微波輻射計(jì)資料在大霧預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用

趙金霞，范蘇丹，朱曉晶

（1.天津?yàn)I海新區(qū)氣象局，天津 300457；2.濟(jì)南氣象科研所，山東濟(jì)南 250031）

微波輻射計(jì)資料在大霧預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用

趙金霞1，范蘇丹2，朱曉晶1

（1.天津?yàn)I海新區(qū)氣象局，天津 300457；2.濟(jì)南氣象科研所，山東濟(jì)南 250031）

利用MP-3000A微波輻射計(jì)對(duì)2011—2013年天津大霧的觀測(cè)資料，選取16次大霧典型個(gè)例，分析大霧發(fā)生、維持及消散時(shí)微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)。分析表明：大霧從形成到消散過(guò)程中水汽密度、相對(duì)濕度和位溫均有不同變化；大霧發(fā)生前近地層大氣中的相對(duì)濕度、水汽密度一般會(huì)穩(wěn)定增加，大霧發(fā)生時(shí)兩者會(huì)有爆發(fā)性增加的現(xiàn)象。大霧維持階段在近地層多伴有逆溫層，輻射霧逆溫層明顯；大霧期間霧層高度有穩(wěn)定型也有波動(dòng)型，霧層高度下降時(shí)大霧會(huì)迅速加強(qiáng)。大霧消散時(shí)近地層大濕區(qū)減小抬升，水汽密度迅速減小。

大霧；微波輻射計(jì)；水汽密度；液態(tài)水含量；位溫

大氣中水汽含量和溫度垂直分布對(duì)大霧的形成是至關(guān)重要的。國(guó)內(nèi)外的大量工作已證明,探測(cè)水汽和云液水波段的雙波長(zhǎng)（0.85 cm和1.35 cm）地基微波輻射計(jì),在晴空和非降水云天的探測(cè)原理和方法已日趨成熟,探測(cè)水汽總量的精度可與探空相比,云液水總量也有較好的精度[1-8]。采用微波輻射計(jì)進(jìn)行遙感探測(cè)，不僅能自動(dòng)連續(xù)測(cè)量、監(jiān)視天氣的演變過(guò)程，而且可以節(jié)省大量的人力、物力。MP-3000A微波輻射計(jì)[9]是由美國(guó)Radiometrics公司研發(fā)的一種新型35通道微波輻射計(jì)，該輻射計(jì)采取被動(dòng)式微波遙感，通過(guò)接收天空亮溫來(lái)反演地面至10 km高時(shí)空分辨率的溫度、相對(duì)濕度和水汽廓線。溫度廓線子系統(tǒng)在51～59 GHz之間用所選擇的頻率進(jìn)行天空亮溫觀測(cè)，而水汽廓線子系統(tǒng)接受頻率在22～30 GHz之間用所選擇的頻率進(jìn)行天空亮溫觀測(cè)。它的時(shí)間分辨率為3 min；空間分辨率從0～500 m高度上每50 m輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，500 m～2 km高度上每100 m輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，2～10 km每250 m輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，共58個(gè)反演層。通過(guò)58個(gè)反演層數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算整層大氣中可降水量和液態(tài)水含量的值。為了消除液態(tài)水的影響，該輻射計(jì)的天線罩采用防水材料做成，使得輻射計(jì)可以全天候地進(jìn)行觀測(cè)。趙玲等[10]研究了MP_3000A微波輻射計(jì)的探測(cè)原理和誤差分析。本文通過(guò)選取不同日期的微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，對(duì)不同天氣背景下產(chǎn)生大霧進(jìn)行分析，旨在把微波輻射計(jì)在大霧方面的探測(cè)進(jìn)行初步的評(píng)估，為短時(shí)臨近大霧天氣預(yù)警提供可靠的技術(shù)支持。

1 大霧標(biāo)準(zhǔn)和天氣形勢(shì)

霧是貼地層空氣中懸浮著大量水滴或冰晶微粒而使水平能見(jiàn)度小于1 000 m的天氣現(xiàn)象。按照能見(jiàn)度的大小霧還可以分為大霧（200～500 m）、濃霧（50～200 m）、強(qiáng)濃霧（＜50 m）。

霧通常是在穩(wěn)定的天氣形勢(shì)下產(chǎn)生；華北地區(qū)多霧年冬季極鋒偏北，西風(fēng)帶系統(tǒng)北退，東亞大槽弱，500 hPa多短波槽活動(dòng)，低緯天氣系統(tǒng)活躍，可以把暖濕空氣輸送到中高緯，下墊面輻射冷卻形成持續(xù)大霧。大霧一般發(fā)生在氣壓梯度很?。ㄈ缛醺邏?、弱低壓，鞍型場(chǎng)等）的區(qū)域；地面流場(chǎng)一般為弱輻合區(qū)，這種氣壓場(chǎng)、流場(chǎng)有利于近地面的水汽聚集。對(duì)于濱海地區(qū)大霧發(fā)生時(shí)的地面形勢(shì)可以歸納成以下4種類(lèi)型。

1.1 高壓前部型

濱海地區(qū)處在高壓前部,其西部、西北部或北部是冷高壓，高壓中心在河套以西、以北或東北地區(qū)，冷空氣以滲透的形式南下，濱海地區(qū)處在弱冷鋒前部，前期有降水，當(dāng)鋒面移近時(shí)會(huì)出現(xiàn)平流輻射霧；之后隨著高壓南壓，天氣逐漸轉(zhuǎn)好，下墊面濕度大，夜間輻射降溫在邊界層形成逆溫，使近地層大氣逐漸飽和出現(xiàn)輻射霧；此類(lèi)型經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)霧日。

1.2 高壓后部或鞍型場(chǎng)型

大陸變性高壓進(jìn)入日本海、朝鮮、黃海北部及中部，京津地區(qū)轉(zhuǎn)入高壓后部或鞍型場(chǎng)控制，天氣晴好；渤海、黃海暖濕空氣沿著高壓底部東南氣流向華北地區(qū)輸送，隨著夜間輻射降溫,逆溫層逐漸形成，近地層濕度不斷聚集增加，天津?yàn)I海地區(qū)常常出現(xiàn)大霧天氣；此類(lèi)型也是以輻射霧為主，經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)霧日。

1.3 倒槽前部型

高空在河套地區(qū)有淺槽發(fā)展東移，西南地區(qū)有倒槽發(fā)展向東北移動(dòng)，濱海地區(qū)處在倒槽前部，低層的暖濕空氣沿東南氣流向北輸送，另外850 hPa華北東部有一個(gè)溫度暖舌自西南向東北伸展，低層暖濕、層結(jié)穩(wěn)定，大霧首先在華南地區(qū)形成，之后隨著偏南氣流向北蔓延，山東半島沿海地區(qū)迅速出現(xiàn)大霧天氣；濱海地區(qū)常常在傍晚前后開(kāi)始出現(xiàn)大霧，夜間加重；有時(shí)會(huì)出現(xiàn)雨、霧共存或雪、霧共存的現(xiàn)象；此類(lèi)型以平流輻射霧為主。

1.4 倒槽后部型

濱海地區(qū)處在寬廣的倒槽后部，高空有淺槽相配合，前期有降水，近地層濕度較大；濱海地區(qū)維持偏東風(fēng)或東北風(fēng)，有水汽從黃、渤海向陸地輸送；此時(shí)渤海西北部沿海首先有大霧天氣，濱海地區(qū)處于高壓底部及倒槽后的東北氣流中，伴隨著暖濕空氣北上，傍晚到夜間常常出現(xiàn)平流輻射霧；大霧夜間加重，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)小于50 m的強(qiáng)濃霧。

2 微波輻射計(jì)探測(cè)大霧的特點(diǎn)

微波輻射計(jì)有高時(shí)空分辨率大氣垂直方向上的探測(cè)資料，可以連續(xù)得到從地面到10 km高度上的位溫、相對(duì)濕度、水汽密度瞬時(shí)值。而大霧天氣是水汽在近地面層集聚、凝結(jié)而產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象；為了看清微波輻射計(jì)探測(cè)到大霧演變過(guò)程中各要素的不同變化，我們截取小于6 km高度資料，放大后進(jìn)行分析。由相對(duì)濕度圖和水汽密度圖可知，輻射霧的水汽大多在1 km以下；而平流霧水汽大多在2 km以下，有時(shí)會(huì)在中層伴有2 km厚的大濕度區(qū)。

究其原因，輻射霧主要出現(xiàn)在天空晴朗的夜晚，是通過(guò)氣溫下降來(lái)實(shí)現(xiàn)水汽凝結(jié)，如地表長(zhǎng)波輻射、雪面反射等物理過(guò)程使近地面濕度增加而形成大霧（如高壓前部型和后部型），所以在微波輻射計(jì)探測(cè)圖的中、高層相對(duì)濕度、水汽密度值小于零。而平流霧形成過(guò)程中氣溫的變化相對(duì)復(fù)雜，當(dāng)暖濕氣層平流到冷性地面（水面）時(shí)，由于低層氣溫逐漸下降，造成溫度露點(diǎn)差迅速減小就可能形成大霧（如倒槽前部型），這種形式往往配合中、高云。當(dāng)弱的干冷空氣平流到暖濕下墊面時(shí)，低層氣溫逐漸下降，造成露點(diǎn)溫度差迅速接近0℃而形成大霧（如倒槽后部型），這種形式偶爾會(huì)有中、高云。所以在微波輻射計(jì)探測(cè)圖的中層經(jīng)常有相對(duì)濕度、水汽密度大值區(qū)。

無(wú)論輻射霧還是平流霧，其逆溫層都在低層，因此在微波輻射計(jì)探測(cè)圖上位溫在2 km以下變化比較復(fù)雜，之上位溫均勻遞減。所以在大霧發(fā)生時(shí)分析微波輻射計(jì)探測(cè)的低層資料，特別是大霧天氣發(fā)生前、后相對(duì)濕度、水汽密度和位溫的演變?cè)谔鞖忸A(yù)報(bào)、預(yù)警中有著方便直觀的參考作用。

3 微波輻射計(jì)資料對(duì)大霧的監(jiān)測(cè)個(gè)例分析

利用2011—2013年微波輻射計(jì)對(duì)大霧的觀測(cè)資料，配合天氣形勢(shì)挑出16次典型個(gè)例，分析大霧發(fā)生前后及大霧持續(xù)階段溫度、相對(duì)濕度和水汽密度的變化；找出大霧發(fā)生、消散時(shí)的指標(biāo)。下面用四個(gè)典型個(gè)例逐一分析。

3.1 微波輻射計(jì)對(duì)高壓前部平流霧和高壓輻射霧的監(jiān)測(cè)

2013年2 月20日清晨濱海地區(qū)處在高壓冷鋒前的低壓區(qū)里，出現(xiàn)小雨天氣。20日下午隨著冷鋒移近，能見(jiàn)度逐漸變差。在微波輻射計(jì)圖上，大霧產(chǎn)生前相對(duì)濕度、水汽密度緩慢增加；大霧發(fā)生時(shí)濕度爆發(fā)性增強(qiáng)到90%以上，水汽密度達(dá)到4.0 g/ m3，500 m以下大氣層結(jié)接近飽和，在500～1 000 m的高度范圍內(nèi)有小于2 K的弱逆溫層。大霧維持期間飽和層少變，逆溫層在300～600 m，逆溫差小于3 K。此次過(guò)程大霧持續(xù)時(shí)間是20日17:50—21日02: 15，最小能見(jiàn)度600 m，出現(xiàn)在20日19:00前后。鋒面過(guò)境后大霧消散，相對(duì)濕度飽和區(qū)抬升并迅速減小，這是鋒前平流輻射霧演變過(guò)程。由圖2可以看出，21日清晨至上午近地面層相對(duì)濕度小于70%，水汽密度維持在3.5 g/m3，這是由于地面濕度較大的緣故。

21日下午高壓南壓，濱海地區(qū)處在高壓底部，微波輻射計(jì)圖上，大霧產(chǎn)生前相對(duì)濕度維持在65%，水汽密度在3.5 g/m3；18:00以后能見(jiàn)度再次減小。22日20：13大霧產(chǎn)生，濕度爆發(fā)性增強(qiáng)到90%以上，水汽密度達(dá)到4.0 g/m3；200 m以下大氣層結(jié)接近飽和；大霧維持期間，飽和層上下浮動(dòng)且維持，逆溫差6 K的逆溫層穩(wěn)定在200 m以下，從廓線圖上可以讀出每一時(shí)刻的準(zhǔn)確值。大霧持續(xù)時(shí)間是22日20:13—08:12，最小能見(jiàn)度出現(xiàn)在07時(shí)，為200 m。大霧消散時(shí)相對(duì)濕度、水氣密度迅速減小，這是輻射霧演變過(guò)程（圖1）。

3.2 微波輻射計(jì)對(duì)高壓后部輻射霧的監(jiān)測(cè)

2012年10 月25日濱海地區(qū)處在高壓后部07：00—09：00有輕霧，微波輻射計(jì)圖上相對(duì)濕度80%、水汽密度6.0 g/m3。26日輻射霧產(chǎn)生前相對(duì)濕度、水汽密度在近地面層緩慢增加，在500～800 m有小于2 k的弱逆溫層。大霧產(chǎn)生時(shí)兩者爆發(fā)性增強(qiáng)，大于90%相對(duì)濕度瞬時(shí)增高到2 500 m，并且有大于6.0 g/m3水汽密度相配合；能見(jiàn)度迅速降低到大霧標(biāo)準(zhǔn)。2 h以后霧層高度下沉至500 m左右穩(wěn)定不變，最大水汽密度11.0 g/m3，最大相對(duì)濕度接近100%，逆溫層穩(wěn)定在500～1 000 m，逆溫差為6 K；從廓線圖上能讀出每一時(shí)刻的準(zhǔn)確值。大霧持續(xù)時(shí)間是01:17—10:35，最小能見(jiàn)度出現(xiàn)在08：00左右，為80 m的強(qiáng)濃霧。大霧消散時(shí)相對(duì)濕度、水汽密度迅速減小，這是輻射霧演變過(guò)程（圖2）。

3.3 微波輻射對(duì)低壓倒槽前部平流輻射霧的監(jiān)測(cè)

2012年12 月27日夜間濱海地區(qū)處在倒槽前的低壓區(qū)里，2 500～4 000 m和1 800 m以下有大于90%的相對(duì)濕度，水汽密度在2.0～3.0 g/m3之間，配合實(shí)況有大量的高云。28日01:10高空大濕區(qū)迅速變薄，近地層水汽密度增加至4.5 g/m3時(shí)，沒(méi)有明顯的逆溫層，出現(xiàn)能見(jiàn)度為800 m左右的霧，之后大霧維持到11:00左右。到12：00出現(xiàn)降雪，此時(shí)高空大濕區(qū)迅速變厚，近地層水汽密度增加至6.0 g/m3；能見(jiàn)度升至1000 m左右，出現(xiàn)雪、霧共存現(xiàn)象。28日20：00左右雪、霧結(jié)束，相對(duì)濕度和水氣密度迅速減?。▓D3）。

3.4 微波輻射對(duì)低壓倒槽后部平流輻射霧的監(jiān)測(cè)

2012年9 月8日凌晨至上午濱海地區(qū)處倒槽前的低壓區(qū)里，出現(xiàn)了降水；微波輻射計(jì)圖顯示200～1 800 m有大于80%的相對(duì)濕度，水汽密度在10.0 g/m3左右，配合實(shí)況有大量的中云。16時(shí)以后水汽密度增大到14.0 g/m3，90%的相對(duì)濕度下降到地面，出現(xiàn)能見(jiàn)度小于800 m的霧，霧層高度穩(wěn)定在1 500 m上下，之后大霧持續(xù)；到9日07：00—09：00霧層高度下降到800 m左右，近地層相對(duì)濕度達(dá)到飽和，水汽密度達(dá)到16.0 g/m3，有小于2 K弱逆溫，此時(shí)大霧濃度迅速加強(qiáng)，8:30時(shí)最小能見(jiàn)度只有80 m。11:00大霧逐漸消散,相對(duì)濕度飽區(qū)迅速抬升，水氣密度快速減小。

此次過(guò)程有如此大的水汽密度，是因?yàn)榍捌诔霈F(xiàn)降水，地面水汽蒸發(fā)導(dǎo)致水汽密增大，而此時(shí)濱海地區(qū)處在倒槽后部，出現(xiàn)了能見(jiàn)度極低的平流輻射霧（圖4）。

3.5 微波輻射計(jì)資料監(jiān)測(cè)的不同類(lèi)型霧的對(duì)比分析

本文共分析了16次大霧個(gè)例，天氣形勢(shì)和各要素值見(jiàn)表1。

從表1中的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，不同天氣形式下霧層高度各不相同；高壓前部型霧層高度在300～ 500 m的左右，霧層高度最低；有明顯的逆溫層，逆溫差值達(dá)4～6 K。高壓后部型霧層高度在400～600 m的左右，霧層高度次低；有明顯的逆溫層，逆溫差達(dá)4～10 K。倒槽前部型霧層高度在1 000～1 800 m的左右，霧層高度最高。倒槽后部型霧層高度在1 000～1 500 m的左右，霧層高度次高；倒槽型大霧有小于2 K的弱逆溫層。大霧發(fā)生期間相對(duì)相對(duì)濕度均大于90%以上；水汽密度冬天大于4.0 g/m3，秋天水汽密度會(huì)達(dá)到10.0 g/m3以上。

從微波輻射監(jiān)測(cè)圖看，輻射霧發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度與水汽密度會(huì)爆發(fā)性增大、增高，對(duì)應(yīng)水汽密度也迅速增大；平流霧發(fā)生時(shí)中層大濕區(qū)變薄，近地層大濕區(qū)迅速增大到接近飽和，近地層水汽密度也迅速增大。大霧消散時(shí)相對(duì)濕度都迅速減小、抬升，水汽密度也明顯減小。

5 結(jié)論

（1）高壓前部型和高壓后部型的輻射霧前發(fā)生前，相對(duì)濕度和水汽密度值開(kāi)始穩(wěn)定上升，無(wú)劇烈波動(dòng)，臨近大霧時(shí)兩者爆發(fā)性增強(qiáng)，底層大氣接近飽和，逆溫層明顯,逆溫差值大于4 km，這是輻射霧形成特點(diǎn)。

倒槽前部型和倒槽后部型的平流霧前發(fā)生前，高空有相對(duì)濕度大值區(qū)，水汽密度較大；大霧發(fā)生時(shí)高層大濕區(qū)變薄，近地層相對(duì)濕度和水汽密度迅速增大，底層大氣接近飽和，逆溫層較弱，這是平流輻射霧形成特點(diǎn)。

（2）輻射霧的高度較低，一般低于600 m；相對(duì)濕度大于90%,水汽密度大于3.5 g/m3。平流輻射霧的高度較高，最高達(dá)到1 800 m，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；相對(duì)濕度大于90%，水汽密度大于4.0 g/m3，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)連續(xù)霧日。

（3）輻射霧消散時(shí)由于蒸發(fā)作用，相對(duì)濕度大值區(qū)抬升，近地面相對(duì)濕度和水汽密度值會(huì)迅速減小，逆溫層減弱消失。平流輻射霧消散時(shí)相對(duì)濕度飽和區(qū)抬升且減小，水汽密度略有減少，傍晚以后對(duì)濕度和水汽密度再度增大時(shí)，常常出現(xiàn)連續(xù)霧日。根據(jù)以上特點(diǎn)可以及時(shí)發(fā)布大霧生成和消散的預(yù)報(bào)、預(yù)警，服務(wù)于社會(huì)，以減少大霧天氣引發(fā)的交通事故。

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Application of Microwave Radiometer Data in the Fog Forecasting and Early Warning

ZHAO Jinxia1，F(xiàn)AN Sudan2，ZHU Xiaojing1
（1.Meteorological Bureau of Tianjin Binhai New Area,Tianjin 300457 China；2.Meteorological Research Institute of Jinan,Jinan 250031，China）

MP-3000A is a new atmospheric sounding instrument,which can be obtained continuously from the ground to the height of 10 km of high-resolution digital temperature,relative humidity,The water vapor density profile.Select fog occurs,upkeep and dissipate microwave radiometer observations,Analysis found that process from the formation of fog to dissipate,The evolution of the fog of water vapor density,relative humidity and potential temperature are different variations;Front fog occurs near surface atmospheric relative humidity,water vapor density is generally a steady increase,Fog occurs when They will increase explosively.There is inversion layer in near surface layer,radiation fog obvious,maintenance phase in the fog.Fog layer of highly there are stable and fluctuating in during fog,Fog will quickly strengthen the fog layer height when dropped.When the fog dissipates a large wet area near surface layer reduction and uplift,The water vapor density decreases rapidly.Therefore,the microwave radiometer water vapor density,liquid water content and potential temperature studies,will help improve the generation and dissipation of fog forecasting and early warning.

fog；microwave radiometer；vapor density；liquid water content；potential temperature

P468

B

1002-0799（2015）03-0031-05

趙金霞，范蘇丹，朱曉晶.微波輻射計(jì)資料在大霧預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（3）：31-35.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.03. 005

2014-04-08

科研專(zhuān)項(xiàng)（GYHY201006034）資助。

趙金霞（1963-），女，工程師，主要從事災(zāi)害性天氣研究。E-mail:zhjx1626@163.com