云是天气气候中最重要、最活跃的因子之一, 它通过多种物理、化学和热力动力学作用, 一方面调节地球大气系统内部的辐射能量平衡, 另一方面对水分循环起重要作用。大气中各种尺度的运动乃至全球的气候变化, 都直接或间接与局地或全球辐射平衡有关, 而正是云的变化影响了辐射平衡、能量平衡及水汽交换。全球总云量及其变化趋势的错误估计会导致直接或间接利用云的宏微观参数、反射率、辐射参数、水汽和降水、气溶胶等物理量的气候变化研究、天气或气候模式研究产生偏差^[1-2], 而且由云问题产生的不确定性难以估计。因此, 准确了解总云量的空间分布和时间演变, 是进行大气辐射、能量和水循环、大气环境监测、气候分析研究和提高数值模式性能等的基础^[3-4]。

云宏观特征资料主要有:地面常规观测资料, 它具有观测时间序列长、局地代表性强的特点, 但测站分布极为不均; 卫星遥感资料, 始于20世纪60年代末, 如NOAA系列卫星云产品、国际卫星云气候计划ISCCP^[5]、地球观测系统EOS系列卫星云产品、云雷达卫星CloudSat云产品, 具有覆盖范围广、时间分辨率高、能够反演云的多种物理量等特点, 但由于对云识别技术还不完善, 对云的分层描述和低云的准确识别还不理想。另外, 还有利用资料同化方法将多种观测、探测结果合成的云产品, 如ERA-40与NCEP再分析资料。

在研究云-辐射-气候相互作用时需了解所使用云资料的特点及与其他同类资料的差异。前人对卫星和地面观测云量的比较已有不少研究^[6-8], 大都认为两者各具特色, 同时也存在较大的区域性差异。已有研究对ISCCP云量资料进行了质量评估^[9-10]。国内学者的工作, 也已基本验证了东亚地区ISCCP资料的可靠性^[11-18]。但这些研究或偏重于区域性云气候性特征分析, 或偏重于天基、地基云量分布形势的对比验证, 对观测方式不同导致的云量差异原因阐述不够充分, 而且所使用云量资料局限于2000年以前, 未揭示我国多年云量变化趋势。

利用卫星资料反演云量这一参数 (即云检测), 其结果主要取决于观测仪器精度和光谱分辨率、像元空间分辨率、反演算法等。卫星云检测算法判别出卫星像元为晴但相应地面云量观测值较大的情况并不少见。这既与卫星反演云量算法本身有关, 又与所观测云的性质如云种、云属等有关。卫星和地面观测总云量的差异性从根本上讲受观测仪器和观测对象的综合影响:卫星和地面云观测方式和观测时间具有差异性, 云体本身具有多变性 (云高、云厚、云状、云的出现时间和生命史), 云的水平/垂直空间分布特征。

二者观测方式不一样。卫星传感器对云顶进行自上而下的瞬时扫描; 地面人工观测自下而上对云底进行定时观测, 且观测结果具有一定主观性。云层重叠情况下, 自上而下的观测仍难区分出较高层云遮蔽的较低层云^[19]; 而自下而上的观测, 亦无法准确定量记录受较低层云遮蔽的较高层云云量。ISCCP产品尽管对高、中、低云云量的判识由于算法问题无法准确描述真实情况, 但对总云量特征的描述比较准确^[19]。

二者观测方式不一样造成观测范围不一样。卫星观测的云量是云顶面积占卫星视场角的比例, 由于观测精度受仪器分辨率限制会漏识面积较小的云块。地面台站观测云量是云底遮蔽天空的成数, 即全天空能见范围内所有的云, 这个范围相对卫星观测而言, 当能见度比较好时, 已超过卫星原始分辨率一个像元的大小。云底高度不同时, 在地面观测到的天空范围不同, 低云条件下的天空观测范围小得多。人眼对云占天空比例的视觉误差很大, 离测站近的云视觉效果面积偏大, 而远处的云视觉效果面积偏小, 因此, 依照人眼对天空的等分, 存在主观性误差, 而且这种误差因人而异。

二者观测时间不一致、云体的快速变化造成云量差异, 尤其是局地性云。卫星观测为自动瞬时连续扫描。地面观测第45分钟到第60分钟观察天空中云的变化, 观测结果是整点时刻的云量值。高度约在700~800 km的极轨气象卫星星载传感器的幅宽较小 (在2000 km左右), 观测5~6 min形成一景。高度约在35800 km处的静止气象卫星15~30 min对全圆盘视场进行连续扫描。

二者探测能力不一样。肉眼往往难以识别高空透明的卷云, 尤其是夜间, 而卫星对高云比对低云的探测能力强。当温度持续较高或较低 (如连阴雨天) 的云比较接近地面、云体少变情况下, 卫星云检测算法的结果往往是将低云误判为地表, 低估云量。积雪在卫星观测结果中易被误识为低云, 这时地面观测结果更可靠。另外, 由于可视程度的关系, 夜间地面观测云量有一定偏差^[20]。夜间光源主要来自月光与城市照明。卫星传感器有红外光谱通道, 不受观测时间的影响。

云顶高度、云底高度、云的厚度、云的空间分布, 对卫星和地面观测云量均有影响, 所观测的云隙与真实云隙存在差异。云离观测点越远, 从观测点到云的直线与云平面的夹角越小, 斜视观测情况下云间空隙被离观测点距离更近且有一定厚度的云所填补, 造成云量被高估。卫星资料云产品无法准确定量估计因地球椭球形效应、卫星轨道边缘畸变造成的离星下点远的云隙误识问题。在静止气象卫星全圆盘云图边缘即地球曲率较大处影响较大, 极轨气象卫星由于飞行高度较低影响较小。总之, 卫星观测总云量资料更适于揭示大范围的云气候特征, 在站点稀少的高原、荒漠、海洋等地区资料缺乏, 卫星观测具有绝对优势, 误差主要来源于云识别技术的缺陷。地面台站空间分布不均, 但地面观测总云量资料更有利于较真实地反映局地总云量分布情况, 特别是对低云的描述比较合理。

本文卫星观测总云量资料为自ISCCP官方网站获取的ISCCP D2产品^[21]月平均格点总云量 (http://isccp.giss.nasa.gov/products/browsed2.html), 一日8次 (世界时00:00, 03:00, 06:00, 09:00, 12:00, 15:00, 18:00, 21:00), 以静止气象卫星可见光和红外自旋扫描辐射仪VISS R观测结果为主。ISCCP D2产品是利用对单幅及连续几幅红外、可见光通道数据进行空间对比检验、时间对比检验、空间/时间统计分析、晴空合成、辐射率阈值设定等云检测得到的结果^[9], 空间分辨率已由280 km (等面积网格) 处理成2.5°×2.5°格点 (等经纬度网格)。地面总云量资料为中国气象科学数据共享服务网 (http:∥cdc.cma.gov.cn>) 中的“中国地面观测云资料数据集”年值数据, 是北京时02:00, 08:00, 14:00, 20:00一日4次地面常规总云量观测基础上形成的。本文选取我国172个ISCCP D2格点和568个地面站点 (如图 1中“。”及“·”所示)。

图 1

图 1. 1984-2006年ISCCP D2产品总云量 (a) 和地面观测总云量 (b)(单位:%) Fig 1. Total cloud amount of ISCCP D2 product (a) and ground observation (b) during 1984-2006(unit:%)

1984-2006年ISCCP D2产品和地面观测总云量图如图 1。卫星反演和地面观测多年平均总云量分布形势相当一致, 均反映出南方多于北方, 东部多于西部, 川黔地区为高值中心, 青藏高原西北部和内蒙古北部为云量最少的地区。青藏高原东侧和东南沿海的相对多云区、青藏高原北侧至内蒙古西部和东北的少云区都对应得比较好。川黔、雅鲁藏布江地区及长江以南地区总云量在70%以上。青藏高原北部、西北、东北、华北平原北部总云量在65%以下, 低值中心青藏高原西北部、内蒙古北部总云量不到45%。新疆、西藏大部分地区总云量基本维持在55%以下。

我国总云量时空分布特征与海陆分布、大气环流引起的季风气候及水汽输送等有关。川黔地区西面为高原, 遇高原阻挡的孟加拉湾南来水汽与南下的北方冷空气在此交汇后形成西南的相对湿度高值区, 局地性稳定的层状云出现频繁、生命史长, 夏季以低云为主的云层较厚。青藏高原北部、西北部因暖湿空气受高原阻挡无法北上至此而成为少云区。有抑制云生成作用的东亚H adley环流的下沉区受海陆分布和高原影响略微北抬, 且主要水汽源仅在季风期间来自温暖的印度洋、太平洋, 因此我国北方为云量相对低的地区。

我国地形复杂、区域跨度大, 云种、云量变幅大, 两套数据集所揭示的总云量具有区域性差异且量值偏差大。近23年我国172个ISCCP D2格点总云量为61.73%, 地面568个站点总云量为57.34%。ISCCP D2产品总云量最大值、最小值分别为77.60% (31.25°N, 103.75°E, 离此最近的地面站为四川都江堰)、48.10%(33.75°N, 81.25°, 位于西藏西北部), 而地面观测的最大值、最小值分别为86.8% (29.98°N, 103°E, 四川雅安站)、33.13%(41.57°N, 108.52°E, 内蒙古乌拉特中旗站)。从图 1的总云量空间分布上看, 我国东北、西北、华北地区差别较大, 这些少云地区地面观测普遍偏低, 卫星观测总云量比地面观测高10%左右。尽管新疆地面站点较少, 但反映了ISCCP D2产品描述的更为可信的青藏高原北侧、天山山脉中西部少云区和天山山脉西北部较小的局地性相对多云中心, 只是二者的量值和结构有所不同。另外, 地面资料未揭示出蒙古高原东部大兴安岭的局地性相对多云中心。我国东部、长江以南横断山脉以东的多云地区由于云层的光学厚度很大^[15-16], 总云量空间分布符合度相当好, 但这一小范围多云区域卫星反演值仍然比地面观测值低2%~5%:选取1984-2006年四川东南部、重庆、贵州地区的ISCCP D2格点和地面站点进行比较, 结果表明卫星和地面观测总云量分别为75.6%和78.5%。

少云地区总云量地面观测偏低主要原因已有相关论述^{[14, 18]}, 主要在于我国地理位置、地形引起区域性云量和云种不同; 其次, 卫星和地面两种观测方式对不同种类云探测能力有差异。北方地区多高云, 主要云状为卷云, 云的光学厚度也较小, 地面观测往往忽略这种薄云, 尤其是夜间, 而卫星能够探测得到, 因此总云量卫星观测高于地面观测, 北方地区卫星观测结果更可信。冬季, 卫星云检测方法在北方有积雪地区有时会将积雪误判为低云, 造成总云量卫星观测的虚假偏高。

多云地区卫星观测总云量略微偏低, 与云贵高原清晨往往多云雾或多层状低云、卫星对近地层雾或液水含量少的低云探测能力欠佳有关, 尤其与卫星识别逆温层下的低云较难有关。南方地区层状、积状等低云较多, 夏季多盛行对流性积状云, 午后对流云, 台风云系也易形成对流性云, 冷季以层状云为主, 常年均存在层积云、雨层云和较薄的高积云, 地面观测准确度较高。

ISCCP D2产品为格点数据, 地面观测为站点数据。为使总云量的天基面数据和地基点数据更具可比性, 本文将站点总云量通过算术平均计算到ISCCP D2格点上, 形成新的地面格点总云量年值序列, 再进行比较。可用于天基、地基总云量比较的格点有145个 (图 2, 新疆、西藏部分地区无地面台站)。考虑到不同地区云量气候特性不一致, 将我国陆地按表 1的区域范围分为西北、青藏高原、东北 (包括内蒙古的大部分地区)、华北、华南和长江流域 (后文简称为华南)5个区域。

图 2

图 2. 比较2.5°×2.5°ISCCP D2产品和地面观测总云量的145个格点位置 Fig 2. Location of 145 grids to compare total cloud amount of 2.5°×2.5°ISCCP D2 product and ground observation

表 1

表 1 各区域范围、格点数、平均台站数及1984-2006年ISCCP D2产品和地面格点总云量 Table 1 Scope of the sub-regions, grid number, average station number, grided total cloud amount of ISCCP D2 product, ground observation during 1984-2006

表 1 各区域范围、格点数、平均台站数及1984-2006年ISCCP D2产品和地面格点总云量 Table 1 Scope of the sub-regions, grid number, average station number, grided total cloud amount of ISCCP D2 product, ground observation during 1984-2006

天基、地基数据可对比格点上, 全国平均而言, 近23年卫星观测比地面观测高8.46%。ISCCP D2产品和地面观测均表明5个区域中华南总云量最多, 青藏高原次之 (因其覆盖范围包括100°E以西的一部分多云地区)。西北是卫星观测总云量最小的区域, 而东北由于地面资料无法反映大兴安岭附近的局地性相对多云区, 成为地面观测总云量最小的区域。华南ISCCP D2产品总云量高达69.32%, 仅比地面观测总云量低0.08%, 差值极小, 但仍能反映出这一多云区域卫星反演略微偏低的情况。青藏高原、华北ISCCP D2产品结果比地面观测高6%~8%。东北、西北少云区两种观测方式情况下的总云量差值最大, ISCCP D2产品结果比地面观测高17.40%和10.83%, 东北是天基、地基总云量差异最大的地区。不同区域天基、地基总云量量值及其差异性, 与前人的研究结果^[14]一致。由图 3的1984-2006年ISCCP D2产品和地面观测总云量差的空间分布可见, 我国南方地区总云量差异较小, 基本在5%以下, 藏北由于无有效的可比对格点 (图 2) 成为伪的总云量差小值中心。内蒙古、东北三省卫星和地面观测总云量差高于15%。

图 3

图 3. 1984-2006年ISCCP D2产品和地面观测格点总云量差 (单位:%) Fig 3. Gridded total cloud amount difference between ISCCP D2 product and ground observation during 1984-2006(unit:%)

我国160个台站1961-1990年云量变化不明显^[22]; 我国196个台站云量研究结果表明:1951-1994年我国大部分地区云量有减小趋势^[23-24]; 我国600多个台站分析结果显示:华北地区和海南总云量1983-1993年明显减少^[14]; 1984-2000年ISCCP D2产品揭示的全球不同云类云量变化趋势结果为全球平均总云量呈减少趋势^[16]。

各区域1984-2006年ISCCP D2产品和地面观测总云量多年变化基本一致 (图 4)。卫星和地面观测均表明:近23年, 东北总云量呈缓慢增多趋势, 而青藏高原、西北总云量呈减少趋势。卫星观测结果表明:西北是总云量减少最快区域。利用最小二乘法进行线性拟合, 可得到代表总云量年变化率的回归方程的斜率项系数 (表 2)。2003-2005年华南ISCCP D2产品和地面观测总云量差达3%~6%, 远大于表 1该区卫星地面23年平均总云量之差0.08%, 且不同于1984-2002年较为一致的变化趋势, 因此表 2中1984-2006年卫星和地面观测总云量多年变化相关系数0.369远低于1984-2002年的0.762。其余地区近23年相关系数均在0.6以上, 华北相关性最强。各区域1984-2002年卫星和地面观测总云量多年变化相关系数比1984-2006年的高。2003-2005年华北卫星观测总云量与其他年份相比偏高, 地面观测结果与2002年以前相当, 这3年卫星比地面观测总云量高10%~14%, 远大于表 1该区23年平均总云量差7.83%, 造成近23年华北卫星观测总云量年变化率为正、我国陆地的卫星观测总云量年变化率亦为正的结果。

图 4

图 4. 1984-2006年各区域ISCCP D2产品和地面观测格点总云量多年变化 Fig 4. Inter-annual variation of grided total cloud amount of ISCCP D2 product and ground observation in the sub-regions during 1984-2006

表 2

表 2 各区域卫星和地面观测总云量多年变化相关情况 Table 2 Relativity of total cloud inter-amount annual variation from satellite and ground observation results in the sub-regions

表 2 各区域卫星和地面观测总云量多年变化相关情况 Table 2 Relativity of total cloud inter-amount annual variation from satellite and ground observation results in the sub-regions

进行天基、地基总云量对比仅使用图 2的145个格点具有一定局限性 (见表 2“全图 1”), 为便于与其他相关工作进行比较, 利用图 1我国172个ISCCP D2格点和568个地面站点的总云量 (见表 2“全国2”) 进行了进一步分析。ISCCP D2产品和地面观测我国陆地总云量年变化率分别为-0.015%和-0.063%, 均揭示出近23年的总云量呈减少趋势。采用气候学时间序列分析中的累积距平法, 对1984-2006年ISCCP D2产品和地面观测总云量进行气候变化趋势分析 (图 5)。1984-2006年ISCCP D2产品总云量年变化率-0.015%小于地面观测结果-0.063%。气候突变点检测结果表明, 近23年总云量经历了先减少再增加的变化过程。ISCCP D2产品总云量变化趋势为:1984-1997年减少、年变化率为-0.162%, 1998-2006年增加、年变化率为0.368%。地面观测总云量变化趋势为:1984-2001年减少、年变化率为-0.132%, 2002-2006年增加、年变化率为0.357%。

图 5

图 5. 1984-2006年172个ISCCP D2格点和568个地面站点总云量多年变化 (a) 及总云量累积距平 (b) Fig 5. Total cloud amount inter-annual variation of 172 ISCCP D2 grids and 568 stations (a) and their integral anomalies (b) during 1984-2006

分别利用1984-2000年、1984-2001年、1984-2002年、1984-2003年、1984-2004年ISCCP D2产品172个格点总云量资料以累积距平法进行检测, 发现总云量先减少再增加的情况是自有了2003年数据后才开始出现的。也就是说, 2002年以前的天基、地基数据均表明总云量趋势是单调减少的。前人的工作由于使用的是2000年以前的资料, 并未揭示出近年总云量增加的趋势^{[14, 16, 22-24]}。比较天基、地基1984-2001年和2002-2006年的总云量年变化率发现, ISCCP D2产品1984-2001年总云量减少趋势 (年变化率-0.152%) 比地面观测结果 (年变化率-0.132%) 略强, 2002-2006年总云量增加趋势 (年变化率0.342%) 比地面观测结果 (年变化率0.357%) 略弱, 两种观测方式下的结果尽管相差不大, 但均表明总云量有先减少再增多的过程。ISCCP D2产品结果表明, 2002-2006年我国总云量的增多主要发生在华南、华北, 引起这些地区总云量发生变化的原因, 有待进一步研究。

本文研究了卫星和地面观测我国总云量空间分布特征、不同观测方式造成的总云量差异, 以及总云量近23年的气候变化趋势。结果表明:1) ISCCP D2产品和地面观测总云量资料对我国总云量分布形势和气候变化的描述比较一致, 但具有区域性定量差异。天基、地基数据可对比格点上, 全国平均而言近23年卫星观测总云量比地面观测高8.46%, 华南符合度最好, 东北差异最大。2) 利用我国172个ISCCP D2格点和568个地面站点的总云量进行气候变化趋势分析, 结果表明: 1984-2006年我国总云量呈减少趋势, ISCCP D2产品总云量年变化率-0.015%, 小于地面观测的总云量年变化率 (-0.063%)。近23年东北总云量缓慢增多, 青藏高原、西北总云量呈减少趋势。累积距平法检测出总云量1984-2001年减少、2002-2006年显著增加。

尽管卫星和地面观测方式不同, 观测对象较为复杂, 使瞬时云量观测值具有显著差异, 但进行时间和空间平均后这种不确定性减小很多。ISCCP D2产品空间分辨率较粗, 更适合进行大范围地区半定量化研究。ISCCP的传统产品由于反演算法近年看来已相对落后, 使用时需特别谨慎。地面资料的优势是能较真实地反映局地云的性质, 而卫星云产品更适合揭示大范围云的特征。不同高度云、不同性质云的准确识别和分析及其季节变化、日变化特征也有待进一步研究。本文的这些定量化结果与所选用地面站点的空间位置、所采用的空间匹配方法、天基及地基数据的观测采样率等有关。两种资料如何更好比对和相互订正的技巧目前仍不完善。本文分析的天基、地基总云量因观测方式等造成的结果差异性及其原因, 所得的总云量空间分布区域性差异、近23年总云量气候变化趋势等结果, 对研究和分析云量及辐射平衡、提高气候模式性能等具有一定参考价值。