熱帶對流性降水的逆溫特征

李秀鎮(zhèn)，董明倫，李博，王力群

（1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431；2.青島市城陽區(qū)氣象局，山東青島266100）

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熱帶對流性降水的逆溫特征

李秀鎮(zhèn)1，董明倫1，李博2，王力群1

（1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431；2.青島市城陽區(qū)氣象局，山東青島266100）

摘要：通過對赤道輻合帶降水的觀測發(fā)現(xiàn)，熱帶對流性降水過程普遍存在逆溫現(xiàn)象，為更好的解釋這一現(xiàn)象，利用微波輻射計數(shù)據(jù)，對降水過程的大氣層結(jié)進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明：（1）強對流降水過程中普遍存在兩個“暖心”，暖心之間有“冷泡”；（2）典型逆溫過程發(fā)生在對流系統(tǒng)邊緣，對流云云頂高度均在10 km以上；（3）逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)時存在水汽密度和液態(tài)水含量大值區(qū)。近地面“暖心”下方和第二“暖心”內(nèi)部水汽密度和液態(tài)水含量較小，兩個“暖心”之間存在大值中心。第二“暖心”之上水汽密度較小，液態(tài)水含量較大。

關(guān)鍵詞：赤道輻合帶；溫度廓線；逆溫；CISK

1　引言

近年來，人們通過觀測和數(shù)值模擬對帶來降水的中尺度對流系統(tǒng)的熱力結(jié)構(gòu)已獲得了較多認(rèn)識。夏茹娣等[1]充分使用地面資料討論了地面溫濕特征對中尺度系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)降水中心與地面向上伸展的暖舌相對應(yīng)。陳敏等[2]根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在鋒面上和鋒前暖區(qū)的中尺度對流系統(tǒng)由于對流潛熱釋放造成了系統(tǒng)內(nèi)部具有暖心結(jié)構(gòu)特征，其高度在700 hPa以上。王建捷、慕建利等[3-4]指出對流性降水中心的溫度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)對流層中部為暖而上、下部為冷的特征，其成因可能與凝結(jié)釋熱作用密切相關(guān)。周嵬等[5]基于微波輻射計資料對對流降水的分析表明降水云內(nèi)與環(huán)境平均溫差呈現(xiàn)底層溫度遠(yuǎn)低于無降水的云外環(huán)境溫度，而降水云前部從低層到高層云內(nèi)溫度都遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。宮宇等[6]指出水物質(zhì)相變引起的熱力作用在不同高度上對對流起著不同的作用。相關(guān)學(xué)者對太平洋熱帶海區(qū)低層大氣的熱力結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)無降水條件下低層大氣存在多逆溫現(xiàn)象[7-11]。

國外也有不少關(guān)于對流系統(tǒng)的觀測和模擬研究，如Carbone等[12]探討了對流云形成機制，Keenan 等[13]指出雷暴的發(fā)展與對流有效位能和濕度條件相結(jié)合。上述成果表明對流系統(tǒng)降水云中存在異于外部環(huán)境的熱力結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)影響著對流運動的發(fā)展。鑒于現(xiàn)有研究對象主要是大陸地區(qū)的對流性降水，對于熱帶海洋地區(qū)的研究較少，為加深對熱帶海洋地區(qū)對流性降水熱力結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，在赤道太平洋海區(qū)開展了觀測實驗。

2014年12月18—29日在太平洋中部赤道輻合帶內(nèi)（5°N—5°S，140°—179°E）通過12 d的走航觀測，跟蹤到熱帶對流性降水總計46次。本文以此次觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對熱帶對流性降水進(jìn)行了初步研究，重點描述降水過程的熱力結(jié)構(gòu)特征和水汽垂直分布。

2　資料來源

2.1微波輻射計

MP-3000A型微波輻射計包括22—200 GHz頻率段中的35個通道，溫度廓線子系統(tǒng)在51—59 GHZ之間，水汽廓線子系統(tǒng)接收頻率在22—30 GHZ之間，用所選擇的頻率進(jìn)行天空亮溫觀測，采集時間間隔為每2 min一組數(shù)據(jù)。通過測量氧氣在60 GHz附近的輻射強度或亮溫得出溫度分布。在任意高度上的氧氣發(fā)射電磁波都與當(dāng)?shù)氐臏囟群脱鯕饷芏确植汲时壤虼丝梢缘玫綔囟绕拭妗?2 GHz附近適合進(jìn)行相對潮濕地區(qū)的地基廓線反演，較敏感的183 GHz適合干環(huán)境的地基水汽廓線反演。水汽的發(fā)射強度與水汽密度和溫度成正比，通過掃描光譜分布和觀測數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)反演，可以得到水汽廓線。利用MP-3000A輻射儀可以獲得在22—30 GHz和51—59 GHz波段調(diào)諧帶的云液態(tài)水廓線信息。通過微波輻射計測量得到地表相對濕度、溫度和氣壓數(shù)據(jù)，將用于廓線的計算。此外，縱向紅外溫度計可以測量有云時的云底溫度，從而得出云底的水汽密度，再結(jié)合溫度廓線，求出云底高度。

通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法反演得出廓線，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運用Stuttgart Neural Network Simulator（斯圖加特神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬器）和探空廓線的歷史資料得出。標(biāo)準(zhǔn)后向傳播（back-propagation）算法用于訓(xùn)練，標(biāo)準(zhǔn)前饋網(wǎng)絡(luò)用于廓線的得出。廓線輸出分為58層，從0—0.5 km高度上每50 m輸出一個數(shù)據(jù)，0.5—2 km高度上每100 m輸出一個數(shù)據(jù)，2—10 km每0.25 km輸出一個數(shù)據(jù)。由于本文研究區(qū)域位于赤道附近（5°N—5°S，140°—179°E），故選取新加坡（WMO 48698，1.37°N）的歷史探空資料進(jìn)行訓(xùn)練。

2.2觀測資料

使用了2014年12月18—29日12 d每2 min一次的微波輻射計資料，1 min一次的自動氣象站雨量計數(shù)據(jù)。利用1 min累積降水量判斷是否降水，挑選出降水時刻的微波輻射計資料，共獲得1 081時次有效數(shù)據(jù)。降水統(tǒng)計見表1，30 min以內(nèi)的短時降水發(fā)生的頻次遠(yuǎn)多于長時間降水，以陣性降水為主，降水量普遍較小。

表1　降水統(tǒng)計（降水量單位：mm）

3　熱帶對流性降水的逆溫現(xiàn)象

3.1熱帶對流性降水的溫度垂直分布特征

圖1是觀測期間各高度層溫度平均情況，總體而言剔除掉降水時刻后各高度層平均溫度與總體平均值相當(dāng)，兩條曲線近乎重合在一起。在0.5 km以下近地面層降水期間的平均值低于非降水時刻，這是由于降水導(dǎo)致近地面溫度下降所致；0.5—3 km范圍內(nèi)二者相差不大；3 km以上高度，降水期間的平均溫度略高于非降水時刻，應(yīng)該是降水期間較厚的云層有效阻擋了長波輻射所造成的。

圖1　觀測期間溫度垂直分布

圖2　熱帶對流性降水的溫度廓線

圖2給出了降水期間10 km以下的溫度廓線。降雨期間存在明顯的“噪聲”信號——圖中表現(xiàn)為黑色突變線即在極短時間內(nèi)出現(xiàn)較大變化。盡管存在“噪聲”，但降雨期間溫度變化的總體趨勢是較明顯的也是可信的。在＜0.6 km的高度內(nèi)，普遍存在著厚度約為0.3—0.6 km的逆溫層（白色實線所圈范圍），在短時間陣性降水過程中此類逆溫層厚度大于長時間降水過程。近地面逆溫層中有“暖心”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)清晰的共有5次，短時降水出現(xiàn)3次，長時降水出現(xiàn)兩次，出現(xiàn)頻率11%。在＞0.6 km范圍內(nèi)，也普遍存在著厚度不一的逆溫層（白色虛線范圍內(nèi)），但比0.6 km以下的逆溫層持續(xù)時間短。出現(xiàn)“暖心”結(jié)構(gòu)的地面上方0.6—5 km范圍內(nèi)有“冷泡”出現(xiàn)（紅色虛線范圍內(nèi)）。分析46次降水過程的結(jié)果表明，逆溫現(xiàn)象在降水期間從地面到高空普遍存在，在某些情況下出現(xiàn)“暖心”結(jié)構(gòu)，其上伴隨著“冷泡”和顯著逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)。與前人研究相比，熱帶對流性降水逆溫層高度較低，且垂直分布與中緯度“中間暖、兩頭低”的特點不同[2-4]。

3.2熱帶對流性降水的逆溫層特征

選取5個典型個例進(jìn)行分析（X1—X5發(fā)生時間分別為21日15時、25日00時、25日02時、26日11時和29日10時，北京時，下同），圖3為所選樣本大氣溫度廓線。在低空（＜3km）“暖心”、“冷泡”結(jié)構(gòu)清晰，“暖心”厚度介于0.4—0.5 km，集中在近地面層（白色實線標(biāo)識）。依據(jù)微波輻射計云底高數(shù)據(jù)（見圖4），絕大多數(shù)時刻云底高≥0.5 km，可見近地面“暖心”位于云下方?！袄渑荨背霈F(xiàn)在0.8、1.2、2、2.8 km四個高度附近（黑色虛線標(biāo)識）；在高空（3—8 km）“升溫”現(xiàn)象明顯（白色虛線標(biāo)識），在5 km附近存在薄層逆溫結(jié)構(gòu)即第二“暖心”（紅色虛線標(biāo)識），其厚度和水平尺度均小于低層暖心。

圖3　大氣溫度廓線

造成5次降水的對流云團(tuán)見圖5。X1、X4、X5云團(tuán)紋理均勻，顏色白亮，為大范圍積雨云系。X2、X3紋理粗糙，顏色灰暗，由積云、卷云等混合組成。5次過程云頂溫度最大值分別為-110℃、-43℃、-33℃、-94℃、-70℃，遠(yuǎn)低于輻射計在10 km處的溫度（-31℃、33℃、-32℃、-32℃、-33℃），說明5次過程云頂高度均超過了10 km，除X3外均達(dá)到強對流云團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)[1]。X1-X4云底高存在較大波動，降水時間和逆溫層維持時間較短。X5過程中云底高基本維持在0.5 km，降水時間和逆溫層維持時間較長。5次過程均由對流擾動所引起的，且都位于大范圍輻合云系的邊緣。

圖4　云底高度

圖5　MTSAT IR1通道云圖

3.3水汽和液態(tài)水垂直分布特征

圖6是5次降水過程水汽密度和液態(tài)水含量廓線，5次顯著“逆溫”現(xiàn)象出現(xiàn)的時刻均有水汽和液態(tài)水含量大值區(qū)相對應(yīng)，其高度范圍分別為0.1—6 km、0.1—8 km。近地面“暖心”及其下方，水汽密度普遍＞20 g/m3，相對濕度均在100%左右?！芭摹毕路剿芏群鸵簯B(tài)水含量相對較小，為“干區(qū)”；“暖心”內(nèi)水汽密度和液態(tài)水含量均有增加，但未形成極值中心；“暖心”之上，“冷泡”所在高度范圍內(nèi)，水汽密度出現(xiàn)厚度約為0.4 km的極值中心。液態(tài)水含量極值中心位于水汽密度極值之上。

圖6　水汽密度和液態(tài)水含量廓線

在5 km高度即第二“暖心”出現(xiàn)的位置，水汽密度約為4 g/m3，液態(tài)水含量也較小，呈現(xiàn)薄層“干區(qū)”。5 km以上水汽密度降至4 g/m3以下，而液態(tài)水含量卻出現(xiàn)了厚度約為3 km的大值區(qū)。分析發(fā)現(xiàn)，5 km高度附近氣溫接近0℃，正是水發(fā)生相變的臨界溫度。第二“暖心”的形成可能與水汽和液態(tài)水在此處轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ш瓦^冷卻水釋放大量熱量有關(guān)，由于冰相過程對對流云作用的爭論仍然存在[14-15]，其具體機制尚需進(jìn)一步研究。

在5個顯著區(qū)域，液態(tài)水含量分布是不連續(xù)的，在兩個“暖心”之間存在5個液態(tài)水含量大值中心，“冷泡”即位于大值中心或其下部。液態(tài)水的來源有二：其一是上升運動水汽凝結(jié)而來，其二在上升氣流區(qū)也存在著由雨滴降落引起的下沉氣流[16]。下沉氣流一方面帶來高層冷的液態(tài)水，且受到近地面逆溫層的阻擋而發(fā)生堆積，另一方面由于下沉氣流增溫需要吸收熱量從而為“冷泡”的形成創(chuàng)造了條件。

4　結(jié)論

（1）熱帶對流降水過程中普遍存在逆溫現(xiàn)象，強對流條件下在近地面（＜0.5 km）和高空（5 km）存在“暖心”，暖心之間有“冷泡”；

（2）典型逆溫過程發(fā)生在大范圍對流云系邊緣，對流云云頂高度均在10 km以上，為強對流降水；

（3）逆溫現(xiàn)象出現(xiàn)時存在水汽密度和液態(tài)水含量大值區(qū)。近地面“暖心”下方和第二“暖心”內(nèi)部水汽密度和液態(tài)水含量較小，兩個“暖心”之間存在大值中心。第二“暖心”之上水汽密度較小，液態(tài)水含量較大。

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On the inversion layers of tropical convective precipitation

LI Xiu-zhen1, DONG Ming-lun1, LI Bo2, WANG Li-qun1
（1. China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431 China；2. Chengyang Meteorological Bureau，Qingdao 266100 China）

Abstract：The analyses of the precipitation data obtained from the ITCZ (Intertropical Convergence Zone) revealed that inversion layers occur during the tropical convective precipitation. In order to explain this phenomenon, the atmospheric stratification under the process of rainfall was analyzed in deep based on the MP-3000A microwave radiometer data. The results indicate as follows: (1) Two warm cores exist in the process of strong convective precipitation, and with cold cores between them. (2)Typical inversion process locates at the edge of convection system, and the cloud top height of convection cloud is more than 10 km. (3) Vapor density and liquid water reach a large value zone between the two warm cores under the temperature inversion layer. The value of vapor density and liquid water content is lower below the first warm core and in the second warm core. Above the second warm core vapor density shows lower value while the liquid water is higher.

Key words：ITCZ; temperature profile; inversion layers; CISK

作者簡介：李秀鎮(zhèn)（1985-），男，工程師，碩士，主要從事航海氣象研究。E-mail: zqlixiuzhen@163.com

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究“973”發(fā)展計劃（613202）。

收稿日期：2015-03-31

中圖分類號：P732.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）01-0045-08