邢台市大气水汽及云水变化的降水前兆分析

郝巨飞，高俊喜，杨允凌，赵娜，张建波

（1.河北省邢台市气象局，河北 邢台 054000；2.河北省气象与生态环境重点实验室，石家庄 050000；3.河北省任县气象局，河北 任县 050150；4.河北省环境气象中心，石家庄 050000）

大气的水汽变化在各种时空尺度天气过程中扮演重要角色，其中水汽含量和云液态水含量在云的演变和降水发生、变化过程中起着重要作用［1-3］。为了全面认识大气中水汽的分布和变化特征，需获取大量连续、准确的观测数据，采用被动式微波遥感技术的地基多通道微波辐射计具有可连续观测、高时间分辨率、可操作性强的优点，获取的观测数据越来越多在天气预报［4-6］、人工影响天气［7-8］、环境气象预报［9-10］等中得到应用。众多学者对地基多通道微波辐射计开展了深入研究，发现虽然微波辐射计与探空观测资料或GPS 数据之间存在一定差异［11-13］，但其仍可为天气预报提供有用信息。国外学者Guldner［14］和Chan［15］的研究发现地基微波辐射计反演得到的大气水汽含量和液态水总量出现明显增加对降水的发生有着很好的指示意义。国内学者通过对地基多通道微波辐射计反演数据的分析发现：在降水发生前的水汽含量和液态水含量存在较强的短时积聚和跃增现象［16-18］，但是阈值存在着明显地区差异，其中武汉［19-20］、乌鲁木齐［21］、兰州［22］降水发生前的水汽含量分别为＞5cm、＞5cm 和＞2.2cm，乌鲁木齐的液态水总量在降水发生前开始明显增加，而武汉、兰州的液态水总量在降水发生前的阈值分别为＞1mm 和＞0.2mm。冀南地区的邢台市地处太行山脉南段东麓和华北平原交汇处，境内地势高差悬殊，西高东低，自西而东山地、丘陵、平原阶梯排列，为了深入了解特殊地形下降水发生前的水汽含量、液态水含量及云底高度的变化特征，本文利用MWP967KV 型地基微波辐射计的反演数据和配备的红外观测仪数据，分析了邢台市不同强度降水发生前水汽含量、液态水含量及云底高度的变化特征，一方面旨在加深对降水发生前大气环境条件认识，为人工增雨作业的开始时间提供参考，另一方面便于加强对新型探测资料的认识和应用。

1 资料与方法

降水资料来自中国气象局邢台大气环境野外科学试验基地（37°11′N，114°22′E，海拔高度182.0m），为尽可能消除前期降水对地基微波辐射计反演数据的影响，剔除降水开始时前12h 内已出现的降水个例［22］，同时为更加精准衡量不同量级降水的云水变化特征，将降水持续时间≥2h 定义为持续降水，降水持续时间≤1h 定义为短时降水，在剔除观测仪器由于设备维护或停机等原因造成的数据缺测情况下，结合小时降水量和降水持续时间等情况将降水个例进行分类（表1），分别为第一类降水（短时降水）：小时雨量介于0.1～0.5mm；第二类降水（短时降水）：小时雨量介于0.6～1.5mm；第三类降水（持续降水）：小时雨量介于0.1～0.5mm；第四类降水（持续降水）：小时雨量介于0.6～1.5mm。普查得到2016 年1 月1日—12 月31 日，邢台站第一类至第四类降水个例分别为11、3、13、4 个。

地基微波辐射计为中国兵器工业第206 研究所研制的MWP967KV 型微波辐射计，布设在中国气象局邢台大气环境野外科学试验基地内，该辐射计采用高灵敏双毫米波段、多通道无源接受方式探测5mm（V 频段）和13mm（K 频段）波段特定频点的微弱大气辐射噪声，其中在K 频段有21 个通道，用于测量水汽密度廓线，在V 频段有14 个通道，用于测量温度廓线。采用兰州大学大气科学学院开发的人工神经网络算法，利用邢台市高空探测站1971—2000 年的历史探空资料进行建模，实时反演出从地表到顶空10.0km 高度的大气温湿廓线［23］，廓线划分为58 层，分辨率分别为50m（0.5km 以下）、100m（0.5～2.0km）、250m（2.0～10.0km），仪器定期由专业维护人员进行标定处理。通过对比检验［24-25］发现该设备利用神经网络算法反演的大气温湿廓线准确度和稳定性在一定程度上优于多元线性回归法，该微波辐射计反演数据与探空观测或计算获得的温度、相对湿度、水汽密度的相关系数分别为0.9879、0.9861 和0.9887，均方根误差分别为2.15、0.04 和0.79，由于探测原理不同，微波辐射计始终处于定点的垂直探测，而常规探空的探测仪则随高度升高，不断向高空气流的下风向偏移，同时相关系数的检验均通过了0.01 的显著性检验，说明2 种资料的垂直廓线变化趋势较为一致，参数准确且可靠，能够较好的表征出垂直方向的气象要素变化［26-27］。由于降水数据为小时值，因此对地基微波辐射计的逐5min反演数据进行了小时平均处理以便进行对比分析。

表1 2016 年邢台站降水个例分类

2 结果与分析

2.1 水汽含量变化

微波辐射计反演的积分柱大气水汽含量（Integrated Water Vapour，IWV）表示将大气10km内不同高度上的水汽密度对高度积分，文中单位用cm 表示。分析发现第一类降水的平均IWV（图1）在降水前12—9h 由2.41cm 缓慢下降至2.37cm，降水前8—1h 由2.34cm 持续增至3.26cm，平均小时升幅5.62%，其中降水前4—1h 的IWV 增速明显，平均小时升幅10.66%；第二类降水的平均IWV 在降水前12—10h 由3.53cm 缓慢下降至3.44cm，降水前9—1h 由3.48cm 增至4.60cm，平均小时升幅4.02%；第三类降水的平均IWV 在降水前12—4h 由2.80cm 缓慢增加至3.21cm，降水前3—1h 的IWV增加明显，由3.27cm 增至3.75cm，小时平均升幅7.34%；第四类降水的平均IWV 先由降水前12h 的3.55cm 增加至降水前4h 的3.88cm，小时平均升幅1.16%，然后由降水前3h 的3.93cm 迅速增加至降水前1h 的4.39cm，小时平均升幅5.85%。

图1 2016 年邢台站四类降水个例降水前12—1h平均水汽含量时间变化（单位：cm）

分析不同类型降水的平均IWV 可知，第一、三、四类降水，都是IWV 值随着降水量而增大，但第二类降水的平均IWV 却呈降水量相对较小，而IWV却呈相对高值的现象，究其原因可能是：第一、三、四类降水发生前，水汽的集聚是缓慢发生的，而第二类短时降水较第一类降水的雨量大，水汽的集聚过程可能存在着陡升，降水发生前7—6h，第二类降水的IWV 值增加明显，可能就是水汽的突然集聚所致。第一、二、三、四类降水的平均IWV 在降水前3—1h均呈增加态势，小时平均升幅依次为12.79%、5.27%、7.32%和5.78%，降水前3—1h 的所有个例平均IWV 分别为3.49cm、3.67cm 和4.00cm。综上分析，邢台降水前IWV 呈持续增加时间≥3h，且IWV≥4.00cm，可作为判断未来1h 邢台地区发生降水的一个参考指标。该指标值与武汉（IWV≥5.00cm）、咸宁（IWV ≥9.00cm）、乌鲁木齐（IWV ≥5.00cm）、兰州（IWV≥2.20cm）等地发生降水的参考指标值存在一定差异。究其原因，可能是因为处于冀南地区的邢台市位于太行山脉南段东麓，不同物理下垫面及所处不同地理位置会对西风带环流系统下的天气形势产生一定影响，进而影响到云和降水系统的产生和发展过程，宏微观物理结构也相应地发生改变［28］，从而使得水汽含量作为预报阈值出现了地区差异。

2.2 液态水含量变化

微波辐射计反演的积分柱大气液态水含量（Integral liquid water，ILW）表示0～10km 高度单位面积垂直气柱内积分的液态水含量，文中单位用mm 表示。第一类降水的平均ILW（图2）由降水前12h 的0.055mm 持续增加至降水前5h 的0.168mm，然后由降水前4h 的0.198mm 跃增至降水前1h 的0.757mm；第二类降水的平均ILW 在降水前12—8h介于0.043～0.068mm 波动变化，平均值为0.053mm，然后由降水前7h 的0.041mm 增加至降水前5h 的0.161mm，降水前4h 降至0.097mm，最后由降水前3h 的0.082mm 跃增至降水前1h 的0.844mm；第三类降水的平均ILW 在降水前12—7h 由0.066mm 缓慢增加至0.106mm，然后由降水前6h 的0.102mm增至降水前4h 的0.120mm，最后由降水前3h 的0.149mm 增至降水前1h 的0.463mm；第四类降水的平均ILW 在降水前12—11h 出现短时下降，然后由降水前10h 的0.064mm 波动增加至降水前6h 的0.164mm，随后在降水前5h 下降到0.073mm，降水前4h 升至0.094mm，最后由降水前3h 的0.090mm跃增至降水前1h 的0.611mm。

图2 2016 年邢台站四类降水个例降水前12—1h平均液态水含量时间变化（单位：mm）

对不同类型降水的平均ILW 分析发现，第一、三类降水的平均ILW 在降水前12—1h 呈持续增加分布，其中在降水前2—1h 呈明显增加，增长幅度分别为1.229 倍和0.555 倍，降水前2—1h 的平均ILW则分别为0.319mm 和0.610mm。第二、四类降水的平均ILW 呈波动或减少—增加—减少—跃增的分布，其中跃增阶段都在降水前3—1h 发生，增长幅度分别为4.624 倍和2.907 倍，降水前3—1h 的平均ILW 则分别为0.086mm、0.218mm 和0.728mm。降水前3—1h 的所有个例平均ILW 分别为0.143mm、0.268mm 和0.669mm。综上分析可知，ILW 呈明显增加时间≥2h，且ILW≥0.669mm 可作为判断未来1h邢台地区发生降水的一个参考指标。该指标值小于武汉未来1h 发生降水的参考指标值（ILW ≥1.000mm），大于兰州未来1h 发生降水的参考指标值（ILW≥0.200mm），差异产生的原因除了地形因素外，可能与不同纬度、经度上的平均云液态水含量差异［29］有一定关系。段英和吴志会［3］分析位于邢台市北部石家庄市的大气液态水含量分布特征表明，ILW＞0.3mm 可作为石家庄市是否产生降水的参考指标。虽然邢台市与石家庄市相距仅仅约110km，但二者作为判断是否产生降水的ILW 阈值却存在较大差异，这进一步说明判断降水是否发生的液态水含量阈值存在着地区差异。将ILW 与IWV 进行对比发现，IWV 开始明显增加的时间提前于ILW 开始明显增加的时间约为1h 左右，且ILW 在降水前呈明显波动的情况下，则降水开始第1h 内的降水量会出现明显增加现象。

2.3 云底高度变化

云是空气和水凝结物构成的悬浮于大气中的可见聚合体，是在大气中空气相对湿度达到饱和或过饱和时才形成的，而云底高度则反映了空中水物质向地面的发展程度［30］。第一类降水的平均云底高度呈波动—下降—陡降的分布（图3），降水前12～7h云底高度介于4.32～5.31km 波动变化，平均值为4.80km，随后由降水前6h 的4.43km 持续下降至降水前4h 的3.64km，最后在降水前3—1h 的平均下降幅度达到1.07km·h-1，由3.29km 降至1.15km；第二类降水的平均云底高度呈波动—下降—升高—下降的分布，其中降水前12—9h 云底高度介于5.31～6.59km，平均值为5.95km，随后由降水前8h 的6.03km 持续下降至降水前5h 的3.71km，然后在降水前4h 略升至4.26km，最后持续下降至降水前1h的1.69km；第三类降水的平均云底高度呈波动—下降—升高—下降的分布，降水前12—10h 的云底高度介于4.71～5.19km，平均值为5.02km，随后持续下降至降水前6h 的3.54km，降水前5h 略升至3.61km，最后由降水前4h 的3.36km 持续下降至降水前1h 的1.68km；第四类降水的平均云底高度呈下降—波动—下降的分布，其中降水前12—9h 的云底高度由5.33km 降至2.86km，然后在降水前8—5h的云底高度介于3.28～3.77km 波动变化，平均值为3.50km，最后由降水前4h 的2.98km 持续下降至降水前1h 的1.60km。

图3 2016 年邢台站四类降水个例降水前12—1h平均云底高度时间变化（单位：km）

分析不同类型降水的平均云底高度可知，虽然四类降水的云底高度在降水前的变化不尽相同，但在降水前4—1h 均呈减少趋势，下降幅度依次为0.83km·h-1、0.86km·h-1、0.56km·h-1、和0.46km·h-1，平均下降幅度达到0.68km·h-1，所有个例的平均云底高度在降水前4—1h 分别为3.56km、3.25km、2.42km 和1.53km。综上分析表明，云底高度开始明显下降且持续时间≥4h，平均降幅≥0.68km·h-1，云底高度≤1.53km，可作为判断未来1h 邢台地区发生降水的一个参考指标。该指标值与刘雪梅等［31］研究发现的中国降水云系的云底高度日变化最低值大约为0.5km，最高值大约为1.5km 的结论基本相符。同时将云底高度变化与IWV、ILW 进行对比发现，降水前云底高度开始持续性下降的时间提前于IWV开始明显增加的时间约1h 左右，IWV 开始持续性增加的时间提前于ILW 开始明显增加的时间约为1h 左右，究其原因可能是因为伴随降水云系的云底高度下降，同时叠加水汽的输送效应等［32-33］导致约1h 后的IWV 呈明显升高，IWV 的升高又导致气态水向液态水转换的增加，使得约1h 后的ILW 开始明显增加。

2.4 个例的廓线分析

为深入分析降水发生前的IWV、ILW 变化特点，对8 月8 日降水个例进行了廓线分析发现：降水前的水汽密度（图4a）在0.8km 高度以下出现集聚，自15：30 开始，水汽密度的大值范围不断由近地层向高空伸展，到降水前2h 的17：00 左右，近地面出现大于15g·m-3的高值中心并基本持续到降水发生时，降水前2—1h 在10km 高度内的水汽密度对高度积分后的IWV 则分别为4.90cm 和5.03cm。液态水密度廓线图（图4b）显示，8 月8 日个例的云底高度在降水前10～3h 基本维持在1km 高度附近，同时发现在4km 高度附近出现的液态水密度高值中心随时间的发展基本呈高—低—高—低—高的波动分布，推测出现这种现象的原因可能是由于云中的冰晶与液态水不断发生的固-液转化，也有可能是因为云中的降水粒子受湍流作用发生了不断往返的下降—升高现象，冰晶、水汽共存且可能伴随的贝吉隆增长［34-35］以及云水凝物含水量分布不均匀［36］等原因导致了该现象的发生，从16 时左右开始，液态水密度廓线显示云底高度发生明显的下降，同时高空的液态水密度大值区不断向低层延伸，到19 时左右，大于0.04g·m-3的液态水大值区已延伸至0.5～6.0km高度。

图4 8 月8 日个例降水前IWV（图a，单位：cm）和ILW（图b，单位：mm）廓线变化

由上面的分析可以得出：采用微波辐射计的1h平均值作为分析数据来判断降水发生前的阈值变化，虽然平均值可能会平滑掉一些有用信息，但是由于平均数受抽样的影响比较小，离均差平方和最小，代表了一个资料集中性的代表值，反应了资料中各观察值集中较多的中心位置［37］，因此其计算得出的结论也是可信的。

3 结论与讨论

使用国产的MWP967KV 型微波辐射计和配备的红外观测仪，从水汽含量（IWV）、液态水含量（ILW）和云底高度变化等方面，对邢台市不同类型降水下的IWV、ILW 和云底高度变化特征进行了对比分析，主要得到结论如下：

（1）邢台地区降水分类中的第一、二、三、四类降水的平均IWV 在降水前3—1h 增加明显，小时平均升幅依次为12.79%、5.27%、7.32%和5.78%。降水前IWV 呈持续增加时间≥3h，且IWV≥4.00cm，可作为判断未来1h 邢台地区发生降水的一个参考指标。

（2）邢台地区降水分类中的第一、三类降水的平均ILW 在降水前12—1h 呈持续增加分布，其中在降水前2—1h 的增长幅度分别达到1.229 倍和0.555 倍，第二、四类降水的平均ILW 呈波动或减少—增加—减少—跃增的分布，其中跃增阶段都在降水前3—1h 发生，增长幅度分别为4.624 倍和2.907 倍。ILW 呈明显增加时间≥2h，且ILW≥0.669mm 可作为判断未来1h 邢台地区发生降水的一个参考指标。

（3）邢台地区的四类降水云底高度在降水前的变化不尽相同，但在降水前4—1h 均呈减少趋势。云底高度开始明显下降且持续时间≥4h，平均降幅≥0.68km·h-1，云底高度≤1.53km 可作为判断未来1h邢台地区发生降水的一个参考指标。

（4）降水前云底高度开始持续性下降的时间提前于IWV 开始明显增加的时间约1h 左右，IWV 开始持续性增加的时间提前于ILW 开始明显增加的时间约为1h 左右；ILW 在降水前呈明显波动的情况下，则降水开始第1h 内的降水量会出现明显增加现象。

通过提取大气云水的降水前兆信号，一方面验证了降水发生前的大气水汽含量和液态水含量阈值存在着地区差异，另一方面加深了对国产MWP967KV 型微波辐射计资料的认识和应用，将该微波辐射计反演数据应用到短时预报和人影作业指挥中，可有效提升气象预报服务能力及为人工增雨作业的开始时间提供参考。但由于降水过程中复杂的宏微观物理变化，本文仅重点对小时资料进行了分析，缺乏分钟级别的深入研究，对降水个例也缺少天气形势演变的分型，这方面的工作将在后期进一步加强。