長沙冬季降水過程的微波輻射計反演參量特征分析

黃 煌，李 瓊，唐 林，黃宇霆，徐冬英

（1.長沙市氣象局，長沙 410205；2.湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，長沙 410118）

水汽既是大氣主要成分之一，也是大氣能量的主要載體，直接驅(qū)動影響著各種時空尺度下的天氣變化。而大氣中水汽含量的時空變化極為活躍，因此及時準(zhǔn)確地獲取大氣水汽變化資料對提高降水預(yù)報精度、精準(zhǔn)指導(dǎo)人工影響天氣作業(yè)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等方面具有重要意義。

地基微波輻射計能接收大氣中水汽分子發(fā)出的微波輻射信號，通過儀器自身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演出單位面積內(nèi)地面至10km 高度大氣溫度、濕度、水汽含量和液態(tài)水含量。其優(yōu)點是高度自動化、時間分辨率高，能全天候不間斷工作，非常適合作為除常規(guī)探空外大氣水汽觀測的補充手段。一般來說降水過程前空氣中水汽含量與液態(tài)水含量會出現(xiàn)一定波動，可以看作降水臨近預(yù)報的一項重要參考指標(biāo)。目前已有不少利用微波輻射計分析降水前大氣水汽變化特征的研究。張文剛等［1］對比分析了武漢站微波輻射計與探空資料，發(fā)現(xiàn)兩者所測得的溫度和水汽密度有很好的相關(guān)性。雷恒池［2］等利用微波輻射計探測西安降水云系水汽含量與液態(tài)水含量，發(fā)現(xiàn)降水前云中水汽含量與液態(tài)水含量存在顯著升高現(xiàn)象，對人工降雨預(yù)測有一定指導(dǎo)意義。姚展予等［3］分析安徽壽縣云中液態(tài)水含量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其達到0.4mm 閾值，則一般會出現(xiàn)降水；王健等［4］分析烏魯木齊兩次降水過程，發(fā)現(xiàn)降水前大氣水汽和液態(tài)水會分別增至40mm 和7mm 左右；何生存［5］等反演了黃河上游云中液態(tài)水含量，認為該地區(qū)秋季云中液態(tài)水含量降水閾值為0.31kg·m-2；敖雪等［6］對36 個降水個例和38 個非降水個例進行分析，把當(dāng)大氣液態(tài)水大于1mm 時，水汽含量達到6.5cm、6cm、5～6cm 分別作為武漢大雨、中雨、小雨參考指標(biāo)。高金輝［7］等認為云中水汽含量和液態(tài)水含量分別超過20mm 和0.2mm是河南新鄉(xiāng)鋒面云系增雨作業(yè)重要參考指標(biāo)，而兩者分別大于25mm 和0.3mm 時是對流云增雨作業(yè)最佳時機。白婷等［8］利用微波輻射計對南陽地區(qū)降水過程中水汽含量和液態(tài)水含量進行了統(tǒng)計分析，認為微波輻射計數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確可靠，水汽含量與液態(tài)水含量在降水開始前明顯增加，可應(yīng)用于日常業(yè)務(wù)和人工影響天氣作業(yè)時機判別。

地基微波輻射計作為一種新型大氣水汽探測裝備，由于自身優(yōu)勢特點，在氣象探測業(yè)務(wù)方面應(yīng)用潛力巨大，但國產(chǎn)微波輻射計總體仍處于開發(fā)試驗階段，應(yīng)用的成果不多。國內(nèi)利用其觀測大氣水汽變化的相關(guān)研究多集中在夏季，在湖南利用其觀測分析冬春季大氣水汽變化尚屬首次。本文選取了長沙2020 年1—3 月中5 次降水時段作為個例，統(tǒng)計分析微波輻射計反演的大氣水汽含量和液態(tài)水含量在降水過程前后變化特征，嘗試為短臨預(yù)報和地面人工增雨作業(yè)提供參考。

1 資料與方法

文中采用的微波輻射計位于長沙國家綜合氣象觀測試驗基地（28°07′N、112°47′E），海拔119m。由中國兵器二〇六研究所與蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院聯(lián)合研制，型號為MWP967KV。該設(shè)備經(jīng)被動接收大氣微波輻射，再通過內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法每3min 實時自動反演地面至10km 共58 層大氣溫度、相對濕度、水汽密度、液態(tài)水廓線等數(shù)據(jù)。垂直分辨率在0～500m 之間為50m，500m～2km 為100m，2km～10km為250m。選取2020 年1—3 月期間5 次降水過程作對比分析：具體時段為1 月7 日00—09 時、1 月14日19 時—15 日17 時、2 月21 日08—18 時、3 月7日2—23 時、3 月11 日17 時—12 日01 時，下文中對應(yīng)簡稱A、B、C、D、E 時段。

由于長沙雷達站冬季停機造成資料缺失，文中采用了臨近的岳陽雷達站資料。對比所用的L 波段探空資料來自長沙探空站，其中L 波段探空數(shù)據(jù)來自每次降水時段臨近的08 時（07∶15～08∶00）或20時（19∶15～20∶00）對應(yīng)微波輻射計相同高度的觀測數(shù)據(jù)。利用以下公式計算出探空水汽密度［8］：

其中，td為露點溫度，單位℃；e 為水汽壓，單位hPa；T 為絕對溫度，單位K；ρv為水汽密度，單位g·m-3。

微波輻射計反演的水汽含量V 指從地面到大氣上界的水汽密度ρv垂直積分，定義如下：

單位為mm，本文因直接取儀器數(shù)據(jù)記cm。

液態(tài)水含量L 即云底至云頂垂直方向上液態(tài)水積分，定義如下：

單位為mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波輻射計與L 波段探空資料對比

選取2020 年1—3 月長沙國家站5 次降水過程前后微波輻射計與L 波段探空資料，對比0～10km 高度上溫度、水汽密度和對應(yīng)差值變化?？梢钥闯鑫⒉ㄝ椛溆嫹囱輸?shù)據(jù)與L 波段探空數(shù)據(jù)變化趨勢相近，溫度與水汽密度相關(guān)系數(shù)分別為0.995 和0.994，兩者均通過了置信度0.01 的顯著性檢驗。同一高度溫度數(shù)值微波輻射計總體上大于L 波段探空（圖1），另外微波輻射計溫度廓線較探空平滑，對一些大氣的擾動和近地面逆溫未能很好反映；水汽密度數(shù)值從地面至4km 高度范圍內(nèi)微波輻射計總體接近或大于L 波段探空（圖2），在兩千米以下的水汽聚集的低空區(qū)，L 波段探空對水汽變化更敏感，更能體現(xiàn)大氣低空擾動的特征，但在高空兩者趨于一致。

圖1 2020 年1—3 月5 次降水過程探空溫度、微波輻射計溫度及兩者差值對比

圖2 2020 年1—3 月5 次降水過程探空水汽密度、微波輻射計水汽密度和兩者差值對比

總體上微波輻射計溫度、水汽密度數(shù)值與探空略有差異，但垂直高度變化趨勢一致，相關(guān)性較強，與其他學(xué)者相關(guān)研究結(jié)果一致，在日常業(yè)務(wù)觀測中具備一定的參考意義。

2.2 水汽含量、液態(tài)水含量與降水量的變化特征

利用2020 年1—3 月長沙國家站微波輻射計觀測資料并結(jié)合長沙國家站地面降水觀測資料，選取了2020 年1—3 月期間5 次降水過程（A、B、C、D、E時段）前后的大氣水汽含量數(shù)據(jù)與大氣液態(tài)水含量數(shù)據(jù)，并分析同時段地面觀測的降水情況，了解大氣水汽和液態(tài)水在降水過程前后的變化特征。其中降雨持續(xù)時間最長為B 時段，達到22h，累計降水量也最大，達到19.6mm；D 時段過程最短，為3h。

A 時段累積降雨量為15.4mm，分析降水開始前兩小時至降水結(jié)束后兩小時可以看到，微波輻射計的大氣水汽數(shù)據(jù)和液態(tài)水含量在降水前均有明顯的上升，在降水結(jié)束后迅速回落，水汽含量從降水前兩小時的2.4cm 陡升至降水開始時的3.15cm，并在降水持續(xù)過程中基本保持在3cm 左右；液態(tài)水含量從不到0.13mm 快速升至0.17mm，降水過程中維持在0.175mm 左右。降水結(jié)束前約1h 水汽含量與液態(tài)水含量開始持續(xù)回落并降至降水開始前的低值范圍。

B 時段累積降雨量為19.6mm。降水開始前兩小時內(nèi)大氣水汽含量與液態(tài)水含量均出現(xiàn)一個小峰值，降水開始前約30min 兩者開始快速上升，分別超過2.9cm 和0.15mm。15 日2∶00—3∶00、5∶00-6∶00、7∶00—9∶00 三個時段降水相對較強，對應(yīng)水汽含量與液態(tài)水含量均出現(xiàn)了三個波峰，峰值均超過3cm和0.16mm。4∶00—5∶00、6∶00—7∶00、9∶00—10∶00 三個降水間歇時段同樣對應(yīng)了水汽含量與液態(tài)水含量的三個明顯波谷。降水減弱后水汽含量與液態(tài)水含量均出現(xiàn)回落。

C 時段08∶00—18∶00 降水量為1.0mm，此次過程降水總量不多且持續(xù)時間較長，但微波輻射計數(shù)據(jù)仍很好地反映出大氣水汽含量與液態(tài)水含量變化過程。降水出現(xiàn)前兩者數(shù)值同樣均出現(xiàn)快速上升并形成一個小高峰，分別達到約3.5cm 和1.4mm。在降水過程中分別穩(wěn)定保持在約3.5cm 和0.14mm 左右。但兩者開始回落時間較降水結(jié)束時間提早約兩個小時。

D 時段21∶00—22∶00 降水量為1.3mm，水汽含量與液態(tài)水含量在20∶00 后就開始明顯上升，40min內(nèi)兩者分別增加了約1cm 和0.02mm，22∶00 降水結(jié)束后兩者分別回落到3.0cm 和0.12mm 附近，并且回落速度逐漸降低，變化曲線趨于平緩，至23∶00 兩者均已經(jīng)低于20∶00 初始值。

E 時段降水量為1.2mm，其中0.9mm 降水集中在22∶00—24∶00 時段，對應(yīng)水汽含量與液態(tài)水含量為最高區(qū)間，兩者分別超過3.2cm 和0.13mm。12 日00 ∶00 以后隨著降水結(jié)束兩者均降至3.0cm 和0.12mm 以下。5 次過程降水前一小時內(nèi)水汽含量與液態(tài)水含量均有明顯上升，前者分別上升了0.508cm、0.26cm、0.38cm、0.74cm、0.79cm；后者分別上升了0.03mm、0.017mm、0.023mm、0.016mm、0.027mm。兩者時間變化基本同步，綜合5 次降水過程可看到：當(dāng)水汽含量高于或者接近3cm 且液態(tài)水含量接近0.15mm 后一小時內(nèi)有較明顯降水發(fā)生。兩者降水閾值與高金輝［7］等研究的河南新鄉(xiāng)鋒面雨降水參考閾值較為接近；而低于國內(nèi)其他地區(qū)相關(guān)研究得出的夏季降水參考閾值。5 次過程中水汽含量與液態(tài)水含量變化特征較為一致，兩者在降水開始前均有明顯增加，降水結(jié)束前明顯回落，與降水量呈明顯正相關(guān)關(guān)系。水汽含量與液態(tài)水含量的變化要略提前與于降水量變化，可為高效地指導(dǎo)人工增雨作業(yè)提供參考。

2.3 水汽含量與雷達反射率變化對比

多普勒天氣雷達作為一種主動遙感大氣探測設(shè)備，是降水短時預(yù)報業(yè)務(wù)中跟蹤大氣云水生成發(fā)展最主要的工具之一，由于雷達資料中垂直累計液態(tài)水?dāng)?shù)據(jù)和A 時段數(shù)據(jù)缺失，本文選取了5 次降水過程中的B、C、D、E 四個時段對應(yīng)的站點上空雷達反射率與微波輻射計水汽含量作對比。雷達數(shù)據(jù)采樣間隔為5—6min，因此為便于對比以雷達采樣時間為基準(zhǔn)，選取對應(yīng)時間或相鄰時間微波輻射計水汽含量數(shù)據(jù)作對比（圖3）。1 月15 日3∶03—5∶31 存在一次雷達反射率組合反射率明顯增強再減弱的過程，3∶03—3∶43 之間無較明顯回波，水汽含量此時先有小幅下降并維持在相對低值。3∶48 開始站點雷達回波生成并開始發(fā)展，此時水汽含量也開始上升；4∶11 雷達反射率達到最大30dBz，緊接著4∶17 水汽含量也達到時段峰值，之后回波逐漸減弱至消失，水汽含量亦在此階段逐漸減小至最低。2 月21 日8∶48—9∶30 雷達回波生成之前水汽含量已開始明顯上升，9∶48 水汽含量與雷達反射率均達到最大，隨后兩者逐漸下降。3 月7 日與3 月11 日兩次過程雷達反射率與水汽含量數(shù)值變化與前兩例類似，但雷達反射率先于水汽含量達到峰值，兩者相差大約10min?？傮w來說四次變化過程水汽含量與雷達回波強度隨時間變化基本同步。

圖3 2020 年1—3 月四次降水過程雷達反射率與水汽含量時間變化

5 結(jié)論

利用長沙國家站微波輻射計資料，結(jié)合長沙站地面降水量、L 波段探空、岳陽多普勒雷達等數(shù)據(jù)資料，比較了微波輻射計反演的大氣溫度、水汽密度與L 波段探空資料的一致性；分析了2020 年1—3 月期間5 次降水過程微波輻射計反演的水汽含量、液態(tài)水含量隨降水量的變化特征，并初步比較了降水期間微波輻射計反演的水汽含量與雷達反射率之間的變化，得出以下結(jié)論：

（1）微波輻射計反演的溫度和大氣水汽密度與L波段探空數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，兩者隨高度變化趨勢近似。總體上說明微波輻射計數(shù)據(jù)精度較高，在日常觀測業(yè)務(wù)或科研中有很大參考價值和應(yīng)用潛力，其高時間分辨率優(yōu)勢可作為高空大氣探測的補充手段。

（2）大氣水汽含量與液態(tài)水含量在降水開始前明顯增加，隨著降水減弱停止而同步減少，降水總體上兩者增減時間略早于降水量增減時間，兩者峰值也對應(yīng)著降水量時段峰值。水汽含量接近3.5cm 且液態(tài)水含量達到0.15mm 可作為判斷冬春季長沙降水開始的參考閾值。利用微波輻射計大氣水汽和液態(tài)水?dāng)?shù)據(jù)可作為一種降水臨近預(yù)報手段和指導(dǎo)人工增雨作業(yè)的輔助判斷方法。

（3）雷達反射率與水汽含量變化存在較好正相關(guān)關(guān)系，最強雷達回波出現(xiàn)時間略早于水汽含量峰值時間。同樣也證明了微波輻射計資料在臨近降水預(yù)測和指導(dǎo)人工增雨作業(yè)方面具有較好的參考價值。