基于地基微波輻射計(jì)的羊卓雍錯(cuò)地區(qū)云水特征分析

摘" 要：基于2020年1—10月西藏浪卡子氣象站地基微波輻射計(jì)觀測(cè)的水汽總量和路徑液水含量數(shù)據(jù)，該文分析西藏羊卓雍錯(cuò)地區(qū)大氣云水特征并探討其在人工影響天氣中的應(yīng)用。結(jié)果表明，羊卓雍錯(cuò)地區(qū)大氣水汽總量和路徑液水含量呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在7月，年均值分別為7.88 mm和0.53 mm；5—9月羊卓雍錯(cuò)地區(qū)大氣水汽總量平均值大于11 mm，降水日和非降水日的差值不大，表明雨季大氣水汽總量充沛且穩(wěn)定；干季，羊卓雍錯(cuò)地區(qū)大氣水汽總量的日變化表現(xiàn)為白天高夜間低，而雨季則表現(xiàn)為中午低傍晚高；降水開始前1個(gè)小時(shí)大氣水汽總量、路徑液水含量存在突增現(xiàn)象，可作為降水預(yù)報(bào)的參考量之一。

關(guān)鍵詞：羊卓雍錯(cuò)地區(qū)；微波輻射計(jì)；大氣水汽總量；路徑液水含量；峰值

中圖分類號(hào)：P407.7" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）33-0087-04

Abstract： Based on the total water vapor and path liquid water content data observed by ground-based microwave radiometer at Langkazi Meteorological Station in Xizang from January to October 2020， this paper analyzes the characteristics of atmospheric cloud water in the Yangzhuoyong Lake area of Xizang and discusses its application in artificial weather modification. The results show that： The total atmospheric water vapor and path liquid water content in the Yangzhuoyong Lake area show a single peak distribution， with the peak value appearing in July， with annual average values of 7.88 mm and 0.53 mm respectively. From May to September， the average total atmospheric water vapor in the Yangzhuoyong Lake area was greater than 11 mm， and the difference between precipitation days and non-precipitation days was not large， indicating that the total atmospheric water vapor was abundant and stable in the rainy season. In the dry season， the daily change of total atmospheric water vapor in the Yangzhuoyong Lake area is higher during the day and lower at night， while in the rainy season， it is lower at noon and higher in the evening. There is a sudden increase in the total amount of atmospheric water vapor and path liquid water content one hour before the start of precipitation， which can be used as one of the reference quantities for precipitation prediction.

Keywords： Yangzhuoyong Lake area; microwave radiometer; total atmospheric water vapor; path liquid water content; peak value

羊卓雍錯(cuò)（以下簡(jiǎn)稱羊湖）位于青藏高原南部，是西藏高原三大圣湖之一。近年來，羊湖面積減小是高原內(nèi)陸湖泊對(duì)氣候變化響應(yīng)的具體表現(xiàn)。在全球變暖的背景下，青藏高原氣候變暖和降水減少是導(dǎo)致羊湖面積減小的直接原因[1]。開發(fā)空中云水資源是調(diào)節(jié)高原水資源分布和補(bǔ)充高原湖泊水源的重要方式，而豐富的云水條件是開發(fā)空中云水資源的前提和必要條件，因此，開展高原大氣云水特征精確觀測(cè)具有重要意義。微波輻射計(jì)作為遙感大氣水汽總量（V）和云液態(tài)水總量（L）的有力工具已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。與其他大氣遙感監(jiān)測(cè)手段相比，它具有受云（雨、霧）影響小、穿透能力較強(qiáng)、分辨率和探測(cè)精度高、可無人值守以及全天候和全天時(shí)工作等優(yōu)點(diǎn)[2]。

20世紀(jì)80年代初開始，國內(nèi)外開展了微波輻射計(jì)可靠性驗(yàn)證以及地基微波遙感技術(shù)在云降水物理及人工影響天氣中的應(yīng)用研究[3-7]，并取得了很多研究成果。雷恒池等[8]對(duì)西安的降水云系探測(cè)發(fā)現(xiàn)，降水云系前方（周圍）的豐水區(qū)可能是云滴向雨滴轉(zhuǎn)化的孕育區(qū)和人工增雨最佳作業(yè)區(qū)。王黎俊等[9]基于青海夏秋季微波輻射計(jì)資料研究指出，降雨開始前近5 h的降雨醞釀期內(nèi)，大氣水汽總量和路徑液水含量有明顯增加，在降雨前達(dá)到峰值。黃建平等[10]分析黃土高原云水特征發(fā)現(xiàn)，95%的云水路徑值都在150 g/m2以下，95%的可降水量值都在3 cm以下，半干旱區(qū)液態(tài)云水路徑峰值主要出現(xiàn)在日出和日落時(shí)分。李軍霞等[11]采用本研究中同型號(hào)的QFW-6000型地基微波輻射計(jì)對(duì)山西大氣水汽特征進(jìn)行研究。以上研究成果為本實(shí)驗(yàn)的開展以及數(shù)據(jù)分析等提供了重要的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用參考。

1" 研究資料及方法

QFW-6000型地基微波輻射計(jì)布設(shè)于羊湖地區(qū)浪卡子縣氣象局，探測(cè)環(huán)境符合觀測(cè)要求。該設(shè)備采用16通道設(shè)計(jì)，可反演對(duì)流層0～10 km的大氣水汽總量、路徑液水含量、水汽密度、大氣溫度和濕度廓線等表征大氣水分分布演變的信息。研究資料選取2020年1—10月浪卡子站地基微波輻射計(jì)觀測(cè)的大氣水汽總量、路徑液水含量和同期地面降水?dāng)?shù)據(jù)。文中規(guī)定，若一天中有降水則計(jì)為一個(gè)降水日數(shù)；降雨等級(jí)采用24 h降水量作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，即0.1～9.9 mm為小雨，10.0～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨。

國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，微波輻射計(jì)探測(cè)的雙頻段云輻射亮溫與大氣水汽總量和路徑液水含量存在近似的線性關(guān)系。因此，V和L可利用經(jīng)驗(yàn)回歸統(tǒng)計(jì)模式計(jì)算

V=A0+A1TB1+A2TB2 ，（1）

L=B0+B1TB1+B2TB2 ，（2）

式中：TB1、TB2分別為23.8 GHz和31.65 GHz通道測(cè)量的大氣輻射亮溫。系數(shù)A0、A1、A2和B0、B1、B2可根據(jù)式（1）和式（2）用高空數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸得到。

降雨前V和L的變化率計(jì)算公式如下

fV=（V降雨前1 h-V降雨前3 h）/V降雨前3 h ，（3）

fL=（L降雨前1 h-L降雨前3 h）/L降雨前3 h" 。（4）

2" 結(jié)果討論

2.1" 羊湖地區(qū)大氣水汽總量和路徑液水含量的月變化特征

西藏雨季集中在5—9月。圖1給出了2020年羊湖地區(qū)V、L在全年、非降水日和降水日的均值以及降水日數(shù)月變化特征。V在上述3種情況下的月變化特征均為單峰分布，1—5月逐月遞增，在7月達(dá)到峰值，9月雨季結(jié)束后V值迅速降低。5—9月全年V值在11 mm以上，與高原雨季對(duì)應(yīng)。降水日和非降水日V的差值在干季較大，雨季較小，說明雨季大氣中的水汽充沛且穩(wěn)定，具備空中云水資源開發(fā)的條件。L的月變化與V一致，具有雨季大，干季小的特點(diǎn)。非降水日L的月均值為0.00～0.51 mm，而降水日月均值的變化范圍0.00～5.65 mm，平均值為1.96 mm，明顯高于非降水日L的值，表明路徑液水含量是影響降水的關(guān)鍵因素。從圖1還可以看出，5月的V和L稍大于6月，可能與4—5月為高原環(huán)流調(diào)整期有關(guān)，季風(fēng)轉(zhuǎn)變是造成5月V和L值略高的主要原因。

2.2" 羊湖地區(qū)大氣水汽總量的日變化特征

圖2為高原干季（1—4月和10月）大氣水汽總量的日變化特征圖。1—3月V的日變化特征基本一致，呈倒“V”型。0：00—9：00 V值呈下降的趨勢(shì)，10：00開始逐漸增大，11：00—16：00達(dá)到峰值，此后再次遞減，其值高于凌晨。4月和10月V值從凌晨持續(xù)波動(dòng)上升，變化范圍為4.33～12.52 mm。羊湖地區(qū)V表現(xiàn)出白天高夜間低的日變化特征，與山西V值呈現(xiàn)為白天低，凌晨和夜間高的特征是反位相的[11]。圖2中的垂直豎線為標(biāo)準(zhǔn)差，它反映了數(shù)據(jù)的離散程度。從1—4月的日變化曲線來看，水汽總量的離散度在峰值處最大。

高原雨季羊湖地區(qū)大氣水汽總量的日變化特征呈現(xiàn)為三段式變化，其值在11.33～16.13 mm，如圖3所示。0：00—11：00 V值略微下降，11：00—14：00達(dá)到谷值，隨后V值開始逐漸遞增，17：00—20：00達(dá)到峰值后再次遞減。V值在夜間略高于凌晨，與干季特征一致。大氣水汽總量的離散度峰值處最大，其他時(shí)段相對(duì)較小，這與干季的大氣水汽總量日變化特征一致。

圖4給出了浪卡子小時(shí)降水頻數(shù)的日變化特征，可以看出降水時(shí)段主要集中在16：00—22：00，這與高原雨季大氣水汽總量在傍晚前后出現(xiàn)峰值的特征是吻合的。此外V的值在前半夜略高于后半夜，這種變化特征與干季不同；同時(shí)V的峰值在雨季出現(xiàn)時(shí)間晚于干季。

2.3" 大氣水汽總量、路徑液水含量與降水之間的關(guān)系

2020年7月出現(xiàn)小雨15次，中雨4次。圖5給出了降雨過程前（后）3 h、1 h的V和L的小時(shí)均值變化圖，同時(shí)通過計(jì)算降雨前1 h相對(duì)于降雨前3 h V、L的變化率，分析降雨前后水汽總量和路徑液水含量的演變，探究水汽總量和路徑液水含量對(duì)降水發(fā)生的指示作用。

由圖5可知，19次降雨過程的平均降雨量為4.7 mm，降雨前3 h和1 h V的平均值為15.72 mm和31.61 mm，即隨著降雨過程的臨近，V明顯增大，fV的均值為1.04。同樣，降雨前L的增加也是十分顯著，平均值從降雨前3 h的1.10 mm增加到降雨前1 h的10.95 mm，fL的均值為20.33。由此可知，降水開始前3 h內(nèi)，從增量的絕對(duì)值變化來看，V大于L，而fL遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于fV，說明路徑液水含量在降水開始前變化更明顯。降水開始前1 h，尤其是4次中雨過程，V和L顯著增大。例如7月2日降水開始前1 h，V達(dá)到40.37 mm，L達(dá)到17.04 mm，fV和fL分別為1.37和9.14；7月29—30日的降水開始前1 h，V和L分別達(dá)到35.83 mm和18.48 mm，fV和fL分別為1.76和37.84。在7月降水個(gè)例中，V和L降水結(jié)束后1 h和3 h的平均值分別為15.95 mm和0.73 mm，15.53 mm和0.81 mm，均低于降水前3 h V和L的背景值。在李軍霞等[11]研究的13個(gè)山西降水過程中發(fā)現(xiàn)，降水結(jié)束3 h后，V和L的均值分別為14.4 mm和0.06 mm，V的值與羊湖地區(qū)降水結(jié)束后3 h基本相當(dāng)，但L的值是羊湖地區(qū)明顯高于山西，這可能是高原降水率低導(dǎo)致。

3" 結(jié)論

1）羊卓雍錯(cuò)地區(qū)水汽總量和路徑液水含量呈單峰分布，峰值出現(xiàn)在7月，年均值分別為7.88 mm和0.53 mm。

2）5—9月V值在11 mm以上，降水日和非降水日V的差值在雨季時(shí)較小，說明在雨季時(shí)大氣中的水汽是充沛且穩(wěn)定的，具備空中云水資源開發(fā)的條件。

3）羊卓雍錯(cuò)地區(qū)水汽總量的日變化特征在干季和雨季不同。干季，羊卓雍錯(cuò)地區(qū)水汽總量的日變化表現(xiàn)為白天高夜間低，雨季則表現(xiàn)為中午低傍晚高。

4）高原雨季降水前3 h到1 h，羊卓雍錯(cuò)地區(qū)水汽總量和路徑液水含量平均躍增量分別為15.88 mm和9.84 mm，即降水開始時(shí)間前1個(gè)小時(shí)V、L存在突增現(xiàn)象，可作為降水預(yù)報(bào)的參考量之一。

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