利用微波輻射計資料分析人工增雨作業(yè)條件個例研究

白 婷， 黃毅梅， 楊 敏， 樊 奇

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，鄭州 450003；2.河南省人工影響天氣中心，鄭州 450003； 3.河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心，鄭州 450003)

引 言

人工影響天氣是指在一定的有利時機和條件下，通過人工催化等技術(shù)手段，對局部區(qū)域內(nèi)大氣中的物理過程施加影響，使其發(fā)生某種變化，從而達到減輕或避免氣象災(zāi)害目的的一種科技措施[1]。目前人工影響天氣作業(yè)中最常用的是冷云催化。冷云催化是由于溫度低于0 ℃的云中存在大量過冷卻水滴，利用催化劑使水滴轉(zhuǎn)化為冰晶并釋放潛熱，從而改變云的微物理過程和熱力、動力結(jié)構(gòu)。用這種方法進行人工影響天氣，耗費較小，效益可能很大。因此，準(zhǔn)確判斷云中過冷水含量對成功實施人工影響天氣作業(yè)至關(guān)重要。目前研究過冷水主要利用3 mm云雷達[2-3]、衛(wèi)星[4]等資料計算診斷、飛機探測[5-6]和數(shù)值模擬[7-8]等方法。

微波輻射計通過接收物體本身發(fā)射的微波信號測出該物體輻射能量，可以較準(zhǔn)確、及時地探測到水汽和液態(tài)水的分布和演變特征，具有時間間隔短、全天無休工作等特點[9]，在中小尺度天氣實時監(jiān)測、數(shù)值預(yù)報研究及人工影響天氣決策中具有重要價值[10,11]。國外輻射遙感技術(shù)于20世紀(jì)60年代得到應(yīng)用，他們研制的微波輻射計與風(fēng)廓線雷達結(jié)合，已逐漸代替探空氣球，與各種天氣雷達互補，為氣候變化研究提供長期、連續(xù)的觀測資料[12-14]。國內(nèi)研制始于20世紀(jì)70年代，至今已有不少學(xué)者利用微波輻射計進行分析研究。雷恒池等[15]利用西安微波輻射計發(fā)現(xiàn)積分水汽和積分液態(tài)水在降水前有躍增現(xiàn)象，并提出降雨區(qū)前方存在豐水區(qū)的假設(shè)，這里可能是人工增雨的最佳作業(yè)區(qū)。黃曉瑩等[16]利用微波輻射計資料計算出多個對流參數(shù)，研究這些參數(shù)與降水之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，微波輻射計對降水預(yù)報有指示意義。張文剛等[17]對比武漢MP-3000A型地基微波輻射計資料和同址的高時空分辨力探空資料，發(fā)現(xiàn)微波輻射計探測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。黃治勇等[18]利用微波輻射計觀測資料分析咸寧市兩次冰雹過程發(fā)現(xiàn)，冰雹發(fā)生在大氣水汽含量和液態(tài)水含量的大值區(qū)，這對預(yù)報冰雹有一定的指示意義。黨張利等[19]利用蘭州2007-2010年夏季微波輻射計探測數(shù)據(jù)，總結(jié)出半干旱地區(qū)夏季預(yù)報降水的水汽含量和云液態(tài)水含量閾值分別為2.2 cm和0.2 mm。李力等[20]利用微波輻射計分析南京2013年12月霾天氣過程，探討了逆溫層與PM2.5、PM10濃度的相關(guān)性。

目前關(guān)于微波輻射計的研究大多是針對降水前一段時間內(nèi)積分水汽和積分液態(tài)水時空變化特征或總結(jié)各地區(qū)降水閾值。本文以2019年11月17日河南省一次降水過程為例，利用微波輻射計分析此次降水過程南陽地區(qū)人工影響天氣作業(yè)條件，并通過天氣、衛(wèi)星及雷達等資料予以驗證，為微波輻射計更好地應(yīng)用在人工影響天氣作業(yè)中提供參考，進而提高人工影響天氣作業(yè)指揮的時效性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用資料包括：(1)南陽地區(qū)地基微波輻射計反演產(chǎn)品數(shù)據(jù)，微波輻射計所在經(jīng)度(112.49°E)、緯度(33.10°N)，平均每2 min通過反演得到環(huán)境溫度、地面相對濕度、地面氣壓、云底紅外溫度、地面降水情況、積分水汽和積分液態(tài)水，以及0至10 km共58層不同高度的溫度、水汽、濕度、液態(tài)水的廓線數(shù)據(jù)，其垂直分辨率在500 m以下為50 m，500 m至2 km為100 m，2 km以上為250 m[21]；(2)ERA5再分析資料，時間分辨率1 h，空間分辨率0.25°×0.25°；(3)NCEP/NCAR再分析資料，時間分辨率6 h，空間分辨率1°×1°；(4)南陽雷達資料，其中南陽雷達站雷達型號為CINRAD/SA，所在經(jīng)度為112.49°E、緯度為33.02 N，海拔高度為242.2 m；(5)風(fēng)云4號衛(wèi)星1級數(shù)據(jù)；(6)南陽地區(qū)地面雨量資料。

1.2 微波輻射計識別人工增雨作業(yè)條件方法

微波輻射計采取被動接收方式，通過測量氧氣在60 GHz附近的輻射強度或亮溫得出大氣的溫度分布[22]；在溫度確定的前提下，利用水汽在22.2 GHz附近的吸收帶探測大氣的濕度分布參數(shù)；在溫度和壓力已知的情況下，利用云等大氣微波窗區(qū)發(fā)射的微波輻射，能定量地探測云中液態(tài)水含量[23]。

云的吸收與發(fā)射只與云中含水量有關(guān)，與云滴大小分布無關(guān)。這種特性有利于用云的微波輻射強度來探測云中液態(tài)水含量。冰云吸收系數(shù)比水云的小很多，因此，冰云的微波輻射很弱[24]。劉文明等[25]提出，液態(tài)水引起的單散射反照率小而穩(wěn)定，隨降水強度的改變而變化不大；冰晶層在微波各通道的單散射反照率遠大于液態(tài)水的，冰晶層引起的光學(xué)厚度遠小于液態(tài)水的，這說明在云雨系統(tǒng)中，散射效應(yīng)主要由冰晶產(chǎn)生，而吸收/發(fā)射效應(yīng)主要來自液態(tài)水。因此，利用微波輻射計部分波段接收冰晶輻射亮溫較水滴小得多的特性，可將冷云區(qū)積分液態(tài)水大小作為判斷過冷水多少的指標(biāo)，可以使用冷云區(qū)積分液態(tài)水含量來識別人工增雨作業(yè)條件。

2 天氣背景分析

2019年11月17日河南省黃河以南大部地區(qū)出現(xiàn)降水，利用NCEP/NCAR再分析資料分析此次降水過程天氣形勢(圖1)。由圖1可以看出，11月17日08時500 hPa內(nèi)蒙古西部、甘肅中部到青海北部一線有一高空槽，溫度槽落后于高度槽，槽加深發(fā)展并逐漸東移，影響河南地區(qū)；同時700 hPa有切變線位于河南西北邊界一帶，低層850 hPa切變線位于河南中北部地區(qū)，中低層切變線東移南壓為降水提供了有利的輻合抬升條件；地面圖上冷鋒位于河北北部、山西中南部至陜西南部一帶，冷鋒南下是此次降水過程的直接觸發(fā)機制。綜合以上分析，河南省此次降水過程主要受高空槽、中低層切變線及地面冷鋒共同影響。

圖1 2019年11月17日08時(a、d、g)、14時(b、e、h)和20時(c、f、i)高空形勢場及海平面氣壓場(j、k、l)圖(a)(b)(c)中棕色單實線代表500 hPa槽線，紅色虛線代表500 hPa溫度線，圖(d)(e)(f)中棕色雙實線代表700 hPa切變線，圖(g)(h)(i)中紅色雙實線代表850 hPa切變線，圖(j)(k)(l)中帶三角曲線代表冷鋒

3 微波輻射計資料分析

魏重等[26]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)雨強≤5 mm/h時，微波輻射計觀測記錄與外界變化相呼應(yīng)，而超過該值時，微波輻射計輸出不能反映外界信號變化。汪曉濱等[27]也在研究中指出，降水強度不大于4 mm/h的降水，可以忽略降水粒子的散射作用。Solheim等[28]在AIRS試驗中發(fā)現(xiàn),在降水量較小的情況下，微波輻射計與飛機獲得的液態(tài)水廓線存在較好的對應(yīng)關(guān)系。此次降水過程為小雨量級且雨強未超過4 mm/h，在降水量級和降水強度較小的情況下，微波輻射計探測數(shù)據(jù)雖有一定誤差，但仍能在一定程度上體現(xiàn)空中水汽和液態(tài)水的變化趨勢。

圖2為2019年11月17日南陽微波輻射計監(jiān)測的積分水汽、積分液態(tài)水及降水量演變特征。可以看出，17日00:00-05:10，積分水汽與積分液態(tài)水隨時間先降低后變化趨于平穩(wěn)。05:10-11:50，積分水汽與積分液態(tài)水上下波動，但整體呈逐漸增大趨勢，說明水汽與液態(tài)水開始聚集。12:45之后，積分水汽與積分液態(tài)水開始快速增大，并于13:45達到峰值(3.68 cm，1.72 mm)，此時已有降水產(chǎn)生。15:05-16:50降水停止，積分水汽和積分液態(tài)水均有所回落，分別降至2.39 cm和0.48 mm。16:50之后，積分水汽與積分液態(tài)水再次快速增加。17:25出現(xiàn)降水。17:55，積分水汽與積分液態(tài)水增至最大，分別為3.36 cm和2.56 mm。19:40之后降水結(jié)束，積分水汽與積分液態(tài)水再次回落?？偟膩碚f，降水發(fā)生前積分水汽與積分液態(tài)水有快速增長的現(xiàn)象，隨著降水結(jié)束，積分水汽與積分液態(tài)水有所減少，這與很多學(xué)者研究結(jié)論一致[29-30]。

圖2 2019年11月17日南陽積分水汽(紅色實線)、積分液態(tài)水(藍色虛線)及降水量(黑色方柱)演變圖中紅色方框代表降水起止時間

綜合以上分析，降水前積分水汽與積分液態(tài)水明顯增加，且地面降水產(chǎn)生滯后于積分水汽和積分液態(tài)水的增加。根據(jù)這一特征，可提前預(yù)判此時云系正處于發(fā)展階段，由此可應(yīng)用于人工增雨作業(yè)條件的識別[31-32]。

利用南陽微波輻射計探測反演的溫度垂直廓線，將0 ℃層以上的液態(tài)水進行積分，得到冷云區(qū)積分液態(tài)水。圖3為17日南陽冷云區(qū)積分液態(tài)水演變特征。由圖3可知，06:05(點A)之前，冷云區(qū)積分液態(tài)水變化穩(wěn)定，均低于0.01 mm；06:05之后，冷云區(qū)積分液態(tài)水開始波動，12:49(點B)之后快速增長，13:47(點D)達到峰值，為0.79 mm；之后有所降低，并于18:01(點G)再次達到峰值，為1.32 mm；20:39(點I)后，冷云區(qū)積分液態(tài)水降至0.01 mm以下。冷云區(qū)積分液態(tài)水平均值C-H時段的最大，H-I時段的次之，A-C時段的最小。根據(jù)劉文明等[25]的研究結(jié)果，微波輻射計反演的冷云區(qū)積分液態(tài)水可表征云中過冷水含量，由此說明C-H時段較A-C、H-I時段云中過冷水更豐富，更適合人工影響天氣作業(yè)。

圖3 2019年11月17日南陽冷云區(qū)積分液態(tài)水演變黑實線代表A-C、C-H、H-I時段冷云區(qū)積分液態(tài)水平均值

4 作業(yè)條件對比分析驗證

利用天氣、衛(wèi)星、雷達等資料分析2019年11月17日人工增雨作業(yè)條件，重點對比分析A-C、C-H和H-I 3個時段，驗證利用微波輻射計反演的冷云區(qū)積分液態(tài)水表征云中過冷水含量的準(zhǔn)確性。

4.1 水汽及動力條件分析

利用ERA5再分析資料分析南陽微波輻射計站點(112.49°E、33.10°N)上空冰面過飽和水汽壓、水汽通量散度和垂直速度時間高度分布(圖4)發(fā)現(xiàn)：A-C時段冰面過飽層主要位于450-300 hPa;C-H時段冰面過飽和層增厚，位于650-300 hPa;H-I時段的較C-H時段的有所減薄。A-C時段水汽通量散度負值區(qū)主要位于850-750 hPa，說明該區(qū)域水汽輻合，輻合中心強度超過-5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。這種低層輻合高空輻散的形勢，有利于整層大氣的抽吸作用，促進低層大氣向高層輸送水汽。C-H時段水汽輻合區(qū)范圍擴大，主要位于850-500 hPa，H-I時段水汽輻合區(qū)較C-H時段減小。A-C時段上升運動區(qū)主要位于850-750 hPa；C-H時段上升運動區(qū)范圍擴大，強度增強，中心強度超過-1.2 Pa·s-1;H-I時段上升運動區(qū)范圍較C-H時段的減小，強度也有所減弱。綜合以上分析，C-H時段比A-C、H-I時段有更厚的冰面過飽和層、更好的水汽條件和促進降水發(fā)生發(fā)展的動力條件，有一定的人工增雨作業(yè)潛力。

圖4 2019年11月17日冰面過飽和水汽壓(a)、水汽通量散度(b)和垂直速度(c)時間高度剖面圖中紅色方框代表A-C時段，藍色方框代表C-H時段，紫色方框代表H-I時段；虛線表示負值，實線表示正值；水汽通量散度單位:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，冰面過飽和水汽壓單位:hPa，垂直速度單位: Pa·s-1

4.2 衛(wèi)星反演識別作業(yè)條件

FY-4A衛(wèi)星作為新一代靜止軌道定量遙感氣象衛(wèi)星，覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段，可見光空間分辨率為0.5 km。分別賦予可見光反射率為紅色(R)、中紅外(3.7 μm)反射率為綠色(G)、紅外反射率(10.8 μm)為藍色(B)，對其進行組合編碼，形成RGB圖像，可以顯示云的物理特征[33]。紅色表示云層由大粒子組成，厚而明亮，且云頂溫度低；黃色表示由有效半徑小的云滴組成，厚的過冷水云在 RGB合成圖上顯示為亮黃色；綠色表示含過冷水或小冰粒子的薄云；藍色表示地表[34]。有研究表明[35]，該RGB三色合成方法可應(yīng)用于人工增雨作業(yè)區(qū)選擇。

圖5為2019年11月17日FY-4A衛(wèi)星RGB合成圖。由于三色合成需用到可見光反射率，晚上無法形成RGB合成圖，因此僅分析17:00之前FY-4A衛(wèi)星RGB合成圖演變過程。由圖5可以看出，11月17日13:30之前和15:38之后南陽微波輻射計站點均為紅色云區(qū)覆蓋，13:34-15:34南陽微波輻射計站點一直為黃色云區(qū)覆蓋，說明13:34-15:34南陽上空過冷水較豐富。由此表明，C-H時段(13:13-18:48)較A-C時段(06:05-13:11)的人工增雨作業(yè)條件更好。

圖5 2019年11月17日不同時刻FY-4A衛(wèi)星RGB合成圖圖中黑色圓點為南陽微波輻射計所在位置

4.3 雷達回波特征

圖6給出了11月17日南陽雷達組合反射率演變過程。由圖6可以看出，11:54南陽地區(qū)開始出現(xiàn)分散性弱回波。12:48-13:48(圖3點B-點D)雷達回波自西南向東北方向移動，強度增強，南陽微波輻射計上空回波強度由15-20 dBZ增至20-30 dBZ。13:48之后(點E)，南陽微波輻射計上空出現(xiàn)雷達回波空檔，16:54再次被回波覆蓋(點F)，回波移動方向轉(zhuǎn)為自西北向東南方向，強度繼續(xù)增強。18:00雷達回波最高達50 dBZ(點G)，之后回波減弱(點H)，于20:42(點I)移出南陽地區(qū)。

圖6 2019年11月17日不同時刻南陽雷達組合反射率圖中黑色圓點為南陽微波輻射計所在位置

綜合以上分析，冷云區(qū)積分液態(tài)水高值對應(yīng)強回波，低值對應(yīng)弱回波。A-C時段雷達回波從無到有，回波強度整體較弱，C-H時段雷達回波呈增強趨勢，強度較強，H-I時段雷達回波呈減弱消散趨勢，說明C-H云系處于發(fā)展階段，具有一定的增雨條件。

5 結(jié) 論

本文以2019年11月17日南陽一次降水過程為例，結(jié)合天氣、衛(wèi)星及雷達等氣象資料，通過對比驗證，用以說明可以將微波輻射計探測反演的冷云區(qū)積分液態(tài)水大小作為判斷過冷水多少的指標(biāo)來識別人工增雨作業(yè)條件。得出如下結(jié)論：

(1)微波輻射計探測反演的冷云區(qū)積分液態(tài)水較大時段，冰面過飽和層較厚,水汽條件較好，且動力條件更有利于促進降水發(fā)生發(fā)展。

(2)冷云區(qū)積分液態(tài)水較大時段對應(yīng)FY-4A衛(wèi)星三色合成識別相應(yīng)上空過冷水也較豐富，相應(yīng)時段雷達回波呈增強趨勢，云系處于發(fā)展階段，具有較好的增雨潛力，表明微波輻射計探測反演的冷云區(qū)積分液態(tài)水含量可用于識別人工增雨作業(yè)條件。

(3)本文為個例研究，旨在說明微波輻射計冷云區(qū)積分液態(tài)水可表征云中過冷水，用于識別人工增雨作業(yè)條件，但具體閾值尚未統(tǒng)計，仍需后續(xù)研究。

致謝：感謝陜西省人工影響天氣中心岳治國、陜西省氣象科學(xué)研究所劉貴華等提供FY-4A/AGRI靜止衛(wèi)星云微物理特征反演與交互分析軟件。