微波輻射計在降水過程中的應用

林 輝，焦 陽，蔡藝友，洪志斌

(1.漳州市氣象局，漳州 363000；2.平和縣氣象局，漳州363700)

0 引言

地基微波輻射計作為新型微波遙感設備[1]，具有全天候、長期穩定自動運行的特點，可以連續探測基站上空0～10 km區域內多種氣象要素的垂直分布特征，其高時空分辨率的特點對中小尺度強天氣系統具有較好的監測能力，為臨近天氣過程的分析提供有利依據[2-4]。海阿靜[5]等分析對比了微波輻射計在多種天氣條件下的觀測結果，表明了微波輻射計具有良好的工作性能；汪小康[6]等總結了不同降水強度下微波輻射計觀測資料的反演特征，結果表明微波輻射計對降水具有較好的指示作用；黃治勇[7]等將微波輻射計觀測資料應用在短時暴雨的潛勢預報中，總結出多個與暴雨過程相關的參量。文章利用福建省平和縣氣象局2018年4月裝備的QFW-6000型微波輻射計，初步分析了微波輻射計觀測資料在降水過程中的應用，總結出部分對降水預報有利的參數，為日后微波輻射計觀測資料的深入研究提供了參考。

1 資料來源

文章所用資料為平和縣氣象局國家一般氣象觀測站2018-08-04的地面觀測數據，主要有降水量和天氣現象等參量。微波輻射計為QFW-6000型，是基于大氣微波遙感技術的氣象探測設備，探測高度為本站上空10 km，時間分辨力是6 min，其探測目標和反演的產品比較多，主要有氣象指標、廓線分布和不穩定度系數3類[8-10]。

對比降水前后微波輻射計探測結果的演變特征，總結出幾個主要的特征參數，初步分析其在降水預報中應用的可能性。地面觀測資料顯示，此次降水過程的累積降水量為63.9 mm，降水時段是17：50-20：00。

2 探測結果分析

2.1 溫濕廓線分布

溫濕廓線分布是微波輻射計的主要探測產品，能夠反映出探測范圍內各層大氣溫度、濕度隨時間的變化特征，在日常觀測中具有重要作用。圖1是2018-08-04平和縣氣象站的探測結果。

圖1 溫濕廓線分布：(a)溫度廓線；(b)相對濕度廓線

從圖1中可以明顯看出不同時段整層大氣的溫濕度有較大區別。由圖1(a)可知，2 km以下低層溫度從7：00起有明顯增溫趨勢，而高層的變化不明顯。12：00后，低層持續升溫并維持較長時間，為對流天氣提供了有利的熱力條件。17：00開始整層大氣的溫度緩慢下降，直到17：50出現了急速下降的過程，表明此時已經有較為明顯的下沉氣流產生，并在4 min后開始降水。從圖1(b)濕度廓線可以看出8月4日7：00開始，低層的濕度中心有被加強抬升的趨勢，并且中層大氣在午后有一個濕度極值區，同時低層濕度明顯減小。降水發生前1 h，氣象站上空低層相對濕度顯著增大且中高層濕度急速減小呈現出“上干下濕”的結構，在17：54干、濕中心達到峰值，而后降水開始產生，此時的濕度結構有利于降水持續。降水結束后，整層大氣的溫濕分布相對平衡，不再有明顯變化。

2.2 水汽分布

水汽是產生降水的重要條件，因此有必要分析降水前后整層大氣的水汽分布以及變化情況[11]。圖2是全天整層大氣的水汽變化情況，從圖2可以看出，不同時間段的水汽變化有明顯區別，臨近降水前的特征最為明顯。

圖2 水汽分布：(a)水汽密度廓線；(b)路徑積分水汽總含量

由圖2(a)可知，水汽密度在夜間和降水開始后比較穩定，沒有明顯變化。白天特別是午后和降水開始前都有較大波動和峰值變化。16：00后整層大氣的水汽密度呈穩步上升的特征，3 km以下表現得尤為明顯。降水發生前，水汽密度有一個急速增加的過程并在降水開始后又急速下降，并持續到降水結束，整層大氣的水汽密度趨于穩定。圖2(b)是對應的路徑積分水汽總含量的變化曲線，可以看出路徑水汽總含量也在降水開始前緩慢增加，達到極值38 mm后降水開始，而后急速減小，一段時間后維持在28 mm左右。

2.3 穩定度系數

現有研究表明，穩定系數與對流天氣有較好的相關性，并且被廣泛應用于預報業務中[12]。文章對此次降水過程前后的穩定系數變化分別進行了統計，統計結果如圖3所示，圖3(a)～(c)分別是K指數、沙氏指數和抬升指數變化曲線。

從圖3(a)中可以看出K指數在降水發生前2 h內有明顯的波動上升，從18 ℃上升到38 ℃，并且在降水前50 min有2次躍升，降水發生后10 min之內又驟降，直到慢慢恢復降水前的狀態。圖3(b)顯示沙氏指數有相反的趨勢，在降水發生前90 min之內持續下降，降水發生時降到-3.5，并在降水發生后6 min之內降到最低值-3.9；降水發生后又驟增，之后隨著降水時間的推移緩慢增大，最終穩定在4.5左右。圖3(c)表明抬升指數在整個降水過程中都呈現出增大趨勢，降水發生前緩慢增大，降水發生時則是大幅增長，在18：20達到峰值，此時下沉氣流達到最大，降水開始一段時間后趨于平穩并持續到降水結束。以上結果表明這幾個穩定度系數對降水的發展具有重要的指示作用。

圖3 穩定系數曲線圖：(a)K指數；(b)沙氏指數；(c)抬升指數

3 結束語

文章結合地面降水資料與微波輻射計的觀測資料，對比分析了部分微波輻射計產品在降水過程中的演變特征，總結歸納出了微波輻射計在降水預報中的應用，得到如下結論：

1)降水發生前，微波輻射計探測的溫度廓線在2 km以下低層有明顯增溫趨勢，而高層的變化不明顯，臨近降水時整層溫度都有急劇下降趨勢；濕度廓線中心有被加強抬升的趨勢，降水發生前1 h，低層相對濕度顯著增大且中高層濕度急速減小并呈現出“上干下濕”的結構，這預示著降水過程的開始。

2)降水發生前3 h內，水汽密度有一個急速增加的過程并在降水開始后又急速下降，而后持續到降水結束，整層大氣的水汽密度趨于穩定；路徑水汽總含量也在降水開始前緩慢增加，達到極值38 mm后降水開始，而后急速減小，降水結束后維持在28 mm左右。

3)降水開始前穩定度指數有很明顯的劇增或劇減趨勢，其中K指數和沙氏指數的指示性尤為突出，最大K值達到38 ℃，沙氏指數達-3.9，抬升指數在降水前30 min急劇上升，這些數據可作為降水預報的重要參考指標。