一次典型西風(fēng)槽型降水過(guò)程的雙通道微波輻射計(jì)探測(cè)分析

田廣元　張?jiān)坪！≡　钚瘛〉郧顼w　李洋　陳剛　胡偉

摘要 對(duì)2012年10月27日傍晚時(shí)分，沈陽(yáng)區(qū)域氣象中心大樓所在地降水過(guò)程前后的雙通道微波輻射計(jì)與雨量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到雙通道微波輻射計(jì)的一些測(cè)量特征，以為人工增雨作業(yè)時(shí)機(jī)的選擇提供指示作用。

關(guān)鍵詞 雙通道微波輻射計(jì)；輻射亮溫；液態(tài)水含量；水汽含量

中圖分類號(hào) P481 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）12-0230-02

Analysis on Typical Westerly Trough Precipitation Process by Dual-channel Microwave Radiometric

TIAN Guang-yuan 1 ZHANG Yun-hai 2 * YUAN Jian1 YANG Xu 1 ZHAI Qing-fei 1 Li Yang1 CHEN Gang 1 HU Wei 1

（1 Weather Modification Office in Liaoning Province，Shenyang Liaoning 110166； 2 Institute of Atmospheric Environment，CMA）

Abstract The measurement datas between dual-channel microware radiometric and rain gauge were analyzed，this rainfall process occurred in the evening of 27 th Oct. 2012 at the Location of shenyang Regional weather center，obtained some characteristics of dual-channel microware radiometric.In order to provide instructions for artificial precipitation operation time choose.

Key words dual-channel microwave radiometric；radiation brightness temperature；liquid water content（LWC）；moisture content

人工增雨主要是利用人工播撒催化劑的方式，促進(jìn)云中液態(tài)水向降水方向轉(zhuǎn)化，同時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)又促使云和降水的發(fā)展和持續(xù)，以達(dá)到增雨的目的，從而改善空氣土壤環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。施增雨作業(yè)需要了解云中液態(tài)水的時(shí)空分布特征。雙通道微波輻射計(jì)可以連續(xù)探測(cè)大氣中垂直累積液態(tài)水含量（L）和汽態(tài)水含量（V），目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微波輻射計(jì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一些分析研究，得到了一些成果：黃彥彬等[1]分析了不同月份、不同天氣條件下的大氣總含水量和云中液態(tài)水積分含量的分布規(guī)律；段 英等[2]總結(jié)出以往通常采用大氣中水汽含量評(píng)估人工增雨資源條件的方法，存在著不確切性；賀宏兵等[3]用線性統(tǒng)計(jì)回歸法反演水汽總量和云水總量，取得了比較好的效果；蘇立娟等[4]研究了在人工增雨作業(yè)中V和L的一般變化規(guī)律及其與云的可播性的聯(lián)系和基本指標(biāo)，為及時(shí)有效地指揮人工增雨作業(yè)提供了依據(jù)；朱元競(jìng)等[5]對(duì)人工增雨V、L提出可催化性指標(biāo)建議；雷恒池等[6]提出在降水云系前方（周圍）存在豐水區(qū)的假設(shè)，可能是人工增雨最佳作業(yè)區(qū)。筆者對(duì)位于沈陽(yáng)區(qū)域氣象中心大樓處的雙通道微波輻射計(jì)的探測(cè)資料進(jìn)行了分析，選取了2012年10月27日傍晚時(shí)分降水過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行了個(gè)例分析，給出了典型降水開始前后汽態(tài)水含量和液態(tài)水含量的變化特征，對(duì)人工增雨作業(yè)時(shí)機(jī)的選擇有一定指導(dǎo)意義。

1 雙通道微波輻射計(jì)簡(jiǎn)介

雙通道微波輻射計(jì)是根據(jù)基爾霍夫定律，即物體對(duì)于某個(gè)波段有強(qiáng)烈的吸收，必然在該波段有強(qiáng)烈的輻射。再根據(jù)大氣輻射傳輸理論，在40 GHz以下頻率，大氣透過(guò)率主要由水汽含量V和云中液水含量L所決定，因此就可以選擇工作在最佳頻率的微波輻射計(jì)，通過(guò)測(cè)量大氣輻射亮溫的方法來(lái)反演測(cè)量該路徑上的V和L。因此，該文雙通道輻射計(jì)采用了2個(gè)通道的輻射計(jì)，其中心頻率分別為23.8 GHz和31.65 GHz，分別對(duì)大氣中的水汽含量及云中液態(tài)水含量敏感。該測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量2個(gè)路徑上的V和L，連續(xù)監(jiān)測(cè)地面大氣環(huán)境（氣溫、相對(duì)濕度、氣壓）和大氣中的水汽和云中液態(tài)水的演變過(guò)程，為人工影響天氣部門選擇最佳作業(yè)時(shí)機(jī)提供依據(jù)。

2 天氣環(huán)流形勢(shì)

2012年10月27日傍晚至28日白天沈陽(yáng)地區(qū)降陣雨。500 Hpa高空?qǐng)D如圖1所示，通過(guò)分析可以看出：在內(nèi)蒙古東部靠近遼寧西部地區(qū)，有一個(gè)東北—西南向高空槽，此高空槽東移南下影響遼寧，槽前冷鋒云系在遼寧地區(qū)上空；地面圖如圖2所示，通過(guò)分析可以看到：遼寧地區(qū)處于低壓區(qū)域內(nèi)，地面有冷鋒過(guò)境，沈陽(yáng)地區(qū)開始降雨。分析遼寧省人工增雨天氣概念模型[7]，本次降水天氣過(guò)程是一次典型的高空槽配合地面冷鋒移過(guò)遼寧省境內(nèi)產(chǎn)生的西風(fēng)槽型降水，該降水云系為層狀云降水。由于西風(fēng)槽類型的降水占我省降水過(guò)程的40%左右，因此，本個(gè)例在一定程度上也代表了西風(fēng)槽降水系統(tǒng)中大氣的云水特征。

3 探測(cè)資料的對(duì)比分析

在10月27日傍晚16：00前后的降水過(guò)程中，雙通道微波輻射計(jì)探測(cè)到大氣中水汽含量及云中液態(tài)水含量的變化，具體如圖3所示。同時(shí)，翻斗式雨量計(jì)也測(cè)到降水量記錄，具體如圖4所示。將同一時(shí)段（時(shí)刻）內(nèi)的天氣實(shí)況與輻射計(jì)及雨量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體如表1所示。

可以看出，14：22—15：36一直是陰天，避光高層云，天氣比較穩(wěn)定，輻射計(jì)測(cè)得的天頂方向液態(tài)水及水汽含量均穩(wěn)定地分別維持在0.03～0.05 mm和47.66～48.09 mm的范圍內(nèi)。15：50前（即開始降水之前的時(shí)間段內(nèi)）：液態(tài)水含量曲線在開始階段緩慢增加到后來(lái)迅速增加，而水汽含量則呈現(xiàn)反向趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)多次降水過(guò)程的觀測(cè)，降水之前均呈現(xiàn)同樣的狀態(tài)曲線，只是云系的不同曲線增加的曲率不同。在實(shí)際的人工增雨過(guò)程中，如果在增雨地點(diǎn)有輻射計(jì)進(jìn)行測(cè)量，可以在此階段開始實(shí)施人工增雨作業(yè)，播撒催化劑，能夠有效地使層狀云中過(guò)冷水轉(zhuǎn)化為降水，同時(shí)潛熱的釋放還可以促使云和降水的發(fā)展和持續(xù)，以達(dá)到增雨的目的。15：50開始掉雨點(diǎn)，雨層云，因開始降水時(shí)強(qiáng)度小，雨量有一個(gè)累積的過(guò)程，此時(shí)雨量計(jì)還沒(méi)有雨量記錄，比實(shí)際降水時(shí)間滯后2～3 min。液態(tài)水含量值達(dá)2.09 mm，水汽含量為20.95 mm，為一個(gè)波谷，說(shuō)明在此天頂方向的大氣中，液態(tài)水達(dá)到降水的閾值，同時(shí)水汽含量也達(dá)到最低值。符合其水汽與液態(tài)水互相轉(zhuǎn)化的關(guān)系。也說(shuō)明此次降水過(guò)程的云系產(chǎn)生降水時(shí)的液水含量的閾值為2.09 mm。經(jīng)過(guò)多次的觀測(cè)，不同云系、不同強(qiáng)度的降水其閾值也不同。15：53：52液態(tài)水含量值升至第1峰值為3.17 mm，水汽含量也達(dá)到峰值的82.23 mm。由雨量計(jì)記錄曲線可以看出：此時(shí)的降水量紀(jì)錄值開始急劇上升，目視室外，感覺降大雨。此時(shí)說(shuō)明：液態(tài)水含量值與降水強(qiáng)度對(duì)應(yīng)，成正相關(guān)關(guān)系；水汽含量也增加并達(dá)到峰值，說(shuō)明水汽不斷由云底（側(cè)）輸入補(bǔ)充。15：56：41液態(tài)水值處于波谷的0.59 mm，此時(shí)看雨量計(jì)記錄曲線可以看出降水量曲線增幅減緩，更說(shuō)明了液水值的大小與雨強(qiáng)有正比的對(duì)應(yīng)關(guān)系。16：00液水值與水汽含量值再一次同時(shí)到達(dá)峰值，分別為3.75 mm和69.36 mm，此時(shí)雨量計(jì)的降水量值紀(jì)錄也顯示急劇上升，又一次證明液水與水汽含量與雨強(qiáng)有正比關(guān)系。云中又進(jìn)行了一次水分循環(huán)。16：00—16：02液態(tài)水含量開始下降，水汽含量也開始下降，之后雨量計(jì)顯示的降水也開始減弱。16：02液態(tài)水含量為2.13 mm，水汽含量為19.78 mm，均是整個(gè)降水過(guò)程中的最低值，作為液態(tài)水形成的源泉，已經(jīng)不足以繼續(xù)為液態(tài)水的形成做貢獻(xiàn)了，之后液水值不斷下降，直至3.9 mm。16：09液水值為0.08 mm，雨量計(jì)記錄顯示雨停。endprint

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多次降水過(guò)程的觀測(cè)，各降水過(guò)程前后的輻射計(jì)的水汽及液水含量曲線基本趨勢(shì)一致，只是降水過(guò)程類型及降水云系的不同，其數(shù)值也不盡相同。通過(guò)10月27日傍晚時(shí)分降水過(guò)程的分析可以具體得出以下結(jié)論：

（1）輻射計(jì)對(duì)云中液態(tài)水及大氣中水汽的感應(yīng)相當(dāng)靈敏，并且可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地對(duì)大氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是很好的探測(cè)云中液態(tài)水和水汽含量的工具。

（2）在降水開始之前，輻射計(jì)探測(cè)到的液態(tài)水含量值迅速增加，到達(dá)某一值時(shí)開始降水。此階段可以開始進(jìn)行人工增雨作業(yè)，可以有效地促進(jìn)過(guò)冷水的增加，對(duì)人工增雨作業(yè)開始時(shí)間的選擇有一定的指示意義。

（3）本次降水過(guò)程為層狀云降水，與之相對(duì)應(yīng)的液態(tài)水及水汽含量有一個(gè)達(dá)到降水時(shí)刻的閾值。由以往的降水過(guò)程可以看出，降水云系不同，其閾值也不同。今后可以累積資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)降水的臨近預(yù)報(bào)有幫助。

（4）降水開始前液水含量增加，水汽含量下降；降水結(jié)束階段，液水含量下降，而水汽含量增加，呈現(xiàn)反向狀態(tài)；在降水過(guò)程中液水含量值的大小與雨強(qiáng)有正比關(guān)系，不乏也有雨水貢獻(xiàn)在其中的原因；而水汽含量的變化波動(dòng)較多也較劇烈，有時(shí)與液水的變化同向有時(shí)則反向，有2次峰谷，說(shuō)明降水過(guò)程中水汽轉(zhuǎn)換成液態(tài)水的同時(shí)，水汽不斷由云底（側(cè)）輸入，液態(tài)降水粒子不斷形成、不斷補(bǔ)充、不斷下降，從而完成了2次的水分循環(huán)。

5 參考文獻(xiàn)

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[3] 賀宏兵，杜曉勇，胡明寶.遙感反演水汽總量和云水的研究[J].氣象科學(xué)，2000，20（2）：194-199.

[4] 蘇立娟，張自國(guó)，馬惠萍.雙通道微波輻射計(jì)在人工增雨作業(yè)中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古氣象，1999（3）：25-30.

[5] 朱元競(jìng)，趙柏林，甄進(jìn)明，等.微波輻射計(jì)在人工影響天氣中的應(yīng)用[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1994，30（9）：597-606.

[6] 雷恒池，魏重，沈志來(lái).微波輻射計(jì)探測(cè)降雨前水汽和云液水[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2001，12（增刊1）：73-79.endprint