微波輻射計資料在大霧預報預警中的應用

趙金霞，范蘇丹，朱曉晶

（1.天津濱海新區氣象局，天津 300457；2.濟南氣象科研所，山東濟南 250031）

微波輻射計資料在大霧預報預警中的應用

趙金霞1，范蘇丹2，朱曉晶1

（1.天津濱海新區氣象局，天津 300457；2.濟南氣象科研所，山東濟南 250031）

利用MP-3000A微波輻射計對2011—2013年天津大霧的觀測資料，選取16次大霧典型個例，分析大霧發生、維持及消散時微波輻射計觀測數據。分析表明：大霧從形成到消散過程中水汽密度、相對濕度和位溫均有不同變化；大霧發生前近地層大氣中的相對濕度、水汽密度一般會穩定增加，大霧發生時兩者會有爆發性增加的現象。大霧維持階段在近地層多伴有逆溫層，輻射霧逆溫層明顯；大霧期間霧層高度有穩定型也有波動型，霧層高度下降時大霧會迅速加強。大霧消散時近地層大濕區減小抬升，水汽密度迅速減小。

大霧；微波輻射計；水汽密度；液態水含量；位溫

大氣中水汽含量和溫度垂直分布對大霧的形成是至關重要的。國內外的大量工作已證明,探測水汽和云液水波段的雙波長（0.85 cm和1.35 cm）地基微波輻射計,在晴空和非降水云天的探測原理和方法已日趨成熟,探測水汽總量的精度可與探空相比,云液水總量也有較好的精度[1-8]。采用微波輻射計進行遙感探測，不僅能自動連續測量、監視天氣的演變過程，而且可以節省大量的人力、物力。MP-3000A微波輻射計[9]是由美國Radiometrics公司研發的一種新型35通道微波輻射計，該輻射計采取被動式微波遙感，通過接收天空亮溫來反演地面至10 km高時空分辨率的溫度、相對濕度和水汽廓線。溫度廓線子系統在51～59 GHz之間用所選擇的頻率進行天空亮溫觀測，而水汽廓線子系統接受頻率在22～30 GHz之間用所選擇的頻率進行天空亮溫觀測。它的時間分辨率為3 min；空間分辨率從0～500 m高度上每50 m輸出一個數據，500 m～2 km高度上每100 m輸出一個數據，2～10 km每250 m輸出一個數據，共58個反演層。通過58個反演層數據來計算整層大氣中可降水量和液態水含量的值。為了消除液態水的影響，該輻射計的天線罩采用防水材料做成，使得輻射計可以全天候地進行觀測。趙玲等[10]研究了MP_3000A微波輻射計的探測原理和誤差分析。本文通過選取不同日期的微波輻射計觀測數據資料，對不同天氣背景下產生大霧進行分析，旨在把微波輻射計在大霧方面的探測進行初步的評估，為短時臨近大霧天氣預警提供可靠的技術支持。

1 大霧標準和天氣形勢

霧是貼地層空氣中懸浮著大量水滴或冰晶微粒而使水平能見度小于1 000 m的天氣現象。按照能見度的大小霧還可以分為大霧（200～500 m）、濃霧（50～200 m）、強濃霧（＜50 m）。

霧通常是在穩定的天氣形勢下產生；華北地區多霧年冬季極鋒偏北，西風帶系統北退，東亞大槽弱，500 hPa多短波槽活動，低緯天氣系統活躍，可以把暖濕空氣輸送到中高緯，下墊面輻射冷卻形成持續大霧。大霧一般發生在氣壓梯度很小（如弱高壓、弱低壓，鞍型場等）的區域；地面流場一般為弱輻合區，這種氣壓場、流場有利于近地面的水汽聚集。對于濱海地區大霧發生時的地面形勢可以歸納成以下4種類型。

1.1 高壓前部型

濱海地區處在高壓前部,其西部、西北部或北部是冷高壓，高壓中心在河套以西、以北或東北地區，冷空氣以滲透的形式南下，濱海地區處在弱冷鋒前部，前期有降水，當鋒面移近時會出現平流輻射霧；之后隨著高壓南壓，天氣逐漸轉好，下墊面濕度大，夜間輻射降溫在邊界層形成逆溫，使近地層大氣逐漸飽和出現輻射霧；此類型經常出現連續霧日。

1.2 高壓后部或鞍型場型

大陸變性高壓進入日本海、朝鮮、黃海北部及中部，京津地區轉入高壓后部或鞍型場控制，天氣晴好；渤海、黃海暖濕空氣沿著高壓底部東南氣流向華北地區輸送，隨著夜間輻射降溫,逆溫層逐漸形成，近地層濕度不斷聚集增加，天津濱海地區常常出現大霧天氣；此類型也是以輻射霧為主，經常出現連續霧日。

1.3 倒槽前部型

高空在河套地區有淺槽發展東移，西南地區有倒槽發展向東北移動，濱海地區處在倒槽前部，低層的暖濕空氣沿東南氣流向北輸送，另外850 hPa華北東部有一個溫度暖舌自西南向東北伸展，低層暖濕、層結穩定，大霧首先在華南地區形成，之后隨著偏南氣流向北蔓延，山東半島沿海地區迅速出現大霧天氣；濱海地區常常在傍晚前后開始出現大霧，夜間加重；有時會出現雨、霧共存或雪、霧共存的現象；此類型以平流輻射霧為主。

1.4 倒槽后部型

濱海地區處在寬廣的倒槽后部，高空有淺槽相配合，前期有降水，近地層濕度較大；濱海地區維持偏東風或東北風，有水汽從黃、渤海向陸地輸送；此時渤海西北部沿海首先有大霧天氣，濱海地區處于高壓底部及倒槽后的東北氣流中，伴隨著暖濕空氣北上，傍晚到夜間常常出現平流輻射霧；大霧夜間加重，有時會出現小于50 m的強濃霧。

2 微波輻射計探測大霧的特點

微波輻射計有高時空分辨率大氣垂直方向上的探測資料，可以連續得到從地面到10 km高度上的位溫、相對濕度、水汽密度瞬時值。而大霧天氣是水汽在近地面層集聚、凝結而產生的天氣現象；為了看清微波輻射計探測到大霧演變過程中各要素的不同變化，我們截取小于6 km高度資料，放大后進行分析。由相對濕度圖和水汽密度圖可知，輻射霧的水汽大多在1 km以下；而平流霧水汽大多在2 km以下，有時會在中層伴有2 km厚的大濕度區。

究其原因，輻射霧主要出現在天空晴朗的夜晚，是通過氣溫下降來實現水汽凝結，如地表長波輻射、雪面反射等物理過程使近地面濕度增加而形成大霧（如高壓前部型和后部型），所以在微波輻射計探測圖的中、高層相對濕度、水汽密度值小于零。而平流霧形成過程中氣溫的變化相對復雜，當暖濕氣層平流到冷性地面（水面）時，由于低層氣溫逐漸下降，造成溫度露點差迅速減小就可能形成大霧（如倒槽前部型），這種形式往往配合中、高云。當弱的干冷空氣平流到暖濕下墊面時，低層氣溫逐漸下降，造成露點溫度差迅速接近0℃而形成大霧（如倒槽后部型），這種形式偶爾會有中、高云。所以在微波輻射計探測圖的中層經常有相對濕度、水汽密度大值區。

無論輻射霧還是平流霧，其逆溫層都在低層，因此在微波輻射計探測圖上位溫在2 km以下變化比較復雜，之上位溫均勻遞減。所以在大霧發生時分析微波輻射計探測的低層資料，特別是大霧天氣發生前、后相對濕度、水汽密度和位溫的演變在天氣預報、預警中有著方便直觀的參考作用。

3 微波輻射計資料對大霧的監測個例分析

利用2011—2013年微波輻射計對大霧的觀測資料，配合天氣形勢挑出16次典型個例，分析大霧發生前后及大霧持續階段溫度、相對濕度和水汽密度的變化；找出大霧發生、消散時的指標。下面用四個典型個例逐一分析。

3.1 微波輻射計對高壓前部平流霧和高壓輻射霧的監測

2013年2 月20日清晨濱海地區處在高壓冷鋒前的低壓區里，出現小雨天氣。20日下午隨著冷鋒移近，能見度逐漸變差。在微波輻射計圖上，大霧產生前相對濕度、水汽密度緩慢增加；大霧發生時濕度爆發性增強到90%以上，水汽密度達到4.0 g/ m3，500 m以下大氣層結接近飽和，在500～1 000 m的高度范圍內有小于2 K的弱逆溫層。大霧維持期間飽和層少變，逆溫層在300～600 m，逆溫差小于3 K。此次過程大霧持續時間是20日17:50—21日02: 15，最小能見度600 m，出現在20日19:00前后。鋒面過境后大霧消散，相對濕度飽和區抬升并迅速減小，這是鋒前平流輻射霧演變過程。由圖2可以看出，21日清晨至上午近地面層相對濕度小于70%，水汽密度維持在3.5 g/m3，這是由于地面濕度較大的緣故。

21日下午高壓南壓，濱海地區處在高壓底部，微波輻射計圖上，大霧產生前相對濕度維持在65%，水汽密度在3.5 g/m3；18:00以后能見度再次減小。22日20：13大霧產生，濕度爆發性增強到90%以上，水汽密度達到4.0 g/m3；200 m以下大氣層結接近飽和；大霧維持期間，飽和層上下浮動且維持，逆溫差6 K的逆溫層穩定在200 m以下，從廓線圖上可以讀出每一時刻的準確值。大霧持續時間是22日20:13—08:12，最小能見度出現在07時，為200 m。大霧消散時相對濕度、水氣密度迅速減小，這是輻射霧演變過程（圖1）。

3.2 微波輻射計對高壓后部輻射霧的監測

2012年10 月25日濱海地區處在高壓后部07：00—09：00有輕霧，微波輻射計圖上相對濕度80%、水汽密度6.0 g/m3。26日輻射霧產生前相對濕度、水汽密度在近地面層緩慢增加，在500～800 m有小于2 k的弱逆溫層。大霧產生時兩者爆發性增強，大于90%相對濕度瞬時增高到2 500 m，并且有大于6.0 g/m3水汽密度相配合；能見度迅速降低到大霧標準。2 h以后霧層高度下沉至500 m左右穩定不變，最大水汽密度11.0 g/m3，最大相對濕度接近100%，逆溫層穩定在500～1 000 m，逆溫差為6 K；從廓線圖上能讀出每一時刻的準確值。大霧持續時間是01:17—10:35，最小能見度出現在08：00左右，為80 m的強濃霧。大霧消散時相對濕度、水汽密度迅速減小，這是輻射霧演變過程（圖2）。

3.3 微波輻射對低壓倒槽前部平流輻射霧的監測

2012年12 月27日夜間濱海地區處在倒槽前的低壓區里，2 500～4 000 m和1 800 m以下有大于90%的相對濕度，水汽密度在2.0～3.0 g/m3之間，配合實況有大量的高云。28日01:10高空大濕區迅速變薄，近地層水汽密度增加至4.5 g/m3時，沒有明顯的逆溫層，出現能見度為800 m左右的霧，之后大霧維持到11:00左右。到12：00出現降雪，此時高空大濕區迅速變厚，近地層水汽密度增加至6.0 g/m3；能見度升至1000 m左右，出現雪、霧共存現象。28日20：00左右雪、霧結束，相對濕度和水氣密度迅速減小（圖3）。

3.4 微波輻射對低壓倒槽后部平流輻射霧的監測

2012年9 月8日凌晨至上午濱海地區處倒槽前的低壓區里，出現了降水；微波輻射計圖顯示200～1 800 m有大于80%的相對濕度，水汽密度在10.0 g/m3左右，配合實況有大量的中云。16時以后水汽密度增大到14.0 g/m3，90%的相對濕度下降到地面，出現能見度小于800 m的霧，霧層高度穩定在1 500 m上下，之后大霧持續；到9日07：00—09：00霧層高度下降到800 m左右，近地層相對濕度達到飽和，水汽密度達到16.0 g/m3，有小于2 K弱逆溫，此時大霧濃度迅速加強，8:30時最小能見度只有80 m。11:00大霧逐漸消散,相對濕度飽區迅速抬升，水氣密度快速減小。

此次過程有如此大的水汽密度，是因為前期出現降水，地面水汽蒸發導致水汽密增大，而此時濱海地區處在倒槽后部，出現了能見度極低的平流輻射霧（圖4）。

3.5 微波輻射計資料監測的不同類型霧的對比分析

本文共分析了16次大霧個例，天氣形勢和各要素值見表1。

從表1中的觀測數據可以看出，不同天氣形式下霧層高度各不相同；高壓前部型霧層高度在300～ 500 m的左右，霧層高度最低；有明顯的逆溫層，逆溫差值達4～6 K。高壓后部型霧層高度在400～600 m的左右，霧層高度次低；有明顯的逆溫層，逆溫差達4～10 K。倒槽前部型霧層高度在1 000～1 800 m的左右，霧層高度最高。倒槽后部型霧層高度在1 000～1 500 m的左右，霧層高度次高；倒槽型大霧有小于2 K的弱逆溫層。大霧發生期間相對相對濕度均大于90%以上；水汽密度冬天大于4.0 g/m3，秋天水汽密度會達到10.0 g/m3以上。

從微波輻射監測圖看，輻射霧發生時相對濕度與水汽密度會爆發性增大、增高，對應水汽密度也迅速增大；平流霧發生時中層大濕區變薄，近地層大濕區迅速增大到接近飽和，近地層水汽密度也迅速增大。大霧消散時相對濕度都迅速減小、抬升，水汽密度也明顯減小。

5 結論

（1）高壓前部型和高壓后部型的輻射霧前發生前，相對濕度和水汽密度值開始穩定上升，無劇烈波動，臨近大霧時兩者爆發性增強，底層大氣接近飽和，逆溫層明顯,逆溫差值大于4 km，這是輻射霧形成特點。

倒槽前部型和倒槽后部型的平流霧前發生前，高空有相對濕度大值區，水汽密度較大；大霧發生時高層大濕區變薄，近地層相對濕度和水汽密度迅速增大，底層大氣接近飽和，逆溫層較弱，這是平流輻射霧形成特點。

（2）輻射霧的高度較低，一般低于600 m；相對濕度大于90%,水汽密度大于3.5 g/m3。平流輻射霧的高度較高，最高達到1 800 m，且持續時間長；相對濕度大于90%，水汽密度大于4.0 g/m3，經常會出現連續霧日。

（3）輻射霧消散時由于蒸發作用，相對濕度大值區抬升，近地面相對濕度和水汽密度值會迅速減小，逆溫層減弱消失。平流輻射霧消散時相對濕度飽和區抬升且減小，水汽密度略有減少，傍晚以后對濕度和水汽密度再度增大時，常常出現連續霧日。根據以上特點可以及時發布大霧生成和消散的預報、預警，服務于社會，以減少大霧天氣引發的交通事故。

[1]Decker M T,Westw at er E R,Guiraud F O.Experimental evaluat ion of ground-based microw ave radiomet ric sensing of atmospheric temperature and w at er vapor prof iles.J App l.Meteor.,1978，17：1788-1795.

[2]Westwater E R.The accuracy of w at er vapor and cloud liquid determination by dua-l f requency ground based microwave radiomet ry.R ad io Sci ence，1978，13：677-685.

[3]Westwatet E R，Guiraud F O.Ground-based microwave radiom etric ret rieval of precipit able w at er vapor in the presence of clouds w ith h igh liquid content.Radio S cience，1980，15（5）：947-957.

[4]S nider J B，Guiraud F O，Hogg D C.Com parison of cloud liquid cont ent measured by independent ground-based syst ems.J.A ppl Met eor，1980，19：577-579.

[5]趙柏林，李慧心，韓慶源.大氣微波輻射與水汽的遙感.科學通報，1980，（4）：225-227.

[6]黃潤恒，鄒壽祥.雙波長微波輻射計遙感云天大氣水汽總量和云液態水含量.大氣科學，1987，11：397-403.

[7]Chong Wei,Leight on H G,Rogers R R.A comparison of several radiomet ric m ethods of deducing path-integrated cloud liquid w at er.J.A tmos.Oceanic Technol，1989，6（6）：1001-1012.

[8]周嵬，吳宏議，田海軍.基于微波輻射及資料淺析對流降水云內與環境溫差[J].干旱氣象，2011，29（1）：10-16.

[9]周秀驥.大氣微波輻射及遙感原理[M].北京：科學出版社，1982.

[10]趙玲，馬玉芬，張廣興，等.MP_3000A微波輻射計的探測原理和誤差分析.沙漠與綠洲氣象，2009，3（5）：54-57.

[11]黨張利，張京明，曲宗希，等.微波輻射計觀測數據在降水預報中的應用[J].干旱氣象，2015，33（2）：304-343.

[12]王健，呂新生，趙克明，等.地基微波輻射計對烏魯木齊暴雨天氣過程的觀測分析[J].沙漠與綠洲氣象，2012，6（3）：45-49.

[13]王健，崔彩霞，劉惠云.基于微波輻射計的烏魯木齊水汽日變化初步分析[J].沙漠與綠洲氣象，2011，5（6）：22-26.

[14]黨張利，張京明，曲宗希，等.微波輻射計觀測數據在降水預報中的應用[J].干旱氣象，2015，33（2）：340-343.

[15]劉建忠，米薔，楊道俠.霧日期間邊界層特性分析[J].干旱氣象，2010，28（1）：41-48.

[16]姚作新，呂嗚，賀曉東，等.MP-3000A型地基微波輻射計在烏魯木齊探空站的輔助性探測研究[J].沙漠與綠洲氣象，2011，5（1）：38-43.

[17]MP-3000A型地基微波輻射計探測性能及其在烏魯木齊降水天氣中的初步應用[J].干旱氣象，2013，31（3）：570-578.

Application of Microwave Radiometer Data in the Fog Forecasting and Early Warning

ZHAO Jinxia1，FAN Sudan2，ZHU Xiaojing1
（1.Meteorological Bureau of Tianjin Binhai New Area,Tianjin 300457 China；2.Meteorological Research Institute of Jinan,Jinan 250031，China）

MP-3000A is a new atmospheric sounding instrument,which can be obtained continuously from the ground to the height of 10 km of high-resolution digital temperature,relative humidity,The water vapor density profile.Select fog occurs,upkeep and dissipate microwave radiometer observations,Analysis found that process from the formation of fog to dissipate,The evolution of the fog of water vapor density,relative humidity and potential temperature are different variations;Front fog occurs near surface atmospheric relative humidity,water vapor density is generally a steady increase,Fog occurs when They will increase explosively.There is inversion layer in near surface layer,radiation fog obvious,maintenance phase in the fog.Fog layer of highly there are stable and fluctuating in during fog,Fog will quickly strengthen the fog layer height when dropped.When the fog dissipates a large wet area near surface layer reduction and uplift,The water vapor density decreases rapidly.Therefore,the microwave radiometer water vapor density,liquid water content and potential temperature studies,will help improve the generation and dissipation of fog forecasting and early warning.

fog；microwave radiometer；vapor density；liquid water content；potential temperature

P468

B

1002-0799（2015）03-0031-05

趙金霞，范蘇丹，朱曉晶.微波輻射計資料在大霧預報預警中的應用[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（3）：31-35.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.03. 005

2014-04-08

科研專項（GYHY201006034）資助。

趙金霞（1963-），女，工程師，主要從事災害性天氣研究。E-mail:zhjx1626@163.com