微波輻射計在西安一次強對流天氣過程的分析應(yīng)用

雷連發(fā)　陳　婷　楊　柳　朱　磊　陳　瑞　程桂玉　秦　江

(1.西安電子工程研究所　西安　710100 2.北方天穹信息技術(shù)(西安)有限公司　西安　710100)

0　引言

強對流天氣是氣象學(xué)上所指的發(fā)生突然、移動迅速、破壞力極大的災(zāi)害性天氣，主要發(fā)生于中小尺度天氣系統(tǒng)，空間尺度小，生命史短暫并帶有明顯的突發(fā)性，暴雨的發(fā)生伴隨著明顯的局地性[1]。強降水盡管次數(shù)不多，但是近年來突發(fā)的強降水一般強度大，時間短，一旦發(fā)生就會造成嚴(yán)重的影響[2-3]。

強對流天氣發(fā)生發(fā)展過程中常常通過一些動力學(xué)、大氣熱力學(xué)等強對流參數(shù)進行分析。這些強對流參數(shù)經(jīng)常被用來分析和預(yù)報強對流系統(tǒng)的發(fā)展及演變，了解強對流參數(shù)對強對流天氣的分析和預(yù)報具有很大幫助[4]。獲取大氣熱力學(xué)參數(shù)目前常用的手段是通過無線電探空獲取大氣溫濕度等垂直分布參數(shù)進行計算得到的。釋放無線電探空儀獲取探空資料可以很直接反演出大氣垂直的熱力和動力結(jié)構(gòu)。但是現(xiàn)有探空每天僅有兩次探空無法提供實時連續(xù)的大氣狀態(tài)垂直分布數(shù)據(jù)用來分析大氣熱力結(jié)構(gòu)，難以對強對流天氣過程進行監(jiān)測和潛勢預(yù)報。實踐證明，只有通過大氣遙感探測才是最經(jīng)濟、最快捷、實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測大氣狀態(tài)變化的最佳途徑[2]。微波輻射計是一款被動式地基微波遙感設(shè)備，能夠?qū)崟r探測反演大氣溫度、濕度廓線，能全天候、全天時工作[4-5]。探空氣球時間分辨率較低，天氣雷達資料基本局限于降雨過程，地基微波輻射計的出現(xiàn)，填補上述探測技術(shù)的空白，對探測資料進行了有效補充[2]。在目前中尺度天氣現(xiàn)象監(jiān)測過程中微波輻射計資料的應(yīng)用已越來越受到重視。

1　資料和方法

本文采用自主研制的MWP967KV型地基多通道微波輻射計進行大氣特性參數(shù)遙感探測。微波輻射計是用于地表上空大氣狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測的精密探測儀器，系統(tǒng)通過被動接收大氣在K 頻段(22-30GHz)和在V頻段(51-59GHz)的大氣微波輻射亮溫，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來反演對流層高時空分辨率的溫度、相對濕度和水汽密度等大氣狀態(tài)參數(shù)[6]。

本次主要對西安2017年7月27日19點28分開始的一次強對流天氣過程進行詳細(xì)的分析。本次過程強降水持續(xù)40h左右隨后以小雨為主，降水過程自西向東進行，局地降水量達到30mm以上。

數(shù)據(jù)分析過程中采用輻射計反演的溫濕度廓線、積分水汽(IWV)和天空紅外輻射溫度(IRT)以及由此計算得到的一些對流參數(shù)進行分析此次降水前的整個天氣變化過程，利用的對流參數(shù)主要有以下幾種：

(1)對流有效勢能(CAPE)

埃瑪圖上從自由對流高度和平衡高度之間的正面積區(qū)域稱為對流有效勢能。表示在自由對流高度以上，氣塊可從正浮力作功中而獲得的能量。這部分能量對大氣有著積極的作用，并有可能轉(zhuǎn)化成氣塊的動能。CAPE越大說明大氣狀態(tài)越不穩(wěn)定，越有利于發(fā)生對流天氣。

(2)對流凝結(jié)高度(LCL)

未飽和氣塊被外力抬升而干絕熱上升，在干絕熱過程中氣塊比濕不變，當(dāng)氣塊干絕熱上升到溫度與露點相等處的時候，就達到飽和而發(fā)生凝結(jié)，該點的所在高度就是對流凝結(jié)高度LCL[7]。

(3)KI指數(shù)

KI指數(shù)是判斷大氣狀態(tài)的常用指數(shù)，可通過下式進行計算：

KI=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)

(1)

式中T表示溫度，Td表示露點溫度，下標(biāo)數(shù)字表示氣壓。通常KI指數(shù)越大，大氣狀態(tài)越不穩(wěn)定。

2　數(shù)據(jù)分析

(1)水汽含量分析

大氣中充足的水汽含量是發(fā)生降水的必要條件，水汽含量偏低時發(fā)生降水尤其是強降水的可能性極小，水汽含量較高并有充足的水汽作為補充時，降水發(fā)生的可能行將大大增加。當(dāng)然具有充足的水汽對于產(chǎn)生降水還是不夠的，同時還需要動力和熱力等進行相配合誘發(fā)才可以形成降水[8]。

對于本次降水過程從輻射計觀測結(jié)果可以看出(如圖1)，大氣中水汽含量從7月23日中午之后迅速減少，水汽密度等值線下滑，直至7月25日晚上18點后開始逐漸增大，水汽開始得到補充。在7月26日晚上19點52分前后大氣中水汽達到一個峰值，開始有15分鐘左右的小雨并未產(chǎn)生強降雨。7月27日晚上18點后明顯有水汽的大量補充，水汽密度等值線迅速抬升，隨后在19點28分開始強降雨。本次短時強降雨過程造成西安多地發(fā)生嚴(yán)重積水。

從圖1中可以看出，7月24日至7月27日午后都出現(xiàn)了高溫天氣，近地面500m高度以下氣溫超過40℃，在每天的高溫時段，近地面水汽含量相對有所減少，這可能是由于高溫引起的熱對流使得水汽發(fā)生了混合作用。從大氣積分總水汽(IWV)來看降水前幾日全天總水汽并未有明顯變化，且呈上升趨勢，說明大氣中的水汽逐漸在的補充。

(2)對流有效勢能變化

7月20日開始大氣CAPE逐漸增大，大氣不穩(wěn)定能量上升，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在7月24日CAPE突然減小接近0，大氣狀態(tài)從不穩(wěn)定轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)(如圖2所示)，這時大氣中總的積分水汽也達到近幾日最小值(如圖3所示)，從7月25日CAPE迅速增加，大氣重新回到不穩(wěn)定狀態(tài)，IWV也迅速升高，大氣中得到了足夠的水汽補充，為隨后的強對流天氣的發(fā)生做了準(zhǔn)備。

天氣在這一變化過程中，也明顯看到了紅外輻射溫度的變化，天空紅外輻射溫度反應(yīng)了云的信息，紅外溫度高低也就代表著云底的變化。紅外溫度越高說明云底高度越低。在7月23日和24日兩天紅外輻射溫度變小，說明云底逐漸抬升，隨后紅外輻射溫度升高，云底也相應(yīng)變低，7月27日紅外輻射溫度達到最大值(8.4℃)，云底高度也降到最低。天空背景紅外輻射溫度反應(yīng)了對流不穩(wěn)定天氣過程中云的變化。從紅外溫度也可以看出紅外輻射溫度越大即云底高度越低時，IWV也相對變大。

(3)KI指數(shù)和LCL的變化

KI指數(shù)同樣表征了大氣不穩(wěn)定狀態(tài)，KI指數(shù)越大，大氣層節(jié)越不穩(wěn)定。一般認(rèn)為KI>35時易出現(xiàn)暴雨等極端天氣[8]。利用微波輻射計觀測的溫濕度廓線結(jié)合式(1)可計算KI指數(shù)，從這次過程可以看出KI指數(shù)在7月23日和24日小于35，其中24日最小，說明這兩天對流能量相對較小，大氣狀態(tài)穩(wěn)定，其余每天都在35以上，是易發(fā)生強對流的天氣。

從對流凝結(jié)高度LCL看，這次過程中在7月24日，大氣凝結(jié)高度最高超過3.5km，云高相對較高，近地面的也就水汽需要更多的能量才能達到凝結(jié)高度成云。從7月25日開始LCL持續(xù)降低，在27日達到最低最后發(fā)生強降雨。微波輻射計觀測計算的KI指數(shù)和LCL很好的反應(yīng)了大氣穩(wěn)定度和對流凝結(jié)高度的變化過程。兩者對天氣變化的響應(yīng)也具有明顯的一致性。

3　結(jié)束語

本文通過微波輻射計觀測數(shù)據(jù)對西安一次強對流降水過程進行了詳細(xì)分析，從結(jié)果可以看出微波輻射計不僅能夠觀測反演高時空分辨率的大氣溫度、濕度、水汽密度和液態(tài)水等廓線數(shù)據(jù)，同時還能計算生成多種大氣對流參數(shù)，例如CAPE、KI指數(shù)和LCL等。生成的對流參數(shù)能夠很好的描述強對流天氣發(fā)生前水汽的補充、云以及大氣不穩(wěn)定能量的變化，對大氣熱力分析有這很好的作用。這也將會對強對流天氣的預(yù)警預(yù)報提供有效的輔助參考資料。

參考文獻:

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