长沙冬季降水过程的微波辐射计反演参量特征分析

黄 煌，李 琼，唐 林，黄宇霆，徐冬英

（1.长沙市气象局，长沙 410205；2.湖南省人工影响天气领导小组办公室，长沙 410118）

水汽既是大气主要成分之一，也是大气能量的主要载体，直接驱动影响着各种时空尺度下的天气变化。而大气中水汽含量的时空变化极为活跃，因此及时准确地获取大气水汽变化资料对提高降水预报精度、精准指导人工影响天气作业和生态环境监测等方面具有重要意义。

地基微波辐射计能接收大气中水汽分子发出的微波辐射信号，通过仪器自身神经网络算法反演出单位面积内地面至10km 高度大气温度、湿度、水汽含量和液态水含量。其优点是高度自动化、时间分辨率高，能全天候不间断工作，非常适合作为除常规探空外大气水汽观测的补充手段。一般来说降水过程前空气中水汽含量与液态水含量会出现一定波动，可以看作降水临近预报的一项重要参考指标。目前已有不少利用微波辐射计分析降水前大气水汽变化特征的研究。张文刚等［1］对比分析了武汉站微波辐射计与探空资料，发现两者所测得的温度和水汽密度有很好的相关性。雷恒池［2］等利用微波辐射计探测西安降水云系水汽含量与液态水含量，发现降水前云中水汽含量与液态水含量存在显著升高现象，对人工降雨预测有一定指导意义。姚展予等［3］分析安徽寿县云中液态水含量，发现当其达到0.4mm 阈值，则一般会出现降水；王健等［4］分析乌鲁木齐两次降水过程，发现降水前大气水汽和液态水会分别增至40mm 和7mm 左右；何生存［5］等反演了黄河上游云中液态水含量，认为该地区秋季云中液态水含量降水阈值为0.31kg·m-2；敖雪等［6］对36 个降水个例和38 个非降水个例进行分析，把当大气液态水大于1mm 时，水汽含量达到6.5cm、6cm、5～6cm 分别作为武汉大雨、中雨、小雨参考指标。高金辉［7］等认为云中水汽含量和液态水含量分别超过20mm 和0.2mm是河南新乡锋面云系增雨作业重要参考指标，而两者分别大于25mm 和0.3mm 时是对流云增雨作业最佳时机。白婷等［8］利用微波辐射计对南阳地区降水过程中水汽含量和液态水含量进行了统计分析，认为微波辐射计数据较准确可靠，水汽含量与液态水含量在降水开始前明显增加，可应用于日常业务和人工影响天气作业时机判别。

地基微波辐射计作为一种新型大气水汽探测装备，由于自身优势特点，在气象探测业务方面应用潜力巨大，但国产微波辐射计总体仍处于开发试验阶段，应用的成果不多。国内利用其观测大气水汽变化的相关研究多集中在夏季，在湖南利用其观测分析冬春季大气水汽变化尚属首次。本文选取了长沙2020 年1—3 月中5 次降水时段作为个例，统计分析微波辐射计反演的大气水汽含量和液态水含量在降水过程前后变化特征，尝试为短临预报和地面人工增雨作业提供参考。

1 资料与方法

文中采用的微波辐射计位于长沙国家综合气象观测试验基地（28°07′N、112°47′E），海拔119m。由中国兵器二〇六研究所与兰州大学大气科学学院联合研制，型号为MWP967KV。该设备经被动接收大气微波辐射，再通过内置神经网络算法每3min 实时自动反演地面至10km 共58 层大气温度、相对湿度、水汽密度、液态水廓线等数据。垂直分辨率在0～500m 之间为50m，500m～2km 为100m，2km～10km为250m。选取2020 年1—3 月期间5 次降水过程作对比分析：具体时段为1 月7 日00—09 时、1 月14日19 时—15 日17 时、2 月21 日08—18 时、3 月7日2—23 时、3 月11 日17 时—12 日01 时，下文中对应简称A、B、C、D、E 时段。

由于长沙雷达站冬季停机造成资料缺失，文中采用了临近的岳阳雷达站资料。对比所用的L 波段探空资料来自长沙探空站，其中L 波段探空数据来自每次降水时段临近的08 时（07∶15～08∶00）或20时（19∶15～20∶00）对应微波辐射计相同高度的观测数据。利用以下公式计算出探空水汽密度［8］：

其中，td为露点温度，单位℃；e 为水汽压，单位hPa；T 为绝对温度，单位K；ρv为水汽密度，单位g·m-3。

微波辐射计反演的水汽含量V 指从地面到大气上界的水汽密度ρv垂直积分，定义如下：

单位为mm，本文因直接取仪器数据记cm。

液态水含量L 即云底至云顶垂直方向上液态水积分，定义如下：

单位为mm。

2 结果与分析

2.1 微波辐射计与L 波段探空资料对比

选取2020 年1—3 月长沙国家站5 次降水过程前后微波辐射计与L 波段探空资料，对比0～10km 高度上温度、水汽密度和对应差值变化。可以看出微波辐射计反演数据与L 波段探空数据变化趋势相近，温度与水汽密度相关系数分别为0.995 和0.994，两者均通过了置信度0.01 的显著性检验。同一高度温度数值微波辐射计总体上大于L 波段探空（图1），另外微波辐射计温度廓线较探空平滑，对一些大气的扰动和近地面逆温未能很好反映；水汽密度数值从地面至4km 高度范围内微波辐射计总体接近或大于L 波段探空（图2），在两千米以下的水汽聚集的低空区，L 波段探空对水汽变化更敏感，更能体现大气低空扰动的特征，但在高空两者趋于一致。

图1 2020 年1—3 月5 次降水过程探空温度、微波辐射计温度及两者差值对比

图2 2020 年1—3 月5 次降水过程探空水汽密度、微波辐射计水汽密度和两者差值对比

总体上微波辐射计温度、水汽密度数值与探空略有差异，但垂直高度变化趋势一致，相关性较强，与其他学者相关研究结果一致，在日常业务观测中具备一定的参考意义。

2.2 水汽含量、液态水含量与降水量的变化特征

利用2020 年1—3 月长沙国家站微波辐射计观测资料并结合长沙国家站地面降水观测资料，选取了2020 年1—3 月期间5 次降水过程（A、B、C、D、E时段）前后的大气水汽含量数据与大气液态水含量数据，并分析同时段地面观测的降水情况，了解大气水汽和液态水在降水过程前后的变化特征。其中降雨持续时间最长为B 时段，达到22h，累计降水量也最大，达到19.6mm；D 时段过程最短，为3h。

A 时段累积降雨量为15.4mm，分析降水开始前两小时至降水结束后两小时可以看到，微波辐射计的大气水汽数据和液态水含量在降水前均有明显的上升，在降水结束后迅速回落，水汽含量从降水前两小时的2.4cm 陡升至降水开始时的3.15cm，并在降水持续过程中基本保持在3cm 左右；液态水含量从不到0.13mm 快速升至0.17mm，降水过程中维持在0.175mm 左右。降水结束前约1h 水汽含量与液态水含量开始持续回落并降至降水开始前的低值范围。

B 时段累积降雨量为19.6mm。降水开始前两小时内大气水汽含量与液态水含量均出现一个小峰值，降水开始前约30min 两者开始快速上升，分别超过2.9cm 和0.15mm。15 日2∶00—3∶00、5∶00-6∶00、7∶00—9∶00 三个时段降水相对较强，对应水汽含量与液态水含量均出现了三个波峰，峰值均超过3cm和0.16mm。4∶00—5∶00、6∶00—7∶00、9∶00—10∶00 三个降水间歇时段同样对应了水汽含量与液态水含量的三个明显波谷。降水减弱后水汽含量与液态水含量均出现回落。

C 时段08∶00—18∶00 降水量为1.0mm，此次过程降水总量不多且持续时间较长，但微波辐射计数据仍很好地反映出大气水汽含量与液态水含量变化过程。降水出现前两者数值同样均出现快速上升并形成一个小高峰，分别达到约3.5cm 和1.4mm。在降水过程中分别稳定保持在约3.5cm 和0.14mm 左右。但两者开始回落时间较降水结束时间提早约两个小时。

D 时段21∶00—22∶00 降水量为1.3mm，水汽含量与液态水含量在20∶00 后就开始明显上升，40min内两者分别增加了约1cm 和0.02mm，22∶00 降水结束后两者分别回落到3.0cm 和0.12mm 附近，并且回落速度逐渐降低，变化曲线趋于平缓，至23∶00 两者均已经低于20∶00 初始值。

E 时段降水量为1.2mm，其中0.9mm 降水集中在22∶00—24∶00 时段，对应水汽含量与液态水含量为最高区间，两者分别超过3.2cm 和0.13mm。12 日00 ∶00 以后随着降水结束两者均降至3.0cm 和0.12mm 以下。5 次过程降水前一小时内水汽含量与液态水含量均有明显上升，前者分别上升了0.508cm、0.26cm、0.38cm、0.74cm、0.79cm；后者分别上升了0.03mm、0.017mm、0.023mm、0.016mm、0.027mm。两者时间变化基本同步，综合5 次降水过程可看到：当水汽含量高于或者接近3cm 且液态水含量接近0.15mm 后一小时内有较明显降水发生。两者降水阈值与高金辉［7］等研究的河南新乡锋面雨降水参考阈值较为接近；而低于国内其他地区相关研究得出的夏季降水参考阈值。5 次过程中水汽含量与液态水含量变化特征较为一致，两者在降水开始前均有明显增加，降水结束前明显回落，与降水量呈明显正相关关系。水汽含量与液态水含量的变化要略提前与于降水量变化，可为高效地指导人工增雨作业提供参考。

2.3 水汽含量与雷达反射率变化对比

多普勒天气雷达作为一种主动遥感大气探测设备，是降水短时预报业务中跟踪大气云水生成发展最主要的工具之一，由于雷达资料中垂直累计液态水数据和A 时段数据缺失，本文选取了5 次降水过程中的B、C、D、E 四个时段对应的站点上空雷达反射率与微波辐射计水汽含量作对比。雷达数据采样间隔为5—6min，因此为便于对比以雷达采样时间为基准，选取对应时间或相邻时间微波辐射计水汽含量数据作对比（图3）。1 月15 日3∶03—5∶31 存在一次雷达反射率组合反射率明显增强再减弱的过程，3∶03—3∶43 之间无较明显回波，水汽含量此时先有小幅下降并维持在相对低值。3∶48 开始站点雷达回波生成并开始发展，此时水汽含量也开始上升；4∶11 雷达反射率达到最大30dBz，紧接着4∶17 水汽含量也达到时段峰值，之后回波逐渐减弱至消失，水汽含量亦在此阶段逐渐减小至最低。2 月21 日8∶48—9∶30 雷达回波生成之前水汽含量已开始明显上升，9∶48 水汽含量与雷达反射率均达到最大，随后两者逐渐下降。3 月7 日与3 月11 日两次过程雷达反射率与水汽含量数值变化与前两例类似，但雷达反射率先于水汽含量达到峰值，两者相差大约10min。总体来说四次变化过程水汽含量与雷达回波强度随时间变化基本同步。

图3 2020 年1—3 月四次降水过程雷达反射率与水汽含量时间变化

5 结论

利用长沙国家站微波辐射计资料，结合长沙站地面降水量、L 波段探空、岳阳多普勒雷达等数据资料，比较了微波辐射计反演的大气温度、水汽密度与L 波段探空资料的一致性；分析了2020 年1—3 月期间5 次降水过程微波辐射计反演的水汽含量、液态水含量随降水量的变化特征，并初步比较了降水期间微波辐射计反演的水汽含量与雷达反射率之间的变化，得出以下结论：

（1）微波辐射计反演的温度和大气水汽密度与L波段探空数据相关性较好，两者随高度变化趋势近似。总体上说明微波辐射计数据精度较高，在日常观测业务或科研中有很大参考价值和应用潜力，其高时间分辨率优势可作为高空大气探测的补充手段。

（2）大气水汽含量与液态水含量在降水开始前明显增加，随着降水减弱停止而同步减少，降水总体上两者增减时间略早于降水量增减时间，两者峰值也对应着降水量时段峰值。水汽含量接近3.5cm 且液态水含量达到0.15mm 可作为判断冬春季长沙降水开始的参考阈值。利用微波辐射计大气水汽和液态水数据可作为一种降水临近预报手段和指导人工增雨作业的辅助判断方法。

（3）雷达反射率与水汽含量变化存在较好正相关关系，最强雷达回波出现时间略早于水汽含量峰值时间。同样也证明了微波辐射计资料在临近降水预测和指导人工增雨作业方面具有较好的参考价值。