應用微波輻射計資料對雙流機場兩次雷雨天氣的特征分析

王凌云，劉輝權，宋 靜

（民航西南空管局氣象中心，四川 成都610202）

1 引言

成都雙流國際機場是西南地區重要的航空港口，承擔著大量的旅客輸送和貨物運輸任務。隨著民航事業逐步發展，天氣因素對航空安全運行起著越來越重的作用，航空管制對氣象預報的精確和準確性要求也越來越高。在天氣預報和診斷分析過程中，探空資料對掌握當前環境的氣象條件和了解大氣垂直方向的氣象要素分布特征起著重要作用，但是由于機場的特殊原因，釋放探空球進行探測很困難，一般只能借助周邊探空站資料來分析。由于探空站資料一般1d提供2次，實現航空氣象要求的精細化預報遠遠不足夠，時間分辨率太低，與機場有較大距離，實際與機場的環境特征和垂直方向上的大氣特征具有很大的差異。

對于這種探測資料缺陷，一般有以下2種方式可以彌補：①至上而下的主動遙感衛星探測。衛星探測主要依靠極軌衛星和靜止衛星，極軌衛星空間分辨率高但是1d只經過同一地區兩次，時間分辨率方面具有缺陷，而靜止衛星由于離地球距離較遠，空間分辨率方面沒有極軌衛星高。②至下而上的遙感探測。例如微波輻射計，它是一種被動遙感探測，能夠24h全天監視天氣變化，時間分辨率達秒級，垂直方向上探測范圍為10km，垂直分辨率也可以達到很高。

微波輻射計主要通過氧分子、水汽、液態水對不同頻率的微波吸收強度來反演大氣的溫度和濕度要素，氧氣分子對微波輻射的主要吸收帶在60GHz，水汽對微波輻射的主要吸收帶在22.2GHz，液態水對微波輻射的吸收帶出現在10～40GHz[1]。

為了更好地應用微波輻射計數據，需持續對微波輻射計的數據進行對比研究，微波輻射計同GPS和探空資料對比可以發現，觀測結果基本一致。

整體上看，微波輻射計反演的溫度、水汽密度和相對濕度與GPS無線電探空結果間的系統偏差在無降水時較小，而在有降水時較大[2-3]。隨著探測技術和反演方式的改進，微波輻射計測量得到的水汽值也更加穩定和準確[4]，梁谷等人[5]利用微波輻射計數據對層狀云降水天氣過程跟蹤探測，分析得到空中水汽、液水含量的變化特征；張文剛等人[6]利用湖北省內三個測站的微波輻射計資料，分析液態水和水汽的空間分布特征，得到液態水隨高度的變化是先增后減，發生降水時，水汽的大值區在1～2km，隨著降水不斷增加，大值區抬升到3～4km；張秋晨等人[7]通過對濟南地區一次強對流天氣過程和一次小雨天氣過程中大氣積分水汽量（IWV）、液態水路徑（LWP）的變化特征分析可以發現，強對流天氣發生前1h的IWV和LWP開始明顯增大，而小雨天氣發生前IWV波動上升，LWP僅在臨近降水時才明顯上升。并且微波輻射在機場天氣預報中也得到了一定的應用，歐映瑜等人[8]應用微波輻射計數據對昆明機場大霧天氣進行分析，得到溫濕、水汽含量等方面對霧天不僅有監測作用，并且也可以作為預報的判斷標準之一；牟艷彬等人[9]，宋靜等人[10]發現在霧、積冰、小（陣）雨、雷暴條件下，HTG-4型微波輻射計溫濕數據能夠較好反映雙流機場的氣象要素分布特征及變化規律，為氣象應用和航空安全保障提供有價值的信息。

本文主要利用雙流機場配備的微波輻射計采集的溫度濕度數據，分析氣象要素和物理量在夏季雷雨過程中的特征變化，有助于提高對雷雨天氣的認識，并且對業務預報起到一些參考作用。

2 資料

本文所用的資料為AirdaHGT-4型微波輻射計在成都雙流國際機場采集的溫度濕度參量和雙流機場本場的實況報文。

采用的氣象要素和物理量主要有溫度數據（包含邊界層和對流層兩種模式下探測的溫度數）、相對濕度和絕對濕度、液態水廓線（LPR）和液態水路徑（LWP）、綜合水汽含量（IWV）。水汽和液態水是表征濕度的兩個重要物理量，是空中水資源的重要組成部分，但是它們也有本質的區別，它們的相態、對微波輻射頻率的敏感區不同，因此它們在天氣變化過程也具有不同的變化特征。溫度數據（對流層），時間分辨率為5～6min，垂直探測高度為0～10km（93層數據）；溫度數據（邊界層），時間分辨為20min，一般大氣邊界層的高度為0～1.5km，因此在垂直探測高度上只截取了0～2km的數據（50層數據）；相對濕度和絕對濕度數據，時間分辨率為5～6min，垂直探測高度為0～10km（93層數據）；液態水廓線數據，10min取一次數據，垂直探測高度為0～10km（92層數據）；液態水路徑數據和綜合水汽含量，同樣10min取一次數據。

3 個例介紹

本文主要選取了2次雷雨過程作為個例分析，個例1是2019-08-02白天的一次雷雨過程，該雷雨過程受弱冷空氣滲透及地面輻合影響，觸發了熱力性暖區雷暴；個例2是2019-08-03凌晨的一次雷雨過程，該雷雨過程是受波動槽影響，形成了較系統性的雷暴。

從雙流機場實況報文來看，個例1的天氣情況如圖1所示，11：30—12：00（UTC，下同）為大陣雨，12：05—13：45為雷暴伴大陣雨，12：45—13：00為雷暴伴中陣雨，13：00—14：30為雷暴伴小陣雨；個例2的天氣情況如圖2所示，00：00—01：00為雷暴伴中陣雨，01：34—02：00為雷暴伴小陣雨，02：00—02：36為雷暴伴中陣雨，02：36—03：00為中陣雨。

圖1 個例1實況報文

圖2 個例2實況報文

4 個例1分析

溫度時間序列如圖3所示。從圖3（a）可看出，在雷雨過程發生前，整層的溫度變化很平穩，各層的溫度變化較小，0℃層維持在5000m，近地層（500m以下）受太陽輻射增溫的作用，呈現逐漸增溫的變化，在11：10左右整層溫度出現了小幅度變化，11：30出現大陣雨天氣，但從溫度場來看并未出現明顯的變化。11：50—12：30整層溫度出現了大幅度變化，此時為雷暴伴大陣雨天氣，在2000m以下，溫度出現先降低再升高的變化，12：00—12：30之間，溫度出現一個峰值，12：00左右溫度陡升，雷暴過程，使穩定的溫度層結被破壞，對于0℃來說在這個時間段，呈現了較大的變化波動，主體呈現降低的變化趨勢，最低達到了4200m左右，而對于高層來看，溫度主體呈現降溫的趨勢。從整層溫度變化來看，在強對流天氣發生時，溫度降低，但隨著強對流發展強盛，低層需考慮不斷地水汽凝結釋放潛熱，當水汽凝結釋放潛熱的作用大于溫度降溫時，低層會出現明顯的升溫現象。12：45之后，雷雨天氣逐漸減弱，溫度變化也趨于穩定，變化幅度明顯減小。從整個天氣過程來看，溫度在雷雨天氣最強的時段會出現明顯的變化，溫度變化的強度在低層較為明顯，因此將應用微波輻射計邊界層探測模式探測的邊界層溫度對低層溫度變化進行進一步分析。如圖3（b）所示，在大陣雨發生前，近地層（500m）以下升溫變現明顯，在11：00左右，近地層明顯降溫，之后隨著大陣雨出現，溫度又出現明顯升溫，在雷暴伴大陣雨出現前，近地層溫度先降后升，并且在雷雨發展強烈的階段，暖中心懸掛在200～800m之間，可以理解為逆溫層出現，在強雷雨階段，潛熱釋放增溫作用使近地層出現逆溫現象，使不穩定層結趨于穩定變化，當這種逆溫現象減弱消失，雷雨天氣也逐漸減弱。

圖3 溫度時間序列圖

濕度時間序列如圖4所示。從圖4（a）可看出，在大陣雨發生前半個小時（11：00左右），1500～6000m相對濕度都在95%以上，幾乎達到飽和；大陣雨天氣發生時，相對濕度減小，且95%以上的大濕區并未接地，一直到12：00左右，大濕區才出現接地現象，并且隨著雷雨發展強烈，在2000m以下的大氣層中都保持著95%以上的相對濕度；在雷暴伴大陣雨時段，高層表現為相對濕度減小，并且出現一個明顯的干區，后續雷雨天氣減弱，95%以上的大濕區出現了一定的波動抬升，并且2000m以下的大濕度也出現了明顯的波動減弱。由圖4（b）可知，低層絕對濕度的變化基本集中在1000m以下的大氣層中，強降水發生后明顯增大，在雷雨天氣發展強烈階段，6500～2000m之間表現為絕對濕度減小，這種變化和上述對相對濕度的分析變現一致，可以理解為一種干侵入，結合溫度的分析，在強雷雨發生時，有一定干冷空氣入侵的影響。

圖4 濕度時間序列圖

液態水和綜合水汽時間序列如圖5所示。從圖5（a）可看出，大陣雨發生前，云中出現較大量的液態水，出現液態水的最高高度為6000m左右，最大值可達0.55～0.6g/m3；大陣雨發生時，由于液態水降落到地面，云中的液態水明顯減少；強雷雨發生階段，液態水再次出現明顯增大和抬升，高度最高達到了8500m，并且最大值可達0.75～0.8g/m3，后續隨著天氣強度減弱，降水減弱，液態水值也明顯減小，高度也明顯下降，從以上分析可以看出，液態水在空間上的分布，一定程度上表現為降水云團的發展，普通強降水過程和強雷雨過程時，液態水的抬升高度和大小是有明顯區別的，強雷雨過程液態水的發展高度和大小更高更大。從圖5（b）、圖5（c）來看，液態水路徑的變化相對于綜合水汽含量變化會更明顯，變化幅度更大，液態水路徑在大陣雨發生前，數值明顯增大，達到2200g/m2，在雷暴伴大陣雨發生時達到2200g/m2，隨著強雷雨發展，液態水路徑繼續增大，達到3400g/m2，一直維持到雷暴伴大陣雨轉為雷暴伴中陣雨，而綜合水汽的變化幅度相對小很多，較為明顯的變化主要發生在雷暴伴大陣雨階段，最大值接近90kg/m2。

圖5 液態水和綜合水汽時間序列圖

5 個例2分析

溫度時間序列如圖6所示。從圖6（a）可看出，雷雨天氣發生前（11：40左右），低層2000m以下出現明顯升溫變化，但隨著雷暴伴中陣雨天氣在本場出現，低層升溫逐漸減慢，由于個例2天氣過程在01：00—01：34這段時間出現短暫間隙，因此這種低層升溫現象也出現短暫間隙，同樣在間隙期提前出現升溫現象。0℃層在雷雨天氣發生前，高度層從5000m下降到4500m，之后在4500m上下波動，但波動變化較為平緩，而對于高層，在整個雷雨過程中，表現為穩定的降溫現象，一直維持到雷雨天氣結束。同樣，取邊界層探測模式探測的邊界層溫度，對低層溫度變化進行分析，如圖6（b）所示，11：40左右，2000m以下，出現明顯的增溫現象，在雷雨天氣發生時，暖中心基本懸掛在200～700m，建立了逆溫層，隨著天氣強度減弱，逆溫層也出現減弱但并沒有完全被破壞，隨著雷雨天氣再次增強，逆溫層提前出現增強，比第一次出現時更強更穩定，從逆溫層的出現和減弱消失的時間來看，它都提前與天氣的開始和結束。

圖6 溫度時間序列圖

濕度時間序列如圖7所示。從圖7（a）可看出，雷雨天氣發生前，95%以上的大濕區主要位于4000～7000m的大氣層中，隨著雷雨天氣的發生，這種大濕區出現了快速下沉和接地現象，并且是提前雷雨天氣發生前的，在整個雷雨天氣發生過程，95%以上的大濕區主要位于低層2000m以下，中高層有明顯的干區下沉現象，后續雷雨天氣結束，95%以上的大濕區出現抬升。從圖7（b）可看出，近地層增濕的現象基本出現在雷雨天氣后，具有一定的延后性，并且從天氣強度看，絕對濕度增大主要對中陣雨影響較為明顯，中陣雨后，近地層絕對濕度出現峰值，對小陣雨的影響不明顯，中高層大氣層的絕對濕度減小，表現為干區下沉。

液態水和綜合水汽時間序列如圖8所示，雷雨天氣發生前，云中液態水已開始聚集，并出現抬升，最高高度達8500m，最大值可達0.75～0.8g/m3；雷雨天氣出現并發展時，液態水最高高度增高，強度基本維持，直到雷雨天氣結束，液態水才逐漸減小。從圖8（b）、圖8（c）來看，液態水路徑的變化相對于綜合水汽含量變化更明顯，變化幅度更大，液態水路徑在雷雨天氣發生前，最大值達到3500g/m2，后續基本維持在3400g/m2，而綜合水汽的變化幅度相對要小很多，雷雨天氣發生時，綜合水汽增加，后續基本維持在85～90kg/m2。

兩個天氣過程個例的強度和發生原因不同，并且個例1發生在白天，個例2發生在夜間，它們的氣象要素變化不同；從溫度場來看，個例1溫度變化的波動性更強，個例2變化更加穩定；從逆溫現象來看，個例2的逆溫表現更強；從濕度場來看，個例2的濕度條件更好，并且濕度變化更加穩定；從液態水和綜合水汽來看，個例2的液態水變化更加穩定，并且液態水的峰值更大，2個個例的綜合水汽變化基本一致，峰值也基本一致。

圖8 液態水和綜合水汽時間序列圖

圖7 濕度時間序列圖

6 結論與展望

通過上文分析可知，微波輻射計對臨近預報具有一定作用，氣象要素的變化具有一定的特征，并具有一定的提前性，對雷雨天氣的發生和結束具有一定的指示作用，可以得到以下結論：①在雷雨天氣發生前，低層溫度明顯升高，高層溫度明顯降低，在低層會建立逆溫層，逆溫層減弱、被破壞預示著雷雨天氣即將結束；②相對濕度的變化幅度和提前性明顯優于絕對濕度，雷雨天氣發生前，相對濕度在中高層明顯增大，絕對濕度在中高層有干區下沉現象；③液態水在垂直方向的變化可以反映降水云團的發展情況，雷雨天氣發生時，液態水發展高度可達8500m，最大值可以達到0.75g/m3以上，液態水路徑的變化相對于綜合水汽含量變化更明顯。

以上結論主要通過分析2次雷雨過程得出，可能存在著一定的局限性和不確定性，后續將繼續對更多的個例進行分析，并且對上述結論進行驗證和修改，使它更具普遍性，對天氣預報工作更具有可用性。