屈曉茜 王澤斌 陳昶 于紅偉 姜琳

摘 要：利用西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)人工觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)架設(shè)的MWP967KV兩種型號(hào)的地基多通道微波輻射計(jì)探測(cè)資料對(duì)2017年6月29日發(fā)生的一次強(qiáng)對(duì)流降水天氣過程進(jìn)行了探測(cè)分析及對(duì)比。結(jié)果表明：在這次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，上升氣流強(qiáng)盛，引起云底高度出現(xiàn)明顯波動(dòng)，低層空氣向上輸送釋放凝結(jié)潛熱導(dǎo)致等溫線上抬，整層水汽與液態(tài)水含量有多峰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生;利用微波輻射計(jì)資料二次反演計(jì)算分析了KI、SI、TT三個(gè)大氣不穩(wěn)定指數(shù)，這些指數(shù)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的短臨預(yù)報(bào)有很好的指示效果，探測(cè)結(jié)果具備一定的臨近預(yù)警潛力。

關(guān)鍵詞：地基多通道微波輻射計(jì);強(qiáng)對(duì)流;大氣不穩(wěn)定參數(shù);臨近預(yù)警

1 緒論

多通道地基道微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感儀器，用于大氣探測(cè)時(shí)，通過接收大氣層不同高度（與常規(guī)探空高度層一致）傳來(lái)的溫度輻射的微波信號(hào)，使用反演算法獲得大氣中總水汽量、總液態(tài)水量、以及溫度、濕度、水汽和液態(tài)水的廓線，能全天候、全天時(shí)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)探測(cè)及數(shù)據(jù)采集，其對(duì)溫度、水汽的三維高時(shí)空分辨率探測(cè)資料可作為填補(bǔ)以上常規(guī)探測(cè)資料空白的有效補(bǔ)充手段。

本文選取了2017年6月29日的強(qiáng)對(duì)流天氣過程作為個(gè)例，利用架設(shè)在咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)人工觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)的遙感探測(cè)資料，得到高時(shí)空分辨率的大氣層結(jié)溫濕分布，計(jì)算可表征強(qiáng)對(duì)流天氣的重要對(duì)流參數(shù)，如KI、SI、TT等，并探討多通道微波輻射計(jì)的高時(shí)空分辨率探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警的提前量和指示性的作用，旨在對(duì)微波輻射數(shù)據(jù)在對(duì)流天氣方面的探測(cè)進(jìn)行初步的評(píng)估比較，為短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)提供可靠的技術(shù)支持。

2 設(shè)備、資料與方法

2.1 儀器簡(jiǎn)介

MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)，共36個(gè)通道，包括21個(gè)水汽通道、14個(gè)溫度通道、1個(gè)紅外通道，采用毫米波雙頻段、多通道無(wú)源接收方式，精確探測(cè)頂部空域大氣溫度及水汽敏感通道的自然輻射信號(hào)，直接測(cè)量出地面大氣壓強(qiáng)、溫度、相對(duì)濕度，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演得到大氣輻射亮溫，大氣溫度廓線，水汽密度廓線，相對(duì)濕度廓線，云液水廓線，積分水汽，積分云水，云底溫度和云底高度等數(shù)據(jù)產(chǎn)品。地基多通道微波輻射計(jì)資料彌補(bǔ)了常規(guī)探空資料因探測(cè)時(shí)間間隔長(zhǎng)，常規(guī)天氣雷達(dá)探測(cè)局限性而導(dǎo)致的探測(cè)資料不足，在對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過程中對(duì)流層中變化迅速的熱力學(xué)信息、中小尺度系統(tǒng)的溫度、濕度變化，以及云中水汽相態(tài)變化趨勢(shì)等分析時(shí)非常有益。

2.2 資料與方法

本文通過分析MWP967KV地基多通道微波輻射計(jì)對(duì)2017年6月29日強(qiáng)對(duì)流降水天氣的實(shí)時(shí)探測(cè)結(jié)果，以及二次反演計(jì)算出的多個(gè)大氣不穩(wěn)定參數(shù)，得出對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣短臨預(yù)報(bào)有指示效果的變化規(guī)律或預(yù)警指標(biāo)。

3 天氣背景

2017年6月29日15：18（北京時(shí)，下同），西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了干雷，15：41轉(zhuǎn)為弱雷雨，持續(xù)至16：10雷雨結(jié)束。

從環(huán)流背景場(chǎng)分析（圖1），500hPa上，6月28日晚20時(shí)，副高邊緣線位于華南沿海一帶，新疆東部至河西以西為高空槽，槽后西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，低渦位于甘肅南部，6月29日早8時(shí)，河西地區(qū)出現(xiàn)明顯溫度冷槽，位于甘肅南部的低渦系統(tǒng)逐漸發(fā)展，至河套北部均為低值系統(tǒng)控制，關(guān)中地區(qū)處于低渦前部，且為溫度冷中心。700hPa在甘肅南部至陜西中南部有切變輻合系統(tǒng)，且表現(xiàn)為溫度暖中心，從高低空配置來(lái)看，具備對(duì)流天氣發(fā)生條件。

4 探測(cè)結(jié)果分析

4.1 微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)分析

從MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)的探測(cè)結(jié)果中可以看出，溫度、相對(duì)濕度、水汽、液態(tài)水在垂直方向上的分布與強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)間段也有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。溫度廓線來(lái)看，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)段中，在2.5km高度以上，等溫度線表現(xiàn)為多峰值結(jié)構(gòu)，地面至2.5km之間，等溫度線明顯下降，借此推斷，一方面是熱對(duì)流上升所致，另一方面可能是由于低層空氣在上升過程中釋放的凝結(jié)潛熱導(dǎo)致等溫線上抬主要發(fā)生在2.5km高度以上。隨著降水結(jié)束，各層溫度明顯下降到降水前狀態(tài)。在相對(duì)濕度廓線上，1—6km高度層相對(duì)濕度在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)出現(xiàn)急劇的升高，出現(xiàn)明顯的逆濕現(xiàn)象，6km高度以上表現(xiàn)為明顯的干區(qū)，雖維持時(shí)間短，但加劇了層結(jié)不穩(wěn)定性。溫度與水汽會(huì)共同對(duì)相對(duì)濕度造成影響，溫度偏差1℃，相對(duì)濕度都可能會(huì)有很大差異，水汽垂直分布變化趨勢(shì)與溫度類似，降水開始前水汽緩慢聚集，液態(tài)水含量大值區(qū)（≧0.4g/m3）所處高度約在4—6km之間。

充足的空氣濕度是形成云的先決條件，云底高度在強(qiáng)對(duì)流天氣開始前有劇烈的波動(dòng)，云底高度的谷值與大氣中水汽與液態(tài)水含量的峰值幾乎出現(xiàn)在同一時(shí)間。在降水開始前的一段時(shí)間都同時(shí)出現(xiàn)了大氣相對(duì)濕度的大幅度增加和云底高度的大幅度降低。而降水出現(xiàn)的時(shí)間與強(qiáng)度還與大氣中，尤其對(duì)流層低層中的大氣濕度及其變化增幅，空氣何時(shí)達(dá)到飽和及飽和維持時(shí)間，飽和層空氣厚度密切相關(guān)。在對(duì)云液態(tài)水總量和水汽總量的探測(cè)結(jié)果中，降水前的一段時(shí)間均出現(xiàn)了雙峰結(jié)構(gòu)，之間的谷值可能是云滴向雨滴轉(zhuǎn)化的孕育區(qū)。可推斷在降水前出現(xiàn)云液態(tài)水總量以及低層水汽減少，主要原因是水汽向雨滴的轉(zhuǎn)化。

從微波輻射計(jì)的探測(cè)結(jié)果來(lái)看，探測(cè)的溫度、相對(duì)濕度、水汽含量等物理量能較好地反映強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展過程的熱力和水汽時(shí)空分布和變化特征，在強(qiáng)對(duì)流降水過程中，各個(gè)物理量變化具有短時(shí)、劇烈的特征。表明地基微波輻射計(jì)對(duì)西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)上空的溫濕度分布具有較好的探測(cè)性能，設(shè)備探測(cè)結(jié)果之間存在的偏差可能與各自使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法差異、變化頻率、數(shù)據(jù)采集的時(shí)間分辨率不同有關(guān)。

4.2 不穩(wěn)定指數(shù)監(jiān)測(cè)分析

利用MWP967KV微波輻射計(jì)探測(cè)的資料（圖2），計(jì)算了KI、TT、SI3個(gè)判斷不穩(wěn)定條件的指數(shù)，根據(jù)其走向趨勢(shì)來(lái)看，在雷暴發(fā)生前，TT指數(shù)和SI指數(shù)沒有明顯的躍變，KI指數(shù)在雷暴發(fā)生前20min從36.2℃升高至40.3℃，之后在強(qiáng)對(duì)流性降水持續(xù)期間數(shù)值未表現(xiàn)出明顯增長(zhǎng)，與MP—3000A探測(cè)結(jié)果有較大差異。在降水結(jié)束前約30min，TT指數(shù)、KI指數(shù)出現(xiàn)較明顯回落，SI指數(shù)有小幅度升高，可用于短時(shí)預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流性降水的結(jié)束。

由于本文獲取的微波輻射計(jì)原始資料時(shí)段較短，用于個(gè)例分析的樣本數(shù)較少，故所得結(jié)論缺乏一定的代表性。在之后的驗(yàn)證工作中將選取不同強(qiáng)度、不同種類的強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例的連續(xù)的微波輻射計(jì)探測(cè)資料，分析得出更實(shí)用合理的短臨預(yù)報(bào)指標(biāo)。

5 結(jié)果和討論

（1）MWP967KV微波輻射計(jì)設(shè)備作為實(shí)時(shí)探測(cè)儀器，其探測(cè)的數(shù)據(jù)能很好地反映大氣層垂直方向上溫濕度、水汽、液態(tài)水含量分布和云底高度等狀況，一些指標(biāo)如溫度、相對(duì)濕度、液態(tài)水含量在強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)前均會(huì)有明顯的躍變，對(duì)強(qiáng)對(duì)流降水的發(fā)生具有較強(qiáng)指示意義。

（2）二次反演產(chǎn)品，如大氣不穩(wěn)定參數(shù)也對(duì)短臨預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生時(shí)會(huì)有明顯的升高。將KI≧37℃，TT≧50℃，SI≦-1℃作為西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流性降水預(yù)警指標(biāo)，可以提前30min預(yù)警強(qiáng)對(duì)流降水天氣。

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