祁连山及周边地区不同下垫面云特性变化及其影响因素

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在全球变暖背景下,干旱半干旱地区的生态系统十分脆弱和敏感,气候变化对于这一地区人类生存及可持续发展具有决定性作用,近年来引起了人们的广泛关注。云作为调节气候的重要因素之一,是引起日照时数、相对湿度、气温和降水等气象因子发生变化的主要原因,其形成与变化对调节地球气候,水循环过程以及地球辐射收支平衡起着重要作用。而这些作用主要是通过云量、云类型、云水含量、云高、云厚、及云滴和云晶的尺寸大小等宏观和微观特性来实现的,且不同类型云在空间和时间特征上的差异较大。本文以CloudSat数据、ERA5再分析资料、TRMM降水资料和地面观测数据为基础,选择对区域气候变化高度敏感的祁连山及周边地区为研究区,以调节气候重要因素之一的云为研究对象,从地气系统角度出发,分析祁连山及周边地区不同下垫面云特性参量的水平与垂直分布特征以及云特性参量与各气象要素的响应关系,得出以下结论。(1)2006-2017年祁连山及周边地区总云量呈上升的趋势(7.4%/10a),高云和低云对总云贡献较高,且有微弱的起伏波动,低云变化较小。云量季节变化明显,夏季最高,冬季最小。区域中,青海湖区总云量最高,约为53%,其次为祁连山西部地区,约为33%,柴达木盆地地区云量最低。云液水含量在2006-2017年呈减少趋势(-1.6mg·m-3/10a);云冰水含量呈增加趋势(2mg·m-3/10a),但趋势均不明显。云液(冰)水含量的季节变化也是夏季较高,冬季最低。区域中,青海湖区云液(冰)水含量最高,其次为祁连山西部地区,河西走廊地区最低。(2)祁连山及周边地区的云量垂直分布有明显的季节变化,3-5月在6-11km处云量最高;5月之后,8-11 km云量开始减少,5-8 km云量开始增多。云液水含量、云冰水含量都有明显的季节变化,表现为夏秋季云液(冰)水含量最多,冬季最少。云的存在形式为:5 km以下以水云为主,5-10 km云中的水多为固、液态共存,10 km以上多是冰云。各区域中,青海湖区和祁连山西部地区云量、云液(冰)水含量最高。研究区内云主要以单层云为主,且随着云的层数增多,云的出现频率降低,云层变薄,相邻云层间的垂直距离缩小。各类云中高层云出现频率最高,其次为卷云,积云最低。深对流云云顶高度较高,云底高度较低,云平均厚度较大;雨层云云顶高度略低于深对流云,平均厚度仅次于深对流云;卷云、积云、层云云顶高度和云底高度的间距较小,云层较薄。(3)祁连山及周边地区云参量具有明显的经向和纬向分布特征,云量、云液(冰)水含量的经向分布在90°E-93°E和98°E-101°E之间高于区域平均值。云量和云液(冰)水含量的纬向平均分布在海拔较高的山区较高,海拔较低的祁连山以北地区较低。云层数中,1层云无明显经向分布,2-3层云在祁连山东部出现频率较高。纬向分布中,1层云和2层云在38°N以南地区的出现频率较高,3-5层云出现频率较高的区域较1和2层云略微偏南。各类型云经纬向分布受地形和水汽影响较为复杂。大多数环流与云特性参量的相关性不是很高,该地区云特性参量的变化可能受局地水热条件的影响更大。水汽含量高值区主要分布在祁连山东部地区,在一定程度上说明祁连山及周边地区云量的形成与发展是水汽与地形相互作用的结果。(4)2006-2017年期间祁连山及周边地区年平均气温呈上升趋势(0.53℃/10a),降水也呈微弱增加趋势。年平均气温在祁连山区和高原内部气温较低,在柴达木盆地和祁连山以北地区气温较高;降水呈现东南向西北递减的趋势。云量对气温的影响有较为明显的地域性特征,在祁连山、阿尔金山以北及祁连山中西部地区云量增多(减少)总是伴随着祁连山、阿尔金山以北地区及柴达木盆地气温的升高(降低);而柴达木盆地南部及东部边缘地区气温降低(升高)。云水含量与气温场之间也存在显著耦合模态,祁连山西北部地区是影响气温较显著的负相关区,相关系数-0.6。云量、云水含量与降水基本上以正相关为主。
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