邢臺(tái)市大氣水汽及云水變化的降水前兆分析

郝巨飛，高俊喜，楊允凌，趙娜，張建波

（1.河北省邢臺(tái)市氣象局，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050000；3.河北省任縣氣象局，河北 任縣 050150；4.河北省環(huán)境氣象中心，石家莊 050000）

大氣的水汽變化在各種時(shí)空尺度天氣過(guò)程中扮演重要角色，其中水汽含量和云液態(tài)水含量在云的演變和降水發(fā)生、變化過(guò)程中起著重要作用［1-3］。為了全面認(rèn)識(shí)大氣中水汽的分布和變化特征，需獲取大量連續(xù)、準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用被動(dòng)式微波遙感技術(shù)的地基多通道微波輻射計(jì)具有可連續(xù)觀測(cè)、高時(shí)間分辨率、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)越來(lái)越多在天氣預(yù)報(bào)［4-6］、人工影響天氣［7-8］、環(huán)境氣象預(yù)報(bào)［9-10］等中得到應(yīng)用。眾多學(xué)者對(duì)地基多通道微波輻射計(jì)開展了深入研究，發(fā)現(xiàn)雖然微波輻射計(jì)與探空觀測(cè)資料或GPS 數(shù)據(jù)之間存在一定差異［11-13］，但其仍可為天氣預(yù)報(bào)提供有用信息。國(guó)外學(xué)者Guldner［14］和Chan［15］的研究發(fā)現(xiàn)地基微波輻射計(jì)反演得到的大氣水汽含量和液態(tài)水總量出現(xiàn)明顯增加對(duì)降水的發(fā)生有著很好的指示意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)對(duì)地基多通道微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)：在降水發(fā)生前的水汽含量和液態(tài)水含量存在較強(qiáng)的短時(shí)積聚和躍增現(xiàn)象［16-18］，但是閾值存在著明顯地區(qū)差異，其中武漢［19-20］、烏魯木齊［21］、蘭州［22］降水發(fā)生前的水汽含量分別為＞5cm、＞5cm 和＞2.2cm，烏魯木齊的液態(tài)水總量在降水發(fā)生前開始明顯增加，而武漢、蘭州的液態(tài)水總量在降水發(fā)生前的閾值分別為＞1mm 和＞0.2mm。冀南地區(qū)的邢臺(tái)市地處太行山脈南段東麓和華北平原交匯處，境內(nèi)地勢(shì)高差懸殊，西高東低，自西而東山地、丘陵、平原階梯排列，為了深入了解特殊地形下降水發(fā)生前的水汽含量、液態(tài)水含量及云底高度的變化特征，本文利用MWP967KV 型地基微波輻射計(jì)的反演數(shù)據(jù)和配備的紅外觀測(cè)儀數(shù)據(jù)，分析了邢臺(tái)市不同強(qiáng)度降水發(fā)生前水汽含量、液態(tài)水含量及云底高度的變化特征，一方面旨在加深對(duì)降水發(fā)生前大氣環(huán)境條件認(rèn)識(shí)，為人工增雨作業(yè)的開始時(shí)間提供參考，另一方面便于加強(qiáng)對(duì)新型探測(cè)資料的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用。

1 資料與方法

降水資料來(lái)自中國(guó)氣象局邢臺(tái)大氣環(huán)境野外科學(xué)試驗(yàn)基地（37°11′N，114°22′E，海拔高度182.0m），為盡可能消除前期降水對(duì)地基微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)的影響，剔除降水開始時(shí)前12h 內(nèi)已出現(xiàn)的降水個(gè)例［22］，同時(shí)為更加精準(zhǔn)衡量不同量級(jí)降水的云水變化特征，將降水持續(xù)時(shí)間≥2h 定義為持續(xù)降水，降水持續(xù)時(shí)間≤1h 定義為短時(shí)降水，在剔除觀測(cè)儀器由于設(shè)備維護(hù)或停機(jī)等原因造成的數(shù)據(jù)缺測(cè)情況下，結(jié)合小時(shí)降水量和降水持續(xù)時(shí)間等情況將降水個(gè)例進(jìn)行分類（表1），分別為第一類降水（短時(shí)降水）：小時(shí)雨量介于0.1～0.5mm；第二類降水（短時(shí)降水）：小時(shí)雨量介于0.6～1.5mm；第三類降水（持續(xù)降水）：小時(shí)雨量介于0.1～0.5mm；第四類降水（持續(xù)降水）：小時(shí)雨量介于0.6～1.5mm。普查得到2016 年1 月1日—12 月31 日，邢臺(tái)站第一類至第四類降水個(gè)例分別為11、3、13、4 個(gè)。

地基微波輻射計(jì)為中國(guó)兵器工業(yè)第206 研究所研制的MWP967KV 型微波輻射計(jì)，布設(shè)在中國(guó)氣象局邢臺(tái)大氣環(huán)境野外科學(xué)試驗(yàn)基地內(nèi)，該輻射計(jì)采用高靈敏雙毫米波段、多通道無(wú)源接受方式探測(cè)5mm（V 頻段）和13mm（K 頻段）波段特定頻點(diǎn)的微弱大氣輻射噪聲，其中在K 頻段有21 個(gè)通道，用于測(cè)量水汽密度廓線，在V 頻段有14 個(gè)通道，用于測(cè)量溫度廓線。采用蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院開發(fā)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用邢臺(tái)市高空探測(cè)站1971—2000 年的歷史探空資料進(jìn)行建模，實(shí)時(shí)反演出從地表到頂空10.0km 高度的大氣溫濕廓線［23］，廓線劃分為58 層，分辨率分別為50m（0.5km 以下）、100m（0.5～2.0km）、250m（2.0～10.0km），儀器定期由專業(yè)維護(hù)人員進(jìn)行標(biāo)定處理。通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)［24-25］發(fā)現(xiàn)該設(shè)備利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演的大氣溫濕廓線準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性在一定程度上優(yōu)于多元線性回歸法，該微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)與探空觀測(cè)或計(jì)算獲得的溫度、相對(duì)濕度、水汽密度的相關(guān)系數(shù)分別為0.9879、0.9861 和0.9887，均方根誤差分別為2.15、0.04 和0.79，由于探測(cè)原理不同，微波輻射計(jì)始終處于定點(diǎn)的垂直探測(cè)，而常規(guī)探空的探測(cè)儀則隨高度升高，不斷向高空氣流的下風(fēng)向偏移，同時(shí)相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)均通過(guò)了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明2 種資料的垂直廓線變化趨勢(shì)較為一致，參數(shù)準(zhǔn)確且可靠，能夠較好的表征出垂直方向的氣象要素變化［26-27］。由于降水?dāng)?shù)據(jù)為小時(shí)值，因此對(duì)地基微波輻射計(jì)的逐5min反演數(shù)據(jù)進(jìn)行了小時(shí)平均處理以便進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 2016 年邢臺(tái)站降水個(gè)例分類

2 結(jié)果與分析

2.1 水汽含量變化

微波輻射計(jì)反演的積分柱大氣水汽含量（Integrated Water Vapour，IWV）表示將大氣10km內(nèi)不同高度上的水汽密度對(duì)高度積分，文中單位用cm 表示。分析發(fā)現(xiàn)第一類降水的平均IWV（圖1）在降水前12—9h 由2.41cm 緩慢下降至2.37cm，降水前8—1h 由2.34cm 持續(xù)增至3.26cm，平均小時(shí)升幅5.62%，其中降水前4—1h 的IWV 增速明顯，平均小時(shí)升幅10.66%；第二類降水的平均IWV 在降水前12—10h 由3.53cm 緩慢下降至3.44cm，降水前9—1h 由3.48cm 增至4.60cm，平均小時(shí)升幅4.02%；第三類降水的平均IWV 在降水前12—4h 由2.80cm 緩慢增加至3.21cm，降水前3—1h 的IWV增加明顯，由3.27cm 增至3.75cm，小時(shí)平均升幅7.34%；第四類降水的平均IWV 先由降水前12h 的3.55cm 增加至降水前4h 的3.88cm，小時(shí)平均升幅1.16%，然后由降水前3h 的3.93cm 迅速增加至降水前1h 的4.39cm，小時(shí)平均升幅5.85%。

圖1 2016 年邢臺(tái)站四類降水個(gè)例降水前12—1h平均水汽含量時(shí)間變化（單位：cm）

分析不同類型降水的平均IWV 可知，第一、三、四類降水，都是IWV 值隨著降水量而增大，但第二類降水的平均IWV 卻呈降水量相對(duì)較小，而IWV卻呈相對(duì)高值的現(xiàn)象，究其原因可能是：第一、三、四類降水發(fā)生前，水汽的集聚是緩慢發(fā)生的，而第二類短時(shí)降水較第一類降水的雨量大，水汽的集聚過(guò)程可能存在著陡升，降水發(fā)生前7—6h，第二類降水的IWV 值增加明顯，可能就是水汽的突然集聚所致。第一、二、三、四類降水的平均IWV 在降水前3—1h均呈增加態(tài)勢(shì)，小時(shí)平均升幅依次為12.79%、5.27%、7.32%和5.78%，降水前3—1h 的所有個(gè)例平均IWV 分別為3.49cm、3.67cm 和4.00cm。綜上分析，邢臺(tái)降水前IWV 呈持續(xù)增加時(shí)間≥3h，且IWV≥4.00cm，可作為判斷未來(lái)1h 邢臺(tái)地區(qū)發(fā)生降水的一個(gè)參考指標(biāo)。該指標(biāo)值與武漢（IWV≥5.00cm）、咸寧（IWV ≥9.00cm）、烏魯木齊（IWV ≥5.00cm）、蘭州（IWV≥2.20cm）等地發(fā)生降水的參考指標(biāo)值存在一定差異。究其原因，可能是因?yàn)樘幱诩侥系貐^(qū)的邢臺(tái)市位于太行山脈南段東麓，不同物理下墊面及所處不同地理位置會(huì)對(duì)西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)下的天氣形勢(shì)產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響到云和降水系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，宏微觀物理結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地發(fā)生改變［28］，從而使得水汽含量作為預(yù)報(bào)閾值出現(xiàn)了地區(qū)差異。

2.2 液態(tài)水含量變化

微波輻射計(jì)反演的積分柱大氣液態(tài)水含量（Integral liquid water，ILW）表示0～10km 高度單位面積垂直氣柱內(nèi)積分的液態(tài)水含量，文中單位用mm 表示。第一類降水的平均ILW（圖2）由降水前12h 的0.055mm 持續(xù)增加至降水前5h 的0.168mm，然后由降水前4h 的0.198mm 躍增至降水前1h 的0.757mm；第二類降水的平均ILW 在降水前12—8h介于0.043～0.068mm 波動(dòng)變化，平均值為0.053mm，然后由降水前7h 的0.041mm 增加至降水前5h 的0.161mm，降水前4h 降至0.097mm，最后由降水前3h 的0.082mm 躍增至降水前1h 的0.844mm；第三類降水的平均ILW 在降水前12—7h 由0.066mm 緩慢增加至0.106mm，然后由降水前6h 的0.102mm增至降水前4h 的0.120mm，最后由降水前3h 的0.149mm 增至降水前1h 的0.463mm；第四類降水的平均ILW 在降水前12—11h 出現(xiàn)短時(shí)下降，然后由降水前10h 的0.064mm 波動(dòng)增加至降水前6h 的0.164mm，隨后在降水前5h 下降到0.073mm，降水前4h 升至0.094mm，最后由降水前3h 的0.090mm躍增至降水前1h 的0.611mm。

圖2 2016 年邢臺(tái)站四類降水個(gè)例降水前12—1h平均液態(tài)水含量時(shí)間變化（單位：mm）

對(duì)不同類型降水的平均ILW 分析發(fā)現(xiàn)，第一、三類降水的平均ILW 在降水前12—1h 呈持續(xù)增加分布，其中在降水前2—1h 呈明顯增加，增長(zhǎng)幅度分別為1.229 倍和0.555 倍，降水前2—1h 的平均ILW則分別為0.319mm 和0.610mm。第二、四類降水的平均ILW 呈波動(dòng)或減少—增加—減少—躍增的分布，其中躍增階段都在降水前3—1h 發(fā)生，增長(zhǎng)幅度分別為4.624 倍和2.907 倍，降水前3—1h 的平均ILW 則分別為0.086mm、0.218mm 和0.728mm。降水前3—1h 的所有個(gè)例平均ILW 分別為0.143mm、0.268mm 和0.669mm。綜上分析可知，ILW 呈明顯增加時(shí)間≥2h，且ILW≥0.669mm 可作為判斷未來(lái)1h邢臺(tái)地區(qū)發(fā)生降水的一個(gè)參考指標(biāo)。該指標(biāo)值小于武漢未來(lái)1h 發(fā)生降水的參考指標(biāo)值（ILW ≥1.000mm），大于蘭州未來(lái)1h 發(fā)生降水的參考指標(biāo)值（ILW≥0.200mm），差異產(chǎn)生的原因除了地形因素外，可能與不同緯度、經(jīng)度上的平均云液態(tài)水含量差異［29］有一定關(guān)系。段英和吳志會(huì)［3］分析位于邢臺(tái)市北部石家莊市的大氣液態(tài)水含量分布特征表明，ILW＞0.3mm 可作為石家莊市是否產(chǎn)生降水的參考指標(biāo)。雖然邢臺(tái)市與石家莊市相距僅僅約110km，但二者作為判斷是否產(chǎn)生降水的ILW 閾值卻存在較大差異，這進(jìn)一步說(shuō)明判斷降水是否發(fā)生的液態(tài)水含量閾值存在著地區(qū)差異。將ILW 與IWV 進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，IWV 開始明顯增加的時(shí)間提前于ILW 開始明顯增加的時(shí)間約為1h 左右，且ILW 在降水前呈明顯波動(dòng)的情況下，則降水開始第1h 內(nèi)的降水量會(huì)出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象。

2.3 云底高度變化

云是空氣和水凝結(jié)物構(gòu)成的懸浮于大氣中的可見聚合體，是在大氣中空氣相對(duì)濕度達(dá)到飽和或過(guò)飽和時(shí)才形成的，而云底高度則反映了空中水物質(zhì)向地面的發(fā)展程度［30］。第一類降水的平均云底高度呈波動(dòng)—下降—陡降的分布（圖3），降水前12～7h云底高度介于4.32～5.31km 波動(dòng)變化，平均值為4.80km，隨后由降水前6h 的4.43km 持續(xù)下降至降水前4h 的3.64km，最后在降水前3—1h 的平均下降幅度達(dá)到1.07km·h-1，由3.29km 降至1.15km；第二類降水的平均云底高度呈波動(dòng)—下降—升高—下降的分布，其中降水前12—9h 云底高度介于5.31～6.59km，平均值為5.95km，隨后由降水前8h 的6.03km 持續(xù)下降至降水前5h 的3.71km，然后在降水前4h 略升至4.26km，最后持續(xù)下降至降水前1h的1.69km；第三類降水的平均云底高度呈波動(dòng)—下降—升高—下降的分布，降水前12—10h 的云底高度介于4.71～5.19km，平均值為5.02km，隨后持續(xù)下降至降水前6h 的3.54km，降水前5h 略升至3.61km，最后由降水前4h 的3.36km 持續(xù)下降至降水前1h 的1.68km；第四類降水的平均云底高度呈下降—波動(dòng)—下降的分布，其中降水前12—9h 的云底高度由5.33km 降至2.86km，然后在降水前8—5h的云底高度介于3.28～3.77km 波動(dòng)變化，平均值為3.50km，最后由降水前4h 的2.98km 持續(xù)下降至降水前1h 的1.60km。

圖3 2016 年邢臺(tái)站四類降水個(gè)例降水前12—1h平均云底高度時(shí)間變化（單位：km）

分析不同類型降水的平均云底高度可知，雖然四類降水的云底高度在降水前的變化不盡相同，但在降水前4—1h 均呈減少趨勢(shì)，下降幅度依次為0.83km·h-1、0.86km·h-1、0.56km·h-1、和0.46km·h-1，平均下降幅度達(dá)到0.68km·h-1，所有個(gè)例的平均云底高度在降水前4—1h 分別為3.56km、3.25km、2.42km 和1.53km。綜上分析表明，云底高度開始明顯下降且持續(xù)時(shí)間≥4h，平均降幅≥0.68km·h-1，云底高度≤1.53km，可作為判斷未來(lái)1h 邢臺(tái)地區(qū)發(fā)生降水的一個(gè)參考指標(biāo)。該指標(biāo)值與劉雪梅等［31］研究發(fā)現(xiàn)的中國(guó)降水云系的云底高度日變化最低值大約為0.5km，最高值大約為1.5km 的結(jié)論基本相符。同時(shí)將云底高度變化與IWV、ILW 進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，降水前云底高度開始持續(xù)性下降的時(shí)間提前于IWV開始明顯增加的時(shí)間約1h 左右，IWV 開始持續(xù)性增加的時(shí)間提前于ILW 開始明顯增加的時(shí)間約為1h 左右，究其原因可能是因?yàn)榘殡S降水云系的云底高度下降，同時(shí)疊加水汽的輸送效應(yīng)等［32-33］導(dǎo)致約1h 后的IWV 呈明顯升高，IWV 的升高又導(dǎo)致氣態(tài)水向液態(tài)水轉(zhuǎn)換的增加，使得約1h 后的ILW 開始明顯增加。

2.4 個(gè)例的廓線分析

為深入分析降水發(fā)生前的IWV、ILW 變化特點(diǎn)，對(duì)8 月8 日降水個(gè)例進(jìn)行了廓線分析發(fā)現(xiàn)：降水前的水汽密度（圖4a）在0.8km 高度以下出現(xiàn)集聚，自15：30 開始，水汽密度的大值范圍不斷由近地層向高空伸展，到降水前2h 的17：00 左右，近地面出現(xiàn)大于15g·m-3的高值中心并基本持續(xù)到降水發(fā)生時(shí)，降水前2—1h 在10km 高度內(nèi)的水汽密度對(duì)高度積分后的IWV 則分別為4.90cm 和5.03cm。液態(tài)水密度廓線圖（圖4b）顯示，8 月8 日個(gè)例的云底高度在降水前10～3h 基本維持在1km 高度附近，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在4km 高度附近出現(xiàn)的液態(tài)水密度高值中心隨時(shí)間的發(fā)展基本呈高—低—高—低—高的波動(dòng)分布，推測(cè)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于云中的冰晶與液態(tài)水不斷發(fā)生的固-液轉(zhuǎn)化，也有可能是因?yàn)樵浦械慕邓Ｗ邮芡牧髯饔冒l(fā)生了不斷往返的下降—升高現(xiàn)象，冰晶、水汽共存且可能伴隨的貝吉隆增長(zhǎng)［34-35］以及云水凝物含水量分布不均勻［36］等原因?qū)е铝嗽摤F(xiàn)象的發(fā)生，從16 時(shí)左右開始，液態(tài)水密度廓線顯示云底高度發(fā)生明顯的下降，同時(shí)高空的液態(tài)水密度大值區(qū)不斷向低層延伸，到19 時(shí)左右，大于0.04g·m-3的液態(tài)水大值區(qū)已延伸至0.5～6.0km高度。

圖4 8 月8 日個(gè)例降水前IWV（圖a，單位：cm）和ILW（圖b，單位：mm）廓線變化

由上面的分析可以得出：采用微波輻射計(jì)的1h平均值作為分析數(shù)據(jù)來(lái)判斷降水發(fā)生前的閾值變化，雖然平均值可能會(huì)平滑掉一些有用信息，但是由于平均數(shù)受抽樣的影響比較小，離均差平方和最小，代表了一個(gè)資料集中性的代表值，反應(yīng)了資料中各觀察值集中較多的中心位置［37］，因此其計(jì)算得出的結(jié)論也是可信的。

3 結(jié)論與討論

使用國(guó)產(chǎn)的MWP967KV 型微波輻射計(jì)和配備的紅外觀測(cè)儀，從水汽含量（IWV）、液態(tài)水含量（ILW）和云底高度變化等方面，對(duì)邢臺(tái)市不同類型降水下的IWV、ILW 和云底高度變化特征進(jìn)行了對(duì)比分析，主要得到結(jié)論如下：

（1）邢臺(tái)地區(qū)降水分類中的第一、二、三、四類降水的平均IWV 在降水前3—1h 增加明顯，小時(shí)平均升幅依次為12.79%、5.27%、7.32%和5.78%。降水前IWV 呈持續(xù)增加時(shí)間≥3h，且IWV≥4.00cm，可作為判斷未來(lái)1h 邢臺(tái)地區(qū)發(fā)生降水的一個(gè)參考指標(biāo)。

（2）邢臺(tái)地區(qū)降水分類中的第一、三類降水的平均ILW 在降水前12—1h 呈持續(xù)增加分布，其中在降水前2—1h 的增長(zhǎng)幅度分別達(dá)到1.229 倍和0.555 倍，第二、四類降水的平均ILW 呈波動(dòng)或減少—增加—減少—躍增的分布，其中躍增階段都在降水前3—1h 發(fā)生，增長(zhǎng)幅度分別為4.624 倍和2.907 倍。ILW 呈明顯增加時(shí)間≥2h，且ILW≥0.669mm 可作為判斷未來(lái)1h 邢臺(tái)地區(qū)發(fā)生降水的一個(gè)參考指標(biāo)。

（3）邢臺(tái)地區(qū)的四類降水云底高度在降水前的變化不盡相同，但在降水前4—1h 均呈減少趨勢(shì)。云底高度開始明顯下降且持續(xù)時(shí)間≥4h，平均降幅≥0.68km·h-1，云底高度≤1.53km 可作為判斷未來(lái)1h邢臺(tái)地區(qū)發(fā)生降水的一個(gè)參考指標(biāo)。

（4）降水前云底高度開始持續(xù)性下降的時(shí)間提前于IWV 開始明顯增加的時(shí)間約1h 左右，IWV 開始持續(xù)性增加的時(shí)間提前于ILW 開始明顯增加的時(shí)間約為1h 左右；ILW 在降水前呈明顯波動(dòng)的情況下，則降水開始第1h 內(nèi)的降水量會(huì)出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象。

通過(guò)提取大氣云水的降水前兆信號(hào)，一方面驗(yàn)證了降水發(fā)生前的大氣水汽含量和液態(tài)水含量閾值存在著地區(qū)差異，另一方面加深了對(duì)國(guó)產(chǎn)MWP967KV 型微波輻射計(jì)資料的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，將該微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)應(yīng)用到短時(shí)預(yù)報(bào)和人影作業(yè)指揮中，可有效提升氣象預(yù)報(bào)服務(wù)能力及為人工增雨作業(yè)的開始時(shí)間提供參考。但由于降水過(guò)程中復(fù)雜的宏微觀物理變化，本文僅重點(diǎn)對(duì)小時(shí)資料進(jìn)行了分析，缺乏分鐘級(jí)別的深入研究，對(duì)降水個(gè)例也缺少天氣形勢(shì)演變的分型，這方面的工作將在后期進(jìn)一步加強(qiáng)。