微波輻射計在監測水汽特征及降水分析中的應用

白 婷，丁建芳，劉艷華，吳 穎

(1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2.河南省人工影響天氣中心，鄭州 450003；3.河南省氣象探測數據中心，鄭州 450003)

引 言

水汽和液態水作為大氣的重要組成部分，影響著大氣運動[1]，其含量變化對于云系的演變及降水的發生發展等方面有著至關重要的作用。微波輻射計通過接收物體本身發射的微波信號，測出該物體輻射能量，可以同時得到水汽及液態水含量，且具有時間間隔短、連續觀測等優點[2]。因此，微波輻射計資料已成為分析水汽及液態水時空演變特征的首選。目前有很多學者對微波輻射計資料研究表明，在降水前一段時間內，積分水汽和積分液態水會發生變化。張志紅等[3]分析北京一次降水過程中云液態水的演變特征發現，地面降水時段滯后于液態水含量增加時段。張茜等[4]利用HTG-3型微波輻射計資料分析2017年烏魯木齊國際機場6次強對流天氣個例發現，綜合水汽含量、液態水路徑、液態水廓線在降水過程前后有顯著的激增回落現象。白婷等[5]分析南陽市一次降水過程中水汽與液態水變化特征發現，降水開始前，水汽總含量與液態水總含量明顯增加，隨著降水減弱結束，水汽總含量與液態水總含量減少。韓芳蓉等[6]利用地基微波輻射計結合衛星云圖資料分析武漢暴雨各氣象要素與降水的關系發現，相對濕度、液態水含量等在降水期均明顯較非降水期的大，說明這些要素特征與降水有很好的對應關系，應用地基微波輻射計資料分析降水過程具有很高的可靠性。

此外，也有學者利用微波輻射計資料分析各地區降水閾值。王健等[7]分析了烏魯木齊一次降水過程，將該地區水汽含量的降水閾值定為5 cm。傲雪等[8]研究發現，武漢的水汽含量降水閾值為5 cm，液態水含量的降水閾值為1 mm。可以看出，不同地區積分水汽和積分液態水的降水閾值也不相同。

河南省人工影響天氣中心于2016年年底在全省布設了3臺微波輻射計，分別位于鶴壁、鄭州、南陽三地。本文利用河南省南陽市和鶴壁市微波輻射計資料，結合L波段探空及地面雨量資料，分析積分水汽與積分液態水時空分布特征，探尋兩市不同季節降水與積分水汽和積分液態水的關系，并總結兩市積分水汽和積分液態水降水閾值，為臨近降水預報提供參考。

1 資料與方法

使用資料為2017年3月-2019年10月河南省南陽市和鶴壁市地基微波輻射計反演產品數據、南陽市L波段探空及兩市地面雨量資料。其中，南陽地基微波輻射計所在經度為112°29′13″E，緯度為33°6′4″N，鶴壁地基微波輻射計所在經度為114°19′2″E，緯度為35°42′57″N。地基微波輻射計是美國Radiometrics公司生產的MP-3000A，該微波輻射計平均每4 min通過反演得到環境溫度、地面相對濕度、地面氣壓、云底紅外溫度、地面降水情況、整層水汽積分、液態水含量積分，以及0至10 km共58層不同高度的溫度、水汽、濕度、液態水的廓線數據，其垂直分辨率在500 m以下為50 m，500 m至2 km為100 m，2 km以上為250 m[9]。

由于L波段探空只有08時和20時資料，微波輻射計只有58個固定高度層上的數據，為了更直觀地對比兩者數據之間的差異，將07:30-08:30和19:30-20:30時段內微波輻射計反演的溫濕度及水汽密度求平均，作為08時和20時微波輻射計對應變量的值，同時運用線性插值法得到與微波輻射計高度相同的L波段探空數據。利用L波段探空計算水汽密度時，采用公式[10]如下：

(1)

(2)

其中，td為露點溫度(℃),e為水汽壓(hPa),T為絕對溫度(K),ρv為水汽密度(g/m3)。

2 微波輻射計與L波段探空數據對比

選取2017年3月-2019年10月南陽微波輻射計與L波段探空資料，計算四季08時和20時2種資料溫度、相對濕度及水汽密度的相關系數(表1)，結果發現，溫度和水汽密度相關系數除冬季08時的水汽密度相關系數低于0.920外，其余時間均在0.920以上；相對濕度相關系數相對略低，為0.600～0.800。2種資料三要素之間的相關關系均通過了0.01的顯著性檢驗，說明微波輻射計反演的溫度和水汽密度與L波段探空的相關性較好，相對濕度之間的相關性略差，這與很多學者的研究結果[11-14]相吻合。因此，微波輻射計反演的數據具有一定可靠性，可用于日常業務工作和科研中[15-17]。

表1 2017年3月-2019年10月南陽微波輻射計與L波段探空溫度、相對濕度及水汽密度相關系數

3 積分水汽與積分液態水時空分布特征

圖1為南陽市和鶴壁市非降水日及降水日積分水汽及積分液態水逐月分布圖。由圖1可見，無論降水或非降水天氣條件下，南陽市和鶴壁市積分水汽整體呈先增大后減小的趨勢，以5-9月的偏多，分別占全年總量的58.7%和61.9%。這可能是因為河南省夏季盛行偏南風，水汽輸送充沛，冬季盛行偏北風，水汽輸送少；降水天氣條件下積分水汽比非降水天氣條件下的多。積分液態水含量方面，降水天氣條件下，南陽市積分液態水以5-7月的最多，鶴壁市積分液態水除1、2月份外，其余月份的數值變化較平穩；非降水天氣條件下，積分液態水很小，均在0.5 mm以下。相同月份，南陽市積分液態水比鶴壁市的多，這可能是因為南陽地理位置較鶴壁偏南，來自南方的水汽輸送到南陽的更多，且鶴壁地勢平坦，地面抬升作用不明顯，水汽很難在此聚集凝結成云。

圖1 2017年3月-2019年10月南陽市和鶴壁市非降水日及降水日積分水汽及積分液態水逐月分布

4 降水前與非降水過程積分水汽、積分液態水變化特征

統計2017年3月-2019年10月南陽和鶴壁降水情況，分析兩市不同季節降水前與非降水過程積分水汽、積分液態水變化特征。其中鶴壁市2018年5月2日-8月15日、2019年1月11日-10月15日因缺少資料未做統計。微波輻射計探測結果在一定程度上受降水影響[18-20]，因此規定：降水日前24 h無降水時記為一次降水過程，無降水日前后24 h無降水時記為一次非降水過程，通過對南陽市和鶴壁市觀測資料分析，得到南陽市79個降水個例、467個非降水個例，鶴壁市46個降水個例、384個非降水個例。

4.1 降水前積分水汽和積分液態水變化特征

4.1.1 降水前24 h積分水汽和積分液態水隨時間演變特征

分析南陽市和鶴壁市四季降水前24 h積分水汽和積分液態水隨時間演變特征，發現兩市四季發生降水前24 h內積分水汽演變趨勢分為3種形式，即出現拐點后迅速上升、隨時間變化較平穩和隨時間緩慢上升；積分液態水演變趨勢分為2種形式，即出現拐點后迅速上升和以波動為主(圖2)。

圖2 2017年3月-2019年10月降水前24 h積分水汽和積分液態水不同演變趨勢樣例

表2給出了南陽市和鶴壁市降水前24 h積分水汽3種演變趨勢的四季比率。由表2可以看出，南陽市春季、夏季、秋季積分水汽變化特征以出現拐點后迅速上升為主，分別占降水樣本的68.4%、53.3%和52.4%；冬季的以隨時間變化較平穩為主，占降水樣本的66.7%。鶴壁市春季、夏季的以出現拐點后迅速上升為主，分別占降水樣本的44.5%和41.7%；秋季的以隨時間緩慢上升或較平穩為主，各占降水樣本的38.9%；冬季的以隨時間緩慢上升為主，占降水樣本的71.4%。

表2 2017年3月-2019年10月南陽市和鶴壁市降水前24 h積分水汽3種演變趨勢的四季比率 %

統計兩市降水前積分水汽和積分液態水發現,南陽市春季降水前一般積分水汽大于3.00 cm，積分液態水大于1.00 mm；夏季的積分水汽大于5.60 cm，積分液態水大于1.00 mm；秋季的積分水汽大于3.00 cm，積分液態水大于1.00 mm；冬季的積分水汽大于1.80 cm，積分液態水大于0.10 mm。鶴壁市春季降水前一般積分水汽大于2.50 cm，積分液態水大于0.50 mm；夏季的積分水汽大于5.00 cm，積分液態水大于1.00 mm；秋季的積分水汽大于3.00 cm，積分液態水大于0.20 mm；冬季的積分水汽大于1.60 cm，積分液態水大于0.01 mm。

4.1.2 臨近降水時積分水汽和積分液態水隨時間演變特征

為了進一步探尋液態水、水汽臨近降水時變化特征，計算了南陽市和鶴壁市四季降水前24 h積分液態水與積分水汽的比值(記為R)，結果發現，兩市春季、夏季、秋季臨近降水時R有明顯躍增現象，冬季略有增加，但以波動為主，這表明臨近降水時積分液態水相對積分水汽增加得更多。統計發現，臨近降水時南陽市春季R值躍增的樣本占降水樣本的78.9%，夏季的占降水樣本的93.1%，秋季的占降水樣本的87.5%，冬季的占降水樣本的57.1%。鶴壁市春季R值躍增的樣本占降水樣本的55.6%，夏季的占降水樣本的75.0%，秋季的占降水樣本的66.7%，冬季的占降水樣本的44.4%。

圖3為兩市不同季節臨近降水時R的變化率，用以說明R的躍增程度。圖3中黑色圓點表示平均值，方框中的橫線表示中值，方框的上下邊界表示上四分位數和下四分位數，垂直豎線表示最小值和最大值。從R值變化率的平均值來看，南陽夏季的最大，春季和秋季的次之，冬季的最小。鶴壁的夏季最大，秋季和春季的次之，冬季的最小。圖3中垂直豎線反應數據的離散程度，可以看出，兩市R值變化率的離散程度均為夏季的最大，冬季的最小。這可能是夏季多有對流性降水出現，上升氣流較強，液態水含量較高，液態水含量轉換較快的原因。

圖3 2017年3月-2019年10月南陽市(a)和鶴壁市(b)不同季節臨近降水時R的變化特征

綜合以上分析，南陽市和鶴壁市大部分降水過程中在臨近降水時，積分液態水較積分水汽增加得更多，且躍增幅度以夏季的最大、冬季的最小。

4.2 非降水過程積分水汽和積分液態水變化特征

從南陽市和鶴壁市不同季節非降水過程積分水汽和積分液態水隨時間演變特征來看，非降水過程中的積分水汽和積分液態水隨時間變化平緩。其中，南陽市春季98.0%的非降水樣本滿足積分水汽小于3.00 cm或積分液態水小于1.00 mm，夏季100%的非降水樣本滿足積分水汽小于5.60 cm及積分液態水小于1.00 mm，秋季93.8%的非降水樣本滿足積分水汽小于3.00 cm或積分液態水小于1.00 mm，冬季95.6%的非降水樣本滿足積分水汽小于1.80 cm或積分液態水小于0.10 mm。鶴壁市春季93.9%的非降水樣本滿足積分水汽小于2.50 cm或積分液態水小于0.50 mm，夏季97.8%的非降水樣本滿足積分水汽小于5.00 cm或積分液態水小于1.00 mm，秋季92.1%的非降水樣本滿足積分水汽小于3.00 cm或積分液態水小于0.20 mm，冬季98.5%的非降水樣本滿足積分水汽小于1.60 cm或積分液態水小于0.01 mm。

綜合以上分析，只有積分水汽和積分液態水同時達到一定量時，才有可能出現降水。根據這一特征，將南陽市四季積分水汽降水閾值分別定為3.00 cm、5.60 cm、3.00 cm、1.80 cm，積分液態水的降水閾值分別定為1.00 mm、1.00 mm、1.00 mm、0.10 mm；鶴壁市四季積分水汽降水閾值分別定為2.50 cm、5.00 cm、3.00 cm、1.60 cm，積分液態水的降水閾值分別定為0.50 mm、1.00 mm、0.20 mm、0.01 mm。根據降水閾值(表3)，密切關注水汽和液態水的變化，當積分水汽和積分液態水臨近閾值時，可以考慮將出現降水。

表3 南陽市和鶴壁市積分水汽與積分液態水降水閾值統計

5 結 論

(1)積分水汽及積分液態水1-12月逐月分布特征顯示，南陽市和鶴壁市積分水汽呈先增大后減小的趨勢。積分液態水在降水天氣條件下，南陽市以5-7月的最多，鶴壁市除1、2月份外，其余月份的數值較平穩。降水天氣條件下積分水汽和積分液態水明顯大于非降水天氣時的值。

(2)南陽市和鶴壁市四季降水前24 h內，積分水汽變化趨勢分為隨時間緩慢上升、出現拐點后迅速上升和隨時間變化較平穩3種形式。其中，南陽市春季、夏季和秋季的積分水汽變化以出現拐點后迅速上升為主，冬季的以隨時間變化較平穩為主；鶴壁市春季、夏季的以出現拐點后迅速上升為主，秋季的以隨時間緩慢上升或較平穩為主，冬季的以隨時間緩慢上升為主。

(3)南陽市和鶴壁市春季、夏季和秋季降水前24 h積分液態水以出現拐點后迅速上升為主，冬季的以波動為主。

(4)南陽市和鶴壁市四季大部分降水過程中在臨近降水時，積分液態水較積分水汽增加得更多，且躍增幅度以夏季的最大、冬季的最小。

(5)只有積分水汽和積分液態水同時達到一定量時，才有可能出現降水。根據這一特征，確定了南陽市和鶴壁市四季積分水汽及積分液態水降水閾值，當積分水汽和積分液態水臨近閾值時，可以考慮將有降水產生。

致謝：感謝河南省人影中心黃毅梅正研對本文的指導！