水汽云圖在氣象預報中的應(yīng)用

李榮波

（中國人民解放軍92538部隊，遼寧大連 116041）

水汽圖像反映的是云中水汽溫度，因而水汽圖像不僅能反映水汽含量，還能反映水汽高度。圖像比較白的區(qū)域，說明水汽溫度低，水汽所在的高度高，常有上升運動；圖像比較暗的區(qū)域，說明水汽溫度高，水汽所在的高度低，常有下沉運動。水汽圖像能反映垂直環(huán)流。通過水汽圖像，可以分析斜壓擾動、準地轉(zhuǎn)運動、氣旋、阻塞高壓、切斷低壓、高空急流、干入侵、水汽羽等。本文對水汽圖像在氣象預報中的應(yīng)用進行探討，以期為做好氣象服務(wù)提供參考。

1 水汽圖像的特點

水汽圖像、紅外圖像反映的都是水汽溫度，但與紅外及可見光云圖相比較，水汽圖像在某些方面具有不可代替的優(yōu)點。

1.1 時間連續(xù)性好，云系特征受日變化影響小

有些天氣系統(tǒng)如冷渦系統(tǒng)，其天氣表現(xiàn)具有明顯的日變化特點：夏季的對流天氣系統(tǒng)在下午到傍晚發(fā)展到最強，早晨到上午相對較弱；冬季的冷渦天氣系統(tǒng)及其外圍低云產(chǎn)生的降雪在上午到中午相對最強，下午到傍晚相對減弱。在紅外及可見光云圖上冷渦云系特征也有明顯的日變化：當冷渦天氣系統(tǒng)加強時，其云系邊緣清楚、云系完整；當冷渦天氣系統(tǒng)減弱時，其云團邊緣模糊、云團發(fā)散不完整，甚至看不到云系存在。而在水汽圖像上，無論一日內(nèi)冷渦天氣系統(tǒng)加強還是減弱，水汽云圖相對都比較穩(wěn)定。在夏季由冷渦系統(tǒng)產(chǎn)生的對流云團表現(xiàn)尤為明顯。對比上午和下午相同時次的紅外云圖和水汽云圖，可以發(fā)現(xiàn)：上午，冷渦產(chǎn)生的對流云相對較弱，這時在紅外云圖上幾乎看不到冷渦區(qū)域的云系，但在水汽圖上冷渦天氣系統(tǒng)區(qū)域仍有完整的渦旋云系，表明仍然存在冷渦系統(tǒng)；下午，冷渦系統(tǒng)產(chǎn)生的對流加強，在水汽圖和紅外圖上對流云帶表現(xiàn)得都比較完整明顯，而在水汽圖像上則表現(xiàn)得更加連續(xù)。可見，冷渦等天氣系統(tǒng)的日變化在云圖的反映上，水汽圖像連續(xù)性更好，對天氣系統(tǒng)的預報指導作用更明顯。

1.2 天氣系統(tǒng)的形成和演變在水汽圖像上表現(xiàn)得更早

紅外及可見光云圖對中高層云信息特征的反映，在水汽圖像上也可以得到很好的體現(xiàn)。此外，紅外及可見光云圖還能反映無云區(qū)內(nèi)干區(qū)和濕區(qū)的分布。大氣中干區(qū)、濕區(qū)的分布和變化與天氣系統(tǒng)的水平運動和垂直運動有著密切關(guān)系，因而水汽圖像能直觀反映大氣垂直運動。紅外及可見光云圖不易反映出來的某些天氣細節(jié)，在水汽云圖上能夠及時體現(xiàn)，尤其某些天氣系統(tǒng)發(fā)生初期，相應(yīng)的云系尚未形成時，水汽圖像上水汽的運動及其變化就反映了大氣運動狀態(tài)，從而使人們及時發(fā)現(xiàn)正在發(fā)生和發(fā)展的天氣系統(tǒng)，提高預報準確率。

通過分析東北冷渦系統(tǒng)的水汽圖像特征發(fā)現(xiàn)，在冷渦形成初期，低壓剛開始閉合時，紅外及可見光云圖上只有局部和分散的云區(qū)，無法看到完整的渦旋云系，而在水汽圖像上的云系完整且連續(xù)，可見明顯的閉合系統(tǒng)。紅外及可見光云圖上對應(yīng)的少云區(qū)在水汽圖像上已形成明顯的氣旋式閉合環(huán)流。這說明冷渦系統(tǒng)在紅外云圖和可見光云圖上形成冷渦云系之前，水汽圖上已經(jīng)先出現(xiàn)水汽的閉合形式[1]。在水汽圖上分析閉合天氣系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展要比紅外及可見光云圖更及時，尤其對于對流層中上層的閉合天氣系統(tǒng)，水汽圖像能夠先期反映系統(tǒng)的形成和發(fā)展演變。

2 水汽云圖在氣象預報中的應(yīng)用

2.1 天氣形勢預報

水汽圖像能夠更早、更完整、更連續(xù)地表現(xiàn)天氣系統(tǒng)的細節(jié)，且基本不受日變化的影響，可以更真實地反映天氣系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展及其隨時間的變化過程。因此，總結(jié)一些天氣系統(tǒng)的水汽圖像特征，并把它作為預報該天氣系統(tǒng)形勢的指標，有助于提高預報的準確率。通過多年跟蹤分析東北冷渦系統(tǒng)的水汽圖像特點，發(fā)現(xiàn)冷渦形成初期總是最先在水汽圖上體現(xiàn)。水汽圖像的主要特征表現(xiàn)：先在大片灰白色水汽區(qū)內(nèi)，逐漸形成一片近于圓形或橢圓形的灰色水汽區(qū)，其結(jié)構(gòu)分布均勻，可以從其邊緣的暗區(qū)、暗帶來確定其形狀和范圍；該水汽區(qū)內(nèi)的灰度由中心區(qū)向邊緣逐漸減小，這個灰色水汽區(qū)就是冷渦天氣系統(tǒng)形成的水汽區(qū)，水汽圖像中灰度最大處也就是冷中心的位置，進而確定冷渦位置。在紅外云圖上，冷渦位置也有云區(qū)的存在，但整個云系不完整、不連續(xù)，故很難判斷冷渦系統(tǒng)的位置和范圍結(jié)構(gòu)。因此，通過初期連續(xù)觀察水汽云圖，可以更早地發(fā)現(xiàn)冷渦系統(tǒng)的位置和范圍結(jié)構(gòu)。

橫槽系統(tǒng)形成冷渦系統(tǒng)是一種特殊情況，從冷渦中心向西伸出一條東西向的槽線或切變線。其水汽云圖上水汽區(qū)與橫槽區(qū)的位置對應(yīng)很好，圖像基本特征與冷渦系統(tǒng)圖像結(jié)構(gòu)特征相似。從水汽圖像上可以看出，水汽區(qū)呈橢圓形，在橢圓形的水汽區(qū)內(nèi)，灰度最大處不在中心位置，而是在其西部，為東西向長條形狀，與500 hPa高空冷中心的位置基本對應(yīng)。研究人員可以利用這個特點來分析500 hPa橫槽或切變線的大體位置。在實際預報工作中，研究人員可以采用雙定型方法分析天氣圖和水汽圖像。有時天氣圖上雖然沒有明顯的低值閉合環(huán)流，但是在水汽圖像上可以看到明顯的冷渦水汽結(jié)構(gòu)存在時，則可以作為一個冷渦日，通過雙定型方法進行冷渦天氣預報，其結(jié)果明顯好于單一天氣圖定型預報效果[2]。雙定型方法的主要優(yōu)點如下：一是可以彌補天氣圖上一些地區(qū)測站稀少或無資料的不足，防止漏掉較小尺度的天氣系統(tǒng)，使天氣形勢預報更加準確；二是水汽圖像資料更密集，連續(xù)性更好，通過每30 min 1次的水汽圖像，可以更系統(tǒng)、更直接地發(fā)現(xiàn)天氣系統(tǒng)的生成和發(fā)展演變，做到早發(fā)現(xiàn)、早關(guān)注，從而提高預報準確率，尤其對冷渦天氣系統(tǒng)形成初期的天氣預報極為有利。

2.2 天氣系統(tǒng)發(fā)展演變預報

水汽圖上反映的干區(qū)、濕區(qū)的分布和變化情況是由天氣系統(tǒng)的水平運動和大氣垂直運動造成的。一般來說，干區(qū)、濕區(qū)的水平移動是天氣系統(tǒng)水平移動的結(jié)果，而水汽圖像中那些移動相對較慢但圖像灰度變化較大的區(qū)域則通常是大氣垂直運動產(chǎn)生的結(jié)果。多年分析發(fā)現(xiàn)，當有大氣上升運動且空中有水汽積累時，水汽區(qū)灰度值就會增大，水汽圖像色調(diào)由灰逐漸變白；當空中大氣有下沉運動時，且大氣中水汽逐漸減少和消散時，水汽圖像的灰度值就會逐漸減小，水汽圖像的色調(diào)也由白逐漸變灰變暗。在實際的預報應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，當下半年冷渦東北部水汽圖上水汽區(qū)灰度逐漸變白時，地面常常對應(yīng)連續(xù)性大范圍降水；而當冬半年冷渦西南部水汽區(qū)灰度逐漸變暗時，高空常生成擾動低云，且降水逐漸減弱。可見，通過分析水汽圖像上的水汽區(qū)灰度變化，能夠很好地判斷天氣系統(tǒng)的發(fā)展和減弱的變化趨勢。

2.3 降水區(qū)域和降水強度預報

通過分析水汽圖像可以為降水預報提供直觀的信息。水汽圖像可以直觀地反映大氣中上層水汽分布、移動和輸送等重要降水預報信息，為研究產(chǎn)生暴雨的中尺度云團發(fā)生、發(fā)展及預報提供更加直觀的資料和方法。

2.3.1 水汽輸送帶在水汽圖像上的特點。根據(jù)水汽圖像的成像原理可知，在水汽云圖上色調(diào)亮白的區(qū)域?qū)?yīng)大氣為較濕較冷的區(qū)域，而色調(diào)暗黑的曲云則對應(yīng)大氣較干較暖的區(qū)域。對比分析多年的水汽圖像與紅外和可見光圖像，發(fā)現(xiàn)發(fā)生強降水時，水汽圖像上的水汽輸送帶對應(yīng)于紅外云圖上是一條連續(xù)云帶，但是其結(jié)構(gòu)特征和色調(diào)有明顯差別：紅外圖像上的云帶相比水汽圖像上的水汽輸送帶更寬，色調(diào)比水汽圖像上的色調(diào)更加白亮，可見光圖像對應(yīng)的云帶更寬、更白亮，水汽圖像反映的是大氣中上層水汽分布情況，這表明大氣中上層水汽向一個更狹窄的地帶集中。預報實踐表明：只有當水汽圖像、紅外和可見光云圖上都為亮白的區(qū)域時，才表明大氣垂直運動強烈，對流強盛，水汽深厚。只有這樣，才可能形成強降水的區(qū)域。

2.3.2 水汽輸送帶中的雨區(qū)在水汽圖像上的特點。多年的實際預報表明，對比分析水汽圖像和紅外及可見光云圖，可以更好地確定降水區(qū)域和降水強度。分析發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生降水時，水汽圖像上的水汽輸送帶與＞5 mm的等雨量圖走向基本一致，并且雨區(qū)位于水汽帶內(nèi)，但是有不同的大值中心；而產(chǎn)生微量降水的雨區(qū)，其形狀和分布與可見光圖上的云區(qū)非常一致。究其原因，水汽圖像反映的是大氣中上層水汽分布情況，低云在水汽圖上表現(xiàn)不明顯，即不能很好地表現(xiàn)對流層中下層的云和地表特征。因此，＞5 mm/6 h的強降水區(qū)位于水汽圖像的水汽輸送帶內(nèi)，而＜5 mm/6 h的弱降水區(qū)一般出現(xiàn)在水汽圖像的暗區(qū)和可見光圖的白區(qū)。實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，強降水區(qū)位于水汽輸送帶內(nèi)，但并不是水汽輸送帶的所有區(qū)域都產(chǎn)生強降水，只有當水汽圖像和紅外、可見光云圖上都是亮白的區(qū)域才表明水汽深厚、對流強盛，此亮白區(qū)域是產(chǎn)生強降水的區(qū)域。在實際預報中，可以結(jié)合物理量診斷分析：水汽輸送帶中有明顯的中尺度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)且色調(diào)亮白的區(qū)域，一般對應(yīng)強降水；水汽輸送帶中低層存在水汽輻合通量的區(qū)域，一般容易產(chǎn)生強降水。

實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，水汽圖上不是所有的亮白區(qū)域都會產(chǎn)生強降水。究其原因：對于云層比較厚的高云，比如厚卷云，由于云頂高度高、溫度低，在水汽圖上為色調(diào)亮白的區(qū)域；大氣中存在水汽較多的區(qū)域，但空中沒有形成云系，水汽的吸收作用使衛(wèi)星收到的能量很少，所有出現(xiàn)色調(diào)亮白的區(qū)域不會產(chǎn)生降水。這時可以參看紅外和可見光圖相應(yīng)區(qū)域是否白亮，以判斷大雨發(fā)生概率。

3 結(jié)論

（1）水汽圖像的時間連續(xù)性好，云系特征日變化小。因此，在天氣形勢預報中，對某些天氣系統(tǒng)尤其是冷渦系統(tǒng)的早發(fā)現(xiàn)和跟蹤預報應(yīng)用有更大的優(yōu)勢。

（2）水汽圖像中圖像比較白的區(qū)域，說明水汽溫度低。水汽所在的高度高，常有上升運動。圖像比較暗的區(qū)域，說明水汽溫度高，水汽所在的高度低，常有下沉運動。因此，水汽圖像能更好地反映大氣垂直運動。

（3）在預報強降水區(qū)域時，用水汽圖像定型后，只有結(jié)合紅外及可見光云圖對天氣系統(tǒng)的云系等進行跟蹤預報，才能獲得最佳的預報效果。只有在紅外、可見光和水汽圖上都是亮白的區(qū)域才表明水汽深厚、對流強盛，該區(qū)域是產(chǎn)生強降水的區(qū)域。

（4）水汽圖像反映的是中高層大氣情況，因而在水汽圖像上看不到低云。水汽圖像反映對流層中上層大氣300～700 hPa高空的水汽總含量，850 hPa以下的天氣系統(tǒng)及云表現(xiàn)不明顯。因此，在分析天氣系統(tǒng)時，要注意該系統(tǒng)所在的高度及厚度[3－4]，當天氣系統(tǒng)在水汽圖上有清楚的表現(xiàn)形式時，其分析研究才有意義。

（5）只有對各種天氣系統(tǒng)在水汽圖像上的特點加強分析，發(fā)現(xiàn)天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過程與水汽圖像變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，才能更好地應(yīng)用水汽圖像，提高預報準確率。