应用微波辐射计资料对双流机场两次雷雨天气的特征分析

王凌云，刘辉权，宋 静

（民航西南空管局气象中心，四川 成都610202）

1 引言

成都双流国际机场是西南地区重要的航空港口，承担着大量的旅客输送和货物运输任务。随着民航事业逐步发展，天气因素对航空安全运行起着越来越重的作用，航空管制对气象预报的精确和准确性要求也越来越高。在天气预报和诊断分析过程中，探空资料对掌握当前环境的气象条件和了解大气垂直方向的气象要素分布特征起着重要作用，但是由于机场的特殊原因，释放探空球进行探测很困难，一般只能借助周边探空站资料来分析。由于探空站资料一般1d提供2次，实现航空气象要求的精细化预报远远不足够，时间分辨率太低，与机场有较大距离，实际与机场的环境特征和垂直方向上的大气特征具有很大的差异。

对于这种探测资料缺陷，一般有以下2种方式可以弥补：①至上而下的主动遥感卫星探测。卫星探测主要依靠极轨卫星和静止卫星，极轨卫星空间分辨率高但是1d只经过同一地区两次，时间分辨率方面具有缺陷，而静止卫星由于离地球距离较远，空间分辨率方面没有极轨卫星高。②至下而上的遥感探测。例如微波辐射计，它是一种被动遥感探测，能够24h全天监视天气变化，时间分辨率达秒级，垂直方向上探测范围为10km，垂直分辨率也可以达到很高。

微波辐射计主要通过氧分子、水汽、液态水对不同频率的微波吸收强度来反演大气的温度和湿度要素，氧气分子对微波辐射的主要吸收带在60GHz，水汽对微波辐射的主要吸收带在22.2GHz，液态水对微波辐射的吸收带出现在10～40GHz[1]。

为了更好地应用微波辐射计数据，需持续对微波辐射计的数据进行对比研究，微波辐射计同GPS和探空资料对比可以发现，观测结果基本一致。

整体上看，微波辐射计反演的温度、水汽密度和相对湿度与GPS无线电探空结果间的系统偏差在无降水时较小，而在有降水时较大[2-3]。随着探测技术和反演方式的改进，微波辐射计测量得到的水汽值也更加稳定和准确[4]，梁谷等人[5]利用微波辐射计数据对层状云降水天气过程跟踪探测，分析得到空中水汽、液水含量的变化特征；张文刚等人[6]利用湖北省内三个测站的微波辐射计资料，分析液态水和水汽的空间分布特征，得到液态水随高度的变化是先增后减，发生降水时，水汽的大值区在1～2km，随着降水不断增加，大值区抬升到3～4km；张秋晨等人[7]通过对济南地区一次强对流天气过程和一次小雨天气过程中大气积分水汽量（IWV）、液态水路径（LWP）的变化特征分析可以发现，强对流天气发生前1h的IWV和LWP开始明显增大，而小雨天气发生前IWV波动上升，LWP仅在临近降水时才明显上升。并且微波辐射在机场天气预报中也得到了一定的应用，欧映瑜等人[8]应用微波辐射计数据对昆明机场大雾天气进行分析，得到温湿、水汽含量等方面对雾天不仅有监测作用，并且也可以作为预报的判断标准之一；牟艳彬等人[9]，宋静等人[10]发现在雾、积冰、小（阵）雨、雷暴条件下，HTG-4型微波辐射计温湿数据能够较好反映双流机场的气象要素分布特征及变化规律，为气象应用和航空安全保障提供有价值的信息。

本文主要利用双流机场配备的微波辐射计采集的温度湿度数据，分析气象要素和物理量在夏季雷雨过程中的特征变化，有助于提高对雷雨天气的认识，并且对业务预报起到一些参考作用。

2 资料

本文所用的资料为AirdaHGT-4型微波辐射计在成都双流国际机场采集的温度湿度参量和双流机场本场的实况报文。

采用的气象要素和物理量主要有温度数据（包含边界层和对流层两种模式下探测的温度数）、相对湿度和绝对湿度、液态水廓线（LPR）和液态水路径（LWP）、综合水汽含量（IWV）。水汽和液态水是表征湿度的两个重要物理量，是空中水资源的重要组成部分，但是它们也有本质的区别，它们的相态、对微波辐射频率的敏感区不同，因此它们在天气变化过程也具有不同的变化特征。温度数据（对流层），时间分辨率为5～6min，垂直探测高度为0～10km（93层数据）；温度数据（边界层），时间分辨为20min，一般大气边界层的高度为0～1.5km，因此在垂直探测高度上只截取了0～2km的数据（50层数据）；相对湿度和绝对湿度数据，时间分辨率为5～6min，垂直探测高度为0～10km（93层数据）；液态水廓线数据，10min取一次数据，垂直探测高度为0～10km（92层数据）；液态水路径数据和综合水汽含量，同样10min取一次数据。

3 个例介绍

本文主要选取了2次雷雨过程作为个例分析，个例1是2019-08-02白天的一次雷雨过程，该雷雨过程受弱冷空气渗透及地面辐合影响，触发了热力性暖区雷暴；个例2是2019-08-03凌晨的一次雷雨过程，该雷雨过程是受波动槽影响，形成了较系统性的雷暴。

从双流机场实况报文来看，个例1的天气情况如图1所示，11：30—12：00（UTC，下同）为大阵雨，12：05—13：45为雷暴伴大阵雨，12：45—13：00为雷暴伴中阵雨，13：00—14：30为雷暴伴小阵雨；个例2的天气情况如图2所示，00：00—01：00为雷暴伴中阵雨，01：34—02：00为雷暴伴小阵雨，02：00—02：36为雷暴伴中阵雨，02：36—03：00为中阵雨。

图1 个例1实况报文

图2 个例2实况报文

4 个例1分析

温度时间序列如图3所示。从图3（a）可看出，在雷雨过程发生前，整层的温度变化很平稳，各层的温度变化较小，0℃层维持在5000m，近地层（500m以下）受太阳辐射增温的作用，呈现逐渐增温的变化，在11：10左右整层温度出现了小幅度变化，11：30出现大阵雨天气，但从温度场来看并未出现明显的变化。11：50—12：30整层温度出现了大幅度变化，此时为雷暴伴大阵雨天气，在2000m以下，温度出现先降低再升高的变化，12：00—12：30之间，温度出现一个峰值，12：00左右温度陡升，雷暴过程，使稳定的温度层结被破坏，对于0℃来说在这个时间段，呈现了较大的变化波动，主体呈现降低的变化趋势，最低达到了4200m左右，而对于高层来看，温度主体呈现降温的趋势。从整层温度变化来看，在强对流天气发生时，温度降低，但随着强对流发展强盛，低层需考虑不断地水汽凝结释放潜热，当水汽凝结释放潜热的作用大于温度降温时，低层会出现明显的升温现象。12：45之后，雷雨天气逐渐减弱，温度变化也趋于稳定，变化幅度明显减小。从整个天气过程来看，温度在雷雨天气最强的时段会出现明显的变化，温度变化的强度在低层较为明显，因此将应用微波辐射计边界层探测模式探测的边界层温度对低层温度变化进行进一步分析。如图3（b）所示，在大阵雨发生前，近地层（500m）以下升温变现明显，在11：00左右，近地层明显降温，之后随着大阵雨出现，温度又出现明显升温，在雷暴伴大阵雨出现前，近地层温度先降后升，并且在雷雨发展强烈的阶段，暖中心悬挂在200～800m之间，可以理解为逆温层出现，在强雷雨阶段，潜热释放增温作用使近地层出现逆温现象，使不稳定层结趋于稳定变化，当这种逆温现象减弱消失，雷雨天气也逐渐减弱。

图3 温度时间序列图

湿度时间序列如图4所示。从图4（a）可看出，在大阵雨发生前半个小时（11：00左右），1500～6000m相对湿度都在95%以上，几乎达到饱和；大阵雨天气发生时，相对湿度减小，且95%以上的大湿区并未接地，一直到12：00左右，大湿区才出现接地现象，并且随着雷雨发展强烈，在2000m以下的大气层中都保持着95%以上的相对湿度；在雷暴伴大阵雨时段，高层表现为相对湿度减小，并且出现一个明显的干区，后续雷雨天气减弱，95%以上的大湿区出现了一定的波动抬升，并且2000m以下的大湿度也出现了明显的波动减弱。由图4（b）可知，低层绝对湿度的变化基本集中在1000m以下的大气层中，强降水发生后明显增大，在雷雨天气发展强烈阶段，6500～2000m之间表现为绝对湿度减小，这种变化和上述对相对湿度的分析变现一致，可以理解为一种干侵入，结合温度的分析，在强雷雨发生时，有一定干冷空气入侵的影响。

图4 湿度时间序列图

液态水和综合水汽时间序列如图5所示。从图5（a）可看出，大阵雨发生前，云中出现较大量的液态水，出现液态水的最高高度为6000m左右，最大值可达0.55～0.6g/m3；大阵雨发生时，由于液态水降落到地面，云中的液态水明显减少；强雷雨发生阶段，液态水再次出现明显增大和抬升，高度最高达到了8500m，并且最大值可达0.75～0.8g/m3，后续随着天气强度减弱，降水减弱，液态水值也明显减小，高度也明显下降，从以上分析可以看出，液态水在空间上的分布，一定程度上表现为降水云团的发展，普通强降水过程和强雷雨过程时，液态水的抬升高度和大小是有明显区别的，强雷雨过程液态水的发展高度和大小更高更大。从图5（b）、图5（c）来看，液态水路径的变化相对于综合水汽含量变化会更明显，变化幅度更大，液态水路径在大阵雨发生前，数值明显增大，达到2200g/m2，在雷暴伴大阵雨发生时达到2200g/m2，随着强雷雨发展，液态水路径继续增大，达到3400g/m2，一直维持到雷暴伴大阵雨转为雷暴伴中阵雨，而综合水汽的变化幅度相对小很多，较为明显的变化主要发生在雷暴伴大阵雨阶段，最大值接近90kg/m2。

图5 液态水和综合水汽时间序列图

5 个例2分析

温度时间序列如图6所示。从图6（a）可看出，雷雨天气发生前（11：40左右），低层2000m以下出现明显升温变化，但随着雷暴伴中阵雨天气在本场出现，低层升温逐渐减慢，由于个例2天气过程在01：00—01：34这段时间出现短暂间隙，因此这种低层升温现象也出现短暂间隙，同样在间隙期提前出现升温现象。0℃层在雷雨天气发生前，高度层从5000m下降到4500m，之后在4500m上下波动，但波动变化较为平缓，而对于高层，在整个雷雨过程中，表现为稳定的降温现象，一直维持到雷雨天气结束。同样，取边界层探测模式探测的边界层温度，对低层温度变化进行分析，如图6（b）所示，11：40左右，2000m以下，出现明显的增温现象，在雷雨天气发生时，暖中心基本悬挂在200～700m，建立了逆温层，随着天气强度减弱，逆温层也出现减弱但并没有完全被破坏，随着雷雨天气再次增强，逆温层提前出现增强，比第一次出现时更强更稳定，从逆温层的出现和减弱消失的时间来看，它都提前与天气的开始和结束。

图6 温度时间序列图

湿度时间序列如图7所示。从图7（a）可看出，雷雨天气发生前，95%以上的大湿区主要位于4000～7000m的大气层中，随着雷雨天气的发生，这种大湿区出现了快速下沉和接地现象，并且是提前雷雨天气发生前的，在整个雷雨天气发生过程，95%以上的大湿区主要位于低层2000m以下，中高层有明显的干区下沉现象，后续雷雨天气结束，95%以上的大湿区出现抬升。从图7（b）可看出，近地层增湿的现象基本出现在雷雨天气后，具有一定的延后性，并且从天气强度看，绝对湿度增大主要对中阵雨影响较为明显，中阵雨后，近地层绝对湿度出现峰值，对小阵雨的影响不明显，中高层大气层的绝对湿度减小，表现为干区下沉。

液态水和综合水汽时间序列如图8所示，雷雨天气发生前，云中液态水已开始聚集，并出现抬升，最高高度达8500m，最大值可达0.75～0.8g/m3；雷雨天气出现并发展时，液态水最高高度增高，强度基本维持，直到雷雨天气结束，液态水才逐渐减小。从图8（b）、图8（c）来看，液态水路径的变化相对于综合水汽含量变化更明显，变化幅度更大，液态水路径在雷雨天气发生前，最大值达到3500g/m2，后续基本维持在3400g/m2，而综合水汽的变化幅度相对要小很多，雷雨天气发生时，综合水汽增加，后续基本维持在85～90kg/m2。

两个天气过程个例的强度和发生原因不同，并且个例1发生在白天，个例2发生在夜间，它们的气象要素变化不同；从温度场来看，个例1温度变化的波动性更强，个例2变化更加稳定；从逆温现象来看，个例2的逆温表现更强；从湿度场来看，个例2的湿度条件更好，并且湿度变化更加稳定；从液态水和综合水汽来看，个例2的液态水变化更加稳定，并且液态水的峰值更大，2个个例的综合水汽变化基本一致，峰值也基本一致。

图8 液态水和综合水汽时间序列图

图7 湿度时间序列图

6 结论与展望

通过上文分析可知，微波辐射计对临近预报具有一定作用，气象要素的变化具有一定的特征，并具有一定的提前性，对雷雨天气的发生和结束具有一定的指示作用，可以得到以下结论：①在雷雨天气发生前，低层温度明显升高，高层温度明显降低，在低层会建立逆温层，逆温层减弱、被破坏预示着雷雨天气即将结束；②相对湿度的变化幅度和提前性明显优于绝对湿度，雷雨天气发生前，相对湿度在中高层明显增大，绝对湿度在中高层有干区下沉现象；③液态水在垂直方向的变化可以反映降水云团的发展情况，雷雨天气发生时，液态水发展高度可达8500m，最大值可以达到0.75g/m3以上，液态水路径的变化相对于综合水汽含量变化更明显。

以上结论主要通过分析2次雷雨过程得出，可能存在着一定的局限性和不确定性，后续将继续对更多的个例进行分析，并且对上述结论进行验证和修改，使它更具普遍性，对天气预报工作更具有可用性。