基于FY2G 衛(wèi)星的寧夏空中云水資源特征研究

常倬林，黨張利，孫艷橋，林 彤

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002；2.中國(guó)氣象局云霧物理重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室／中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

引言

水對(duì)人類(lèi)和環(huán)境至關(guān)重要，水資源有限但是對(duì)水的需求卻一直在增長(zhǎng)。有限的水資源和增長(zhǎng)的需求之間的矛盾促使人們更加關(guān)注通過(guò)人工播云增加降水［1］。云作為人工影響天氣催化作業(yè)的主要對(duì)象，過(guò)冷層厚度、云的光學(xué)厚度、云滴有效半徑、液水含量等是評(píng)估空中云水資源的重要依據(jù)，也是人工增雨作業(yè)條件選擇的重要參考，摸清該地區(qū)云的宏微觀特征，加大對(duì)空中云水資源的開(kāi)發(fā)力度顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家針對(duì)云水資源開(kāi)展了大量的研究。李江南等［2］分析了熱帶氣旋云微物理過(guò)程的觀測(cè)分析和數(shù)值模擬研究進(jìn)展。在再分析資料應(yīng)用方面，王佳等［3］、鄧佩云等［4］利用再分析資料的風(fēng)場(chǎng)及云含水量分析了空云水資源年均總量、時(shí)空特征及變化趨勢(shì)；在特種觀測(cè)資料應(yīng)用中，黃建平等［5］、郝巨飛等［6］利用地基微波輻射計(jì)及紅外觀測(cè)儀探測(cè)數(shù)據(jù)，分析了不同地區(qū)液態(tài)云水路徑和降水量的變化特征；畢敬等［7］、高沁等［8］利用氣象觀測(cè)站的降水、云狀、云量的資料對(duì)人工增雨需求、人工增雨潛力和人工增雨云水資源量進(jìn)行分析。在利用衛(wèi)星資料方面，陳勇航等［9］對(duì)西北地區(qū)的云水資源分布特征進(jìn)行了分析研究，探討了云特性參量對(duì)云輻射強(qiáng)迫的影響。在雷達(dá)探測(cè)資料對(duì)空中云水資源的研究方面，章文星等［10］利用2008 年5—12 月安徽省壽縣大氣輻射綜合觀測(cè)試驗(yàn)資料，比較研究了云雷達(dá)（W-band，95 GHz）、云高儀（Vaisala Ceilometer）及掃描式全天空紅外成像儀（SIRIS-1 型）三種云觀測(cè)儀器的觀測(cè)結(jié)果。對(duì)寧夏地區(qū)空中云水資源的研究，田磊等［11-13］利用微波輻射計(jì)、云雷達(dá)對(duì)寧夏云量、云液態(tài)水含量等進(jìn)行了分析，常倬林等［14］利用2009—2014 年NASA地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）、地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）的云資料和氣象站降水資料，對(duì)寧夏云水資源及增雨潛力特征進(jìn)行了對(duì)比研究。上述大量的研究主要圍繞利用自動(dòng)氣象站、探空觀測(cè)、再分析資料、極軌衛(wèi)星資料等進(jìn)行分析。針對(duì)寧夏地區(qū)的空中云水資源的研究主要集中在利用極軌衛(wèi)星反演資料及微波輻射計(jì)等探測(cè)資料方面，F(xiàn)Y 靜止衛(wèi)星具有高時(shí)間分辨率等優(yōu)勢(shì)，而利用FY 靜止衛(wèi)星資料對(duì)寧夏空中云水資源的評(píng)估工作還未開(kāi)展。

本文基于FY2G 衛(wèi)星反演的云微觀特性產(chǎn)品，對(duì)寧夏云水資源的分布特征及開(kāi)發(fā)潛力進(jìn)行研究，評(píng)估了寧夏石嘴山、銀川、吳忠、中衛(wèi)及固原五市等不同地形地貌及不同氣候特征的區(qū)域云水資源的時(shí)空變化特征，特別是針對(duì)六盤(pán)山區(qū)山頂及山東西兩側(cè)的云水資源特征進(jìn)行了分析，以典型站點(diǎn)為代表分析了寧夏液水含量的降水效率及開(kāi)發(fā)潛力，對(duì)高效科學(xué)開(kāi)發(fā)寧夏空中云水資源具有一定的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

研究中使用的資料為2017—2019 年FY2G 衛(wèi)星資料反演的云過(guò)冷層厚度（Hsc）、云光學(xué)厚度（Opth）、云粒子等效半徑（Ref）、垂直累計(jì)液態(tài)水含量（Lwp）資料，2017—2019 年隆德氣象站布設(shè)的RPG-HATPRO-G4 型微波輻射計(jì)資料、2017—2019年寧夏區(qū)域自動(dòng)站資料。

其中FY2G 衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為30min，空間分辨率為0.05°×0.05°。地基微波輻射計(jì)使用的是德國(guó)RPG-HATPRO-G4 型多通道微波輻射計(jì)，其布設(shè)在隆德氣象站內(nèi)空曠地帶，采用并行42 通道設(shè)計(jì)其位置見(jiàn)圖1。

圖1 寧夏各站點(diǎn)分布

分析中使用到的站點(diǎn)位置如圖1 所示，其中石嘴山、銀川為寧夏北部川區(qū)代表，吳忠、中衛(wèi)為寧夏中部干旱帶代表，固原為寧夏南部山區(qū)的代表。六盤(pán)山頂指的是海拔2856m 六盤(pán)山氣象站，六盤(pán)山西測(cè)以隆德站為代表，六盤(pán)山東側(cè)以涇源站為代表。

1.2 方法

在數(shù)據(jù)資料處理中，提取了FY2G 衛(wèi)星反演的云過(guò)冷層厚度、云光學(xué)厚度、云粒子等效粒子半徑、垂直累積液態(tài)水含量30min 分辨率的產(chǎn)品，在與微波輻射計(jì)反演的液態(tài)水含量進(jìn)行對(duì)比的基礎(chǔ)上，剔除了差值較大的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了小時(shí)、日、月、季、年平均，在日、月、季、年的平均時(shí)未劃分小時(shí)，分為白天和晚上。在對(duì)微波輻射計(jì)資料處理時(shí)，對(duì)微波輻射計(jì)反演的液態(tài)水含量的分鐘數(shù)據(jù)，00 分和30 分前后5min 數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，與衛(wèi)星資料反演的垂直累計(jì)液態(tài)水含量進(jìn)行對(duì)比分析。液態(tài)水含量的降水效率使用小時(shí)降水量除以小時(shí)液態(tài)水含量得到，人影作業(yè)潛力使用1 減去液態(tài)水含量的降水效率得到。

2 FY2G 衛(wèi)星反演產(chǎn)品的適用性分析

對(duì)FY2G 衛(wèi)星反演的垂直累計(jì)液態(tài)水含量與微波輻射計(jì)反演的液態(tài)水含量進(jìn)行對(duì)比分析，剔除二者相差較大的特殊數(shù)據(jù)后，樣本數(shù)量為3543 個(gè)，對(duì)該樣本做散點(diǎn)圖并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從圖2 中可以看出，衛(wèi)星資料和微波輻射計(jì)資料反演結(jié)果呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95，且通過(guò)0.01 的顯著性檢驗(yàn)，剔除后的反演結(jié)果可用。由于微波輻射計(jì)受降水影響較大，用其分析增雨潛力結(jié)果不可靠，但它在晴空條件下的觀測(cè)值比較準(zhǔn)確，而衛(wèi)星反演產(chǎn)品正好可以彌補(bǔ)在陰天和降水背景下對(duì)大氣水汽和云液態(tài)水狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖2 FY2G 衛(wèi)星反演液態(tài)水含量與微波輻射計(jì)反演液態(tài)水含量對(duì)比圖

3 云水資源時(shí)空分布特征

3.1 云體過(guò)冷層厚度分布特征

從圖3 可見(jiàn)，寧夏中南部地區(qū)云體過(guò)冷層厚度的值大約在1.9km 至2km 之間，高于北部川區(qū)云體過(guò)冷層厚度的值（1.65～1.8km），即寧夏南部山區(qū)冷云催化的平均條件在全區(qū)最好，在南部山區(qū)，六盤(pán)山西側(cè)云體過(guò)冷層厚度低于六盤(pán)山頂，六盤(pán)山頂云體過(guò)冷層厚度低于六盤(pán)山東側(cè)。其中六盤(pán)山東側(cè)云體過(guò)冷層厚度高于固原市云體過(guò)冷層厚度，同時(shí)，可以看出云體在從西側(cè)到東側(cè)爬升的過(guò)程中，由于受到地形的抬升作用的影響，冷云過(guò)程的發(fā)展越來(lái)越強(qiáng)烈。

圖3 FY2G 反演的白天過(guò)冷層厚度的時(shí)間、月、季節(jié)及年分布特征

從云體過(guò)冷層厚度的季節(jié)分布來(lái)看，寧夏大部分區(qū)域冬季云體過(guò)冷層厚度最大，其次為春季、夏季，秋季。不同的是寧夏最東南側(cè)的涇源與最西側(cè)的中衛(wèi)，云體的過(guò)冷層厚度在冬季最大，其次為夏季，春秋季最小。除去季節(jié)溫度變化的影響外，這可能與夏季涇源與中衛(wèi)對(duì)流發(fā)展較其它地區(qū)更為強(qiáng)烈有關(guān)，與這兩個(gè)地區(qū)在寧夏全區(qū)冰雹較其它區(qū)域更為頻發(fā)的事實(shí)比較一致?？赡茉谙募緯r(shí)涇源及中衛(wèi)冷云催化條件好于其它區(qū)域。從云體過(guò)冷層厚度的月變化來(lái)看，從1 月到11 月呈現(xiàn)出微弱的下降趨勢(shì)，涇源及中衛(wèi)月變化的程度高于其它地區(qū)。

從日變化來(lái)看，云體過(guò)冷層厚度呈拋物線分布，00 時(shí)至08 時(shí)，寧夏各地云體過(guò)冷層厚度在1.8～2.4km，從09 時(shí)開(kāi)始云體過(guò)冷層厚度開(kāi)始逐漸上升，到16 時(shí)，云體過(guò)冷層厚度達(dá)到最大，16 時(shí)后開(kāi)始逐漸下降，但上升的速度要高于下降速率。16 時(shí)之前，寧夏從南到北云體過(guò)冷層厚度逐漸降低，16 時(shí)后，區(qū)域變化較為復(fù)雜。

3.2 液水含量分布特征

從液水含量的年變化來(lái)看（圖4），白天，從寧夏北部地區(qū)到南部山區(qū)，液水含量緩慢上升，石嘴山市液水含量最小大約在0.024mm，其次為銀川、吳忠、中衛(wèi)及固原，其液水含量的值大約在0.03mm。值得注意的是，在六盤(pán)山區(qū)垂直累計(jì)液態(tài)水含量的值遠(yuǎn)高于寧夏其它區(qū)域，其范圍為0.04～0.065mm，其中，六盤(pán)山頂垂直累計(jì)液態(tài)水含量的值最高，其次為六盤(pán)山西側(cè)，最后為六盤(pán)山區(qū)東側(cè)。這也正說(shuō)明在六盤(pán)山區(qū)云水資源較其它區(qū)域更為豐富，在六盤(pán)山區(qū)建設(shè)地形云野外科學(xué)試驗(yàn)基地開(kāi)發(fā)空中云水資源十分重要。

圖4 FY2G 反演的白天液水含量的時(shí)間、月、季節(jié)及年分布特征

從垂直累計(jì)液態(tài)水含量的季節(jié)變化來(lái)看，寧夏垂直累計(jì)液態(tài)水含量在夏季最大，春季次之，秋季再次之，冬季最小。夏春秋冬四季垂直累積液態(tài)水含量均值范圍分別大約為0.038～0.082mm、0.029～0.058mm、0.008～0.058mm、0.008～0.055mm。從空間分布來(lái)看，固原、中衛(wèi)、吳忠、銀川各季節(jié)垂直累積液態(tài)水含量相差不大，寧夏最北邊石嘴山垂直累積液態(tài)水含量最小。六盤(pán)山區(qū)垂直累積液態(tài)水含量高于其它地區(qū)，夏季，六盤(pán)山頂垂直累積液態(tài)水含量高于六盤(pán)山西側(cè)，六盤(pán)山西側(cè)垂直累積液態(tài)水含量值高于六盤(pán)山東側(cè)；春秋季垂直累積液態(tài)水含量由大到小為六盤(pán)山西側(cè)、六盤(pán)山頂、六盤(pán)山東側(cè)；冬季垂直累積液態(tài)水含量由大到小為六盤(pán)山西側(cè)、六盤(pán)山東側(cè)、六盤(pán)山頂。夏季人工增雨催化的最為合適區(qū)域是六盤(pán)山頂，其它季節(jié)最為合適的催化區(qū)域?yàn)榱P(pán)山西側(cè)，特別是冬季時(shí)六盤(pán)山東側(cè)也為催化作業(yè)的較為合適的區(qū)域。從月變化來(lái)看，云垂直累積液態(tài)水含量在6 月、7 月最大，2 月、11 月較小，基本呈拋物線分布，不同的是六盤(pán)山頂垂直累積液態(tài)水含量在7 月達(dá)到峰值，其它地區(qū)則在6 月達(dá)到峰值。垂直累積液態(tài)水含量06 時(shí)最小，從06 時(shí)開(kāi)始逐漸上升到11 時(shí)達(dá)到最大，隨后開(kāi)始減小，13 時(shí)出現(xiàn)次小值，隨后到15 時(shí)達(dá)到極大值。同樣可以看出六盤(pán)山區(qū)垂直累積液態(tài)水含量在各個(gè)時(shí)次均高于其它地區(qū)。

3.3 云光學(xué)厚度和云粒子等效半徑特征

寧夏地區(qū)云光學(xué)厚度的均值在3～7，從寧夏北部到南部山區(qū)云光學(xué)厚度年均值逐漸上升，但變化范圍不大，其值在3～4；云光學(xué)厚度的高值區(qū)仍然在六盤(pán)山區(qū)，其值在4.1～6，其中六盤(pán)山頂云光學(xué)厚度的均值高于六盤(pán)山西側(cè)，六盤(pán)山西側(cè)高于東側(cè)。云粒子有效半徑在3～8μm，北部石嘴山、銀川兩市的云粒子有效半徑4.5μm，吳忠市云粒子有效半徑4μm，中衛(wèi)及固原地區(qū)云粒子有效半徑較北部川區(qū)云粒子有效半徑大，可以達(dá)到4.8μm。同樣，六盤(pán)山云粒子有效半徑要高于其它區(qū)域，其中，六盤(pán)山頂云粒子半徑最大，大約為7μm，其次為六盤(pán)山西側(cè)，值為6.8μm，最小的為六盤(pán)山東側(cè)在5μm 左右。

4 人影作業(yè)潛力分析

利用衛(wèi)星資料反演的液態(tài)水含量與自動(dòng)站實(shí)際降水資料對(duì)寧夏人影作業(yè)潛力進(jìn)行分析，由上述分析可知衛(wèi)星資料反演的液態(tài)水含量在寧夏各地區(qū)的差異不大，因此選擇典型的站點(diǎn)（六盤(pán)山西側(cè)隆德站點(diǎn)）作為代表來(lái)分析寧夏人影作業(yè)潛力。挑選出隆德站有降水時(shí)的小時(shí)降水資料與衛(wèi)星反演的小時(shí)液態(tài)水含量，按照液態(tài)水含量降水效率計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，得到液態(tài)水含量降水效率有效樣本217 個(gè)。經(jīng)分析得出，寧夏云液態(tài)水的降水效率為53.9%，人工增雨的潛力為46.1%。分季節(jié)來(lái)看，夏季云液態(tài)水降水效率最大為56.8%，其次為秋季和春季，分別為54.3%和54%，最小的為冬季，云液態(tài)水降水效率為52%。從月變化來(lái)看，從1 月—12 月，云液態(tài)水降水效率分別為49.8%、50.8%、53.4%、53.9%、54.8%、54%、52%、65.1%、55.6%、50.1%、59.7%、77%。由此可見(jiàn)，寧夏冬春季人影作業(yè)潛力高于夏秋季，1—4月人影作業(yè)潛力大于其它月份，因此，寧夏應(yīng)該加大冬春季人工增雨雪作業(yè)力度，更加高效開(kāi)發(fā)空中云水資源。

5 結(jié)論與討論

本文研究了寧夏不同地區(qū)云微觀特性的時(shí)空變化特征，探究了液水含量的降水效率及云水資源開(kāi)發(fā)潛力。初步結(jié)論如下：

（1）剔除了不合理數(shù)據(jù)后，F(xiàn)Y2G 衛(wèi)星反演云液態(tài)水含量與微波輻射計(jì)反演液態(tài)水含量相關(guān)性達(dá)到95%，F(xiàn)Y2G 衛(wèi)星反演產(chǎn)品基本上能夠代表寧夏云水資源特征。

（2）寧夏云過(guò)冷層厚度大約在1.65～2km，液態(tài)水含量在0.02～0.5mm，其中云過(guò)冷層厚度在冬季、春季、夏季，秋季依次降低，6 月和16 時(shí)云過(guò)冷層厚度最大；垂直累計(jì)液態(tài)水含量和云光學(xué)厚度在夏季、春季、秋季、冬季依次減少，同樣在6 月二者的值最大，液態(tài)水含量白天時(shí)在11 時(shí)和13 時(shí)最大。

（3）寧夏云水資源基本在南部山區(qū)大于中部干旱帶，中部干旱帶大于北部川區(qū)。在山區(qū)，云過(guò)冷層厚度東側(cè)大于西側(cè)，西側(cè)大于山頂；云液態(tài)水含量和云光學(xué)厚度西側(cè)大于山頂，山頂大于東側(cè)；云粒子等效半徑在山頂大于西側(cè)，西側(cè)大于東側(cè)。

（4）寧夏云液態(tài)水降水效率為53.9%，人工增雨的潛力為46.1%，云液態(tài)水降水效率在夏季、秋季、春季、冬季依次降低，1—4 月人影作業(yè)潛力大于其它月份。

寧夏云液態(tài)水的降水效率不高，云水資源的開(kāi)發(fā)潛力較大。今后可以從動(dòng)力、熱力條件等多方面分析原因，進(jìn)而研究人工增雨條件的評(píng)估技術(shù)和催化作業(yè)技術(shù)等，為科學(xué)高效開(kāi)發(fā)區(qū)域云水資源提供更多的支撐。