李金輝 周毓荃 岳治國(guó) 王 瑾 宋嘉堯 雷連發(fā)

1 陜西省人工影響天氣中心，西安 710016 2 秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016 3 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081 4 北方天穹信息技術(shù)(西安)有限公司，西安 710014

提 要： 利用微波輻射計(jì)分析了秦嶺南北的水汽、液態(tài)水含量、濕度、云底高度等特征,結(jié)果表明：秦嶺北垂直積分水汽量年平均為18.52 kg·m-2，秦嶺南為20.94 kg·m-2， 90%以上水汽秦嶺北平均高度為4.26 km，秦嶺南為3.87 km；垂直積分液水含量，秦嶺南年平均為0.13 kg·m-2，秦嶺北年平均為0.12 kg·m-2，兩者相差不多；秦嶺腹地的空氣濕度大，秦嶺南年平均相對(duì)濕度75.3%，秦嶺北年平均相對(duì)濕度為59.8%，秦嶺南比秦嶺北平均相對(duì)濕度大15.6%；云底高度，秦嶺南年平均為3 817.5 m，秦嶺北年平均為4 396 m，中云云底高度年平均差異不大；降雨時(shí)秦嶺南云底年平均高度為323.3 m，較秦嶺北低，二者相差42.2 m。

引 言

秦嶺是中國(guó)南北氣候分界線，主體部分在陜西，秦嶺在陜西包括渭南南部、西安南部、寶雞的南部和漢中北部、安康北部、商洛全部(簡(jiǎn)稱陜南)。丹江口水庫(kù)水量的70%來(lái)自于陜南漢江和丹江。漢江是長(zhǎng)江最大支流，源于秦嶺南麓的漢中市寧強(qiáng)縣，丹江發(fā)源于商洛地區(qū)西北部的秦嶺南麓，流經(jīng)陜西、河南、湖北三省，在湖北省丹江口市與漢江交匯于丹江口水庫(kù)。

水汽、液態(tài)水含量的觀測(cè)方法有：衛(wèi)星反演，機(jī)載探測(cè)、氣象探空，微波輻射計(jì)反演等。其中微波輻射計(jì)具有數(shù)據(jù)連續(xù)觀測(cè)、分辨率高、操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)反演可得到垂直方向連續(xù)的溫度、相對(duì)濕度、水汽密度、云底高度、垂直積分水汽量、垂直積分液水含量等信息。微波輻射計(jì)有一定的缺陷，在有云的情況下，特別是低云和厚云存在時(shí)，濕度廓線反演誤差增大，降水時(shí)天線罩上附著的水將嚴(yán)重影響輻射計(jì)的反演精度，但利用納米材料制作天線罩，并配備鼓風(fēng)機(jī)向天線罩表面吹氣等方法可有效減小水膜效應(yīng)。

微波輻射計(jì)作為一種新型的大氣探測(cè)設(shè)備，其探測(cè)原理和方法已日趨成熟，觀測(cè)數(shù)據(jù)已開(kāi)始應(yīng)用到雷暴、暴雨、霧的預(yù)警預(yù)報(bào)和模式檢驗(yàn)等方面，顯示出良好的應(yīng)用前景。許皓琳等(2020)利用微波輻射計(jì)分析烏魯木齊和成都兩地機(jī)場(chǎng)雷暴降水水汽條件，能夠展現(xiàn)不同地區(qū)大氣水汽的分布特征，以及降水過(guò)程中各層水汽的演變情況。李德俊等(2012)對(duì)武漢一次短時(shí)暴雪天氣分析，結(jié)果表明：微波輻射計(jì)探測(cè)的溫度、相對(duì)濕度、整層水汽密度和液態(tài)含水量等參量隨降水相態(tài)改變均有明顯的變化，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)降水強(qiáng)度和比濕有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，降水開(kāi)始后比濕迅速增加，降水減弱時(shí)比濕快速減少。楊文霞等(2019)使用Ka波段(毫米波)云雷達(dá)、微波輻射計(jì)、微雨雷達(dá)和地面雨量計(jì)對(duì)河北省邢臺(tái)站出現(xiàn)的一次西南渦弱層狀云降水過(guò)程進(jìn)行綜合遙感分析，表明聯(lián)合觀測(cè)能獲取更為精細(xì)的云結(jié)構(gòu)演變和降水粒子增長(zhǎng)過(guò)程，是精細(xì)化識(shí)別降水出現(xiàn)和人工增雨潛力區(qū)的有效手段。黃建平等(2010)利用基地微波輻射計(jì)反演蘭州地區(qū)液態(tài)云水路徑和可降水量，結(jié)果表明：95%的云水路徑值都在150 g·m-2以下，95%的可降水量值都在3 cm以下。其他的研究如基于地基微波輻射計(jì)反演四川盆地水汽及云液態(tài)水的初步分析(鄭颯颯，2020)，利用地基遙感方法檢測(cè)大氣中汽態(tài)、液態(tài)水含量分布特征(段英和吳志會(huì), 1999)，一次降水過(guò)程云液態(tài)水和降水演變特征的綜合觀測(cè)分析(張志紅和周毓荃，2010)等等。綜上所述，微波輻射計(jì)探測(cè)水汽總量的精度與探空相比一致性較好，云、液水總量也有較高的精度。

目前陜西布設(shè)了5部微波輻射計(jì)，其中4部是中國(guó)兵器工業(yè)北方天穹信息技術(shù)(西安)有限公司研制并生產(chǎn)的MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)，1部為德國(guó)生產(chǎn)的XGM-1型微波輻射計(jì)；分別布設(shè)在秦嶺南安康寧陜縣氣象局、秦嶺北麓西安長(zhǎng)安區(qū)氣象局院內(nèi)(2部，其中1部為進(jìn)口)、西安中心的西安市氣象局、西安城北的涇河氣象站。微波輻射計(jì)是分析空中云水資源的有效工具(Cai et al，2020；Zhou et al，2020)，以往利用微波輻射計(jì)分析水汽、液水含量等均為個(gè)例的分析，對(duì)長(zhǎng)序列的分析較少見(jiàn)，本文利用秦嶺南北兩部同型號(hào)微波輻射計(jì)(寧陜縣海拔高度為802.4 m、長(zhǎng)安區(qū)氣象局海拔高度為445.0 m)，研究秦嶺地區(qū)大氣中的水汽、液態(tài)水含量，濕度、云底高度等，對(duì)了解空中云水資源，開(kāi)展人工增雨作業(yè)具有重要的意義。

1 資料說(shuō)明與處理

1.1 資料與方法

使用國(guó)產(chǎn)MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)，具有較高的精度(劉曉璐，2019)，每2 min完成一次掃描，每小時(shí)使用30個(gè)掃描資料，所有統(tǒng)計(jì)以小時(shí)為單位，為整點(diǎn)前后30 min的平均值，月、年的平均是小時(shí)平均。采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，長(zhǎng)安微波輻射計(jì)垂直資料是利用涇河氣象站的探空資料訓(xùn)練進(jìn)行反演，寧陜微波輻射計(jì)垂直資料變化是利用漢中氣象站的探空資料訓(xùn)練進(jìn)行反演，日常使用中每半年進(jìn)行一次液氮標(biāo)定，日常實(shí)時(shí)進(jìn)行Tipping標(biāo)定等。資料時(shí)間為2018年8月至2020年2月(長(zhǎng)安區(qū)氣象局2018年12月有6 d、2019年1月有7 d、2019年2月有17 d無(wú)微波輻射計(jì)資料，利用西安市氣象局微波輻射計(jì)資料替代，寧陜縣氣象局微波輻射計(jì)資料完整)。

降雨會(huì)對(duì)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演帶來(lái)較大不確定性，為了減小誤差，在計(jì)算垂直積分水汽含量、液水含量、水汽廓線時(shí)利用自帶的降雨傳感器數(shù)據(jù)剔除降雨樣本，同步統(tǒng)計(jì)兩地沒(méi)有降雨的資料。由于水汽積分與高度有關(guān)，而兩地海拔高度不一樣，為了使得積分?jǐn)?shù)據(jù)具有可比性，兩站點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一從寧陜的海拔高度作為積分水汽和液態(tài)水的起算點(diǎn)。降雨時(shí)云底高度較低，微波輻射計(jì)測(cè)的云底高度誤差較小，沒(méi)有剔除降雨時(shí)的資料。

1.2 垂直積分水汽與氣象探空資料相關(guān)分析

秦嶺北麓的長(zhǎng)安區(qū)氣象局微波輻射計(jì)垂直積分水汽與涇河氣象站探空(兩者距離37 km)比較，相關(guān)系數(shù)為0.97， 因長(zhǎng)安微波輻射計(jì)放置位置距離涇河探空站較近，因此利用涇河氣象站探空反演的垂直積分水汽與長(zhǎng)安區(qū)氣象局實(shí)際的垂直積分水汽相關(guān)性較好(圖1a)。秦嶺南寧陜微波輻射計(jì)垂直積分水汽與漢中探空比較(兩者距離153 km)，相關(guān)系數(shù)為0.88，主要由于兩地相距較遠(yuǎn)，受到水汽水平分布不均勻的影響，相關(guān)性變小(圖1b)。

圖1 (a)長(zhǎng)安區(qū)站和(b)寧陜站微波輻射計(jì)垂直積分水汽與探空對(duì)比Fig.1 The integrated water vapor compared with sounding (a) Chang’an Station， (b) Ningshan Station

2 秦嶺南北垂直積分水汽、垂直積分液水含量變化特征

2.1 秦嶺南北垂直積分水汽變化

水汽主要在低層，由于兩地海拔高度有差異，寧陜縣氣象站比長(zhǎng)安氣象站海拔高度高約357.4 m，為了使得兩地?cái)?shù)據(jù)具有可比性，長(zhǎng)安積分水汽總量起算高度與寧陜一致，選取兩個(gè)站點(diǎn)沒(méi)有降雨同一時(shí)段進(jìn)行分析，逐月統(tǒng)計(jì)積分水汽平均值，秦嶺北長(zhǎng)安區(qū)氣象站與秦嶺南寧陜縣氣象站的垂直積分水汽量，年度變化趨勢(shì)一致(圖2)。11月至次年3月垂直積分水汽量偏小，4、5、6月逐漸增加，7月和8月達(dá)到大值，9月又逐漸減小。秦嶺南寧陜縣氣象站微波輻射計(jì)垂直積分水汽量年平均為20.94 kg·m-2，月平均變動(dòng)范圍為10.87～46.73 kg·m-2，月平均最大與最小相差4.3倍，秦嶺北垂直積分水汽量年平均為18.52 kg·m-2，月平均變動(dòng)范圍為8.43～40.1 kg·m-2，月平均最大與最小相差4.76倍，秦嶺北垂直積分水汽變率更大。

圖2 2018年11月至2020年2月寧陜縣氣象站與長(zhǎng)安區(qū)氣象站垂直積分水汽對(duì)比Fig.2 Comparison of the integrated water vapor between Ningshan Weather Station and Chang’an District Weather Station from November 2018 to February 2020

2.2 水汽廓線對(duì)比

對(duì)4 km以下的水汽廓線進(jìn)行了月平均統(tǒng)計(jì)，可以看出在高空水汽含量趨近一致，秦嶺南寧陜站水汽密度廓線月平均基本都大于秦嶺北部，越往低空水汽相差越大，另外從季節(jié)上看夏季水汽密度相差較大，冬季差異小(圖3)。

圖3 2018年11月至2020年2月寧陜縣氣象站與長(zhǎng)安區(qū)氣象站水汽密度廓線月平均統(tǒng)計(jì)對(duì)比Fig.3 Monthly statistics of water vapor density profile between Ningshan Weather Station and Chang’an District Weather Station from November 2018 to February 2020

2.3 秦嶺南北垂直積分液水含量變化

秦嶺南寧陜縣氣象站垂直積分液水含量月平均在0.04～0.42 kg·m-2，平均為0.13 kg·m-2，月平均垂直積分液水含量最高與最低相差10.5倍，秦嶺北長(zhǎng)安區(qū)氣象局垂直積分液水含量月平均變動(dòng)范圍為0.04～0.25 kg·m-2，平均為0.12 kg·m-2，月平均垂直積分液水含量最高與最低差6.25倍(圖4)，秦嶺南與秦嶺北年平均垂直積分液水含量相差不大，秦嶺南的垂直積分液水含量變率更大。

圖4 同圖2，但為垂直積分液水含量Fig.4 Same as Fig.2, but for integrated liquid water content

2.4

平均而言，秦嶺南寧陜縣氣象站地面年平均相對(duì)濕度為75.3%，秦嶺北長(zhǎng)安區(qū)氣象站地面年平均濕度為59.8%，秦嶺南比秦嶺北年平均相對(duì)濕度大，相差15.6%。秦嶺南2、3、4月平均相對(duì)濕度小(<70%)，而秦嶺北12、1、2、3月平均相對(duì)濕度小(<60%)(表1)。90%以上水汽平均高度,秦嶺南寧陜縣氣象站年平均為3.87 km，月最高與最低相差820 m，秦嶺北麓的長(zhǎng)安區(qū)氣象局年平均為4.26 km，月最高與最低相差870 m，秦嶺北麓水汽月平均變化更大一些，可以看出秦嶺南部相比北部低空更富含水汽。表1還可以看到月平均相對(duì)濕度較小時(shí)，月平均降水量少。

表1 秦嶺南寧陜縣氣象局、秦嶺北麓長(zhǎng)安區(qū)氣象局平均濕度及90%以上水汽平均高度Table 1 Average humidity and moisture height above 90% of weather stations of Ningshan County in south of Qinling Mountains, and Chang’an District at northern foot of Qinling Mountains in Shaanxi Province

2.5 秦嶺南北云底高度分布特征

利用微波輻射計(jì)反演云底最大高度可達(dá)到9 999 m，云底高度越高誤差越大，為了準(zhǔn)確確定云層云底高度，按照氣象學(xué)分類將云底高度小于2 000 m的統(tǒng)計(jì)為低云，將云底高度在2 000～5 000 m統(tǒng)計(jì)為中云，云底高度5 000以上，因人工增雨作業(yè)難于影響不統(tǒng)計(jì)。孫麗(2019)利用CloudSat衛(wèi)星觀測(cè)資料對(duì)云垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究了典型系統(tǒng)影響下的作業(yè)云系垂直結(jié)構(gòu)特征，為人工增雨作業(yè)提供參考。利用微波輻射計(jì)反演云高方面，丁虹鑫等(2018)利用云雷達(dá)和微波輻射計(jì)聯(lián)合反演大氣濕度廓線，相關(guān)系數(shù)平均為0.862，均方差誤差為14.9%，胡樹貞等(2020)進(jìn)行了云雷達(dá)與云宏觀特征對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)云雷達(dá)探測(cè)云高準(zhǔn)確性高，與基于探空識(shí)別的云底高度平均偏差為100 m左右。

將1小時(shí)中有一半時(shí)間有降雨的云層統(tǒng)計(jì)為降雨時(shí)段，統(tǒng)計(jì)云底高度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。秦嶺南寧陜縣氣象站年平均云底高度為3 817.5 m，3、4、5、6、7、8月平均云底高度較高，達(dá)到4 091.5 m以上。全年中云年平均云底高度為3 337.0 m，月平均云底高度在3 115.0～3 466.6 m，月平均相差351.6 m。低云年平均云底高度為1 021.7 m，月平均云底高度在788.8～1 208.4 m，相差419.6 m。降雨時(shí)年云底平均高度是323.3 m。相對(duì)來(lái)說(shuō)平均雨量較大的月份平均低云云底高度較低。

表2 2018年11月至2019年10月秦嶺南寧陜縣氣象局平均云底、中云、低云、降雨時(shí)云底高度Table 2 Average height of cloud base at the Ningshan Weather Station in south of Qinling Mountains of Shaanxi Province from November 2018 to October 2019

表3表明，秦嶺北麓長(zhǎng)安區(qū)氣象局年平均云底高度為4 396.0 m，冬季平均云底高度較低。全年中云年平均云底高度為3 329.8 m，月平均云底高度在3 126.7～3 673.2 m，相差546.5 m。低云年平均云底高度為896.6 m，月平均云底高度在515.5～1 153.7 m，相差638.2 m。降雨時(shí)年云底平均高度是356.5 m。相對(duì)來(lái)說(shuō)，平均雨量較大的月份平均低云云底高度較低。

表3 同表2，但為秦嶺北麓長(zhǎng)安區(qū)氣象局Table 3 Same as Table 2, but for Chang’an District Weather Station at the northern foot of Qinling Mountains

總體來(lái)說(shuō)：秦嶺南寧陜縣氣象站年平均云底高度比秦嶺北麓長(zhǎng)安區(qū)氣象站低578.5 m。秦嶺南寧陜縣氣象局中云年平均云底高度與秦嶺北麓長(zhǎng)安區(qū)氣象局相差7.2 m，相差不大。秦嶺南寧陜縣氣象站降雨時(shí)云底年平均高度比秦嶺北麓長(zhǎng)安區(qū)氣象站低33.2 m。相對(duì)來(lái)說(shuō)，平均雨量較大的月份平均低云云底高度較低。

3 結(jié)論與討論

(1)秦嶺南北垂直積分水汽量變化趨勢(shì)一致，11月至次年3月垂直積分水汽量偏小，4、5、6月逐漸增加，7月和8月達(dá)到大值，9月又逐漸減小。秦嶺北垂直積分水汽量年平均為18.52 kg·m-2，秦嶺南垂直積分水汽量年平均為20.94 kg·m-2。

(2)秦嶺南安康寧陜縣氣象站垂直積分液水含量年平均為0.13 kg·m-2，月平均垂直積分液水含量在0.04～0.42 kg·m-2。秦嶺北長(zhǎng)安區(qū)氣象站垂直積分液水含量年平均為0.12 kg·m-2。月平均垂直積分液水含量在0.04～0.25 kg·m-2。秦嶺南的垂直積分液水含量變率更大。

(3)秦嶺南比秦嶺北相對(duì)濕度大，年平均相差15.6%，秦嶺南寧陜縣氣象站90%以上水汽年平均高度為3.87 km，秦嶺北麓的長(zhǎng)安區(qū)氣象站90%以上水汽年平均高度為4.26 km。

(4)秦嶺南年平均云底高度比秦嶺北年平均云底高度低578.5 m。中云年平均云底高度相差 7.2 m，相差不大。降雨時(shí)秦嶺南云底年平均高度比秦嶺北年平均云底高度低33.2 m。相對(duì)來(lái)說(shuō)，平均雨量較大的月份平均低云云底高度較低。

(5)人工增雨作業(yè)不能影響水汽，而微波輻射計(jì)能夠很好地檢測(cè)大氣中汽態(tài)、液態(tài)水含量、云底高度、濕度、溫度等分布特征，對(duì)開(kāi)展人工增雨作業(yè)具有重要意義。