范思睿,王維佳
(1. 四川省人工影響天氣辦公室,成都 610072;2.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點實驗室,北京 100081;3.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,成都 610072;4.四川省成都市氣象局,成都 611133)
氣象衛(wèi)星的迅速發(fā)展為云降水研究提供了新思路。氣象衛(wèi)星能夠提供多時次、大范圍、連續(xù)性的云微物理探測信息。在過去幾十年中,許多學者研發(fā)了衛(wèi)星反演云微物理參數(shù)的方法,利用氣象衛(wèi)星資料反演云和降水的多種宏微觀物理特征參數(shù),如云粒子相態(tài)、粒子有效半徑、光學厚度等。Pavolonis等[1],Nakajima等[2],Han等[3]利用衛(wèi)星資料反演云的相態(tài)和類型、云光學厚度、粒子有效半徑、氣溶膠光學厚度等。Rosenfeld等[4]建立了基于衛(wèi)星反演云微物理的方法,分析云垂直結構,并用飛機探測資料對反演的云微物理進行驗證。Lensky等[5]和Freud 等[6]進一步利用飛機探測資料和衛(wèi)星資料進行了驗證,此后,這種反演技術逐步應用在強對流、氣溶膠、森林火災等研究上[5-8]。在中國,學者們也將衛(wèi)星反演技術應用到云和降水分析上。戴進等[9]利用衛(wèi)星反演技術分析雷暴降水過程,探討云微物理特征及形成原因。劉貴華等[10]利用衛(wèi)星反演技術分析了不同積云的云物理過程和微物理特征。徐小紅等[11]利用NOAA衛(wèi)星資料反演了一次春季強颮線過程,并與多種觀測數(shù)據(jù)進行對比分析。張芹等[12]和武威等[13]利用FY-2E衛(wèi)星資料對颮線和暴雨天氣過程進行分析。人工影響天氣領域也逐步加大了衛(wèi)星反演技術的應用。從風云二號衛(wèi)星開始,中國氣象局人工影響天氣中心就研發(fā)了相關的衛(wèi)星反演產(chǎn)品指導全國人工增雨作業(yè)。2005 年陜西省氣象科學研究所引進Rosenfeld 等建立的衛(wèi)星反演技術,發(fā)展了基于NPP 衛(wèi)星、MODIS 衛(wèi)星和風云系列的云微物理反演技術方法[10],并應用于云和降水分析中。戴進等[14]利用衛(wèi)星反演技術分析了一次人工增雨催化作業(yè)后的云跡線,揭示了層狀云催化的微物理效應。劉貴華等[15-16]利用極軌衛(wèi)星資料反演了增雨前云降水微物理特征,分析增雨潛力。孫鴻娉等[17]利用FY-2C衛(wèi)星資料反演夏季積層混合云微物理特征,綜合分析增雨可播性。范思睿等[18]利用FY-4A衛(wèi)星資料反演增雨作業(yè)前的云層條件,表明在四川盆地有高低云配置地區(qū),降雨更大。
風云四號氣象衛(wèi)星的業(yè)務運行,可以獲得觀測范圍內(nèi)云和降水大范圍、高時空分辨率資料,利用衛(wèi)星反演技術,對云降水的多種物理特征參數(shù)進行反演,開展中國地區(qū)云降水水平和垂直結構研究。應用目前,分析云和降水微物理特征、人工增雨潛力的大部分研究基于極軌衛(wèi)星,利用FY-4A衛(wèi)星資料的研究較少。本文采用Rosenfeld 等[4]的衛(wèi)星反演方法,利用FY-4A衛(wèi)星對四川盆地云降水的多種物理特征參數(shù)進行反演,分析了一次人工增雨作業(yè)前云降水微物理變化特征,綜合分析增雨可播性,判別增雨潛力區(qū)和作業(yè)高度,為開展人工增雨作業(yè)提供可靠的依據(jù),然后利用多普勒天氣雷達、地面氣象臺站、空氣質(zhì)量指數(shù)、顆粒物污染物濃度等多種數(shù)據(jù)資料得到人工增雨作業(yè)前后作業(yè)云體宏觀情況和空氣質(zhì)量、雨量的變化,對其作業(yè)效果進行分析,尋找人工增雨減輕污染作業(yè)效果的物理證據(jù)。
FY-4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源于國家衛(wèi)星氣象中心下發(fā)的風云四號A星靜止衛(wèi)星資料;雨量資料為氣象臺站小時雨量觀測資料,雷達資料為成都市S波段多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)和二次產(chǎn)品,探空資料為溫江站點L波段探空數(shù)據(jù),均來源于四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心;AQI空氣質(zhì)量指數(shù)和PM10、PM2.5數(shù)據(jù)來源于中國氣象局。
利用FY-4A多通道信息的組合,反演云的微物理特征,揭示云的不同類別、云厚、粒子有效半徑、粒子增長過程等。利用Rosenfeld等[4]建立的基于衛(wèi)星反演云微物理的方法將可見光反射率、3.7μm通道反射率和云頂溫度賦予不同基色值,通過組合編碼,形成RGB彩色圖像,根據(jù)不同顏色來大致判斷云的類型[4,10]。夜間由于缺乏可見光和近紅外通道發(fā)射率信息,可以利用紅外亮溫差來定性反映云的密實程度和云粒子大小信息。分裂窗亮溫差(BTD12.0~10.8)反映了云的密實程度,用作紅色基色值;10.8μm和3.7μm通道亮溫差(BTD10.8~3.7)對云粒子大小敏感,用作綠色基色值;10.8μm反映云的發(fā)展高度,用作藍色基色值;通過RGB調(diào)色,形成夜間云微物理多光譜合成圖像。在夜間云微物理多光譜合成圖上,深厚對流云呈現(xiàn)為橙紅色,過冷水云為淺綠色。戴進等[14]、劉貴華等[15-16]、孫鴻娉等[17]和范思睿等[18]將此方法用于人工影響天氣中,證明利用衛(wèi)星資料能夠準確反演云和降水微物理特征,分析云類型,從而判別過冷水區(qū)和高度,對增雨可播性和播撒催化劑時間和高度提供指導。
衛(wèi)星探測只能獲取云頂?shù)男畔?,為了了解云?nèi)狀況,通過假定條件進行時空轉(zhuǎn)換,并據(jù)此來分析云的垂直結構和云中物理過程,假定條件如下:1)各態(tài)歷經(jīng)假定,某一時刻衛(wèi)星在某一區(qū)域內(nèi)觀測到不同云塊不同的溫度、反演的粒子半徑可認為是這一區(qū)域中每一塊云隨時間發(fā)展的過程,即將空間分布的信息看成是時間變化的信息。2) 只要降水沒有發(fā)生,云頂附近的粒子半徑,是和同一高度上云內(nèi)的粒子半徑相似,以上假定都通過飛機觀測做了檢驗。基于這二個假定條件,通過選取不同高度的云就可以得到粒子半徑隨溫度的變化曲線,即T-Re圖,用于分析云降水的垂直結構[4,10]。
現(xiàn)有的人工增雨作業(yè)效果檢驗方法主要有統(tǒng)計檢驗、物理檢驗和數(shù)值模擬檢驗。本文主要使用物理檢驗,物理檢驗主要利用現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)分析作業(yè)云和對比云的宏微觀物理特征變化,給出云物理響應證據(jù),定性定量分析作業(yè)效果。
2019年5月12~13日,受北方大范圍沙塵天氣傳輸入境的沙塵氣溶膠影響,四川盆地東北部和西部多個城市相繼出現(xiàn)空氣質(zhì)量指數(shù)超標。為減輕沙塵氣溶膠污染,成都市氣象局組織實施地面人工增雨作業(yè)減輕空氣污染。2019年5月12~13日在成都市多個作業(yè)點發(fā)射裝填有以AgI為主要成分的冷云催化劑的高炮彈和增雨火箭彈到目標云中實施人工增雨減輕污染作業(yè)(表1)。此次作業(yè)主要集中在成都,主要是對回波強度≥30dBz(圖略)云體進行人工催化增雨。根據(jù)作業(yè)區(qū)氣候背景和地形條件、云體移動方向等,選擇沒有受到催化污染的周邊市(綿陽、廣元、資陽)為對比區(qū),將成都設為作業(yè)區(qū),綿陽設為對比區(qū)1,廣元為對比區(qū)2,資陽為對比區(qū)3。作業(yè)區(qū)和對比區(qū)1歷史降水相關系數(shù)為0.63,作業(yè)區(qū)和對比區(qū)2歷史降水相關系數(shù)為0.31,作業(yè)區(qū)和對比區(qū)3歷史降水相關系數(shù)為0.53。
表1 地面增雨作業(yè)信息
受北方冷空氣影響,5月12日凌晨開始,內(nèi)蒙古中西部、甘肅中部、寧夏、陜西、山西等地的部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵天氣,西安等多個城市出現(xiàn)嚴重污染。12日18時左右,沙塵從四川省東北部廣元進入,并逐步南下影響南充、遂寧、綿陽、德陽、成都、眉山等地。當天天氣形勢(圖略)顯示500hPa青藏高原東部的西藏、四川、青海三省交界處有明顯的風切變,并配有顯著降溫區(qū),700hPa盆地北部有東北氣流侵入,東部有冷空氣回流。
作業(yè)前需要分析云層是否具有增雨潛力,衛(wèi)星能夠提供多時次、大范圍、連續(xù)性的云微物理探測信息,利用FY-4A衛(wèi)星反演四川盆地云降水微物理特征,分析四川盆地春季增雨潛力區(qū)分布。圖1為采用Rosenfeld等[4]的衛(wèi)星反演方法對2019年5月12日15時(北京時)四川盆地云降水物理特征進行反演,地面為四川,盆地西部主要為黃色和粉色、紅色云覆蓋,黃色和粉色區(qū)域(區(qū)域1)云頂溫度約為-7℃,主要為低云,粒子有效半徑為12~18μm,說明粒子半徑較小溫度較高,根據(jù)戴進等[9]提出的辦法,利用粒子半徑大小和云頂溫度判定黃色和粉色區(qū)域主要為液態(tài)粒子,可見作業(yè)區(qū)附近有大面積過冷水存在,但因云層較薄,過冷水云上空沒有中高云存在,云中缺乏冰晶或冰晶不足,過冷水僅通過凝結增長變大。成片黃色和粉色區(qū)域中存在點狀紅色云(區(qū)域3),根據(jù)區(qū)域3的T-Re(圖1d)看出,紅色云頂溫度約為-30℃,粒子有效半徑為15~40μm,云中主要發(fā)生碰并增長、混合相增長和冰化增長過程,相對于黃色和粉色區(qū)域,區(qū)域3中云頂溫度更低,云層更厚,粒子半徑更大,粒子半徑分布不均,點狀紅色云為粒子半徑更大、云頂溫度更低的弱對流泡,由此可見,15時作業(yè)區(qū)附近主要是積層混合云。圖2為12日18:15(北京時)FY-4A反演的云微物理特征,地面為四川,18時15分作業(yè)區(qū)上空已被紅色云體覆蓋,云頂溫度約為-40℃,粒子有效半徑為7~40μm,云中粒子半徑分布不均,結合12日20時溫江站探空數(shù)據(jù)(圖略)顯示云頂高度已發(fā)展到7km以上,云底為1.5km,由此推斷18時15分作業(yè)區(qū)上空紅色云為深厚的對流降水云,云體發(fā)展較快,云頂溫度約為-40℃,粒子有效半徑為7~40μm,說明云中有多種相態(tài)粒子。從15時到18時作業(yè)區(qū)上空已經(jīng)從積層混合云發(fā)展為深厚對流降水云,作業(yè)區(qū)北部也為大片的紅色深厚對流降水云,作業(yè)區(qū)西北部為大片黃色過冷水云和粉色對流泡,主要為積層混合云,提供了豐富的過冷水。
圖3為12日21:00(北京時)FY-4A夜間云微物理多光譜合成圖,地面為四川,因為夜間缺少可見光信息和近紅外通道發(fā)射率信息,利用紅外亮溫差來定性反映云的密實程度和云粒子大小信息,無法建立T-Re關系。從圖3中看出作業(yè)區(qū)上空和北部都為橙紅色的深厚對流降水云,作業(yè)區(qū)南部為淺綠色的過冷水云,從18~21時云體有發(fā)展,作業(yè)區(qū)北部的對流云團更加密實,但沒有南移,主要是在四川北部,作業(yè)區(qū)南部依然為大面積過冷水云和對流泡。
綜上所述,12日15時作業(yè)區(qū)附近主要為積層混合云,存在大量過冷水,紅色對流泡云頂溫度約為-30℃,粒子有效半徑為15~40μm,黃色云頂溫度約為-7℃,主要為低云,粒子有效半徑為12~18μm;18時云體發(fā)展迅速,作業(yè)區(qū)上空和北部都發(fā)展為深厚對流降水云,云頂溫度約為-40℃,粒子有效半徑為7~40μm,作業(yè)區(qū)南部為積層混合云;21時作業(yè)區(qū)上空云體緩慢發(fā)展,北部對流降水云發(fā)展密實但沒有南移,南部依然為積層混合云,存在大量過冷水。
作業(yè)上空15時為積層混合云,有大面積過冷水云,21時已經(jīng)發(fā)展為對流降水云,說明云系朝著有利于降水的方向發(fā)展。根據(jù)劉貴華等[19]提出的人工播撒適宜條件,認為云層厚度要達到2km以上,云頂溫度低至-10~-20℃。云中增雨潛力要同時考慮多個因素:“催化-供給”云結構、過冷水含量高、冰晶濃度低、水汽厚度和冰面過飽和水汽厚度大、降水效率低[20]。此次作業(yè)區(qū)域為盆地西部,作業(yè)區(qū)域上空有大量過冷水云,同時云層厚度達到6km,云頂溫度位于-7~-40℃,符合人工播撒催化劑條件,增雨潛力較好,對其進行人工增雨較為適宜。根據(jù)12日20時溫江站探空數(shù)據(jù)(圖略),0℃層高度約為4km,-10℃層高度約為6km,預計在過冷水豐富的-5℃~-15℃溫度層中人工引入致冷催化劑,可以促使云中發(fā)生貝吉龍過程,增加云中冰晶數(shù)量,使得水汽和過冷卻水滴在冰晶表面迅速凝華從而落下,促使冷云降水,根據(jù)多普勒天氣雷達圖(圖略)看出作業(yè)前的21時作業(yè)區(qū)垂直液水含量達到40kg/m2,再次證明作業(yè)云體內(nèi)液態(tài)水含量豐沛,有利于引入催化劑進行人工增雨。
綜合分析,此次天氣過程有較好的增雨潛力,高低空配合的環(huán)流場形成了比較有利的降水形勢,作業(yè)云體過冷水豐沛,催化劑能夠達到適溫層(-10℃),適宜開展人工增雨作業(yè),故計劃在盆地西部開展地面增雨作業(yè),射擊方位是云體移動方向,播撒高度約為6km(-10℃)。
人工增雨作業(yè)從12日21:17開始連續(xù)性作業(yè),持續(xù)到13日01:00,通過直觀對比作業(yè)前后的小時雨量(圖4),分析出作業(yè)前作業(yè)區(qū)和對比區(qū)雨量變化趨勢一致,都屬于增長期,小時雨量集中在0~2mm,從12日21時開始成都開始進行地面人工增雨作業(yè),作業(yè)區(qū)和對比區(qū)雨量都在12日21時達到峰值,23時之后對比區(qū)降水持續(xù)下降,雨量逐漸減少,但因為作業(yè)區(qū)成都持續(xù)進行地面增雨作業(yè),23:00~01:00雨量沒有下降,而是維持在約2mm,13日02時之后雨量才開始下降,作業(yè)區(qū)成都峰值降水持續(xù)時間更長,說明地面增雨作業(yè)使得作業(yè)區(qū)(成都)峰值降雨時間延長,總體雨量增強。
為了分析催化云體在作業(yè)前后的變化,選擇能覆蓋目標云的成都站多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)和二次產(chǎn)品用于此次物理檢驗,利用自主研發(fā)的“人工增雨效果物理檢驗分析軟件V1.0”(國家版權登記號:2019SR0966953)分析了作業(yè)前后雷達回波頂高ET、組合反射率CR、垂直累積液態(tài)水含量VIL等參量變化,為此次人工增雨減輕空氣污染作業(yè)提供基于多普勒天氣雷達的物理檢驗效果分析。利用該軟件可以自動根據(jù)作業(yè)點經(jīng)緯度和作業(yè)方位角、仰角、作業(yè)起止時間,在雷達回波圖上定位作業(yè)位置或作業(yè)區(qū)域,確定作業(yè)云體單元或作業(yè)區(qū),將識別出的云體單元進行自動編號,自動根據(jù)降水云類型選擇不同方法對作業(yè)云體進行實時追蹤,科學判定作業(yè)區(qū)每個時刻移動方向和每個階段的發(fā)展狀況,可以選擇多個對比區(qū),根據(jù)作業(yè)云體的實時追蹤,自動顯示作業(yè)區(qū)和對比區(qū)被催化前后的多個雷達參量變化。
從作業(yè)云組合反射率變化(圖5),可以發(fā)現(xiàn)第一次增雨作業(yè)(21:17)前的目標區(qū)有積層混合云存在,同時云中液水含量豐沛,合適人工催化。21:17進行了第一次催化作業(yè),從圖5c21:59上可以發(fā)現(xiàn),人工催化后半小時作業(yè)區(qū)新生了層狀云,回波面積較大,最大回波強度達到44dBz,VIL達到40kg/m2,回波頂高達到7km,說明第一次作業(yè)的催化劑促使云體再次發(fā)展,云內(nèi)液水含量(圖6)經(jīng)過催化后先增加后減少,是因為催化劑為制冷劑,會消耗云中過冷水,致使云中液水含量下降,冰核增長為冰晶的過程中釋放熱量,產(chǎn)生動力效益,促使云頂升高。22:34作業(yè)后一小時,云體發(fā)展緩慢,回波面積增大,但是回波強度下降,VIL下降到30kg/m2,說明云體正在減弱。23:03云體與周圍云體合并發(fā)展,但從強度上看整體云體正在減弱消散,VIL進一步下降到15kg/m2。云體已經(jīng)在消散期,為了能盡力增加降水和延長降水云周期,12日23:32和13日00:27開始第二次人工增雨作業(yè),13日00:32回波面積相對12日23:50有所增加。01:00之后催化劑消耗殆盡,降水云體逐漸消散,云中液水含量將至最低。
空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)變化是是否減輕空氣污染的重要和直觀指標,從AQI的變化就可以看出目標區(qū)污染物的變化。這次污染主要是由沙塵引起,從12日18時左右沙塵從四川盆地東北部(廣元)進入,并逐步南下影響南充、綿陽、成都等地,廣元出現(xiàn)重度污染和嚴重污染,資陽出現(xiàn)中度污染,綿陽出現(xiàn)輕度污染。而成都從12日21時~13日01時連續(xù)進行了多次地面人工增雨作業(yè),AQI最高只達到82,超過50的小時數(shù)僅僅維持3小時,空氣質(zhì)量等級持續(xù)優(yōu)良,PM10在13日凌晨達到最高94μg/m3,僅有4小時超過50μg/m3,在13日03時下降到48μg/m3(達到優(yōu)),PM2.5在13日凌晨達到最高49μg/m3,PM2.5僅有4小時超過35μg/m3,在13日03時下降到29μg/m3(達到優(yōu))。對比區(qū)3(資陽)和作業(yè)區(qū)(成都)的AQI變化從12日18時到13日01時幾乎同步,在12日22時前都低于50(優(yōu)),從12日23時轉(zhuǎn)為良,但成都經(jīng)過人工增雨后13日02時空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為優(yōu),而對比區(qū)3(資陽)從良轉(zhuǎn)為輕度污染乃至中度污染,直至13日05時對比區(qū)3(資陽)AQI才轉(zhuǎn)為良。成都的PM10從 12日23時達到63μg/m3,在13日凌晨達到最高值94μg/m3,經(jīng)過人工增雨后13日03時PM10下降到48μg/m3,而對比區(qū)3(資陽)PM10的變化從12日18時到13日01時幾乎同步,在12日23時前都低于60μg/m3,但13日01時PM10持續(xù)上升到13日03時達到峰值246μg/m3,PM2.5有類似變化趨勢。對比區(qū)2(廣元)污染嚴重到AQI持續(xù)4小時爆表,重污染持續(xù)數(shù)小時。對比區(qū)1(綿陽)AQI最高可達122,PM10最高可達183μg/m3,PM2.5最高可達93μg/m3,不達標空氣持續(xù)超過5小時。綜上所述,對比經(jīng)過人工增雨作業(yè)的成都和未經(jīng)過人工增雨作業(yè)的周邊市,看出人工增雨作業(yè)有效降低了AQI、PM10、PM2.5,有效降低了空氣污染物濃度。
5月12日凌晨開始,內(nèi)蒙古中西部、甘肅中部、寧夏、陜西、山西等地的部分地區(qū)出現(xiàn)沙塵天氣,西安等多個城市出現(xiàn)嚴重污染。12日18時左右,沙塵從四川省東北部廣元進入,并逐步南下影響南充、遂寧、綿陽、德陽、成都、眉山等地。本文利用FY-4A衛(wèi)星對2019年5月12日在四川盆地開展的一次人工增雨減輕空氣污染作業(yè)條件進行分析,綜合分析增雨可播性,判別增雨潛力區(qū)和作業(yè)高度,為開展人工增雨作業(yè)提供可靠的依據(jù),然后綜合利用多種觀測數(shù)據(jù)對其作業(yè)效果進行分析,得到人工增雨減輕空氣污染作業(yè)效果的物理證據(jù)。
(1)經(jīng)過分析作業(yè)前6個小時內(nèi)的FY-4A衛(wèi)星白天和夜間多光譜合成圖,表明作業(yè)前云系朝有利于降水的方向發(fā)展,15時作業(yè)區(qū)附近主要為積層混合云,存在大量過冷水,紅色對流泡云頂溫度約為-30℃,粒子有效半徑為15~40μm,黃色云頂溫度約為-7℃,主要為低云,粒子有效半徑為12~18μm;18時云體發(fā)展迅速,作業(yè)區(qū)上空和北部有大片深厚對流降水云發(fā)展,作業(yè)區(qū)位于對流降水云邊緣,云頂溫度約為-40℃,粒子有效半徑為7~40μm,作業(yè)區(qū)南部為積層混合云,提供大量過冷水;21時作業(yè)區(qū)上空云體緩慢發(fā)展,北部對流降水云發(fā)展密實但沒有南移,南部依然為積層混合云。
(2)此次作業(yè)區(qū)內(nèi)高低空配合的環(huán)流場形成了比較有利的降水形勢,云層厚度達到6km,云頂溫度位于-7~-40℃,雷達顯示作業(yè)前的21時作業(yè)區(qū)垂直液水含量達到40 kg/m2,再次說明作業(yè)云體過冷水豐沛。催化劑能夠達到適溫層(-10℃),符合人工播撒催化劑條件,增雨潛力較好,適宜開展人工增雨作業(yè)。
(3)經(jīng)過人工增雨作業(yè),作業(yè)區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)從82降到29,PM10從94μg/m3下降到28μg/m3,PM2.5從49μg/m3降到17μg/m3,空氣質(zhì)量等級持續(xù)優(yōu)良,而3個對比區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)從良轉(zhuǎn)為輕度污染或者中度污染、嚴重污染,空氣污染持續(xù)數(shù)小時;作業(yè)區(qū)的降水經(jīng)過人工催化后,雨量峰值持續(xù)時間延長;同時發(fā)現(xiàn)經(jīng)過人工催化,作業(yè)云體持續(xù)發(fā)展,云內(nèi)液體水含量增加,云頂升高。說明經(jīng)過人工增雨作業(yè)使得作業(yè)云體持續(xù)發(fā)展,峰值降雨時間延長,總體雨量增加,同時有效減輕空氣污染。
致謝:感謝劉貴華正研級高工對本文FY-4A應用和分析提出的寶貴意見。