林曉萌 尉英華 張 楠 王艷春

(天津市氣象臺， 天津 300074)

引 言

探空數(shù)據(jù)能夠反映強對流天氣發(fā)生前大氣的溫濕結(jié)構(gòu)及動力特征，現(xiàn)已成為強天氣預(yù)報必不可少的參考資料之一[1]。利用探空數(shù)據(jù)可以尋找對流發(fā)生發(fā)展的有利條件[2-3]，基于探空數(shù)據(jù)計算的對流參數(shù)可以進(jìn)行分類強對流特征甄別[4-8]，構(gòu)建強對流客觀預(yù)報模型[9]，探空數(shù)據(jù)還可用于模式釋用[10]、改進(jìn)中尺度數(shù)值預(yù)報模式[11]。

但常規(guī)探空網(wǎng)空間布局不足，每日兩次的探測頻率很難捕捉環(huán)境參數(shù)的短時變化，同時探空氣球的漂移也使常規(guī)探空數(shù)據(jù)的區(qū)域代表性變差[12-13]，因此通過其他方式獲取高分辨率溫度、氣壓、濕度和風(fēng)的層結(jié)數(shù)據(jù)是解決常規(guī)探空數(shù)據(jù)局限性的主要途徑。有的研究[14-15]融合再分析數(shù)據(jù)與地面自動氣象站數(shù)據(jù)構(gòu)建模式溫濕廓線，但再分析數(shù)據(jù)對于中小尺度熱力變化的描述能力不足，不能反映大氣真實狀況。近年不少研究利用微波輻射計、云雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等探測產(chǎn)品構(gòu)建遙感溫濕廓線，但由于微波輻射計反演的濕度廓線誤差較大[16-17]，降水時風(fēng)廓線雷達(dá)反演的風(fēng)場數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重失真或缺失，遙感溫濕廓線難以實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

盡管如此，地基遙感數(shù)據(jù)的時空密度優(yōu)勢無法忽視。風(fēng)廓線雷達(dá)和微波輻射計均可實現(xiàn)連續(xù)自動觀測[18]，在短時預(yù)報中具有很高應(yīng)用價值。微波輻射計能夠獲取地面到10 km高度的溫濕廓線[19-20]，溫度廓線與探空觀測數(shù)據(jù)具有較好相關(guān)性[17]。經(jīng)WPR-HW方法[21]質(zhì)量控制后的風(fēng)廓線雷達(dá)反演數(shù)據(jù)在降水天氣條件下仍能夠提供水平風(fēng)場、垂直速度場等要素的快速演變信息[22]，展示中小尺度系統(tǒng)連續(xù)詳細(xì)的變化過程[23-24]，并具有較高可信度[25-26]。與此同時，國外多位學(xué)者基于比濕變化對湍流散射的影響，證實了利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)融合溫度廓線數(shù)據(jù)反演大氣比濕廓線方法的可行性[27-33]。因此，經(jīng)過質(zhì)量控制的地基遙感數(shù)據(jù)有效融合重新得到反演后的溫度、濕度和風(fēng)廓線，為捕捉中小尺度系統(tǒng)精細(xì)的熱動力結(jié)構(gòu)提供了可能。

本文將綜合利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)、微波輻射計數(shù)據(jù)、地面自動氣象站數(shù)據(jù)的再處理產(chǎn)品構(gòu)建地基遙感探空廓線系統(tǒng)，旨在高時效性地反映本地?zé)崃?、水汽條件及動力機制，彌補現(xiàn)有探空數(shù)據(jù)時空分辨率低的不足。計算2020—2021年5—9月遙感探空廓線的反演結(jié)果，利用歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)再分析數(shù)據(jù)(ERA5)進(jìn)行模式檢驗，評估定量使用價值。選取10次強對流過程，評估遙感探空廓線效果，分析其在短時臨近預(yù)報中的實用性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

選用2020—2021年5—9月天津西青國家基本氣象站(39.1°N，117.1°E)風(fēng)廓線雷達(dá)功率譜數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其中低模式高度范圍為150～3630 m，高度分辨率為120 m，中模式高度范圍為1350～4830 m，高度分辨率為120 m，時間分辨率為3 min；2018年4月布設(shè)在天津市區(qū)鐵塔氣象站(39.1°N，117.2°E)的MP-3000A型微波輻射計溫濕廓線數(shù)據(jù)，探測高度范圍為0～10 km，高度分辨率0～500 m為50 m，0.5～2 km為100 m，2～10 km 為250 m，時間分辨率為2 min。將天津西青站的溫度、相對濕度、露點溫度、地面氣壓作為邊界條件，構(gòu)建地基遙感探空廓線系統(tǒng)。需要說明的是，雖然天津西青站也布設(shè)了微波輻射計，但經(jīng)與GPS探空數(shù)據(jù)[17]、穩(wěn)定天氣形勢下上游探空站數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)天津西青站微波輻射計長期存在中層溫度偏高5～20℃的現(xiàn)象，鐵塔站微波輻射計與對比數(shù)據(jù)具有較好一致性，且天津鐵塔站與天津西青站直線距離僅為13.2 km，氣象上近似認(rèn)為兩站同址，故選取鐵塔站微波輻射計作為研究對象。

1.2 比濕廓線反演方法

微波輻射計通過多通道亮溫觀測可間接得到水汽密度、相對濕度等水汽分層信息[34]，但其受天氣影響大，且較難去除輻射計罩上水汽的影響[35]，導(dǎo)致濕度廓線數(shù)據(jù)可用性較差[36]。國外研究[26-31]表明：基于湍流散射理論融合地基遙感數(shù)據(jù)可以反演大氣比濕廓線。本文在此基礎(chǔ)上融合天津西青站風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)和鐵塔站微波輻射計溫度數(shù)據(jù)，反演天津地區(qū)高時間分辨率比濕垂直廓線，為構(gòu)建遙感探空廓線奠定基礎(chǔ)。

邊界條件對比濕垂直分布存在一定影響，設(shè)定單一控制變量分別為比濕初值、溫度初值、地面氣壓，結(jié)果顯示：比濕初值大致決定整層比濕廓線的數(shù)值區(qū)間，與利用地面水汽壓擬合整層大氣水汽含量的可行性研究互為驗證[37]；溫度初值會造成比濕廓線的整體偏移，每降低1℃，比濕廓線向大值區(qū)偏移約0.15 g·kg-1；地面氣壓影響比濕隨高度的變化率，地面氣壓越小，比濕隨高度的變化率越大，但與溫濕初值相比，其敏感度較差。

1.3 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場反演方法

探空數(shù)據(jù)不僅能反映當(dāng)?shù)販貪窠Y(jié)構(gòu)，還能反映動力特征，實時準(zhǔn)確的水平風(fēng)場數(shù)據(jù)是構(gòu)建遙感探空廓線不可或缺的條件。降水時因風(fēng)廓線雷達(dá)同時接收大氣湍流回波和降水粒子散射回波，難以從兩種信號疊加的功率譜中有效提取湍流信息，導(dǎo)致降水期間風(fēng)廓線雷達(dá)顯示的水平風(fēng)場數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失或失真[38-39]，無法為遙感探空廓線提供連續(xù)真實的水平風(fēng)場數(shù)據(jù)。

WPR-HW是一種降水時風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場的質(zhì)量控制方法[21]，其依據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理及不同天氣類型的功率譜特點，提取湍流信號用于反演水平風(fēng)場。WPR-HW處理功率譜數(shù)據(jù)，首先自動識別各波束功率譜中峰值信號數(shù)量及位置，再依據(jù)湍流譜關(guān)于東西(南北)波束對稱的特點，在對稱波束的信號譜中實現(xiàn)對湍流譜的自動識別和提取，最后根據(jù)風(fēng)的合成原理合成水平風(fēng)場。經(jīng)與ERA5數(shù)據(jù)對比，證實經(jīng)WPR-HW質(zhì)量控制的水平風(fēng)場的可信度、時效性和有效性均滿足遙感探空廓線的構(gòu)建需求。

1.4 地基遙感探空廓線系統(tǒng)構(gòu)建方法

基于比濕廓線反演方法和WPR-HW方法，利用地基遙感及地面自動氣象站的多源觀測數(shù)據(jù)獲取溫度、濕度和風(fēng)3類垂直廓線。其中，0～10 km高度溫度廓線由微波輻射計反演獲得，地面自動氣象站觀測值訂正地面溫度；0～4830 m高度比濕廓線由比濕廓線反演方法獲得，將比濕值轉(zhuǎn)換為露點溫度，地面自動氣象站觀測值訂正地面露點溫度。受風(fēng)廓線雷達(dá)有效探測高度限制，4830 m～10 km高度的比濕廓線由微波輻射計反演獲得，將水汽密度轉(zhuǎn)換為露點溫度，150～4830 m高度水平風(fēng)廓線由風(fēng)廓線雷達(dá)經(jīng)WPR-HW方法反演獲得。

在溫度、濕度和風(fēng)3類垂直廓線的基礎(chǔ)上，通過插值方法統(tǒng)一各要素高度分辨率，并進(jìn)行高度場與氣壓場轉(zhuǎn)換[40]，構(gòu)建遙感探空廓線。構(gòu)建過程中，用于同一時次遙感探空廓線的不同源觀測數(shù)據(jù)的探測時間差應(yīng)小于1 min。將層結(jié)參數(shù)轉(zhuǎn)化為氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)可識別的數(shù)據(jù)格式，最后通過溫度-對數(shù)壓力圖(T-lnp)實現(xiàn)遙感探空廓線圖形與數(shù)據(jù)的可視化。

2 檢 驗

為驗證遙感探空廓線的可信度，將2020—2021年5—9月逐6 h遙感探空廓線的逐層比濕值及對流參數(shù)計算結(jié)果納入待檢驗數(shù)據(jù)庫。檢驗對象為從數(shù)據(jù)庫中隨機抽取的130個比濕數(shù)據(jù)(10時次×13距離庫)及56個對流有效位能數(shù)據(jù)，因大氣高層水汽含量很少，絕大部分水汽集中于對流層中低層，因此比濕的檢驗高度為地面到700 hPa。

天津地區(qū)未設(shè)探空站，上游探空站的環(huán)境場與本地差異較大[41]，國際上越來越多的學(xué)者將再分析數(shù)據(jù)應(yīng)用于對流天氣環(huán)境條件研究[42-44]。ECMWF的第5代全球氣候再分析數(shù)據(jù)集ERA5[45]，水平分辨率為0.125°×0.125°，750 hPa以下垂直分辨率為25 hPa，時間分辨率為1 h，可以作為遙感探空廓線檢驗的參照值。挑選ERA5中與天津西青站鄰近格點(39.125°N，117°E)的相同時次相同要素，對比二者不同距離庫上最相近的高度。檢驗內(nèi)容包括相關(guān)系數(shù)、絕對偏差及相對偏差。

2.1 比濕檢驗

圖1a為遙感探空廓線與ERA5比濕的散點圖，比濕較大時分布相對離散，較小時分布相對集中，偏差原因主要包括：①兩種數(shù)據(jù)源分別為以高度和氣壓為單位，對比高度并非完全一致；②ERA5數(shù)據(jù)對局地中小尺度溫濕變化的描述能力不足，低層濕度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不及地面自動氣象站定標(biāo)后的遙感探空廓線；③地基遙感數(shù)據(jù)針對不同天空狀況的反演精度還需提高。盡管如此，遙感探空廓線比濕的可信度仍明顯高于微波輻射計直接反演的比濕，相關(guān)研究[11，17]指出微波輻射計反演的露點溫度和相對濕度與常規(guī)探空的相關(guān)系數(shù)分別為0.65～0.93 和0.5。檢驗結(jié)果表明遙感探空廓線的比濕可反映實際大氣比濕垂直分布狀態(tài)。

2.2 對流有效位能檢驗

圖2為遙感探空廓線與ERA5數(shù)據(jù)的對流有效位能對比。由圖2可以看到，兩條曲線形態(tài)基本重合，呈現(xiàn)同位相波動趨勢，二者的變化具有較強同步性。其中，56組對比數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.84，達(dá)到0.01顯著性水平(臨界相關(guān)系數(shù)為0.34)，平均相對偏差為35%，相關(guān)性和一致性均處于合理范圍內(nèi)。對流有效位能對下墊面溫度和濕度變化的敏感度高，值域變化范圍大，ERA5數(shù)據(jù)對邊界條件的敏感度不足。經(jīng)統(tǒng)計，用于對比的56個時次ERA5數(shù)據(jù)的溫度與自動氣象站觀測的平均偏差為1.8℃，露點溫度平均偏差為1.4℃，由經(jīng)過地面自動氣象站訂正的遙感探空廓線計算的對流有效位能更貼近真實情況。因此，盡管遙感探空廓線與ERA5對流有效位能平均絕對偏差值較大(318 J·kg-1)，但二者變化一致性較好，說明遙感探空廓線對流參數(shù)的可信度更高。檢驗結(jié)果表明：遙感探空廓線對流有效位能隨時間的演變具有較好指示性，可作為常規(guī)探空的補充手段，彌補其時空分辨率不足。

3 個例效果評估

3.1 統(tǒng)計分析

選取2020—2021年天津西青站10次強對流過程，將強對流發(fā)生前臨近時刻上游常規(guī)探空(北京)與過去8 h內(nèi)逐15 min的本地遙感探空廓線進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。由表1可知，在強對流發(fā)生與探測時次的時間間隔上，遙感探空廓線的高時間分辨率優(yōu)勢明顯；在對流參數(shù)(包括指征對流發(fā)展?jié)搫莸膶α饔行荒?，以及指征整層濕度條件的整層比濕積分)與強對流實況的契合程度上，本地遙感探空廓線對強天氣具有指示意義。

常規(guī)探空的探測時次為08：00和20：00(北京時，下同)，天津的強對流過程常發(fā)生于午后或傍晚，10次過程中北京探空發(fā)生時次與天津強對流發(fā)生時刻平均時間間隔為7 h 18 min，因此北京探空很難捕捉到臨近對流發(fā)生前的熱力不穩(wěn)定最強時刻；同時，由于北京探空站與天津西青站直線距離為100 km，屬于中尺度天氣系統(tǒng)范疇，北京探空對流參數(shù)與天津局地性強的中小尺度過程往往契合度較差。10次過程中北京探空的對流有效位能平均值為322 J·kg-1，其中2次過程的對流有效位能為0，可見北京探空往往不能反映天津的對流潛勢。

遙感探空廓線具有分鐘級時間分辨率，不但可以實時反映本地大氣熱力濕度狀態(tài)和動力過程，而且可以連續(xù)觀測能量的增長、維持、釋放過程及水汽的生消變化。表1中天津遙感探空對流有效位能平均峰值為1451.88 J·kg-1，顯著高于北京探空固定時次的對流有效位能平均值，達(dá)到強對流發(fā)生的閾值標(biāo)準(zhǔn)，對流有效位能高值時段平均為對流發(fā)生前2～5 h，刻畫了強天氣醞釀過程中的不穩(wěn)定能量積聚，對流有效位能迅速釋放的平均時段為對流發(fā)生前1～2 h，有利的對流潛勢結(jié)合對流有效位能的迅速釋放對強天氣的發(fā)生具有指示意義。10次強對流過程中天津遙感探空廓線的整層比濕積分大于北京探空的共發(fā)生7次，均對應(yīng)短時強降水過程，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)北京探空發(fā)生時刻的整層比濕積分與天津遙感探空廓線的接近，可見基于遙感探空廓線的濕度參數(shù)反映局地水汽的增長過程。

表1 北京探空與天津遙感探空在10次強對流過程的對比Table 1 Comparison of 10 convective cases from Beijing radiosonde and Tianjin Foundation-remote-sensing Air-sounding-profile System

選取2020年8月1日短時強降水伴隨雷暴大風(fēng)過程及2021年5月26日雷暴大風(fēng)過程進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)一步說明高分辨率遙感探空廓線對強天氣潛勢及分型的指示意義及對中小尺度系統(tǒng)精細(xì)熱動力結(jié)構(gòu)的描述能力。

3.2 2020年8月1日短時強降水伴隨雷暴大風(fēng)過程

2020年8月1日19:45—21:00天津西青站周邊多站發(fā)生短時強降水過程，最大雨強為74.4 mm·h-1，同時伴有雷暴大風(fēng)。08：00常規(guī)探空風(fēng)場拼圖顯示850 hPa高空槽位于河北西部，天津處于高空槽前，隨著高空系統(tǒng)東移，天津地區(qū)上空具備大尺度抬升條件。圖3是不同時次的T-lnp圖，08：00北京探空顯示對流有效位能為451.7 J·kg-1，由于對流有效位能的對流潛勢指示意義存在季節(jié)差異，8月低于500 J·kg-1的對流有效位能的強對流指示性不強；對流參數(shù)反映了較高的自由對流高度(554.9 hPa)和較大的對流抑制能量(297 J·kg-1)，但天氣尺度抬升難以作為強對流的觸發(fā)機制；對流潛勢增長的有利條件為槽前西南風(fēng)不斷向天津地區(qū)補充水汽和能量，但稀疏的常規(guī)探空頻次難以滿足短時臨近預(yù)報對對流參數(shù)的持續(xù)觀測需求。

遙感探空廓線能以較高的時間分辨率指示環(huán)境參量的變化過程。圖3中11：00，14：00和17：00由天津遙感探空廓線計算的對流有效位能分別為633.7，1455.4 J·kg-1和1223.8 J·kg-1，反演數(shù)據(jù)顯示隨地表溫度的升高和西南風(fēng)的持續(xù)作用，對流有效位能迅速升高并維持。表2為08：00北京探空和14：00天津遙感探空廓線的對流參數(shù)對比，高時效的對流參數(shù)除刻畫對流有效位能增長外，還反映出對流抑制能量、自由對流高度、K指數(shù)、抬升指數(shù)、整層比濕積分等對流參數(shù)向更顯著的對流潛勢趨勢發(fā)展，其中整層比濕積分的迅速增長體現(xiàn)了局地水汽的輸送作用，為短時強降水的發(fā)生提供了充足的水汽來源；遙感探空廓線與北京探空在 600 hPa 至300 hPa間均存在干層，中層干空氣夾卷有利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn), 14：00和17：00遙感探空廓線為短時強降水伴隨雷暴大風(fēng)過程的典型形勢。

表2 2020年8月1日08：00北京探空和14：00天津遙感探空廓線對流參數(shù)對比Table 2 Comparison of convective parameters processed from Beijing radiosonde at 0800 BT and Tianjin Remote-Atmospheric Profile System at 1400 BT on 1 Aug 2020

利用遙感探空廓線可分析強對流發(fā)生前動力場和環(huán)境場的相互作用。圖4a為2020年8月1日14:30—20:30由天津西青站遙感探空廓線得到的對流有效位能及天津西青區(qū)中辛口村自動氣象站觀測的降水量時序圖，圖4b為2020年8月1日16:30—20:30天津西青站風(fēng)廓線雷達(dá)反演水平風(fēng)場時間-高度剖面圖。由圖4a可見，14:30—19:15 為能量維持階段，其中12：00—19:15對流有效位能為850～1500 J·kg-1，大于1000 J·kg-1的時段超過7成，雖然弱冷空氣擾動造成能量的少量釋放，但低層西南風(fēng)疊加中層偏西風(fēng)存在風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，暖濕氣流源源不斷地補充使高濕高能條件得以維持，18:30—19:15中低層西南氣流達(dá)到急流強度，進(jìn)一步補充水汽和能量，19:15對流有效位能為1349.5 J·kg-1，850 hPa比濕為16 g·kg-1，700 hPa 假相當(dāng)位溫為73℃。19:15—20:30為能量釋放階段，19:15 中尺度冷氣團楔入天津西青站，造成深層風(fēng)場的強烈輻合，成為不穩(wěn)定能量的觸發(fā)機制，能量的迅速釋放導(dǎo)致對流有效位能迅速降低，其中19:30—20:00對流有效位能由1173 J·kg-1降至414 J·kg-1，不穩(wěn)定能量的釋放表征中小尺度系統(tǒng)強烈的上升運動，結(jié)合中低層濕度條件好、暖云層深厚、0～3 km垂直風(fēng)切變小等環(huán)境條件，19：45天津西青站周邊發(fā)生了以短時強降水為主的強天氣過程。由圖4a可以看到，對流有效位能迅速下降，雨強迅速增長，遙感探空廓線觀測到能量釋放至強天氣發(fā)生的時間間隔為30 min，符合預(yù)報預(yù)警的時間要求。需要說明的是，對流參數(shù)表征中小尺度環(huán)境條件，指征一定范圍內(nèi)的對流潛勢，與單點強天氣實況不具備絕對相關(guān)性，本次過程天津西青站周邊多站出現(xiàn)短時強降水天氣，但天津西青站并未發(fā)生強降水過程，故圖4a降水量來源選取天津西青區(qū)中辛口村自動氣象站，與天津西青站相距不足10 km。

3.3 2021年5月26日雷暴大風(fēng)過程

2021年5月26日15:30—16:10天津西青站及周邊多站發(fā)生風(fēng)力超過17.2 m·s-1的雷暴大風(fēng)過程，最大陣風(fēng)風(fēng)力達(dá)25.7 m·s-1。08：00常規(guī)探空風(fēng)場拼圖顯示，受低渦影響天津地區(qū)處于偏北氣流控制之下，溫濕條件不利于對流過程的發(fā)生發(fā)展。圖5為不同時次的T-lnp圖。 由圖5可見， 08：00北京實測探空顯示對流有效位能為0，抬升指數(shù)為4.94℃，當(dāng)上游和本地均處于相對穩(wěn)定的環(huán)境條件時，上游探空對流參數(shù)具有一定指示意義，即此時天津地區(qū)無明顯對流潛勢；10：00，12：00和14：00由天津遙感探空廓線計算的對流有效位能分別為27.6，830.7 J·kg-1和1347.1 J·kg-1，盡管整層大氣以偏北風(fēng)為主，但高分辨率數(shù)據(jù)指示對流有效位能不斷增大，可能原因是低層北風(fēng)的偏東分量使低層不斷增濕，形成上干下濕的層結(jié)條件，導(dǎo)致對流有效位能迅速增長，14：00抬升指數(shù)由正值演變?yōu)?5.72℃，此時天津西青站周邊具備一定的對流潛勢。此外，14：00遙感探空廓線顯示整層大氣的溫度露點差較大，中層大氣干冷氣流較強，對流有效位能為743.3 J·kg-1，基于遙感探空廓線的強對流分型指示雷暴大風(fēng)的傾向性更強。

圖6a為2021年5月26日10:00—16:00天津西青站遙感探空廓線繪制的對流有效位能及自動氣象站觀測的極大風(fēng)風(fēng)速時序圖，圖6b為2021年5月26日12:00—16:00天津西青站風(fēng)廓線雷達(dá)反演水平風(fēng)場的時間-高度剖面。由圖6a可見，10:00—14:00為能量的增長階段，10:30—12:30對流有效位能增長幅度超過1000 J·kg-1，其中12:00—12:30期間1～2 km高度出現(xiàn)偏東急流，天津地區(qū)東臨渤海，低層濕度的補充相比溫度的增長更有利于對流有效位能的增益，12:30后對流有效位能始終維持在1000 J·kg-1以上。14:00—15:30為能量釋放階段，14:00—14:30中低層西北風(fēng)風(fēng)力增大，超過12 m·s-1，隨后在動力下傳的作用下不斷向下滲透影響邊界層風(fēng)場，侵入的西北風(fēng)與邊界層?xùn)|南風(fēng)輻合，促使不穩(wěn)定能量的不完全釋放，造成中低層西北風(fēng)風(fēng)力加大和厚度加深，但并未及地，深厚的西北風(fēng)再次與低層?xùn)|風(fēng)形成強烈輻合，其正反饋作用進(jìn)一步構(gòu)成不穩(wěn)定能量的觸發(fā)機制，15:00—15:30對流有效位能由1052 J·kg-1迅速下降至17 J·kg-1；隨著不穩(wěn)定能量的釋放，結(jié)合中層溫度露點差大、溫度垂直遞減率大、0～3 km具有中等以上強度垂直風(fēng)切變等環(huán)境條件，15:30天津西青站及周邊發(fā)生雷暴大風(fēng)過程。隨著對流有效位能的迅速下降天津西青站陣風(fēng)風(fēng)力猛增至8級以上，從能量迅速釋放至強對流發(fā)生存在30 min時間間隔。

兩次強天氣個例分析表明：遙感探空廓線能實時反映與熱力和動力相關(guān)物理量的變化趨勢，有利的對流潛勢結(jié)合對流有效位能的迅速釋放對強天氣的發(fā)生具有指示性，主觀強天氣分型結(jié)果經(jīng)驗證與天氣現(xiàn)象具有很好的契合度；遙感探空廓線可以反映環(huán)境溫濕條件與動力場的相互作用，動力場既是能量的增長和維持機制，也是不穩(wěn)定的觸發(fā)機制，能量的釋放又進(jìn)一步影響動力場。

4 結(jié)論與討論

本文利用天津地基遙感數(shù)據(jù)聯(lián)合地面自動氣象站數(shù)據(jù)構(gòu)建地基遙感探空廓線，并對遙感探空廓線的反演數(shù)據(jù)進(jìn)行模式檢驗和個例效果評估，得到以下結(jié)論：

1) 遙感探空廓線的比濕、對流有效位能均與ERA5數(shù)據(jù)具有較好的一致性。比濕相關(guān)的130組對比數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.93，均方根誤差為1.4 g·kg-1，平均絕對偏差為1.06 g·kg-1，平均相對偏差為11.22%；對流有效位能相關(guān)的56組對比數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.84，平均相對偏差為35%，兩種不同源的對流有效位能生消演變特征具有較強同步性；受檢驗參量的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.01顯著性水平，從而驗證了遙感探空廓線數(shù)據(jù)的可信度。

2) 遙感探空廓線比常規(guī)探空更具時效性。10次強對流過程中，發(fā)生時次北京探空對流有效位能平均值為322 J·kg-1，無法指征午后或傍晚的對流潛勢，遙感探空廓線具有分鐘級時間分辨率，顯示天津西青站對流有效位能高值時段平均為對流發(fā)生前2～5 h，平均峰值為1451.88 J·kg-1，迅速釋放的平均時段為對流發(fā)生前1～2 h，具有強對流發(fā)生前后大氣狀態(tài)變化的描述能力。

3) 遙感探空廓線在短時臨近預(yù)報業(yè)務(wù)中具有較高實用價值。通過高頻變化的對流參數(shù)配置可以及時判斷對流潛勢的強弱及甄別強天氣分型，通過捕捉中小尺度系統(tǒng)精細(xì)的熱動力結(jié)構(gòu)分析對流發(fā)生前動力場和環(huán)境場的相互作用，對提高短時臨近預(yù)報精細(xì)化水平具有一定意義。

遙感探空廓線在業(yè)務(wù)應(yīng)用中仍然存在局限性。微波輻射計的溫度探測數(shù)據(jù)在不同天氣條件下存在不同程度的觀測誤差，尤其降水時天線罩過濕將影響探測準(zhǔn)確度，地基遙感觀測數(shù)據(jù)因探測高度受限導(dǎo)致平衡高度較高時對流有效位能反演值小于真實值。遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制及反演方法的改進(jìn)有利于遙感探空廓線的進(jìn)一步完善，從而為預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)提供實用性更強、精準(zhǔn)度更高的參考資料。