微波輻射計在監(jiān)測水汽特征及降水分析中的應用

白 婷，丁建芳，劉艷華，吳 穎

(1.中國氣象局·河南省農業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2.河南省人工影響天氣中心，鄭州 450003；3.河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心，鄭州 450003)

引 言

水汽和液態(tài)水作為大氣的重要組成部分，影響著大氣運動[1]，其含量變化對于云系的演變及降水的發(fā)生發(fā)展等方面有著至關重要的作用。微波輻射計通過接收物體本身發(fā)射的微波信號，測出該物體輻射能量，可以同時得到水汽及液態(tài)水含量，且具有時間間隔短、連續(xù)觀測等優(yōu)點[2]。因此，微波輻射計資料已成為分析水汽及液態(tài)水時空演變特征的首選。目前有很多學者對微波輻射計資料研究表明，在降水前一段時間內，積分水汽和積分液態(tài)水會發(fā)生變化。張志紅等[3]分析北京一次降水過程中云液態(tài)水的演變特征發(fā)現(xiàn)，地面降水時段滯后于液態(tài)水含量增加時段。張茜等[4]利用HTG-3型微波輻射計資料分析2017年烏魯木齊國際機場6次強對流天氣個例發(fā)現(xiàn)，綜合水汽含量、液態(tài)水路徑、液態(tài)水廓線在降水過程前后有顯著的激增回落現(xiàn)象。白婷等[5]分析南陽市一次降水過程中水汽與液態(tài)水變化特征發(fā)現(xiàn)，降水開始前，水汽總含量與液態(tài)水總含量明顯增加，隨著降水減弱結束，水汽總含量與液態(tài)水總含量減少。韓芳蓉等[6]利用地基微波輻射計結合衛(wèi)星云圖資料分析武漢暴雨各氣象要素與降水的關系發(fā)現(xiàn)，相對濕度、液態(tài)水含量等在降水期均明顯較非降水期的大，說明這些要素特征與降水有很好的對應關系，應用地基微波輻射計資料分析降水過程具有很高的可靠性。

此外，也有學者利用微波輻射計資料分析各地區(qū)降水閾值。王健等[7]分析了烏魯木齊一次降水過程，將該地區(qū)水汽含量的降水閾值定為5 cm。傲雪等[8]研究發(fā)現(xiàn)，武漢的水汽含量降水閾值為5 cm，液態(tài)水含量的降水閾值為1 mm?？梢钥闯?，不同地區(qū)積分水汽和積分液態(tài)水的降水閾值也不相同。

河南省人工影響天氣中心于2016年年底在全省布設了3臺微波輻射計，分別位于鶴壁、鄭州、南陽三地。本文利用河南省南陽市和鶴壁市微波輻射計資料，結合L波段探空及地面雨量資料，分析積分水汽與積分液態(tài)水時空分布特征，探尋兩市不同季節(jié)降水與積分水汽和積分液態(tài)水的關系，并總結兩市積分水汽和積分液態(tài)水降水閾值，為臨近降水預報提供參考。

1 資料與方法

使用資料為2017年3月-2019年10月河南省南陽市和鶴壁市地基微波輻射計反演產(chǎn)品數(shù)據(jù)、南陽市L波段探空及兩市地面雨量資料。其中，南陽地基微波輻射計所在經(jīng)度為112°29′13″E，緯度為33°6′4″N，鶴壁地基微波輻射計所在經(jīng)度為114°19′2″E，緯度為35°42′57″N。地基微波輻射計是美國Radiometrics公司生產(chǎn)的MP-3000A，該微波輻射計平均每4 min通過反演得到環(huán)境溫度、地面相對濕度、地面氣壓、云底紅外溫度、地面降水情況、整層水汽積分、液態(tài)水含量積分，以及0至10 km共58層不同高度的溫度、水汽、濕度、液態(tài)水的廓線數(shù)據(jù)，其垂直分辨率在500 m以下為50 m，500 m至2 km為100 m，2 km以上為250 m[9]。

由于L波段探空只有08時和20時資料，微波輻射計只有58個固定高度層上的數(shù)據(jù)，為了更直觀地對比兩者數(shù)據(jù)之間的差異，將07:30-08:30和19:30-20:30時段內微波輻射計反演的溫濕度及水汽密度求平均，作為08時和20時微波輻射計對應變量的值，同時運用線性插值法得到與微波輻射計高度相同的L波段探空數(shù)據(jù)。利用L波段探空計算水汽密度時，采用公式[10]如下：

(1)

(2)

其中，td為露點溫度(℃),e為水汽壓(hPa),T為絕對溫度(K),ρv為水汽密度(g/m3)。

2 微波輻射計與L波段探空數(shù)據(jù)對比

選取2017年3月-2019年10月南陽微波輻射計與L波段探空資料，計算四季08時和20時2種資料溫度、相對濕度及水汽密度的相關系數(shù)(表1)，結果發(fā)現(xiàn)，溫度和水汽密度相關系數(shù)除冬季08時的水汽密度相關系數(shù)低于0.920外，其余時間均在0.920以上；相對濕度相關系數(shù)相對略低，為0.600～0.800。2種資料三要素之間的相關關系均通過了0.01的顯著性檢驗，說明微波輻射計反演的溫度和水汽密度與L波段探空的相關性較好，相對濕度之間的相關性略差，這與很多學者的研究結果[11-14]相吻合。因此，微波輻射計反演的數(shù)據(jù)具有一定可靠性，可用于日常業(yè)務工作和科研中[15-17]。

表1 2017年3月-2019年10月南陽微波輻射計與L波段探空溫度、相對濕度及水汽密度相關系數(shù)

3 積分水汽與積分液態(tài)水時空分布特征

圖1為南陽市和鶴壁市非降水日及降水日積分水汽及積分液態(tài)水逐月分布圖。由圖1可見，無論降水或非降水天氣條件下，南陽市和鶴壁市積分水汽整體呈先增大后減小的趨勢，以5-9月的偏多，分別占全年總量的58.7%和61.9%。這可能是因為河南省夏季盛行偏南風，水汽輸送充沛，冬季盛行偏北風，水汽輸送少；降水天氣條件下積分水汽比非降水天氣條件下的多。積分液態(tài)水含量方面，降水天氣條件下，南陽市積分液態(tài)水以5-7月的最多，鶴壁市積分液態(tài)水除1、2月份外，其余月份的數(shù)值變化較平穩(wěn)；非降水天氣條件下，積分液態(tài)水很小，均在0.5 mm以下。相同月份，南陽市積分液態(tài)水比鶴壁市的多，這可能是因為南陽地理位置較鶴壁偏南，來自南方的水汽輸送到南陽的更多，且鶴壁地勢平坦，地面抬升作用不明顯，水汽很難在此聚集凝結成云。

圖1 2017年3月-2019年10月南陽市和鶴壁市非降水日及降水日積分水汽及積分液態(tài)水逐月分布

4 降水前與非降水過程積分水汽、積分液態(tài)水變化特征

統(tǒng)計2017年3月-2019年10月南陽和鶴壁降水情況，分析兩市不同季節(jié)降水前與非降水過程積分水汽、積分液態(tài)水變化特征。其中鶴壁市2018年5月2日-8月15日、2019年1月11日-10月15日因缺少資料未做統(tǒng)計。微波輻射計探測結果在一定程度上受降水影響[18-20]，因此規(guī)定：降水日前24 h無降水時記為一次降水過程，無降水日前后24 h無降水時記為一次非降水過程，通過對南陽市和鶴壁市觀測資料分析，得到南陽市79個降水個例、467個非降水個例，鶴壁市46個降水個例、384個非降水個例。

4.1 降水前積分水汽和積分液態(tài)水變化特征

4.1.1 降水前24 h積分水汽和積分液態(tài)水隨時間演變特征

分析南陽市和鶴壁市四季降水前24 h積分水汽和積分液態(tài)水隨時間演變特征，發(fā)現(xiàn)兩市四季發(fā)生降水前24 h內積分水汽演變趨勢分為3種形式，即出現(xiàn)拐點后迅速上升、隨時間變化較平穩(wěn)和隨時間緩慢上升；積分液態(tài)水演變趨勢分為2種形式，即出現(xiàn)拐點后迅速上升和以波動為主(圖2)。

圖2 2017年3月-2019年10月降水前24 h積分水汽和積分液態(tài)水不同演變趨勢樣例

表2給出了南陽市和鶴壁市降水前24 h積分水汽3種演變趨勢的四季比率。由表2可以看出，南陽市春季、夏季、秋季積分水汽變化特征以出現(xiàn)拐點后迅速上升為主，分別占降水樣本的68.4%、53.3%和52.4%；冬季的以隨時間變化較平穩(wěn)為主，占降水樣本的66.7%。鶴壁市春季、夏季的以出現(xiàn)拐點后迅速上升為主，分別占降水樣本的44.5%和41.7%；秋季的以隨時間緩慢上升或較平穩(wěn)為主，各占降水樣本的38.9%；冬季的以隨時間緩慢上升為主，占降水樣本的71.4%。

表2 2017年3月-2019年10月南陽市和鶴壁市降水前24 h積分水汽3種演變趨勢的四季比率 %

統(tǒng)計兩市降水前積分水汽和積分液態(tài)水發(fā)現(xiàn),南陽市春季降水前一般積分水汽大于3.00 cm，積分液態(tài)水大于1.00 mm；夏季的積分水汽大于5.60 cm，積分液態(tài)水大于1.00 mm；秋季的積分水汽大于3.00 cm，積分液態(tài)水大于1.00 mm；冬季的積分水汽大于1.80 cm，積分液態(tài)水大于0.10 mm。鶴壁市春季降水前一般積分水汽大于2.50 cm，積分液態(tài)水大于0.50 mm；夏季的積分水汽大于5.00 cm，積分液態(tài)水大于1.00 mm；秋季的積分水汽大于3.00 cm，積分液態(tài)水大于0.20 mm；冬季的積分水汽大于1.60 cm，積分液態(tài)水大于0.01 mm。

4.1.2 臨近降水時積分水汽和積分液態(tài)水隨時間演變特征

為了進一步探尋液態(tài)水、水汽臨近降水時變化特征，計算了南陽市和鶴壁市四季降水前24 h積分液態(tài)水與積分水汽的比值(記為R)，結果發(fā)現(xiàn)，兩市春季、夏季、秋季臨近降水時R有明顯躍增現(xiàn)象，冬季略有增加，但以波動為主，這表明臨近降水時積分液態(tài)水相對積分水汽增加得更多。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，臨近降水時南陽市春季R值躍增的樣本占降水樣本的78.9%，夏季的占降水樣本的93.1%，秋季的占降水樣本的87.5%，冬季的占降水樣本的57.1%。鶴壁市春季R值躍增的樣本占降水樣本的55.6%，夏季的占降水樣本的75.0%，秋季的占降水樣本的66.7%，冬季的占降水樣本的44.4%。

圖3為兩市不同季節(jié)臨近降水時R的變化率，用以說明R的躍增程度。圖3中黑色圓點表示平均值，方框中的橫線表示中值，方框的上下邊界表示上四分位數(shù)和下四分位數(shù)，垂直豎線表示最小值和最大值。從R值變化率的平均值來看，南陽夏季的最大，春季和秋季的次之，冬季的最小。鶴壁的夏季最大，秋季和春季的次之，冬季的最小。圖3中垂直豎線反應數(shù)據(jù)的離散程度，可以看出，兩市R值變化率的離散程度均為夏季的最大，冬季的最小。這可能是夏季多有對流性降水出現(xiàn)，上升氣流較強，液態(tài)水含量較高，液態(tài)水含量轉換較快的原因。

圖3 2017年3月-2019年10月南陽市(a)和鶴壁市(b)不同季節(jié)臨近降水時R的變化特征

綜合以上分析，南陽市和鶴壁市大部分降水過程中在臨近降水時，積分液態(tài)水較積分水汽增加得更多，且躍增幅度以夏季的最大、冬季的最小。

4.2 非降水過程積分水汽和積分液態(tài)水變化特征

從南陽市和鶴壁市不同季節(jié)非降水過程積分水汽和積分液態(tài)水隨時間演變特征來看，非降水過程中的積分水汽和積分液態(tài)水隨時間變化平緩。其中，南陽市春季98.0%的非降水樣本滿足積分水汽小于3.00 cm或積分液態(tài)水小于1.00 mm，夏季100%的非降水樣本滿足積分水汽小于5.60 cm及積分液態(tài)水小于1.00 mm，秋季93.8%的非降水樣本滿足積分水汽小于3.00 cm或積分液態(tài)水小于1.00 mm，冬季95.6%的非降水樣本滿足積分水汽小于1.80 cm或積分液態(tài)水小于0.10 mm。鶴壁市春季93.9%的非降水樣本滿足積分水汽小于2.50 cm或積分液態(tài)水小于0.50 mm，夏季97.8%的非降水樣本滿足積分水汽小于5.00 cm或積分液態(tài)水小于1.00 mm，秋季92.1%的非降水樣本滿足積分水汽小于3.00 cm或積分液態(tài)水小于0.20 mm，冬季98.5%的非降水樣本滿足積分水汽小于1.60 cm或積分液態(tài)水小于0.01 mm。

綜合以上分析，只有積分水汽和積分液態(tài)水同時達到一定量時，才有可能出現(xiàn)降水。根據(jù)這一特征，將南陽市四季積分水汽降水閾值分別定為3.00 cm、5.60 cm、3.00 cm、1.80 cm，積分液態(tài)水的降水閾值分別定為1.00 mm、1.00 mm、1.00 mm、0.10 mm；鶴壁市四季積分水汽降水閾值分別定為2.50 cm、5.00 cm、3.00 cm、1.60 cm，積分液態(tài)水的降水閾值分別定為0.50 mm、1.00 mm、0.20 mm、0.01 mm。根據(jù)降水閾值(表3)，密切關注水汽和液態(tài)水的變化，當積分水汽和積分液態(tài)水臨近閾值時，可以考慮將出現(xiàn)降水。

表3 南陽市和鶴壁市積分水汽與積分液態(tài)水降水閾值統(tǒng)計

5 結 論

(1)積分水汽及積分液態(tài)水1-12月逐月分布特征顯示，南陽市和鶴壁市積分水汽呈先增大后減小的趨勢。積分液態(tài)水在降水天氣條件下，南陽市以5-7月的最多，鶴壁市除1、2月份外，其余月份的數(shù)值較平穩(wěn)。降水天氣條件下積分水汽和積分液態(tài)水明顯大于非降水天氣時的值。

(2)南陽市和鶴壁市四季降水前24 h內，積分水汽變化趨勢分為隨時間緩慢上升、出現(xiàn)拐點后迅速上升和隨時間變化較平穩(wěn)3種形式。其中，南陽市春季、夏季和秋季的積分水汽變化以出現(xiàn)拐點后迅速上升為主，冬季的以隨時間變化較平穩(wěn)為主；鶴壁市春季、夏季的以出現(xiàn)拐點后迅速上升為主，秋季的以隨時間緩慢上升或較平穩(wěn)為主，冬季的以隨時間緩慢上升為主。

(3)南陽市和鶴壁市春季、夏季和秋季降水前24 h積分液態(tài)水以出現(xiàn)拐點后迅速上升為主，冬季的以波動為主。

(4)南陽市和鶴壁市四季大部分降水過程中在臨近降水時，積分液態(tài)水較積分水汽增加得更多，且躍增幅度以夏季的最大、冬季的最小。

(5)只有積分水汽和積分液態(tài)水同時達到一定量時，才有可能出現(xiàn)降水。根據(jù)這一特征，確定了南陽市和鶴壁市四季積分水汽及積分液態(tài)水降水閾值，當積分水汽和積分液態(tài)水臨近閾值時，可以考慮將有降水產(chǎn)生。

致謝：感謝河南省人影中心黃毅梅正研對本文的指導！