引言

云是影响辐射和降水的重要因素，它不仅可以分别产生冷却和加热两种截然相反的辐射强迫效应从而影响地气系统的能量收集，还可以通过降水影响全球的水汽循环过程(汪会等, 2011; 王帅辉等, 2011; 张华和荆现文, 2016; 朱士超等, 2017; 刘柏鑫和李栋梁, 2018)。对云垂直结构的准确描述不仅可以提高气候模式预测的准确性和可靠性，还可以为人工影响天气作业中作业部位和催化剂的选择提供参考，是开展有效的人工增雨作业的前提(赵姝慧等, 2014; 孙晶等, 2015)。

云垂直结构参数包括云顶高度、云底高度、云层厚度、云层数以及云夹层厚度等(孙丽等, 2017)。云垂直结构参数的获取可以通过地面观测、探空和卫星观测等多种手段。地面云观测可以追溯到20世纪50年代甚至更早的时期(Sun et al, 2014)，为云的气候学研究提供了长期的观测数据，但当多层云同时存在时，地面观测仅能给出云底信息。地基主动遥感的发展为云垂直结构的探测带来了较为可靠的信息获取手段，激光雷达、云雷达等可以不间断地对云层进行自动观测(黄兴友等, 2013)，但目前站点较少，无法得到覆盖整个区域甚至全球的云分布信息(汪会等, 2011)。卫星观测由于其覆盖范围广、数据来源可靠等优点，在云研究中发挥着越来越重要的作用(刘瑞霞等, 2004; 丁守国等, 2004; 卢乃锰等, 2017; 高洋和方翔, 2018)。2006年发射的CloudSat卫星为云三维结构的研究提供了一种全新的信息渠道，其上装载的W波段(94 GHz)毫米波云雷达首次实现自上而下对云垂直结构的探测(王帅辉等, 2011)。目前该资料已被广泛应用于云垂直结构的研究。王帅辉等(2011)利用CloudSat资料对中国及周边地区的云垂直分布进行了研究，发现云层以单层云为主，多层云中以双层云为主，平均云顶高度、云底高度分别为8.2和2.8 km。彭杰等(2013)利用CloudSat与CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)观测的数据，对东亚地区云垂直分布进行了统计，发现单层云的出现概率在春季最高，而多层云在夏季的出现频率最高，云层厚度在1~3 km，且夏季最厚而冬季最薄。尚博等(2012)对华北和江淮地区降水云和非降水云的垂直结构差异进行了对比，发现降水云云底高度都在2 km以下，云厚以高于2 km为主，而非降水云的则相反。刘旸等(2017b)则对东北地区的降水云与非降水云进行了对比，发现东北地区以单层降水云为主，云底高度较低、云层较厚且夹层厚度更薄的云易产生降水。由此可知，学者们针对云层的垂直分布特征进行了大量的研究，但针对不同天气系统下，云系垂直结构特征的研究较少。

为建立适合辽宁省的人工增雨概念模型，本文利用EC-Interim再分析数据针对2004—2014年辽宁省进行人工增雨作业期间的所有天气系统进行了分析，筛选其中较为典型的天气系统，利用CloudSat过境期间的云廓线产品对不同典型系统影响下的云垂直结构进行了研究，并建立了云垂直结构模型。

1 数据和方法

2004—2014年辽宁省人工增雨作业的对象为冷云，受地面温度及碘化银(AgI)催化剂成核阈温的影响，增雨作业时段主要为3—11月。由于人工增雨作业开展与否还受过程降水量的影响，为了建立适于增雨作业的概念模型，本文仅对辽宁省进行人工增雨作业期间的天气系统及云垂直结构进行了分析。

1.1 天气形势分析

利用每日4次(02、08、14和20时，世界时)的EC-Interim再分析资料及6 h累计降水资料，对2004—2014年辽宁省进行人工增雨作业期间的天气形势进行划分。每次过程以降水开始时间作为过程开始时间，以降水结束作为过程结束时间，逐个分析降水过程中的中层(500 hPa)、低层(850 hPa)和地面的天气形势。根据影响降水的天气类型，对天气过程进行归类，并将出现频率≥2次·a^-1的天气类型作为典型天气系统进行云垂直结构分析。

1.2 云垂直结构分析

典型天气系统影响下的云垂直结构分析是基于CloudSat过境辽宁(38.5°~43.5°N、118.5°~126°E)期间的2级数据产品2B-GEOPROF数据以及ECMWF-AUX数据展开(数据来自ftp.cloudsat.cira.colostate.edu)。

在判断星下点是否存在云时，使用的2B-GEOPROF产品中的CPR_Cloud_mask(数据说明见表 1)和Radar_Reflectivity数据。Radar_Reflectivity中所含的信息是雷达的反射率因子的对数表现值，单位为dBz，CPR的最小可探测信号约为-30 dBz (Marchand et al, 2008)。综合以上，本文识别云的方法是当扫描数据格点上CPR_Cloud_mask≥20且Radar_Reflectivity≥-30 dBz时认为该扫描格点有云存在。

2 影响辽宁省的主要天气系统

通过分类，将2004—2014年间进行的所有作业过程按照天气系统的不同分为225次过程。500 hPa的影响系统主要有三种：西风槽型，共130次(58%)；低涡型，共91次(40%)；台风型，共4次(2%)。西风槽型和低涡型是影响辽宁省的两大主要类型。而对于这两类，在低层的影响系统又有不同。因此，根据500、850 hPa和地面天气配置的差异，影响辽宁省人工影响天气作业期间的天气类型共可分为17种，具体见表 2。

鉴于部分天气系统的出现频率较低，本文选取出现频率≥2次·a^-1的天气系统进行云垂直结构分析。由表 2可知，符合条件的共有四种天气类型，分别为西风槽—切变线—冷锋(CF型)、西风槽—低涡—蒙古气旋(MCW型)、西风槽—低涡—南方气旋(SC型)和低涡—低涡—蒙古气旋型(MCV型)。

3 不同系统影响下云层垂直结构特征分析

由于CloudSat卫星的地面覆盖宽度较窄(沿轨分辨率为2.5 km，横轨分辨率为1.4 km)，轨道重访周期较长(16 d)，因此在2006—2014年典型天气系统影响辽宁期间，共有95条有效轨道经过该地区(图 1)，不同天气系统下分别为14(CF型)，23(MCW型)，20(SC型)和38(MCV型)条，对应的廓线数分别为4269、9221、7620和12463条。对云廓线进行分析，发现不同系统影响下云层的出现频率差别较大。由于四层以上的云层出现频率较低(低于1%)，因此本文仅对四层及以下的云层进行了分析。图 2给出了四类典型天气系统影响下云层的平均分布特征及不同层数的云层出现频率(有云的廓线数占各天气系统下总廓线数的比例)。可以看出，SC型控制时，辽宁地区云的出现频率最高，达到81.46%，其次分别为MCV，MCW和CF型，其中CF型影响下的云出现频率仅为50.67%。而且，单层云的出现频率较多层云高，其中受MCW和SC型控制时，单层云的出现频率均较高(约为47.1%)，其次为MCV型(为43.76%)，同样CF型最低，仅为38.60%。而多层云中主要以双层云为主，其中SC型控制下，双层云的出现频率最高，为23.11%，CF型控制下，双层云的出现频率最小，仅为9.39%。

由不同天气系统下云层的垂直分布可以看出，就单层云而言，除SC型的云底高度较低外(1.84 km)，其他系统影响下的云底高度均在3 km以上，尤其是MCW型的平均云底高度高达5.50 km。单层云的平均云顶高度均较高，SC型影响下单层云的云顶高可以达到9.61 km，其次分别为MCW，MCV和CF型，云顶高度值分别为8.46、8.28和7.71 km，由此可知SC型影响下单层云最为深厚，平均值高达7.77 km，而MCW型最小，仅为2.96 km。

为了全面分析四种天气类型下云层的垂直分布情况，本文对不同云层数目的云层出现频率随高度的变化进行了计算，公式如下：

$ {{F}_{n, {{L}_{i}}}}\left(h \right)={{N}_{n, {{L}_{i}}}}\left(h \right)/\sum\limits_{h}{{{N}_{n, {{L}_{i}}}}\left(h \right)}\times 100\% $

(1)

式中，h为高度(单位：km)，F_{n, Li}(h)为n(n=1，2，3，4)层云中自下而上的第i层云L_i(i=1，2，…，n)在不同高度层上出现的频率，N_{n, Li}(h)为n层云中第i层云L_i在h±0.5高度层内出现的次数，h取值分别为1，2，…，20 km (孙丽等, 2017)。

图 3给出了四种典型天气系统影响下不同层次云层的出现频率随高度的分布，可以看出多数云层出现在15 km以下。就单层云而言(图 3a~3d)，CF型影响下的单层云出现频率呈双峰分布，峰值高度分别为2 km和8 km，对应的峰值频率基本在10.8%左右。MCW型影响下的单层云呈单峰分布，峰值高度和峰值频率分别为8 km和11.7%。而SC型在1~8 km，MCV型在3~8 km的云层出现频率随高度的变化不大，分别为9%和10%~11%。多层云(图 3e~3p)中不同层次云层的出现频率基本上为单峰分布，但随着云层数目的增加，相同层次的云层在低层出现的概率增大，峰值高度则保持不变或者降低。

除此之外，本文还对四类天气系统下所有云层的出现频率随高度的变化进行了计算。由于单层云的出现频率较高，因此四类不同天气系统影响下所有云层出现频率随高度的变化同单层云类似，只是峰值高度和频率稍有变化(图 4)。CF型影响下所有云层的分布依旧为双峰分布，峰值高度分别为2和9 km，峰值频率为10.8%和10.3%，其中在5~6 km存在一低值区；MCW型影响下的云层依旧为单峰分布，峰值高度为9 km，峰值频率最高(11.7%)。而且相比其他系统，5 km以下MCW型影响下的云层出现频率普遍低于其他系统，与图 2给出的MCW型云底高度普遍偏高相一致；SC型影响下的云层分布则在1~9 km变化不大，均在8.5%~9.5%，这与前文所述的SC型云层普遍较厚较为一致；MCV型影响下云层在4~7 km变化不大，基本在10%左右。

根据中纬度地区高、中、低云的划分标准，即高云云底高度在6 km以上，中云云底高度介于2.5~6 km，低云云底高度在2.5 km以下(赵姝慧等, 2014)，对四类天气系统影响下高、中、低云的出现频率进行分析(表 3)，可以看出CF型影响下低云和高云的比例均较高，而中云的出现频率仅为10.79%，这可能是由于干侵入导致的；MCW型影响下的中、高云出现频率均最高，分别为30.69%和48.91%，而低云的出现频率最低，这可能是由于近地面蒙古气旋影响下较差的水汽条件导致低云较少引起的；而相比其他系统，SC型影响下低云的出现频率最高(50.37%)，中云的出现比例较高云低，结合图 4可知，SC型云层发展较为旺盛，云层较厚，这是由于南方气旋输送的较为充沛的水汽导致的；而MCV型影响下除中云比例稍低外(26.32%)，低云和高云的出现比例相差不大，分别为39.15%和34.53%。造成MCW和MCV型云层结构出现差异的主要原因可能是由于云内上升运动的差别所导致的。

Wang and Rossow(1998)在分析云垂直结构对大气环流的影响时指出，云的垂直结构参数，包括最上层云顶的高度、多层云中云层之间的距离即云夹层的厚度以及云是否重叠，是影响大气环流的重要因素。而且，由于云夹层内相对湿度较低，会导致降落下来的雨滴或冰晶在云夹层中蒸发或升华，不利于降水云的发展，因此云夹层的厚度也是人工增雨作业需要考虑的因素(赵姝慧等, 2014)。表 4给出了典型天气系统影响下云夹层厚度的统计特征。可以看出，双层云中，云夹层的平均厚度主要在1.58~1.96 km，其中CF型的云夹层厚度最大，而SC型的云夹层厚度最小。三层云的云夹层厚度较双层厚度要小，均值在1.09~1.60 km，而四层云的云夹层厚度更小，均值在0.86~1.51 km。可以看出，随着云层数目的增加，云夹层的平均厚度减小。

统计发现，不同天气系统下云夹层厚度＜2 km的均达到80%以上，其中50%以上的云夹层厚度＜1 km，而且随着云层数目的增加，低于1 km的云夹层厚度所占的比例也有所增加。尤其是CF型影响下三层及四层云中云夹层厚度＜1 km的比例达到70%以上。其他天气系统影响下这一比例均在50%~70%。

4 作业云系垂直结构特征分析

在20世纪70—80年代，胡志晋(1979)讨论了降水形成机制及播撒盐粉的增雨效应，认为云厚是关键，要求云厚达1 km以上，从而可以通过随机碰并产生雨滴。于翡(2009)研究表明云厚>2 km的暖性降水积层混合云较有潜力。尚博(2012)研究发现降水云云底高度在2 km以下，单层降水云云厚> 6 km为主，多层降水云云厚2~4 km为主，夹层厚度1~2 km。而刘旸等(2017a)研究发现双层降水云中由于低层云厚较厚，云顶达到一定高度时，降水主要由低层云本身产生，云夹层的厚度对双层云的降水影响不大。因此，本文在利用云底高度≤ 2 km，云厚≥ 2 km的基础上，分别考虑夹层厚度≤ 1.5 km与不考虑夹层厚度两种方法，对作业云系的垂直结构进行了研究。

参照赵姝慧等(2014)的分析方法，利用云层数(单层S、双层D、三层T)、云层高度(高H、中M、低L云)、云层性质(冷云C、暖云W)对符合条件的云层分布及特征层高度进行了分析。考虑到统计代表性，仅对符合条件的廓线数目> 100条的云型进行了分析。分析发现两种方法给出的作业云系垂直结构相差不大，考虑云夹层厚度的条件下(图略)，MCW型中作业云系仅比不考虑云夹层厚度的情况下少了双层云低层低冷云顶层高冷云(DLHCC)，而且可以看到该类云中(如图 5所示)，低层云的云顶高度可以达到6 km以上。对两种方法识别降水云的准确率进行计算发现，考虑云夹层时降水云的判断准确率、漏报率与空报率分别为：89.0%、7.9%和3.1%，而不考虑云夹层时分别为85.4%、2.3%和7.7%。由此可知，当降水云系发展充分时，夹层对降水的影响很小。不考虑云夹层厚度对降水的影响，对四类天气系统影响下符合条件的云型进行统计发现，共有四种云型可被视为作业云系，分别为单层低冷云(SLC)、双层云低层低冷云顶层中冷云(DLMCC)、双层云底层低冷云顶层高冷云，以及三层云底层低冷云中层和高层均为高冷云(TLHHCCC)。其中CF型只有SLC一种云型，SC型中四种云型都存在，而MCW和MCV型影响下作业云系除SLC外，还有DLHCC云型。有云条件下，CF、MCW、SC和MCV型符合条件的作业云系的比例分别为29%、14.5%、59.7%和29.8%。

图 5给出了符合条件的作业云系的垂直分布情况以及特征温度(0℃、-7℃、-15℃)层所在的高度分布，可以看出，符合条件的云层均为冷云，其中SLC的云层厚度普遍较厚，云底高度均在1 km左右，云顶高度在7 km以上，而双层云中底层云的云层厚度均较顶层云大，三层云也是如此。

将特征温度层所在的高度与云层的垂直分布相结合，可以为判断作业高度以及选择催化剂类型提供参考。如图 5所示，除SC型影响下的DLMCC中云层在-15~-7℃存在夹层外，其他云型的底层云均能发展到-15℃以上，因此在降水云中，云夹层对于催化作业的效果影响不大。0℃主要在3 km以下，而-7℃的高度基本在4 km以上，-15℃主要在7 km以下。在进行作业设计时，可以考虑在3~4 km高度的云层内播撒致冷剂进行冷云催化，而4~7 km的云层内使用人工冰核进行冷云催化，而对3 km以下的暖云区内使用暖云催化剂，如吸湿性巨核或者暖云烟条，进行播撒，作业云系的特征参数具体见表 5。

5 结论

为区分不同天气系统影响下云垂直结构的差异，构建典型系统影响下的云垂直结构模型，从而为人工增雨作业提供参考，本文对2004—2014年辽宁省进行人工增雨作业期间，500、850 hPa以及地面的天气形势进行了统计，筛选典型系统配置下的云垂直结构进行了分析，并对作业云系进行了研究，主要结论如下：

(1) 辽宁省人工增雨作业期间根据天气形势的不同共分为225次过程，根据500、850 hPa和地面的系统配置划分主要有17种配置类型，出现频率≥2次·a^-1有四种天气类型，分别为西风槽—切变线—冷锋(CF型)、西风槽—低涡—蒙古气旋(MCW型)、西风槽—低涡—南方气旋(SC型)和低涡—低涡—蒙古气旋型(MCV型)。

(2) 对四种典型天气系统影响下的云垂直结构分析发现，不同天气系统影响下云层均以单层云为主，多层云中以双层云为主，单层云的云层厚度较多层云厚度大。MCW型影响下低云的出现频率最低，中、高云均最高，因此云底位置较高，而云层较薄。相比其他系统，SC型影响下的云层发展得较为旺盛，云底较低而云顶较高，云层较深厚。云夹层厚度大多(>50%)在1 km以下，而且随着云层数目增加，低于1 km的云夹层所占的比例增加。

(3) 典型天气系统下可被视为作业云系的有四种云型，分别为SLC、DLMCC、DLHCC、TLHHCCC。云夹层对降水云的影响较小，在不考虑云夹层的条件下，CF、MCW、SC和MCV型影响下作业云系的比例分别为29%、14.5%、59.7%和29.8%。各系统影响下作业云系均以SLC为主，SLC的平均云底高度低于1 km，而平均云顶高度可以达到7 km以上。四种天气类型影响下的作业云系中单层云或者多层云中的底层云均可以发展到-15℃温度层所在高度以上，因此云夹层的厚度对催化效果的影响较小。

值得注意的是，由于CloudSat卫星重访周期较长(16 d)，地面覆盖范围较窄，导致符合条件的样本数较少，因此本文仅针对辽宁省出现频率较高的四类典型天气系统影响下的云垂直结构特征进行了探讨。而这四类天气系统的出现频率仅占了所有类型的55.8%，因此今后有必要针对影响辽宁的其他天气系统进行进一步研究。