鄭颯颯

(1.四川省人工影響天氣辦公室，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072)

引言

水汽是大氣的基本參量，是空中水資源的重要組成部分，在云的演變和降水中起著重要作用，是云降水物理過(guò)程的重要介質(zhì)，云液態(tài)水以云、霧等形式存在，是選擇增雨作業(yè)條件的主要依據(jù)，是判別增雨作業(yè)潛力的重要指標(biāo)，因此，在人工影響天氣作業(yè)中，對(duì)水汽和云液態(tài)水的研究有利于提高人工影響天氣效率。

目前，對(duì)水汽比較常見(jiàn)的觀測(cè)手段有地基微波輻射計(jì)、L波段的探空、地基GPS遙感、飛機(jī)探測(cè)和衛(wèi)星紅外等，地基微波輻射計(jì)具有全天候連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)大氣中的水汽變化，通過(guò)地基微波輻射計(jì)反演的水汽含量，可以彌補(bǔ)探空在時(shí)空分辨率上的不足，并針對(duì)一次天氣過(guò)程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外研究中[1-13]。大量研究表明，微波輻射計(jì)在非降水天氣下的水汽監(jiān)測(cè)是可信的[14-17]。snider[18]利用地基微波輻射計(jì)研究北大西洋的水汽、云液態(tài)水的季節(jié)變化特征，得出冬季水汽含量低于夏季。黃治勇等[19]基于地基微波輻射計(jì)資料對(duì)咸寧兩次冰雹天氣的觀測(cè)分析，得到降雹前大氣液態(tài)水和水汽及過(guò)冷水含量快速增長(zhǎng)，降雹之后減小，對(duì)于冰雹的預(yù)警有一定指示意義。雷恒池等[20]利用微波輻射計(jì)探測(cè)降雨云系中水汽和垂直路徑積分云液水含量的一般特征，得出降雨開(kāi)始前，水汽和垂直路徑積分云液水含量有躍增現(xiàn)象，提出在降水云系前方(周?chē)?存在豐水區(qū)的假設(shè)，認(rèn)為這里可能是云滴向雨滴轉(zhuǎn)化的孕育區(qū)、人工增雨最佳作業(yè)區(qū)。

基于微波輻射計(jì)研究四川盆地水汽和云液態(tài)水的研究很少，本文利用地基微波輻射計(jì)反演的四川盆地水汽、云液態(tài)水資料，分析了水汽、云液態(tài)水四季的日變化，初步了解了四川盆地水汽變化特征，為科學(xué)開(kāi)展人工增雨作業(yè)和降水天氣的預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

MWP967KV型地基微波輻射計(jì)安裝在宜賓縣國(guó)家基本站上，可實(shí)現(xiàn)多通道連續(xù)探測(cè)水汽和氧氣的大氣微波輻射，實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算地面到10km的大氣溫度、濕度以及水汽含量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PWV)、云液態(tài)水含量等多種大氣參數(shù)，同時(shí)還能監(jiān)測(cè)地面的氣溫、濕度、氣壓、降水等氣象要素，探測(cè)時(shí)間間隔為4min；輸出廓線在垂直方向劃分為58層，地表到高度500m之間的分辨力為50m，2km以下的分辨率為100m，2～10km的分辨率為250m。

宜賓站探空資料為每天08和20時(shí)兩次觀測(cè)，輸出要素為溫度、位勢(shì)高度和相對(duì)濕度等，可用于計(jì)算水汽含量。利用微波輻射計(jì)07:15～08:15和19:15～20:15時(shí)段水汽含量的平均值分別代表08和20時(shí)探測(cè)值，與探空計(jì)算的水汽含量進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)估微波輻射計(jì)反演水汽含量的產(chǎn)品質(zhì)量。可降水量(Precipitable Water Vapor，PWV)是表征大氣水汽含量的指示因子，利用探空資料計(jì)算可降水量公式為

(1)

根據(jù)Tetens經(jīng)驗(yàn)公式，水汽密度的計(jì)算公式為

(2)

(3)

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為

(4)

顯著性檢驗(yàn)的計(jì)算公式為

(5)

平均誤差計(jì)算公式為

(6)

均方根誤差計(jì)算公式為

(7)

式中，PWV為水汽含量(單位：cm)，R為相關(guān)系數(shù)，MB為平均誤差，RMSE為均方根誤差，e為水汽壓(單位：hPa)，ρ為液態(tài)水密度(單位：g/cm3)，ρv為水汽密度(單位：g/m3)，U為相對(duì)濕度(單位：%)，T、t分別為絕對(duì)溫度(單位：K)、溫度(單位：℃)，a、b為系數(shù)，t>0℃時(shí)，a=7.5,b=237.3；t≤0℃時(shí)，a=9.5,b=265.5，x、y分別為計(jì)算樣本。

利用2016年12月1日～2017年11月30日微波輻射計(jì)反演的水汽、云液態(tài)水含量和地面常規(guī)觀測(cè)的降水、溫度等資料，將數(shù)據(jù)劃分為四季，2016年12月，2017年1、2月為冬季，2017年3～5月為春季，2017年6～8月為夏季，2017年9～11月為秋季。

圖1是探空和微波輻射計(jì)反演水汽含量的散點(diǎn)圖和線性擬合，從圖1可以看出，微波輻射計(jì)和探空計(jì)算水汽含量的相關(guān)系數(shù)r=0.787，當(dāng)自由度n-2=603時(shí)，顯著性水平的α=0.01臨界值tα=2.576；由公式5計(jì)算得出，rc=0.104，r>rc，說(shuō)明通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)；微波輻射計(jì)反演的水汽含量平均值為3.425cm，探空計(jì)算的水汽含量平均值為3.983cm，探空計(jì)算的水汽含量略高于微波輻射計(jì)，兩者平均值相差0.558cm。

為進(jìn)一步研究圖1中某些對(duì)比數(shù)據(jù)較離散，將微波輻射計(jì)和探空資料劃分為有降水天氣下和無(wú)降水天氣下，根據(jù)平均誤差和均方根誤差的計(jì)算公式，可以得出有降水時(shí)，微波輻射計(jì)和探空的水汽含量平均誤差為-1.58，均方根誤差2.83; 無(wú)降水時(shí)，微波輻射計(jì)和探空的水汽含量平均誤差為0，均方根誤差0.29。綜上所述，有降水時(shí)，水汽含量的誤差更大，由此得出，圖1某些對(duì)比數(shù)據(jù)較離散，可能是在降水天氣下探測(cè)引起的。

2 四川盆地水汽特征初步分析

2.1 水汽的日變化特征

將地基微波輻射計(jì)反演的水汽含量按四個(gè)季節(jié)劃分分別取小時(shí)平均值，圖2是四川盆地春、夏、秋、冬四季水汽含量的日變化，四個(gè)季節(jié)平均值從大到小排列順序?yàn)椋合募?秋季>春季>冬季，依次為：5.593cm、4.618cm、3.209cm、2.004cm，夏季水汽含量最大，冬季水汽含量最小，顯而易見(jiàn)，夏季水汽最豐富，冬季水汽最少。

從四川盆地四季水汽含量的日變化特征來(lái)看，春季水汽含量在14:00(北京時(shí)，下同)出現(xiàn)最小值,為3.624cm，此后逐漸上升，20:00之后有波動(dòng)上升，02:00出現(xiàn)最大值，為2.801cm，之后逐漸下降，最大值和最小值時(shí)間間隔為11個(gè)小時(shí)，日較差為0.823cm。夏季水汽含量最小值出現(xiàn)在17:00，為5.104cm，此后逐漸上升，最大值為6.181cm，出現(xiàn)04:00，此后逐漸下降，最大值和最小值時(shí)間間隔為13個(gè)小時(shí)，日較差為1.078cm。秋季水汽含量在17:00出現(xiàn)最小值，為3.992cm，此后逐漸上升，20:00之后為有波動(dòng)的上升，24:00出現(xiàn)最大值，為5.088cm，此后逐漸下降，最大值和最小值時(shí)間間隔為16個(gè)小時(shí)，日較差為1.096cm，在四個(gè)季節(jié)中最大。冬季水汽含量最大值為2.271cm，出現(xiàn)在22:00，此后逐漸下降，最小值為1.782cm，出現(xiàn)在14:00，此后逐漸上升，最大值和最小值時(shí)間間隔為9個(gè)小時(shí)，日較差為0.489cm，在四季中最小。綜上所述，四個(gè)季節(jié)水汽含量的日變化特征，最大值均出現(xiàn)在夜晚，最小值均出現(xiàn)在白天，夜晚的水汽含量大于白天。秋季水汽含量日較差最大，最大值和最小值時(shí)間間隔最長(zhǎng)，冬季水汽含量日較差最小，最大值和最小值時(shí)間間隔最短。

2.2 云液態(tài)水的日變化特征

四川盆地云的液態(tài)水含量在四個(gè)季節(jié)的變化趨勢(shì)基本一致，云液態(tài)水含量季節(jié)平均值從大到小排列順序?yàn)椋呵锛?夏季>春季>冬季，依次為：0.834mm、0.677mm、0.413mm、0.297mm。秋季云液態(tài)水含量最高，其次是夏季，冬季云液態(tài)水含量最小。

從圖3可以看出，云液態(tài)水含量有明顯日變化特征，春季云液態(tài)水含量在01:00出現(xiàn)最大值，為0.706mm，此后逐漸下降，16:00出現(xiàn)最小值，為0.151mm，最大值和最小值時(shí)間間隔為14個(gè)小時(shí)，日較差為0.555mm。夏季云液態(tài)水含量在04:00出現(xiàn)最大值，為1.184mm，此后逐漸下降，在17:00出現(xiàn)最小值，為0.277mm，最大值和最小值時(shí)間間隔為13個(gè)小時(shí)，日較差為0.908mm,在四個(gè)季節(jié)中最大。秋季云液態(tài)水含量在24:00出現(xiàn)最大值，為1.197mm，此后逐漸下降，在16:00出現(xiàn)最小值，為0.324mm，最大值和最小值時(shí)間間隔為16個(gè)小時(shí)，日較差為0.873mm。冬季云液態(tài)水含量在21:00出現(xiàn)最大值，為0.467mm，此后逐漸下降，在11:00出現(xiàn)最小值，為0.156，最大值和最小值時(shí)間間隔為10個(gè)小時(shí)，日較差為0.311mm，在四個(gè)季節(jié)中最小。綜上所述，四川盆地四個(gè)季節(jié)云液態(tài)水含量的日變化特征與水汽含量的變化趨勢(shì)基本一致，最大值均出現(xiàn)在夜晚，最小值均出現(xiàn)在白天，夜晚的云液態(tài)水含量大于白天。夏季，云液態(tài)水日較差最大；秋季，最大值和最小值時(shí)間間隔最長(zhǎng)；冬季，日較差最小，最大值和最小值時(shí)間間隔最短。

2.3 水汽、云液態(tài)水與降水、溫度的關(guān)系

圖4是四川盆地水汽、云液態(tài)水和降水、溫度月變化，從圖4(a)可以看出，水汽與降水變化趨勢(shì)一致，兩者相關(guān)系數(shù)r=0.842，相關(guān)性高，當(dāng)自由度n-2=10時(shí)，顯著性水平α=0.01的臨界值tα=3.169；由公式5計(jì)算得出，rc=0.708，r>rc，通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，其中，水汽含量最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在1月，對(duì)應(yīng)著降水量的最大值和最小值。云液態(tài)水與降水相關(guān)性為0.454，沒(méi)有通過(guò)了α=0.05顯著性檢驗(yàn)，云液態(tài)水含量最大值出現(xiàn)在10月，最小值出現(xiàn)在11月，降水量最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在1月，云液態(tài)水與降水相關(guān)性不好。

水汽從赤道到極地逐漸減少；溫度從赤道到極地逐漸降低，水汽與溫度分布特征相似。四川盆地的水汽變化受天氣系統(tǒng)影響外，還與溫度具有一定的聯(lián)系。從圖4(b)可以看出，溫度與水汽的變化趨勢(shì)基本一致，隨著溫度升高(降低)，大氣中的水汽含量逐漸增加(減少)，兩者相關(guān)性極高，相關(guān)系數(shù)r=0.915，當(dāng)自由度n-2=10時(shí)，rc=0.708，r>rc，通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，云液態(tài)水與溫度相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)為0.447，沒(méi)有通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)。

相關(guān)系數(shù)表示溫度與水汽、云液態(tài)水的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)越高，說(shuō)明相關(guān)性越高，反之，表示相關(guān)性越低，正值表示正相關(guān)，負(fù)值表示負(fù)相關(guān)。四個(gè)季節(jié)的水汽含量具有日變化特征，溫度也有日變化特征，根據(jù)地面觀測(cè)的資料，得到四川盆地水汽與溫度隨時(shí)間的變化圖，從圖5(a)可以看出，水汽與溫度在春季和秋季為正相關(guān)，四個(gè)季節(jié)的樣本數(shù)不一樣，當(dāng)自由度n-2在68～89時(shí)，α=0.05的臨界值tα=1.980；由公式5計(jì)算得出,rc=0.233，由此得出，春季和秋季11:00至次日01:00時(shí)段r>rc，通過(guò)了α=0.05顯著性檢驗(yàn)， 16:00左右兩者相關(guān)性最高，且白天相關(guān)性大于夜晚；夏季為負(fù)相關(guān)，04:00兩者相關(guān)性最高，即日出前相關(guān)性最高，01:00～13：00通過(guò)了α=0.05顯著性檢驗(yàn)；而冬季相關(guān)性不顯著。從圖5(b)可以看出，云液態(tài)水與溫度為負(fù)相關(guān)，四個(gè)季節(jié)相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)差別不大。

2.4 典型降水前后水汽和云液態(tài)水的變化特征。

地基微波輻射計(jì)具有高時(shí)間、空間(垂直方向)分辨率特征，選取2017年8月23日19:00時(shí)～25日19：00時(shí)的地面常規(guī)資料和微波輻射計(jì)資料，分析四川盆地降水前后水汽和云液態(tài)水的變化特征，從圖6可以看出，水汽和云液態(tài)水的變化趨勢(shì)一致；宜賓縣地面觀測(cè)站8月24日04～06時(shí)出現(xiàn)降水過(guò)程，微波輻射計(jì)探測(cè)水汽和云液態(tài)水在降水開(kāi)始前2h波動(dòng)上升，降水開(kāi)始前1h躍增，8月24日05時(shí)的降水量為11.9mm/h,對(duì)應(yīng)水汽和云液態(tài)水的峰值，分別為14.5cm和20.8mm,降水結(jié)束后，水汽和云液態(tài)水迅速下降。8月24日16：00～25日11:00有一次暴雨過(guò)程，同樣，在降水開(kāi)始前1h，水汽和云液態(tài)水波動(dòng)上升，8月25日02時(shí)降水量是20.1mm/h，為此次降水過(guò)程的最大值,對(duì)應(yīng)的水汽和云液態(tài)水分別為17.9cm和16.4mm,隨著雨量的減小，水汽和云液態(tài)水含量逐漸減少。綜上所述，地基微波輻射計(jì)探測(cè)的水汽和云液態(tài)水對(duì)降水天氣的預(yù)報(bào)具有一定的指示意義，為降水天氣的預(yù)報(bào)的提供了參考依據(jù)。

3 結(jié)論

基于微波輻射計(jì)對(duì)四川盆地水汽、云液態(tài)水的初步分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)微波輻射計(jì)和探空計(jì)算水汽含量的對(duì)比分析，可以得到探空計(jì)算的水汽含量高于微波輻射計(jì)，差值為0.558cm，相關(guān)系數(shù)為0.787，且通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)；降水對(duì)微波輻射計(jì)影響較大，可能會(huì)影響對(duì)比分析的某些數(shù)據(jù)比較離散?？傮w來(lái)看，微波輻射計(jì)反演的水汽含量是可信的。

(2)水汽含量平均值從大到小排列順序?yàn)椋合募?5.593cm)>秋季(4.618cm)>春季(3.209cm)>冬季(2.004cm)；從四季日變化特征來(lái)看，水汽含量最大值和最小值時(shí)間間隔在秋季最長(zhǎng)(16小時(shí))，日較差也最大(1.096cm)；最大值和最小值時(shí)間間隔在冬季最短(9小時(shí))，日較差也最小(0.489cm)。云液態(tài)水含量平均值從大到小排列順序?yàn)椋呵锛?0.834mm)>夏季(0.677mm)>春季(0.413mm)>冬季(0.297mm)，從四季日變化特征來(lái)看，云液態(tài)水含量最大值和最小值時(shí)間間隔在秋季最長(zhǎng)(16小時(shí))，日較差在夏季大(0.908mm)；最大值和最小值時(shí)間間隔在冬季最短(10小時(shí))，日較差在冬季也最小(0.311mm)。總體來(lái)看，夜晚水汽和云液態(tài)水含量大于白天。

(3)8月水汽含量最大，1月水汽含量最??；水汽與降水變化趨勢(shì)一致，對(duì)應(yīng)著降水量最大值和最小值，相關(guān)系數(shù)為0.842，為α=0.01的顯著性相關(guān)；水汽與溫度相關(guān)系數(shù)為0.915，相關(guān)性極高，通過(guò)了α=0.01顯著性檢驗(yàn)；云液態(tài)水含量最大值出現(xiàn)在10月，最小值出現(xiàn)在11月，與溫度、降水相關(guān)性不顯著。水汽和與溫度在春、秋季的11:00至次日01:00為顯著性正相關(guān)，且白天相關(guān)性大于夜晚，在夏季01:00～13：00為顯著性負(fù)相關(guān)，日出前相關(guān)性高，且通過(guò)了α=0.05顯著性檢驗(yàn)；云液態(tài)水與溫度四個(gè)季節(jié)相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。

(4)通過(guò)對(duì)四川盆地典型降水過(guò)程中水汽和云液態(tài)水的變化特征分析，可以得出，降水過(guò)程開(kāi)始前1～2h,水汽和云液態(tài)水含量存在明顯的波動(dòng)上升過(guò)程，降水過(guò)程結(jié)束后，水汽和云液態(tài)水迅速下降，說(shuō)明地基微波輻射計(jì)探測(cè)的水汽和云液態(tài)水對(duì)降水天氣的預(yù)報(bào)具有一定的指示意義，為降水天氣的預(yù)報(bào)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

由于水汽和云液態(tài)水的變化具有多變性和復(fù)雜性，以上只是一些初步分析，今后有必要進(jìn)行更深一步研究。