水汽云圖在氣象預報中的應用

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流。通過水汽圖像，可以分析斜壓擾動、準地轉運動、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用進行探討，以期為做好氣象服務提供參考。

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點。

1.1 時間連續性好，云系特征受日變化影響小

有些天氣系統如冷渦系統，其天氣表現具有明顯的日變化特點：夏季的對流天氣系統在下午到傍晚發展到最強，早晨到上午相對較弱；冬季的冷渦天氣系統及其外圍低云產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：當冷渦天氣系統加強時，其云系邊緣清楚、云系完整；當冷渦天氣系統減弱時，其云團邊緣模糊、云團發散不完整，甚至看不到云系存在。而在水汽圖像上，無論一日內冷渦天氣系統加強還是減弱，水汽云圖相對都比較穩定。在夏季由冷渦系統產生的對流云團表現尤為明顯。對比上午和下午相同時次的紅外云圖和水汽云圖，可以發現：上午，冷渦產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域的云系，但在水汽圖上冷渦天氣系統區域仍有完整的渦旋云系，表明仍然存在冷渦系統；下午，冷渦系統產生的對流加強，在水汽圖和紅外圖上對流云帶表現得都比較完整明顯，而在水汽圖像上則表現得更加連續。可見，冷渦等天氣系統的日變化在云圖的反映上，水汽圖像連續性更好，對天氣系統的預報指導作用更明顯。

1.2 天氣系統的形成和演變在水汽圖像上表現得更早

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。此外，紅外及可見光云圖還能反映無云區內干區和濕區的分布。大氣中干區、濕區的分布和變化與天氣系統的水平運動和垂直運動有著密切關系，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，在水汽云圖上能夠及時體現，尤其某些天氣系統發生初期，相應的云系尚未形成時，水汽圖像上水汽的運動及其變化就反映了大氣運動狀態，從而使人們及時發現正在發生和發展的天氣系統，提高預報準確率。

通過分析東北冷渦系統的水汽圖像特征發現，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，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，可見明顯的閉合系統。紅外及可見光云圖上對應的少云區在水汽圖像上已形成明顯的氣旋式閉合環流。這說明冷渦系統在紅外云圖和可見光云圖上形成冷渦云系之前，水汽圖上已經先出現水汽的閉合形式[1]。在水汽圖上分析閉合天氣系統的發生和發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，水汽圖像能夠先期反映系統的形成和發展演變。

2 水汽云圖在氣象預報中的應用

2.1 天氣形勢預報

水汽圖像能夠更早、更完整、更連續地表現天氣系統的細節，且基本不受日變化的影響，可以更真實地反映天氣系統的發生和發展及其隨時間的變化過程。因此，總結一些天氣系統的水汽圖像特征，并把它作為預報該天氣系統形勢的指標，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的水汽圖像特點，發現冷渦形成初期總是最先在水汽圖上體現。水汽圖像的主要特征表現：先在大片灰白色水汽區內，逐漸形成一片近于圓形或橢圓形的灰色水汽區，其結構分布均勻，可以從其邊緣的暗區、暗帶來確定其形狀和范圍；該水汽區內的灰度由中心區向邊緣逐漸減小，這個灰色水汽區就是冷渦天氣系統形成的水汽區，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，冷渦位置也有云區的存在，但整個云系不完整、不連續，故很難判斷冷渦系統的位置和范圍結構。因此，通過初期連續觀察水汽云圖，可以更早地發現冷渦系統的位置和范圍結構。

橫槽系統形成冷渦系統是一種特殊情況，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與橫槽區的位置對應很好，圖像基本特征與冷渦系統圖像結構特征相似。從水汽圖像上可以看出，水汽區呈橢圓形，在橢圓形的水汽區內，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。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流，但是在水汽圖像上可以看到明顯的冷渦水汽結構存在時，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點如下：一是可以彌補天氣圖上一些地區測站稀少或無資料的不足，防止漏掉較小尺度的天氣系統，使天氣形勢預報更加準確；二是水汽圖像資料更密集，連續性更好，通過每30 min 1次的水汽圖像，可以更系統、更直接地發現天氣系統的生成和發展演變，做到早發現、早關注，從而提高預報準確率，尤其對冷渦天氣系統形成初期的天氣預報極為有利。

2.2 天氣系統發展演變預報

水汽圖上反映的干區、濕區的分布和變化情況是由天氣系統的水平運動和大氣垂直運動造成的。一般來說，干區、濕區的水平移動是天氣系統水平移動的結果，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域則通常是大氣垂直運動產生的結果。多年分析發現，當有大氣上升運動且空中有水汽積累時，水汽區灰度值就會增大，水汽圖像色調由灰逐漸變白；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，水汽圖像的色調也由白逐漸變灰變暗。在實際的預報應用過程中發現，當下半年冷渦東北部水汽圖上水汽區灰度逐漸變白時，地面常常對應連續性大范圍降水；而當冬半年冷渦西南部水汽區灰度逐漸變暗時，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灰度變化，能夠很好地判斷天氣系統的發展和減弱的變化趨勢。

2.3 降水區域和降水強度預報

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，為研究產生暴雨的中尺度云團發生、發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。根據水汽圖像的成像原理可知，在水汽云圖上色調亮白的區域對應大氣為較濕較冷的區域，而色調暗黑的曲云則對應大氣較干較暖的區域。對比分析多年的水汽圖像與紅外和可見光圖像，發現發生強降水時，水汽圖像上的水汽輸送帶對應于紅外云圖上是一條連續云帶，但是其結構特征和色調有明顯差別：紅外圖像上的云帶相比水汽圖像上的水汽輸送帶更寬，色調比水汽圖像上的色調更加白亮，可見光圖像對應的云帶更寬、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域。

2.3.2 水汽輸送帶中的雨區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域和降水強度。分析發現：產生降水時，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，并且雨區位于水汽帶內，但是有不同的大值中心；而產生微量降水的雨區，其形狀和分布與可見光圖上的云區非常一致。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不明顯，即不能很好地表現對流層中下層的云和地表特征。因此，＞5 mm/6 h的強降水區位于水汽圖像的水汽輸送帶內，而＜5 mm/6 h的弱降水區一般出現在水汽圖像的暗區和可見光圖的白區。實際應用發現，強降水區位于水汽輸送帶內，但并不是水汽輸送帶的所有區域都產生強降水，只有當水汽圖像和紅外、可見光云圖上都是亮白的區域才表明水汽深厚、對流強盛，此亮白區域是產生強降水的區域。在實際預報中，可以結合物理量診斷分析：水汽輸送帶中有明顯的中尺度結構系統且色調亮白的區域，一般對應強降水；水汽輸送帶中低層存在水汽輻合通量的區域，一般容易產生強降水。

實際應用發現，水汽圖上不是所有的亮白區域都會產生強降水。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，在水汽圖上為色調亮白的區域；大氣中存在水汽較多的區域，但空中沒有形成云系，水汽的吸收作用使衛星收到的能量很少，所有出現色調亮白的區域不會產生降水。這時可以參看紅外和可見光圖相應區域是否白亮，以判斷大雨發生概率。

3 結論

（1）水汽圖像的時間連續性好，云系特征日變化小。因此，在天氣形勢預報中，對某些天氣系統尤其是冷渦系統的早發現和跟蹤預報應用有更大的優勢。

（2）水汽圖像中圖像比較白的區域，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）在預報強降水區域時，用水汽圖像定型后，只有結合紅外及可見光云圖對天氣系統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域才表明水汽深厚、對流強盛，該區域是產生強降水的區域。

（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以下的天氣系統及云表現不明顯。因此，在分析天氣系統時，要注意該系統所在的高度及厚度[3－4]，當天氣系統在水汽圖上有清楚的表現形式時，其分析研究才有意義。

（5）只有對各種天氣系統在水汽圖像上的特點加強分析，發現天氣系統發生發展過程與水汽圖像變化之間的內在聯系，才能更好地應用水汽圖像，提高預報準確率。