基于地基微波輻射計反演四川盆地水汽及云液態(tài)水的初步分析

鄭颯颯

(1.四川省人工影響天氣辦公室，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，成都 610072)

引言

水汽是大氣的基本參量，是空中水資源的重要組成部分，在云的演變和降水中起著重要作用，是云降水物理過程的重要介質(zhì)，云液態(tài)水以云、霧等形式存在，是選擇增雨作業(yè)條件的主要依據(jù)，是判別增雨作業(yè)潛力的重要指標，因此，在人工影響天氣作業(yè)中，對水汽和云液態(tài)水的研究有利于提高人工影響天氣效率。

目前，對水汽比較常見的觀測手段有地基微波輻射計、L波段的探空、地基GPS遙感、飛機探測和衛(wèi)星紅外等，地基微波輻射計具有全天候連續(xù)觀測的優(yōu)勢，可以實時地監(jiān)測大氣中的水汽變化，通過地基微波輻射計反演的水汽含量，可以彌補探空在時空分辨率上的不足，并針對一次天氣過程進行連續(xù)監(jiān)測，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外研究中[1-13]。大量研究表明，微波輻射計在非降水天氣下的水汽監(jiān)測是可信的[14-17]。snider[18]利用地基微波輻射計研究北大西洋的水汽、云液態(tài)水的季節(jié)變化特征，得出冬季水汽含量低于夏季。黃治勇等[19]基于地基微波輻射計資料對咸寧兩次冰雹天氣的觀測分析，得到降雹前大氣液態(tài)水和水汽及過冷水含量快速增長，降雹之后減小，對于冰雹的預(yù)警有一定指示意義。雷恒池等[20]利用微波輻射計探測降雨云系中水汽和垂直路徑積分云液水含量的一般特征，得出降雨開始前，水汽和垂直路徑積分云液水含量有躍增現(xiàn)象，提出在降水云系前方(周圍)存在豐水區(qū)的假設(shè)，認為這里可能是云滴向雨滴轉(zhuǎn)化的孕育區(qū)、人工增雨最佳作業(yè)區(qū)。

基于微波輻射計研究四川盆地水汽和云液態(tài)水的研究很少，本文利用地基微波輻射計反演的四川盆地水汽、云液態(tài)水資料，分析了水汽、云液態(tài)水四季的日變化，初步了解了四川盆地水汽變化特征，為科學(xué)開展人工增雨作業(yè)和降水天氣的預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

MWP967KV型地基微波輻射計安裝在宜賓縣國家基本站上，可實現(xiàn)多通道連續(xù)探測水汽和氧氣的大氣微波輻射，實時自動計算地面到10km的大氣溫度、濕度以及水汽含量(以下簡稱PWV)、云液態(tài)水含量等多種大氣參數(shù)，同時還能監(jiān)測地面的氣溫、濕度、氣壓、降水等氣象要素，探測時間間隔為4min；輸出廓線在垂直方向劃分為58層，地表到高度500m之間的分辨力為50m，2km以下的分辨率為100m，2～10km的分辨率為250m。

宜賓站探空資料為每天08和20時兩次觀測，輸出要素為溫度、位勢高度和相對濕度等，可用于計算水汽含量。利用微波輻射計07:15～08:15和19:15～20:15時段水汽含量的平均值分別代表08和20時探測值，與探空計算的水汽含量進行對比，以評估微波輻射計反演水汽含量的產(chǎn)品質(zhì)量。可降水量(Precipitable Water Vapor，PWV)是表征大氣水汽含量的指示因子，利用探空資料計算可降水量公式為

(1)

根據(jù)Tetens經(jīng)驗公式，水汽密度的計算公式為

(2)

(3)

相關(guān)系數(shù)的計算公式為

(4)

顯著性檢驗的計算公式為

(5)

平均誤差計算公式為

(6)

均方根誤差計算公式為

(7)

式中，PWV為水汽含量(單位：cm)，R為相關(guān)系數(shù)，MB為平均誤差，RMSE為均方根誤差，e為水汽壓(單位：hPa)，ρ為液態(tài)水密度(單位：g/cm3)，ρv為水汽密度(單位：g/m3)，U為相對濕度(單位：%)，T、t分別為絕對溫度(單位：K)、溫度(單位：℃)，a、b為系數(shù)，t>0℃時，a=7.5,b=237.3；t≤0℃時，a=9.5,b=265.5，x、y分別為計算樣本。

利用2016年12月1日～2017年11月30日微波輻射計反演的水汽、云液態(tài)水含量和地面常規(guī)觀測的降水、溫度等資料，將數(shù)據(jù)劃分為四季，2016年12月，2017年1、2月為冬季，2017年3～5月為春季，2017年6～8月為夏季，2017年9～11月為秋季。

圖1是探空和微波輻射計反演水汽含量的散點圖和線性擬合，從圖1可以看出，微波輻射計和探空計算水汽含量的相關(guān)系數(shù)r=0.787，當自由度n-2=603時，顯著性水平的α=0.01臨界值tα=2.576；由公式5計算得出，rc=0.104，r>rc，說明通過了α=0.01顯著性檢驗；微波輻射計反演的水汽含量平均值為3.425cm，探空計算的水汽含量平均值為3.983cm，探空計算的水汽含量略高于微波輻射計，兩者平均值相差0.558cm。

為進一步研究圖1中某些對比數(shù)據(jù)較離散，將微波輻射計和探空資料劃分為有降水天氣下和無降水天氣下，根據(jù)平均誤差和均方根誤差的計算公式，可以得出有降水時，微波輻射計和探空的水汽含量平均誤差為-1.58，均方根誤差2.83; 無降水時，微波輻射計和探空的水汽含量平均誤差為0，均方根誤差0.29。綜上所述，有降水時，水汽含量的誤差更大，由此得出，圖1某些對比數(shù)據(jù)較離散，可能是在降水天氣下探測引起的。

2 四川盆地水汽特征初步分析

2.1 水汽的日變化特征

將地基微波輻射計反演的水汽含量按四個季節(jié)劃分分別取小時平均值，圖2是四川盆地春、夏、秋、冬四季水汽含量的日變化，四個季節(jié)平均值從大到小排列順序為：夏季>秋季>春季>冬季，依次為：5.593cm、4.618cm、3.209cm、2.004cm，夏季水汽含量最大，冬季水汽含量最小，顯而易見，夏季水汽最豐富，冬季水汽最少。

從四川盆地四季水汽含量的日變化特征來看，春季水汽含量在14:00(北京時，下同)出現(xiàn)最小值,為3.624cm，此后逐漸上升，20:00之后有波動上升，02:00出現(xiàn)最大值，為2.801cm，之后逐漸下降，最大值和最小值時間間隔為11個小時，日較差為0.823cm。夏季水汽含量最小值出現(xiàn)在17:00，為5.104cm，此后逐漸上升，最大值為6.181cm，出現(xiàn)04:00，此后逐漸下降，最大值和最小值時間間隔為13個小時，日較差為1.078cm。秋季水汽含量在17:00出現(xiàn)最小值，為3.992cm，此后逐漸上升，20:00之后為有波動的上升，24:00出現(xiàn)最大值，為5.088cm，此后逐漸下降，最大值和最小值時間間隔為16個小時，日較差為1.096cm，在四個季節(jié)中最大。冬季水汽含量最大值為2.271cm，出現(xiàn)在22:00，此后逐漸下降，最小值為1.782cm，出現(xiàn)在14:00，此后逐漸上升，最大值和最小值時間間隔為9個小時，日較差為0.489cm，在四季中最小。綜上所述，四個季節(jié)水汽含量的日變化特征，最大值均出現(xiàn)在夜晚，最小值均出現(xiàn)在白天，夜晚的水汽含量大于白天。秋季水汽含量日較差最大，最大值和最小值時間間隔最長，冬季水汽含量日較差最小，最大值和最小值時間間隔最短。

2.2 云液態(tài)水的日變化特征

四川盆地云的液態(tài)水含量在四個季節(jié)的變化趨勢基本一致，云液態(tài)水含量季節(jié)平均值從大到小排列順序為：秋季>夏季>春季>冬季，依次為：0.834mm、0.677mm、0.413mm、0.297mm。秋季云液態(tài)水含量最高，其次是夏季，冬季云液態(tài)水含量最小。

從圖3可以看出，云液態(tài)水含量有明顯日變化特征，春季云液態(tài)水含量在01:00出現(xiàn)最大值，為0.706mm，此后逐漸下降，16:00出現(xiàn)最小值，為0.151mm，最大值和最小值時間間隔為14個小時，日較差為0.555mm。夏季云液態(tài)水含量在04:00出現(xiàn)最大值，為1.184mm，此后逐漸下降，在17:00出現(xiàn)最小值，為0.277mm，最大值和最小值時間間隔為13個小時，日較差為0.908mm,在四個季節(jié)中最大。秋季云液態(tài)水含量在24:00出現(xiàn)最大值，為1.197mm，此后逐漸下降，在16:00出現(xiàn)最小值，為0.324mm，最大值和最小值時間間隔為16個小時，日較差為0.873mm。冬季云液態(tài)水含量在21:00出現(xiàn)最大值，為0.467mm，此后逐漸下降，在11:00出現(xiàn)最小值，為0.156，最大值和最小值時間間隔為10個小時，日較差為0.311mm，在四個季節(jié)中最小。綜上所述，四川盆地四個季節(jié)云液態(tài)水含量的日變化特征與水汽含量的變化趨勢基本一致，最大值均出現(xiàn)在夜晚，最小值均出現(xiàn)在白天，夜晚的云液態(tài)水含量大于白天。夏季，云液態(tài)水日較差最大；秋季，最大值和最小值時間間隔最長；冬季，日較差最小，最大值和最小值時間間隔最短。

2.3 水汽、云液態(tài)水與降水、溫度的關(guān)系

圖4是四川盆地水汽、云液態(tài)水和降水、溫度月變化，從圖4(a)可以看出，水汽與降水變化趨勢一致，兩者相關(guān)系數(shù)r=0.842，相關(guān)性高，當自由度n-2=10時，顯著性水平α=0.01的臨界值tα=3.169；由公式5計算得出，rc=0.708，r>rc，通過了α=0.01顯著性檢驗，其中，水汽含量最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在1月，對應(yīng)著降水量的最大值和最小值。云液態(tài)水與降水相關(guān)性為0.454，沒有通過了α=0.05顯著性檢驗，云液態(tài)水含量最大值出現(xiàn)在10月，最小值出現(xiàn)在11月，降水量最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在1月，云液態(tài)水與降水相關(guān)性不好。

水汽從赤道到極地逐漸減少；溫度從赤道到極地逐漸降低，水汽與溫度分布特征相似。四川盆地的水汽變化受天氣系統(tǒng)影響外，還與溫度具有一定的聯(lián)系。從圖4(b)可以看出，溫度與水汽的變化趨勢基本一致，隨著溫度升高(降低)，大氣中的水汽含量逐漸增加(減少)，兩者相關(guān)性極高，相關(guān)系數(shù)r=0.915，當自由度n-2=10時，rc=0.708，r>rc，通過了α=0.01顯著性檢驗，云液態(tài)水與溫度相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)為0.447，沒有通過α=0.05顯著性檢驗。

相關(guān)系數(shù)表示溫度與水汽、云液態(tài)水的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)越高，說明相關(guān)性越高，反之，表示相關(guān)性越低，正值表示正相關(guān)，負值表示負相關(guān)。四個季節(jié)的水汽含量具有日變化特征，溫度也有日變化特征，根據(jù)地面觀測的資料，得到四川盆地水汽與溫度隨時間的變化圖，從圖5(a)可以看出，水汽與溫度在春季和秋季為正相關(guān)，四個季節(jié)的樣本數(shù)不一樣，當自由度n-2在68～89時，α=0.05的臨界值tα=1.980；由公式5計算得出,rc=0.233，由此得出，春季和秋季11:00至次日01:00時段r>rc，通過了α=0.05顯著性檢驗， 16:00左右兩者相關(guān)性最高，且白天相關(guān)性大于夜晚；夏季為負相關(guān)，04:00兩者相關(guān)性最高，即日出前相關(guān)性最高，01:00～13：00通過了α=0.05顯著性檢驗；而冬季相關(guān)性不顯著。從圖5(b)可以看出，云液態(tài)水與溫度為負相關(guān)，四個季節(jié)相關(guān)系數(shù)變化趨勢差別不大。

2.4 典型降水前后水汽和云液態(tài)水的變化特征。

地基微波輻射計具有高時間、空間(垂直方向)分辨率特征，選取2017年8月23日19:00時～25日19：00時的地面常規(guī)資料和微波輻射計資料，分析四川盆地降水前后水汽和云液態(tài)水的變化特征，從圖6可以看出，水汽和云液態(tài)水的變化趨勢一致；宜賓縣地面觀測站8月24日04～06時出現(xiàn)降水過程，微波輻射計探測水汽和云液態(tài)水在降水開始前2h波動上升，降水開始前1h躍增，8月24日05時的降水量為11.9mm/h,對應(yīng)水汽和云液態(tài)水的峰值，分別為14.5cm和20.8mm,降水結(jié)束后，水汽和云液態(tài)水迅速下降。8月24日16：00～25日11:00有一次暴雨過程，同樣，在降水開始前1h，水汽和云液態(tài)水波動上升，8月25日02時降水量是20.1mm/h，為此次降水過程的最大值,對應(yīng)的水汽和云液態(tài)水分別為17.9cm和16.4mm,隨著雨量的減小，水汽和云液態(tài)水含量逐漸減少。綜上所述，地基微波輻射計探測的水汽和云液態(tài)水對降水天氣的預(yù)報具有一定的指示意義，為降水天氣的預(yù)報的提供了參考依據(jù)。

3 結(jié)論

基于微波輻射計對四川盆地水汽、云液態(tài)水的初步分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)通過微波輻射計和探空計算水汽含量的對比分析，可以得到探空計算的水汽含量高于微波輻射計，差值為0.558cm，相關(guān)系數(shù)為0.787，且通過了α=0.01顯著性檢驗；降水對微波輻射計影響較大，可能會影響對比分析的某些數(shù)據(jù)比較離散?？傮w來看，微波輻射計反演的水汽含量是可信的。

(2)水汽含量平均值從大到小排列順序為：夏季(5.593cm)>秋季(4.618cm)>春季(3.209cm)>冬季(2.004cm)；從四季日變化特征來看，水汽含量最大值和最小值時間間隔在秋季最長(16小時)，日較差也最大(1.096cm)；最大值和最小值時間間隔在冬季最短(9小時)，日較差也最小(0.489cm)。云液態(tài)水含量平均值從大到小排列順序為：秋季(0.834mm)>夏季(0.677mm)>春季(0.413mm)>冬季(0.297mm)，從四季日變化特征來看，云液態(tài)水含量最大值和最小值時間間隔在秋季最長(16小時)，日較差在夏季大(0.908mm)；最大值和最小值時間間隔在冬季最短(10小時)，日較差在冬季也最小(0.311mm)?？傮w來看，夜晚水汽和云液態(tài)水含量大于白天。

(3)8月水汽含量最大，1月水汽含量最??；水汽與降水變化趨勢一致，對應(yīng)著降水量最大值和最小值，相關(guān)系數(shù)為0.842，為α=0.01的顯著性相關(guān)；水汽與溫度相關(guān)系數(shù)為0.915，相關(guān)性極高，通過了α=0.01顯著性檢驗；云液態(tài)水含量最大值出現(xiàn)在10月，最小值出現(xiàn)在11月，與溫度、降水相關(guān)性不顯著。水汽和與溫度在春、秋季的11:00至次日01:00為顯著性正相關(guān)，且白天相關(guān)性大于夜晚，在夏季01:00～13：00為顯著性負相關(guān)，日出前相關(guān)性高，且通過了α=0.05顯著性檢驗；云液態(tài)水與溫度四個季節(jié)相關(guān)系數(shù)變化趨勢基本一致。

(4)通過對四川盆地典型降水過程中水汽和云液態(tài)水的變化特征分析，可以得出，降水過程開始前1～2h,水汽和云液態(tài)水含量存在明顯的波動上升過程，降水過程結(jié)束后，水汽和云液態(tài)水迅速下降，說明地基微波輻射計探測的水汽和云液態(tài)水對降水天氣的預(yù)報具有一定的指示意義，為降水天氣的預(yù)報提供科學(xué)的參考依據(jù)。

由于水汽和云液態(tài)水的變化具有多變性和復(fù)雜性，以上只是一些初步分析，今后有必要進行更深一步研究。