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半干旱地区大气水汽含量反演分析

杨瑞鸿等

摘要 利用SACOL站2006年7月至2007年4月的CE-318型太阳光度计晴空日观测资料及同期降水资料，研究了半干旱地区大气水汽含量及降水转化率，结果表明：半干旱地区大气水汽含量夏季最高，秋季次之，冬春季最小；四季典型晴空日大气水汽含量变化为夏季最剧烈，秋季次之，冬、春季最小；夏、冬季具有人工增雨（雪）的潜力，7月、8月、12月、2月进行人工增雨（雪）最为适宜，合理开发云水资源对后期及次年的农业生产和生活有很大影响。
关键词 半干旱地区；大气水汽含量；反演；降水转化率
S126；P481 A 1007-5739（2015）01-0252-03
Abstract Based on the clear sky observation data and precipitation data of CE-318 sun photometer between July，2006 and April，2007，the atmospheric water vapor content and the precipitation conversion of semiarid region were studied.The results showed that the highest atmospheric water vapor content was in summer，the second was autumn，winter and spring were minimal.The day of atmopsheric water vapor content changed in the four seasons：the most violent was summer，the second was autumn，the winter and spring were minimal.The spring and winter had the potential of artificial precipitation（snow）enhancement，the best time of artificial precipitation（snow）enhancement were July，Auguest，December and February，rational development of cloud water resources had great effect on late and the following year agricultural production and living.
Key words semiarid region；atmospheric water vapor；retrieval；precipitation conversion efficiency
水汽是大气中最活跃的成分，不仅在全球变暖的过程中充当了温室气体的重要作用，还是天气和气候变化的主要驱动力，是预测全球气候变化及降雨、中小尺度灾害性天气的一个重要参量。
目前，大气水汽监测的手段主要有无线电探空仪、微波辐射计、红外卫星遥感、GPS遥感等。除GPS遥感以外的探测手段虽然能获得较高的水汽精度，但存在运行费用较高、设备原件对环境的要求严格、时空分辨率低等缺陷，GPS虽然弥补了这些观测手段的不足，但其定位精度有待于进一步提高[1]。使用太阳光度计反演大气水汽含量是地基观测中一种新的方法，其太阳跟踪精度和时间分辨率较高，其936 nm通道测得的太阳辐射数据可以反演大气水汽含量。Thome等[2]总结了许多科学家利用水汽吸收率与水汽量的关系反演水汽量的工作。Reagan等[3]采用改进的兰勒法反演了大气水汽含量，为利用太阳光度计936 nm通道的观测数据反演大气柱水汽总量提供了基本理论和方法。近年来，国内利用太阳光度计反演大气柱水汽总量的研究有不少成果[4-6]。但这些研究主要集中在中东部地区，而对半干旱地区的研究较少，同时半干旱地区是气候变化的敏感区，随着全球气候加剧变暖，缺水日益严重，合理开发空中水资源对半干旱地区缺水有一定缓解作用。大气水汽含量是产生大气降水的必要条件，要合理开发空中水资源，必须对大气水汽含量进行一定研究。
本文采用兰州大学半干旱气候与环境观测站太阳光度计晴空观测资料，采用改进的兰勒法反演出大气水汽含量，开展对半干旱地区大气水汽含量研究，对于半干旱地区农业生产区及生态区人工增雨（雪）作业具有科学的指导作用。
1 资料来源与方法
1.1 资料来源
兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL站）地理坐标为北纬35.946°，东经104.137°，属于典型的温带半干旱气候。因此，利用该站点太阳光度计反演的大气水汽总量能代表方圆数百千米半干旱地区的大气水汽状况。资料为SACOL观测站2006年7—12月和2007年1—4月的CE-318型太阳光度计晴空日观测资料及同期降水资料。
1.2 改进的兰勒法
由于地面测得的太阳辐射信号在936 nm附近水汽吸收带不符合比尔定律，依据Bruegge等和Halthore等的研究，水汽透过率用2个参数表达式来模拟：
Tw=exp（-awb）（1）
式（1）中，Tw是通道上的水汽平均透过率，w是大气路径水汽总量，a和b是常数，分别为0.585和0.573。
在936 nm水汽吸收通道，太阳光度计通过大气到达地面的太阳直射辐射度的响应可表示为：
V=V0R-2·exp（-mτ）·Tw（2）
式（2）中，V为太阳光度计的电压输出，V0为大气外界的电压输出，R为测量时刻的日地距离校正量，m为大气质量数，Tw为水汽平均透过率，τ是Rayleigh散射和气溶胶散射光学厚度之和。将（1）式代入（2）式同时两边取对数：
lnV+mτ=ln（V0R-2）-ambPwb（3）
在稳定和无云的大气条件下，以mb为X轴，以lnV+mτ为Y轴画直线，Y截距为ln（V0R-2），斜率为-aPwb，从而求出大气水汽含量。
2 结果与分析
2.1 半干旱地区大气水汽总量月变化
图1为半干旱地区2006年7月至2007年4月大气水汽含量月变化情况。从图1中可以看出，2006年7月至2007年4月半干旱地区大气水汽含量月均值分别为2.08、1.90、1.44、0.92、0.730.39、0.29、0.46、0.71、0.81 g/cm2，呈现出季节变化特征，夏季最为丰富，秋春季次之，冬季最少，这是由于半干旱地区夏季受东亚季风环流和青藏高原的影响，春季地面温度开始从0 ℃以下升高至0 ℃以上，积雪开始融化，土壤解冻[6-7]。
2.2 半干旱地区不同季节典型晴空日大气柱水汽总量的日变化
半干旱地区四季典型晴空日大气水汽含量日变化情况见图2。从图2中可以看出，半干旱地区四季晴空日大气水汽总量的日变化总体为夏季最为剧烈，秋季次之，冬春季最小，主要由于太阳辐射的季节变化造成[8]；春季水汽含量的日变化范围为0.47～0.53 g/cm2；夏季水汽含量日变化范围为0.75～1.26 g/cm2，呈现出中午前后低、早晚高的特征，原因为中午前后的太阳照射较强；秋季水汽含量日变化范围为0.57～1.00 g/cm2，呈现出早晨低、晚上高的缓慢渐变特征；冬季水汽总量日变化范围为0.11～0.17 g/cm2，呈现出中午前后稳定，早晨和晚上轻微变化的特征，原因可能为半干旱地区冬季全天逆温层形成的变化和气溶胶的加热效应所引起[7，9]。
2.3 半干旱地区降水转化率月变化
大气可降水量是指单位面积内从地表到大气顶层气柱内水汽全部凝结所能形成的降水量，是评价空中云水资源的一个重要物理量[10-11]。图3为半干旱地区2006年7—12月及2007年1—4月的大气水汽总量月均值、月降水量与月降水转化率，从图3中可以看出半干旱地区月降水转化率秋季最高，其中10月最高，为14.4%；夏季7—8月大气水汽含量虽然较高，但降水转化率较低，其中7月最低，为0.87%；冬季大气柱水汽含量和降水转化率最低；春季降水转化率相对夏、冬季较高，相对秋季较低。同时，可以看出半干旱地区大气水汽含量变化与降水量变化不成正比，说明降水还与水汽、动力抬升和不稳定量有关[4]。以上讨论说明半干旱地区夏、冬季具有人工增雨（雪）的潜力，7月、8月、12月、2月是人工增雨（雪）最佳月，1月虽然降水转化率较低，但人工增雪的水汽条件很差，合理开发云水资源对后期及次年的农业生产和生活有很大的影响。
3 结论
（1）半干旱地区大气水汽含量夏季最丰富，秋季次之，冬春季最小。半干旱地区四季典型晴空大气水汽含量日变化情况总体为：夏季最为剧烈，秋季次之，冬春季最小。春季、夏季、秋季和冬季水汽含量的日变化范围分别为0.47～0.53、0.75～1.26、0.57～1.00、0.11～0.17 g/cm2。
（2）半干旱地区夏、冬季具有人工增雨（雪）的潜力，7月、8月、12月、2月是人工增雨（雪）最佳时段，1月虽然降水转化率较低，但人工增雪的水汽条件差，合理开发云水资源对后期及次年的农业生产和生活有很大的影响。
4 参考文献
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-全文完-