水汽“吸收再发射模型”的解释与应用

武冰路 隋晓霞

（中国气象局气象干部培训学院河北分院 河北 保定 071000）

水汽图像，也称水汽云图，是气象卫星上6.2～7.3μm通道测得的辐射数据转化成的灰度图像.自从1977年欧洲空间局的第一颗静止气象卫星（METEOSAT-1）首次使用水汽通道以来，由它获得的水汽分布图和反演出的水汽含量，为研究大气的运动提出了新的手段，从而受到各国气象卫星研究和工作者的重视.随着探测技术和判读能力的提高，卫星水汽图像越来越显示出它的作用和价值，其中反演的卫星风不仅在数值天气预报模式同化中受到重用，而且在天气分析和预报中得到许多应用（许健民等，2006）.但是实际业务工作中，水汽图像的使用率远低于可见光和红外图像，原因之一是天气预报员对水汽图像基本原理理解不清，导致无法准确地解释水汽图像的含义.因此，将水汽图像基本原理进行简明直观的解释，是授课教师必须解决的关键问题.本文使用概念模型形象直观地用大气辐射理论对水汽图像应用原理做出科学的解释，为水汽图像的广泛应用夯实理论基础.

1 吸收再发射模型

在6.7μm通道上卫星接收到的辐射能一部分来源于地面，一部分来源于大气中的水汽，它的公式表示为

上式中，等式左边表示卫星接收到的辐射能，等式右边第一项表示卫星接收到的地面发射的辐射能，等式右边第二项表示卫星接收到的大气中的水汽发射的辐射能.

由于以6.7μm为中心的吸收带是水汽的强吸收带，在这个通道内，悬浮在大气中的水汽会吸收一部分来自下层的辐射，同时自身也会向上发射辐射，这就是水汽对辐射的吸收再发射作用.为了更容易理解水汽的吸收再发射过程，可采用“吸收再发射模型”加以说明.如图1所示，首先将垂直的大气分为高、中、低3个层次，图中垂直黑线的宽度表示辐射能的大小.下面分析辐射通过大气层到达卫星的过程中经历了哪些变化.

图1 水汽对辐射能的吸收再发射作用模型

假设地面发射的辐射能为A0，它被低层大气中的水汽吸收后衰减为A1，被中层水汽吸收后衰减为A2，又被高层水汽吸收后衰减为a.a就是卫星接收到的地面所发射的被水汽层层吸收后的辐射能.同理，低层大气中的水汽也会根据自身温度发射一定的辐射能B1，被中层和高层水汽吸收后衰减为b，最终被卫星接收.中层水汽发射的辐射能C2被高层水汽吸收后衰减为c；高层大气发射的辐射能d基本全部到达卫星.最终，卫星能接收到的辐射能L=a+b+c+d.根据普朗克定律将该辐射能计算出温度，就是水汽图像上的亮温.亮温的大小反映的是水汽通道上卫星接收到的辐射能的多少.

2 影响水汽通道辐射能大小的因子

根据上面的分析可以看出，在水汽通道上卫星接收到的辐射能受多种因素影响.一般而言，影响因子包括地面和大气中水汽的温度、整层大气中的水汽总量，水汽在垂直方向的分布情况.

由于黑体的辐射能与其温度的四次方成正比，因此，地面和大气的温度对水汽图像上的亮温有影响.整层大气中的水汽总量直接影响地面的辐射被吸收了多少，假如水汽在垂直方向上是均匀分布的，那么大气中水汽含量越多，卫星接收到的辐射能越少，反映在水汽图像上色调越白，这些并不难理解.

然而实际大气中，水汽在垂直方向上的分布十分不均匀，大部分水汽集中在对流层中低层，随高度迅速减少，到平流层水汽含量已经十分稀少，到底哪一个高度上的水汽吸收率最大，在卫星接收到的辐射能中所占的权重最高？Weldon等人将不同的水汽分布条件输入“RADCO M”模式［1］，并将结果数据画到同一幅图中，如图2所示.

图2 16种水汽垂直分布及亮温叠加图

将16种水汽垂直情况分布图，分成4组，水汽分别仅存在于高层（300～200 hPa）、中层（350～450 hPa）、低层（650～750 hPa）和边界层（900～1 000 h Pa），其他地方没有水汽.图中影线柱表示不同的湿度大小，影线柱上的数字是露点温度差，影线宽度表示常定温度露点差的相对湿度，长度表示常定温度露点差的湿层厚度.图顶数字表示6.7μm通道下星测亮温；带横线的原点表示“等效气压”，指的是气温等于亮温的等压面.图底数字是各组亮温的平均值.

首先，以小组为单位进行比较后发现，从边界层到中层，随着湿层的抬升，图底部的数字显示各组平均亮温值逐渐减小，分别是-2.5℃，-10.35℃，-16.55℃.当水汽仅存在于高层时，由于相同的相对湿度下，高层水汽含量少，因此，地面上大部分辐射能可以透过水汽到达卫星，致使其平均亮温为-6.55℃.

对比小组内部数据发现，对流层中层（350～450 hPa）水汽饱和程度的不同会引起亮温巨大的变化，如温度露点差为2℃（接近饱和状态）时亮温为-21.4℃，温度露点差为15℃（非常干燥）时亮温为-11.1℃，两个条件下亮温差为10.3℃，反映在水汽图像上为非常明显的明暗对比；反之，低层（650～750 hPa）和边界层（900～1 000 h Pa）水汽饱和程度变化导致亮温差异变化较小：低层接近饱和状态与非常干燥状态的亮温差为1.8℃，边界层接近饱和与非常干燥状态的亮温差为0.3℃.由此可知，在其他条件相同时，对流层中层的水汽含量对卫星接收到的辐射能影响最大，而低层和边界层的水汽含量对卫星接收到的辐射能影响很小.因此可以推断，水汽图像上色调差异主要反映了对流层中高层水汽的多少：色调越白，表示对流层中层水汽越接近饱和；色调越黑，表示对流层中层水汽越接近干燥.

3 水汽图像在大气运动中的解释应用

由热力学第一定律可知，在干绝热过程中，气团上升冷却膨胀，下沉压缩增温.因此，大气中的水汽接近饱和代表此时空气中有上升运动，大气非常干燥代表此时空气中有下沉运动.在水汽图像上反映为，水汽图像色调越白亮，代表该处上升运动越明显，水汽图像越黑暗，代表该处下沉运动越强烈.

以2018年6月4日08：00的水汽图像为例，图3（a）显示，在120°E的经线上，40°～50°N色调暗黑，亮温高，30°～40°N色调偏白，亮温低；图3（b）将120°E，50°～30°N的垂直运动与水汽亮温值叠加，发现在40°～50°N处对流层中层垂直运动速度为正值，颜色为绿色，有下沉运动；30°～40°N处对流层中层垂直运动速度为负值，颜色为红色，代表有上升运动.

图3 水汽图像

该例印证了水汽图像亮温大小与对流层中层垂直运动有较好的对应关系，因此，在实际天气预报与分析过程中，卫星水汽图像可以作为实时监测对流层中层垂直运动的一种实用的手段.

4 结论

通过上述对水汽图像的原理及图像解析，我们可以得出以下结论：

（1）水汽图像表示的是6.7μm通道上整层大气的辐射亮温，并非水汽的含量，因此水汽图像无法判别大气中的可降水量.

（2）水汽图像上色调的亮暗可以较大程度地反映水汽的垂直分布状况.色调黑暗，代表对流层中层水汽较少；色调较白代表对流层中层水汽较多.

（3）水汽图像色调的亮暗与大气的垂直运动有很好的对应关系，水汽图像色调偏白，代表对流层中层有上升运动；色调黑暗，代表对流层中层有下沉运动.因此，在实际天气预报与分析过程中，卫星水汽图像可以作为实时监测对流层中层垂直运动的一种实用的手段.

需要明确的一点是，卫星水汽图像具有非常明显的优点，它时空分辨率高，覆盖面广，是常规探空资料的必要补充，但同时具有非常强的局限性，水汽图像作为二维的平面图像，用它反演三维的水汽垂直分布及大气垂直运动，必然不能非常完全准确地反演出来，有时须借助其他的资料来共同解决这个问题.总之，对水汽图像的认识需建立在全面客观的基础上才能发挥其最大的作用.

致谢

感谢北京大学物理学院陶祖钰教授对本文的指导.