龔 靜,朱世珍,張鵬亮,王啟花,王麗霞,郭三剛,張博越
(青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,青海 西寧 810001)
地球表面云層覆蓋率達(dá)50%以上,云對地球輻射的收支和降水的變化有重要作用[1-2]。云的結(jié)構(gòu)特征與降水機(jī)制、降水效率、云輻射特征及人工增雨條件等有密切關(guān)系[3-7]。目前對云系宏微觀物理參量進(jìn)行探測的設(shè)備有衛(wèi)星、雷達(dá)、微波輻射計(jì)等,其中氣象衛(wèi)星可以進(jìn)行連續(xù)、大范圍的天氣系統(tǒng)的監(jiān)測,且衛(wèi)星資料具有較高的時(shí)間及空間分辨率,其反演得到的多種云宏微觀特征參量已應(yīng)用于日常人影的業(yè)務(wù)和科研工作中[8-15]。
云作為人工增雨的對象,研究其多種特征參量與降水的關(guān)系,對認(rèn)識云和降水的演變規(guī)律、識別人工增雨作業(yè)條件及催化效果檢驗(yàn)等具有重要意義。受地形、氣候等多種因素的共同影響,云特征參量具有明顯的地域性,云系結(jié)構(gòu)特征在不同地區(qū)、不同季節(jié)存在較大差異,云特征參量與降水的相關(guān)性也存在差異[16-18]。目前,有關(guān)云特征參量與降水的相關(guān)性研究較多:如山西省、河北省及河南省降水概率的指示性是雙云、多云特征參量優(yōu)于單云特征參量,單云特征參量中對降水概率及降水強(qiáng)度指示性最強(qiáng)的是云光學(xué)厚度,對降水強(qiáng)度指示性最不明顯的是云粒子有效半徑[19];湖南省降水概率與云光學(xué)厚度呈正相關(guān),對流云降水的雨強(qiáng)樣本數(shù)隨云頂溫度增高而增多[20];安徽省對流云和層狀云降水概率都與云頂高度和云光學(xué)厚度呈正相關(guān),當(dāng)云光學(xué)厚度大于20時(shí),無論是對流云還是層狀云,降水概率均有較大幅度的提升[21]。
青海省地域遼闊,地形地貌復(fù)雜,東部地區(qū)是該省主要的糧油產(chǎn)地,降水量少,蒸發(fā)旺盛,每年都會發(fā)生不同程度的干旱,干旱缺水嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[22]。然而該地區(qū)存在豐富的空中水資源,空中液態(tài)含水量高于平原地區(qū),但降水效率較低,可通過人工增雨增加凝結(jié)核,提高降水效率、緩解水資源短缺[23]。人工增雨作業(yè)條件的識別和云特征參量與降水的關(guān)系等密不可分,但關(guān)于青海省云特征參量與降水的相關(guān)性研究鮮有報(bào)道。因此,本文利用FY-2G衛(wèi)星反演的云特征參量及地面降水?dāng)?shù)據(jù),分析青海省東部地區(qū)2018年7—9月、2019年4—9月、2020年4—7月10:00—17:00(北京時(shí),下同)云頂高度、云頂溫度、云光學(xué)厚度和云粒子有效半徑4種云特征參量對降水頻率及降水強(qiáng)度的指示性,以期對人影作業(yè)條件的判別及可播區(qū)的鑒識提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)為人工增雨效果分析提供技術(shù)支撐。
青海省51.5%的耕地分布在東部地區(qū)湟水、黃河河谷以及兩岸以山地為主的地區(qū),為提高人工增雨作業(yè)效率和科學(xué)性,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靶向作業(yè),將青海省東部地區(qū)劃分為兩個(gè)人工增雨作業(yè)區(qū)[圖1,審圖號為GS(2017)3320]:湟水谷地抗旱減災(zāi)保障區(qū),包括西寧市區(qū)及湟中、湟源、大通、互助、樂都、平安、民和、門源、海晏9個(gè)縣(區(qū));黃河谷地抗旱減災(zāi)保障區(qū),包括化隆、循化、貴南、共和、貴德、尖扎、同仁7個(gè)縣。本文選取這兩個(gè)保障區(qū)作為研究區(qū)域進(jìn)行云特征參量與降水相關(guān)性的研究。
圖1 青海省東部人工增雨保障區(qū)劃分Fig.1 The division map of the artificial precipitation enhancement guarantee area in the eastern region of Qinghai Province
綜合考慮數(shù)據(jù)完整性和青海省實(shí)施人工增雨的主要月份,選取FY-2G衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為2018年7—9月、2019年4—9月及2020年4—7月。選取的云特征參量為云頂高度(Zc,)、云頂溫度(Tc)、云光學(xué)厚度(Hc)及云粒子有效半徑(Rc)。由于云光學(xué)厚度是可見光通道反演產(chǎn)品,為保持所有數(shù)據(jù)的一致性,只將白天10:00—17:00作為研究時(shí)段。另外選取同期青海省東部人工增雨保障區(qū)17個(gè)國家氣象站的逐時(shí)降水量,用于與相應(yīng)前一個(gè)時(shí)次的云特征參量相匹配,進(jìn)行降水頻率及雨強(qiáng)頻率的統(tǒng)計(jì)分析。
FY-2G靜止衛(wèi)星資料空間分辨率為0.05°×0.05°,時(shí)間分辨率為1 h。以青海省東部地區(qū)17個(gè)國家站經(jīng)緯度為中心,云特征參量值取其周邊最近9個(gè)格點(diǎn)云特征參量的算術(shù)平均值[21]。
我國西北及北方地區(qū)大雨及暴雨的發(fā)生頻率較小,如果樣本數(shù)太少,會導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)效率過低,因此本文借鑒王磊等[19]對我國北方三省云頂高度、云頂溫度、云光學(xué)厚度、云粒子有效半徑4種云特征參量的分檔方法(表1),分別在單云特征參量、雙云特征參量(云光學(xué)厚度和云頂溫度)和三云特征參量(云頂溫度、云光學(xué)厚和云粒子有效半徑)的不同分檔下,對降水發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)雨強(qiáng)r大小,把降水劃分為四級:r<0.5 mm·h-1(小雨);0.5≤r<2.0 mm·h-1(中雨);2.0≤r<5.0 mm·h-1(大雨);r≥5.0 mm·h-1(暴雨),保障每級有足夠的樣本數(shù)[19]。
表1 FY-2G衛(wèi)星反演的云特征參量分檔表Tab.1 Classification of cloud characteristic parameters retrieved by FY-2G satellite
將某站點(diǎn)某時(shí)次對應(yīng)的數(shù)據(jù)集(包括云特征參量和小時(shí)降水量)作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本,降水頻率=(降水樣本數(shù)/總樣本數(shù))×100%。共取得青海東部地區(qū)17個(gè)國家站有效樣本數(shù)34 197個(gè),包括無降水樣本數(shù)30 213個(gè),降水樣本數(shù)3984個(gè),降水發(fā)生頻率為11.7%。其中青海東部湟水谷地有效樣本數(shù)20 880個(gè),包括無降水樣本數(shù)18 335個(gè),降水樣本數(shù)2545個(gè),降水發(fā)生頻率為12.2%;黃河谷地有效樣本數(shù)13 317個(gè),包括無降水樣本數(shù)11 878個(gè),降水樣本數(shù)1439個(gè),降水發(fā)生頻率為10.8%。
圖2是青海省東部地區(qū)單云特征參量不同分檔對應(yīng)的降水和無降水總樣本數(shù)及降水頻率分布(其中頻率小于3%的未標(biāo)出,下同)。可以看出,隨著云頂高度、云光學(xué)厚度、云粒子有效半徑增大及云頂溫度下降,各等級樣本總數(shù)呈減少、降水頻率呈增加趨勢。當(dāng)云頂高度小于等于2.5 km、云頂溫度大于0 ℃、云光學(xué)厚度小于等于10或云粒子有效半徑小于等于10 μm時(shí),樣本數(shù)較多,降水頻率均很小,存在一定數(shù)量的暖云降水樣本。當(dāng)云頂高度大于10 km、云頂溫度小于-45 ℃、云光學(xué)厚度大于40、云粒子有效半徑大于40 μm時(shí),總樣本數(shù)較少,除云光學(xué)厚度外,其余3種云參量樣本數(shù)占比均小于1%,但降水頻率均是同一云特征參量的最大值,依次為37%、30%、62%及50%。4種云特征參量對地面降水的指示性由強(qiáng)到弱依次為:云光學(xué)厚度>云粒子有效半徑>云頂高度>云頂溫度,這與王磊等[19]研究結(jié)論基本一致。
圖2 青海省東部地區(qū)FY-2G衛(wèi)星反演的單云特征參量不同分檔對應(yīng)的降水和無降水總樣本數(shù)及降水頻率分布(a)云頂高度,(b)云頂溫度,(c)云光學(xué)厚度,(d)云粒子有效半徑Fig.2 The distribution of total samples with and without precipitation and precipitation frequency corresponding to different classification of cloud characteristic parameters retrieved by FY-2G satellite in the eastern region of Qinghai Province(a) cloud top height, (b) cloud top temperature, (c) cloud optical thickness, (d) particle effective radius
表2為青海東部地區(qū)及兩個(gè)人工增雨保障區(qū)不同雨強(qiáng)樣本數(shù)及其頻率??梢钥闯?,青海東部地區(qū)降水主要以小雨和中雨為主,小雨、中雨、大雨、暴雨的發(fā)生頻率依次降低,暴雨頻率不足3.0%,黃河谷地與湟水谷地兩個(gè)人工增雨保障區(qū)同檔的雨強(qiáng)頻率相差不大。
表2 青海省東部地區(qū)及兩個(gè)人工增雨保障區(qū)不同雨強(qiáng)樣本數(shù)及其頻率Tab.2 The samples and frequency of rainfall with different intensity in the eastern region of Qinghai Province and the two guarantee areas for artificial precipitation enhancement
圖3為青海省東部地區(qū)不同分檔云特征參量對應(yīng)的降水總樣本數(shù)及不同雨強(qiáng)頻率分布??梢钥闯?,云頂高度在2.6~7.5 km、云頂溫度在-30~0 ℃、云光學(xué)厚度在11~30、云粒子有效半徑在0~20 μm時(shí)降水樣本數(shù)最多。隨著云頂高度的增加,小雨頻率呈單谷型,波谷出現(xiàn)在云頂高度為7.6~10.0 km時(shí);中雨頻率呈單峰型,波峰值出現(xiàn)在云頂高度為7.6~10.0 km時(shí);大雨頻率呈單調(diào)增加趨勢,最高值出現(xiàn)在云頂高度大于10.0 km時(shí);暴雨頻率呈單谷型,波谷出現(xiàn)在云頂高度為5.1~7.5 km時(shí)。隨著云頂溫度的下降,小雨頻率呈單調(diào)減小趨勢,最高值出現(xiàn)在云頂溫度大于0 ℃時(shí),最低值出現(xiàn)在云頂溫度小于-45 ℃時(shí);中雨頻率呈單峰型,波峰出現(xiàn)在云頂溫度為-45~-31 ℃時(shí);大雨頻率呈單調(diào)增加趨勢,最低值出現(xiàn)在云頂溫度大于-15 ℃時(shí),最高值出現(xiàn)在云頂溫度小于-45 ℃時(shí);暴雨頻率呈單谷型,波谷出現(xiàn)在云頂溫度為-30~-16 ℃時(shí)。隨著云光學(xué)厚度的增加,小雨頻率呈單調(diào)減小趨勢,最高值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為0~20時(shí),最低值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度大于40時(shí);中雨頻率呈單調(diào)增加趨勢,最低值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為0~10時(shí),最高值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度大于40時(shí);大雨、暴雨頻率均呈單谷型,波谷分別出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為11~20、21~30時(shí)。隨著云粒子有效半徑的增大,小雨頻率呈單調(diào)減小趨勢,最高值出現(xiàn)在云粒子有效半徑為0~10 μm時(shí),最低值出現(xiàn)在云粒子有效半徑大于40 μm時(shí);中雨頻率呈單調(diào)增加趨勢,最低值出現(xiàn)在云粒子有效半徑為0~10 μm時(shí),最高值出現(xiàn)在云粒子有效半徑大于40 μm時(shí);大雨、暴雨頻率均呈單峰型,波峰值分別出現(xiàn)在云粒子有效半徑為31~40、21~30 μm時(shí)。
圖3 青海省東部地區(qū)不同分檔云特征參量對應(yīng)的降水總樣本數(shù)及不同雨強(qiáng)頻率分布(a)云頂高度,(b)云頂溫度,(c)云光學(xué)厚度,(d)云粒子有效半徑Fig.3 The distribution of total precipitation samples and precipitation frequency with different rain intensity corresponding to different classification of cloud characteristic parameters in the eastern region of Qinghai Province(a) cloud top height, (b) cloud top temperature, (c) cloud optical thickness, (d) particle effective radius
對于單云特征參量而言,云光學(xué)厚度對雨強(qiáng)的指示性最佳,隨著云光學(xué)厚度增大,地面產(chǎn)生較強(qiáng)級別降水的頻率越大,這與劉健等[24]研究結(jié)論相似。隨著云頂高度增加和云頂溫度下降,小雨頻率呈單調(diào)減小趨勢,中、大、暴雨發(fā)生頻率呈單調(diào)增加趨勢。云粒子有效半徑對降水強(qiáng)度的指示性較弱,可能是受到卷云的影響,當(dāng)只有卷云存在時(shí),云光學(xué)厚度很小,云粒子有效半徑較大,但一般不產(chǎn)生地面降水。
上述分析表明單云參量對降水的指示性欠佳,由于云光學(xué)厚度與降水頻率及降水強(qiáng)度有密切關(guān)系,云頂溫度與降水相態(tài)有關(guān),因此將云光學(xué)厚度和云頂溫度兩個(gè)云特征參量分檔組合進(jìn)行分析。圖4為青海省東部地區(qū)湟水谷地及黃河谷地不同分檔的雙云特征參量(云光學(xué)厚度、云頂溫度)組合對應(yīng)的降水頻率分布。可以看出,湟水谷地、黃河谷地降水頻率基本隨云頂溫度的降低、云光學(xué)厚度的增加而增加,當(dāng)云頂溫度小于-45 ℃且云光學(xué)厚度大于40時(shí),湟水谷地降水頻率達(dá)到最大,為75.8%,黃河谷地為次大(74.2%);當(dāng)云頂溫度為-45~-31 ℃且云光學(xué)厚度大于40時(shí),黃河谷地降水頻率達(dá)到最大,為77.5%,湟水谷地為次大(74.2%)。雙云特征參量對降水頻率的指示性與單云參量相比,前者較明顯,且隨著云頂溫度的降低以及云光學(xué)厚度的增加對降水的指示性更明顯。當(dāng)云光學(xué)厚度大于等于20、云頂溫度小于等于-16 ℃時(shí),兩個(gè)保障區(qū)的降水概率均有躍增。
圖4 青海省東部地區(qū)湟水谷地(a)及黃河谷地(b)不同分檔的雙云特征參量(云光學(xué)厚度、云頂溫度)組合對應(yīng)的降水頻率分布Fig.4 The distribution of precipitation frequency corresponding to double cloud characteristic parameters (cloud optical thickness, cloud top temperature) with different classification in the Huangshui valley (a) and the Yellow River valley (b) in the eastern region of Qinghai Province
圖5為青海省東部地區(qū)雙云特征參量(云光學(xué)厚度、云頂溫度)組合對應(yīng)的不同雨強(qiáng)頻率分布??梢钥闯觯祈敎囟却笥? ℃時(shí),小雨頻率隨云光學(xué)厚度的增加呈單調(diào)增加,中雨和暴雨由于樣本數(shù)較少,變化趨勢不明顯。當(dāng)云頂溫度為-15~0 ℃時(shí),小雨頻率呈單峰型,波峰出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為11~20;中雨頻率隨云光學(xué)厚度的增加呈單調(diào)增加趨勢,最高值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度大于40時(shí),最低值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為0~10時(shí);大雨和暴雨頻率均呈單谷型,波谷分別出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為11~20、21~30時(shí)。當(dāng)云頂溫度為-30~-16 ℃時(shí),小雨頻率隨云光學(xué)厚度增加呈單調(diào)減小趨勢,最高值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為0~10,最低值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度大于40時(shí);中、大雨頻率呈單調(diào)增加趨勢,最高值均出現(xiàn)在云光學(xué)厚度大于40時(shí),最低值均出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為0~10時(shí);暴雨頻率呈單谷型,波谷值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為31~40時(shí)。當(dāng)云頂溫度為-45~-31 ℃時(shí),小雨頻率隨云光學(xué)厚度增加呈單調(diào)減小趨勢,最高值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為0~10時(shí),最低值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度大于40時(shí);中雨頻率呈單調(diào)增加趨勢,最高值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度大于40時(shí),最低值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為0~10時(shí);大雨頻率呈單谷型,波谷出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為11~30時(shí);暴雨頻率呈雙峰雙谷型,波峰值分別出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為0~10、31~40時(shí),波谷值分別出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為21~30、大于40時(shí)。當(dāng)云頂溫度小于-45 ℃時(shí),小雨、中雨、大雨、暴雨在云光學(xué)厚度為0~10時(shí)樣本數(shù)為零;云光學(xué)厚度大于11時(shí),小雨頻率隨云光學(xué)厚度增加呈單調(diào)減小趨勢,最高值在云光學(xué)厚度為11~20時(shí),最低值在云光學(xué)厚度大于40時(shí);中雨頻率呈單峰型,波峰值出現(xiàn)在云光學(xué)厚度為31~40時(shí);大雨、暴雨分別在云光學(xué)厚度為11~20、21~30時(shí)樣本數(shù)為零,兩者的頻率最大值均出現(xiàn)在云光學(xué)厚度大于40時(shí)。
圖5 青海省東部地區(qū)不同分檔的雙云特征參量(云光學(xué)厚度、云頂溫度)組合對應(yīng)的不同雨強(qiáng)降水頻率分布(a)Tc>0 ℃,(b)-15≤Tc≤0 ℃,(c)-30≤Tc≤-16 ℃,(d)-45≤Tc≤-31 ℃,(e)Tc<-45 ℃Fig.5 The distribution of precipitation frequency with different intensity corresponding to double cloud characteristic parameters (cloud optical thickness, cloud top temperature) with different classification in the eastern region of Qinghai Province(a) Tc>0 ℃, (b)-15≤Tc≤0 ℃, (c)-30≤Tc≤-16 ℃, (d)-45≤Tc≤-31 ℃, (e) Tc<-45 ℃
綜上所述,對于雙云特征參量組合而言,小雨頻率最大值出現(xiàn)在云頂溫度大于0 ℃且云光學(xué)厚度為21~30時(shí);中雨頻率最大值出現(xiàn)在云頂溫度-45~-31 ℃且云光學(xué)厚度大于40時(shí);大雨、暴雨頻率最大值出現(xiàn)在云頂溫度小于-45 ℃且云光學(xué)厚度大于40時(shí)。說明雙云特征參量組合對降水強(qiáng)度的指示性比單云特征參量更高。
表3為青海省東部地區(qū)不同分檔的三云特征參量(云光學(xué)厚度、云粒子有效半徑、云頂溫度)組合對應(yīng)的降水頻率??梢钥闯?,三云特征參量組合下,當(dāng)云光學(xué)厚度小于等于20時(shí),不同云頂溫度對應(yīng)降水頻率基本隨云粒子有效半徑增大而增大,最大值都出現(xiàn)在云頂溫度為-30~-16 ℃且云粒子有效半徑為31~40 μm時(shí)。當(dāng)云光學(xué)厚度大于20時(shí),在不同云頂溫度下,降水頻率隨著云粒子有效半徑的增加沒有明顯的變化規(guī)律。當(dāng)云光學(xué)厚度為21~30時(shí),降水頻率最大值出現(xiàn)在云粒子有效半徑為31~40 μm且云頂溫度為-30~-16 ℃時(shí);當(dāng)云光學(xué)厚度為31~40時(shí),降水頻率最大值出現(xiàn)在云頂溫度為-45~-31 ℃且云粒子有效半徑為31~40 μm時(shí);當(dāng)光學(xué)厚度大于40時(shí),降水頻率最大值出現(xiàn)在云頂溫度為-45~-31 ℃且云粒子有效半徑為21~30 μm時(shí)??梢钥闯觯铺卣鲄⒘繉邓l率的指示性較雙云特征參量弱,但仍優(yōu)于單云特征參量。
表3 青海省東部地區(qū)不同分檔的三云特征參量(云光學(xué)厚度、云粒子有效半徑、云頂溫度)組合對應(yīng)的降水頻率Tab.3 The precipitation frequency corresponding to triple cloud characteristic parameters (cloud optical thickness, cloud particle effective radius, cloud top temperature) with different classification in the eastern region of Qinghai Province
(1)單云特征參量對降水頻率的指示性云光學(xué)厚度>云粒子有效半徑>云頂高度>云頂溫度;隨著云光學(xué)厚度增大降水強(qiáng)度也隨之增大,隨著云頂高度的增加和云頂溫度的降低,地面產(chǎn)生較強(qiáng)級別降水的頻率增大,在4種云特征參量中,云粒子有效半徑對降水的指示性最不明顯。
(2)雙云特征參量(云光學(xué)厚度和云頂溫度)對降水頻率的指示性強(qiáng)于單云特征參量。降水頻率基本隨云光學(xué)厚度的增加、云頂溫度的降低而增加,當(dāng)云光學(xué)厚度大于等于20、云頂溫度小于等于-16 ℃ 時(shí),降水頻率均有明顯提高。云頂溫度大于0 ℃且云光學(xué)厚度為21~30時(shí),小雨出現(xiàn)頻率最大;云光學(xué)厚度大于40且云頂溫度為-45~-31 ℃時(shí),中雨出現(xiàn)頻率最大;云光學(xué)厚度大于40且云頂溫度小于-45 ℃時(shí),大雨出現(xiàn)頻率最大。雙云特征參量對降水強(qiáng)度指示性強(qiáng)于單云特征參量。
(3)三云特征參量(云光學(xué)厚度、云頂溫度和云粒子有效半徑)對降水頻率的指示性較雙云特征參量弱,但仍優(yōu)于單云特征參量。當(dāng)云光學(xué)厚度小于等于20時(shí),在不同云頂溫度下,降水頻率基本隨云粒子有效半徑增大而增大,最大值都出現(xiàn)在云頂溫度為-30~-16 ℃且云粒子有效半徑為31~40 μm時(shí);當(dāng)云光學(xué)厚度大于20時(shí),在不同云頂溫度下,降水頻率隨著云粒子有效半徑的增加沒有明顯的變化規(guī)律,但降水頻率的最大值基本出現(xiàn)在云頂溫度為-45~-16 ℃且云粒子有效半徑為21~40 μm時(shí)。
云頂溫度、云頂高度、云粒子有效半徑只能反映云頂?shù)脑铺卣?,但?shí)際上云是多種多樣的,還可能是分層的,因此不能完全反映整個(gè)云層的狀況。比如卷云光學(xué)厚度小,但云頂高度高、溫度低,產(chǎn)生降水的可能性小,如果只憑云頂高度或云頂溫度這一參量就不能正確判斷整層云系概況[25]。大氣中的降水是水汽、動(dòng)力條件等多種因素共同作用的結(jié)果,今后工作中會進(jìn)一步將不同的云特征參量產(chǎn)品和探空資料、衛(wèi)星云圖特征等結(jié)合起來進(jìn)行綜合分析、判斷。