利用微波辐射计资料分析人工增雨作业条件个例研究

白 婷， 黄毅梅， 杨 敏， 樊 奇

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003；2.河南省人工影响天气中心，郑州 450003； 3.河南省气象探测数据中心，郑州 450003)

引 言

人工影响天气是指在一定的有利时机和条件下，通过人工催化等技术手段，对局部区域内大气中的物理过程施加影响，使其发生某种变化，从而达到减轻或避免气象灾害目的的一种科技措施[1]。目前人工影响天气作业中最常用的是冷云催化。冷云催化是由于温度低于0 ℃的云中存在大量过冷却水滴，利用催化剂使水滴转化为冰晶并释放潜热，从而改变云的微物理过程和热力、动力结构。用这种方法进行人工影响天气，耗费较小，效益可能很大。因此，准确判断云中过冷水含量对成功实施人工影响天气作业至关重要。目前研究过冷水主要利用3 mm云雷达[2-3]、卫星[4]等资料计算诊断、飞机探测[5-6]和数值模拟[7-8]等方法。

微波辐射计通过接收物体本身发射的微波信号测出该物体辐射能量，可以较准确、及时地探测到水汽和液态水的分布和演变特征，具有时间间隔短、全天无休工作等特点[9]，在中小尺度天气实时监测、数值预报研究及人工影响天气决策中具有重要价值[10,11]。国外辐射遥感技术于20世纪60年代得到应用，他们研制的微波辐射计与风廓线雷达结合，已逐渐代替探空气球，与各种天气雷达互补，为气候变化研究提供长期、连续的观测资料[12-14]。国内研制始于20世纪70年代，至今已有不少学者利用微波辐射计进行分析研究。雷恒池等[15]利用西安微波辐射计发现积分水汽和积分液态水在降水前有跃增现象，并提出降雨区前方存在丰水区的假设，这里可能是人工增雨的最佳作业区。黄晓莹等[16]利用微波辐射计资料计算出多个对流参数，研究这些参数与降水之间的关系发现，微波辐射计对降水预报有指示意义。张文刚等[17]对比武汉MP-3000A型地基微波辐射计资料和同址的高时空分辨力探空资料，发现微波辐射计探测的数据准确度较高。黄治勇等[18]利用微波辐射计观测资料分析咸宁市两次冰雹过程发现，冰雹发生在大气水汽含量和液态水含量的大值区，这对预报冰雹有一定的指示意义。党张利等[19]利用兰州2007-2010年夏季微波辐射计探测数据，总结出半干旱地区夏季预报降水的水汽含量和云液态水含量阈值分别为2.2 cm和0.2 mm。李力等[20]利用微波辐射计分析南京2013年12月霾天气过程，探讨了逆温层与PM2.5、PM10浓度的相关性。

目前关于微波辐射计的研究大多是针对降水前一段时间内积分水汽和积分液态水时空变化特征或总结各地区降水阈值。本文以2019年11月17日河南省一次降水过程为例，利用微波辐射计分析此次降水过程南阳地区人工影响天气作业条件，并通过天气、卫星及雷达等资料予以验证，为微波辐射计更好地应用在人工影响天气作业中提供参考，进而提高人工影响天气作业指挥的时效性、科学性和准确性。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文所用资料包括：(1)南阳地区地基微波辐射计反演产品数据，微波辐射计所在经度(112.49°E)、纬度(33.10°N)，平均每2 min通过反演得到环境温度、地面相对湿度、地面气压、云底红外温度、地面降水情况、积分水汽和积分液态水，以及0至10 km共58层不同高度的温度、水汽、湿度、液态水的廓线数据，其垂直分辨率在500 m以下为50 m，500 m至2 km为100 m，2 km以上为250 m[21]；(2)ERA5再分析资料，时间分辨率1 h，空间分辨率0.25°×0.25°；(3)NCEP/NCAR再分析资料，时间分辨率6 h，空间分辨率1°×1°；(4)南阳雷达资料，其中南阳雷达站雷达型号为CINRAD/SA，所在经度为112.49°E、纬度为33.02 N，海拔高度为242.2 m；(5)风云4号卫星1级数据；(6)南阳地区地面雨量资料。

1.2 微波辐射计识别人工增雨作业条件方法

微波辐射计采取被动接收方式，通过测量氧气在60 GHz附近的辐射强度或亮温得出大气的温度分布[22]；在温度确定的前提下，利用水汽在22.2 GHz附近的吸收带探测大气的湿度分布参数；在温度和压力已知的情况下，利用云等大气微波窗区发射的微波辐射，能定量地探测云中液态水含量[23]。

云的吸收与发射只与云中含水量有关，与云滴大小分布无关。这种特性有利于用云的微波辐射强度来探测云中液态水含量。冰云吸收系数比水云的小很多，因此，冰云的微波辐射很弱[24]。刘文明等[25]提出，液态水引起的单散射反照率小而稳定，随降水强度的改变而变化不大；冰晶层在微波各通道的单散射反照率远大于液态水的，冰晶层引起的光学厚度远小于液态水的，这说明在云雨系统中，散射效应主要由冰晶产生，而吸收/发射效应主要来自液态水。因此，利用微波辐射计部分波段接收冰晶辐射亮温较水滴小得多的特性，可将冷云区积分液态水大小作为判断过冷水多少的指标，可以使用冷云区积分液态水含量来识别人工增雨作业条件。

2 天气背景分析

2019年11月17日河南省黄河以南大部地区出现降水，利用NCEP/NCAR再分析资料分析此次降水过程天气形势(图1)。由图1可以看出，11月17日08时500 hPa内蒙古西部、甘肃中部到青海北部一线有一高空槽，温度槽落后于高度槽，槽加深发展并逐渐东移，影响河南地区；同时700 hPa有切变线位于河南西北边界一带，低层850 hPa切变线位于河南中北部地区，中低层切变线东移南压为降水提供了有利的辐合抬升条件；地面图上冷锋位于河北北部、山西中南部至陕西南部一带，冷锋南下是此次降水过程的直接触发机制。综合以上分析，河南省此次降水过程主要受高空槽、中低层切变线及地面冷锋共同影响。

图1 2019年11月17日08时(a、d、g)、14时(b、e、h)和20时(c、f、i)高空形势场及海平面气压场(j、k、l)图(a)(b)(c)中棕色单实线代表500 hPa槽线，红色虚线代表500 hPa温度线，图(d)(e)(f)中棕色双实线代表700 hPa切变线，图(g)(h)(i)中红色双实线代表850 hPa切变线，图(j)(k)(l)中带三角曲线代表冷锋

3 微波辐射计资料分析

魏重等[26]研究发现,当雨强≤5 mm/h时，微波辐射计观测记录与外界变化相呼应，而超过该值时，微波辐射计输出不能反映外界信号变化。汪晓滨等[27]也在研究中指出，降水强度不大于4 mm/h的降水，可以忽略降水粒子的散射作用。Solheim等[28]在AIRS试验中发现,在降水量较小的情况下，微波辐射计与飞机获得的液态水廓线存在较好的对应关系。此次降水过程为小雨量级且雨强未超过4 mm/h，在降水量级和降水强度较小的情况下，微波辐射计探测数据虽有一定误差，但仍能在一定程度上体现空中水汽和液态水的变化趋势。

图2为2019年11月17日南阳微波辐射计监测的积分水汽、积分液态水及降水量演变特征。可以看出，17日00:00-05:10，积分水汽与积分液态水随时间先降低后变化趋于平稳。05:10-11:50，积分水汽与积分液态水上下波动，但整体呈逐渐增大趋势，说明水汽与液态水开始聚集。12:45之后，积分水汽与积分液态水开始快速增大，并于13:45达到峰值(3.68 cm，1.72 mm)，此时已有降水产生。15:05-16:50降水停止，积分水汽和积分液态水均有所回落，分别降至2.39 cm和0.48 mm。16:50之后，积分水汽与积分液态水再次快速增加。17:25出现降水。17:55，积分水汽与积分液态水增至最大，分别为3.36 cm和2.56 mm。19:40之后降水结束，积分水汽与积分液态水再次回落。总的来说，降水发生前积分水汽与积分液态水有快速增长的现象，随着降水结束，积分水汽与积分液态水有所减少，这与很多学者研究结论一致[29-30]。

图2 2019年11月17日南阳积分水汽(红色实线)、积分液态水(蓝色虚线)及降水量(黑色方柱)演变图中红色方框代表降水起止时间

综合以上分析，降水前积分水汽与积分液态水明显增加，且地面降水产生滞后于积分水汽和积分液态水的增加。根据这一特征，可提前预判此时云系正处于发展阶段，由此可应用于人工增雨作业条件的识别[31-32]。

利用南阳微波辐射计探测反演的温度垂直廓线，将0 ℃层以上的液态水进行积分，得到冷云区积分液态水。图3为17日南阳冷云区积分液态水演变特征。由图3可知，06:05(点A)之前，冷云区积分液态水变化稳定，均低于0.01 mm；06:05之后，冷云区积分液态水开始波动，12:49(点B)之后快速增长，13:47(点D)达到峰值，为0.79 mm；之后有所降低，并于18:01(点G)再次达到峰值，为1.32 mm；20:39(点I)后，冷云区积分液态水降至0.01 mm以下。冷云区积分液态水平均值C-H时段的最大，H-I时段的次之，A-C时段的最小。根据刘文明等[25]的研究结果，微波辐射计反演的冷云区积分液态水可表征云中过冷水含量，由此说明C-H时段较A-C、H-I时段云中过冷水更丰富，更适合人工影响天气作业。

图3 2019年11月17日南阳冷云区积分液态水演变黑实线代表A-C、C-H、H-I时段冷云区积分液态水平均值

4 作业条件对比分析验证

利用天气、卫星、雷达等资料分析2019年11月17日人工增雨作业条件，重点对比分析A-C、C-H和H-I 3个时段，验证利用微波辐射计反演的冷云区积分液态水表征云中过冷水含量的准确性。

4.1 水汽及动力条件分析

利用ERA5再分析资料分析南阳微波辐射计站点(112.49°E、33.10°N)上空冰面过饱和水汽压、水汽通量散度和垂直速度时间高度分布(图4)发现：A-C时段冰面过饱层主要位于450-300 hPa;C-H时段冰面过饱和层增厚，位于650-300 hPa;H-I时段的较C-H时段的有所减薄。A-C时段水汽通量散度负值区主要位于850-750 hPa，说明该区域水汽辐合，辐合中心强度超过-5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。这种低层辐合高空辐散的形势，有利于整层大气的抽吸作用，促进低层大气向高层输送水汽。C-H时段水汽辐合区范围扩大，主要位于850-500 hPa，H-I时段水汽辐合区较C-H时段减小。A-C时段上升运动区主要位于850-750 hPa；C-H时段上升运动区范围扩大，强度增强，中心强度超过-1.2 Pa·s-1;H-I时段上升运动区范围较C-H时段的减小，强度也有所减弱。综合以上分析，C-H时段比A-C、H-I时段有更厚的冰面过饱和层、更好的水汽条件和促进降水发生发展的动力条件，有一定的人工增雨作业潜力。

图4 2019年11月17日冰面过饱和水汽压(a)、水汽通量散度(b)和垂直速度(c)时间高度剖面图中红色方框代表A-C时段，蓝色方框代表C-H时段，紫色方框代表H-I时段；虚线表示负值，实线表示正值；水汽通量散度单位:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，冰面过饱和水汽压单位:hPa，垂直速度单位: Pa·s-1

4.2 卫星反演识别作业条件

FY-4A卫星作为新一代静止轨道定量遥感气象卫星，覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段，可见光空间分辨率为0.5 km。分别赋予可见光反射率为红色(R)、中红外(3.7 μm)反射率为绿色(G)、红外反射率(10.8 μm)为蓝色(B)，对其进行组合编码，形成RGB图像，可以显示云的物理特征[33]。红色表示云层由大粒子组成，厚而明亮，且云顶温度低；黄色表示由有效半径小的云滴组成，厚的过冷水云在 RGB合成图上显示为亮黄色；绿色表示含过冷水或小冰粒子的薄云；蓝色表示地表[34]。有研究表明[35]，该RGB三色合成方法可应用于人工增雨作业区选择。

图5为2019年11月17日FY-4A卫星RGB合成图。由于三色合成需用到可见光反射率，晚上无法形成RGB合成图，因此仅分析17:00之前FY-4A卫星RGB合成图演变过程。由图5可以看出，11月17日13:30之前和15:38之后南阳微波辐射计站点均为红色云区覆盖，13:34-15:34南阳微波辐射计站点一直为黄色云区覆盖，说明13:34-15:34南阳上空过冷水较丰富。由此表明，C-H时段(13:13-18:48)较A-C时段(06:05-13:11)的人工增雨作业条件更好。

图5 2019年11月17日不同时刻FY-4A卫星RGB合成图图中黑色圆点为南阳微波辐射计所在位置

4.3 雷达回波特征

图6给出了11月17日南阳雷达组合反射率演变过程。由图6可以看出，11:54南阳地区开始出现分散性弱回波。12:48-13:48(图3点B-点D)雷达回波自西南向东北方向移动，强度增强，南阳微波辐射计上空回波强度由15-20 dBZ增至20-30 dBZ。13:48之后(点E)，南阳微波辐射计上空出现雷达回波空档，16:54再次被回波覆盖(点F)，回波移动方向转为自西北向东南方向，强度继续增强。18:00雷达回波最高达50 dBZ(点G)，之后回波减弱(点H)，于20:42(点I)移出南阳地区。

图6 2019年11月17日不同时刻南阳雷达组合反射率图中黑色圆点为南阳微波辐射计所在位置

综合以上分析，冷云区积分液态水高值对应强回波，低值对应弱回波。A-C时段雷达回波从无到有，回波强度整体较弱，C-H时段雷达回波呈增强趋势，强度较强，H-I时段雷达回波呈减弱消散趋势，说明C-H云系处于发展阶段，具有一定的增雨条件。

5 结 论

本文以2019年11月17日南阳一次降水过程为例，结合天气、卫星及雷达等气象资料，通过对比验证，用以说明可以将微波辐射计探测反演的冷云区积分液态水大小作为判断过冷水多少的指标来识别人工增雨作业条件。得出如下结论：

(1)微波辐射计探测反演的冷云区积分液态水较大时段，冰面过饱和层较厚,水汽条件较好，且动力条件更有利于促进降水发生发展。

(2)冷云区积分液态水较大时段对应FY-4A卫星三色合成识别相应上空过冷水也较丰富，相应时段雷达回波呈增强趋势，云系处于发展阶段，具有较好的增雨潜力，表明微波辐射计探测反演的冷云区积分液态水含量可用于识别人工增雨作业条件。

(3)本文为个例研究，旨在说明微波辐射计冷云区积分液态水可表征云中过冷水，用于识别人工增雨作业条件，但具体阈值尚未统计，仍需后续研究。

致谢：感谢陕西省人工影响天气中心岳治国、陕西省气象科学研究所刘贵华等提供FY-4A/AGRI静止卫星云微物理特征反演与交互分析软件。