結(jié)合MODIS云產(chǎn)品的黑龍江省2015年人工增雨潛力研究

摘要[目的]研究2015年黑龍江省人工增雨潛力的時空分布。[方法]利用再分析資料計算降水轉(zhuǎn)化率，并通過結(jié)合MODIS衛(wèi)星云產(chǎn)品，從人工增雨的微物理條件出發(fā)進一步研究了黑龍江省2015年春季和秋季的增雨潛力。[結(jié)果]在春季的松嫩平原大部分地區(qū)以及秋季的松嫩平原與三江平原大部分地區(qū)，降水量和降水轉(zhuǎn)化率均較小，存在一定的增雨潛力；春季，松嫩平原北部和三江平原中部存在適宜進行暖云催化增雨的區(qū)域；秋季，從松嫩平原北部至三江平原西側(cè)存在許多適宜暖云催化增雨的區(qū)域，同時在松嫩平原北部與三江平原西側(cè)的局部地區(qū)存在適宜冷云催化增雨的區(qū)域。[結(jié)論]該研究可為科學(xué)合理開展人工增雨規(guī)劃及作業(yè)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞人工增雨潛力；降水轉(zhuǎn)化率；MODIS；云微物理；黑龍江省

中圖分類號S423+.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）11-0171-05

Abstract[Objective] The research aimed to study the temporal and spatial distribution of artificial precipitation potentiality in Heilongjiang Province in 2015.[Method] The precipitation conversion rate was calculated by using the reanalysis data. The potential of rainfall in spring and autumn of Heilongjiang Province in 2015 was further studied by combining the MODIS satellite cloud product and the microphysical conditions of artificial rainfall.[Result] In most parts of Songnen Plain in spring and in Songnen Plain and most of the Sanjiang Plain in autumn， the precipitation and conversion rate of precipitation were small， and there was some potential for increasing rainfall.In spring， there were areas suitable for warm cloudy catalytic enhancement precipitation in the northern part of Songnen Plain and the middle part of the Sanjiang Plain.In autumn， there were many areas suitable for warm cloudy catalytic enhancement precipitation from the northern part of Songnen Plain to the western part of Sanjiang Plain. At the same time， there were areas suitable for cold cloudy catalytic enhancement precipitation in the northern part of Songnen Plain and the western part of Sanjiang Plain.[Conclusion] The study provides a basis for scientific and reasonable planning and operation of artificial rainfall.

Key wordsArtificial precipitation potentiality；Precipitation conversion rate；MODIS；Cloud microphysics；Heilongjiang Province

人工增雨是開發(fā)空中水資源、解決水資源緊缺與保障生產(chǎn)的重要手段之一，對人工增雨潛力的充分研究是科學(xué)合理開展人工增雨規(guī)劃及作業(yè)的必要前提。黑龍江省作為我國重要的商品糧基地，其水資源的重要性不言而喻，因此開展針對黑龍江省的人工增雨潛力研究是非常必要的。

針對云水資源開發(fā)和增雨潛力的研究有多種途徑，如齊彥斌等[1]對東北冷渦云系開展的飛機穿云觀測試驗、洪延超等[2]利用數(shù)值模式對層狀云增雨潛力開展的理論研究。而在國內(nèi)針對區(qū)域性增雨潛力的研究中，更多的是采用基于觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計變量來表征增雨潛力的時空分布，如以CWR-PEP評估法統(tǒng)計量[3-4]或降水轉(zhuǎn)化率[5-7]的大小來表示增雨潛力，針對黑龍江省也曾有過這類研究[8]。但這2種統(tǒng)計變量均存在一定的局限性。其中CWR-PEP法統(tǒng)計量通常主要基于理論估計的10%～15%增雨效率和地面降水計算得到，降水轉(zhuǎn)化率則通常以整層大氣可降水量和地面降水的比值計算得到，然而就目前切實可行的業(yè)務(wù)化增雨手段而言，人工增雨作業(yè)仍然是在適宜的條件下以人為改變云水的微物理特性及其變化過程為主要增雨手段[9]，事實上，在不同的云微物理條件下，既無法保證一定有10%～15%的增雨效率，也無法確保整層大氣可降水量一定可以轉(zhuǎn)化為地面降水。因此，在研究區(qū)域性的增雨潛力時對該地區(qū)的云微物理特性進行討論是非常有必要的。

近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為云水資源時空分布及其微物理特性的研究提供了極大的便利[10-12]，宋松濤等[13]利用國際衛(wèi)星云計劃（ISCCP）中衛(wèi)星反演的云水路徑數(shù)據(jù)（大氣柱中單位面積液態(tài)或固態(tài)水含量的總和）研究了西北地區(qū)的云水資源時空分布，林丹[14]利用MODIS衛(wèi)星云產(chǎn)品分析了西南地區(qū)的云水特征，其中MODIS衛(wèi)星3級云產(chǎn)品中提供并區(qū)分了液相和冰相2種相態(tài)的云水路徑、粒子平均尺度以及粒子尺度標準差等可以反映云微物理特性的反演量。筆者在利用降水轉(zhuǎn)化率對增雨潛力進行初步討論的基礎(chǔ)上，利用上述MODIS衛(wèi)星云產(chǎn)品所表征的云微物理特性對增雨條件做出進一步分析。

1資料與方法

選取歐洲中心ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集中0.5°×05°分辨率的2015年逐月的月累計降水和月均氣柱內(nèi)總含水量來表征黑龍江省2015年的降水及水汽條件情況，并選取MODIS衛(wèi)星3級產(chǎn)品中的月平均云產(chǎn)品（1°×1° 格點產(chǎn)品），利用其中的液相和冰相云水的云水路徑（反映含水量）、粒子平均尺度、粒子尺度的標準差（反映粒子尺度均勻性）來表征黑龍江省2015年云水部分微物理特性的時空分布。

在計算降水轉(zhuǎn)化率時，由于氣柱內(nèi)總含水量和整層大氣可降水量在定義上是相同的，因此可按公式（1）計算出降水轉(zhuǎn)化率。需要指出的是，降水轉(zhuǎn)化率本身并非是一個與實際物理過程相對應(yīng)的計算量，首先其分子是瞬時狀態(tài)量而其分母是累計量，其次其不能體現(xiàn)水汽及降水系統(tǒng)的輸送影響，但如果對其進行較長時間的平均，則其至少可以在一定程度上反映水汽向降水轉(zhuǎn)化在空間分布上的差異。因此文中討論的對象除地面降水外均為各個變量的季節(jié)平均量。

降水轉(zhuǎn)化率=日均整層大氣可降水量1地面24 h累計降水（1）

在分析云微物理特性與增雨潛力的關(guān)系時，不同類型的人工增雨作業(yè)所需要的云微物理條件不同，因此在利用MODIS云產(chǎn)品分析增雨潛力時應(yīng)更有針對性地對液相和冰相的含水量、粒子平均尺度等反演產(chǎn)品與不同類型增雨條件的關(guān)系進行討論。除催化釋放潛熱所帶來的動力效應(yīng)外，目前按照增雨催化劑種類可大致將增雨類型分為暖云催化和冷云催化[9]。其中暖云催化主要針對有一定液態(tài)含水量且云水粒徑較為均勻的云，這類云中由于云滴的碰并過程很弱導(dǎo)致云滴增長很慢，這時通過人工播撒吸濕性鹽核，可使云中迅速形成大滴并加速碰并過程，進而促進降水的產(chǎn)生。而冷云催化主要是通過播撒人工冰核或制冷劑使過冷水層中迅速產(chǎn)生人工冰晶，根據(jù)冰晶效應(yīng)（貝吉龍）的原理，過冷云中水面飽和水汽壓大于冰面飽和水汽壓，導(dǎo)致云中的過冷水不斷消耗，并使冰晶不斷增長，進而加速啟動冷云降水過程，其必要條件是有一定的過冷水和缺乏冰晶。但MODIS云產(chǎn)品并不能在垂直方向上分辨云水分布，即不能給出過冷水含量，因此這里只能利用已知試驗進行推論，根據(jù)封閉系統(tǒng)中的冰水轉(zhuǎn)化規(guī)律[9]，冰晶和水滴的數(shù)密度比越小即冰晶相對水滴數(shù)量越少時，冰晶最終的尺度及所需增長時間均越大或越長，由此推論到衛(wèi)星觀測及反演的情況，當(dāng)有一定過冷水含量但冰晶數(shù)量少時，應(yīng)能觀測到冰相水含量較少但冰相粒子尺度不均勻的情況。需要指出的是，上述變量雖然暫時無法找到精確的閾值進行定量判別，但在進行季節(jié)平均后，可以根據(jù)各個變量在空間分布上的相對大小進行分析。綜上所述，將MODIS云產(chǎn)品能夠反映的適宜增雨的微物理條件歸納為表1。

22015年黑龍江省降水量及轉(zhuǎn)化率

2.1年降水量概況黑龍江省山地與平原交錯分布（圖1a），其中西南的松嫩平原和東部的三江平原為主要的農(nóng)牧產(chǎn)區(qū)，從西北延伸至中部的小興安嶺以及南部的張廣才嶺和老爺嶺山區(qū)則為主要的林業(yè)產(chǎn)區(qū)。從全年累計降水（圖1b）來看，黑龍江省2015年降水量為400～850 mm，其中從西北延伸至中南部的山區(qū)降水相對充沛，局地有700 mm以上的大值中心，而平原地區(qū)降水相對較少，三江平原西北部分地區(qū)及松嫩平原的大部分地區(qū)當(dāng)年降水均不足550 mm，松嫩平原南部部分地區(qū)當(dāng)年降水不足450 mm。

（b）從黑龍江省各季節(jié)的月均降水量（圖2）來看，2015年黑龍江省降水的季節(jié)差異很明顯，全省境內(nèi)夏季月均降水量均在90 mm以上，而冬季（1、2、12月）全省月均降水量不足20 mm，春秋兩季降水介于冬夏兩季之間且整體偏少。其中春季松嫩平原大部分地區(qū)和秋季自松嫩平原到三江平原的大部分地區(qū)降水量均相對較少，月均降水量均小于30 mm。因此針對黑龍江省西南和東部2個平原地區(qū)的增雨潛力應(yīng)重點討論。

2.2各季節(jié)的降水轉(zhuǎn)化率從圖3可看出，2015年黑龍江省各個季節(jié)的降水轉(zhuǎn)化率為0.05～0.30。在春季與秋季降水相對較少的2個平原地帶，降水轉(zhuǎn)化率與全省相比也相對較小，轉(zhuǎn)化率低值中心不足0.10，相比于其他地區(qū)0.15以上的降水轉(zhuǎn)化率，上述平原地帶在春秋兩季仍然具有相當(dāng)?shù)脑鲇隄摿?。鑒于冬夏兩季降水轉(zhuǎn)化率空間分布相對均勻且當(dāng)年夏季降水充沛，冬季降水極少，在下文中主要針對黑龍江省春季和秋季上述相應(yīng)平原地區(qū)的云微物理特征及增雨條件展開討論。

45卷11期趙麗斌結(jié)合MODIS云產(chǎn)品的黑龍江省2015年人工增雨潛力研究32015年黑龍江省云水的微物理特征及增雨條件分析

3.1春季云微物理特征由當(dāng)年春季平均的液態(tài)云水含量（圖4a）可見，松嫩平原自西南向東北有一由少到多的液態(tài)云水含量的變化梯度（80～140 g/m2），其與該區(qū)春季降水量及降水轉(zhuǎn)化率均存在一定程度上的空間趨勢一致性，其西南部的轉(zhuǎn)化率和液態(tài)云水含量同時較小，表明水汽并沒有大量在此凝結(jié)為云水，因而春季松嫩平原并非大部分地區(qū)都適宜

進行暖云催化。而在松嫩平原北部（47°～48° N、125°～126° E），存在具有一定液態(tài)云水含量（120 g/m2左右）、液相云粒子尺度較?。?1.5 μm左右）、液相粒子尺度標準差較?。?.5 μm以下）的區(qū)域（圖4a、c、e），在一定程度上符合表1所示的增雨微物理條件，表明春季松嫩平原北部存在適宜進行暖云催化的區(qū)域。而在三江平原中部同樣也存在液相粒子尺度較小且標準差較小的區(qū)域，且該區(qū)域的液態(tài)云水含量較松嫩平原更大（140 g/m2以上），因此春季三江平原中部雖然降水轉(zhuǎn)化率已達到全省平均（0.15左右），但仍然有繼續(xù)通過暖云催化增雨的潛力。而從春季云水的冰相微物理特性（圖4b、d、f）來看，并沒有明顯符合表1中所述的具有一定液水含量、冰相水含量較少且冰相粒子尺度標準差大的區(qū)域，因而并未發(fā)現(xiàn)春季全省境內(nèi)有適合冷云催化的區(qū)域。

3.2秋季云微物理特征從秋季平均的液態(tài)云水含量（圖5a）來看，黑龍江省南部從西向東同樣存在著與降水量及降水轉(zhuǎn)化率小值區(qū)相對應(yīng)的液態(tài)云水含量較小的區(qū)域，即并非整個南部地區(qū)均存在適宜增雨的云水條件，但在松嫩平原北部、三江平原東西兩側(cè)以及黑龍江省中部到南部的山區(qū)仍然存在具有一定液態(tài)云水含量（120 g/m2及以上）的區(qū)域，且從松嫩平原北部至三江平原西側(cè)（47°～48° N、125°～130° E）以及三江平原東部偏南區(qū)域存在著許多同時符合液態(tài)云水粒子尺度較小且液態(tài)云水粒子尺度標準差較小的局地性區(qū)域（圖5c、e），表明秋季這些區(qū)域符合暖元催化增雨的微物理條件。而從秋季平均的冰相微物理特征（圖5b、d、f）來看，在上述具有一定液態(tài)云水含量的松嫩平原北部和三江平原西側(cè)冰相云水含量較少（小于170 g/m2）且冰相粒子尺度標準差較大（大于8.5 μm），推斷這些區(qū)域很可能是有一定過冷水而缺乏冰晶的區(qū)域，因此很可能符合冷云催化的微物理條件并具有冷云催化增雨潛力。

4小結(jié)

利用歐洲中心再分析數(shù)據(jù)并結(jié)合MODIS衛(wèi)星云產(chǎn)品，先后從降水轉(zhuǎn)化率和云水的微物理特征入手，對2015年黑龍江省不同季節(jié)的增雨潛力進行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）在春季的松嫩平原大部分地區(qū)以及秋季的松嫩平原與三江平原大部分地區(qū)，降水相對全省而言均偏少，同時這些地區(qū)的降水轉(zhuǎn)化率也較小，表明在這些相對干旱的平原地帶仍然存在一定的增雨潛力。

（2）根據(jù)MODIS云產(chǎn)品中與云微物理特性有關(guān)的參量分析，在春季，松嫩平原北部和三江平原中部存在適宜進行暖云催化增雨的區(qū)域，但并沒有適合冷云催化增雨的區(qū)域。在秋季，從松嫩平原北部至三江平原西側(cè)存在許多適宜暖云催化增雨的區(qū)域，同時在松嫩平原北部與三江平原西側(cè)的局部地區(qū)存在適宜冷云催化增雨的區(qū)域。

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