微波辐射计在降水过程中的应用

林 辉，焦 阳，蔡艺友，洪志斌

(1.漳州市气象局，漳州 363000；2.平和县气象局，漳州363700)

0 引言

地基微波辐射计作为新型微波遥感设备[1]，具有全天候、长期稳定自动运行的特点，可以连续探测基站上空0～10 km区域内多种气象要素的垂直分布特征，其高时空分辨率的特点对中小尺度强天气系统具有较好的监测能力，为临近天气过程的分析提供有利依据[2-4]。海阿静[5]等分析对比了微波辐射计在多种天气条件下的观测结果，表明了微波辐射计具有良好的工作性能；汪小康[6]等总结了不同降水强度下微波辐射计观测资料的反演特征，结果表明微波辐射计对降水具有较好的指示作用；黄治勇[7]等将微波辐射计观测资料应用在短时暴雨的潜势预报中，总结出多个与暴雨过程相关的参量。文章利用福建省平和县气象局2018年4月装备的QFW-6000型微波辐射计，初步分析了微波辐射计观测资料在降水过程中的应用，总结出部分对降水预报有利的参数，为日后微波辐射计观测资料的深入研究提供了参考。

1 资料来源

文章所用资料为平和县气象局国家一般气象观测站2018-08-04的地面观测数据，主要有降水量和天气现象等参量。微波辐射计为QFW-6000型，是基于大气微波遥感技术的气象探测设备，探测高度为本站上空10 km，时间分辨力是6 min，其探测目标和反演的产品比较多，主要有气象指标、廓线分布和不稳定度系数3类[8-10]。

对比降水前后微波辐射计探测结果的演变特征，总结出几个主要的特征参数，初步分析其在降水预报中应用的可能性。地面观测资料显示，此次降水过程的累积降水量为63.9 mm，降水时段是17：50-20：00。

2 探测结果分析

2.1 温湿廓线分布

温湿廓线分布是微波辐射计的主要探测产品，能够反映出探测范围内各层大气温度、湿度随时间的变化特征，在日常观测中具有重要作用。图1是2018-08-04平和县气象站的探测结果。

图1 温湿廓线分布：(a)温度廓线；(b)相对湿度廓线

从图1中可以明显看出不同时段整层大气的温湿度有较大区别。由图1(a)可知，2 km以下低层温度从7：00起有明显增温趋势，而高层的变化不明显。12：00后，低层持续升温并维持较长时间，为对流天气提供了有利的热力条件。17：00开始整层大气的温度缓慢下降，直到17：50出现了急速下降的过程，表明此时已经有较为明显的下沉气流产生，并在4 min后开始降水。从图1(b)湿度廓线可以看出8月4日7：00开始，低层的湿度中心有被加强抬升的趋势，并且中层大气在午后有一个湿度极值区，同时低层湿度明显减小。降水发生前1 h，气象站上空低层相对湿度显著增大且中高层湿度急速减小呈现出“上干下湿”的结构，在17：54干、湿中心达到峰值，而后降水开始产生，此时的湿度结构有利于降水持续。降水结束后，整层大气的温湿分布相对平衡，不再有明显变化。

2.2 水汽分布

水汽是产生降水的重要条件，因此有必要分析降水前后整层大气的水汽分布以及变化情况[11]。图2是全天整层大气的水汽变化情况，从图2可以看出，不同时间段的水汽变化有明显区别，临近降水前的特征最为明显。

图2 水汽分布：(a)水汽密度廓线；(b)路径积分水汽总含量

由图2(a)可知，水汽密度在夜间和降水开始后比较稳定，没有明显变化。白天特别是午后和降水开始前都有较大波动和峰值变化。16：00后整层大气的水汽密度呈稳步上升的特征，3 km以下表现得尤为明显。降水发生前，水汽密度有一个急速增加的过程并在降水开始后又急速下降，并持续到降水结束，整层大气的水汽密度趋于稳定。图2(b)是对应的路径积分水汽总含量的变化曲线，可以看出路径水汽总含量也在降水开始前缓慢增加，达到极值38 mm后降水开始，而后急速减小，一段时间后维持在28 mm左右。

2.3 稳定度系数

现有研究表明，稳定系数与对流天气有较好的相关性，并且被广泛应用于预报业务中[12]。文章对此次降水过程前后的稳定系数变化分别进行了统计，统计结果如图3所示，图3(a)～(c)分别是K指数、沙氏指数和抬升指数变化曲线。

从图3(a)中可以看出K指数在降水发生前2 h内有明显的波动上升，从18 ℃上升到38 ℃，并且在降水前50 min有2次跃升，降水发生后10 min之内又骤降，直到慢慢恢复降水前的状态。图3(b)显示沙氏指数有相反的趋势，在降水发生前90 min之内持续下降，降水发生时降到-3.5，并在降水发生后6 min之内降到最低值-3.9；降水发生后又骤增，之后随着降水时间的推移缓慢增大，最终稳定在4.5左右。图3(c)表明抬升指数在整个降水过程中都呈现出增大趋势，降水发生前缓慢增大，降水发生时则是大幅增长，在18：20达到峰值，此时下沉气流达到最大，降水开始一段时间后趋于平稳并持续到降水结束。以上结果表明这几个稳定度系数对降水的发展具有重要的指示作用。

图3 稳定系数曲线图：(a)K指数；(b)沙氏指数；(c)抬升指数

3 结束语

文章结合地面降水资料与微波辐射计的观测资料，对比分析了部分微波辐射计产品在降水过程中的演变特征，总结归纳出了微波辐射计在降水预报中的应用，得到如下结论：

1)降水发生前，微波辐射计探测的温度廓线在2 km以下低层有明显增温趋势，而高层的变化不明显，临近降水时整层温度都有急剧下降趋势；湿度廓线中心有被加强抬升的趋势，降水发生前1 h，低层相对湿度显著增大且中高层湿度急速减小并呈现出“上干下湿”的结构，这预示着降水过程的开始。

2)降水发生前3 h内，水汽密度有一个急速增加的过程并在降水开始后又急速下降，而后持续到降水结束，整层大气的水汽密度趋于稳定；路径水汽总含量也在降水开始前缓慢增加，达到极值38 mm后降水开始，而后急速减小，降水结束后维持在28 mm左右。

3)降水开始前稳定度指数有很明显的剧增或剧减趋势，其中K指数和沙氏指数的指示性尤为突出，最大K值达到38 ℃，沙氏指数达-3.9，抬升指数在降水前30 min急剧上升，这些数据可作为降水预报的重要参考指标。