衛(wèi)星遙感降水潛熱的查表法和物理反演法簡介

李銳，傅云飛，黃辰

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥230026)

引 言

大氣運(yùn)動的根本能量來源是太陽能，根據(jù)Tren?berth等(2009)的估算，入射到大氣頂?shù)奶柲芗s為341 W·m-2，其中大約有70%被地球氣候系統(tǒng)所吸收。但是太陽能由輻射能形式轉(zhuǎn)化為大氣的熱能和動能形式，須通過多種不同的物理過程來實(shí)現(xiàn)。其中約有23%的太陽能是通過驅(qū)動地表水份的蒸發(fā)、蒸騰過程，以水汽所蘊(yùn)含的“潛在”的相變熱能的形式進(jìn)入大氣，這部分能量被稱為潛熱(Latent Heat，LH)。進(jìn)入大氣的潛熱并不會立刻轉(zhuǎn)化為熱量，必須在水物質(zhì)再次發(fā)生相變(即在氣、液、固任意二者之間轉(zhuǎn)化)時(shí)，才真正將熱量“釋放”出來。具體而言，有凝結(jié)放熱(由氣轉(zhuǎn)液)、凍結(jié)放熱(由液轉(zhuǎn)固)、凝華放熱(由氣轉(zhuǎn)固)三種，這些釋放出的潛熱可以直接加熱周圍的大氣，一般定義潛熱加熱率為：單位時(shí)間單位質(zhì)量干空氣受潛熱加熱而升高的溫度，單位是開爾文每小時(shí)(K·h-1)或攝氏度每小時(shí)(°C·h-1)。

大氣中水物質(zhì)相變主要發(fā)生在成云過程，但云粒子在大氣中還可能蒸發(fā)或升華重新變?yōu)樗?，這種反向相變過程對應(yīng)著吸熱冷卻(負(fù)的潛熱加熱率)。具體而言，有蒸發(fā)吸熱(由液轉(zhuǎn)氣)、融化吸熱(由固轉(zhuǎn)液)、升華吸熱(由固轉(zhuǎn)氣)三種。這種“吸熱”抵消了成云過程的“加熱”。而只有當(dāng)云粒子進(jìn)一步長大為降水粒子，從空氣中徹底脫落，那么這部分云形成時(shí)所釋放的熱量才徹底留在了大氣中。因此，雖然潛熱的發(fā)生主要是在成云過程，但是大部分研究關(guān)注的是降水的潛熱。

由此可見，潛熱加熱率是降水云團(tuán)中空氣塊溫度對時(shí)間的微分，正比于發(fā)生相變的水物質(zhì)質(zhì)量在單位時(shí)間內(nèi)的改變速度。而目前的大氣探測手段很難直接、連續(xù)測量降水云中的氣溫；各類衛(wèi)星遙感手段也只能測算云和降水的物質(zhì)量(即狀態(tài)量)，而難以測量其時(shí)間變化率(靜止衛(wèi)星遙感難以獲得云體內(nèi)部的云水、降水含量)。幾十年來，雖然降水潛熱在水平方向的分布已經(jīng)取得了一些共識，即大氣垂直積分潛熱的水平分布總體上與地表降水率一致，但對不同高度層降水潛熱的定量測量一直是全球科學(xué)界努力而未能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

雖然無法直接測量降水潛熱，但是研究者已發(fā)展了一系列間接的估算方法，主要分為大氣診斷方法和衛(wèi)星遙感方法。Tao等(2006)、Tao和Coauthors(2016)曾對基于熱帶降水測量衛(wèi)星TRMM觀測所做的潛熱反演工作做過較為全面的回顧和總結(jié)，相關(guān)內(nèi)容在本文不作贅述。本文重點(diǎn)介紹衛(wèi)星遙感降水潛熱的查表法和物理反演方法，通過對兩種不同思路進(jìn)行剖析，對他們各自的特點(diǎn)，特別是相關(guān)算法在我國大地形地區(qū)、中高緯地區(qū)的適用性等問題進(jìn)行討論。

1 研究降水潛熱的重要意義

地球的熱帶地區(qū)作為太陽能的凈獲得區(qū)和全球最大的水汽源地，在太陽能驅(qū)動下形成劇烈的大氣對流、水汽蒸發(fā)和蒸騰過程，這使得大量水汽源源不斷地從地球表面進(jìn)入大氣。水汽在隨熱帶對流上升的過程中，凝結(jié)、冷凍、凝華，在相變過程中釋放出大量的潛熱加熱大氣，生成和驅(qū)動了各種熱帶波動。另外，通過大氣環(huán)流向極地方向輸送水汽，這部分水汽在合適的熱動力條件下(抬升、遇冷、遇濕等)，也會在遠(yuǎn)離熱帶源地的大氣中發(fā)生相變，釋放出潛熱加熱中高緯大氣。以上過程實(shí)現(xiàn)了熱帶地區(qū)能量和水分由低空向高空、由低緯度向中高緯地區(qū)的輸送。熱帶降水所釋放的潛熱為驅(qū)動全球大氣環(huán)流提供了約75%的能量(Kummerow et al.，2000；Tao and Coauthors，2006)。

在垂直方向上，氣塊運(yùn)動的加速度主要來源于浮力，浮力源自上下兩層的溫度差，而氣塊溫度變化的熱源主要有感熱輸送、輻射加熱和潛熱釋放。在降水云內(nèi)部，潛熱是主導(dǎo)項(xiàng)。同時(shí)潛熱釋放(相變)的物質(zhì)表現(xiàn)形式就是云水、降水、水汽質(zhì)量的變化。因此，潛熱釋放的水平位置、垂直分布，直接影響局地和區(qū)域的大氣運(yùn)動和水循環(huán)(Schumacher et al.，2004；Choud?hury and Krishnan，2011)。

研究發(fā)現(xiàn)，在假設(shè)大氣垂直積分的潛熱總量不變的前提下，分別假設(shè)潛熱主要分布在大氣層中低層或者高層，在前一假設(shè)下，全球大氣模式能更好地再現(xiàn)MJO行星尺度、季節(jié)內(nèi)、向東緩慢傳播的特征(Li et al.，2009)；在后一假設(shè)下，大氣模式所模擬的沃克環(huán)流的中心高度、環(huán)流的垂直分布更接近于觀測(Hartman et al.，1984)。由此可見潛熱廓線的垂直分布直接影響大氣環(huán)流。另外一方面，大氣大尺度環(huán)流的變化也深刻影響潛熱的垂直分布(Hagos et al.，2010)。氣候變化所導(dǎo)致的大氣環(huán)流的改變也會影響潛熱釋放的時(shí)空分布。例如，在1997/1998年El Ni?o事件中，赤道東太平海表溫度(SST)比氣候平均值升溫了約3℃，同時(shí)東西向的沃克環(huán)流減弱，東太平地區(qū)的大氣環(huán)流改變(李銳和傅云飛，2005)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)大氣層中層的降水粒子增長速率比非El Ni?o期加快(Li et al.，2011)，預(yù)示著潛熱釋放加劇。

我國雨季降水(王遵婭和丁一匯，2008；黃琰等，2014)，如華南暴雨、江淮梅雨鋒降水和華北汛期降水等，也通過潛熱釋放過程與大尺度的大氣環(huán)流發(fā)生相互作用。中國東部熱帶氣旋活動、南海季風(fēng)爆發(fā)、赤道西風(fēng)、熱帶輻合帶及副熱帶高壓的強(qiáng)度、位置等與降水潛熱的時(shí)空分布存在緊密聯(lián)系(陳隆勛等，2006；何金海等，2007，2008；任素玲等，2016)。影響中國雨季降水的諸多中尺度擾動系統(tǒng)(包括江淮切變線、低渦、中β尺度系統(tǒng)等)的形成、發(fā)展和空間結(jié)構(gòu)均受到降水所釋放的凝結(jié)潛熱的重要影響(趙思雄和周曉平，1982；朱抱真等，1990；侯淑梅和孫忠欣，1997；侯淑梅等，2000)。同時(shí)，降水潛熱在青藏高原地表-大氣耦合過程中也起著重要作用。青藏高原可通過熱動力和/或機(jī)械強(qiáng)迫機(jī)制對南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)系統(tǒng)的形成、維持起到關(guān)鍵調(diào)制作用(Qin，2013；Wu et al.，2014；Fu et al.，2020)。全球模式和高分辨率云模式研究(Wu et al.，2012；Wang et al.，2015)表明，喜馬拉雅山脈及高原南側(cè)的地表感熱輸送及相應(yīng)的大氣潛熱釋放(熱力效應(yīng))使來自南方的暖濕水汽得以穿越等熵面而爬坡上升、形成南亞季風(fēng)的北支。如果不考慮高原南壁的熱力效應(yīng)，僅考慮喜馬拉雅山脈的機(jī)械強(qiáng)迫機(jī)制，則只能在高原南麓產(chǎn)生低矮的、微弱的對流降水系統(tǒng)，且印度洋的氣流將不再能躍上高原，而是被山脈阻擋形成東西兩支繞流。傅云飛等(2020)指出青藏高原上空降水粒子在垂直方向的增長路徑縮短，導(dǎo)致其垂直結(jié)構(gòu)變化，這預(yù)示著高原上空降水潛熱垂直分布也不同于低海拔地區(qū)。

近年來潛熱在氣溶膠-云-降水相互作用領(lǐng)域的重要性日益受到關(guān)注。多位研究者(Rosenfeld et al.，2008；Li et al.，2011；Fan et al.，2014，2018；Li et al.，2017)相繼指出，氣溶膠作為大氣中額外的云凝結(jié)核，使得普通的弱降水不易發(fā)生，從而延長了云的壽命，使大氣中的水凝物由于堆積效應(yīng)而使得云系增厚、云的生命期延長、大氣中的可降水量增多，而且更多液態(tài)水粒子得以進(jìn)入大氣層高層而凍結(jié)。這樣額外釋放出大量潛熱而增強(qiáng)對流的發(fā)展，從而使降水加強(qiáng)，甚至導(dǎo)致極端降水事件。Fan等(2014)研究認(rèn)為氣溶膠對潛熱的影響可能對四川地區(qū)災(zāi)害性降水的發(fā)生有重要貢獻(xiàn)。Fan等(2018)指出亞馬遜雨林區(qū)域極小粒徑的氣溶膠粒子通過影響降水過程的潛熱而影響最終的降水強(qiáng)度。Li等(2013，2015，2017)在其系列研究中強(qiáng)調(diào)指出，自然大氣中的沙塵氣溶膠可以作為冰核，使得異質(zhì)凍結(jié)過程在相對較暖的高度發(fā)生，從而影響降水云中的潛熱垂直結(jié)構(gòu)，這種影響有可能對對流的進(jìn)一步發(fā)展有反饋?zhàn)饔?。在以上假說和猜測中，潛熱對降水發(fā)展的正反饋?zhàn)饔弥翞殛P(guān)鍵。然而事實(shí)是否如此，還有待觀測特別是利用潛熱垂直結(jié)構(gòu)的觀測數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。

2 對降水潛熱垂直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的現(xiàn)有理解

雖然潛熱的重要性毋庸置疑，但是對潛熱的時(shí)空分布，尤其是對其垂直結(jié)構(gòu)的理解一直存在爭議。實(shí)際上，這種爭議是伴隨著人類不斷提高對風(fēng)暴內(nèi)部動力學(xué)、云微物理學(xué)、云的三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識而進(jìn)行的。

早期，人類普遍認(rèn)為熱帶降水是一種對流性熱塔(Hot Tower)結(jié)構(gòu)(Riehl and Malkus，1958)，即云中從地表到云頂全是垂直上升氣流，水汽在其中不斷凝結(jié)、凍結(jié)、凝華放熱，所以從降水云頂?shù)降孛?，全部是正的潛熱加熱，加熱的最大值在中低?圖1a)。隨著艦船、飛機(jī)、特別是衛(wèi)星觀測的發(fā)展，人類逐步認(rèn)識到在熱帶的對流核周圍還存在著范圍巨大的層云降水區(qū)。雖然在對流核區(qū)域云中氣流以垂直上升為主，但是在層云降水區(qū)，凍結(jié)層以上僅僅存在著較微弱的上升氣流(一般小于1 m·s-1)，而在0℃層以下云中氣流為下沉為主(圖1b)。這種熱帶中尺度對流復(fù)合體(Mesoscale Convective Systems，MCSs)在決定熱帶降水潛熱的垂直結(jié)構(gòu)時(shí)起著重要作用：MCSs中包含兩類基本降水類型，深對流降水(Deep Convective Rain)所釋放的潛熱在整層大氣柱中為正，加熱中心在中低層；層云降水(Deep Stratiform Rain)所釋放的潛熱僅僅在凍結(jié)層以上為正加熱，而在凍結(jié)層以下由于氣流下沉、水凝物蒸發(fā)而吸熱冷卻。因此MCSs系統(tǒng)總的潛熱垂直分布主要取決于這些兩種類型降水的相對比例，但其加熱中心肯定比單純的對流型降水潛熱要偏高(Houze，1997；Schum?acher et al.，2004)。近年來，暖云降水(即雨頂高度低于凍結(jié)層的降水)所對應(yīng)的淺薄加熱垂直結(jié)構(gòu)(圖1c)受到重視。淺薄型潛熱加熱可能對熱帶大氣季節(jié)內(nèi)震蕩(Madden-Julian Oscillation，MJO)起著重要作用(Wu et al.，2003；Sobel，2007；Zhang et al.，2010)。

有研究者將以上對潛熱垂直結(jié)構(gòu)的更新認(rèn)識應(yīng)用于大氣模式模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)依據(jù)MCSs型潛熱所模擬的大氣環(huán)流中心的高度提高，全球及區(qū)域大氣環(huán)流模擬的精度也提高了(Hartman et al.，1984；Schum?acher et al.，2004；Choudhury and Krishnan，2011)。另外，如果在大氣模式中增大淺薄加熱的成分，可以使得模擬的MJO傳遞速度變慢，從而更符合實(shí)際測量結(jié)果(Chang and Lim，1988；Sui and Lau，1989)。準(zhǔn)確量化降水的潛熱對于提高目前的天氣預(yù)報(bào)模式準(zhǔn)確性也具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前法國、德國等國家氣象部門已經(jīng)開始將衛(wèi)星遙感的潛熱產(chǎn)品加入其天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Stephan and Schraff，2008；Jacques et al.，2018)。

應(yīng)該指出，上述對降水類型及其潛熱垂直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的歸納比較適用于熱帶正壓大氣，而對于中高緯度的斜壓大氣，其適用性有所降低，但是目前在全球無論緯度高低，TRMM衛(wèi)星(觀測范圍主要是熱帶)和全球降水測量衛(wèi)星GPM(觀測范圍南北緯65℃以內(nèi))的降水產(chǎn)品，仍然均繼續(xù)沿用上述幾種基本的降水類型。隨著對云動力學(xué)和云物理學(xué)研究的進(jìn)一步深入，特別是借助更新的觀測手段、模式模擬，對降水云中潛熱垂直結(jié)構(gòu)的理解還會不斷進(jìn)步。

對降水潛熱的定量估計(jì)可以分為大氣診斷法和衛(wèi)星遙感法兩大類。在大氣診斷方面，Yanai(1973)發(fā)展了由連續(xù)方程、能量方程和水汽方程倒算大氣熱源Q1和顯水汽匯Q2的方法。Chan和Nigma(2009)進(jìn)一步發(fā)展了該方法，并基于NCEP、ERA40等再分析資料計(jì)算了非絕熱加熱(降雨時(shí)以潛熱為主)的三維分布。該非絕熱加熱是基于大氣能量、物質(zhì)平衡原理導(dǎo)出，所依賴的溫壓濕風(fēng)等氣象資料一定程度上經(jīng)過了實(shí)測資料的同化。Chan和Nigma(2009)利用該結(jié)果研究了全球非絕熱加熱大尺度時(shí)空分布，發(fā)現(xiàn)不同的再分析資料診斷結(jié)果之間存在較明顯的差異。例如，研究發(fā)現(xiàn)在熱帶地區(qū)ERA40非絕熱加熱較NCEP強(qiáng)，前者7月緯度平均值是后者的2倍。李銳等(2017)利用NCEP、ERA40再分析資料殘差診斷法計(jì)算的非絕熱加熱數(shù)據(jù)，對比分析了青藏高原上大氣非絕熱加熱的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩種資料在高原南麓所估計(jì)的非絕熱加熱存在較大差異，并結(jié)合熱帶降水測量衛(wèi)星(TRMM)所搭載的測雨雷達(dá)(PR)潛熱資料分析了這些差異的可能原因。總體而言，大氣診斷結(jié)果可以反映較大時(shí)空尺度的潛熱結(jié)構(gòu)，但是不太適用于估算中小尺度系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)所釋放的潛熱，依據(jù)不同的大氣參數(shù)源，所得出的潛熱結(jié)果存在較大不確定性。

3 遙感降水潛熱的主要衛(wèi)星平臺和傳感器

降水系統(tǒng)在垂直方向上具有非常豐富的變化，降水率隨高度的變化曲線被稱為降水廓線(Precipitation Profile)，它是衛(wèi)星遙感降水潛熱的基礎(chǔ)。

隨著1997年11月熱帶降雨測量衛(wèi)星TRMM(Kummerow et al.，1998，2000)的升空，其所搭載的測雨雷達(dá)PR(Ku-band，13.9 GHz)(Iguchi et al.，2000；Fu and Liu，2001；Liu and Fu，2001；李銳和傅云飛，2005)面世，人類對降水云三維結(jié)構(gòu)的探測踏入新紀(jì)元。該雷達(dá)具有相對較長的波長，可以有效穿透富含水凝物的熱帶降水云，并且采用了在軌橫向掃描方式，可有效探測約240 km的橫向距離。但是該雷達(dá)的靈敏度較低，約為17 dBz，因此對0.4 mm·h-1以下的弱降水無法探測，也無法準(zhǔn)確探測雨頂上方的云頂高度。因此，PR只能探測云體內(nèi)部具有較大回波反射率的降水粒子。研究者(Fu and Liu，2001，2003；Liu and Fu，2001；Fu et al，2003，2006，2020)利用TRMM PR觀測資料系統(tǒng)揭示了熱帶降水垂直廓線的一般特征及其暗含的微物理機(jī)制，并進(jìn)一步研究了東亞、青藏高原等亞熱帶地區(qū)降水廓線的特點(diǎn)。

2006年4月云衛(wèi)星CloudSat(Stephens et al.，2002)所搭載的測云雷達(dá)CPR(W-band，94.0 GHz)出現(xiàn)。該雷達(dá)采用了相對高頻的94 GHz，旨在有效探測遠(yuǎn)小于降水粒子的云粒子(Wang et al.，2013)。該雷達(dá)探測靈敏度為-30 dBz，這有效提高了雷達(dá)對云頂高度和云側(cè)邊界的探測能力，也對衛(wèi)星遙感非降水與其所釋放的潛熱提供了有用的信息。

2014年2月全球降水測量衛(wèi)星GPM(Hou et al.，2014)所搭載的人類第一臺雙頻測雨雷達(dá)DPR(Ku-band，Ka-band 35.0 GHz)出現(xiàn)，它是在Ku-band基礎(chǔ)上加入了Ka-band。與Ku-band相比，Ka-Band雷達(dá)也更有利于觀測較小的降水粒子。所以通過雙頻聯(lián)合，將在粒子粒徑分布、相態(tài)判別等方面獲得更好的探測能力。雙頻信號比(Dural Frequency Ratio，DFR)已成功應(yīng)用于對降水廓線類型的劃分(Minda and Chandrasekar，2013；Awaka et al.，2016)；研究發(fā)現(xiàn)，此兩個(gè)通道型號的組合有利于更好地揭示降水粒子的垂直分布和相態(tài)(王雨等，2018)。以上變化給潛熱反演帶來了新的有用的信息。

中國的星載雙頻測雨雷達(dá)計(jì)劃也在進(jìn)行之中。在我國國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展規(guī)劃中，將在2018—2021年前后陸續(xù)發(fā)射四顆風(fēng)云三號衛(wèi)星，其中包括風(fēng)云降水測量雷達(dá)衛(wèi)星。該衛(wèi)星是我國新增的低傾角近圓軌道降水測量衛(wèi)星，主要用于災(zāi)害天氣系統(tǒng)強(qiáng)降水監(jiān)測，提供全球中低緯度地區(qū)降水三維結(jié)構(gòu)信息，為提高降水氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供支持。主要裝載與測雨相關(guān)的降水測量雷達(dá)、微波成像儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀和多光譜成像儀等，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候地對全球中低緯度的臺風(fēng)、暴雨、暴雪等進(jìn)行高精度的主被動探測，獲取降水內(nèi)部精細(xì)三維結(jié)構(gòu)信息，提高降水測量的綜合觀測效能。目前，中國DPR已完成了機(jī)載測試，其性能達(dá)到甚至部分優(yōu)于國際同類設(shè)備(Jiang et al.，2013；吳瓊，2013；尹紅剛等，2016)，相關(guān)的降水反演算發(fā)開發(fā)也在進(jìn)行中，但未見相應(yīng)的潛熱反演算法的開發(fā)研究。很顯然，如果綜合多頻云雨雷達(dá)的觀測結(jié)果于一體，可以更準(zhǔn)確、更全面地觀測降水云三維宏微觀特征，為更好地反演潛熱提供觀測基礎(chǔ)。

4 衛(wèi)星遙感估算降水潛熱的查表法

衛(wèi)星遙感潛熱可以根據(jù)對降水垂直廓線的實(shí)時(shí)測量，估算其所瞬間釋放潛熱的三維結(jié)構(gòu)，可以大致分為查表法和物理反演方法。目前，國際上比較認(rèn)可的查表法有兩種，分別是由Tao等(1993，2000)開發(fā)的CSH方法以及Shige等(2004，2007，2008)開發(fā)的SLH方法，這兩種方法均有官方的潛熱產(chǎn)品對公眾公開。

CSH算法因其主要基于兩種降水類型Convective(對流型降水)和Stratiform(層云型降水)估算潛熱加熱而得名。其基本思想是：雖然自然界中某條降水廓線所對應(yīng)的潛熱不可直接測量，但是總可以從大量的云模式模擬結(jié)果(事先構(gòu)建的查找表)中找到一條在“外部特征”上最相似的降水廓線，那么該降水廓線對應(yīng)的模式模擬潛熱也可視作現(xiàn)實(shí)情況中潛熱的最佳估計(jì)。這里的“外部特征”就是各種各樣的降水可觀測量，其中CSH算法認(rèn)為最重要的參數(shù)是降水類型，其次是地表降水率、凍結(jié)層高度降水率等。

SLH算法也是遵循和CSH相同的基本思想，即尋找最相似的模式模擬潛熱估算實(shí)際降水潛熱。但是該算法認(rèn)為，當(dāng)降水類型確定后，雨頂?shù)母叨纫彩菦Q定降水廓線最主要的外部特征，甚至可以把降水廓線按雨頂高度做“譜展開”，這也是該算法名稱的由來(Spectral Latent Heating)。因此，SLH方法在尋找最相似的降水廓線時(shí)，除了利用降水類型、地表降水率等作為輸入以外，也同時(shí)使用雨頂高度等降水的外部特征作為查找的主要線索。

圖2 總結(jié)了查表法的基本思想和流程。該算法的核心部分之一是由高分辨率的云解析模式產(chǎn)生大量的降水廓線查找表，該表中每一條降水廓線又對應(yīng)著各自的潛熱廓線。實(shí)際反演時(shí)，用衛(wèi)星觀測的降水“外部特征”，或可觀測量(降水類型、地表降水率、雨頂高度、凍結(jié)層降水率等)做查表的線索：首先基于降水類型進(jìn)行分類，然后在該查找表中找出與觀測最相似的降水廓線，最后將該降水廓線所對應(yīng)的潛熱廓線作為潛熱反演結(jié)果。這類方法的優(yōu)點(diǎn)是，能充分反映降水所釋放的潛熱各分量(凝結(jié)-蒸發(fā)，凍結(jié)-融化，凝華-升華)、及其他大氣加熱、甚至包括輻射加熱，也同時(shí)可以對非降水云的潛熱做出了估測。

圖3 為CSH方法中查找表包含的潛熱廓線?？梢钥闯觯瑢α餍蜐摕崂€和層云降水型潛熱廓線的基本形狀是完全不同的(圖1)，也就是說，實(shí)際反演中對降水類型的識別至關(guān)重要，該過程決定了潛熱廓線的基本形狀。同時(shí)可以看出，查找表所含的潛熱廓線可以有豐富的時(shí)空變化，按地表降水率標(biāo)準(zhǔn)化以后的潛熱廓線在熱帶洋面、陸地、太平洋暖池、大西洋、TOGA CORE試驗(yàn)區(qū)、非洲、北美、澳大利亞等地區(qū)既存在共性(圖1及討論)也存在一定差異性：例如在洋面Strati?form層云型降水潛熱由“正”轉(zhuǎn)“負(fù)”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)高度明顯高于陸地(Tao and Coauthors，2001)。因此，在不同地區(qū)、不同時(shí)間，即使衛(wèi)星觀測到相近的降水外部特征，通過查表法所反演的潛熱廓線依然可以反映一定的時(shí)空差異。

圖3 CSH算法查找表所含的對流型和層云型降水潛熱廓線(已按地表降水率做標(biāo)準(zhǔn)化處理,單位:(℃·d-1)/(cm·d-1)):a.熱帶洋面;b.陸地區(qū)域;c.太平洋暖池區(qū)域;d.東部大西洋;e.TOGA COARE區(qū)域試驗(yàn)1993年2月;f.非洲區(qū)域;g.美國中緯度地區(qū);h.澳大利亞(引自Tao and Coauthors,2001,?American Meteorological Society.Used with permission)Fig.3 The convective and stratiform heating profiles stored in the heating profile Look-Up Table for the CSH algorithm(standardized according to the surface precipitation,unit:(℃·d-1)/(cm·d-1)).The profiles represent(a)tropical oceans,(b)general land areas,(c)the Pacific warm pool region,(d)the east Atlantic region(GATE,both total averaged and GCE simulated),(e)the TOGA COARE IFA for Feb of 1993,(f)Africa(Convection Profonde Tropicale:COPT-81),(g)mid-latitude United States(PRE-STORM),and(h)Australia(EMEX).(Adopted from Tao and Coauthors,2001,?American Meteorological Society.Used with permission).

Shige等(2004)給出了CSH和SLH兩種查表法“反演效果”的比較。如圖4a所示，在1992年12月19—26日TOGA COARE(Tropical Ocean and Global Atmo?sphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experi?ment)試驗(yàn)期間，有一次顯著的降水過程，云解析模式所模擬的區(qū)域內(nèi)平均降水潛熱垂直廓線的時(shí)間演化顯示：有多次深對流的發(fā)生發(fā)展和消亡過程，對應(yīng)著豐富的潛熱強(qiáng)度、符號(正為加熱，負(fù)為吸熱)、加熱中心等參量的時(shí)間演化。利用云模式模擬的降水強(qiáng)度、降水類型、雨頂高度等信息(注意不是實(shí)測值)作為輸入，利用SLH和CSH兩種方法所反演的潛熱如圖4b、c所示。由于“輸入”沒有誤差，因此反演結(jié)果與模式真值的差異完全來自于查表“反演”過程。可以看出，兩種反演均成功地抓住了該降水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，例如均反演出準(zhǔn)兩天的大氣振蕩，相應(yīng)的降水潛熱加熱的強(qiáng)度、垂直范圍、加熱中心的高度、持續(xù)時(shí)間等基本均是正確的。但兩種方法的反演結(jié)果均比模式結(jié)果要“平滑”，這是因?yàn)樵诓檎冶碇袘?yīng)用的是按降水類型、降水強(qiáng)度、高度平均后的廓線。需要注意的是CSH的輸入?yún)?shù)是降水類型、地表降水率，而SLH在此基礎(chǔ)上增加了雨頂高度等作為輸入?yún)?shù)。兩種算法結(jié)果存在一些差異：例如，在圖4中9月25日06∶00—15∶00（世界時(shí)，下同）期間，模式真值顯示約4.5 km以上高度存在顯著的加熱、4.5 km以下有明顯的吸熱冷卻，這一過程被SLH方法正確的反演出來，但是CSH反演結(jié)果未反映這一過程。

圖4 TOGA COARE試驗(yàn)一次降水過程潛熱垂直結(jié)構(gòu)的時(shí)間變化:a.云模式模擬結(jié)果;b.SLH方法反演的結(jié)果;c.CSH方法反演的結(jié)果(引自Shige等,2004,?American Meteorological Society.Used with permission)Fig.4 The temporal variation of LH profiles during a typical precipitation event during the TOGA COARE experiment:a.Cloud resolving model simulation results,b.Retrievals from SLH method,and c.Retrievals from CSH method(Adopted from Shige et al.,2004，?American Meteorological Society.Used with permission).

5 衛(wèi)星遙感估算降水潛熱的物理反演方法

另一類衛(wèi)星遙感降水潛熱的方法是通過衛(wèi)星可觀測的云和降水特征與潛熱的定量物理聯(lián)系而估測潛熱，該類方法可以被稱為“物理反演方法”。

早在1990年，Tao等(1990)即建立了一種方法，利用降水云中的水凝物廓線來估算潛熱。該方法需要輸入各種水凝物垂直廓線，以此計(jì)算降水潛熱的各個(gè)分量(凝結(jié)、蒸發(fā)、融化、凝華等)。Yang和Smith(1998)提出利用SSM/I多通道微波輻射計(jì)反演雨滴、云滴和冰粒子垂直廓線，并以此來估算月平均潛熱。需要指出的是，當(dāng)時(shí)還沒有星載測雨雷達(dá)的觀測，主要基于衛(wèi)星觀測的云頂多通道微波亮溫進(jìn)行水凝物垂直廓線的反演。

Satoh和Noda(2001)利用熱帶降水測量衛(wèi)星TRMM所攜帶的測雨雷達(dá)PR觀測結(jié)果，發(fā)展了一種利用降水率廓線反演潛熱的方法(稱為PRH方法)。其基本思路是假設(shè)降水云中的垂直上升速度是海拔高度的多項(xiàng)式，利用TRMM PR實(shí)測的降水類型、降水云的雨頂、凍結(jié)層高度等信息擬合獲得多項(xiàng)式參數(shù)。然后利用垂直上升速度來計(jì)算潛熱釋放率。Li等(2013，2015)年提出同時(shí)利用降水率廓線和云水含量廓線估算洋面降水潛熱的方法，并開發(fā)了一種可以衛(wèi)星反演暖云降水中云水含量的方法。

TRMM PR觀測的降水率垂直廓線隨垂直方向的變化反映著不同的微物理過程(如圖5所示)、對應(yīng)著不同的潛熱釋放率，例如從雨頂高度至凍結(jié)層以上2—3 km處，水汽較少，降水粒子增長緩慢；而在凍結(jié)層附近，冰粒子融化，相互碰并、連接而快速增長；凍結(jié)層以下，對流云降水粒子繼續(xù)碰并增長、層狀云降水粒子以蒸發(fā)為主(Liu and Fu，2001；Fu and Liu，2001)。Li等(2011)進(jìn)一步分析了降水率Rr對高度z的垂直微分(Γ)的物理含義

上式中，u和ω為降水粒子的降速和云中氣流的垂直上升速度，上劃線代表對空間的平均；W為降水物質(zhì)的質(zhì)量。

圖5 由熱帶降水測量衛(wèi)星的測雨雷達(dá)(TRMM PR)所觀測的熱帶東太平洋1998年1—4月以及1999/2000年1—4月的(a)所有降水的平均廓線,(b)對地表降水率和雨頂溫度做約束后的對流降水平均廓線,(c)層云降水平均廓線(引自Li等,2011)Fig.5 TRMM PR observed rainfall profiles over tropical Eastern Pacific during 1998 JFMA and 1999/2000 JFMA:a.Overall mean rainfall profiles,b.mean profiles for convective rains,and c.mean profiles for stratiform rains under given surface rain rate(Rsrf)and Precipitation Top Temperature(PTT)(Adopted from Li et al.,2011).

如果假設(shè)在很短的時(shí)間間隔內(nèi)，降水率垂直廓線不隨時(shí)間變化。那么利用時(shí)空置換的概念，衛(wèi)星在某一時(shí)間點(diǎn)觀測到的降水率隨高度的變化可以轉(zhuǎn)化為降水物質(zhì)量隨時(shí)間的變化這為潛熱估計(jì)奠定了基礎(chǔ)。如果進(jìn)一步假設(shè)降水云中新生產(chǎn)的云水恰好以相同的速率轉(zhuǎn)化為雨水，即云水(含液相、冰相)的凈生成速度等于降水物質(zhì)量隨時(shí)間的變化那么潛熱釋放率LH與降水垂直廓線即發(fā)生了聯(lián)系

上式中，fc-e、fd-s、ff-m分別對應(yīng)凝結(jié)-蒸發(fā)、凝華-升華、凍結(jié)-融化過程引起的降水物質(zhì)量變化的百分比，Lv、Ls、Lf為相應(yīng)的水物質(zhì)汽化、凝華、凍結(jié)相變熱。ρa(bǔ)、Cp為干空氣密度和定壓熱容量。

雖然在實(shí)際大氣中，上述兩個(gè)假設(shè)不可能完全成立，必然會引入一定的誤差。但是該思路在青藏高原得到了驗(yàn)證：通過4 km分辨率的云解析模式模擬，發(fā)現(xiàn)在所模擬的中尺度降水系統(tǒng)中，在水平和垂直方向降水率對高度的垂直微分Γ均與潛熱釋放率LH有高度的正相關(guān)性(圖6)。

圖6 青藏高原地區(qū)2006年7月7日一次降水個(gè)例中，在海拔7、8、9 km各層，地表降水率、降水類型、潛熱釋放率與降水率垂直微分的水平分布(R為潛熱釋放率與降水率垂直微分之間的空間相關(guān)系數(shù),以上為云解析模式模擬結(jié)果,根據(jù)Li等,2019繪制)。Fig.6 Horizontal distribution of surface rain rate(Rr),rain type,latent heating rate(LH),and vertical gradient of rain rate(Γ)at altitude of 7,8 and 9 km over Tibetan Plateau in a case on 7 July 2006(R is the spatial correlation coefficient between LH andΓ.Above results are from Cloud Resolving Model simulations,based on Li et al.,2019).

基于此思想，Li等(2011，2013，2015，2019)逐步開發(fā)了一種新的基于降水垂直廓線估算潛熱的方法(Vertical Profile Heating,VPH)

上式中，參數(shù)K主要表示云水生成速率與雨水生成速率的比值，理想狀況下，K=1。可以預(yù)見，在降水云形成的初期，大量的水汽凝結(jié)為云水，而未形成雨水，則K>1；反過來在降水云消散階段，云中上升氣流已經(jīng)很微弱，因此云水生成速率已經(jīng)很小，而殘留的雨水粒子在下降過程中繼續(xù)碰并收集已有的云滴而增長，因此雨水生成速率大于云水，則K<1。參數(shù)LH0主要反映雨水的水平位移效應(yīng)，對給定的空中坐標(biāo)而言，當(dāng)存在凈的雨水輻合時(shí)，LH0<0，反之則LH0>0。目前在Li等(2019)中，不同高度處的參數(shù)K和LH0是以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)表的形式給出平均值。研究者正在發(fā)展具有時(shí)空變化特性、與降水可觀測量相聯(lián)系的動態(tài)化K和LH0取值方法。

使用GPM DPR實(shí)測的青藏高原降水廓線作為輸入，Li等(2019)利用VPH算法反演了潛熱廓線，并與CSH、SLH算法的結(jié)果進(jìn)行了比較(圖7)。以2014年7月14為例，GPM DPR顯示在高原南部山腳地區(qū)至26.75°N處有一非常強(qiáng)的柱狀對流型降水，地表降水率約10 mm·h-1(圖7a中標(biāo)為A系統(tǒng))，而在高原平臺上有一片(約30.5°—33°N)比較弱的柱狀降水(圖7a中標(biāo)為B系統(tǒng))。對于系統(tǒng)A，其平均降雨率從高空朝向地表不斷增大，為經(jīng)典的對流型降水廓線(圖7a右列藍(lán)色曲線)。CSH和SLH算法反演的潛熱(圖7b、c)均顯示，在該區(qū)域有一強(qiáng)烈的柱狀潛熱加熱區(qū)域，而緊鄰區(qū)域?yàn)閷釉菩蜐摕?上正下負(fù))，VPH反演的潛熱結(jié)果與之相似。SLH反演結(jié)果顯示系統(tǒng)A的潛熱加熱最大值為0.5 K·h-1，位于約9 km高度處。CSH反演結(jié)果顯示系統(tǒng)A的潛熱加熱最大值為1.0 K·h-1，位于約6 km高度處。而VPH反演結(jié)果(圖7d)顯示系統(tǒng)A的潛熱加熱最大值為2.5 K·h-1，位于約6 km高度處，同時(shí)在3 km高度和近地面各有一個(gè)潛熱極大值。對于系統(tǒng)B，其平均降雨率從高空朝向地表(海拔4 km)也是不斷增大，體現(xiàn)出類似對流降水的特征。SLH對系統(tǒng)B未提供潛熱反演；CSH算法將系統(tǒng)B認(rèn)定為“層云型降水”，因此所反演的潛熱為經(jīng)典的“上正下負(fù)”層性降水潛熱；CSH完全不考慮地形的存在，因此地表以下仍有虛假的潛熱反演結(jié)果。VPH所反演的潛熱加熱在6 km以上均為正值，總體體現(xiàn)為對流型降水潛熱的特點(diǎn)，加熱最大值約位于8 km高度；而在6 km以下是極微弱的冷卻。由于VPH反演的潛熱廓線與降水率廓線對應(yīng)，因此正確地體現(xiàn)了地形的存在。

可以看出，VPH和查表法反演結(jié)果在低海拔地區(qū)有較高的一致性，而在高原上，SLH有缺測現(xiàn)象，CSH反演的潛熱傾向于層云型降水潛熱；VPH反演則更傾向于對流型降水潛熱。同時(shí)該方法不依賴于特定云解析模式模擬結(jié)果，不受海拔高度影響、不受人為定義降水類型的約束，直接利用降水率隨高度的變化率來推算潛熱，可能比較適用于中高緯斜壓大氣、大地形地區(qū)降水潛熱的反演。

圖7 青藏高原地區(qū)2014年7月14日一次降水個(gè)例GPM DPR所觀測的降水率垂直剖面(a),SLH算法所反演的潛熱加熱率垂直剖面(b),CSH算法所反演的潛熱加熱率垂直剖面(c),Li等(2019)所開發(fā)的算法反演的潛熱加熱率垂直剖面(d)(灰色為地形,右側(cè)為所選兩個(gè)框區(qū)內(nèi)的相應(yīng)平均垂直廓線,引自Li等,2019)Fig.7 The vertical cross-sections of(a)rain rate observed by GPM DPR,(b)LH retrieval from SLH,(c)LH retrieval from CSH,and(d)LH retrieval from VPH(algorithm developed by Li et al.,2019)for the case on 14 July 2014(Gray indicates terrain.Profiles on the right are the associated mean profiles in the selected A and B areas.Adopted from Li et al.,2019).

6 總結(jié)與討論

潛熱在全球氣候系統(tǒng)，在我國雨季降水系統(tǒng)中均扮演著重要的角色。但是潛熱目前仍是一個(gè)無法直接測量的物理量，只能基于一定的假設(shè)進(jìn)行間接的估算，而且對這種估算結(jié)果的校訂本身也是一大難題。

目前基于星載測雨雷達(dá)的觀測結(jié)果反演潛熱有兩類方法：一類是根據(jù)降水云的外部特征在云模式模擬結(jié)果中尋找最接近的潛熱垂直廓線(查表法)；另一類是根據(jù)降水云垂直結(jié)構(gòu)與潛熱之間的定量物理聯(lián)系直接推算潛熱(物理反演)。前一類方法的突出優(yōu)點(diǎn)是不僅可以反演降水云中的潛熱，還可以推測相應(yīng)的非降水云中的潛熱，而且已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)進(jìn)行了較為豐富的觀測實(shí)驗(yàn)對結(jié)果的敏感性和準(zhǔn)確性評估研究。后一類方法的優(yōu)點(diǎn)是充分利用降水廓線的全部特征，潛熱廓線緊隨降水廓線的變化而變化，不受降水類型的預(yù)判、地形等因素的限制等。

至今仍缺乏在大空間、長時(shí)間直接測量降水潛熱的方法，缺乏潛熱的“真值”，所以如何對潛熱反演結(jié)果進(jìn)行校正是一個(gè)世界性的難題。目前，只能通過探空觀測的大氣溫度、濕度、風(fēng)場等數(shù)據(jù)，計(jì)算診斷某一給定區(qū)域、給定時(shí)間段的平均大氣非絕熱加熱率(Q1)，以此作為衛(wèi)星遙感反演潛熱結(jié)果的一種參考性驗(yàn)證資料。Tao和Coauthors(2016)利用多個(gè)地區(qū)實(shí)驗(yàn)的大氣加熱率診斷結(jié)果對國際上公開發(fā)表的多個(gè)衛(wèi)星潛熱反演方法進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各種算法在最大加熱率的高度、最大加熱率的強(qiáng)度、廓線形狀等方面存在較大的差異；這些差異除了反映不同算法本身的不確定性外，同時(shí)與極軌衛(wèi)星的采樣誤差、不同算法輸出結(jié)果的物理含義(非絕熱加熱、潛熱等)有關(guān)。李銳等(2016)認(rèn)為大氣非絕熱加熱的診斷結(jié)果本身也存在很大不確定性，并不一定能代表潛熱的“真值”。

圖8 全球主要的區(qū)域試驗(yàn)地點(diǎn)分布圖(試驗(yàn)均為構(gòu)建查找表中的云模式模擬提供了驅(qū)動數(shù)據(jù)或模式評估數(shù)據(jù),引自Tao和Coauthors,2016,?American Meteorological Society.Used with permission)Fig.8 Geographic locations of field campaigns used to provide data to drive and evaluate CRM simulations in Look-Up Tables(Adopted from Tao and Coauthors,2016，?American Meteorological Society.Used with permission).

CSH和SLH算法的查找表主要由對熱帶降水的模擬結(jié)果構(gòu)成，也包含一部分美國南方大平原地區(qū)降水的模擬結(jié)果(Tao and Coauthors，2016)(圖8)。其查找表中目前還不包括專門針對我國雨季降水的模擬結(jié)果；另外也不包括對大地形(如青藏高原)降水的模擬。SLH產(chǎn)品說明書中明確指出，其反演將青藏高原排除在外，而CSH所有反演的潛熱均是假設(shè)由海平面開始，忽略所有地形。因此，中國雨季降水其潛熱特征是否在該查找表中有良好的表現(xiàn)，還值得進(jìn)一步的驗(yàn)證。中國的雨季降水和熱帶降水相比，既有相似的成分，也有很大不同的成分(Fu and Liu，2001，2003；Fu et al.，2003，2006；Li and Fu，2005；傅云飛等，2005，2008)。例如，鋒面降水處于典型的斜壓大氣狀態(tài)，這與Houze(1997)所定義的處于正壓大氣下的熱帶深對流降水、層云降水有所不同。體現(xiàn)在潛熱上，熱帶層云降水在凍結(jié)層以下為典型的冷卻，而在中國鋒面降水中，這一結(jié)論尚需要進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。

我國地形復(fù)雜，由西向東，海拔由5 km過渡到接近海平面，地形對云和降水垂直結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)加以考慮。傅云飛等(2006)發(fā)現(xiàn)高原地區(qū)強(qiáng)降水率中心位于海拔6 km，以一種塔狀結(jié)構(gòu)延伸并加熱大氣層的中層；而且青藏高原降水的類型以對流為主，現(xiàn)有的TRMM降雨類型算法在高原很可能存在誤判(Fu and Liu，2007)。Chen等(2017)發(fā)現(xiàn)高原上云的垂直結(jié)構(gòu)也與平原地區(qū)不同。因此，CSH或SLH潛熱算法對我國復(fù)雜地形雨季降水潛熱的適用性值得深入研究。

利用測雨雷達(dá)所觀測降水廓線反演潛熱也存在一些嚴(yán)重問題。一是非降水云的潛熱如何處理？潛熱的釋放實(shí)際上是在水汽凝結(jié)為云粒子時(shí)就發(fā)生了，僅僅利用降水觀測不能估算雨頂以上部分的潛熱；VPH所反演的潛熱向上只延伸到雨頂高度，而CSH和SLH方法均顯示自雨頂上方一段范圍內(nèi)仍存在潛熱，這是合理的，VPH方法需要對此做出修正(圖7)。二是凍結(jié)層附近的凍融潛熱如何處理？凍結(jié)和融化過程雖然不改變水物質(zhì)的質(zhì)量，難以從降水廓線的變化中體現(xiàn)，但是改變潛熱(約為凝結(jié)潛熱的10%)。同時(shí)，由于星載測雨雷達(dá)難以準(zhǔn)確的判別水凝物的相態(tài)(固、液)，因而其在凍結(jié)層附近所反演的降水率本身也存在較大不確定性。利用降水廓線所反演的潛熱往往在凍結(jié)層附近有一個(gè)明顯的大值區(qū)，這可能是不合理的。對這部分潛熱的處理需要知道冰水混合比信息，一直是潛熱反演研究的難題；第三，水凝物的水平位移如何處理？目前把降水率的垂直微分完全理解為降水粒子在垂直下落過程中的增長或蒸發(fā)，但其實(shí)降水粒子的水平位移顯然也會影響該值，而從全球觀測的角度，這一貢獻(xiàn)目前很難量化。同時(shí)，云水生成速度和雨水增長速度之間的差異需要進(jìn)一步考慮。

理論上，隨著云解析模式水平的提高、全球各地加密觀測試驗(yàn)的增多，將有越來越多更加準(zhǔn)確的云模式模擬結(jié)果用于提高查找表的精度和在全球的覆蓋程度，查表法的精度有望不斷提高。而依據(jù)降水廓線變化而反演潛熱的物理反演方法相對查表法的發(fā)展歷史還很短，因此，如何對其進(jìn)行充分的驗(yàn)證、校訂和改進(jìn)顯得非常重要。隨著衛(wèi)星遙感手段的不斷提高，可以觀測的降水外部特征信息越來越豐富：例如GPM雙頻測雨雷達(dá)有望提供降水粒子的粒徑、數(shù)濃度、相態(tài)等，這些信息無疑對降水潛熱的反演極具應(yīng)用價(jià)值。因此，無論是哪一種降水潛熱反演算法，其下一步的發(fā)展方向均應(yīng)該將這些新的信息納入其中，以進(jìn)一步減少反演的不確定性，提高其反演精度。