黃 煌，李 瓊，唐 林，黃宇霆，徐冬英

（1.長沙市氣象局，長沙 410205；2.湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，長沙 410118）

水汽既是大氣主要成分之一，也是大氣能量的主要載體，直接驅(qū)動(dòng)影響著各種時(shí)空尺度下的天氣變化。而大氣中水汽含量的時(shí)空變化極為活躍，因此及時(shí)準(zhǔn)確地獲取大氣水汽變化資料對提高降水預(yù)報(bào)精度、精準(zhǔn)指導(dǎo)人工影響天氣作業(yè)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等方面具有重要意義。

地基微波輻射計(jì)能接收大氣中水汽分子發(fā)出的微波輻射信號，通過儀器自身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演出單位面積內(nèi)地面至10km 高度大氣溫度、濕度、水汽含量和液態(tài)水含量。其優(yōu)點(diǎn)是高度自動(dòng)化、時(shí)間分辨率高，能全天候不間斷工作，非常適合作為除常規(guī)探空外大氣水汽觀測的補(bǔ)充手段。一般來說降水過程前空氣中水汽含量與液態(tài)水含量會(huì)出現(xiàn)一定波動(dòng)，可以看作降水臨近預(yù)報(bào)的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)。目前已有不少利用微波輻射計(jì)分析降水前大氣水汽變化特征的研究。張文剛等［1］對比分析了武漢站微波輻射計(jì)與探空資料，發(fā)現(xiàn)兩者所測得的溫度和水汽密度有很好的相關(guān)性。雷恒池［2］等利用微波輻射計(jì)探測西安降水云系水汽含量與液態(tài)水含量，發(fā)現(xiàn)降水前云中水汽含量與液態(tài)水含量存在顯著升高現(xiàn)象，對人工降雨預(yù)測有一定指導(dǎo)意義。姚展予等［3］分析安徽壽縣云中液態(tài)水含量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其達(dá)到0.4mm 閾值，則一般會(huì)出現(xiàn)降水；王健等［4］分析烏魯木齊兩次降水過程，發(fā)現(xiàn)降水前大氣水汽和液態(tài)水會(huì)分別增至40mm 和7mm 左右；何生存［5］等反演了黃河上游云中液態(tài)水含量，認(rèn)為該地區(qū)秋季云中液態(tài)水含量降水閾值為0.31kg·m-2；敖雪等［6］對36 個(gè)降水個(gè)例和38 個(gè)非降水個(gè)例進(jìn)行分析，把當(dāng)大氣液態(tài)水大于1mm 時(shí)，水汽含量達(dá)到6.5cm、6cm、5～6cm 分別作為武漢大雨、中雨、小雨參考指標(biāo)。高金輝［7］等認(rèn)為云中水汽含量和液態(tài)水含量分別超過20mm 和0.2mm是河南新鄉(xiāng)鋒面云系增雨作業(yè)重要參考指標(biāo)，而兩者分別大于25mm 和0.3mm 時(shí)是對流云增雨作業(yè)最佳時(shí)機(jī)。白婷等［8］利用微波輻射計(jì)對南陽地區(qū)降水過程中水汽含量和液態(tài)水含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確可靠，水汽含量與液態(tài)水含量在降水開始前明顯增加，可應(yīng)用于日常業(yè)務(wù)和人工影響天氣作業(yè)時(shí)機(jī)判別。

地基微波輻射計(jì)作為一種新型大氣水汽探測裝備，由于自身優(yōu)勢特點(diǎn)，在氣象探測業(yè)務(wù)方面應(yīng)用潛力巨大，但國產(chǎn)微波輻射計(jì)總體仍處于開發(fā)試驗(yàn)階段，應(yīng)用的成果不多。國內(nèi)利用其觀測大氣水汽變化的相關(guān)研究多集中在夏季，在湖南利用其觀測分析冬春季大氣水汽變化尚屬首次。本文選取了長沙2020 年1—3 月中5 次降水時(shí)段作為個(gè)例，統(tǒng)計(jì)分析微波輻射計(jì)反演的大氣水汽含量和液態(tài)水含量在降水過程前后變化特征，嘗試為短臨預(yù)報(bào)和地面人工增雨作業(yè)提供參考。

1 資料與方法

文中采用的微波輻射計(jì)位于長沙國家綜合氣象觀測試驗(yàn)基地（28°07′N、112°47′E），海拔119m。由中國兵器二〇六研究所與蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院聯(lián)合研制，型號為MWP967KV。該設(shè)備經(jīng)被動(dòng)接收大氣微波輻射，再通過內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法每3min 實(shí)時(shí)自動(dòng)反演地面至10km 共58 層大氣溫度、相對濕度、水汽密度、液態(tài)水廓線等數(shù)據(jù)。垂直分辨率在0～500m 之間為50m，500m～2km 為100m，2km～10km為250m。選取2020 年1—3 月期間5 次降水過程作對比分析：具體時(shí)段為1 月7 日00—09 時(shí)、1 月14日19 時(shí)—15 日17 時(shí)、2 月21 日08—18 時(shí)、3 月7日2—23 時(shí)、3 月11 日17 時(shí)—12 日01 時(shí)，下文中對應(yīng)簡稱A、B、C、D、E 時(shí)段。

由于長沙雷達(dá)站冬季停機(jī)造成資料缺失，文中采用了臨近的岳陽雷達(dá)站資料。對比所用的L 波段探空資料來自長沙探空站，其中L 波段探空數(shù)據(jù)來自每次降水時(shí)段臨近的08 時(shí)（07∶15～08∶00）或20時(shí)（19∶15～20∶00）對應(yīng)微波輻射計(jì)相同高度的觀測數(shù)據(jù)。利用以下公式計(jì)算出探空水汽密度［8］：

其中，td為露點(diǎn)溫度，單位℃；e 為水汽壓，單位hPa；T 為絕對溫度，單位K；ρv為水汽密度，單位g·m-3。

微波輻射計(jì)反演的水汽含量V 指從地面到大氣上界的水汽密度ρv垂直積分，定義如下：

單位為mm，本文因直接取儀器數(shù)據(jù)記cm。

液態(tài)水含量L 即云底至云頂垂直方向上液態(tài)水積分，定義如下：

單位為mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波輻射計(jì)與L 波段探空資料對比

選取2020 年1—3 月長沙國家站5 次降水過程前后微波輻射計(jì)與L 波段探空資料，對比0～10km 高度上溫度、水汽密度和對應(yīng)差值變化?？梢钥闯鑫⒉ㄝ椛溆?jì)反演數(shù)據(jù)與L 波段探空數(shù)據(jù)變化趨勢相近，溫度與水汽密度相關(guān)系數(shù)分別為0.995 和0.994，兩者均通過了置信度0.01 的顯著性檢驗(yàn)。同一高度溫度數(shù)值微波輻射計(jì)總體上大于L 波段探空（圖1），另外微波輻射計(jì)溫度廓線較探空平滑，對一些大氣的擾動(dòng)和近地面逆溫未能很好反映；水汽密度數(shù)值從地面至4km 高度范圍內(nèi)微波輻射計(jì)總體接近或大于L 波段探空（圖2），在兩千米以下的水汽聚集的低空區(qū)，L 波段探空對水汽變化更敏感，更能體現(xiàn)大氣低空擾動(dòng)的特征，但在高空兩者趨于一致。

圖1 2020 年1—3 月5 次降水過程探空溫度、微波輻射計(jì)溫度及兩者差值對比

圖2 2020 年1—3 月5 次降水過程探空水汽密度、微波輻射計(jì)水汽密度和兩者差值對比

總體上微波輻射計(jì)溫度、水汽密度數(shù)值與探空略有差異，但垂直高度變化趨勢一致，相關(guān)性較強(qiáng)，與其他學(xué)者相關(guān)研究結(jié)果一致，在日常業(yè)務(wù)觀測中具備一定的參考意義。

2.2 水汽含量、液態(tài)水含量與降水量的變化特征

利用2020 年1—3 月長沙國家站微波輻射計(jì)觀測資料并結(jié)合長沙國家站地面降水觀測資料，選取了2020 年1—3 月期間5 次降水過程（A、B、C、D、E時(shí)段）前后的大氣水汽含量數(shù)據(jù)與大氣液態(tài)水含量數(shù)據(jù)，并分析同時(shí)段地面觀測的降水情況，了解大氣水汽和液態(tài)水在降水過程前后的變化特征。其中降雨持續(xù)時(shí)間最長為B 時(shí)段，達(dá)到22h，累計(jì)降水量也最大，達(dá)到19.6mm；D 時(shí)段過程最短，為3h。

A 時(shí)段累積降雨量為15.4mm，分析降水開始前兩小時(shí)至降水結(jié)束后兩小時(shí)可以看到，微波輻射計(jì)的大氣水汽數(shù)據(jù)和液態(tài)水含量在降水前均有明顯的上升，在降水結(jié)束后迅速回落，水汽含量從降水前兩小時(shí)的2.4cm 陡升至降水開始時(shí)的3.15cm，并在降水持續(xù)過程中基本保持在3cm 左右；液態(tài)水含量從不到0.13mm 快速升至0.17mm，降水過程中維持在0.175mm 左右。降水結(jié)束前約1h 水汽含量與液態(tài)水含量開始持續(xù)回落并降至降水開始前的低值范圍。

B 時(shí)段累積降雨量為19.6mm。降水開始前兩小時(shí)內(nèi)大氣水汽含量與液態(tài)水含量均出現(xiàn)一個(gè)小峰值，降水開始前約30min 兩者開始快速上升，分別超過2.9cm 和0.15mm。15 日2∶00—3∶00、5∶00-6∶00、7∶00—9∶00 三個(gè)時(shí)段降水相對較強(qiáng)，對應(yīng)水汽含量與液態(tài)水含量均出現(xiàn)了三個(gè)波峰，峰值均超過3cm和0.16mm。4∶00—5∶00、6∶00—7∶00、9∶00—10∶00 三個(gè)降水間歇時(shí)段同樣對應(yīng)了水汽含量與液態(tài)水含量的三個(gè)明顯波谷。降水減弱后水汽含量與液態(tài)水含量均出現(xiàn)回落。

C 時(shí)段08∶00—18∶00 降水量為1.0mm，此次過程降水總量不多且持續(xù)時(shí)間較長，但微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)仍很好地反映出大氣水汽含量與液態(tài)水含量變化過程。降水出現(xiàn)前兩者數(shù)值同樣均出現(xiàn)快速上升并形成一個(gè)小高峰，分別達(dá)到約3.5cm 和1.4mm。在降水過程中分別穩(wěn)定保持在約3.5cm 和0.14mm 左右。但兩者開始回落時(shí)間較降水結(jié)束時(shí)間提早約兩個(gè)小時(shí)。

D 時(shí)段21∶00—22∶00 降水量為1.3mm，水汽含量與液態(tài)水含量在20∶00 后就開始明顯上升，40min內(nèi)兩者分別增加了約1cm 和0.02mm，22∶00 降水結(jié)束后兩者分別回落到3.0cm 和0.12mm 附近，并且回落速度逐漸降低，變化曲線趨于平緩，至23∶00 兩者均已經(jīng)低于20∶00 初始值。

E 時(shí)段降水量為1.2mm，其中0.9mm 降水集中在22∶00—24∶00 時(shí)段，對應(yīng)水汽含量與液態(tài)水含量為最高區(qū)間，兩者分別超過3.2cm 和0.13mm。12 日00 ∶00 以后隨著降水結(jié)束兩者均降至3.0cm 和0.12mm 以下。5 次過程降水前一小時(shí)內(nèi)水汽含量與液態(tài)水含量均有明顯上升，前者分別上升了0.508cm、0.26cm、0.38cm、0.74cm、0.79cm；后者分別上升了0.03mm、0.017mm、0.023mm、0.016mm、0.027mm。兩者時(shí)間變化基本同步，綜合5 次降水過程可看到：當(dāng)水汽含量高于或者接近3cm 且液態(tài)水含量接近0.15mm 后一小時(shí)內(nèi)有較明顯降水發(fā)生。兩者降水閾值與高金輝［7］等研究的河南新鄉(xiāng)鋒面雨降水參考閾值較為接近；而低于國內(nèi)其他地區(qū)相關(guān)研究得出的夏季降水參考閾值。5 次過程中水汽含量與液態(tài)水含量變化特征較為一致，兩者在降水開始前均有明顯增加，降水結(jié)束前明顯回落，與降水量呈明顯正相關(guān)關(guān)系。水汽含量與液態(tài)水含量的變化要略提前與于降水量變化，可為高效地指導(dǎo)人工增雨作業(yè)提供參考。

2.3 水汽含量與雷達(dá)反射率變化對比

多普勒天氣雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感大氣探測設(shè)備，是降水短時(shí)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中跟蹤大氣云水生成發(fā)展最主要的工具之一，由于雷達(dá)資料中垂直累計(jì)液態(tài)水?dāng)?shù)據(jù)和A 時(shí)段數(shù)據(jù)缺失，本文選取了5 次降水過程中的B、C、D、E 四個(gè)時(shí)段對應(yīng)的站點(diǎn)上空雷達(dá)反射率與微波輻射計(jì)水汽含量作對比。雷達(dá)數(shù)據(jù)采樣間隔為5—6min，因此為便于對比以雷達(dá)采樣時(shí)間為基準(zhǔn)，選取對應(yīng)時(shí)間或相鄰時(shí)間微波輻射計(jì)水汽含量數(shù)據(jù)作對比（圖3）。1 月15 日3∶03—5∶31 存在一次雷達(dá)反射率組合反射率明顯增強(qiáng)再減弱的過程，3∶03—3∶43 之間無較明顯回波，水汽含量此時(shí)先有小幅下降并維持在相對低值。3∶48 開始站點(diǎn)雷達(dá)回波生成并開始發(fā)展，此時(shí)水汽含量也開始上升；4∶11 雷達(dá)反射率達(dá)到最大30dBz，緊接著4∶17 水汽含量也達(dá)到時(shí)段峰值，之后回波逐漸減弱至消失，水汽含量亦在此階段逐漸減小至最低。2 月21 日8∶48—9∶30 雷達(dá)回波生成之前水汽含量已開始明顯上升，9∶48 水汽含量與雷達(dá)反射率均達(dá)到最大，隨后兩者逐漸下降。3 月7 日與3 月11 日兩次過程雷達(dá)反射率與水汽含量數(shù)值變化與前兩例類似，但雷達(dá)反射率先于水汽含量達(dá)到峰值，兩者相差大約10min?？傮w來說四次變化過程水汽含量與雷達(dá)回波強(qiáng)度隨時(shí)間變化基本同步。

圖3 2020 年1—3 月四次降水過程雷達(dá)反射率與水汽含量時(shí)間變化

5 結(jié)論

利用長沙國家站微波輻射計(jì)資料，結(jié)合長沙站地面降水量、L 波段探空、岳陽多普勒雷達(dá)等數(shù)據(jù)資料，比較了微波輻射計(jì)反演的大氣溫度、水汽密度與L 波段探空資料的一致性；分析了2020 年1—3 月期間5 次降水過程微波輻射計(jì)反演的水汽含量、液態(tài)水含量隨降水量的變化特征，并初步比較了降水期間微波輻射計(jì)反演的水汽含量與雷達(dá)反射率之間的變化，得出以下結(jié)論：

（1）微波輻射計(jì)反演的溫度和大氣水汽密度與L波段探空數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，兩者隨高度變化趨勢近似?？傮w上說明微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)精度較高，在日常觀測業(yè)務(wù)或科研中有很大參考價(jià)值和應(yīng)用潛力，其高時(shí)間分辨率優(yōu)勢可作為高空大氣探測的補(bǔ)充手段。

（2）大氣水汽含量與液態(tài)水含量在降水開始前明顯增加，隨著降水減弱停止而同步減少，降水總體上兩者增減時(shí)間略早于降水量增減時(shí)間，兩者峰值也對應(yīng)著降水量時(shí)段峰值。水汽含量接近3.5cm 且液態(tài)水含量達(dá)到0.15mm 可作為判斷冬春季長沙降水開始的參考閾值。利用微波輻射計(jì)大氣水汽和液態(tài)水?dāng)?shù)據(jù)可作為一種降水臨近預(yù)報(bào)手段和指導(dǎo)人工增雨作業(yè)的輔助判斷方法。

（3）雷達(dá)反射率與水汽含量變化存在較好正相關(guān)關(guān)系，最強(qiáng)雷達(dá)回波出現(xiàn)時(shí)間略早于水汽含量峰值時(shí)間。同樣也證明了微波輻射計(jì)資料在臨近降水預(yù)測和指導(dǎo)人工增雨作業(yè)方面具有較好的參考價(jià)值。