微波輻射計資料在東營市降水和大霧天氣研究中的應用

萬文龍++孫榮++王旭++張立++杜肖肖

摘要 使用東營市MP-3000A微波輻射計資料，分析了2011年8月到2014年7月期間東營市發生的降水及大霧天氣。結果表明，暴雨與大雨降水前1 h水汽含量V值和液態水含量L值變化具有雙峰結構，并且躍增值與量級成正比，而中雨及小雨不具備雙峰結構；在大霧發生前，逆溫層厚度在400 m左右，并且逆溫層的溫差剛開始都較小，水汽密度在200～500 m厚度和大霧發生前1 h有不同程度的躍增現象，躍增層高度在逆溫層頂附近，并高于初始逆溫層，大霧發生過程中，逆溫層不斷增長。

關鍵詞 微波輻射計；降水；大霧；應用；山東東營

中圖分類號 P407.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）23-0213-04

Abstract Using MP-3000A microwave radiometer data of Dongying City，the precipitation and heavy fog during the period from August 2011 to July 2014 in Dongying City were analyzed.The results showed that the characteristics at 1 hour before precipitation in torrential rain and heavy rain showed double-peak structure and step increment in proportion to the magnitude，while in moderate rain and light rain didn′t show this structure.Before the fog，the thickness of the temperature inversion layer was about 400 meters，and the temperature difference of the temperature inversion layer was small at the beginning.The thickness of the water vapor density was 200 to 500 meters when 1 hour before the fog occurs.The height of the increment layer was near the top of the temperature inversion layer and higher than the initial temperature inversion layer，which verified that the temperature inversion layer was growing during the process of fog.

Key words microwave radiometer；precipitation；heavy fog；application；Dongying Shandong

表征水汽含量的物理量有大氣水汽含量和液態水含量，其中云液態水含量變化與云量有關。充足的水汽是發生降水的必要條件之一。因此，大氣水汽含量和液態水含量隨時間變化情況可以較好地反映天氣發展。降水前后，大氣水汽含量和液態水含量變化明顯，對降水發生有指示意義，可用于暴雨檢測、判斷云系是否正處于降水階段、人工增雨作業[1-2]。

目前，水汽分析主要依賴于中尺度診斷分析或常規探空觀測[3-4]。但中尺度診斷分析要求分析資料必須較準確，否則誤差更大；而探空觀測時空分辨率低，且不能直接獲得液態水[5-7]。微波輻射計無人觀測，具有長時間、可連續觀測、高時間分辨率（2～3 min）、高空間分辨率（1～10 km高度58層）探測水汽密度及液態水含量等優點，并且此被動遙感觀測技術和理論已經相當成熟[8-10]。微波輻射計在邊界層，500 m以下可獲得10層溫濕廓線資料，能很好地反演霧在邊界層的熱力學結構，國內一些專家學者利用微波輻射計觀測數據（大氣液態水、溫度廓線及計算得到的熱動力指數等），進行一般性降水天氣、冰雹、短時暴雨、雷暴大風、霧天等分析[11-22]，取得良好效果。

大氣邊界層通常是受地面直接影響的低層大氣，與人類關系最密切。霧是大氣邊界層的天氣現象之一，是近地層空氣中水汽凝結物（或凝華）的產物，是水汽于近地面飽和時在氣溶膠粒子上凝結（或凝華）形成水滴使能見度<1 km的天氣現象。霧嚴重影響地面能見度，妨礙沿海漁業、交通運輸、航海、航空等，且危害日益突出。

本文利用2011年8月至2014年7月東營市氣象局廓線資料，分析不同降水強度的水汽密度及液態水含量的特征，為東營市降水及霧天預報提供參考。

1 資料與方法

資料來源于東營市氣象局（37.43°N、118.67°E）2011年8月至2014年7月MP-3000A型地基微波輻射計反演資料，包括逐層溫度、相對濕度、水汽密度、液態水含量等。反演方法為蒙特卡羅神經網絡算法。

采用12 h降水量對46個降水個例進行分級：暴雨4個、大雨8個、中雨15個、小雨13個、降雪6個。地基微波輻射計反演得到單位底面積水汽和云液態水積分含量，統計分析降水發生前1 h水汽含量和液態水含量的變化特征，分析其對降水發生的指示意義。

微波輻射計在邊界層有高垂直分辨率的探測溫度、水汽密度等氣象要素。使用該資料分析東營市8個大霧天氣（能見度<100 m）發生前邊界層溫度、水汽密度特征變化。

2 降水前1 h V值、L值變化特征

由表1可知，暴雨發生前水汽含量V值平均為6.5 cm，液態水含量L值較低（>0.15 mm）。大雨發生前V值平均在7.2 cm以上，較暴雨發生前大；L值較大，最小值為0.45 mm，并且夏季降雨前L值較秋季、春末季節低。中雨L值明顯比大雨、暴雨小1個數量級；春末、秋季V值低于4 cm，夏季高于4 cm。小雨發生前V值大小因季節差異明顯，春季、秋季V值約為2 cm，較低，但秋季L值較大，春季為0；夏季小雨發生前V值>4 cm，但L值比中雨又低一個數量級。小雪（前4個）發生前，V值低于1 cm，L值為0；中到大雪（后2個），V值明顯>7 cm。endprint

分別選取暴雨、大雨、中雨個例，作降水開始前1 h V值和L值的逐分鐘曲線圖（圖1、2、3），分析二者隨時間變化的特征?？梢钥闯?，降水開始前1 h，暴雨與大雨的起始V值接近為6 cm，中雨最小為3 cm左右。暴雨降水開始前10 min躍增達到9 cm，然后下降，在開始前2 min又出現一次躍增，V值達14 cm，見圖1（a）；對應的L值與V值增減趨勢相同，L值的增減幅度明晰，具有明顯的雙峰結構，見圖1（b）。降水前出現雙峰結構，表明在降水云前方存在大氣含水量高值與低值區，雙峰中的低值區可能是云滴向雨滴轉化的孕育區，在此區域開展人工影響天氣作業，可加快降水開始或增大降雨量。大雨降水前10、2 min有躍增現象，但躍增梯度較暴雨天氣小，且L值、V值明顯低于暴雨。中雨發生前L值、V值明顯低于大雨，呈緩慢增加趨勢，不具備雙峰結構。其他暴雨、中雨、大雨個例也有此特征。

3 大霧天氣邊界層特征

分析8個能見度<100 m的大霧天氣邊界層特征，發現逆溫層厚度、逆溫層溫差、水汽密度躍增厚度、躍增時刻以及躍增前后梯度大小等要素在大霧發生前具有一定的指示意義。

由表2看出，大霧發生前夜20：00逆溫層厚度約400 m，且逆溫層溫差初始都<2 K，較小。通過對比分析預警信號發布時間發現，大霧發生前1 h水汽密度在200～500 m厚度有不同程度的躍增現象，對應的厚度為逆溫層頂附近，一般高于初始逆溫層，這與大霧過程中逆溫層不斷增長有關[23-24]。水汽密度與水汽壓成正比。因此，水汽密度增加說明水汽壓向趨于飽和的狀態發展，構成成霧條件。躍增前、后變量的值之比都>4，通過觀測資料發現，一般大霧發生前1 d發生霾，加之溫度、水汽密度的特征，可以建立大霧預報模型。一是有無霾天氣發生；二是判斷20：00以后微波輻射計觀測溫度是否存在逆溫層；三是若存在，判斷逆溫層厚度，在逆溫層頂附近判斷逐時水汽密度變化梯度；四是判斷躍增前后梯度比。

4 結論

（1）使用水汽含量和液態水含量對暴雨、大雨、中雨、小雨、降雪發生前1 h的特征進行分析。暴雨與大雨降水前1 h V值、L值變化曲線具有雙峰結構，并且躍增值與量級成正比；中雨及小雨不具備雙峰結構。

（2）大霧發生前1 h水汽密度在逆溫層頂附近具有明顯的躍增現象，符合霧的形成物理機制。

5 參考文獻

[1] 李鐵林，劉金華，劉艷華，等.利用雙頻微波輻射計測空中水汽和云液態水含量的個例分析[J].氣象，2007，33（12）：62-68.

[2] 敖雪，王振會，徐桂榮，等.地基微波輻射計資料在降水分析中的應用[J].暴雨災害，2011，30（4）：358-365.

[3] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等，天氣學原理與方法[M].北京：氣象出版社，2000：400-425.

[4] 劉健文，郭虎，李耀東，等.天氣分析預報物理量計算基礎[M].北京：氣象出版社，2005.

[5] GARC？魱A-ORTEGA E，FITA L，ROMERO R，et al.Numerical simulation and sensitivity study of a severe hailstorm in northeast Spain[J].Atmos Res，2007，83（2-4）：225-241.

[6] GARC？魱A-ORTEGA E，L？譫PEZ L，S？魣NCHEZ J L.Diagnosis and sensitiv-ity study of two severe storm events in the Southeastern Andes[J].Atmos Res，2009，93（1-3）：161-178.

[7] VICH M，ROMERO R，BROOKS H E.Ensemble prediction of Mediterra-nean high-impact events using potential vorticity perturbations.Part I：comparison against the multiphysics approach[J].Atmos Res，2011，102（1-2）：227-241.

[8] 周秀驥.大氣微波輻射及遙感原理[M].北京：科學出版社，1982.

[9] 廖國男，郭彩麗，周詩健.大氣輻射導論[M].北京：氣象出版社，2004.

[10] REVERCOMB H E，TURNER D C，TOBIN D D，et al.The ARM program′s water vapor intensive observation periods：overview，initial accomplis-hments，and future challenges[J].Bull Amer Meteor Soc，2012，84：217-236.

[11] A MADHULATHA，M RAJEEVAN，M V RATNAM，et al.Nowcasting severe convective activity over southeast India using ground-based microwave radiometer observations[R].Naidu，Journal of Geophysical Research，2013.

[12] M V RATNAM，Y D SANTHI，M RAJEEVAN，et al.Diurnal variability of stability indices observed using radiosonde obser-vations over a tropical station：comparison with microwave radiometer measurements[R].Atmo-spheric Research，2013.endprint

[13] K KNUPP，R WARE，D CIMINI，et al.Ground-Based Passive Microwave Profiling during Dynamic Weather Conditions[R].Westwater and T Col-eman，JAOT，2009.

[14] 黃治勇，徐桂榮，王曉芳，等.地基微波輻射資料在短時暴雨潛勢預報中的應用[J].應用氣象學報，2013，24（5）：576-584.

[15] 劉志雄，戴澤軍，彭菊香，等.基于LAPS的一次局地強冰雹過程分析[J].暴雨災害，2009，28（4）：313-320.

[16] 魏東，孫繼松，雷蕾，等.用微波輻射儀和風廓線資料構建探空資料的定量應用可靠性分析[J].氣候與環境研究，2011，16（6）：697-706.

[17] 廖曉農，俞小鼎，王迎春.北京地區一次罕見的雷暴大風過程特征分析[J].高原氣象，2008，27（6）：1350-1360.

[18] 黃治勇，徐桂榮，王曉芳，等.基于地基微波輻射計資料對咸寧兩次冰雹天氣的觀測分析[J].氣象，2014，40（2）：216-222.

[19] 王凱，張宏升，王強，等.北方地區春冬季霧天邊界層結構及其演變規律的對比研究[J].北京大學學報（自然科學版），2006，42（1）：55-60.

[20] 黃玉生，黃玉仁，李子華，等.西雙版納冬季霧的微物理機構及演變過程[J].氣象學報，2000（6）：715-725.

[21] 鄧濤，吳兌，鄧雪嬌，等.廣州地區一次嚴重灰霾過程的垂直探測[J].中國科學：地球科學，2014，44（10）：2307-2314.

[22] 郭麗君，郭學良.利用地基多通道微波輻射計遙感反演華北持續性大霧天氣溫、濕度廓線的檢驗研究[J].氣象學報，2015，73（2）：368-381.

[23] 李力，張蓬勃，戴竹君，等.利用微波輻射計對南京2013年12月霾天大氣溫濕結構的探測分析[J].氣候與環境研究，2016，21（1）：8-16.

[24] 馬小會，孫兆彬，趙秀娟，等.北京地區一次持續性嚴重霧霾天氣過程分析[J].華北電力技術，2015（8）：1-6.endprint