其消偏振度值的分布比较分散.由图 8d在温度为0℃-30℃时水云的消偏振度主要分布在0-0.4之间.由图 8b和8e过冷水的消偏振度与高度､温度的散点图可以看出:过冷水的消偏振度随着高度的增加而减少，在温度为0℃至-15℃之间时过冷水的消偏振度主要分布在0-0.3之间.由图 8c和8f可以看出，卷云的消偏振度随着高度的增加和温度的降低而相应地增加.

图 8

Fig. 8

图 8 水云､过冷水和卷云的消偏振度与云层上边界高度关系图(a)-(c)､以及消偏振度与云层中间温度的关系图(d)-(f) Fig. 8 The relation between depolarization ratio and altitude(a)-(c)，and the relation between depolarization ratio and temperature(d)-(f)，respectively for the water cloud,super-cooled water and cirrus

基于CALIPSO 卫星2006 年6 月至2010 年3月的探测数据，本文主要研究北京地区云的统计特性，以及云的消偏振特性和其季节分布情况.根据统计结果可知温度在0℃ 以上时，大气中分布的云层主要为水云；而在温度低于-45℃时，则大气中分布的云基本上全是随机导向的晶体颗粒组成的冰云；温度在0℃至-25℃ 之间时，大气中会有过冷水和水平导向的片状晶体的冰云存在.

根据研究的温度在0℃ 以上时的水云､温度在0℃至-15℃之间的过冷水和温度在低于-45℃时的卷云的季节分布特性可知:水云､过冷水和卷云的年平均消偏振度分别为0.16±0.1，0.15±0.1 和0.28±0.1；分布高度分别为1.6±1km,4.0±1.5km和11.0±1km； 光学厚度分别为0.5±0.2，1.1±0.4和0.46±0.2.过冷水的消偏振度值随着其高度的增加而降低；卷云的消偏振度值随着其高度的增加和温度的降低而相应地增加，并且卷云的高度受到对流层顶高度的调制.卷云的消偏振度在夏季和春季时的平均值要比在冬季和秋季时的平均值大.在夏季和春季时水云的分布高度和消偏振度值要比在秋季和冬季时的相应值大.而过冷水的分布高度在夏季和秋季时达到最大值.

对云的消偏振度值分布区间的研究发现:探测到的水云和过冷水的消偏振度主要分布在0.05-0.3之间，而卷云消偏振度则主要分布在0.05-0.5之间.其中不可见卷云的消偏振度主要分布在0.05-0.2之间，薄卷云的消偏振度主要分布在0.1-0.4之间，而不透明卷云的消偏振度主要分布在0.3-0.5之间.云的这些特性的统计分析为进一步研究云对地球-大气辐射平衡的影响奠定了基础，而云的多年观测和季节性变化为大气气候的研究和天气变化情况的及时预报提供了科学的依据.致谢 感谢位于NASA Langley Research Centre的CALIPSO 卫星组提供的CALIPSO 激光雷达探测数据.