水汽“吸收再發(fā)射模型”的解釋與應(yīng)用

武冰路 隋曉霞

（中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院河北分院 河北 保定 071000）

水汽圖像，也稱水汽云圖，是氣象衛(wèi)星上6.2～7.3μm通道測(cè)得的輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成的灰度圖像.自從1977年歐洲空間局的第一顆靜止氣象衛(wèi)星（METEOSAT-1）首次使用水汽通道以來(lái)，由它獲得的水汽分布圖和反演出的水汽含量，為研究大氣的運(yùn)動(dòng)提出了新的手段，從而受到各國(guó)氣象衛(wèi)星研究和工作者的重視.隨著探測(cè)技術(shù)和判讀能力的提高，衛(wèi)星水汽圖像越來(lái)越顯示出它的作用和價(jià)值，其中反演的衛(wèi)星風(fēng)不僅在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式同化中受到重用，而且在天氣分析和預(yù)報(bào)中得到許多應(yīng)用（許健民等，2006）.但是實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，水汽圖像的使用率遠(yuǎn)低于可見(jiàn)光和紅外圖像，原因之一是天氣預(yù)報(bào)員對(duì)水汽圖像基本原理理解不清，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地解釋水汽圖像的含義.因此，將水汽圖像基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)明直觀的解釋，是授課教師必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題.本文使用概念模型形象直觀地用大氣輻射理論對(duì)水汽圖像應(yīng)用原理做出科學(xué)的解釋，為水汽圖像的廣泛應(yīng)用夯實(shí)理論基礎(chǔ).

1 吸收再發(fā)射模型

在6.7μm通道上衛(wèi)星接收到的輻射能一部分來(lái)源于地面，一部分來(lái)源于大氣中的水汽，它的公式表示為

上式中，等式左邊表示衛(wèi)星接收到的輻射能，等式右邊第一項(xiàng)表示衛(wèi)星接收到的地面發(fā)射的輻射能，等式右邊第二項(xiàng)表示衛(wèi)星接收到的大氣中的水汽發(fā)射的輻射能.

由于以6.7μm為中心的吸收帶是水汽的強(qiáng)吸收帶，在這個(gè)通道內(nèi)，懸浮在大氣中的水汽會(huì)吸收一部分來(lái)自下層的輻射，同時(shí)自身也會(huì)向上發(fā)射輻射，這就是水汽對(duì)輻射的吸收再發(fā)射作用.為了更容易理解水汽的吸收再發(fā)射過(guò)程，可采用“吸收再發(fā)射模型”加以說(shuō)明.如圖1所示，首先將垂直的大氣分為高、中、低3個(gè)層次，圖中垂直黑線的寬度表示輻射能的大小.下面分析輻射通過(guò)大氣層到達(dá)衛(wèi)星的過(guò)程中經(jīng)歷了哪些變化.

圖1 水汽對(duì)輻射能的吸收再發(fā)射作用模型

假設(shè)地面發(fā)射的輻射能為A0，它被低層大氣中的水汽吸收后衰減為A1，被中層水汽吸收后衰減為A2，又被高層水汽吸收后衰減為a.a就是衛(wèi)星接收到的地面所發(fā)射的被水汽層層吸收后的輻射能.同理，低層大氣中的水汽也會(huì)根據(jù)自身溫度發(fā)射一定的輻射能B1，被中層和高層水汽吸收后衰減為b，最終被衛(wèi)星接收.中層水汽發(fā)射的輻射能C2被高層水汽吸收后衰減為c；高層大氣發(fā)射的輻射能d基本全部到達(dá)衛(wèi)星.最終，衛(wèi)星能接收到的輻射能L=a+b+c+d.根據(jù)普朗克定律將該輻射能計(jì)算出溫度，就是水汽圖像上的亮溫.亮溫的大小反映的是水汽通道上衛(wèi)星接收到的輻射能的多少.

2 影響水汽通道輻射能大小的因子

根據(jù)上面的分析可以看出，在水汽通道上衛(wèi)星接收到的輻射能受多種因素影響.一般而言，影響因子包括地面和大氣中水汽的溫度、整層大氣中的水汽總量，水汽在垂直方向的分布情況.

由于黑體的輻射能與其溫度的四次方成正比，因此，地面和大氣的溫度對(duì)水汽圖像上的亮溫有影響.整層大氣中的水汽總量直接影響地面的輻射被吸收了多少，假如水汽在垂直方向上是均勻分布的，那么大氣中水汽含量越多，衛(wèi)星接收到的輻射能越少，反映在水汽圖像上色調(diào)越白，這些并不難理解.

然而實(shí)際大氣中，水汽在垂直方向上的分布十分不均勻，大部分水汽集中在對(duì)流層中低層，隨高度迅速減少，到平流層水汽含量已經(jīng)十分稀少，到底哪一個(gè)高度上的水汽吸收率最大，在衛(wèi)星接收到的輻射能中所占的權(quán)重最高？Weldon等人將不同的水汽分布條件輸入“RADCO M”模式［1］，并將結(jié)果數(shù)據(jù)畫到同一幅圖中，如圖2所示.

圖2 16種水汽垂直分布及亮溫疊加圖

將16種水汽垂直情況分布圖，分成4組，水汽分別僅存在于高層（300～200 hPa）、中層（350～450 hPa）、低層（650～750 hPa）和邊界層（900～1 000 h Pa），其他地方?jīng)]有水汽.圖中影線柱表示不同的濕度大小，影線柱上的數(shù)字是露點(diǎn)溫度差，影線寬度表示常定溫度露點(diǎn)差的相對(duì)濕度，長(zhǎng)度表示常定溫度露點(diǎn)差的濕層厚度.圖頂數(shù)字表示6.7μm通道下星測(cè)亮溫；帶橫線的原點(diǎn)表示“等效氣壓”，指的是氣溫等于亮溫的等壓面.圖底數(shù)字是各組亮溫的平均值.

首先，以小組為單位進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，從邊界層到中層，隨著濕層的抬升，圖底部的數(shù)字顯示各組平均亮溫值逐漸減小，分別是-2.5℃，-10.35℃，-16.55℃.當(dāng)水汽僅存在于高層時(shí)，由于相同的相對(duì)濕度下，高層水汽含量少，因此，地面上大部分輻射能可以透過(guò)水汽到達(dá)衛(wèi)星，致使其平均亮溫為-6.55℃.

對(duì)比小組內(nèi)部數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)流層中層（350～450 hPa）水汽飽和程度的不同會(huì)引起亮溫巨大的變化，如溫度露點(diǎn)差為2℃（接近飽和狀態(tài)）時(shí)亮溫為-21.4℃，溫度露點(diǎn)差為15℃（非常干燥）時(shí)亮溫為-11.1℃，兩個(gè)條件下亮溫差為10.3℃，反映在水汽圖像上為非常明顯的明暗對(duì)比；反之，低層（650～750 hPa）和邊界層（900～1 000 h Pa）水汽飽和程度變化導(dǎo)致亮溫差異變化較小：低層接近飽和狀態(tài)與非常干燥狀態(tài)的亮溫差為1.8℃，邊界層接近飽和與非常干燥狀態(tài)的亮溫差為0.3℃.由此可知，在其他條件相同時(shí)，對(duì)流層中層的水汽含量對(duì)衛(wèi)星接收到的輻射能影響最大，而低層和邊界層的水汽含量對(duì)衛(wèi)星接收到的輻射能影響很小.因此可以推斷，水汽圖像上色調(diào)差異主要反映了對(duì)流層中高層水汽的多少：色調(diào)越白，表示對(duì)流層中層水汽越接近飽和；色調(diào)越黑，表示對(duì)流層中層水汽越接近干燥.

3 水汽圖像在大氣運(yùn)動(dòng)中的解釋應(yīng)用

由熱力學(xué)第一定律可知，在干絕熱過(guò)程中，氣團(tuán)上升冷卻膨脹，下沉壓縮增溫.因此，大氣中的水汽接近飽和代表此時(shí)空氣中有上升運(yùn)動(dòng)，大氣非常干燥代表此時(shí)空氣中有下沉運(yùn)動(dòng).在水汽圖像上反映為，水汽圖像色調(diào)越白亮，代表該處上升運(yùn)動(dòng)越明顯，水汽圖像越黑暗，代表該處下沉運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈.

以2018年6月4日08：00的水汽圖像為例，圖3（a）顯示，在120°E的經(jīng)線上，40°～50°N色調(diào)暗黑，亮溫高，30°～40°N色調(diào)偏白，亮溫低；圖3（b）將120°E，50°～30°N的垂直運(yùn)動(dòng)與水汽亮溫值疊加，發(fā)現(xiàn)在40°～50°N處對(duì)流層中層垂直運(yùn)動(dòng)速度為正值，顏色為綠色，有下沉運(yùn)動(dòng)；30°～40°N處對(duì)流層中層垂直運(yùn)動(dòng)速度為負(fù)值，顏色為紅色，代表有上升運(yùn)動(dòng).

圖3 水汽圖像

該例印證了水汽圖像亮溫大小與對(duì)流層中層垂直運(yùn)動(dòng)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，在實(shí)際天氣預(yù)報(bào)與分析過(guò)程中，衛(wèi)星水汽圖像可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)流層中層垂直運(yùn)動(dòng)的一種實(shí)用的手段.

4 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)水汽圖像的原理及圖像解析，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）水汽圖像表示的是6.7μm通道上整層大氣的輻射亮溫，并非水汽的含量，因此水汽圖像無(wú)法判別大氣中的可降水量.

（2）水汽圖像上色調(diào)的亮暗可以較大程度地反映水汽的垂直分布狀況.色調(diào)黑暗，代表對(duì)流層中層水汽較少；色調(diào)較白代表對(duì)流層中層水汽較多.

（3）水汽圖像色調(diào)的亮暗與大氣的垂直運(yùn)動(dòng)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，水汽圖像色調(diào)偏白，代表對(duì)流層中層有上升運(yùn)動(dòng)；色調(diào)黑暗，代表對(duì)流層中層有下沉運(yùn)動(dòng).因此，在實(shí)際天氣預(yù)報(bào)與分析過(guò)程中，衛(wèi)星水汽圖像可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)流層中層垂直運(yùn)動(dòng)的一種實(shí)用的手段.

需要明確的一點(diǎn)是，衛(wèi)星水汽圖像具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，它時(shí)空分辨率高，覆蓋面廣，是常規(guī)探空資料的必要補(bǔ)充，但同時(shí)具有非常強(qiáng)的局限性，水汽圖像作為二維的平面圖像，用它反演三維的水汽垂直分布及大氣垂直運(yùn)動(dòng)，必然不能非常完全準(zhǔn)確地反演出來(lái)，有時(shí)須借助其他的資料來(lái)共同解決這個(gè)問(wèn)題.總之，對(duì)水汽圖像的認(rèn)識(shí)需建立在全面客觀的基礎(chǔ)上才能發(fā)揮其最大的作用.

致謝

感謝北京大學(xué)物理學(xué)院陶祖鈺教授對(duì)本文的指導(dǎo).