微波輻射計在西安咸陽機場強對流短臨預報過程中的應用分析

屈曉茜 王澤斌 陳昶 于紅偉 姜琳

摘 要：利用西安咸陽機場人工觀測場內架設的MWP967KV兩種型號的地基多通道微波輻射計探測資料對2017年6月29日發生的一次強對流降水天氣過程進行了探測分析及對比。結果表明：在這次強對流天氣過程中，上升氣流強盛，引起云底高度出現明顯波動，低層空氣向上輸送釋放凝結潛熱導致等溫線上抬，整層水汽與液態水含量有多峰結構產生;利用微波輻射計資料二次反演計算分析了KI、SI、TT三個大氣不穩定指數，這些指數對強對流天氣的短臨預報有很好的指示效果，探測結果具備一定的臨近預警潛力。

關鍵詞：地基多通道微波輻射計;強對流;大氣不穩定參數;臨近預警

1 緒論

多通道地基道微波輻射計是一種被動式微波遙感儀器，用于大氣探測時，通過接收大氣層不同高度（與常規探空高度層一致）傳來的溫度輻射的微波信號，使用反演算法獲得大氣中總水汽量、總液態水量、以及溫度、濕度、水汽和液態水的廓線，能全天候、全天時進行連續實時探測及數據采集，其對溫度、水汽的三維高時空分辨率探測資料可作為填補以上常規探測資料空白的有效補充手段。

本文選取了2017年6月29日的強對流天氣過程作為個例，利用架設在咸陽機場人工觀測場內的MWP967KV型地基多通道微波輻射計的遙感探測資料，得到高時空分辨率的大氣層結溫濕分布，計算可表征強對流天氣的重要對流參數，如KI、SI、TT等，并探討多通道微波輻射計的高時空分辨率探測數據對于強對流天氣預報預警的提前量和指示性的作用，旨在對微波輻射數據在對流天氣方面的探測進行初步的評估比較，為短時臨近天氣預報提供可靠的技術支持。

2 設備、資料與方法

2.1 儀器簡介

MWP967KV型地基多通道微波輻射計，共36個通道，包括21個水汽通道、14個溫度通道、1個紅外通道，采用毫米波雙頻段、多通道無源接收方式，精確探測頂部空域大氣溫度及水汽敏感通道的自然輻射信號，直接測量出地面大氣壓強、溫度、相對濕度，通過神經網絡算法反演得到大氣輻射亮溫，大氣溫度廓線，水汽密度廓線，相對濕度廓線，云液水廓線，積分水汽，積分云水，云底溫度和云底高度等數據產品。地基多通道微波輻射計資料彌補了常規探空資料因探測時間間隔長，常規天氣雷達探測局限性而導致的探測資料不足，在對強對流天氣過程中對流層中變化迅速的熱力學信息、中小尺度系統的溫度、濕度變化，以及云中水汽相態變化趨勢等分析時非常有益。

2.2 資料與方法

本文通過分析MWP967KV地基多通道微波輻射計對2017年6月29日強對流降水天氣的實時探測結果，以及二次反演計算出的多個大氣不穩定參數，得出對強對流天氣短臨預報有指示效果的變化規律或預警指標。

3 天氣背景

2017年6月29日15：18（北京時，下同），西安咸陽機場出現了干雷，15：41轉為弱雷雨，持續至16：10雷雨結束。

從環流背景場分析（圖1），500hPa上，6月28日晚20時，副高邊緣線位于華南沿海一帶，新疆東部至河西以西為高空槽，槽后西北氣流引導冷空氣南下，低渦位于甘肅南部，6月29日早8時，河西地區出現明顯溫度冷槽，位于甘肅南部的低渦系統逐漸發展，至河套北部均為低值系統控制，關中地區處于低渦前部，且為溫度冷中心。700hPa在甘肅南部至陜西中南部有切變輻合系統，且表現為溫度暖中心，從高低空配置來看，具備對流天氣發生條件。

4 探測結果分析

4.1 微波輻射計監測分析

從MWP967KV型地基多通道微波輻射計的探測結果中可以看出，溫度、相對濕度、水汽、液態水在垂直方向上的分布與強對流天氣發生時間段也有很好的對應關系。溫度廓線來看，強對流發生時段中，在2.5km高度以上，等溫度線表現為多峰值結構，地面至2.5km之間，等溫度線明顯下降，借此推斷，一方面是熱對流上升所致，另一方面可能是由于低層空氣在上升過程中釋放的凝結潛熱導致等溫線上抬主要發生在2.5km高度以上。隨著降水結束，各層溫度明顯下降到降水前狀態。在相對濕度廓線上，1—6km高度層相對濕度在強對流發生時出現急劇的升高，出現明顯的逆濕現象，6km高度以上表現為明顯的干區，雖維持時間短，但加劇了層結不穩定性。溫度與水汽會共同對相對濕度造成影響，溫度偏差1℃，相對濕度都可能會有很大差異，水汽垂直分布變化趨勢與溫度類似，降水開始前水汽緩慢聚集，液態水含量大值區（≧0.4g/m3）所處高度約在4—6km之間。

充足的空氣濕度是形成云的先決條件，云底高度在強對流天氣開始前有劇烈的波動，云底高度的谷值與大氣中水汽與液態水含量的峰值幾乎出現在同一時間。在降水開始前的一段時間都同時出現了大氣相對濕度的大幅度增加和云底高度的大幅度降低。而降水出現的時間與強度還與大氣中，尤其對流層低層中的大氣濕度及其變化增幅，空氣何時達到飽和及飽和維持時間，飽和層空氣厚度密切相關。在對云液態水總量和水汽總量的探測結果中，降水前的一段時間均出現了雙峰結構，之間的谷值可能是云滴向雨滴轉化的孕育區。可推斷在降水前出現云液態水總量以及低層水汽減少，主要原因是水汽向雨滴的轉化。

從微波輻射計的探測結果來看，探測的溫度、相對濕度、水汽含量等物理量能較好地反映強對流天氣發生發展過程的熱力和水汽時空分布和變化特征，在強對流降水過程中，各個物理量變化具有短時、劇烈的特征。表明地基微波輻射計對西安咸陽機場上空的溫濕度分布具有較好的探測性能，設備探測結果之間存在的偏差可能與各自使用的神經網絡反演算法差異、變化頻率、數據采集的時間分辨率不同有關。

4.2 不穩定指數監測分析

利用MWP967KV微波輻射計探測的資料（圖2），計算了KI、TT、SI3個判斷不穩定條件的指數，根據其走向趨勢來看，在雷暴發生前，TT指數和SI指數沒有明顯的躍變，KI指數在雷暴發生前20min從36.2℃升高至40.3℃，之后在強對流性降水持續期間數值未表現出明顯增長，與MP—3000A探測結果有較大差異。在降水結束前約30min，TT指數、KI指數出現較明顯回落，SI指數有小幅度升高，可用于短時預報強對流性降水的結束。

由于本文獲取的微波輻射計原始資料時段較短，用于個例分析的樣本數較少，故所得結論缺乏一定的代表性。在之后的驗證工作中將選取不同強度、不同種類的強對流天氣個例的連續的微波輻射計探測資料，分析得出更實用合理的短臨預報指標。

5 結果和討論

（1）MWP967KV微波輻射計設備作為實時探測儀器，其探測的數據能很好地反映大氣層垂直方向上溫濕度、水汽、液態水含量分布和云底高度等狀況，一些指標如溫度、相對濕度、液態水含量在強對流天氣出現前均會有明顯的躍變，對強對流降水的發生具有較強指示意義。

（2）二次反演產品，如大氣不穩定參數也對短臨預報強對流天氣的發生時會有明顯的升高。將KI≧37℃，TT≧50℃，SI≦-1℃作為西安咸陽機場產生強對流性降水預警指標，可以提前30min預警強對流降水天氣。

參考文獻：

[1]張文剛，徐桂榮，萬蓉，等.基于地基微波輻射計的大氣液態水及水汽特征分析[J].暴雨災害，2015，34（4）：367-374.

[2]楊蓮梅，李霞，趙玲，等.MP - 3000A 型地基微波輻射計探測性能及其在烏魯木齊降水天氣中的初步應用[J].干旱氣象，2013，31（3）：570-578，doi：10.11755 /j.Issn.1006 -7639（2013）-03-0570.

[3]汪小康，徐桂榮，院琨.不同強度降水發生前微波輻射計反演參數的差異分析[J].暴雨災害，2016，35（3）：227-233.

[4]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.