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(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)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(jī)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(dá)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(jìn)行人工影響天氣，耗費(fèi)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(shí)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(dá)[2-3]、衛(wèi)星[4]等資料計(jì)算診斷、飛機(jī)探測[5-6]和數(shù)值模擬[7-8]等方法。

微波輻射計(jì)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(diǎn)[9]，在中小尺度天氣實(shí)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(jì)與風(fēng)廓線雷達(dá)結(jié)合，已逐漸代替探空氣球，與各種天氣雷達(dá)互補(bǔ)，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(jì)進(jìn)行分析研究。雷恒池等[15]利用西安微波輻射計(jì)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(jì)資料計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(dá)等資料予以驗(yàn)證，為微波輻射計(jì)更好地應(yīng)用在人工影響天氣作業(yè)中提供參考，進(jìn)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(jì)反演產(chǎn)品數(shù)據(jù)，微波輻射計(jì)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(dá)資料，其中南陽雷達(dá)站雷達(dá)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(jì)識別人工增雨作業(yè)條件方法

微波輻射計(jì)采取被動接收方式，通過測量氧氣在60 GHz附近的輻射強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yuǎn)大于液態(tài)水的，冰晶層引起的光學(xué)厚度遠(yuǎn)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(jì)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(jī)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(shí)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(shí)線代表700 hPa切變線，圖(g)(h)(i)中紅色雙實(shí)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(jì)資料分析

魏重等[26]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)雨強(qiáng)≤5 mm/h時，微波輻射計(jì)觀測記錄與外界變化相呼應(yīng)，而超過該值時，微波輻射計(jì)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(qiáng)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(yàn)中發(fā)現(xiàn),在降水量較小的情況下，微波輻射計(jì)與飛機(jī)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(qiáng)未超過4 mm/h，在降水量級和降水強(qiáng)度較小的情況下，微波輻射計(jì)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(jì)監(jiān)測的積分水汽、積分液態(tài)水及降水量演變特征?？梢钥闯?，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(dá)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。總的來說，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(shí)線)、積分液態(tài)水(藍(lán)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(jì)探測反演的溫度垂直廓線，將0 ℃層以上的液態(tài)水進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)B)之后快速增長，13:47(點(diǎn)D)達(dá)到峰值，為0.79 mm；之后有所降低，并于18:01(點(diǎn)G)再次達(dá)到峰值，為1.32 mm；20:39(點(diǎn)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(jì)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(shí)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(yàn)證

利用天氣、衛(wèi)星、雷達(dá)等資料分析2019年11月17日人工增雨作業(yè)條件，重點(diǎn)對比分析A-C、C-H和H-I 3個時段，驗(yàn)證利用微波輻射計(jì)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(jì)站點(diǎn)(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(fù)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(qiáng)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(jìn)低層大氣向高層輸送水汽。C-H時段水汽輻合區(qū)范圍擴(kuò)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(yùn)動區(qū)主要位于850-750 hPa；C-H時段上升運(yùn)動區(qū)范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)，中心強(qiáng)度超過-1.2 Pa·s-1;H-I時段上升運(yùn)動區(qū)范圍較C-H時段的減小，強(qiáng)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(jìn)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(lán)色方框代表C-H時段，紫色方框代表H-I時段；虛線表示負(fù)值，實(shí)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(lán)色(B)，對其進(jìn)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(lán)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(jì)站點(diǎn)均為紅色云區(qū)覆蓋，13:34-15:34南陽微波輻射計(jì)站點(diǎn)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(diǎn)為南陽微波輻射計(jì)所在位置

4.3 雷達(dá)回波特征

圖6給出了11月17日南陽雷達(dá)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(diǎn)B-點(diǎn)D)雷達(dá)回波自西南向東北方向移動，強(qiáng)度增強(qiáng)，南陽微波輻射計(jì)上空回波強(qiáng)度由15-20 dBZ增至20-30 dBZ。13:48之后(點(diǎn)E)，南陽微波輻射計(jì)上空出現(xiàn)雷達(dá)回波空檔，16:54再次被回波覆蓋(點(diǎn)F)，回波移動方向轉(zhuǎn)為自西北向東南方向，強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)。18:00雷達(dá)回波最高達(dá)50 dBZ(點(diǎn)G)，之后回波減弱(點(diǎn)H)，于20:42(點(diǎn)I)移出南陽地區(qū)。

圖6 2019年11月17日不同時刻南陽雷達(dá)組合反射率圖中黑色圓點(diǎn)為南陽微波輻射計(jì)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(qiáng)回波，低值對應(yīng)弱回波。A-C時段雷達(dá)回波從無到有，回波強(qiáng)度整體較弱，C-H時段雷達(dá)回波呈增強(qiáng)趨勢，強(qiáng)度較強(qiáng)，H-I時段雷達(dá)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(dá)等氣象資料，通過對比驗(yàn)證，用以說明可以將微波輻射計(jì)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(jì)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(jìn)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(dá)回波呈增強(qiáng)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(jì)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(jì)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(jì)，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。