夏靜雯 傅云飛

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東亞與南亞雨季對(duì)流和層云降水云內(nèi)的溫濕結(jié)構(gòu)特征分析

夏靜雯1, 2傅云飛1

1中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥230026,2寧波市鄞州區(qū)氣象局，寧波315194

為認(rèn)知降水云內(nèi)的大氣溫濕結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文利用1998至2012年熱帶測(cè)雨衛(wèi)星的測(cè)雨雷達(dá)（TRMM PR）和全球探空數(shù)據(jù)集（IGRA）的探測(cè)結(jié)果，融合計(jì)算獲得了一套大氣溫濕廓線和降水廓線的準(zhǔn)時(shí)空同步資料，并利用該融合資料研究了雨季東亞和南亞降水云內(nèi)的溫濕結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定能量特點(diǎn)。個(gè)例研究結(jié)果表明深厚對(duì)流降水表現(xiàn)出整層大氣濕潤(rùn)、高空風(fēng)速小的特點(diǎn)，層云降水則表現(xiàn)出850 hPa以下大氣濕潤(rùn)、水汽隨高度升高顯著減少、高空風(fēng)速大的特點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明東亞季風(fēng)區(qū)降水強(qiáng)度更大，對(duì)流和層云降水的回波頂高度分別可達(dá)17 km和12 km；南亞季風(fēng)區(qū)降水強(qiáng)度較弱，回波頂高度比東亞約低1 km；統(tǒng)計(jì)結(jié)果還表明南亞季風(fēng)區(qū)對(duì)流活動(dòng)受季風(fēng)推進(jìn)的影響顯著。兩個(gè)季風(fēng)區(qū)降水云團(tuán)內(nèi)的溫度結(jié)構(gòu)差異主要出現(xiàn)在近地面，南亞的近地面溫度比東亞約高4°C，南亞對(duì)流降水云內(nèi)的大氣較東亞更干燥；整個(gè)雨季南亞降水的對(duì)流有效位能（CAPE）要大于東亞。本研究結(jié)果為模式模擬降水云溫濕結(jié)構(gòu)提供了觀測(cè)依據(jù)。

星載測(cè)雨雷達(dá)資料 探空資料 融合 降水廓線 溫濕廓線

1 引言

降水是大氣綜合因素作用的一種表象。降水釋放的潛熱對(duì)大氣環(huán)流有驅(qū)動(dòng)作用（Kummerow et al.，2000）。降水參與地球水分循環(huán)過(guò)程，調(diào)節(jié)著全球水分平衡。降水也與人類(lèi)生活密切相關(guān)，由其引起的旱澇災(zāi)害，將會(huì)直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

利用地基雨量計(jì)的直接測(cè)量、地面天氣雷達(dá)和衛(wèi)星多儀器的遙感探測(cè)，很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)降水時(shí)空分布等特性進(jìn)行過(guò)分析（Fu et al，2006；鄭媛媛等，2004；傅云飛等，2008，2012；Liu and Zipser，2008；Liu et al.，2008；劉鵬和傅云飛，2010；劉鵬等，2012）。以往的研究多探討大尺度或行星尺度系統(tǒng)活動(dòng)與區(qū)域或局地降水之間的關(guān)系（劉永強(qiáng)和丁一匯，1995；黃嘉佑等，2004；簡(jiǎn)茂球等，2007；楊蓮梅和張慶云，2008），如海氣相互作用與區(qū)域降水之間關(guān)系（楊明珠和丁一匯，2007）、熱帶東風(fēng)急流活動(dòng)與亞非降水之間關(guān)系（陳樺等，2007）等；或某種參數(shù)與降水之間的關(guān)系，如達(dá)爾文氣壓與蒙古東北降水之間關(guān)系（王會(huì)軍，2006）；而大尺度系統(tǒng)活動(dòng)對(duì)降水結(jié)構(gòu)的研究甚少（李銳等，2005；Li et al.，2011），對(duì)降水發(fā)生時(shí)大氣溫濕結(jié)構(gòu)等環(huán)境參數(shù)特征的研究很有限。最近，Biondi et al.（2012）結(jié)合全球定位系統(tǒng)（GPS）掩星（RO）和星載激光雷達(dá)（CALIPSO）探測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)深對(duì)流云頂GPS彎曲角變化劇烈，它與云中低溫相關(guān)很好。樊李苗和俞小鼎（2013）利用氣象觀測(cè)站雨量計(jì)資料和探空站探空數(shù)據(jù)，按降水時(shí)間與探空時(shí)間最接近的原則進(jìn)行資料比配，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了中國(guó)短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)特征。但如果探空時(shí)間超前或落后降水時(shí)段3小時(shí)以上，則探空給出的大氣溫濕風(fēng)結(jié)構(gòu)能否準(zhǔn)確反映降水時(shí)的實(shí)際情形，還有待分析。利用地面雨量計(jì)與地面天氣雷達(dá)的結(jié)合，可以對(duì)兩者給出的地表降水進(jìn)行相互檢驗(yàn)和校正（田付友等，2010；王紅艷等，2015）；而國(guó)際上多將衛(wèi)星探測(cè)結(jié)果與再分析資料相結(jié)合，給出云和降水的大氣參數(shù)分布（Mitrescu et al.，2008；Posselt et al.，2008），如Haynes and Stephens（2007）將云廓線雷達(dá)（CPR）探測(cè)的三維云結(jié)構(gòu)與模式結(jié)果結(jié) 合，分析了云結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的模式大氣參數(shù)分布。利用機(jī)載儀器穿云飛行，也可獲得小范圍云內(nèi)溫濕的分布，但這類(lèi)探測(cè)具有一定的危險(xiǎn)性且成本高。

直到現(xiàn)在，對(duì)云團(tuán)或降水云團(tuán)內(nèi)部的實(shí)際大氣溫濕風(fēng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還非常有限，對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)內(nèi)降水云內(nèi)部的大氣溫濕結(jié)構(gòu)特點(diǎn)缺少認(rèn)識(shí)?；诖耍疚膶釒y(cè)雨衛(wèi)星（TRMM）搭載的測(cè)雨雷達(dá)（PR）的降水結(jié)構(gòu)資料與全球常規(guī)無(wú)線電探空數(shù)據(jù)集（IGRA）的大氣溫濕資料進(jìn)行融合，針對(duì)東亞和南亞季風(fēng)區(qū)雨季，試圖揭示降水云團(tuán)內(nèi)的大氣溫濕風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)特征及差異，旨在進(jìn)一步研究降水云團(tuán)內(nèi)水成物結(jié)構(gòu)和潛熱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并為模式模擬提供準(zhǔn)確的觀測(cè)事實(shí)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)和方法

TRMM衛(wèi)星由美國(guó)航天航空局（NASA）和日本空間發(fā)展署（JAXA）共同研制，于1997年11月28日升空。該衛(wèi)星為非太陽(yáng)同步衛(wèi)星，軌道傾角35°，飛行高度350 km（2001年8月7日后升至402 km），環(huán)繞地球一周需91.3分鐘。其觀測(cè)范圍在南北緯38°之間，每天提供16條軌道信息，為熱帶副熱帶地區(qū)降水的探測(cè)提供了便利。搭載在TRMM上的PR垂直分辨率為250 m、水平分辨率為4.3 km（升軌后為5 km），垂直探測(cè)高度從地表至20 km（Kummerow et al.，1998）。文中使用了PR自1998至2012年的逐軌三維雷達(dá)回波（單位：dB）數(shù)據(jù)（資料名稱(chēng)2A25，第七版資料）；2A25資料提供降水分類(lèi)：對(duì)流、層云和其他類(lèi)型降水（Iguchi et al.，2000），具體見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)（Kummerow et al.，1998；Fu and Liu，2007）。

文中使用的 IGRA探空數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心（NCDC，http://www.ncdc.noaa.gov/oa/ climate/igra/[2013-03-02]）提供。該數(shù)據(jù)來(lái)自全球1500多個(gè)探空站每日00:00（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）和12:00兩個(gè)時(shí)次的探測(cè)，資料包括氣壓、溫度、位勢(shì)高度、風(fēng)向和風(fēng)速等大氣參數(shù)，并且經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量控制（Durre et al.，2006）?？紤]到亞洲地區(qū)探空站數(shù)據(jù)和PR資料的時(shí)間一致性，僅使用1998～2012年數(shù)據(jù)缺測(cè)率低于20%的IGRA探空站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)探空站）數(shù)據(jù)，其位置如圖1中藍(lán)色圓點(diǎn)所示，圖中黑框分別表示東亞季風(fēng)區(qū) [EASM，（20°～35°N，105°～125°E）]和南亞季風(fēng)區(qū) [ISM，（15°～25°N，75°～90°E）]。

圖1 全球探空數(shù)據(jù)集（IGRA）探空站分布（藍(lán)色圓點(diǎn)）和地表高度（填色部分，單位：m）。黑框?yàn)楸疚难芯繀^(qū)域，左框?yàn)槟蟻喖撅L(fēng)區(qū)，右框?yàn)闁|亞季風(fēng)區(qū)

此外，本文還使用了美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/國(guó)家大氣研究中心（NCEP/NCAR）的再分析資料（Kalnay et al.，1996）來(lái)分析降水發(fā)生時(shí)的大氣環(huán)流形勢(shì)。該資料空間分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間分辨率為6小時(shí)（00:00 、06:00、12:00和18:00），垂直方向17層（氣壓坐標(biāo)）。

由于探空時(shí)間固定，要利用探空站資料研究降水云內(nèi)的大氣溫濕結(jié)構(gòu)，就必須以探空時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)PR逐軌道降水資料進(jìn)行匹配?？紤]到探空氣球上升速度400 m min?1，氣球上升到20 km的時(shí)間為50 min，如假設(shè)空中平均水平風(fēng)速為10 m s?1，則探空氣球的水平位移為30 km（張文煜和袁九毅，2007），故本文將PR降水廓線與探空廓線相匹配，要求降水廓線對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度與探空站所在經(jīng)緯度相距不超過(guò)0.25°（約27.5 km），即降水廓線位于探空站0.25°經(jīng)緯度范圍內(nèi)，匹配的時(shí)間窗口為±1.5 h，以確保有足夠PR降水廓線樣本。由此可知，每次探空給出的大氣溫濕廓線僅代表探空站周?chē)?小時(shí)左右的大氣平均狀態(tài)，并非大氣瞬時(shí)狀態(tài)；而PR探測(cè)給出的是瞬時(shí)降水結(jié)構(gòu)。這反映了地基探測(cè)與衛(wèi)星遙感之間的一定差異，對(duì)此尚無(wú)法克服，但必須知道。

PR的靈敏度為16～18 dB（Kozu et al.，2001），在TRMM衛(wèi)星升軌之后，PR的靈敏度變?yōu)?7.2～19.2 dB（Takahashi and Iguchi，2004），故文中定義回波頂高度為PR探測(cè)到的第一個(gè)大于20 dB的回波信號(hào)出現(xiàn)的高度（Kelley et al.，2010）。

在亞洲地區(qū)，對(duì)流降水出現(xiàn)頻次遠(yuǎn)低于層云降水，該地區(qū)大部區(qū)域?qū)α鹘邓l次小于3%，而層云降水頻次可達(dá)10%（傅云飛等，2008）。本文首先對(duì)探空站0.25°經(jīng)緯度范圍內(nèi)全部探測(cè)像素均為對(duì)流或?qū)釉平邓那闆r進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1），表明對(duì)流降水樣本少，這與已有研究結(jié)果一致。如果探空站0.25°經(jīng)緯度范圍內(nèi)存在兩種不同性質(zhì)降水，若對(duì)流降水像素比例高于30%（層云降水比例高于70%），則定義探空站內(nèi)的降水為對(duì)流降水（層云降水），即此時(shí)探空獲得對(duì)流（層云）降水的大氣溫濕廓線。表2為該定義下的樣本數(shù)，對(duì)流降水樣本增多使得統(tǒng)計(jì)結(jié)果更具代表性。文中統(tǒng)計(jì)分析將分別基于表1和表2的樣本進(jìn)行。

表1 雨季東亞和南亞探空站0.25°經(jīng)緯度范圍內(nèi)樣本統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果

3.1 個(gè)例分析

在統(tǒng)計(jì)分析前先進(jìn)行個(gè)例分析有助于了解數(shù)據(jù)匹配、降水類(lèi)型分布及探空站大氣溫濕廓線的細(xì)節(jié)，也可避免統(tǒng)計(jì)的盲目性。個(gè)例降水分別發(fā)生在中國(guó)南方四個(gè)探空站附近，這四個(gè)站是桂林站（站號(hào)：57957；25.33°N，110.3°E）、衢縣站（站號(hào)：58633；28.97°N，118.87°E）、洪家站（站號(hào)：58665；28.65°N，121.42°E）和射陽(yáng)站（站號(hào)：58150；33.77°N，120.25°E）。探空時(shí)間和PR探測(cè)時(shí)間見(jiàn)表3，兩者相差不超過(guò)30分鐘，可認(rèn)為探空給出了周?chē)邓频拇髿鉁貪窠Y(jié)構(gòu)。

表3 中國(guó)南方四個(gè)探空站探空時(shí)間和測(cè)雨雷達(dá)（PR）探測(cè)降水的時(shí)間

圖2為四個(gè)個(gè)例降水發(fā)生前5小時(shí)850 hPa和200 hPa大氣垂直速度及水平流場(chǎng)。從圖中可看到四個(gè)探空站均位于850 hPa上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度約?0.1 Pa s?1，其中衢縣站（圖2c）位于低壓區(qū)、南部有臺(tái)風(fēng)活動(dòng)，桂林站（圖2a）和洪家站（圖2e）位于850 hPa西南氣流中，射陽(yáng)站（圖2g）位于850 hPa偏東氣流中。200 hPa四個(gè)探空站仍處于上升運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，其中桂林站（圖2b）處于南亞高壓脊中、上升運(yùn)動(dòng)可達(dá)到?0.3 Pa s?1，衢縣站處于向北伸展的偏東氣流中（圖2d），而洪家站（圖2f）和射陽(yáng)站（圖2h）處于高空西風(fēng)氣流中。以上高低空的大氣流場(chǎng)配置均有利于降水出現(xiàn)。

圖2 個(gè)例降水發(fā)生前850 hPa（左）、200 hPa（右）垂直速度（填色部分，單位：Pa s?1）和水平流場(chǎng)（矢量，單位：m s?1）：（a，b）桂林站；（c，d）衢縣站；（e，f）洪家站；（g，h）射陽(yáng)站。綠色圓點(diǎn)指示站點(diǎn)所在位置

四個(gè)探空站周?chē)慕孛娼邓夭ǚ植既鐖D3所示，圖3a中有一條狹長(zhǎng)的西南—東北方向分布雨帶，其長(zhǎng)度約200 km，地表降水回波高值（40 dB）主要分布在雨帶的北部，恰好落在桂林站附近，此處正好對(duì)應(yīng)200 hPa的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)（圖2b）。圖3b中出現(xiàn)很多面積不等但雷達(dá)回波信號(hào)超過(guò)40 dB的強(qiáng)降水雨團(tuán)，這些雨團(tuán)共同組成了一個(gè)較寬廣的強(qiáng)降水區(qū)，衢縣站大致位于該降水區(qū)的中心；從回波信號(hào)分布可見(jiàn)在強(qiáng)雨團(tuán)之間存在著一些非降水區(qū)，這可能是對(duì)流云中強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)所誘發(fā)的對(duì)流周邊下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)（傅云飛等，2003）。圖3c中的近地面雷達(dá)回波信號(hào)表明洪家站位于一片弱降水區(qū)中，站點(diǎn)周?chē)孛娼邓夭ㄐ盘?hào)只有30 dB左右。而射陽(yáng)站（圖3d）周?chē)慕孛娼邓夭ㄐ盘?hào)零散且更弱（不超過(guò)30 dB）。

圖3 測(cè)雨雷達(dá)（PR）探測(cè)的近地面降水回波信號(hào)分布：（a）桂林站；（b）衢縣站；（c）洪家站；（d）射陽(yáng)站。直線AB和CD分別為過(guò)探空站且沿軌道前進(jìn)方向和垂直于軌道前進(jìn)方向的降水信號(hào)剖面位置（圖中黑色圓點(diǎn)為對(duì)應(yīng)的探空站位置）

研究表明降水的垂直結(jié)構(gòu)可反映降水雨團(tuán)的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)特性以及雨團(tuán)中降水的微物理特性（Zipser and Lutz，1994），這或許是大家對(duì)降水垂直結(jié)構(gòu)感興趣的原因。圖4為沿圖3中黑色實(shí)線和所示位置作出的雷達(dá)回波垂直剖面圖，圖中虛線為探空站所在位置。桂林站（圖4a）的回波頂高度可達(dá)10 km，超過(guò)50 dB的雷達(dá)反射率因子出現(xiàn)在2～5 km高度，表明這里出現(xiàn)了強(qiáng)度可觀的對(duì)流降水；衢縣站（圖4b）的回波頂高度可突破14 km，雷達(dá)反射率因子的高值區(qū)（50 dB）自地面向上延伸至6 km高度，在8 km高度以上仍存在超過(guò)40 dB的強(qiáng)回波，表明這里出現(xiàn)了尺度較大的冰和水粒子，且被強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)帶到對(duì)流層中上層。從圖3a和4b還可看到這兩個(gè)探空站周?chē)膶?duì)流降水回波頂高度的水平分布非常不均勻，這說(shuō)明了對(duì)流降水系統(tǒng)的非均勻性。相比而言，發(fā)生在洪家站（圖4c）和射陽(yáng)站（圖4d）周?chē)慕邓^弱。洪家站周?chē)邓幕夭斪罡卟怀^(guò)8 km，除東南方向的近地面降水雷達(dá)回波略大外（約45 dB），其他位置的雷達(dá)回波不超過(guò)35 dB，而射陽(yáng)站周?chē)慕邓夭敻叨炔怀^(guò)6 km，雷達(dá)反射率因子低于35 dB。洪家站和射陽(yáng)站的降水回波特征表明這兩個(gè)站發(fā)生了層云降水。

圖4 降水雷達(dá)反射率因子垂直剖面：（a，b）桂林站；（c，d）衢縣站；（e，f）洪家站；（g，h）射陽(yáng)站

降水雷達(dá)反射率因子在垂直方向的分布可用聯(lián)合頻次分布（CFAD）表示（Yuter and Houze，1995），它可表示雷達(dá)回波隨高度的分布，從而指示降水系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。圖5為上述四個(gè)探空站周?chē)走_(dá)回波的CFAD，圖中水平方向填色間隔為5 dB、垂直方向?yàn)?.25 km。發(fā)生在桂林（圖5a）和衢縣（圖5b）站的降水回波頂高度可突破14 km，近地面降水回波強(qiáng)度可達(dá)50 dB，說(shuō)明這兩個(gè)探空站周?chē)霈F(xiàn)深厚對(duì)流活動(dòng)。相比之下，表現(xiàn)出層云降水特征的洪家站（圖5c）和射陽(yáng)站（圖5d）的降水系統(tǒng)比較淺薄，洪家站的回波頂高度不超過(guò)9.5 km，超過(guò)50 dB的強(qiáng)回波只出現(xiàn)2 km以下；射陽(yáng)站（圖5d）周?chē)慕邓畡t更弱，其回波頂高度不超過(guò)8 km、近地面雷達(dá)反射率因子不超過(guò)40 dB。

基于本文的融合資料集，很容易給出這四個(gè)個(gè)例降水云中的大氣溫濕廓線和不穩(wěn)定能量。描述不穩(wěn)定能量的指數(shù)有很多，其中對(duì)流有效位能（CAPE）是一個(gè)同時(shí)包含低層、高層空氣特性的參數(shù)，被認(rèn)為能較真實(shí)地描述探空資料所表示的大氣不穩(wěn)定度（彭治班等，2001）。CAPE表征的是氣塊絕熱上升時(shí)正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，若把自由對(duì)流高度到平衡高度間的層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線所圍成的面積稱(chēng)為正面積，從幾何意義上說(shuō)CAPE就正比于這個(gè)正面積（Smith，1997）。

圖5 降水雷達(dá)反射率因子的聯(lián)合頻次分布：（a）桂林站；（b）衢縣站；（c）洪家站；（d）射陽(yáng)站

圖6 降水云團(tuán)內(nèi)的大氣溫濕結(jié)構(gòu)：（a）桂林站；（b）衢縣站；（c）洪家站；（d）射陽(yáng)站。黑色實(shí)線為溫度廓線，藍(lán)色實(shí)線為露點(diǎn)溫度廓線，橙色填充區(qū)代表對(duì)流有效位能（CAPE），右邊為風(fēng)廓線

洪家站（圖6c）的降水發(fā)生時(shí)地表溫度為19.6°C；整層大氣水汽含量隨高度變化顯著，920～500 hPa溫度露點(diǎn)差約4～5°C，500 hPa以上溫度露點(diǎn)差急劇增加，在400 hPa達(dá)到40.5°C，大氣呈下濕上干分布；該站地表以上盛行西（西南）風(fēng)，250 hPa以上風(fēng)速較大，可達(dá)25 m s?1。射陽(yáng)站（圖6d）的降水活動(dòng)發(fā)生時(shí)地表溫度只有11.5°C；低層大氣較濕潤(rùn)（溫度露點(diǎn)差低于4°C），500 hPa以上溫度露點(diǎn)差急劇增加，在300 hPa達(dá)到34.5°C，也呈現(xiàn)出上干下濕狀分布；850 hPa以上呈西風(fēng)，風(fēng)速較大，高空風(fēng)速可達(dá)35 m s?1。

以上個(gè)例分析表明星載測(cè)雨雷達(dá)與探空站的融合資料，可以較好地表示降水垂直結(jié)構(gòu)和降水云團(tuán)內(nèi)的大氣溫濕垂直結(jié)構(gòu)。

3.2 統(tǒng)計(jì)分析

東亞季風(fēng)區(qū)與南亞季風(fēng)區(qū)雖然同處亞洲，但卻是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的季風(fēng)系統(tǒng)（朱乾根等，2000），其降水結(jié)構(gòu)及降水云內(nèi)的大氣溫濕結(jié)構(gòu)或許存在差異。為此圖7給出了這兩個(gè)季風(fēng)區(qū)降水的雷達(dá)回波CFAD圖，可見(jiàn)東亞對(duì)流降水的回波頂高度可達(dá)15 km，對(duì)流降水云上部（12 km以上）存在超過(guò)40 dB的雷達(dá)反射率因子，而南亞對(duì)流降水的回波頂最高不超過(guò)14 km。層云降水回波6 km以上超過(guò)20%的回波小于25 dB，5 km以下回波多在20至30 dB之間（比例15%～17.5%），5 km高度附近的融化層明顯（即亮帶顯著），這與以往的結(jié)果基本一致，即層云降水的雷達(dá)反射率因子自回波頂向下增大，最大值出現(xiàn)在凍結(jié)層（5 km附近），再往下雷達(dá)反射率因子基本不變，成雨過(guò)程已基本結(jié)束（傅云飛等，2003）。東亞層云降水回波頂高度可達(dá)12 km，而南亞層云降水的回波頂高度較東亞約低1 km。

圖7 1998～2012年雨季東亞（左）和南亞（右）降水雷達(dá)反射率因子的聯(lián)合頻次分布。探空站附近范圍內(nèi)降水樣本全部為（a，b）對(duì)流降水和（c，d）層云降水；圖中水平方向填色間隔為2 dBz，垂直方向?yàn)?.25 km

為了解圖7中降水結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的云中大氣溫濕結(jié)構(gòu)、不穩(wěn)定能量的分布，圖8給出了探空計(jì)算得出的云中大氣平均溫濕廓線、層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線所圍正面積的二維概率密度分布，可以看到兩季風(fēng)區(qū)的平均溫度廓線在700～150 hPa基本一致，平均溫度遞減率約6.4°C km?1，溫度差異主要出現(xiàn)在近地面，南亞近地面溫度比東亞約高4°C，這可能是由探空探測(cè)的地方時(shí)差異造成的。

對(duì)流降水平均溫度露點(diǎn)差自地面至700 hPa均低于1.5°C，且均方差小，表明降水時(shí)大氣低層水汽充足；隨著高度升高平均溫度露點(diǎn)差逐漸增大，至300 hPa可達(dá)9°C，說(shuō)明對(duì)流降水云的上部比較干。而層云降水的平均溫度露點(diǎn)差自地表至500 hPa基本不變（約3°C），500 hPa以上隨高度增加變大，在300 hPa處達(dá)到最大值7°C，說(shuō)明層云降水云內(nèi)的大氣上部也較干，但程度不及對(duì)流降水。

南亞對(duì)流和層云降水的平均CAPE分別為1238 J kg?1和1462 J kg?1，而東亞相應(yīng)的CAPE低于南亞，分別為1182 J kg?1和534 J kg?1。如圖8所示，南亞降水同一高度上的狀態(tài)曲線和層結(jié)曲線溫度差更大（比東亞高3～4°C），南亞對(duì)流（層云）降水的平衡高度在150 hPa（200 hPa）高度以上仍有分布；而東亞降水的正面積分布概率更集中，超過(guò)0.04%的大值區(qū)出現(xiàn)在700～250 hPa（對(duì)流降水）和700～450 hPa（層云降水）。兩季風(fēng)區(qū)不穩(wěn)定能量分布特征的差異可能與探空探測(cè)的地方時(shí)差異有關(guān)，通常大氣不穩(wěn)定能量在局地午后最大，南亞有一探空時(shí)次為地方時(shí)17時(shí)，而東亞探空時(shí)次多為地方時(shí)08時(shí)和20時(shí)。

圖8 1998～2012年雨季（a，c）東亞和（b，d）南亞探空站附近范圍內(nèi)PR探測(cè)像素為（a，c）對(duì)流降水和（b，d）層云降水對(duì)應(yīng)的云中大氣平均溫濕廓線、層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線所圍正面積的二維概率密度分布。圖中黑線為平均溫度廓線，藍(lán)線為平均露點(diǎn)溫度廓線，水平短直線為對(duì)應(yīng)的均方差，填色表示正面積二維概率密度分布（水平方向填色間隔為0.1°C，垂直方向?yàn)?0 hPa）

根據(jù)表1可知，探空站0.25°經(jīng)緯度范圍內(nèi)PR探測(cè)樣本全部為對(duì)流降水的情況少，特別在南亞僅有5次探空滿足條件。樣本過(guò)少可能會(huì)令統(tǒng)計(jì)結(jié)果不具有代表性，因此本文將探空站0.25°經(jīng)緯度范圍內(nèi)對(duì)流降水比例高于30%（層云降水比例高于70%）的情況定義為對(duì)流（層云）降水，樣本數(shù)如表2所示。基于表2的樣本，圖9給出了降水雷達(dá)回波CFAD。由于對(duì)流降水樣本增加，使得其分布形態(tài)較圖7更為完整，可看出自回波頂向下至7 km，20～30 dB的雷達(dá)回波所占比例超過(guò)12.5%；7～4 km大于7.5%的CFAD填充區(qū)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波強(qiáng)度隨高度的降低逐漸增大，這是降水云中粒子在下降過(guò)程中碰并增長(zhǎng)的結(jié)果（傅云飛等，2003）。東亞和南亞的對(duì)流降水存在明顯差異：東亞對(duì)流降水（圖9a）的回波頂高度可延伸至17 km，在12 km的高度上仍可探測(cè)到超過(guò)40 dB的強(qiáng)回波；南亞的對(duì)流降水（圖9b）相對(duì)較弱，回波頂高度最高不超過(guò)16 km，超過(guò)40 dB的強(qiáng)回波只存在于10 km以下。對(duì)于層云降水情況，由于表1中層云降水樣本已足夠多，能夠很好地表征層云降水的垂直結(jié)構(gòu)，因此圖9c–d與圖7c–d類(lèi)似，在此就不再詳述。對(duì)流降水中超過(guò)40 dB的強(qiáng)回波最高可達(dá)14 km，而6 km以上層云降水的回波強(qiáng)度都低于40 dB，表明對(duì)流降水云上部有尺度較大的冰和水粒子，這正是強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)所致（Zipser et al，2006; Xu and Zipser，2012）。

圖9 1998～2012年雨季（a，c）東亞和（b，d）南亞降水雷達(dá)反射率因子的聯(lián)合頻次分布，探空站附近范圍內(nèi)降水樣本（a，b）30%為對(duì)流降水和（c，d）70%為層云降水

圖10 1998～2012年雨季（a，c）東亞和（b，d）南亞探空站附近范圍內(nèi)PR探測(cè)像素（a，b）30%為對(duì)流降水和（c，d）70%層云降水對(duì)應(yīng)的云中大氣平均溫濕廓線、層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線所圍正面積的二維概率密度分布（圖中各顏色和線條示意同圖8）

在獲得雨季平均降水和大氣結(jié)構(gòu)后，還需要了解季風(fēng)推進(jìn)中降水及相應(yīng)大氣溫濕結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定能量的特點(diǎn)，為此文中對(duì)1998～2012年雨季多年月平均狀況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，樣本如表4所示。在東亞地區(qū)，層云降水多發(fā)生在5、6月，而對(duì)流降水則多發(fā)生在7、8月；在南亞地區(qū)，不論是對(duì)流還是層云降水，7、8月的發(fā)生次數(shù)都要多于5、6月。

表4 雨季東亞和南亞對(duì)流和層云降水多年月平均樣本

在整個(gè)雨季，東亞對(duì)流降水（圖11a–d）發(fā)展旺盛，表現(xiàn)出回波頂高（＞16 km）和回波強(qiáng)（＞ 55 dB）的特點(diǎn)，層云降水（圖12a–d）的回波頂高度可達(dá)12 km，且6～8月的對(duì)流和層云降水相比5月略強(qiáng)。在南亞季風(fēng)區(qū)，對(duì)流活動(dòng)則與南亞季風(fēng)的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。南亞季風(fēng)爆發(fā)前（5月），強(qiáng)降水主要分布在孟加拉灣沿岸地區(qū)，隨著季風(fēng)的推進(jìn)，強(qiáng)降水也逐漸向北移動(dòng)，主要集中在青藏高原南麓（Qie et al.，2014）。7～8月（圖11g–h）由于強(qiáng)降水主要分布在缺少探空站的高原南麓，難以獲取匹配數(shù)據(jù)，所以南亞7～8月的研究樣本中鮮有回波頂高度超過(guò)14 km的強(qiáng)對(duì)流降水出現(xiàn)；相比而言，南亞季風(fēng)活動(dòng)對(duì)層云降水的影響并不顯著，5月層云降水（圖12e）較弱，表現(xiàn)出回波頂高度低于11 km、雷達(dá)回波低于40 dB的特點(diǎn)，而6至8月（圖12f–h）層云降水的CFAD分布沒(méi)有明顯的季內(nèi)變化。

圖11 1998～2012年雨季（a–d）東亞和（e–h）南亞對(duì)流降水雷達(dá)反射率因子的多年月平均聯(lián)合頻次分布：（a，e）5月；（b，f）6月；（c，g）7月；（d，h）8月

圖12 同圖11，但為層云降水的情況

在東亞季風(fēng)區(qū)，5月（圖13a和圖14a）的降水活動(dòng)相對(duì)較弱，其對(duì)應(yīng)的大氣層結(jié)更干燥，對(duì)流 層中上部溫度露點(diǎn)差較其他月份約高1°C；大氣 的不穩(wěn)定能量也較小，5月平均CAPE約為775 J kg?1（對(duì)流）和299 J kg?1（層云），6～8月平均CAPE可超過(guò)1100 J kg?1（對(duì)流）和500 J kg?1（層云）。在南亞季風(fēng)區(qū)，5月季風(fēng)爆發(fā)前，對(duì)流（圖13e）和層云（圖14e）降水的溫度露點(diǎn)差都超過(guò)5°C，整層大氣較干燥；6～8月隨著西南季風(fēng)的推進(jìn)，受到來(lái)自阿拉伯海的暖濕氣流影響，降水的大氣層結(jié)變得濕潤(rùn)；整個(gè)雨季南亞降水的不穩(wěn)定能量均較高，平均CAPE可達(dá)1300～1800 J kg?1（對(duì)流）和1100～1300 J kg?1（層云），季內(nèi)變化并不顯著。

圖13 1998～2012年雨季（a–d）東亞和（e–h）南亞對(duì)流降水的多年月平均大氣溫濕結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定能量分布：（a，e）5月；（b，f）6月；（c，g）7月；（d，h）8月。圖中各顏色和線條示意同圖8

圖14 同圖13，但為層云降水的情況

4 結(jié)論

本文通過(guò)融合1998～2012年TRMM PR和IGRA的探測(cè)結(jié)果，生成了一套準(zhǔn)時(shí)空同步降水與大氣溫濕的廓線資料。利用該廓線資料集，對(duì)層云與對(duì)流降水云內(nèi)的大氣溫濕結(jié)構(gòu)、不穩(wěn)定能量及其在東亞和南亞季風(fēng)系統(tǒng)中的差異進(jìn)行了研究。

個(gè)例分析表明，深厚的對(duì)流降水個(gè)例回波頂可超過(guò)14 km，對(duì)應(yīng)的大氣廓線表現(xiàn)出整層大氣較濕潤(rùn)、高空風(fēng)速小的特點(diǎn)。而層云降水回波頂高度不超過(guò)8 km，對(duì)應(yīng)的大氣溫濕廓線表現(xiàn)為500 hPa以下較濕、水汽含量隨高度升高而減少、高空風(fēng)速大。

雨季平均統(tǒng)計(jì)分析表明，東亞和南亞季風(fēng)區(qū)的降水和大氣溫濕結(jié)構(gòu)存在明顯差異。東亞對(duì)流和層云降水回波頂可分別延伸至17 km和12 km；南亞降水相對(duì)較弱，對(duì)流和層云降水的回波頂高度相比東亞都約低1 km。兩季風(fēng)區(qū)降水云團(tuán)內(nèi)的平均溫度廓線在700～150 hPa基本一致；溫度差異主要出現(xiàn)在近地面，南亞的近地面溫度比東亞約高4°C，這是由探空探測(cè)的地方時(shí)差異造成的。兩季風(fēng)區(qū)對(duì)流降水發(fā)生時(shí)大氣低層水汽充足，上部較干，其中南亞對(duì)流降水的溫度露點(diǎn)差整體比東亞高0.5°C；而兩季風(fēng)區(qū)層云降水發(fā)生時(shí)大氣低層溫度露點(diǎn)差（約3°C）基本不變，上部也較干但程度不及對(duì)流降水。南亞季風(fēng)區(qū)的不穩(wěn)定能量較東亞更大，同一季風(fēng)區(qū)對(duì)流降水的不穩(wěn)定能量高于層云降水。

季內(nèi)變化統(tǒng)計(jì)分析表明，東亞季風(fēng)區(qū)5月的降水活動(dòng)比6～8月弱；南亞季風(fēng)區(qū)對(duì)流活動(dòng)受季風(fēng)推進(jìn)的影響顯著，7、8月的強(qiáng)降水集中在缺乏探空站的青藏高原南麓地區(qū)，所以這兩個(gè)月的南亞對(duì)流樣本中鮮有回波頂超過(guò)14 km的強(qiáng)降水出現(xiàn)。兩季風(fēng)區(qū)降水云內(nèi)溫度廓線的季內(nèi)差異都不大。但濕度表現(xiàn)出顯著季內(nèi)差異：東亞5月降水對(duì)應(yīng)的大氣比6～8月更干燥；南亞5月季風(fēng)爆發(fā)前整層大氣干燥，6～8月受來(lái)自阿拉伯海的暖濕氣流的影響，大氣層結(jié)變得濕潤(rùn)。東亞5月的平均CAPE相對(duì)6～8月較小，而在南亞整個(gè)雨季降水都具有較高的不穩(wěn)定能量。

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The Vertical Characteristics of Temperature and Humidity Inside Convective and Stratiform Precipitating Clouds in the East Asian Summer Monsoon Region and Indian Summer Monsoon Region

XIA Jingwen1, 2and FU Yunfei1

1230026,2,315194

To reveal the nature of the vertical structure of temperature and humidity inside precipitating clouds, a quasi-spatiotemporal synchronization dataset of temperature and humidity profiles, collocated with precipitation profiles, is generated in this study by merging Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Precipitation Radar (PR) and the Integrated Global Radiosonde Archive (IGRA) from 1998 to 2012. Based on this dataset, the characteristics of precipitation, temperature, humidity and convective available potential energy (CAPE) in the East Asian Summer Monsoon (EASM) region and Indian Summer Monsoon (ISM) region are investigated. Case studies indicate wet air in the atmospheric column inside deep convective precipitating clouds, together with weak wind in the upper atmosphere; while for stratiform precipitating clouds, wet air occurs below the layer of 850 hPa, accompanied by decreasing humidity and strengthening wind with height. Statistics illustrate a heavier precipitation intensity in the EASM region than in the ISM region, and the heights of storm tops can reach 17 km and 12 km for convective and stratiform precipitation, respectively, in the EASM region. Usually, the height of storm tops in the ISM is 1 km lower than that in the EASM region. Moreover, results also indicate that convective precipitation in the ISM is greatly impacted by the propagation of the monsoon. The significant difference of temperature for the precipitation scenario between the EASM region and ISM region also appears near the surface, i.e. about 4°C higher in the ISM than in the EASM region. Generally, relative dryer air occurs inside convective precipitating clouds in the ISM region, as compared to in the EASM region, and there is a larger CAPE precipitation scenario in the ISM region than in the EASM region.

TRMM PR, Radiosonde, Data merging, Precipitation profile, Temperature and humidity profile

10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15123.

1006-9895(2016)03-0563-18

P407

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15123

2015-02-02；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2015-07-28

夏靜雯，女，1990年出生，碩士，主要從事云和降水的衛(wèi)星遙感研究。E-mail: xjw0001@mail.ustc.edu.cn

傅云飛， E-mail: fyf@ustc.edu.cn

公益性行業(yè)（氣象）科研專(zhuān)項(xiàng) GYHY201306077，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)XDA05100303，國(guó)家自然學(xué)基金項(xiàng)目41230419、91337213

Funded by Special Scientific Research Fund of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grant GYHY201306077), Science and Technology Project of the Chinese Academy of Sciences (Grant XDA05100303), National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grants 41230419, 91337213)

夏靜雯，傅云飛. 2016. 東亞與南亞雨季對(duì)流和層云降水云內(nèi)的溫濕結(jié)構(gòu)特征分析 [J]. 大氣科學(xué), 40 (3): 563-580. Xia Jingwen, Fu Yunfei. 2016. The vertical characteristics of temperature and humidity inside convective and stratiform precipitating clouds in the East Asian summer monsoon region and Indian summer monsoon region [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (3): 563-580,