北京冬奧會(huì)云頂賽場(chǎng)微波輻射計(jì)反演大氣溫濕廓線分析*

孔凡超 李江波 王 穎

1 河北省氣象臺(tái),石家莊 050021 2 內(nèi)蒙古呼倫貝爾市氣象臺(tái),呼倫貝爾 021000

提 要： 利用冬奧會(huì)云頂賽場(chǎng)2019年1月22日至3月30日自動(dòng)站以及張家口探空資料，對(duì)微波輻射計(jì)反演溫濕廓線的精度進(jìn)行了分析，并結(jié)合NCEP/NCAR逐6 h再分析資料探討了賽場(chǎng)夜間熱力、水汽特征及其成因。結(jié)果表明：總體上微波輻射計(jì)反演溫度和水汽密度與自動(dòng)站、探空觀測(cè)之間一致性較好，相對(duì)濕度略差。微波輻射計(jì)反演溫度平均誤差在各個(gè)層次相對(duì)不大，可用性較強(qiáng)；水汽密度均方根誤差表現(xiàn)為近地面較大，隨高度升高而減??；相對(duì)濕度平均誤差在多數(shù)層次上均較大，最大平均誤差達(dá)到25%。云和降水均會(huì)導(dǎo)致溫度和水汽密度在大部分高度上誤差加大，但降水天氣相對(duì)濕度誤差較晴空和有云天氣條件明顯減小。進(jìn)一步研究賽場(chǎng)夜間熱力、水汽特征發(fā)現(xiàn)，夜間逆溫層結(jié)構(gòu)在云頂賽場(chǎng)十分常見(jiàn)，出現(xiàn)概率達(dá)到50%，逆溫層頂一般在山頂附近或以下，當(dāng)配合暖平流時(shí)，逆溫層厚度和溫差將大大加強(qiáng)。鋒區(qū)移過(guò)后中低層下沉運(yùn)動(dòng)以及中低層暖平流都可能給賽場(chǎng)帶來(lái)明顯的夜間增溫。下沉運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)的增溫過(guò)程中，微波輻射計(jì)參數(shù)廓線表現(xiàn)為中低層溫度整體升高，低層水汽密度在下沉輻散作用下明顯減小。在中低層暖平流主導(dǎo)的增溫過(guò)程中，增溫強(qiáng)度隨高度升高而減小，且增溫過(guò)程表現(xiàn)出明顯的增濕現(xiàn)象。

引 言

張家口市崇禮區(qū)將承擔(dān)2022年第24屆北京冬季奧運(yùn)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱冬奧會(huì))單板滑雪、自由式滑雪、越野滑雪、跳臺(tái)滑雪、北歐兩項(xiàng)、冬季兩項(xiàng)等共6個(gè)大項(xiàng)51個(gè)小項(xiàng)的比賽。這是冬奧會(huì)首次在大陸性季風(fēng)氣候地區(qū)舉行，而往屆的舉辦地均屬海洋性氣候。氣象條件不僅對(duì)運(yùn)動(dòng)員成績(jī)有較大影響，對(duì)賽事組織，甚至安全運(yùn)行也有較大影響，可以說(shuō)天氣是冬奧會(huì)能否順利成功舉辦的關(guān)鍵因素。崇禮區(qū)山峰林立、溝壑相連，地形較為復(fù)雜，同時(shí)氣象資料積累少，因此氣象預(yù)報(bào)具有極大的挑戰(zhàn)性。在這種情況下，為了能獲得高時(shí)空分辨率的氣象觀測(cè)資料，當(dāng)?shù)貧庀蟛块T從2016年開始在賽區(qū)及周邊部署地面及探空設(shè)備?？紤]到地基微波輻射計(jì)具有全天候連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，可以彌補(bǔ)探空中探測(cè)時(shí)間間隔長(zhǎng)和探測(cè)信息不全的缺點(diǎn)，2019年1月，賽區(qū)布設(shè)了4部微波輻射計(jì)，用以監(jiān)測(cè)賽場(chǎng)上空大氣溫度、濕度、水汽密度以及云液態(tài)水廓線。這些連續(xù)的大氣廓線為捕捉中小尺度系統(tǒng)的精細(xì)熱力結(jié)構(gòu)提供了可能。

近些年，許多學(xué)者對(duì)微波輻射計(jì)的測(cè)量精度進(jìn)行了研究，探討了微波輻射計(jì)的優(yōu)勢(shì)與不足。劉紅燕(2011)用北京南郊三年的地基微波輻射計(jì)資料，對(duì)溫度廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差隨高度逐漸增大。張秋晨等(2017)通過(guò)比較微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)與探空測(cè)值的差異，發(fā)現(xiàn)溫度、水汽密度與常規(guī)探空資料有比較好的線性相關(guān)性。丁虹鑫等(2018)探討了微波輻射計(jì)聯(lián)合云雷達(dá)提高相對(duì)濕度廓線反演精度的方法。鄭颯颯(2019)經(jīng)過(guò)評(píng)估發(fā)現(xiàn)微波輻射計(jì)反演的溫度和水汽密度可信度較高，能彌補(bǔ)探空在時(shí)空上分布不足的問(wèn)題。隨著微波輻射計(jì)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不少學(xué)者已將微波輻射計(jì)觀測(cè)獲得的大氣熱力和水汽信息應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流、暴雪等災(zāi)害天氣的潛勢(shì)預(yù)報(bào)以及邊界層結(jié)構(gòu)演變過(guò)程的研究中。李睿劼和李宏宇(2008)、Chan(2009)利用微波輻射計(jì)溫濕廓線計(jì)算的K指數(shù)監(jiān)測(cè)大氣穩(wěn)定度，并探討了其在降水臨近預(yù)報(bào)中的作用。許皓琳等(2020)研究表明微波輻射計(jì)水汽資料對(duì)雷暴降水有較好的預(yù)警和識(shí)別作用。韓玨靖等(2015)分析了不同天氣下微波輻射計(jì)的探測(cè)特征，發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度和液態(tài)水含量的垂直變化與降水、強(qiáng)對(duì)流和大霧的發(fā)生有良好對(duì)應(yīng)。唐仁茂等(2012)、黃治勇等(2014)對(duì)發(fā)生在咸寧的冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)微波輻射計(jì)探測(cè)資料對(duì)冰雹天氣有一定的臨近預(yù)警潛力。劉思波等(2015)探討了地基微波輻射計(jì)資料直接反演大氣邊界層高度的方法。楊富燕等(2016)使用溫度梯度法估算了大氣混合層高度。

本文利用2019年1—3月自動(dòng)氣象站資料、張家口L波段探空資料對(duì)崇禮區(qū)云頂賽場(chǎng)MWP967KV型地基微波輻射計(jì)反演溫濕廓線的精度進(jìn)行分析，評(píng)估微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)在云頂賽場(chǎng)的適用性，并嘗試?yán)梦⒉ㄝ椛溆?jì)反演的大氣廓線資料，探討云頂賽場(chǎng)大氣熱力和水汽變化特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資 料

地基微波輻射計(jì)是西安北方天穹生產(chǎn)的MWP967KV型。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多通道連續(xù)探測(cè)水汽和氧氣的大氣微波輻射，并利用輻射傳輸方程，輔以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)反演得到0～10 km 的大氣溫度、濕度、水汽以及液態(tài)水含量等多種大氣參數(shù)。設(shè)備探測(cè)時(shí)間間隔為2 min;輸出廓線垂直方向?yàn)?8層，其中0～0.5 km高度分辨率為0.05 km，0.5～2 km分辨率為0.1 km，2～10 km分辨率為 0.25 km。設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為2019年1月22日到3月30日(其中1月22日00—12時(shí)，25日15時(shí)至28日11時(shí)設(shè)備維護(hù))。

云頂賽場(chǎng)所處山谷海拔落差較大，谷底海拔高度為1 733 m，山頂超過(guò)2 000 m。其中云頂1號(hào)站(海拔高度為1 923.4 m)和2號(hào)站(海拔高度為1 853.9 m)位于微波輻射計(jì)(海拔高度為1 839.2 m)所在的山谷北坡上，與微波輻射計(jì)的水平距離均在50 m以內(nèi)，垂直方向分別位于微波輻射計(jì)上方84.2 m 和14.7 m的位置(圖1)。兩個(gè)自動(dòng)站均可監(jiān)測(cè)溫度、濕度、風(fēng)、固態(tài)降水等氣象要素，觀測(cè)時(shí)間間隔為5 min。

圖1 云頂賽場(chǎng)周邊地形及云頂1號(hào)站(A點(diǎn))、2號(hào)站(B點(diǎn))和微波輻射計(jì)位置(C點(diǎn))Fig.1 Surrounding topography of Genting Venue and positions of Genting Station 1 (Point A), Station 2 (Point B) and microwave radiometer (Point C)

張家口探空站位于張家口主城區(qū)東部，海拔高度為774 m，距離云頂賽場(chǎng)的直線距離為49 km。其使用的是L波段無(wú)線電探空系統(tǒng)，通過(guò)傳感器直接探測(cè)大氣溫度、濕度、壓強(qiáng)的垂直變化，同時(shí)L波段雷達(dá)可定位推算水平風(fēng)廓線，廓線垂直采樣時(shí)間間隔為1 s。該系統(tǒng)在每天08時(shí)和20時(shí)(北京時(shí)，下同)進(jìn)行觀測(cè)。

此外，在賽場(chǎng)熱力和水汽特征分析中還使用了NCEP/NCAR逐6 h再分析資料，水平分辨率為1°×1°，主要?dú)庀笠匕ǎ何粍?shì)高度、溫度、風(fēng)、相對(duì)濕度、垂直速度。

1.2 分析方法

利用張家口探空站的L波段探空資料(資料時(shí)段為2018年、2019年兩年的1—3月，共計(jì)180 d)計(jì)算總Richardson數(shù)來(lái)判別張家口及其周邊地區(qū)的邊界層高度?？俁ichardson數(shù)的計(jì)算方案參照Sicard et al(2006)。

式中：g為重力加速度，z0為地面海拔高度，θ為位溫，u和v分別為緯向、經(jīng)向風(fēng)分量?？俁ichardson 數(shù)是衡量湍流運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)，而邊界層高度是湍流運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鬟\(yùn)動(dòng)的分界線，本文依據(jù)Sicard et al(2006)、徐桂榮等(2014)將邊界層高度設(shè)定為總Richardson數(shù)首次大于臨界值(0.25)的高度。

08時(shí)和20時(shí)兩個(gè)觀測(cè)時(shí)刻分別接近于張家口地區(qū)的日出、日落時(shí)刻，邊界層絕大多數(shù)為穩(wěn)定邊界層，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，邊界層高度最大值為1.3 km，最小值為0.05 km，80%的高度值集中在0.15～0.7 km ，平均值為0.486 km。微波輻射計(jì)位置距其所在山坡頂為0.15 km，加上平均邊界層高度(0.486 km)，因此設(shè)定微波輻射計(jì)上方0.6 km以內(nèi)的數(shù)據(jù)會(huì)受到局地地形的影響，0.6 km以上為自由大氣。

選取 08時(shí)和20時(shí)兩個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的自動(dòng)站資料、探空資料與最臨近這兩個(gè)時(shí)刻的微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。此外，考慮到自動(dòng)站海拔高度，將2號(hào)站、1號(hào)站觀測(cè)數(shù)據(jù)分別與微波輻射計(jì)0 km和0.1 km高度資料進(jìn)行比較，同時(shí)采用線性插值法將探空廓線插值到微波輻射計(jì)0.6～3 km廓線上的19個(gè)高度層，然后以此為參考，對(duì)相應(yīng)層次上匹配的微波輻射計(jì)廓線精度進(jìn)行評(píng)估。本文考察了云頂1號(hào)站、2號(hào)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，L波段探空數(shù)據(jù)與微波輻射計(jì)反演的溫度、水汽密度和相對(duì)濕度之間的相關(guān)系數(shù)、平均誤差以及均方根誤差。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了云頂賽場(chǎng)上空夜間逆溫以及夜間升溫過(guò)程中的大氣熱力和水汽特征，以期為做好冬奧會(huì)期間最低氣溫和濕度預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

2 對(duì)比結(jié)果分析

2.1 總體評(píng)價(jià)

云頂1號(hào)站、2號(hào)站和張家口探空站均為中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)準(zhǔn)入設(shè)備。設(shè)備所觀測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)河北省氣象信息中心進(jìn)行了質(zhì)量控制，符合業(yè)務(wù)規(guī)范和準(zhǔn)入要求，能夠反映大氣的真實(shí)狀態(tài)。將微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)層次的自動(dòng)站資料、探空資料對(duì)比，可視為與大氣真實(shí)狀態(tài)的對(duì)比。對(duì)2019年1月22日到3月30日期間，3 km以下全部21個(gè)層次上的共計(jì)2 882組大氣溫度、水汽密度以及相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行整體對(duì)比分析，結(jié)果如圖2。微波輻射計(jì)反演溫度與自動(dòng)站、探空站兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.98和0.88，平均誤差為0.18℃和0.33℃,均方根誤差為1.2℃和3℃,這表明在近地面層，反演溫度誤差較小，而在平均邊界層上方誤差增大，且溫度越低離散度越大(圖2a)。由于大氣的環(huán)境溫度隨高度增加而降低，這也反映出反演溫度的精度隨高度增加而降低?？傮w來(lái)看，微波輻射計(jì)與自動(dòng)站、探空站溫度的整體相關(guān)系數(shù)為0.91,平均誤差為0.3℃，均方根誤差為2.8℃，且通過(guò)了α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，說(shuō)明反演溫度在3 km以下與實(shí)況的誤差不大，可用性較好。水汽密度方面，反演值與自動(dòng)站、探空站兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.93和0.78，平均誤差為-0.5 g·m-3和0.12 g·m-3,均方根誤差為0.65 g·m-3和0.46 g·m-3,表明反演水汽密度與實(shí)況的一致性在近地面層好于平均邊界層上方，但誤差較大(圖2b)。反演水汽密度與自動(dòng)站、探空站的整體相關(guān)系數(shù)為0.81,平均誤差為0.04 g·m-3，均方根誤差為0.5 g·m-3，說(shuō)明反演水汽密度可以表征水汽的變化趨勢(shì)。與溫度和水汽密度相似，在近地面層微波輻射計(jì)相對(duì)濕度與自動(dòng)站數(shù)據(jù)也有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.97，平均誤差為-1.7%，均方根誤差為5.4%,但微波輻射計(jì)相對(duì)濕度與探空站數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)僅有0.64，表明微波輻射計(jì)相對(duì)濕度在平均邊界層高度上方表征相對(duì)濕度變化趨勢(shì)的能力不足(圖2c)。微波輻射計(jì)相對(duì)濕度與自動(dòng)站、探空站數(shù)據(jù)的整體相關(guān)系數(shù)為0.72，平均誤差為15%，均方根誤差較大，為25%，可用性總體較差。許多有關(guān)微波輻射計(jì)的研究也有類似的結(jié)論(徐桂榮等，2019；張秋晨等，2017)。

圖2 2019年1月22日至3月30日微波輻射計(jì)反演溫度(a)、水汽密度(b)和相對(duì)濕度(c)與張家口探空(灰色點(diǎn))、自動(dòng)站(黃色點(diǎn))比較(黑線為與張家口探空對(duì)比趨勢(shì)線，紅線為與自動(dòng)站對(duì)比趨勢(shì)線)Fig.2 Comparison of temperature (a), water vapor density (b) and relative humidity (c) retrieved by microwave radiometer with Zhangjiakou Radiosonde (gray dots) and automatic stations (yellow dots) observed from 22 January to 30 March 2019(black trend line: Zhangjiakou Radiosonde, red trend line: automatic stations)

微波輻射計(jì)溫度、水汽密度反演值與自動(dòng)站數(shù)據(jù)、探空站數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明，無(wú)論在近地面層還是在平均邊界層上方，其與實(shí)際觀測(cè)均存在明顯的正相關(guān)和相對(duì)較小的均方根誤差?？梢?jiàn)，溫度、水汽密度反演值能夠反映實(shí)際大氣中溫濕狀態(tài)的升降變化, 且與實(shí)際大氣有較高的吻合度，其在云頂賽場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)業(yè)務(wù)中可用性較強(qiáng)，可以彌補(bǔ)其他設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率不高的不足。但微波輻射計(jì)相對(duì)濕度在平均邊界層上方與實(shí)際觀測(cè)相關(guān)性較差，偏差較大，準(zhǔn)確性不高，反映實(shí)際大氣相對(duì)濕度垂直廓線的能力不足。其原因主要是微波輻射計(jì)相對(duì)濕度是由反演得到的大氣溫度、水汽密度實(shí)時(shí)計(jì)算得來(lái)，因此相對(duì)濕度誤差結(jié)合了反演溫度和水汽密度兩方面的誤差。

2.2 垂直方向?qū)Ρ?/h3>

賽區(qū)微波輻射計(jì)觀測(cè)資料主要用于分析低層大氣溫濕特征演變，因此本文著重分析微波輻射計(jì)反演的0～3 km共21個(gè)高度層數(shù)據(jù)。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，微波輻射計(jì)反演溫度在多數(shù)高度層上的平均誤差表現(xiàn)為正值，最大值為1.5 ℃，出現(xiàn)在3 km高度(圖3a)。反演溫度的均方根誤差在0.1 km以下小于1.5℃，但隨高度增加逐漸增大，1～1.6 km約為2.5℃,2.75 km達(dá)到最大，為3.5℃(圖3d)。反演水汽密度的平均誤差在1 km以下為負(fù)值，且地面附近最為明顯，而1～3 km平均誤差轉(zhuǎn)為正值，且先增大后減小。但其均方根誤差隨高度增加表現(xiàn)為一致性的減小(圖3e)。微波輻射計(jì)相對(duì)濕度在地面附近平均誤差僅有-2.8%，0.6～3 km平均誤差則明顯表現(xiàn)為正值，且先增大后減小，最大值為25%，出現(xiàn)在2.25 km 高度(圖3c)。相對(duì)濕度的均方根誤差隨高度也表現(xiàn)出先增加后減小，最大值為33%，也出現(xiàn)在2.25 km高度(圖3f)。以上對(duì)比結(jié)果表明，微波輻射計(jì)反演溫度在3 km以下平均誤差不大，可用性較強(qiáng)。反演的水汽密度均方根誤差隨高度減小。而相對(duì)濕度反演值除在近地面誤差較小外，其他高度誤差均較大。

云會(huì)造成云高度甚至云層以上高度的反演誤差增大(車云飛等，2015)，此外降水時(shí)產(chǎn)生的水膜也會(huì)對(duì)微波輻射計(jì)的觀測(cè)質(zhì)量造成一定影響，因此對(duì)比降水、有云(無(wú)降水)和晴空條件下微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)的誤差情況對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。從溫度平均誤差垂直廓線的對(duì)比情況來(lái)看(圖3a)，降水天氣情況下，各高度上溫度平均誤差表現(xiàn)為一致的正值，同時(shí)有云條件下，除0.1～0.7 km高度外，其他高度也表現(xiàn)為正值，兩種天氣條件下最大平均誤差均出現(xiàn)在3 km高度，分別為2.4℃和2.1℃，且在多數(shù)高度上的溫度平均誤差要大于晴空條件。此外，溫度均方根誤差垂直廓線顯示(圖3d)，雖然三種天氣條件均方根誤差垂直變化特征基本一致，隨高度增加而增大，但晴空條件溫度均方根誤差更小，其中0.8～3 km，晴空條件較降水條件小0.6℃左右，而有云條件溫度均方根誤差處于晴空條件和降水條件之間。由此可見(jiàn)，有云和降水天氣條件均會(huì)降低微波輻射計(jì)反演溫度的準(zhǔn)確度，降水帶來(lái)的偏離程度更大。三種天氣條件下水汽密度對(duì)比情況表明(圖3b)，降水天氣條件下，水汽密度平均誤差表現(xiàn)為明顯的負(fù)值，且平均誤差絕對(duì)值隨高度增加而減??；有云天氣條件下，0.7 km以上平均誤差轉(zhuǎn)為正值；晴空天氣條件下0.6 km以上平均誤差轉(zhuǎn)為正值。三種天氣條件水汽密度均方根誤差均表現(xiàn)為隨高度增加而減小，降水天氣下，水汽密度的均方根誤差更大，晴空條件下的均方根誤差較小(圖3e)。相對(duì)濕度對(duì)比結(jié)果顯示(圖3c)，三種天氣條件下，相對(duì)濕度在多數(shù)層次上平均誤差均表現(xiàn)為正值，但晴空天氣下，相對(duì)濕度平均誤差更大，最大值為31.7%(2.25 km處)，而降水天氣下相對(duì)濕度最大平均誤差僅有12%(2 km)，有云條件下相對(duì)濕度平均誤差處于晴空和降水之間。相對(duì)濕度均方根誤差垂直廓線顯示(圖3f)，晴空和有云天氣相對(duì)濕度均方根誤差相差不大，但降水天氣相對(duì)濕度均方根誤差明顯小于晴空和有云天氣。上述分析結(jié)果表明，云和降水均會(huì)降低微波輻射計(jì)溫度、水汽密度的準(zhǔn)確度，其中降水的影響程度更大。此外降水天氣下相對(duì)濕度的誤差明顯小于晴空和有云天氣。

圖3 2019年1月22日至3月30日微波輻射計(jì)與自動(dòng)站以及張家口探空溫度(a,d)、水汽密度(b,e)、相對(duì)濕度(c,f)的平均誤差(a,b,c),均方根誤差(d,e,f)廓線(藍(lán)實(shí)線為總體樣本，黑點(diǎn)線為降水樣本，紅點(diǎn)劃線為晴空樣本，綠點(diǎn)線為無(wú)降水有云樣本)Fig.3 ME (a, b, c), RMSE (d, e, f) profiles of temperature (a, d), water vapor density (b, e) and relative humidity (c, f) of microwave radiometer, Zhangjiakou Radiosonde and automatic stations from 22 January to 30 March 2019(blue solid line: overall sample, black dotted line: precipitation sample， red dotted line: sample without cloud, green dotted line: sample without precipitation with cloud)

3 大氣邊界層溫、濕變化特征

云頂賽場(chǎng)海拔高、地勢(shì)陡峭，大氣低層溫濕結(jié)構(gòu)與平原地區(qū)有較大區(qū)別，從前期冬訓(xùn)過(guò)程中微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)和自動(dòng)氣象觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，夜間常出現(xiàn)山頂氣溫高于山底的逆溫結(jié)構(gòu)，且易產(chǎn)生明顯的夜間大幅升溫。

3.1 逆溫層特征

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在66 d的觀測(cè)記錄中，有33 d出現(xiàn)逆溫層，逆溫層高度多在50～200 m，逆溫層頂多位于山頂附近或低于山頂。從微波輻射計(jì)記錄的逆溫層溫差來(lái)看，33個(gè)過(guò)程中僅有3個(gè)逆溫層溫差超過(guò)1℃，其中1月23日受暖平流影響，頂高比較高，達(dá)900 m，逆溫層最大溫差為4.7℃。觀測(cè)試驗(yàn)期間，逆溫層開始建立的時(shí)間多在19時(shí)前后，部分過(guò)程受天氣系統(tǒng)影響消失；部分過(guò)程出現(xiàn)消除又重新建立的情況，造成這種現(xiàn)象的原因可能是微波輻射計(jì)并未位于谷底，其記錄的逆溫層處于谷中逆溫層靠近頂部的部分，受逆溫層上部湍流影響較大。

2019年1月23日溫度廓線的日變化顯示(圖4)，23日00時(shí)開始，低層500 m以下氣溫持續(xù)降低，04時(shí)低層逆溫層開始建立，逆溫層厚度為900 m，逆溫層溫差為2.1℃。800～1 800 m在暖平流的作用下明顯增溫，04—07時(shí)逆溫層頂增溫2℃左右，此時(shí)逆溫層溫差達(dá)到最大4.7℃。暖平流影響過(guò)程中水汽含量也有小幅增加，04—07時(shí),900 m以下水汽密度的平均增幅約為0.2 g·m-3(圖略)。日出后，在太陽(yáng)輻射增溫作用下，近地層溫度迅速增加，09時(shí)逆溫層消失。白天1 000 m以下，太陽(yáng)輻射增溫作用明顯，14時(shí)-3℃線伸展到700 m。17時(shí)低層降溫作用明顯，逆溫層再次建立。

圖4 2019年1月23日微波輻射計(jì)反演溫度廓線演變Fig.4 Temperature profile evolution retrieved from microwave radiometer on 23 January 2019

受地形影響，夜間云頂賽場(chǎng)山谷兩側(cè)山坡輻射降溫，產(chǎn)生下坡氣流，從而造成冷空氣在谷中堆積，易出現(xiàn)谷底低于山頂?shù)哪鏈亟Y(jié)構(gòu)，特別是在山谷上空配合暖平流時(shí)，逆溫層厚度和逆溫層溫差將大大加強(qiáng)。

3.2 夜間升溫特征

觀測(cè)試驗(yàn)期間，微波輻射計(jì)和云頂1號(hào)站、2號(hào)站共記錄到10次明顯夜間增溫過(guò)程。其判別標(biāo)準(zhǔn)如下：增溫持續(xù)時(shí)間超過(guò)3 h(增溫過(guò)程溫度最高值時(shí)間與增溫起始時(shí)間的差值，且兩時(shí)間點(diǎn)之間任一氣溫值不低于起始時(shí)刻氣溫。)；升溫幅度在2℃以上；增溫前后三小時(shí)內(nèi)無(wú)降水；太陽(yáng)輻射≤5 W·m-2(夜間的判別標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，Nallapareddy et al，2011)。由于云頂1號(hào)站(海拔高度為1 923.4 m)接近山頂，造成其升溫的原因可以排除地形造成的焚風(fēng)作用。此外，湍流造成的氣溫脈動(dòng)，一般持續(xù)時(shí)間較短，所以這類增溫事件的主要原因也可以排除湍流。10次明顯夜間增溫過(guò)程中增溫幅度多在2～5℃，最大值為7.3℃，增溫持續(xù)時(shí)長(zhǎng)多為3～7 h，最長(zhǎng)為11 h 45 min(2019年1月25日18：40到26日06：25)，幾乎持續(xù)整夜。

根據(jù)天氣學(xué)原理，溫度局地變化主要取決于溫度平流項(xiàng)、垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)和非絕熱加熱項(xiàng)。上述明顯增溫事件發(fā)生在夜間，無(wú)太陽(yáng)輻射或其他非絕熱加熱作用，因此溫度局地變化的非絕熱加熱項(xiàng)主要是長(zhǎng)波輻射降溫，那么增溫作用則由溫度平流項(xiàng)或垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)決定。云頂賽場(chǎng)山頂海拔高度超過(guò)2 000 m，因此中低層大氣下沉運(yùn)動(dòng)和暖平流都會(huì)造成賽場(chǎng)出現(xiàn)明顯升溫過(guò)程。在10次明顯增溫過(guò)程中，共有6次過(guò)程是由鋒區(qū)后的中低層大氣下沉增溫所造成的，4次過(guò)程是由低層暖平流造成的(表1)。

表1 2019年1月22日至3月30日觀測(cè)試驗(yàn)期間10次增溫過(guò)程Table 1 The 10 warming processes during the observation experiment from 22 January to 30 March 2019

3.2.1 下沉增溫過(guò)程

2019年2月19日夜間，云頂賽場(chǎng)出現(xiàn)一次下沉增溫天氣過(guò)程。云頂1號(hào)站(圖5e)氣溫趨勢(shì)顯示，氣溫總體呈現(xiàn)出明顯上升趨勢(shì)，19日22：15至20日06：00升溫幅度為3.2℃，但在升溫過(guò)程中仍然伴有湍流造成的短時(shí)波動(dòng)。微波輻射計(jì)溫度廓線圖表明(圖5a)，0～3 000 m均出現(xiàn)明顯的升溫特征，升溫幅度在2℃左右。此外垂直方向1 200 m以下，水汽密度在增溫過(guò)程中整體呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)，且越接近地面減小幅度越大。過(guò)程前后，1 000～1 200 m處平均減小幅度為0.1 g·m-3，而0～200 m平均減小幅度達(dá)到0.6 g·m-3，說(shuō)明越接近地面越干(圖5b)。

圖5 2019年2月19日夜間微波輻射計(jì)(a)溫度演變(單位：℃)，(b)水汽密度演變(單位：g·m-3)；20日02時(shí)(c)溫度局地變化垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)(單位：10-4 K·s-1)，(d)溫度平流項(xiàng)與垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)之和(單位：10-4 K·s-1)；(e)19日夜間云頂1號(hào)站氣溫變化Fig.5 (a) Temperature evolution (unit: ℃) and (b) water vapor density evolution (unit: g·m-3) of microwave radiometer at night on 19 February; (c) vertical motion term (unit: 10-4 K·s-1), (d) sum of temperature advection term and vertical motion term (unit: 10-4 K·s-1) at 02:00 BT 20 February; (e) temperature evolution at Genting Station 1 at night on 19 February 2019

分析當(dāng)天天氣形勢(shì)發(fā)現(xiàn)，在增溫過(guò)程中，500 hPa以下，云頂賽場(chǎng)上空處于一致的脊前西北氣流中，冷平流層次較為深厚，空氣下沉運(yùn)動(dòng)明顯。從20日02時(shí)溫度局地變化的垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)剖面來(lái)看(圖5c)，云頂賽場(chǎng)上方由于下沉運(yùn)動(dòng)造成的溫度變化均表現(xiàn)為正值，中低層(500 hPa以下)的增溫率在1×10-4K·s-1以上,大值區(qū)處于750～800 hPa(山頂附近高度)，最大值為3×10-4K·s-1。圖5d顯示，垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)和溫度平流項(xiàng)兩項(xiàng)的和也表明，垂直運(yùn)動(dòng)的增溫作用強(qiáng)于冷平流帶來(lái)的降溫作用，兩項(xiàng)合計(jì)增溫率，600 hPa以下仍然大于1×10-4K·s-1，最大值為1.5×10-4K·s-1(800 hPa附近)，總的增溫作用仍很明顯。下沉運(yùn)動(dòng)帶來(lái)增溫的同時(shí)，也致使低層出現(xiàn)明顯的水汽輻散，從而造成微波輻射計(jì)水汽密度明顯減小。

低層伴有冷平流的夜間增溫過(guò)程在冬奧服務(wù)團(tuán)隊(duì)冬季駐訓(xùn)早期，確實(shí)給預(yù)報(bào)員帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)，但在應(yīng)用了包含下沉增溫作用的客觀預(yù)報(bào)方法后，夜間氣溫的預(yù)報(bào)質(zhì)量已經(jīng)有了明顯提升。

3.2.2 暖平流增溫過(guò)程

2019年2月3日夜間，云頂賽場(chǎng)在暖平流作用下出現(xiàn)一次明顯增溫天氣過(guò)程。由云頂1號(hào)站(圖6e)氣溫變化可以看出，3日21:30至4日06:40氣溫穩(wěn)步升高，升溫幅度為6.2℃。微波輻射計(jì)溫度廓線顯示(圖6a)，0～3 000 m均出現(xiàn)明顯升溫，且越靠近地面升溫越明顯，其中0～200 m,平均升幅達(dá)6℃。同時(shí)微波輻射計(jì)水汽密度(圖6b)，在3日22:00 之后，3 000 m以下整層增濕，0.9 g·m-3的水汽密度等值線由400～1 100 m高度擴(kuò)展到0～2 000 m 高度，中心數(shù)值增強(qiáng)至1.2 g·m-3，所處高度為500～1 000 m。

圖6 2019年2月3日夜間微波輻射計(jì)(a)溫度演變(單位：℃)，(b)水汽密度演變(單位：g·m-3)；4日02時(shí)(c)溫度局地變化溫度平流項(xiàng)(單位：10-4 K·s-1)，(d)溫度平流項(xiàng)與垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)之和(單位：10-4 K·s-1)；(e)3日夜間云頂1號(hào)站氣溫變化Fig.6 (a) Temperature evolution (unit: ℃) and (b) water vapor density evolution (unit: g·m-3) of microwave radiometer at night on 3 February; (c) temperature advection term (unit: 10-4 K·s-1)，(d) sum of temperature advection term and vertical motion term (unit: 10-4 K·s-1) at 02:00 BT 4 February; (e) temperature evolution at Genting Station 1 at night on 3 February 2019

增溫過(guò)程中，賽場(chǎng)上空600 hPa以下處于溫度脊前，在偏西風(fēng)作用下，出現(xiàn)明顯的暖平流。從4日02時(shí)溫度平流的垂直分布看(圖6c)，500 hPa以下均表現(xiàn)為暖平流，平流最大強(qiáng)度為2×10-4K·s-1，處于800～650 hPa高度。同時(shí)暖平流給賽場(chǎng)低層帶來(lái)了弱的上升運(yùn)動(dòng)，但上升運(yùn)動(dòng)對(duì)溫度的局地變化表現(xiàn)為降溫。綜合溫度平流項(xiàng)和垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)兩項(xiàng)(圖6d)，增溫率大值區(qū)分布在800～700 hPa，賽場(chǎng)上方兩項(xiàng)合計(jì)增溫率約為1×10-4K·s-1，且隨高度向上增溫率逐漸減小，這也是微波輻射計(jì)溫度廓線上近地層增溫強(qiáng)度大于其上方的原因。此外由于暖濕輸送和弱上升運(yùn)動(dòng)的影響，云量較多，致使夜間長(zhǎng)波輻射降溫作用大大減弱，這也為氣溫的大幅增加創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)微波輻射計(jì)反演大氣溫濕廓線與自動(dòng)站、探空觀測(cè)的誤差進(jìn)行了分析，并利用包括微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)，對(duì)云頂賽場(chǎng)逆溫層特征以及夜間明顯升溫過(guò)程的大氣溫濕演變特征及其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

(1)總體上微波輻射計(jì)溫度、水汽密度與自動(dòng)站、探空觀測(cè)之間一致性較好，相對(duì)濕度略差。微波輻射計(jì)溫度、水汽密度和相對(duì)濕度的平均誤差分別為 0.3℃、 0.04 g·m-3和15%，對(duì)應(yīng)的均方根誤差分別為2.8℃、0.5 g·m-3和25%。溫度和水汽密度的可用性要強(qiáng)于相對(duì)濕度。

(2)微波輻射計(jì)反演溫度平均誤差在各個(gè)層次相對(duì)不大，可用性較強(qiáng)，水汽密度均方根誤差隨高度減小，但云和降水均會(huì)降低溫度和水汽密度的準(zhǔn)確性，其中降水的影響程度更大。多數(shù)層次上相對(duì)濕度平均誤差均較大，最大值在2.25 km處，為25%，但降水發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度在多數(shù)高度上平均誤差基本在±10%以內(nèi)，明顯小于晴空和有云天氣。

(3)微波輻射計(jì)的溫度廓線反映，夜間逆溫層結(jié)構(gòu)在云頂賽場(chǎng)十分常見(jiàn)，出現(xiàn)概率達(dá)到50%。逆溫層頂一般在山頂附近或以下，谷上空配合暖平流時(shí)，逆溫層厚度和逆溫層溫差將大大加強(qiáng)。

(4)鋒區(qū)移過(guò)后中低層下沉運(yùn)動(dòng)以及低層暖平流都可能給賽場(chǎng)帶來(lái)明顯的夜間增溫。由下沉運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)的增溫過(guò)程中，微波輻射計(jì)參數(shù)廓線表現(xiàn)為中低層溫度整體升高，低層水汽密度在下沉輻散的作用下明顯減小。中低層暖平流主導(dǎo)的增溫過(guò)程中，增溫強(qiáng)度隨高度而減小，且增溫過(guò)程表現(xiàn)出明顯的增濕現(xiàn)象。

本文對(duì)微波輻射計(jì)反演溫濕廓線在云頂賽場(chǎng)的可用性進(jìn)行了分析，并初步探討了賽場(chǎng)上方逆溫層特征以及夜間增溫過(guò)程中溫度、濕度演變特征及其成因，為做好冬奧云頂賽場(chǎng)氣象分析和預(yù)報(bào)提供了參考。但由于微波輻射計(jì)所處位置為山坡中部，僅能捕捉谷中逆溫中上部的特征，谷中完整逆溫結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和消亡機(jī)制還需要更加細(xì)致的分析，下一步將結(jié)合賽場(chǎng)自動(dòng)站、激光雷達(dá)、系留飛艇等設(shè)備研究賽場(chǎng)三維熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)，從而提高賽場(chǎng)溫度、濕度以及風(fēng)場(chǎng)的精細(xì)化預(yù)報(bào)能力。