基于FY2G 卫星的宁夏空中云水资源特征研究

2022-04-13常倬林党张利孙艳桥

气象研究与应用 2022年1期

常倬林，党张利，孙艳桥，林彤

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2.中国气象局云雾物理重点开放实验室／中国气象科学研究院，北京 100081）

引言

水对人类和环境至关重要，水资源有限但是对水的需求却一直在增长。有限的水资源和增长的需求之间的矛盾促使人们更加关注通过人工播云增加降水［1］。云作为人工影响天气催化作业的主要对象，过冷层厚度、云的光学厚度、云滴有效半径、液水含量等是评估空中云水资源的重要依据，也是人工增雨作业条件选择的重要参考，摸清该地区云的宏微观特征，加大对空中云水资源的开发力度显得尤为重要。

国内外专家针对云水资源开展了大量的研究。李江南等［2］分析了热带气旋云微物理过程的观测分析和数值模拟研究进展。在再分析资料应用方面，王佳等［3］、邓佩云等［4］利用再分析资料的风场及云含水量分析了空云水资源年均总量、时空特征及变化趋势；在特种观测资料应用中，黄建平等［5］、郝巨飞等［6］利用地基微波辐射计及红外观测仪探测数据，分析了不同地区液态云水路径和降水量的变化特征；毕敬等［7］、高沁等［8］利用气象观测站的降水、云状、云量的资料对人工增雨需求、人工增雨潜力和人工增雨云水资源量进行分析。在利用卫星资料方面，陈勇航等［9］对西北地区的云水资源分布特征进行了分析研究，探讨了云特性参量对云辐射强迫的影响。在雷达探测资料对空中云水资源的研究方面，章文星等［10］利用2008 年5—12 月安徽省寿县大气辐射综合观测试验资料，比较研究了云雷达（W-band，95 GHz）、云高仪（Vaisala Ceilometer）及扫描式全天空红外成像仪（SIRIS-1 型）三种云观测仪器的观测结果。对宁夏地区空中云水资源的研究，田磊等［11-13］利用微波辐射计、云雷达对宁夏云量、云液态水含量等进行了分析，常倬林等［14］利用2009—2014 年NASA地球观测系统（EOS）、地球辐射能量系统（CERES）的云资料和气象站降水资料，对宁夏云水资源及增雨潜力特征进行了对比研究。上述大量的研究主要围绕利用自动气象站、探空观测、再分析资料、极轨卫星资料等进行分析。针对宁夏地区的空中云水资源的研究主要集中在利用极轨卫星反演资料及微波辐射计等探测资料方面，FY 静止卫星具有高时间分辨率等优势，而利用FY 静止卫星资料对宁夏空中云水资源的评估工作还未开展。

本文基于FY2G 卫星反演的云微观特性产品，对宁夏云水资源的分布特征及开发潜力进行研究，评估了宁夏石嘴山、银川、吴忠、中卫及固原五市等不同地形地貌及不同气候特征的区域云水资源的时空变化特征，特别是针对六盘山区山顶及山东西两侧的云水资源特征进行了分析，以典型站点为代表分析了宁夏液水含量的降水效率及开发潜力，对高效科学开发宁夏空中云水资源具有一定的科学意义和应用价值。

1 数据和方法

1.1 数据资料

研究中使用的资料为2017—2019 年FY2G 卫星资料反演的云过冷层厚度（Hsc）、云光学厚度（Opth）、云粒子等效半径（Ref）、垂直累计液态水含量（Lwp）资料，2017—2019 年隆德气象站布设的RPG-HATPRO-G4 型微波辐射计资料、2017—2019年宁夏区域自动站资料。

其中FY2G 卫星数据时间分辨率为30min，空间分辨率为0.05°×0.05°。地基微波辐射计使用的是德国RPG-HATPRO-G4 型多通道微波辐射计，其布设在隆德气象站内空旷地带，采用并行42 通道设计其位置见图1。

图1 宁夏各站点分布

分析中使用到的站点位置如图1 所示，其中石嘴山、银川为宁夏北部川区代表，吴忠、中卫为宁夏中部干旱带代表，固原为宁夏南部山区的代表。六盘山顶指的是海拔2856m 六盘山气象站，六盘山西测以隆德站为代表，六盘山东侧以泾源站为代表。

1.2 方法

在数据资料处理中，提取了FY2G 卫星反演的云过冷层厚度、云光学厚度、云粒子等效粒子半径、垂直累积液态水含量30min 分辨率的产品，在与微波辐射计反演的液态水含量进行对比的基础上，剔除了差值较大的数据，进行了小时、日、月、季、年平均，在日、月、季、年的平均时未划分小时，分为白天和晚上。在对微波辐射计资料处理时，对微波辐射计反演的液态水含量的分钟数据，00 分和30 分前后5min 数据进行平均，与卫星资料反演的垂直累计液态水含量进行对比分析。液态水含量的降水效率使用小时降水量除以小时液态水含量得到，人影作业潜力使用1 减去液态水含量的降水效率得到。

2 FY2G 卫星反演产品的适用性分析

对FY2G 卫星反演的垂直累计液态水含量与微波辐射计反演的液态水含量进行对比分析，剔除二者相差较大的特殊数据后，样本数量为3543 个，对该样本做散点图并进行统计分析。从图2 中可以看出，卫星资料和微波辐射计资料反演结果呈线性相关，相关系数达到0.95，且通过0.01 的显著性检验，剔除后的反演结果可用。由于微波辐射计受降水影响较大，用其分析增雨潜力结果不可靠，但它在晴空条件下的观测值比较准确，而卫星反演产品正好可以弥补在阴天和降水背景下对大气水汽和云液态水状态的监测，结合二者的优点可以得到更为准确的结果。

图2 FY2G 卫星反演液态水含量与微波辐射计反演液态水含量对比图

3 云水资源时空分布特征

3.1 云体过冷层厚度分布特征

从图3 可见，宁夏中南部地区云体过冷层厚度的值大约在1.9km 至2km 之间，高于北部川区云体过冷层厚度的值（1.65～1.8km），即宁夏南部山区冷云催化的平均条件在全区最好，在南部山区，六盘山西侧云体过冷层厚度低于六盘山顶，六盘山顶云体过冷层厚度低于六盘山东侧。其中六盘山东侧云体过冷层厚度高于固原市云体过冷层厚度，同时，可以看出云体在从西侧到东侧爬升的过程中，由于受到地形的抬升作用的影响，冷云过程的发展越来越强烈。

图3 FY2G 反演的白天过冷层厚度的时间、月、季节及年分布特征

从云体过冷层厚度的季节分布来看，宁夏大部分区域冬季云体过冷层厚度最大，其次为春季、夏季，秋季。不同的是宁夏最东南侧的泾源与最西侧的中卫，云体的过冷层厚度在冬季最大，其次为夏季，春秋季最小。除去季节温度变化的影响外，这可能与夏季泾源与中卫对流发展较其它地区更为强烈有关，与这两个地区在宁夏全区冰雹较其它区域更为频发的事实比较一致。可能在夏季时泾源及中卫冷云催化条件好于其它区域。从云体过冷层厚度的月变化来看，从1 月到11 月呈现出微弱的下降趋势，泾源及中卫月变化的程度高于其它地区。

从日变化来看，云体过冷层厚度呈抛物线分布，00 时至08 时，宁夏各地云体过冷层厚度在1.8～2.4km，从09 时开始云体过冷层厚度开始逐渐上升，到16 时，云体过冷层厚度达到最大，16 时后开始逐渐下降，但上升的速度要高于下降速率。16 时之前，宁夏从南到北云体过冷层厚度逐渐降低，16 时后，区域变化较为复杂。

3.2 液水含量分布特征

从液水含量的年变化来看（图4），白天，从宁夏北部地区到南部山区，液水含量缓慢上升，石嘴山市液水含量最小大约在0.024mm，其次为银川、吴忠、中卫及固原，其液水含量的值大约在0.03mm。值得注意的是，在六盘山区垂直累计液态水含量的值远高于宁夏其它区域，其范围为0.04～0.065mm，其中，六盘山顶垂直累计液态水含量的值最高，其次为六盘山西侧，最后为六盘山区东侧。这也正说明在六盘山区云水资源较其它区域更为丰富，在六盘山区建设地形云野外科学试验基地开发空中云水资源十分重要。

图4 FY2G 反演的白天液水含量的时间、月、季节及年分布特征

从垂直累计液态水含量的季节变化来看，宁夏垂直累计液态水含量在夏季最大，春季次之，秋季再次之，冬季最小。夏春秋冬四季垂直累积液态水含量均值范围分别大约为0.038～0.082mm、0.029～0.058mm、0.008～0.058mm、0.008～0.055mm。从空间分布来看，固原、中卫、吴忠、银川各季节垂直累积液态水含量相差不大，宁夏最北边石嘴山垂直累积液态水含量最小。六盘山区垂直累积液态水含量高于其它地区，夏季，六盘山顶垂直累积液态水含量高于六盘山西侧，六盘山西侧垂直累积液态水含量值高于六盘山东侧；春秋季垂直累积液态水含量由大到小为六盘山西侧、六盘山顶、六盘山东侧；冬季垂直累积液态水含量由大到小为六盘山西侧、六盘山东侧、六盘山顶。夏季人工增雨催化的最为合适区域是六盘山顶，其它季节最为合适的催化区域为六盘山西侧，特别是冬季时六盘山东侧也为催化作业的较为合适的区域。从月变化来看，云垂直累积液态水含量在6 月、7 月最大，2 月、11 月较小，基本呈抛物线分布，不同的是六盘山顶垂直累积液态水含量在7 月达到峰值，其它地区则在6 月达到峰值。垂直累积液态水含量06 时最小，从06 时开始逐渐上升到11 时达到最大，随后开始减小，13 时出现次小值，随后到15 时达到极大值。同样可以看出六盘山区垂直累积液态水含量在各个时次均高于其它地区。

3.3 云光学厚度和云粒子等效半径特征

宁夏地区云光学厚度的均值在3～7，从宁夏北部到南部山区云光学厚度年均值逐渐上升，但变化范围不大，其值在3～4；云光学厚度的高值区仍然在六盘山区，其值在4.1～6，其中六盘山顶云光学厚度的均值高于六盘山西侧，六盘山西侧高于东侧。云粒子有效半径在3～8μm，北部石嘴山、银川两市的云粒子有效半径4.5μm，吴忠市云粒子有效半径4μm，中卫及固原地区云粒子有效半径较北部川区云粒子有效半径大，可以达到4.8μm。同样，六盘山云粒子有效半径要高于其它区域，其中，六盘山顶云粒子半径最大，大约为7μm，其次为六盘山西侧，值为6.8μm，最小的为六盘山东侧在5μm 左右。

4 人影作业潜力分析

利用卫星资料反演的液态水含量与自动站实际降水资料对宁夏人影作业潜力进行分析，由上述分析可知卫星资料反演的液态水含量在宁夏各地区的差异不大，因此选择典型的站点（六盘山西侧隆德站点）作为代表来分析宁夏人影作业潜力。挑选出隆德站有降水时的小时降水资料与卫星反演的小时液态水含量，按照液态水含量降水效率计算公式进行计算，得到液态水含量降水效率有效样本217 个。经分析得出，宁夏云液态水的降水效率为53.9%，人工增雨的潜力为46.1%。分季节来看，夏季云液态水降水效率最大为56.8%，其次为秋季和春季，分别为54.3%和54%，最小的为冬季，云液态水降水效率为52%。从月变化来看，从1 月—12 月，云液态水降水效率分别为49.8%、50.8%、53.4%、53.9%、54.8%、54%、52%、65.1%、55.6%、50.1%、59.7%、77%。由此可见，宁夏冬春季人影作业潜力高于夏秋季，1—4月人影作业潜力大于其它月份，因此，宁夏应该加大冬春季人工增雨雪作业力度，更加高效开发空中云水资源。