结合MODIS云产品的黑龙江省2015年人工增雨潜力研究

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  摘要[目的]研究2015年黑龙江省人工增雨潜力的时空分布。[方法]利用再分析资料计算降水转化率,并通过结合MODIS卫星云产品,从人工增雨的微物理条件出发进一步研究了黑龙江省2015年春季和秋季的增雨潜力。[结果]在春季的松嫩平原大部分地区以及秋季的松嫩平原与三江平原大部分地区,降水量和降水转化率均较小,存在一定的增雨潜力;春季,松嫩平原北部和三江平原中部存在适宜进行暖云催化增雨的区域;秋季,从松嫩平原北部至三江平原西侧存在许多适宜暖云催化增雨的区域,同时在松嫩平原北部与三江平原西侧的局部地区存在适宜冷云催化增雨的区域。[结论]该研究可为科学合理开展人工增雨规划及作业提供依据。
  关键词人工增雨潜力;降水转化率;MODIS;云微物理;黑龙江省
  中图分类号S423+.9文献标识码A文章编号0517-6611(2017)11-0171-05
  Abstract[Objective] The research aimed to study the temporal and spatial distribution of artificial precipitation potentiality in Heilongjiang Province in 2015.[Method] The precipitation conversion rate was calculated by using the reanalysis data. The potential of rainfall in spring and autumn of Heilongjiang Province in 2015 was further studied by combining the MODIS satellite cloud product and the microphysical conditions of artificial rainfall.[Result] In most parts of Songnen Plain in spring and in Songnen Plain and most of the Sanjiang Plain in autumn, the precipitation and conversion rate of precipitation were small, and there was some potential for increasing rainfall.In spring, there were areas suitable for warm cloudy catalytic enhancement precipitation in the northern part of Songnen Plain and the middle part of the Sanjiang Plain.In autumn, there were many areas suitable for warm cloudy catalytic enhancement precipitation from the northern part of Songnen Plain to the western part of Sanjiang Plain. At the same time, there were areas suitable for cold cloudy catalytic enhancement precipitation in the northern part of Songnen Plain and the western part of Sanjiang Plain.[Conclusion] The study provides a basis for scientific and reasonable planning and operation of artificial rainfall.
  Key wordsArtificial precipitation potentiality;Precipitation conversion rate;MODIS;Cloud microphysics;Heilongjiang Province
  人工增雨是開发空中水资源、解决水资源紧缺与保障生产的重要手段之一,对人工增雨潜力的充分研究是科学合理开展人工增雨规划及作业的必要前提。黑龙江省作为我国重要的商品粮基地,其水资源的重要性不言而喻,因此开展针对黑龙江省的人工增雨潜力研究是非常必要的。
  针对云水资源开发和增雨潜力的研究有多种途径,如齐彦斌等[1]对东北冷涡云系开展的飞机穿云观测试验、洪延超等[2]利用数值模式对层状云增雨潜力开展的理论研究。而在国内针对区域性增雨潜力的研究中,更多的是采用基于观测数据的统计变量来表征增雨潜力的时空分布,如以CWR-PEP评估法统计量[3-4]或降水转化率[5-7]的大小来表示增雨潜力,针对黑龙江省也曾有过这类研究[8]。但这2种统计变量均存在一定的局限性。其中CWR-PEP法统计量通常主要基于理论估计的10%~15%增雨效率和地面降水计算得到,降水转化率则通常以整层大气可降水量和地面降水的比值计算得到,然而就目前切实可行的业务化增雨手段而言,人工增雨作业仍然是在适宜的条件下以人为改变云水的微物理特性及其变化过程为主要增雨手段[9],事实上,在不同的云微物理条件下,既无法保证一定有10%~15%的增雨效率,也无法确保整层大气可降水量一定可以转化为地面降水。因此,在研究区域性的增雨潜力时对该地区的云微物理特性进行讨论是非常有必要的。
  近年来,卫星遥感技术的发展为云水资源时空分布及其微物理特性的研究提供了极大的便利[10-12],宋松涛等[13]利用国际卫星云计划(ISCCP)中卫星反演的云水路径数据(大气柱中单位面积液态或固态水含量的总和)研究了西北地区的云水资源时空分布,林丹[14]利用MODIS卫星云产品分析了西南地区的云水特征,其中MODIS卫星3级云产品中提供并区分了液相和冰相2种相态的云水路径、粒子平均尺度以及粒子尺度标准差等可以反映云微物理特性的反演量。笔者在利用降水转化率对增雨潜力进行初步讨论的基础上,利用上述MODIS卫星云产品所表征的云微物理特性对增雨条件做出进一步分析。   1资料与方法
  选取欧洲中心ERA-Interim再分析数据集中0.5°×05°分辨率的2015年逐月的月累计降水和月均气柱内总含水量来表征黑龙江省2015年的降水及水汽条件情况,并选取MODIS卫星3级产品中的月平均云产品(1°×1° 格点产品),利用其中的液相和冰相云水的云水路径(反映含水量)、粒子平均尺度、粒子尺度的标准差(反映粒子尺度均匀性)来表征黑龙江省2015年云水部分微物理特性的时空分布。
  在计算降水转化率时,由于气柱内总含水量和整层大气可降水量在定义上是相同的,因此可按公式(1)计算出降水转化率。需要指出的是,降水转化率本身并非是一个与实际物理过程相对应的计算量,首先其分子是瞬时状态量而其分母是累计量,其次其不能体现水汽及降水系统的输送影响,但如果对其进行较长时间的平均,则其至少可以在一定程度上反映水汽向降水转化在空间分布上的差异。因此文中讨论的对象除地面降水外均为各个变量的季节平均量。
  降水转化率=日均整层大气可降水量1地面24 h累计降水(1)
  在分析云微物理特性与增雨潜力的关系时,不同类型的人工增雨作业所需要的云微物理条件不同,因此在利用MODIS云产品分析增雨潜力时应更有针对性地对液相和冰相的含水量、粒子平均尺度等反演产品与不同类型增雨条件的关系进行讨论。除催化释放潜热所带来的动力效应外,目前按照增雨催化剂种类可大致将增雨类型分为暖云催化和冷云催化[9]。其中暖云催化主要针对有一定液态含水量且云水粒径较为均匀的云,这类云中由于云滴的碰并过程很弱导致云滴增长很慢,这时通过人工播撒吸湿性盐核,可使云中迅速形成大滴并加速碰并过程,进而促进降水的产生。而冷云催化主要是通过播撒人工冰核或制冷剂使过冷水层中迅速产生人工冰晶,根据冰晶效应(贝吉龙)的原理,过冷云中水面饱和水汽压大于冰面饱和水汽压,导致云中的过冷水不断消耗,并使冰晶不断增长,进而加速启动冷云降水过程,其必要条件是有一定的过冷水和缺乏冰晶。但MODIS云产品并不能在垂直方向上分辨云水分布,即不能给出过冷水含量,因此这里只能利用已知试验进行推论,根据封闭系统中的冰水转化规律[9],冰晶和水滴的数密度比越小即冰晶相对水滴数量越少时,冰晶最终的尺度及所需增长时间均越大或越长,由此推论到卫星观测及反演的情况,当有一定过冷水含量但冰晶数量少时,应能观测到冰相水含量较少但冰相粒子尺度不均匀的情况。需要指出的是,上述變量虽然暂时无法找到精确的阈值进行定量判别,但在进行季节平均后,可以根据各个变量在空间分布上的相对大小进行分析。综上所述,将MODIS云产品能够反映的适宜增雨的微物理条件归纳为表1。
  22015年黑龙江省降水量及转化率
  2.1年降水量概况黑龙江省山地与平原交错分布(图1a),其中西南的松嫩平原和东部的三江平原为主要的农牧产区,从西北延伸至中部的小兴安岭以及南部的张广才岭和老爷岭山区则为主要的林业产区。从全年累计降水(图1b)来看,黑龙江省2015年降水量为400~850 mm,其中从西北延伸至中南部的山区降水相对充沛,局地有700 mm以上的大值中心,而平原地区降水相对较少,三江平原西北部分地区及松嫩平原的大部分地区当年降水均不足550 mm,松嫩平原南部部分地区当年降水不足450 mm。
  (b)从黑龙江省各季节的月均降水量(图2)来看,2015年黑龙江省降水的季节差异很明显,全省境内夏季月均降水量均在90 mm以上,而冬季(1、2、12月)全省月均降水量不足20 mm,春秋两季降水介于冬夏两季之间且整体偏少。其中春季松嫩平原大部分地区和秋季自松嫩平原到三江平原的大部分地区降水量均相对较少,月均降水量均小于30 mm。因此针对黑龙江省西南和东部2个平原地区的增雨潜力应重点讨论。
  2.2各季节的降水转化率从图3可看出,2015年黑龙江省各个季节的降水转化率为0.05~0.30。在春季与秋季降水相对较少的2个平原地带,降水转化率与全省相比也相对较小,转化率低值中心不足0.10,相比于其他地区0.15以上的降水转化率,上述平原地带在春秋两季仍然具有相当的增雨潜力。鉴于冬夏两季降水转化率空间分布相对均匀且当年夏季降水充沛,冬季降水极少,在下文中主要针对黑龙江省春季和秋季上述相应平原地区的云微物理特征及增雨条件展开讨论。
  45卷11期赵丽斌结合MODIS云产品的黑龙江省2015年人工增雨潜力研究32015年黑龙江省云水的微物理特征及增雨条件分析
  3.1春季云微物理特征由当年春季平均的液态云水含量(图4a)可见,松嫩平原自西南向东北有一由少到多的液态云水含量的变化梯度(80~140 g/m2),其与该区春季降水量及降水转化率均存在一定程度上的空间趋势一致性,其西南部的转化率和液态云水含量同时较小,表明水汽并没有大量在此凝结为云水,因而春季松嫩平原并非大部分地区都适宜
  进行暖云催化。而在松嫩平原北部(47°~48° N、125°~126° E),存在具有一定液态云水含量(120 g/m2左右)、液相云粒子尺度较小(11.5 μm左右)、液相粒子尺度标准差较小(4.5 μm以下)的区域(图4a、c、e),在一定程度上符合表1所示的增雨微物理条件,表明春季松嫩平原北部存在适宜进行暖云催化的区域。而在三江平原中部同样也存在液相粒子尺度较小且标准差较小的区域,且该区域的液态云水含量较松嫩平原更大(140 g/m2以上),因此春季三江平原中部虽然降水转化率已达到全省平均(0.15左右),但仍然有继续通过暖云催化增雨的潜力。而从春季云水的冰相微物理特性(图4b、d、f)来看,并没有明显符合表1中所述的具有一定液水含量、冰相水含量较少且冰相粒子尺度标准差大的区域,因而并未发现春季全省境内有适合冷云催化的区域。
  3.2秋季云微物理特征从秋季平均的液态云水含量(图5a)来看,黑龙江省南部从西向东同样存在着与降水量及降水转化率小值区相对应的液态云水含量较小的区域,即并非整个南部地区均存在适宜增雨的云水条件,但在松嫩平原北部、三江平原东西两侧以及黑龙江省中部到南部的山区仍然存在具有一定液态云水含量(120 g/m2及以上)的区域,且从松嫩平原北部至三江平原西侧(47°~48° N、125°~130° E)以及三江平原东部偏南区域存在着许多同时符合液态云水粒子尺度较小且液态云水粒子尺度标准差较小的局地性区域(图5c、e),表明秋季这些区域符合暖元催化增雨的微物理条件。而从秋季平均的冰相微物理特征(图5b、d、f)来看,在上述具有一定液态云水含量的松嫩平原北部和三江平原西侧冰相云水含量较少(小于170 g/m2)且冰相粒子尺度标准差较大(大于8.5 μm),推断这些区域很可能是有一定过冷水而缺乏冰晶的区域,因此很可能符合冷云催化的微物理条件并具有冷云催化增雨潜力。   4小结
  利用欧洲中心再分析数据并结合MODIS卫星云产品,先后从降水转化率和云水的微物理特征入手,对2015年黑龙江省不同季节的增雨潜力进行了研究,主要结论如下:
  (1)在春季的松嫩平原大部分地区以及秋季的松嫩平原与三江平原大部分地区,降水相对全省而言均偏少,同时这些地区的降水转化率也较小,表明在这些相对干旱的平原地带仍然存在一定的增雨潜力。
  (2)根据MODIS云产品中与云微物理特性有关的参量分析,在春季,松嫩平原北部和三江平原中部存在适宜进行暖云催化增雨的区域,但并没有适合冷云催化增雨的区域。在秋季,从松嫩平原北部至三江平原西侧存在许多适宜暖云催化增雨的区域,同时在松嫩平原北部与三江平原西侧的局部地区存在适宜冷云催化增雨的区域。
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