基于微波輻射計數(shù)據(jù)的秦嶺南北水汽和云底高度等參量的差異*

李金輝 周毓荃 岳治國 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)境氣象重點實驗室，西安 710016 3 中國氣象科學研究院，北京 100081 4 北方天穹信息技術(西安)有限公司，西安 710014

提 要： 利用微波輻射計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，秦嶺南年平均相對濕度75.3%，秦嶺北年平均相對濕度為59.8%，秦嶺南比秦嶺北平均相對濕度大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(簡稱陜南)。丹江口水庫水量的70%來自于陜南漢江和丹江。漢江是長江最大支流，源于秦嶺南麓的漢中市寧強縣，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。

水汽、液態(tài)水含量的觀測方法有：衛(wèi)星反演，機載探測、氣象探空，微波輻射計反演等。其中微波輻射計具有數(shù)據(jù)連續(xù)觀測、分辨率高、操作性強的特點，通過反演可得到垂直方向連續(xù)的溫度、相對濕度、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。微波輻射計有一定的缺陷，在有云的情況下，特別是低云和厚云存在時，濕度廓線反演誤差增大，降水時天線罩上附著的水將嚴重影響輻射計的反演精度，但利用納米材料制作天線罩，并配備鼓風機向天線罩表面吹氣等方法可有效減小水膜效應。

微波輻射計作為一種新型的大氣探測設備，其探測原理和方法已日趨成熟，觀測數(shù)據(jù)已開始應用到雷暴、暴雨、霧的預警預報和模式檢驗等方面，顯示出良好的應用前景。許皓琳等(2020)利用微波輻射計分析烏魯木齊和成都兩地機場雷暴降水水汽條件，能夠展現(xiàn)不同地區(qū)大氣水汽的分布特征，以及降水過程中各層水汽的演變情況。李德俊等(2012)對武漢一次短時暴雪天氣分析，結果表明：微波輻射計探測的溫度、相對濕度、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，同時還發(fā)現(xiàn)降水強度和比濕有較好的對應關系，降水開始后比濕迅速增加，降水減弱時比濕快速減少。楊文霞等(2019)使用Ka波段(毫米波)云雷達、微波輻射計、微雨雷達和地面雨量計對河北省邢臺站出現(xiàn)的一次西南渦弱層狀云降水過程進行綜合遙感分析，表明聯(lián)合觀測能獲取更為精細的云結構演變和降水粒子增長過程，是精細化識別降水出現(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反演蘭州地區(qū)液態(tài)云水路徑和可降水量，結果表明：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大氣中汽態(tài)、液態(tài)水含量分布特征(段英和吳志會, 1999)，一次降水過程云液態(tài)水和降水演變特征的綜合觀測分析(張志紅和周毓荃，2010)等等。綜上所述，微波輻射計探測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。

目前陜西布設了5部微波輻射計，其中4部是中國兵器工業(yè)北方天穹信息技術(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，1部為德國生產(chǎn)的XGM-1型微波輻射計；分別布設在秦嶺南安康寧陜縣氣象局、秦嶺北麓西安長安區(qū)氣象局院內(nèi)(2部，其中1部為進口)、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分析水汽、液水含量等均為個例的分析，對長序列的分析較少見，本文利用秦嶺南北兩部同型號微波輻射計(寧陜縣海拔高度為802.4 m、長安區(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，對了解空中云水資源，開展人工增雨作業(yè)具有重要的意義。

1 資料說明與處理

1.1 資料與方法

使用國產(chǎn)MWP967KV型地基多通道微波輻射計，具有較高的精度(劉曉璐，2019)，每2 min完成一次掃描，每小時使用30個掃描資料，所有統(tǒng)計以小時為單位，為整點前后30 min的平均值，月、年的平均是小時平均。采用機器學習方法，長安微波輻射計垂直資料是利用涇河氣象站的探空資料訓練進行反演，寧陜微波輻射計垂直資料變化是利用漢中氣象站的探空資料訓練進行反演，日常使用中每半年進行一次液氮標定，日常實時進行Tipping標定等。資料時間為2018年8月至2020年2月(長安區(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無微波輻射計資料，利用西安市氣象局微波輻射計資料替代，寧陜縣氣象局微波輻射計資料完整)。

降雨會對微波輻射計數(shù)據(jù)反演帶來較大不確定性，為了減小誤差，在計算垂直積分水汽含量、液水含量、水汽廓線時利用自帶的降雨傳感器數(shù)據(jù)剔除降雨樣本，同步統(tǒng)計兩地沒有降雨的資料。由于水汽積分與高度有關，而兩地海拔高度不一樣，為了使得積分數(shù)據(jù)具有可比性，兩站點數(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。降雨時云底高度較低，微波輻射計測的云底高度誤差較小，沒有剔除降雨時的資料。

1.2 垂直積分水汽與氣象探空資料相關分析

秦嶺北麓的長安區(qū)氣象局微波輻射計垂直積分水汽與涇河氣象站探空(兩者距離37 km)比較，相關系數(shù)為0.97， 因長安微波輻射計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安區(qū)氣象局實際的垂直積分水汽相關性較好(圖1a)。秦嶺南寧陜微波輻射計垂直積分水汽與漢中探空比較(兩者距離153 km)，相關系數(shù)為0.88，主要由于兩地相距較遠，受到水汽水平分布不均勻的影響，相關性變小(圖1b)。

圖1 (a)長安區(qū)站和(b)寧陜站微波輻射計垂直積分水汽與探空對比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，寧陜縣氣象站比長安氣象站海拔高度高約357.4 m，為了使得兩地數(shù)據(jù)具有可比性，長安積分水汽總量起算高度與寧陜一致，選取兩個站點沒有降雨同一時段進行分析，逐月統(tǒng)計積分水汽平均值，秦嶺北長安區(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月達到大值，9月又逐漸減小。秦嶺南寧陜縣氣象站微波輻射計垂直積分水汽量年平均為20.94 kg·m-2，月平均變動范圍為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安區(qū)氣象站垂直積分水汽對比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 水汽廓線對比

對4 km以下的水汽廓線進行了月平均統(tǒng)計，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安區(qū)氣象站水汽密度廓線月平均統(tǒng)計對比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，秦嶺北長安區(qū)氣象局垂直積分液水含量月平均變動范圍為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濕度為75.3%，秦嶺北長安區(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濕度大，相差15.6%。秦嶺南2、3、4月平均相對濕度小(<70%)，而秦嶺北12、1、2、3月平均相對濕度小(<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濕度較小時，月平均降水量少。

表1 秦嶺南寧陜縣氣象局、秦嶺北麓長安區(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

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

將1小時中有一半時間有降雨的云層統(tǒng)計為降雨時段，統(tǒng)計云底高度，統(tǒng)計結果如表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。降雨時年云底平均高度是323.3 m。相對來說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。降雨時年云底平均高度是356.5 m。相對來說，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

總體來說：秦嶺南寧陜縣氣象站年平均云底高度比秦嶺北麓長安區(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云底年平均高度比秦嶺北麓長安區(qū)氣象站低33.2 m。相對來說，平均雨量較大的月份平均低云云底高度較低。

3 結論與討論

(1)秦嶺南北垂直積分水汽量變化趨勢一致，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。相對來說，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，而微波輻射計能夠很好地檢測大氣中汽態(tài)、液態(tài)水含量、云底高度、濕度、溫度等分布特征，對開展人工增雨作業(yè)具有重要意義。