雷連發(fā)　陳　婷　楊　柳　朱　磊　陳　瑞　程桂玉　秦　江

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0　引言

強(qiáng)對(duì)流天氣是氣象學(xué)上所指的發(fā)生突然、移動(dòng)迅速、破壞力極大的災(zāi)害性天氣，主要發(fā)生于中小尺度天氣系統(tǒng)，空間尺度小，生命史短暫并帶有明顯的突發(fā)性，暴雨的發(fā)生伴隨著明顯的局地性[1]。強(qiáng)降水盡管次數(shù)不多，但是近年來(lái)突發(fā)的強(qiáng)降水一般強(qiáng)度大，時(shí)間短，一旦發(fā)生就會(huì)造成嚴(yán)重的影響[2-3]。

強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展過程中常常通過一些動(dòng)力學(xué)、大氣熱力學(xué)等強(qiáng)對(duì)流參數(shù)進(jìn)行分析。這些強(qiáng)對(duì)流參數(shù)經(jīng)常被用來(lái)分析和預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展及演變，了解強(qiáng)對(duì)流參數(shù)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的分析和預(yù)報(bào)具有很大幫助[4]。獲取大氣熱力學(xué)參數(shù)目前常用的手段是通過無(wú)線電探空獲取大氣溫濕度等垂直分布參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到的。釋放無(wú)線電探空儀獲取探空資料可以很直接反演出大氣垂直的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)。但是現(xiàn)有探空每天僅有兩次探空無(wú)法提供實(shí)時(shí)連續(xù)的大氣狀態(tài)垂直分布數(shù)據(jù)用來(lái)分析大氣熱力結(jié)構(gòu)，難以對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和潛勢(shì)預(yù)報(bào)。實(shí)踐證明，只有通過大氣遙感探測(cè)才是最經(jīng)濟(jì)、最快捷、實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣狀態(tài)變化的最佳途徑[2]。微波輻射計(jì)是一款被動(dòng)式地基微波遙感設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)反演大氣溫度、濕度廓線，能全天候、全天時(shí)工作[4-5]。探空氣球時(shí)間分辨率較低，天氣雷達(dá)資料基本局限于降雨過程，地基微波輻射計(jì)的出現(xiàn)，填補(bǔ)上述探測(cè)技術(shù)的空白，對(duì)探測(cè)資料進(jìn)行了有效補(bǔ)充[2]。在目前中尺度天氣現(xiàn)象監(jiān)測(cè)過程中微波輻射計(jì)資料的應(yīng)用已越來(lái)越受到重視。

1　資料和方法

本文采用自主研制的MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)進(jìn)行大氣特性參數(shù)遙感探測(cè)。微波輻射計(jì)是用于地表上空大氣狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)的精密探測(cè)儀器，系統(tǒng)通過被動(dòng)接收大氣在K 頻段(22-30GHz)和在V頻段(51-59GHz)的大氣微波輻射亮溫，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)反演對(duì)流層高時(shí)空分辨率的溫度、相對(duì)濕度和水汽密度等大氣狀態(tài)參數(shù)[6]。

本次主要對(duì)西安2017年7月27日19點(diǎn)28分開始的一次強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行詳細(xì)的分析。本次過程強(qiáng)降水持續(xù)40h左右隨后以小雨為主，降水過程自西向東進(jìn)行，局地降水量達(dá)到30mm以上。

數(shù)據(jù)分析過程中采用輻射計(jì)反演的溫濕度廓線、積分水汽(IWV)和天空紅外輻射溫度(IRT)以及由此計(jì)算得到的一些對(duì)流參數(shù)進(jìn)行分析此次降水前的整個(gè)天氣變化過程，利用的對(duì)流參數(shù)主要有以下幾種：

(1)對(duì)流有效勢(shì)能(CAPE)

?，攬D上從自由對(duì)流高度和平衡高度之間的正面積區(qū)域稱為對(duì)流有效勢(shì)能。表示在自由對(duì)流高度以上，氣塊可從正浮力作功中而獲得的能量。這部分能量對(duì)大氣有著積極的作用，并有可能轉(zhuǎn)化成氣塊的動(dòng)能。CAPE越大說明大氣狀態(tài)越不穩(wěn)定，越有利于發(fā)生對(duì)流天氣。

(2)對(duì)流凝結(jié)高度(LCL)

未飽和氣塊被外力抬升而干絕熱上升，在干絕熱過程中氣塊比濕不變，當(dāng)氣塊干絕熱上升到溫度與露點(diǎn)相等處的時(shí)候，就達(dá)到飽和而發(fā)生凝結(jié)，該點(diǎn)的所在高度就是對(duì)流凝結(jié)高度LCL[7]。

(3)KI指數(shù)

KI指數(shù)是判斷大氣狀態(tài)的常用指數(shù)，可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

KI=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)

(1)

式中T表示溫度，Td表示露點(diǎn)溫度，下標(biāo)數(shù)字表示氣壓。通常KI指數(shù)越大，大氣狀態(tài)越不穩(wěn)定。

2　數(shù)據(jù)分析

(1)水汽含量分析

大氣中充足的水汽含量是發(fā)生降水的必要條件，水汽含量偏低時(shí)發(fā)生降水尤其是強(qiáng)降水的可能性極小，水汽含量較高并有充足的水汽作為補(bǔ)充時(shí)，降水發(fā)生的可能行將大大增加。當(dāng)然具有充足的水汽對(duì)于產(chǎn)生降水還是不夠的，同時(shí)還需要?jiǎng)恿蜔崃Φ冗M(jìn)行相配合誘發(fā)才可以形成降水[8]。

對(duì)于本次降水過程從輻射計(jì)觀測(cè)結(jié)果可以看出(如圖1)，大氣中水汽含量從7月23日中午之后迅速減少，水汽密度等值線下滑，直至7月25日晚上18點(diǎn)后開始逐漸增大，水汽開始得到補(bǔ)充。在7月26日晚上19點(diǎn)52分前后大氣中水汽達(dá)到一個(gè)峰值，開始有15分鐘左右的小雨并未產(chǎn)生強(qiáng)降雨。7月27日晚上18點(diǎn)后明顯有水汽的大量補(bǔ)充，水汽密度等值線迅速抬升，隨后在19點(diǎn)28分開始強(qiáng)降雨。本次短時(shí)強(qiáng)降雨過程造成西安多地發(fā)生嚴(yán)重積水。

從圖1中可以看出，7月24日至7月27日午后都出現(xiàn)了高溫天氣，近地面500m高度以下氣溫超過40℃，在每天的高溫時(shí)段，近地面水汽含量相對(duì)有所減少，這可能是由于高溫引起的熱對(duì)流使得水汽發(fā)生了混合作用。從大氣積分總水汽(IWV)來(lái)看降水前幾日全天總水汽并未有明顯變化，且呈上升趨勢(shì)，說明大氣中的水汽逐漸在的補(bǔ)充。

(2)對(duì)流有效勢(shì)能變化

7月20日開始大氣CAPE逐漸增大，大氣不穩(wěn)定能量上升，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在7月24日CAPE突然減小接近0，大氣狀態(tài)從不穩(wěn)定轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)(如圖2所示)，這時(shí)大氣中總的積分水汽也達(dá)到近幾日最小值(如圖3所示)，從7月25日CAPE迅速增加，大氣重新回到不穩(wěn)定狀態(tài)，IWV也迅速升高，大氣中得到了足夠的水汽補(bǔ)充，為隨后的強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生做了準(zhǔn)備。

天氣在這一變化過程中，也明顯看到了紅外輻射溫度的變化，天空紅外輻射溫度反應(yīng)了云的信息，紅外溫度高低也就代表著云底的變化。紅外溫度越高說明云底高度越低。在7月23日和24日兩天紅外輻射溫度變小，說明云底逐漸抬升，隨后紅外輻射溫度升高，云底也相應(yīng)變低，7月27日紅外輻射溫度達(dá)到最大值(8.4℃)，云底高度也降到最低。天空背景紅外輻射溫度反應(yīng)了對(duì)流不穩(wěn)定天氣過程中云的變化。從紅外溫度也可以看出紅外輻射溫度越大即云底高度越低時(shí)，IWV也相對(duì)變大。

(3)KI指數(shù)和LCL的變化

KI指數(shù)同樣表征了大氣不穩(wěn)定狀態(tài)，KI指數(shù)越大，大氣層節(jié)越不穩(wěn)定。一般認(rèn)為KI>35時(shí)易出現(xiàn)暴雨等極端天氣[8]。利用微波輻射計(jì)觀測(cè)的溫濕度廓線結(jié)合式(1)可計(jì)算KI指數(shù)，從這次過程可以看出KI指數(shù)在7月23日和24日小于35，其中24日最小，說明這兩天對(duì)流能量相對(duì)較小，大氣狀態(tài)穩(wěn)定，其余每天都在35以上，是易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的天氣。

從對(duì)流凝結(jié)高度LCL看，這次過程中在7月24日，大氣凝結(jié)高度最高超過3.5km，云高相對(duì)較高，近地面的也就水汽需要更多的能量才能達(dá)到凝結(jié)高度成云。從7月25日開始LCL持續(xù)降低，在27日達(dá)到最低最后發(fā)生強(qiáng)降雨。微波輻射計(jì)觀測(cè)計(jì)算的KI指數(shù)和LCL很好的反應(yīng)了大氣穩(wěn)定度和對(duì)流凝結(jié)高度的變化過程。兩者對(duì)天氣變化的響應(yīng)也具有明顯的一致性。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文通過微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)西安一次強(qiáng)對(duì)流降水過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，從結(jié)果可以看出微波輻射計(jì)不僅能夠觀測(cè)反演高時(shí)空分辨率的大氣溫度、濕度、水汽密度和液態(tài)水等廓線數(shù)據(jù)，同時(shí)還能計(jì)算生成多種大氣對(duì)流參數(shù)，例如CAPE、KI指數(shù)和LCL等。生成的對(duì)流參數(shù)能夠很好的描述強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前水汽的補(bǔ)充、云以及大氣不穩(wěn)定能量的變化，對(duì)大氣熱力分析有這很好的作用。這也將會(huì)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)提供有效的輔助參考資料。

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