張昊天，劉敬武，李 春

(中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

近幾十年來，隨著全球變暖，西南極洲冰原表面融化程度和持續(xù)時間不斷增加[1-2]，而云通過調(diào)節(jié)南極冰原的物質(zhì)平衡和地表能量收支平衡等方式在其中扮演著一個至關(guān)重要的角色。許多研究討論了由云相態(tài)頻率的時空變化如何引起地表凈輻射的變化[3-4]，但這樣的分析忽視了云的不同相態(tài)在凈輻射強迫中的不同貢獻。對不同云相態(tài)的模擬誤差是導(dǎo)致全球模式此前在南大洋和南極大陸上空能量收支平衡出現(xiàn)誤差的主要原因[5-8]?？傮w來說，云相態(tài)頻率的時空分布對中高緯度地區(qū)地表輻射能量收支平衡具有極大的影響[9]，而分析云相態(tài)頻率和地表輻射通量的時空分布，已成為當(dāng)今研究極地能量收支平衡變化的重點之一。

基于不同的數(shù)據(jù)，前人對云相態(tài)頻率的氣候態(tài)分布已有部分研究。近期的現(xiàn)場觀測研究表明，過冷液態(tài)水云可以在-32 ℃的低空云層中存在[10]，并且通過衛(wèi)星反演資料可知，過冷水云、混合相態(tài)云廣泛地存在于南大洋及南極大陸中[11]。Listowski等[12]基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)地研究了2006—2010年南半球中高緯度不同相態(tài)云的水平分布與垂直分布，并探討了云相態(tài)頻率與海冰濃度的關(guān)系?；趯Σ煌鄳B(tài)云氣候態(tài)分布認(rèn)識的不斷提升，其對應(yīng)的輻射強迫貢獻也有了相應(yīng)的研究進展：Bennartz等[13]的研究表明，低層的液態(tài)水云頻率的異常上升對極地大陸冰原融冰事件的發(fā)生具有強烈的促進作用；Matus等[14]的研究則指出，由于反照率的不同，在海上云對下墊面降溫作用較強。Wang等[15]發(fā)現(xiàn)了冬季云相態(tài)頻率異常對次年夏季海冰重建的貢獻，并探討了云通過云輻射效應(yīng)來影響海冰濃度的機制。前人對南半球云相態(tài)分布及影響已有部分研究，但多是對不同相態(tài)云的云相態(tài)頻率與云輻射效應(yīng)的氣候態(tài)分布進行探究，無法在年際尺度上解釋云相態(tài)頻率變化及其對地表輻射收支平衡年際變化的貢獻。

在年際尺度上，南半球高緯度地區(qū)的大氣環(huán)流變化的主導(dǎo)模態(tài)是南半球環(huán)狀模(SAM)[16-18]。它反映了南半球中高緯度氣壓場的“蹺蹺板”現(xiàn)象，并體現(xiàn)環(huán)繞南極洲的西風(fēng)強度和位置，SAM指數(shù)的年際變化體現(xiàn)了南半球高緯度地區(qū)的最主要的大氣環(huán)流變化。隨著SAM指數(shù)的升高，南半球中高緯度位勢高度場以阿蒙森海為低壓中心(Amundsen Sea Low,ASL)呈現(xiàn)東-西偶極子分布，ASL西側(cè)羅斯海區(qū)域西南風(fēng)增強、東側(cè)別林斯高晉海西北風(fēng)增強、北部大洋西風(fēng)增強、南側(cè)南極大陸東風(fēng)增強，由此造成的氣候變化十分顯著[19-21]。Lubin等[22]通過合成分析對正SAM指數(shù)月份的云參數(shù)與負(fù)SAM指數(shù)月份的云參數(shù)作差，發(fā)現(xiàn)在西南極洲附近，正SAM年與負(fù)SAM年云相態(tài)頻率的分布有較大差異，并且云相態(tài)頻率的改變同時伴隨著風(fēng)向、風(fēng)速的改變。南極大氣環(huán)流變化、云相態(tài)頻率變化與SAM息息相關(guān)，但先前對云年際變化的研究通常基于較短時間的衛(wèi)星觀測，因此對不同相態(tài)云大范圍的空間分布隨SAM的年際變化知之甚少。

西南極洲為南極洲在50°W—160°W之間的地區(qū)，緯度范圍為60°S—90°S。由于西南極洲遠(yuǎn)離其他大陸，飛機和艦載儀器只能在較小的時間和空間尺度上進行對西南極洲云的觀測，無法長時間、大范圍地研究云的微物理特性。并且由于極地區(qū)域被動衛(wèi)星觀測的不確定性，南極上空的云相態(tài)和輻射影響未得到充分研究[9]。而在2006年美國航天局(NASA)與法國國家中心發(fā)射了云氣溶膠激光雷達和紅外探測器衛(wèi)星(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation,CALIPSO)[23]以及CloudSat衛(wèi)星[24]，基于兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演得到2B-CLDCLASS-LIDAR產(chǎn)品。微波雷達和激光雷達的測量共同提高了整體云的探測效率，并提供了2B-CLDCLASS-LIDAR產(chǎn)品中云相態(tài)分類所需的信息。在2011年之后由于A-Train衛(wèi)星電池組出現(xiàn)故障，使夜間數(shù)據(jù)丟失。另外由于西南極洲區(qū)域緯度較高，冬季(6—8月)多數(shù)時間處于極夜，2B-CLDCLASS-LIDAR產(chǎn)品的有效數(shù)據(jù)較少，而夏季(12—2月)西南極洲大氣環(huán)流隨SAM指數(shù)的變化較春季(9—11月)不明顯[25]，因此本文僅探究西南極洲春季白天云相態(tài)隨SAM指數(shù)的年際變化。

本文基于上述星載衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，以2006—2017年春季西南極洲上空的云作為研究對象，在水平和垂直方向上研究其云相態(tài)的空間分布特征和云相態(tài)隨SAM指數(shù)的年際變化，并同時探討了云相態(tài)空間分布的因素與驅(qū)動其隨SAM年際變化的原因。此外，本文還討論了云相態(tài)頻率的年際變化如何影響云輻射強迫的年際變化，這對認(rèn)識整個西南極洲的地表能量收支平衡并改善全球氣候模式中云相態(tài)的模擬都有著十分重要的作用，具有重要的學(xué)術(shù)價值。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1 星載激光雷達軌道數(shù)據(jù) 本文使用CloudSat衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心提供的CloudSat和CALIPSO激光雷達2B級云分類產(chǎn)品(2B-CLDCLASS-LIDAR)對云相態(tài)進行分類，用來在水平方向上和垂直方向上對西南極洲附近的云進行處理分析(數(shù)據(jù)下載地址為http://www.cloudsat.cira.colostate.edu/order-data)，此產(chǎn)品結(jié)合了CALIPSO激光雷達和CloudSat微波雷達不同的測量優(yōu)點，即微波雷達更易穿透較厚的云層、激光雷達不受地面微波信號干擾，通過判斷液體和冰粒之間的后向散射程度、快速消光系數(shù)和去極化程度來區(qū)分云相態(tài)。通常，激光雷達探測到更高的后向散射信號、更大的快速消光系數(shù)等參數(shù)可判斷為液態(tài)水云，反之則為冰云。對于混合相態(tài)云而言，使用基于溫度的雷達反射率閾值將其與液態(tài)水云區(qū)分開來，其中較高的反射率表明存在冰。在本研究中，含液水云與冰云空間結(jié)構(gòu)與年際變化均不同，所以使用2B-CLDCLASS-LIDAR產(chǎn)品將云分為冰云與含液水云兩類。含液水云是指根據(jù)2B-CLDCLASS-LIDAR云相分類識別出液相或混合相的任何連續(xù)云層。仿照Matus等[14]的算法，如果在多個不同的云層中識別出2種以上的云相態(tài)，即該多云層場景包含冰云、液態(tài)水云、混合相態(tài)云其中兩種云相態(tài)，則將該場景分類為含液水云相態(tài)，其余有云情形均分類為冰相態(tài)。

1.1.2 ERA5再分析數(shù)據(jù) 本文使用歐洲中尺度天氣預(yù)報中心ECMWF提供的2006—2017年春季ERA5月平均數(shù)據(jù)場(2(°)×2(°))。ERA5是最新的全球大氣再分析資料用以代替ERA-Interim數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)下載地址為https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-pressure-levels-monthly-means?tab=overview)。它提供了300 hPa以下的18層數(shù)據(jù)用以觀測西南極洲大氣環(huán)流背景場并探究驅(qū)動云相態(tài)年際變化的因素。本文使用的物理量主要包括海平面氣壓、氣溫、比濕、經(jīng)向和緯向風(fēng)速、垂直速度、相對濕度，主要用于分析物理量氣候態(tài)平均分布和年際變化特征。

1.1.3 CERES云輻射強迫數(shù)據(jù) 本文使用美國國家航天局(NASA)云與地球輻射能系統(tǒng)(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System,CERES)提供的2006—2017年春季月平均向下長波和短波云輻射強迫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)下載地址為https://ceres.larc.nasa.gov/data/。該資料主要用于分析云輻射強迫的氣候態(tài)分布及年際變化特征。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 SAM指數(shù) 仿照Gong等[16]的方法，本文使用ERA5再分析數(shù)據(jù)提供的月平均海平面氣壓場數(shù)據(jù)，將45°S與65°S的平均海平面氣壓差歸一化得到逐月SAM指數(shù)，并在2006—2017年的時間尺度上作去趨勢化處理。

1.2.2 水平和垂直云相態(tài)頻率 本文仿照Scott等[9]的方法來計算水平方向與垂直方向的冰云頻率與含液水云頻率，并在西南極洲區(qū)域?qū)⒔?jīng)緯度按2(°)× 2(°)劃分成若干個網(wǎng)格點，在此基礎(chǔ)上計算每個網(wǎng)格點中的月平均云相態(tài)頻率(CFreq(i,j))：

式中：N代表了衛(wèi)星軌跡格點在2(°)× 2(°)的經(jīng)緯度網(wǎng)格(i,j)中的數(shù)量，如果在垂直廓線中發(fā)現(xiàn)有某相態(tài)云的云層存在，則n=1。因此本文所計算的月平均云相態(tài)水平分布頻率是指在當(dāng)月內(nèi)某2(°)× 2(°)的經(jīng)緯度網(wǎng)格中出現(xiàn)云廓線的數(shù)量除以總廓線的數(shù)量得出，代表該月中云出現(xiàn)的頻率。

在垂直方向上，本文將西南極洲區(qū)域的大氣劃分為三維的空間，其垂直分辨率為240 m，水平方向則為1 ° ，這是因為在本研究中僅研究40°W—160°W的緯向云相態(tài)頻率分布，經(jīng)向云相態(tài)頻率則被平均。當(dāng)主動衛(wèi)星觀測到一個云層時，將以240 m為垂直分辨率增加在這個云底高度到云頂高度中的n，然后通過除以每個網(wǎng)格單元中的N總數(shù)(晴朗加上多云)對所有網(wǎng)格進行平均處理。月平均云相態(tài)垂直分布頻率即代表在某高度層上云相態(tài)出現(xiàn)的頻率。

通過上述方法的處理可以得到2006—2017年春季日間云相態(tài)水平分布與垂直分布頻率。之后使用線性回歸分析來探討逐月云相態(tài)頻率的距平與逐月SAM指數(shù)之間的關(guān)系以得知云相態(tài)頻率隨SAM指數(shù)的年際變化，并使用t檢驗來評估統(tǒng)計顯著性。

2 氣候態(tài)分布

圖1展示了在西南極洲不同相態(tài)云2006—2017年春季平均云相態(tài)頻率。該圖表明在春季不同的云相態(tài)具有不同的空間分布差異。冰云一般分布于西南極洲較高海拔的區(qū)域(見圖1(a))，而含液水云一般分布于南大洋海面上(見圖1(b))，且越靠近南極大陸及大陸冰架云相態(tài)頻率越少。與此同時，即使處于同一緯度下，總云頻率在南極半島東側(cè)和西側(cè)也有不同(見圖1(c))，南極半島水平分布的云相態(tài)頻率東側(cè)較西側(cè)為少，這種差異主要是由于含液水云的分布不均造成的。本文將西南極洲不同區(qū)域按緯度劃分為海岸扇區(qū)(65°S—75°S,40°W—160°W)與內(nèi)陸扇區(qū)(75°S—80°S,40°W—160°W)，以分析云的垂直結(jié)構(gòu)。

(黑色等值線代表地勢高度，間隔500 m，最外側(cè)黑色等值線地勢高度為0 m(下同)。在(a)～(b)中標(biāo)注出西南極洲重要的地理信息，(c)中將西南極洲區(qū)域劃分為海岸扇區(qū)(65°S—75°S,40°W—160°W)與內(nèi)陸扇區(qū)(75°S—80°S,40°W—160°W)。The black contours show topography at 500m intervals and the outermost black contour shows the height of 0m(the same hereinafter).Important geographic information of West Antarctica is marked in (a)～(b)and the West Antarctica is divided into coastal transect (65°S—75°S,40°W—160°W)and interior transect (75°S—80°S,40°W—160°W)in (c).)圖1 2006—2017年春季白天平均的(a)冰云頻率(填色，單位：%)、(b)含液態(tài)水云頻率(填色，單位：%)、(c)總云頻率(填色，單位：%)及在西南極洲上空的水平分布Fig.1 Springtime (SON)climatology of (a)ice cloud frequency (color shading;unit:%),(b)liquid-bearing (LIQB)cloud frequency(color shading;unit:%)and (c)total cloud frequency(color shading;unit:%)from 2006 to 2017

圖2展示了西南極洲850 hPa水平風(fēng)場疊加比濕場(見圖2(a))與850 hPa溫度場疊加相對濕度場。由圖2(a)可知南半球高緯度區(qū)域盛行以西風(fēng)為主的水平風(fēng)場，且隨著緯度的升高比濕逐漸降低。有趣的是，隨著海拔的降低，西南極半島海岸線區(qū)域風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|風(fēng)。這些下坡風(fēng)是由于南極大陸內(nèi)部的高海拔冰冷地形上的大氣強烈冷卻引起的，并且由于科氏力的作用，它們在到達海岸時向西偏斜，形成沿著海岸線的東風(fēng)。這些東風(fēng)在羅斯冰架上空與海洋上空的西風(fēng)帶匯合，形成了以羅斯冰架為中心的順時針風(fēng)場[25]。相比與比濕，相對濕度在西南極洲不同區(qū)域呈現(xiàn)出了較大的差異(見圖2(b))，尤其是在南極半島東部，相對濕度相比與南極半島西側(cè)同緯度區(qū)域相差20%～30%左右。與此同時，西南極洲內(nèi)部陸地上空相對濕度相對于西南極洲其它地區(qū)更高。其原因為西南極洲內(nèi)陸緯度較高，太陽高度角偏低，使地面接收太陽輻射隨緯度升高而降低。另外，西南極洲內(nèi)陸地面由冰雪覆蓋，較冰架與海冰表面反射率更高，使地面接收的太陽短波輻射進一步降低，最終導(dǎo)致氣溫降低而使相對濕度增高。

圖2 2006—2017年春季850 hPa(a)比濕場(填色，單位：g/kg)、風(fēng)場(箭頭，單位：m/s)與(b)相對濕度場(填色，單位：%)、溫度場(等值線，單位：℃)氣候態(tài)平均分布Fig.2 Springtime (SON)climatology of (a)specific humidity (color shading;unit:g/kg),winds (vectors;unit:m/s)and (b)relative humidity (color shading;unit:%),temperature (contours;unit:℃)at 850 hPa from 2006 to 2017

圖3展示了在海岸扇區(qū)與內(nèi)陸扇區(qū)云相態(tài)頻率的垂直分布。由圖3(c)可知，在海岸扇區(qū)110°W—130°W區(qū)域含液水云頻率較其它區(qū)域更高，而在這一區(qū)域的0～2.5 km海拔高度上的上升運動較其它區(qū)域也更強，水汽隨著上升運動而抬升凝結(jié)，但這一上升運動達到的高度較低，氣溫降低幅度不大，因此冰云頻率在110°W—130°W區(qū)域內(nèi)沒有較大變化，而含液水云頻率則略微增高。而在南極半島區(qū)域則不同，由于西南極洲海岸扇區(qū)盛行強盛的極地西風(fēng)，因此在南極半島西側(cè)氣流爬坡產(chǎn)生強烈的上升運動，這一上升運動高度可影響至海拔6 km以上的高度，其大氣溫度足夠低，有助于冰晶的形成，使之成為冰云頻率在南極半島西側(cè)較高的原因之一；而在南極半島東側(cè)處于背風(fēng)坡，易形成焚風(fēng)效應(yīng)[25]，水汽較南極半島西側(cè)更少，相對濕度也同樣大幅降低(見圖2(b))，最終成為導(dǎo)致南極半島西側(cè)云相態(tài)頻率高于南極半島東側(cè)云相態(tài)頻率的重要原因之一。而在內(nèi)陸扇區(qū)(見圖3(d)～3(f))，冰云頻率顯著高于含液水云，并且在西南極洲內(nèi)陸盛行東風(fēng)，使其在羅恩冰架(40°W—60°W)西側(cè)產(chǎn)生上升氣流，而在羅斯冰架(140°W—180°W)東側(cè)產(chǎn)生下沉氣流，亦導(dǎo)致其成為東側(cè)冰云頻率高于西側(cè)冰云頻率的原因之一。

(灰色填色表示為地勢高度。Grey shades show the topography.)圖3 2006—2017年春季平均的((a),(d))總云頻率(填色，單位：% )、((b)、(e))冰云頻率(填色，單位：% )、(c,f)含液水云頻率(填色，單位：% )、溫度場(等值線，單位：℃ )、垂直風(fēng)(×102)和緯向風(fēng)合成場(箭頭，單位：m/s )氣候態(tài)分布Fig.3 Springtime (SON)climatology of (a,d)total cloud frequency (color shading;unit:%),(b,e)ice cloud frequency (color shading;unit:%)and (c,f)composites of LIQB cloud frequency (color shading;unit:%),temperature (contours;unit:℃),combination of vertical(×102)and zonal wind (vectors;unit:m/s)from 2006 to 2017

西南極洲云相態(tài)頻率的水平分布差異是導(dǎo)致西南極洲地表輻射收支分布差異的重要因素，圖4可知西南極洲上空的云對向下的短波與長波輻射都有著不同的影響。與總云相態(tài)頻率(見圖1(c))的分布相似，在西南極洲海岸扇區(qū)云相態(tài)頻率分布較高，導(dǎo)致該扇區(qū)短波云輻射與長波云輻射強迫較高；而在內(nèi)陸扇區(qū)則與之相反。

圖4 2006—2017年春季氣候態(tài)平均的(a)地表向下短波云輻射強迫和(b)地表向下長波云輻射強迫Fig.4 Springtime (SON)climatology of downward (a)shortwave (SW)cloud radiative forcing and (b)longwave (LW)cloud radiative forcing (CRF)at the surface from 2006 to 2017

3 年際變化

根據(jù)Gong等[15]的定義，SAM指數(shù)為45°S與65°S的海平面氣壓差，也是南半球700 hPa氣壓場作EOF分解后的第一模態(tài)。SAM指數(shù)體現(xiàn)了南半球高緯度地區(qū)的最主要的大氣環(huán)流變化，而將2006—2017年的SAM指數(shù)作去趨勢與歸一化處理后，得到春季SAM指數(shù)序列(見圖5)。

圖5 2006—2017年春季逐月南半球環(huán)狀模指數(shù)時間序列Fig.5 Springtime SAM index series from 2006 to 2017

3.1 云相態(tài)頻率水平分布年際變化

圖6展示了西南極洲區(qū)域不同云相態(tài)隨SAM指數(shù)的年際變化。從圖6(a)中可以看出，除羅斯海上空的一部分區(qū)域外，整個西南極洲的冰云頻率隨著SAM指數(shù)的升高而增大，尤以別斯林高晉海及南極大陸上空為盛；而圖6(b)則展示了含液水云隨SAM指數(shù)的升高在南極半島東側(cè)與羅斯冰架上空的減少趨勢。從總云頻率(見圖6(c))來看，云相態(tài)頻率隨SAM指數(shù)的年際變化在西南極洲呈現(xiàn)了以阿蒙森低壓為中心的東-西偶極子分布的趨勢。而驅(qū)動這一趨勢的因素則是西南極洲大氣環(huán)流背景場與水汽的年際變化。圖7(a)所示，850 hPa比濕的縱向輸運與水平風(fēng)場隨SAM的年際變化也同樣呈現(xiàn)出以阿蒙森低壓為中心的東-西偶極子分布的趨勢：在別林斯高晉海與南極半島上空北風(fēng)增強帶來南大洋的暖濕氣流；而在羅斯海與阿蒙森海西部上空則因南風(fēng)增強而造成比濕的減少。但相對濕度場隨SAM的年際變化卻不完全與比濕場相同(見圖7(b))：南極半島東側(cè)隨SAM指數(shù)的升高使氣溫升高，即使比濕隨SAM指數(shù)上升而提高，但相對濕度仍隨SAM指數(shù)的升高而減少；120°W—140°W的海上區(qū)域則相反，即使比濕隨SAM指數(shù)上升而降低，但氣溫的大幅減低導(dǎo)致相對濕度仍隨SAM指數(shù)的上升而增高，最終呈現(xiàn)出一個中心略與圖7(a)不同的東-西偶極子分布趨勢。

(黑色等值線代表地勢高度，間隔500 m，最外側(cè)黑色等值線地勢高度為0 m(下同)。打點區(qū)域為通過95%顯著性檢驗區(qū)域。The black contours show topography at 500 m intervals and the outermost black contour shows the height of 0 m (the same hereinafter).The regressions with significance at 95% confidence level are dotted.)圖6 2006—2017年春季對SAM指數(shù)進行回歸的(a)冰云頻率(填色，單位：%)、(b)含液態(tài)水云頻率(填色，單位：%)及(c)總云頻率(填色，單位：%)在西南極洲上空的水平分布Fig.6 Springtime (SON)regression onto SAM index of (a)ice cloud frequency,(b)liquid-bearing (LIQB)cloud frequency (color shading;units:%)and (c)total cloud frequency (color shading;units:%)from 2006 to 2017

圖7 2006—2017年春季850 hPa (a)比濕經(jīng)向平流(填色，單位：g/(kg·s))、風(fēng)場(箭頭，單位：m/s)及(b)相對濕度場(填色，單位：%)、溫度場(等值線，單位：℃，對SAM指數(shù)的回歸分布Fig.7 Springtime (SON)regressions onto SAM index of (a)meridional specific humidity advection (color shading;unit:g/(kg·s)),winds (vectors;unit:m/s)and (b)relative humidity (color shading;unit:%),temperature (contours;unit:℃)at 850 hPa from 2006 to 2017

3.2 云相態(tài)頻率垂直分布年際變化

圖8展示了西南極洲海岸扇區(qū)與內(nèi)陸扇區(qū)不同云相態(tài)垂直結(jié)構(gòu)與垂直風(fēng)場和溫度場的年際變化趨勢。從圖8(a)～(c)可知，在西南極洲海岸扇區(qū)云相態(tài)頻率隨SAM變化的趨勢大致可分為三個區(qū)域：160°W—130°W區(qū)域的下降趨勢，據(jù)前文可知是由于南風(fēng)增強所導(dǎo)致的云相態(tài)頻率降低；130°W—60°W區(qū)域的上升趨勢，據(jù)前文與圖8(c)可知是由于北風(fēng)增強而造成了在南極大陸海岸上升氣流增強，從而冰云頻率與含液水云頻率大幅增強；60°W—40°W區(qū)域的冰云上升趨勢與含液水云的下降趨勢，據(jù)前文與圖8(c)可知是由于西風(fēng)增強導(dǎo)致在南極半島東側(cè)形成焚風(fēng)效應(yīng)，下沉氣流的增強與氣溫的大幅升高導(dǎo)致低海拔的含液水云頻率大幅降低，而高空的冰云則無太大影響。而圖8(d)～(f)則展示了西南極洲內(nèi)陸扇區(qū)云相態(tài)頻率隨SAM變化的趨勢大致可分為兩個區(qū)域：65°W—110°W的上升趨勢，據(jù)圖8(f)可知是由于在西南極洲內(nèi)陸區(qū)域東風(fēng)增強導(dǎo)致在該區(qū)域遇坡產(chǎn)生強烈的上升氣流，從而使云相態(tài)頻率升高；110°W—160°W的下降趨勢，則是由于在西南極洲羅斯冰架及以東區(qū)域隨SAM指數(shù)升高從而使下沉氣流增強，2～8 km海拔云相態(tài)頻率大幅降低，同樣也屬于背風(fēng)坡的焚風(fēng)效應(yīng)，而高空(8～10 km)云相態(tài)頻率則不受影響，隨SAM指數(shù)的升高而升高。

3.3 云輻射強迫效應(yīng)年際變化

云相態(tài)頻率年際變化對西南極洲的影響主要在于云輻射強迫的年際變化導(dǎo)致西南極洲能量收支平衡的變化。圖9展示了地表向下云長波與短波輻射強迫隨SAM指數(shù)的年際變化趨勢，可知其與云相態(tài)頻率年際變化相似，均以阿蒙森低壓為中心呈現(xiàn)東-西偶極子分布：160°W—130°W區(qū)域短波云輻射強迫的上升趨勢與長波云輻射強迫的下降趨勢；130°W—60°W區(qū)域云輻射強迫的下降趨勢與長波云輻射強迫的上升趨勢；南極半島以東區(qū)域短波云輻射強迫的上升趨勢與長波云輻射強迫的下降趨勢。

4 總結(jié)與討論

本文基于2B-CLDCLASS-LIDAR產(chǎn)品計算了西南極洲上空的云相態(tài)頻率，分析了不同相態(tài)云頻的水平與垂直分布。結(jié)果展示了冰云與含液水云的分布特征，即冰云多分布于內(nèi)陸高海拔區(qū)域，含液水云多分布于海洋低海拔區(qū)域，這主要是由于地形與水汽輸送的空間分布不同所引起的。冰云的形成需要水汽與較低的氣溫，而南極大陸地勢較高，上空水汽含量較少，只有當(dāng)氣溫下降到足夠低才能使相對濕度趨于飽和，形成冰云。而含液水云則與之相反，海洋區(qū)域水汽較南極大陸多，因此水汽不需要很低的溫度就足以達到飽和。總體來說，含液水云多分布于威德爾海東部、別林斯高晉海、阿蒙森海以及羅斯海的南大洋開闊水域，而在南極大陸上分布較少；冰云則多分布于南極半島、瑪麗·伯德地以及埃爾斯沃思地等南極大陸高海拔區(qū)域。

(灰色填色表示為地勢高度(下同)。打點區(qū)域為通過95%顯著性檢驗區(qū)域。Grey shades show the topography (the same hereinafter).The regressions with significance at 95% confidence level are dotted.)圖8 2006—2017年春季SAM指數(shù)進行回歸的(a,d)總云頻率(填色，單位：% )、(b,e)冰云頻率(填色，單位：% )、(c,f)含液水云頻率(填色，單位：% )、溫度場(等值線，單位：℃)、垂直風(fēng)(×102)和緯向風(fēng)合成場(箭頭，單位：m/s )氣候態(tài)分布Fig.8 Springtime (SON)regression onto SAM index of (a,d)total cloud frequency (color shading;units:%),(b,e)ice cloud frequency (color shading;units:%)and (c,f)composites of LIQB cloud frequency (color shading;units:%),temperature (contours;units:℃),combination of vertical(×102)and zonal wind (vectors;units:m/s)from 2006 to 2017

(打點區(qū)域為通過95%顯著性檢驗區(qū)域。The regressions with significance at 95% confidence level are dotted.)圖9 2006—2017年春季SAM指數(shù)進行回歸的(a)地表向下短波云輻射強迫和(b)地表向下長波云輻射強迫Fig.9 Springtime (SON)regression onto SAM index of downward (a)shortwave (SW)cloud radiative forcing and (b)longwave (LW)cloud radiative forcing (CRF)at the surface from 2006 to 2017

不同云相態(tài)在西南極洲區(qū)域隨SAM的年際變化則是以阿蒙森低壓為中心呈現(xiàn)東-西偶極子分布：當(dāng)SAM呈正位相時，別林斯高晉海區(qū)域西北風(fēng)增強，在增強水汽輸運的同時產(chǎn)生強烈的沿岸上升氣流，從而使云相態(tài)頻率升高，其中冰云頻率提高8%左右，含液水云頻率提高2%左右；在羅斯海區(qū)域則因東南風(fēng)增強而導(dǎo)致強烈的下沉氣流與水汽向北流失，導(dǎo)致冰云與含液水云頻率均減少，其中冰云頻率減少2%左右，含液水云頻率減少6%左右；在南極半島東側(cè)則是在低海拔區(qū)域形成焚風(fēng)效應(yīng)致使含液水云頻率降低7%左右，高海拔區(qū)域冰云頻率升高6%左右。本文最后基于CERES云輻射強迫數(shù)據(jù)，量化了由云相態(tài)頻率分布及年際變化所導(dǎo)致的向下短波和長波云輻射強迫的空間分布及年際變化，發(fā)現(xiàn)了其分布隨SAM年際變化特征與云相態(tài)頻率的變化特征高度吻合，填補了該地區(qū)年際尺度上的地表能量收支平衡變化因素的空白。

本文目前只討論到云相態(tài)頻率隨SAM指數(shù)的年際變化以阿蒙森低壓為中心呈現(xiàn)東-西偶極子分布，并且隨著云相態(tài)頻率的年際變化，地表短波輻射與長波輻射也隨之改變。但是對于低壓中心處于阿蒙森海區(qū)域的原因尚不明晰。影響冰云頻率與含液水云頻率空間分布的原因還有哪些？不同云相態(tài)，不同云底高度的云層，不同厚度的云層如何影響南半球高緯度地區(qū)的云輻射強迫？SAM變化引起的海冰變化會不會對云相態(tài)頻率及云輻射效應(yīng)產(chǎn)生影響？這些問題將在下一步工作中進一步討論。

此外，SAM指數(shù)還具有顯著的年代際信號，并與厄爾尼諾指數(shù)、拉尼娜指數(shù)均有較大的相關(guān)性，這表明南半球環(huán)狀模很有可能通過大氣通道或海洋通道在年代際時間尺度上影響南半球中高緯度區(qū)域的大氣環(huán)流等因素。而大范圍長時間的主動云衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)僅有十幾年的時間長度，并且前人對極地云相態(tài)和云強迫輻射效應(yīng)的研究較少，對SAM指數(shù)如何影響全球范圍的氣候認(rèn)識不多。在本文的研究基礎(chǔ)上，未來將進一步探討SAM指數(shù)與其他氣候要素在不同時間、空間尺度上的聯(lián)系，并且分析不同云相態(tài)對云輻射強迫的影響作用。