微波輻射資料在武漢2015年6月兩場暴雨預(yù)報中的應(yīng)用

摘要利用武漢國家基本氣象觀測站MP-3000A型微波輻射觀測資料，對武漢站2015年6月出現(xiàn)的2場強降水天氣進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選取的溫度、水汽密度、液態(tài)水含量3個要素與強降水有較密切的關(guān)系；運用中低層氣溫的雨前明顯上升現(xiàn)象來預(yù)報降水，運用近地面層氣溫的下降來預(yù)報降水過程結(jié)束，運用水汽密度雨前近地面層的明顯上升和對流層中層雨前水汽密度明顯上升后下降到趨于穩(wěn)定的時間來預(yù)報降水發(fā)生，運用液態(tài)水含量急劇上升和下降預(yù)報降水開始及結(jié)束的時間；相對濕度對強降水的指示意義更明確，降水越強，表現(xiàn)越明顯。在實際應(yīng)用過程中，必須結(jié)合使用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品才能更好發(fā)揮微波輻射監(jiān)測資料的作用。

關(guān)鍵詞微波輻射；強降水；預(yù)報

中圖分類號S164文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）26-202-05

武漢位于南北氣候過渡地帶，暴風(fēng)雨、閃電、強降雨、霧、冰凍等中小尺度天氣現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。目前，影響天氣變化的最重要的因素之一——大氣水汽主要由氣球探空獲取，但由于探空資料時間分辨率的限制，使得降水過程中大氣水汽含量的變化情況很難被人們所了解。

地基微波輻射計具有受云雨霧影響小、無人值守、全天候和全天時工作，有一定穿透能力，可獲得連續(xù)、客觀、定量監(jiān)測的優(yōu)勢，使其越來越多地受到世界各國的重視，并被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域；同時，地基微波輻射計還具有測量大氣水汽和云液態(tài)水垂直積分量及分布的能力[1-3]；此外，利用多頻率微波輻射計測量溫度廓線、通過微波輻射計的掃描觀測來獲得邊界層的溫度廓線、輻射計的角掃描觀測來研究云的結(jié)構(gòu)等，也是地基微波輻射計所具有的強大功能[4]。MP-3000A型微波輻射儀能在各種天氣條件下進行連續(xù)的、高時間分辨率的溫度、濕度、氣壓和液態(tài)水含量的垂直廓線探測[5]。武漢市MP-3000A型微波輻射儀已于2010年6月建成并投入業(yè)務(wù)使用，該設(shè)備可以探測到垂直高度10 km內(nèi)不同高度和時間的溫度、相對濕度和比濕數(shù)據(jù)。與常規(guī)高空探空方法相比，其在時間精度和數(shù)據(jù)密度等方面具有很大的優(yōu)勢，在氣象業(yè)務(wù)工作尤其是汛期的氣象預(yù)報和服務(wù)中發(fā)揮了作用。筆者在此以2015年6月武漢市發(fā)生的2次強降水過程為例，對比研究微波輻射計資料在強降水過程中的變化趨勢，以期為進一步提高微波輻射計資料在日常天氣預(yù)報中的應(yīng)用水平提供有益依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料來源選取2015年6月1～15日武漢國家基本氣象觀測站常規(guī)觀測報表數(shù)據(jù)中逐小時降水資料和MP-3000A微波輻射儀逐小時探測資料。

1.2分析方法利用微波輻射資料處理顯示系統(tǒng)軟件，將逐日微波輻射溫度、相對濕度、水汽密度、液態(tài)水含量等數(shù)據(jù)資料逐小時數(shù)據(jù)以曲線圖圖形方式顯示，通過對降水發(fā)生、發(fā)展、減弱前后曲線變化趨勢的分析，找出各微波觀測資料與降水各階段之間的關(guān)系。

2天氣過程分析

2.1天氣實況6月1日08：00～3日08：00受高空低槽東移和中低層低渦切變的共同影響，武漢全市普降大到暴雨，南部大暴雨，并伴有雷電，區(qū)域自動站雨量50 mm以上44站，100 mm以上2站，最大為江夏安山的124.2 mm（圖1a）。 圖12015年6月1日08：00～3日08：00（a）和7日08：00～8日08：00（b）武漢市降水實況

作者簡介柳戊弼（1978- ），男，湖北黃梅人，高級工程師，從事天氣預(yù)報及氣象服務(wù)研究。

收稿日期20150714此次降水過程時空分布不均，武漢站主要降水時段集中在1日20：00～2日07：00，最大小時雨量為1日22：00～23：00的10.3 mm，降水南部大、北部小。

6月7日08：00～8日08：00受高空槽和中低層西南渦的共同影響，武漢全市普降大到暴雨，南部大暴雨，并伴有雷電，區(qū)域自動站雨量50 mm以上62個站，100 mm以上7站，最大為江夏魯湖的173.8 mm（圖1b）。 此次降水過程時空分布不均，武漢站主要降水時段集中在7日07：00～18：00，最大小時雨量為7日14：00～15：00的9.9 mm，降水大值區(qū)為武漢中南部，北部相對較小。

2.2環(huán)流形勢分析2015年6月1～3和7～8日暴雨天氣過程為武漢典型的低渦類暴雨天氣過程，環(huán)流形勢有較多的相似之處。500 hPa，中緯度北支西風(fēng)帶槽位于黃土高原附近，高原槽位于四川盆地東部，副高控制著華南沿海，西風(fēng)槽攜帶冷空氣向東南方向移動與副高西北側(cè)、高原槽前西南暖濕氣流在長江中游一帶交匯，有利于鋒生和強降水的產(chǎn)生；700 hPa，低渦位于江漢平原中部，低渦東側(cè)暖式切變線從低渦中心經(jīng)湖北中北部一直延伸至江蘇南部，低渦西側(cè)冷式切變線從低渦中心經(jīng)湖北西北部一直延伸至貴州中部，切變線以南有一近乎平行的低空西南急流；850 hPa低渦位于武漢市上空，冷暖切變線、急流與700 hPa幾乎平行，位置較700 hPa偏南1～3個緯距；地面上強盛的西南風(fēng)導(dǎo)致湖北省沿江暖鋒鋒生，弱的冷空氣南下入侵低壓倒槽，進一步加強了上升運動，觸發(fā)對流性降水。綜上所述，武漢市處于200 hPa高空急流南側(cè)、500 hPa北支西風(fēng)槽和高原槽前、副高西北側(cè)，700 hPa切變線以南、低空急流以北、850 hPa低渦附近和地面冷鋒前（圖2），此種高低空配置非常有利于水汽的輻合和上升運動的發(fā)展。

圖22015年6月1～3和7～8日武漢2次低渦暴雨形勢場綜合圖3微波輻射資料分析

3.16月1～3日天氣過程從武漢微波輻射計三維時空序列（圖3）可以看出，降水從1日22：00開始，降水之前整層大氣液態(tài)水含量較低，一般低于0.5 g/m3，水汽密度主要集中在對流層低層，12 g/m3水汽密度等值線在2 km高度附近，相對濕度低層小高層大，各層溫度平穩(wěn)，無大變化；降水開始注：a.溫度（℃）；b.相對濕度（%）；c.水汽密度（g/m3）；d.液態(tài)水含量（g/m3）。

圖32015年5月30日～6月1日武漢微波輻射計三維時空序列之后，液態(tài)水含量突然增大，最大值>2 g/m3，且一直伸展至對流層中高層，大氣低層水汽密度增加明顯，12 g/m3水汽密度等值線上升至5 km左右高度，對流層高層高的相對濕度向下輸送，分別在6 km和近地面附近形成高相對濕度層，溫度增加，且在降水時間內(nèi)一直維持在較高溫度。

從武漢微波輻射計整層要素時間序列（圖4）可以看出，降水之前整層大氣水汽總含量較低，一般低于70 mm，整層大氣液態(tài)水總含量很低，接近于0 mm，云底高度較高，一般在3 km以上；降水發(fā)生以后整層大氣水汽總含量增加明顯，一般大于80 mm，整層大氣液態(tài)水總含量突然增加，云底高度迅速降，幾乎接近地面。

以降水最強的1日22：00～23：00為例，從武漢微波輻射計各要素廓線圖（圖5）可以看出，降水較強時，邊界層附近存在弱的逆溫區(qū)，相對濕度整層較高，水汽密度在距地1 km附近最大，達25 g/m3，液態(tài)水含量在對流層高層6 km左右達最大，最大值超過1 500 mg/m3。圖42015年5月30日～6月1日武漢微波輻射計整層大氣水汽總含量（a）、液態(tài)水總含量（b）和云底高度（c）時間序列圖52015年6月1日21：55武漢微波輻射計各要素廓線安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年3.26月7～8日天氣過程從武漢微波輻射計三維時空序列（圖6）可以看出，降水7日06：00開始，降水之前整層大氣液態(tài)水含量較低，一般低于0.5 g/m3，水汽密度主要集中在對流層低層，10 g/m3水汽密度等值線不超過2 km，相對濕度低層小高層大，各層溫度平穩(wěn)，無大變化；降水開始之后（以降水最強的7日14：00～15：00為例），由于上升運動和水汽凝結(jié)潛熱釋放，導(dǎo)致液態(tài)水含量突然增大，一般大于0.75 g/m3，且一直伸展至對流層中高層，大氣低層水汽密度增加明顯，10 g/m3水汽密度等值線上升至6 km左右高度，對流層高層高的相對濕度向下輸送，分別在8 km、4 km和近地面附近形成高相對濕度層，溫度增加，且在降水時間內(nèi)一直維持在較高溫度；降水結(jié)束之后，液態(tài)水含量和溫度迅速降低，水汽密度和相對濕度緩慢回落。注：a.溫度（℃）；b.相對濕度（%）；c.水汽密度（g/m3）；d.液態(tài)水含量（g/m3）。

圖62015年6月6～8日武漢微波輻射計三維時空序列從武漢微波輻射計整層要素時間序列（圖7）可以看出，降水之前整層大氣水汽總含量較低，一般低于40 mm，整層大氣液態(tài)水總含量很低，接近于0 mm，云底高度較高，一般在3 km以上；降水發(fā)生以后整層大氣水汽總含量增加明顯，一般大于50 mm，整層大氣液態(tài)水總含量突然增加，云底高度迅速降低，幾乎接近地面；降水結(jié)束之后，整層大氣液態(tài)水圖72015年6月6～8日武漢微波輻射計整層大氣水汽總含量（a）、液態(tài)水總含量（b）和云底高度（c）時間序列總含量迅速降低，云底高度迅速抬高，大氣水汽總含量緩慢回落。

以降水最強的7日14：00～15：00為例，從武漢微波輻射計各要素廓線（圖8）可以看出，降水較強時，邊界層附近存在弱的逆溫區(qū)，相對濕度整層較高，水汽密度在距地1 km附近最大，達25 g/m3，液態(tài)水含量在對流層高層7 km左右達最大，最大值超過1 000 mg/m3。圖82015年6月7日13：55武漢微波輻射計各要素廓線4結(jié)論與討論

（1）降水開始之前低層水汽向上輸送，導(dǎo)致相對濕度在對流層中高層達到最大，低層相對較小，大氣水汽總含量較低（一般低于60 mm），云底高度較高（一般高于3 km），大氣液態(tài)水總含量幾乎為0，水汽密度集中在對流層中低層，溫度平穩(wěn)維持，無太大變化。

（2）降水開始之后相對濕度增加，高層高的相對濕度繼續(xù)維持，大氣水汽總含量增加（一般高于60 mm），云底高度迅速降低，接近地面，大氣液態(tài)水總含量明顯增加，降水越強增加越多，且?guī)缀踟灤┱麄€對流層，在對流層上層達最大，水汽密度增加明顯，10 g/m3的等值線抬升至5 km高度左右，溫度突然上升，在降水時段內(nèi)始終高溫維持。

（3）降水結(jié)束以后，大氣水汽總含量降低（一般低于60 mm），云底高度迅速抬高（一般高于3 km），大氣液態(tài)水總含量迅速降低，幾乎為0，溫度迅速降低，水汽密度和相對濕度緩慢回落。

（4）降水較強時，微波輻射計要素廓線顯示，邊界層附近出現(xiàn)弱的逆溫層，水汽密度在該層達最大，達20 g/m3以上，液態(tài)水含量在6 km左右達最大，一般超過1 000 mg/m3。

（5）運用中低層氣溫的雨前明顯上升現(xiàn)象來預(yù)報降水，運用近地面層氣溫的下降來預(yù)報降水過程結(jié)束；運用水汽密度雨前近地面層的明顯上升和對流層中層雨前水汽密度明顯上升后下降到趨于穩(wěn)定的時間來預(yù)報降水發(fā)生；運用液態(tài)水含量急劇上升和下降預(yù)報降水開始及結(jié)束的時間。

參考文獻

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