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第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.41 No.1February，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology基于微波辐射计资料的祁连山东段大气水汽和液态水时空变化特征把黎1，2，奚立宗1，蔡迪花3，庞朝云1，张鑫海4，尹春5（1.甘肃省人工影响天气办公室，甘肃 兰州 730020；2.中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京 100081；3.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州 730020；4.甘肃省永登县气象局，甘肃 永登 730300；5.甘肃省气象服务中心，甘肃 兰州 730020）摘要：气候变暖背景下全球干旱风险升高，而对气候变化高敏感的中国西北干旱半干旱区尤为突出，严重制约着区域经济的可持续发展，科学开发空中云水资源是解决该区域水资源短缺的有效途径。利用甘肃永登国家气象观测站地基多通道微波辐射计资料和常规气象观测资料，研究祁连山东段大气水汽和液态水的时空分布及不同性质降水前演变特征。结果表明：（1）受大气环流、地形、边界层及局地和区域天气气候条件等多因素影响，祁连山东段98%以上的水汽集中在6.0 km以下，大气水汽密度随高度下降，液态水含量则随高度先增后减。降水天气背景下，水汽密度及液态水含量明显增大，且液态水含量最大值出现高度有所降低。（2）水汽及液态水存在明显的季节变化，夏季大气可降水量远大于冬季，夏季液态水垂直伸展高度及最大值出现高度均大于冬季。（3）水汽及液态水日变化明显，且存在季节差异。水汽日峰值出现在下午至傍晚，谷值出现在清晨至中午；夏半年峰值及谷值出现时间较冬半年迟，且峰谷值变化幅度更大。液态水垂直伸展高度白天高于夜间，且夏半年垂直分布较冬半年深厚。（4）大气可降水量存在1020 d和8 d左右的主周期，夏、秋季47 d和2132 d的周期变化也比较明显。（5）不同类型降水前水汽及液态水均存在跃增现象，但跃增量、跃增时间及高度存在差异。其中，78月积层混合云降水前跃增时间最早，积云降水前跃增量最大、跃增高度最高，而暖云降水前跃增高度明显偏低。关键词：大气水汽；大气液态水；祁连山东段；时空分布；微波辐射计文章编号：1006-7639（2023）01-0064-09 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0064中图分类号：P426 文献标志码：A引 言气候变暖背景下全球干旱风险升高（Huang et al.，2016）。作为气候变化高敏感区域，近年来中国干旱半干旱区显著扩张，干旱灾害发生频次和强度均呈增加趋势（姜江等，2017）。由干旱造成的区域水资源短缺、植被退化、土地荒漠化和空气环境质量恶化等一系列问题，严重威胁着粮食和生态安全，已成为制约区域经济可持续发展的重要因素之一（张强等，2020）。祁连山地处西北干旱半干旱区腹地，是我国重点生态功能区中“水源涵养重要区”和流域“山水林田湖草”系统的生命之源，而空中云水资源是该地区水资源持续利用的重要来源（李新等，2019），通过人工增雨（雪）技术开发云水资源以增加地表水是解决区域水资源短缺科学而有效的途径（Zhou et al.，2020），其中大气水汽及液态水作为水循环的中间环节是催化作业最主要的指标之把 黎，奚立宗，蔡迪花，等.基于微波辐射计资料的祁连山东段大气水汽和液态水时空变化特征 J.干旱气象，2023，41（1）：64-72，BA Li，XI Lizong，CAI Dihua，et al.Spatial and temporal variation characteristics of atmospheric water vapor and liquid water in eastern section of the Qilian Mountains based on microwave radiometer data J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（1）：64-72，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0064收稿日期：2021-07-22；改回日期：2022-02-07基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFC1510302）、第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK010405）、甘肃省自然科学基金项目（21JR7RA711）、甘肃省气象局十人计划项目（2122rczx-十人计划-05）及甘肃省气象局科研项目（Ms2022-21）共同资助作者简介：把黎（1990），女，甘肃兰州人，工程师，主要从事人工影响天气工作。E-mail:。通信作者：奚立宗（1978），男，河北沧州人，高级工程师，主要从事人工影响天气工作。E-mail:。第 1 期把黎等：基于微波辐射计资料的祁连山东段大气水汽和液态水时空变化特征一（洪延超和雷恒池，2012）。因此，了解祁连山区域大气水汽、液态水的分布和演变规律对于识别作业潜力区和作业时机，从而科学实施人工增雨（雪）作业，缓解区域干旱、促进区域经济和生态环境可持续发展意义重大。作为一种被动遥感仪器，地基微波辐射计具有探测精度及时空分辨率高、受云雾影响小、穿透力强、长时间连续观测等优点，是探测大气水汽及液态水的有效手段（郭学良等，2013；Temimi et al.，2020）。近年来，随着微波辐射计硬件系统的改进及反演算法的提升，获取的降水天气下大气水汽和液态水廓线准确度明显提高（刘晓璐等，2019；Cadeddu et al.，2020；邹倩等，2022）。研究表明，受大气环流、地形、边界层及局地和区域天气气候条件等多因素影响，大气水汽及液态水呈现明显的季节与日变化特征，且存在地域性差异（韩芳蓉等，2017；黄建平等，2010；梁宏等，2010；王健等，2011；李金辉等，2022）。因此，有必要在祁连山区开展大气水汽及液态水的精细化定量分析，这对深入认识区域天气特点和开发空中云水资源有重要意义。此外，大气水汽及液态水的时空变化迅速，可反映天气过程中快速变化的云微物理特征（Adams et al.，2015），它们在降水前存在跃增现象，且在不同地区和不同降水类型下跃增开始时间、高度及演变特征存在差异（Calheiros and Machado，2014；汪小康等，2016；徐桂荣等，2019）。研判不同性质降水前大气水汽和液态水跃增开始时间及高度对于祁连山区精细化增雨（雪）作业有重要参考价值。过去基于外场试验获取的探空资料、卫星反演及机载探测数据，开展的祁连山大气水汽及液态水分布和演变规律研究取得了一些进展（郑国光等，2011；丁晓东等，2012；程鹏等，2021），但因资料的时空分辨率不够理想，尤其是不同性质降水背景下廓线特征无法满足精细化的增雨（雪）业务需求。依托西北人影能力建设项目，祁连山东段甘肃永登地区于2019年9月布设了一台多通道地基微波辐射计，并开展连续观测。本文基于 2019 年 9 月至2021年5月永登地区地基微波辐射计资料，结合常规观测资料和探空资料，分析祁连山东段不同天气背景、降水强度下大气水汽及液态水时空分布特征，研判增雨作业指标，为准确识别作业条件和科学实施催化作业提供一定参考。1资料及精度检验使用了兰州大学与中国兵器工业第206研究所共同研发的MWP967KV型地基微波辐射计2019年9月至2021年5月永登地区连续观测资料和同期永登国家气象观测站地面逐小时降水观测资料，时间均为北京时。MWP967KV型地基微波辐射计布设在永登国家气象观测站（103.25E、36.75N，海拔高度 2 119 m），观测要素包括大气可降水量（Precipitable Water Vapor，PWV）、液态水路径（Liquid Water Path，LWP）、水汽密度（Vapor Density，VD）及液态水含量（Liquid Water Content，LWC）。MWP967KV型地基微波辐射计配备的低温黑体辐射源与主机内部集成的常温黑体辐射源配合，对系统进行冷热法绝对定标，可满足气象观测和人工影响天气探测的长期高精度工作要求。该仪器有35个探测通道，包括K频段（2230 GHz）和V频段（5159 GHz）高性能的毫米波接收装置，亮温测量范围为0400 K，测量精度0.5 K，并利用历史探空资料计算的亮温值作为输入参数，通过人工神经网络算法进行学习训练，实现对大气温湿廓线实时、连续反演。该辐射计输出廓线在垂直方向分为58层，其中地表至500 m高度的分辨率为50 m，5002 000 m高度的分辨率为100 m，210 km高度的分辨率为 250 m；时间分辨率为 2 min（雷连发等，2014）。另外，选取同期距永登站最近的榆中探空站观测资料，来检验 MWP967KV 型地基微波辐射计观测资料的精度。两地相距 100 km，且同处于祁连山东段边坡的干旱半干旱地区，气候背景及大气层结相似。从图 1 看出，微波辐射计与探空观测的PWV 平均偏差为 0.2 cm，标准差为 0.3 cm，相关系数达 0.86，二者数值接近且相关性极高，因此用微波辐射计资料研究祁连山东段大气水汽含量是可行的。图1微波辐射计与探空观测的PWV对比Fig.1The comparison between observed PWV by microwave radiometer and radiosonde6541 卷干旱气象2祁连山东段大气水汽和液态水时空分布2.1月际变化鉴于降水对大气水汽及液态水的影响，将观测时段内天气背景分为降水日和无降水日，以20：00为节点统计。图2为不同天气背景下祁连山东段大气可降水量和液态水路径的月际变化。由图2（a）看出，祁连山东段大气可降水量存在明显的单峰型月际变化，月峰值、谷值分别出现在7月和2月，夏季PWV（占全年46%）远大于冬季（占全年8%），且降水日 PWV 月均值大于无降水日；夏半年（49月）PWV 离散度大于冬半年（10 月至次年 3 月）。LWP的月际分布特征 图2（b）与PWV基本一致，除 1 月和 11 月外，降水日 LWP 大于无降水日。与PWV相比，LWP的离散度更大，尤其在春、秋两季。从VD与LWC垂直廓线分布（高度为距地高度，下同）的季节变化（图3）来看，祁连山东段水汽密度随高度快速下降，近地面VD最大，98%以上的水汽分 布 在 6.0 km 高 度 以 下，6.0 km 以 上 VD 接 近0.0 gm-3且变化不大；在各高度层，降水日的VD均大于无降水日，二者差异主要表现在2.0 km以下的低层，低层降水日 VD 下降速率大于无降水日，在2.0 km高度处VD迅速下降至不足地面的1/2。同样地，VD也具有明显的季节变化，夏季最大、冬季最小，近地面VD在夏季降水日可达9.0 gm-3，而在冬图3无降水和降水天气下祁连山东段VD和LWC垂直廓线的季节变化Fig.3Seasonal variation of vertical profiles of vapor density and liquid water content in eastern section of the Qilian Mountains under no-precipitation and precipitation weathers图2无降水和降水天气下祁连山东段PWV（a）和LWP（b）的月际变化Fig.2Monthly variation of precipitable water vapor（a）and liquid water path（b）in eastern section of the Qilian Mountains under no-precipitation and precipitation weathers66第 1 期把黎等：基于微波辐射计资料的祁连山东段大气水汽和液态水时空变化特征季无降水日不足1.5 gm-3，近地面降水日与无降水日VD差异在春季最大。