微波辐射计资料在两类强对流天气中的特征研究

张璞[1]

（鹤壁市气象局，鹤壁458000）

摘 要：微波辐射计作为新兴气象观测仪器，可以连续获取观测地上空的气象数据，弥补了由于常规探空观测资料因观测间隔较长而产生的数据不连续的缺点，利用鹤壁市微波辐射计数据反演的温度、相对湿度、大气垂直液态水总含量、大气水汽总含量等资料，对2017年6月-8月发生在鹤壁地区的两类强对流天气过程（雷暴大风、短时强降水）进行分析讨论，分类总结过程特征，探讨微波辐射计资料在预报中的应用。结果表明：(1)两种强对流天气发生时降温幅度差别明显，雷暴大风类天气更为明显，但当短时强降水对流强度达到一定强度时，也会存在强降温。(2)雷暴大风天气过程0-5km高度层相对湿度比短时强降水天气突增明显，短时强降水发生前存在不同程度的水汽饱和区或相对湿度大值区（大于90%）。(3)雷暴大风天气发生前3-6小时气压下降，出现谷值，随后不断升高，并在雷暴大风天气发生时达到峰值，压差可达8hPa。短时强降水天气压差变化不明显。(4)两种强对流天气发生时ILW与IWV均存在明显突增的过程。ILW峰值均可达20mm左右。雷暴大风天气中IWV峰值可达20-40mm，短时强降水IWV峰值可达10-20mm，雷暴大风峰值的持续时间非常短，出现迅速下降的特征。(5)短时强降水天气发展强烈时，各物理量变化特征会出现明显降温，相对湿度及压强突增等明显倾向于雷暴大风天气的特点。

关键词：微波辐射计；雷暴大风；短时强降水

常规高空气象数据获取的手段主要通过每天的探空气球对高空数据进行观测，观测成本高且观测时间间隔大，而且观测站点距离也非常远。高空探测数据存在着观测不连续和空间分辨率低的缺点。微波辐射计观测是准连续的，可以弥补常规探空观测空间分辨率较低、观测时段不连续等缺点，通过实时接收的数据对观测站点上空的温度、湿度、大气水汽总含量的各类要素进行反演。在一定程度上为预报以及人工影响天气提供了科学的依据。

近年来，国内外学者对微波辐射计观测资料对天气分析上做了大量的研究工作。黄治勇^[1]通过微波辐射计资料对发生在湖北地区各类强对流天气进行分析总结。黄彦彬^[2]等人通过1997 年春季微波辐射计观测气象资料,分析了西宁市不同月及不同天气条件下的大气水汽含量和云中液态水含量的时空分布特征。朱元竞^[3]介绍了大气探空资料与微波辐射计反演云中液态水含量和大气中的气态水方法。刘燕丽^[4]分析了2012年四个季节微波辐射计反演各气象要素在降水中的变化特征。刘建忠^[5]等通过定量对比分析20个月的微波辐射计反演资料与探空资料发现，两种仪器探测的温度相关系数所有垂直高度层次均在0.94以上。王叶红^[6]等使用微波辐射计资料对一次特大暴雨过程影响的进行了数值试验研究。刘志雄^[7]、魏东^[8]廖晓农^[9]等分别利用微波辐射计资料对局地暴雨、强冰雹和雷暴大风个例进行了分析。林海^[10]等利用微波福射计以及雷达系统，在探测水汽和雨强分布上也取得了显著成果。

鹤壁市微波辐射计于2017年投入业务使用，对预报及人工影响天气业务开展起到了积极作用。鹤壁地区地形复杂，太行山东麓向华北平原过渡地带，西部为山区、东部为平原，夏季强对流天气尤为复杂，其中又以雷暴大风、短时强降水类强对流天气最为频繁。由于微波辐射计布设时间较短，存储资料有限，本文仅选取2017年6月-8月发生在鹤壁地区的雷暴大风及短时强降水两类强对流天气过程进行分析讨论，分类总结过程特征，探讨微波辐射计资料在预报中的应用，希望能为预报工作提供一定的参考依据。

1 过程实况

根据2017年已发生过程，选取发生在鹤壁地区具有强对流天气的典型特征的三次雷暴大风天气过程、三次短时强降水天气过程进行分析。雷暴大风天气过程分别为2017年6月12日21时-22时，其中鹤壁农试站极大风速21.5m/s，区域站酸枣庙极大风速最大站点23.1m/s；2017年7月9日21-22时，其中鹤壁农试站极大风速19.4m/s，区域站极大风速最大站点夺丰水库25.5m/s，2017年7月15日0-2时，其中鹤壁农试站极大风速20.6m/s，区域站极大风速最大站点西岗29.7m/s。短时强降水天气过程分为为：2017年7月6日2时-3时，周边区域站金沙滩最大小时降水30.6mm，2017年7月27日2时-3时，周边区域站杨小屯最大小时降水30.1mm，2017年8月12日13时-14时，周边区域站淇河公园最大小时降水71.7mm，10分钟降水达30.3mm。

2 微波辐射计数据变化特征

2.1 温度变化特征

温度是气象观测中的基础数据，温度的突增与骤减及其变化强度对强对流天气的类型及强度更是有着较强的指示意义，微波辐射计反演的温度廓线能够很好的分析出各层温度变化，对强对流天气预报的时效性有着很好的作用。图1、图2是三次雷暴大风及三次短时强降水天气过程0-5km各高度层温度变化情况，从图中可以看出温度随高度的增加逐渐减小，过程发生前，除气温日变化无明显变化。图1中，三次雷暴大风过程发生前0-5km高度层温度存在不同程度的回升，随着过程的发生温度开始出现急剧下降，降温幅度可达5℃以上，而随着过程结束整层气温开始恢复至正常状态。而图2中，三次短时强降水过程中温度的变化特征与雷暴大风过程中特征类似，0-5km高度层也存在过程前升温及过程发生时的急剧降温，且随着降水强度的加强幅度加大，其中8月12日13-14时的短时强降水过程表现最为明显。

对比两种强对流天气可以发现，温度的变化与强对流天气的发生是相互响应的，均会出现过程前短暂升温，过程中剧烈降温，以及过程后的温度回复常态。雷暴大风天气过程0-5km高度层降温比短时强降水天气更加明显，但当短时强降水强度达到一定强度时，也会存在强烈降温。通过温度变化可以判断对流天气发生时间，但提前量相对较小。

图1 2017年6月12日14时-13日14时、 2017年7月9日14时-10日14时、 2017年7月14日14时-15日14时鹤壁站温度廓线

图2 2017年7月5日14时-6日14时、 2017年7月26日14时-27日14时、 2017年8月12日0时-13日0时鹤壁站温度廓线

2.2 相对湿度变化特征

图3 2017年6月12日14时-13日14时、2017年7月9日14时-10日14时、2017年7月14日14时-15日14时鹤壁站相对湿廓线

图4 2017年7月5日14时-6日14时、2017年7月26日14时-27日14时、2017年8月12日0时-13日0时鹤壁站相对湿度廓线

相对湿度作为表征大气水汽的一个指标，其饱和程度及其分布能够很好的表征水汽的垂直分布，结合温度的变化更是能够反映出大气能量的变化。微波辐射计反演的相对湿度廓线能够很好的分析相对湿度的垂直分布及其变化，对强对流天气发生发展更是有着较强的指示意义。图3、图4是三次雷暴大风及三次短时强降水天气过程0-5km各高度层相对湿度变化情况，能够表明水汽条件对强对流的发生发展及其强度有着重要的作用。从图中可以看出过程前后相对湿度变化尤为明显，过程发生时整层相对湿度均能达到90%-100%。图3中可以看出，三次雷暴大风天气中0-5km高度层在过程发生时整层相对湿度突增达到饱和，过程前后相对湿度的变化明显，过程前整层相对湿度迅速达到饱和，之后迅速减弱。图4中三次短时强降水过程，降水发生前0-5km高度层不同程度的存在着相对湿度大值区，水汽饱和区主要集中在2-3km高度，过程发生时整层水汽达到饱和状态，在7月6日及27日的过程中降水发生后湿区仍会存在，并持续很长时间。

对比两种强对流天气可以发现，两种对流天气发生时，均存在深厚的饱和区。雷暴大风天气过程0-5km高度层相对湿度比短时强降水天气突增明显，短时强降水天气中过程发生前在低层已经存在饱和区，但当短时强降水强度达到一定强度时，也会存在雷暴大风类天气的特征，整层湿区的忽然增大，之后随过程发生迅速减弱（如8月12日过程）。可见，通过相对湿度垂直廓线能够在一定程度上区分出短时强降水与雷暴大风类天气，整层水汽由非饱和向饱和的转换能够很好的反映出过程的开始与结束。

2.3 压强变化特征

图5 2017年6月12日14时-13日14时、2017年7月9日14时-10日14时、2017年7月14日14时-15日14时、2017年7月5日14时-6日14时、2017年7月26日14时-27日14时、 2017年8月12日0时-13日0时鹤壁站压强变化图

气压是天气系统的移动发展的敏感指标，其值的增加和降低与天气系统的发展与减弱有着很好的相关性，对强对流天气发生发展更是有着较强的指示意义。从图5中可以看出两类强对流天气过程中随着对流天气的发生发展气压均存在一定的变化趋势，而这种现象恰恰与冷空气的侵入相对应，进一步表明了压强的变化与强对流的对应关系。三次雷暴大风天气发生前3-6小时均出现气压谷值，随后不断升高，并在雷暴大风天气最强烈时达到峰值，随着雷暴大风天气的减弱而下降。峰值、谷值压差可达8hPa，变化所跨时段也随过程持续时间而不同。三次短时强降水过程，降水发生前气压存在小幅度的上升，伴随降水的出现而降低，但当短时强降水发展到一定强度时（8月12日13-14时），存在突增的现象，压差达到4 hPa。

对比两种强对流天气可以发现，雷暴大风天气气压变化更为剧烈，发生前3-6小时均出现气压谷值，随后不断升高，并在雷暴大风天气最强烈时达到峰值，并随着雷暴大风天气的减弱而下降，压差明显。短时强降水天气则表现较弱，过程发生前后变化不像雷暴大风天气明显。但当短时强降水发展到一定强度时，压强存在突增（如8月12日13时-14时）。在一定程度上可以通过过程发生前后压强的分布来判断两种天气的发生发展以及强度的判别。

2.4 大气垂直液态水总含量（ILW）变化特征

图6  2017年6月12日14时-13日14时、2017年7月9日14时-10日14时、2017年7月14日14时-15日14时、2017年7月5日14时-6日14时、2017年7月26日14时-27日14时、2017年8月12日0时-13日0时鹤壁站ILW变化图

大气垂直液态水总含量在强对流天气的识别中有着很好的应用，能够表征上空液态水的总含量，为强对流的种类及强度的判别提供有效的判据。图6是三次雷暴大风及三次短时强降水天气过程各高度层ILW变化情况，从图中可以看出，2017年6月12日21时-22时， 2017年7月9日21-22时，2017年7月15日0-2时三次雷暴大风天气与2017年7月6日2时-3时，2017年7月27日2时-3时，2017年8月12日13时-14时三次短时强降水过程，强对流发生前ILW含量均为0，在过程发生前ILW均出现陡然上升的现象，突增强度均可达16-28mm左右，在雷暴大风天气中ILW指数突增的强度甚至要高于短时强降水，随着过程的发展迅速降低，变化时段与强对流天气的发生发展，这种迅速增高与减弱的特征与多普勒雷达中的垂直累积液态水含量是有所不同的。由于强对流天气的发生发展迅速，单一的利用ILW值的突增对判断对流性天气的发生时间及结束时间有一定的指示意义，但对强对流天气类型的判别参考意义有所欠缺。

2.5 大气水汽总含量IWV变化特征

图7  2017年6月11日6时-14日0时、2017年7月8日12时-11日0时、2017年7月13日0时-16日0时、2017年7月4日12时-7日0时、2017年7月25日12时-28日0时、 2017年8月11日0时-13日12时鹤壁站IWV变化图

大气水汽总含量与大气垂直液态水总含量同样作为强对流系统的判别因子，能够表征大气上空水汽的总含量，对强对流天气的预报有着重要意义。从2017年6月12日21时-22时，2017年7月9日21-22时，2017年7月15日0-2时三次雷暴大风天气发生时IWV变化图中过程发生前IWV维持在一个较低值（0-8cm）,而在过程发生前IWV存在一个迅速升高的过程，强度最大可达20-40cm。2017年7月6日2时-3时，2017年7月27日2时-3时，2017年8月12日13时-14时三次短时强降水过程中，降水发生时IWV迅速升高，并伴随着强降水的持续而持续处于偏高的状态，峰值在10-20mm。

对比两种强对流天气可以发现，两种对流性天气过程中IWV与ILW相类似，均存在着突增的现象，但在雷暴大风天气中，IWV达到峰值后迅速降低，峰值持续的时间非常短暂，而在短时强降水天气中，IWV会伴随着强降水的持续而持续，这种特征与这两类强对流天气的特征也是有着很好的对应。除此之外，在雷暴大风过程中，IWV的峰值同样要明显高于短时强降水天气的IWV峰值。

3 结论

利用微波辐射计反演出的温度、相对湿度、大气水汽总含量（IWV）和大气液态水含量（ILW）及观测压强对发生在2017年发生的强对流天气雨过程进行分析讨论，从不同角度探讨微波辐射计资料在两类强对流天气过程中反映出的特征。主要结论有：

（1）两种强对流天气发生时，降温幅度差别明显，均会出现过程前短暂升温，过程中剧烈降温，雷暴大风天气过程0-5km高度层降温比短时强降水天气更加明显，但当短时强降水强度达到一定强度时，也会存在强烈降温。通过温度变化作为判断对流天气发生时间及类型的参考，但微波辐射计观测到的降温与强对流天气的发生时间相比提前量较短。

（2）强对流发生前，相对湿度特征可以作为强对流类型的一个判断指标。雷暴大风天气过程0-5km高度层相对湿度比短时强降水天气突增明显，短时强降水发生前已经存在不同程度的水汽饱和区或相对湿度大值区（大于90%），但当短时强降水强度达到一定强度时，也会存在雷暴大风类天气的特征。通过相对湿度垂直廓线能够在一定程度上区分出短时强降水与雷暴大风类天气，整层水汽由非饱和向饱和的转换能够很好的反映出过程的开始与结束。

（3）气压的变化可以作为判别强对流天气类型的一个有效判据。雷暴大风天气发生前3-6小时气压下降，出现谷值，随后不断升高，并在雷暴大风天气发生时达到峰值，并随着雷暴大风天气的发生而下降，压差可达8hPa。短时强降水天气压差变化不明显。在一定程度上可以通过过程发生前压强的分布来判断两种天气的发生发展。

（4）两种强对流天气发生时ILW与IWV均存在明显突增的过程。ILW峰值均可达20mm左右。雷暴大风天气中IWV峰值可达20-40mm，短时强降水IWV峰值可达10-20mm，雷暴大风天气中的IWV值更为明显，但雷暴大风峰值的持续时间非常短，出现迅速下降的特征。ILW与IWV的短时性的升高与多普勒雷达中的垂直累积液态水含量是有所不同的。

（5）短时强降水天气发展强烈时，各物理量变化特征会出现明显降温，相对湿度及压强突增等明显倾向于雷暴大风天气的特点，可见在不同类型的强对流天气中是存在着很强的关联性。

参考文献：

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[1]作者简介：张璞（1990-），男，助理工程师，主要从事短期天气预报