基于地基遙感設(shè)備構(gòu)建遙感探空廓線(xiàn)

林曉萌 尉英華 張 楠 王艷春

(天津市氣象臺(tái)， 天津 300074)

引 言

探空數(shù)據(jù)能夠反映強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前大氣的溫濕結(jié)構(gòu)及動(dòng)力特征，現(xiàn)已成為強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)必不可少的參考資料之一[1]。利用探空數(shù)據(jù)可以尋找對(duì)流發(fā)生發(fā)展的有利條件[2-3]，基于探空數(shù)據(jù)計(jì)算的對(duì)流參數(shù)可以進(jìn)行分類(lèi)強(qiáng)對(duì)流特征甄別[4-8]，構(gòu)建強(qiáng)對(duì)流客觀預(yù)報(bào)模型[9]，探空數(shù)據(jù)還可用于模式釋用[10]、改進(jìn)中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式[11]。

但常規(guī)探空網(wǎng)空間布局不足，每日兩次的探測(cè)頻率很難捕捉環(huán)境參數(shù)的短時(shí)變化，同時(shí)探空氣球的漂移也使常規(guī)探空數(shù)據(jù)的區(qū)域代表性變差[12-13]，因此通過(guò)其他方式獲取高分辨率溫度、氣壓、濕度和風(fēng)的層結(jié)數(shù)據(jù)是解決常規(guī)探空數(shù)據(jù)局限性的主要途徑。有的研究[14-15]融合再分析數(shù)據(jù)與地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)構(gòu)建模式溫濕廓線(xiàn)，但再分析數(shù)據(jù)對(duì)于中小尺度熱力變化的描述能力不足，不能反映大氣真實(shí)狀況。近年不少研究利用微波輻射計(jì)、云雷達(dá)、風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)等探測(cè)產(chǎn)品構(gòu)建遙感溫濕廓線(xiàn)，但由于微波輻射計(jì)反演的濕度廓線(xiàn)誤差較大[16-17]，降水時(shí)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)反演的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重失真或缺失，遙感溫濕廓線(xiàn)難以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

盡管如此，地基遙感數(shù)據(jù)的時(shí)空密度優(yōu)勢(shì)無(wú)法忽視。風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和微波輻射計(jì)均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)[18]，在短時(shí)預(yù)報(bào)中具有很高應(yīng)用價(jià)值。微波輻射計(jì)能夠獲取地面到10 km高度的溫濕廓線(xiàn)[19-20]，溫度廓線(xiàn)與探空觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較好相關(guān)性[17]。經(jīng)WPR-HW方法[21]質(zhì)量控制后的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)反演數(shù)據(jù)在降水天氣條件下仍能夠提供水平風(fēng)場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)等要素的快速演變信息[22]，展示中小尺度系統(tǒng)連續(xù)詳細(xì)的變化過(guò)程[23-24]，并具有較高可信度[25-26]。與此同時(shí)，國(guó)外多位學(xué)者基于比濕變化對(duì)湍流散射的影響，證實(shí)了利用風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)融合溫度廓線(xiàn)數(shù)據(jù)反演大氣比濕廓線(xiàn)方法的可行性[27-33]。因此，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的地基遙感數(shù)據(jù)有效融合重新得到反演后的溫度、濕度和風(fēng)廓線(xiàn)，為捕捉中小尺度系統(tǒng)精細(xì)的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)提供了可能。

本文將綜合利用風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)、微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)、地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的再處理產(chǎn)品構(gòu)建地基遙感探空廓線(xiàn)系統(tǒng)，旨在高時(shí)效性地反映本地?zé)崃?、水汽條件及動(dòng)力機(jī)制，彌補(bǔ)現(xiàn)有探空數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率低的不足。計(jì)算2020—2021年5—9月遙感探空廓線(xiàn)的反演結(jié)果，利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)再分析數(shù)據(jù)(ERA5)進(jìn)行模式檢驗(yàn)，評(píng)估定量使用價(jià)值。選取10次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，評(píng)估遙感探空廓線(xiàn)效果，分析其在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中的實(shí)用性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

選用2020—2021年5—9月天津西青國(guó)家基本氣象站(39.1°N，117.1°E)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)功率譜數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其中低模式高度范圍為150～3630 m，高度分辨率為120 m，中模式高度范圍為1350～4830 m，高度分辨率為120 m，時(shí)間分辨率為3 min；2018年4月布設(shè)在天津市區(qū)鐵塔氣象站(39.1°N，117.2°E)的MP-3000A型微波輻射計(jì)溫濕廓線(xiàn)數(shù)據(jù)，探測(cè)高度范圍為0～10 km，高度分辨率0～500 m為50 m，0.5～2 km為100 m，2～10 km 為250 m，時(shí)間分辨率為2 min。將天津西青站的溫度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、地面氣壓作為邊界條件，構(gòu)建地基遙感探空廓線(xiàn)系統(tǒng)。需要說(shuō)明的是，雖然天津西青站也布設(shè)了微波輻射計(jì)，但經(jīng)與GPS探空數(shù)據(jù)[17]、穩(wěn)定天氣形勢(shì)下上游探空站數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)天津西青站微波輻射計(jì)長(zhǎng)期存在中層溫度偏高5～20℃的現(xiàn)象，鐵塔站微波輻射計(jì)與對(duì)比數(shù)據(jù)具有較好一致性，且天津鐵塔站與天津西青站直線(xiàn)距離僅為13.2 km，氣象上近似認(rèn)為兩站同址，故選取鐵塔站微波輻射計(jì)作為研究對(duì)象。

1.2 比濕廓線(xiàn)反演方法

微波輻射計(jì)通過(guò)多通道亮溫觀測(cè)可間接得到水汽密度、相對(duì)濕度等水汽分層信息[34]，但其受天氣影響大，且較難去除輻射計(jì)罩上水汽的影響[35]，導(dǎo)致濕度廓線(xiàn)數(shù)據(jù)可用性較差[36]。國(guó)外研究[26-31]表明：基于湍流散射理論融合地基遙感數(shù)據(jù)可以反演大氣比濕廓線(xiàn)。本文在此基礎(chǔ)上融合天津西青站風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)和鐵塔站微波輻射計(jì)溫度數(shù)據(jù)，反演天津地區(qū)高時(shí)間分辨率比濕垂直廓線(xiàn)，為構(gòu)建遙感探空廓線(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

邊界條件對(duì)比濕垂直分布存在一定影響，設(shè)定單一控制變量分別為比濕初值、溫度初值、地面氣壓，結(jié)果顯示：比濕初值大致決定整層比濕廓線(xiàn)的數(shù)值區(qū)間，與利用地面水汽壓擬合整層大氣水汽含量的可行性研究互為驗(yàn)證[37]；溫度初值會(huì)造成比濕廓線(xiàn)的整體偏移，每降低1℃，比濕廓線(xiàn)向大值區(qū)偏移約0.15 g·kg-1；地面氣壓影響比濕隨高度的變化率，地面氣壓越小，比濕隨高度的變化率越大，但與溫濕初值相比，其敏感度較差。

1.3 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)反演方法

探空數(shù)據(jù)不僅能反映當(dāng)?shù)販貪窠Y(jié)構(gòu)，還能反映動(dòng)力特征，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的水平風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)是構(gòu)建遙感探空廓線(xiàn)不可或缺的條件。降水時(shí)因風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)同時(shí)接收大氣湍流回波和降水粒子散射回波，難以從兩種信號(hào)疊加的功率譜中有效提取湍流信息，導(dǎo)致降水期間風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)顯示的水平風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失或失真[38-39]，無(wú)法為遙感探空廓線(xiàn)提供連續(xù)真實(shí)的水平風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

WPR-HW是一種降水時(shí)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)的質(zhì)量控制方法[21]，其依據(jù)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)原理及不同天氣類(lèi)型的功率譜特點(diǎn)，提取湍流信號(hào)用于反演水平風(fēng)場(chǎng)。WPR-HW處理功率譜數(shù)據(jù)，首先自動(dòng)識(shí)別各波束功率譜中峰值信號(hào)數(shù)量及位置，再依據(jù)湍流譜關(guān)于東西(南北)波束對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，在對(duì)稱(chēng)波束的信號(hào)譜中實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流譜的自動(dòng)識(shí)別和提取，最后根據(jù)風(fēng)的合成原理合成水平風(fēng)場(chǎng)。經(jīng)與ERA5數(shù)據(jù)對(duì)比，證實(shí)經(jīng)WPR-HW質(zhì)量控制的水平風(fēng)場(chǎng)的可信度、時(shí)效性和有效性均滿(mǎn)足遙感探空廓線(xiàn)的構(gòu)建需求。

1.4 地基遙感探空廓線(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建方法

基于比濕廓線(xiàn)反演方法和WPR-HW方法，利用地基遙感及地面自動(dòng)氣象站的多源觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取溫度、濕度和風(fēng)3類(lèi)垂直廓線(xiàn)。其中，0～10 km高度溫度廓線(xiàn)由微波輻射計(jì)反演獲得，地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)值訂正地面溫度；0～4830 m高度比濕廓線(xiàn)由比濕廓線(xiàn)反演方法獲得，將比濕值轉(zhuǎn)換為露點(diǎn)溫度，地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)值訂正地面露點(diǎn)溫度。受風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)有效探測(cè)高度限制，4830 m～10 km高度的比濕廓線(xiàn)由微波輻射計(jì)反演獲得，將水汽密度轉(zhuǎn)換為露點(diǎn)溫度，150～4830 m高度水平風(fēng)廓線(xiàn)由風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)經(jīng)WPR-HW方法反演獲得。

在溫度、濕度和風(fēng)3類(lèi)垂直廓線(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)插值方法統(tǒng)一各要素高度分辨率，并進(jìn)行高度場(chǎng)與氣壓場(chǎng)轉(zhuǎn)換[40]，構(gòu)建遙感探空廓線(xiàn)。構(gòu)建過(guò)程中，用于同一時(shí)次遙感探空廓線(xiàn)的不同源觀測(cè)數(shù)據(jù)的探測(cè)時(shí)間差應(yīng)小于1 min。將層結(jié)參數(shù)轉(zhuǎn)化為氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，最后通過(guò)溫度-對(duì)數(shù)壓力圖(T-lnp)實(shí)現(xiàn)遙感探空廓線(xiàn)圖形與數(shù)據(jù)的可視化。

2 檢 驗(yàn)

為驗(yàn)證遙感探空廓線(xiàn)的可信度，將2020—2021年5—9月逐6 h遙感探空廓線(xiàn)的逐層比濕值及對(duì)流參數(shù)計(jì)算結(jié)果納入待檢驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。檢驗(yàn)對(duì)象為從數(shù)據(jù)庫(kù)中隨機(jī)抽取的130個(gè)比濕數(shù)據(jù)(10時(shí)次×13距離庫(kù))及56個(gè)對(duì)流有效位能數(shù)據(jù)，因大氣高層水汽含量很少，絕大部分水汽集中于對(duì)流層中低層，因此比濕的檢驗(yàn)高度為地面到700 hPa。

天津地區(qū)未設(shè)探空站，上游探空站的環(huán)境場(chǎng)與本地差異較大[41]，國(guó)際上越來(lái)越多的學(xué)者將再分析數(shù)據(jù)應(yīng)用于對(duì)流天氣環(huán)境條件研究[42-44]。ECMWF的第5代全球氣候再分析數(shù)據(jù)集ERA5[45]，水平分辨率為0.125°×0.125°，750 hPa以下垂直分辨率為25 hPa，時(shí)間分辨率為1 h，可以作為遙感探空廓線(xiàn)檢驗(yàn)的參照值。挑選ERA5中與天津西青站鄰近格點(diǎn)(39.125°N，117°E)的相同時(shí)次相同要素，對(duì)比二者不同距離庫(kù)上最相近的高度。檢驗(yàn)內(nèi)容包括相關(guān)系數(shù)、絕對(duì)偏差及相對(duì)偏差。

2.1 比濕檢驗(yàn)

圖1a為遙感探空廓線(xiàn)與ERA5比濕的散點(diǎn)圖，比濕較大時(shí)分布相對(duì)離散，較小時(shí)分布相對(duì)集中，偏差原因主要包括：①兩種數(shù)據(jù)源分別為以高度和氣壓為單位，對(duì)比高度并非完全一致；②ERA5數(shù)據(jù)對(duì)局地中小尺度溫濕變化的描述能力不足，低層濕度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不及地面自動(dòng)氣象站定標(biāo)后的遙感探空廓線(xiàn)；③地基遙感數(shù)據(jù)針對(duì)不同天空狀況的反演精度還需提高。盡管如此，遙感探空廓線(xiàn)比濕的可信度仍明顯高于微波輻射計(jì)直接反演的比濕，相關(guān)研究[11，17]指出微波輻射計(jì)反演的露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度與常規(guī)探空的相關(guān)系數(shù)分別為0.65～0.93 和0.5。檢驗(yàn)結(jié)果表明遙感探空廓線(xiàn)的比濕可反映實(shí)際大氣比濕垂直分布狀態(tài)。

2.2 對(duì)流有效位能檢驗(yàn)

圖2為遙感探空廓線(xiàn)與ERA5數(shù)據(jù)的對(duì)流有效位能對(duì)比。由圖2可以看到，兩條曲線(xiàn)形態(tài)基本重合，呈現(xiàn)同位相波動(dòng)趨勢(shì)，二者的變化具有較強(qiáng)同步性。其中，56組對(duì)比數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.84，達(dá)到0.01顯著性水平(臨界相關(guān)系數(shù)為0.34)，平均相對(duì)偏差為35%，相關(guān)性和一致性均處于合理范圍內(nèi)。對(duì)流有效位能對(duì)下墊面溫度和濕度變化的敏感度高，值域變化范圍大，ERA5數(shù)據(jù)對(duì)邊界條件的敏感度不足。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，用于對(duì)比的56個(gè)時(shí)次ERA5數(shù)據(jù)的溫度與自動(dòng)氣象站觀測(cè)的平均偏差為1.8℃，露點(diǎn)溫度平均偏差為1.4℃，由經(jīng)過(guò)地面自動(dòng)氣象站訂正的遙感探空廓線(xiàn)計(jì)算的對(duì)流有效位能更貼近真實(shí)情況。因此，盡管遙感探空廓線(xiàn)與ERA5對(duì)流有效位能平均絕對(duì)偏差值較大(318 J·kg-1)，但二者變化一致性較好，說(shuō)明遙感探空廓線(xiàn)對(duì)流參數(shù)的可信度更高。檢驗(yàn)結(jié)果表明：遙感探空廓線(xiàn)對(duì)流有效位能隨時(shí)間的演變具有較好指示性，可作為常規(guī)探空的補(bǔ)充手段，彌補(bǔ)其時(shí)空分辨率不足。

3 個(gè)例效果評(píng)估

3.1 統(tǒng)計(jì)分析

選取2020—2021年天津西青站10次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，將強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前臨近時(shí)刻上游常規(guī)探空(北京)與過(guò)去8 h內(nèi)逐15 min的本地遙感探空廓線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生與探測(cè)時(shí)次的時(shí)間間隔上，遙感探空廓線(xiàn)的高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)明顯；在對(duì)流參數(shù)(包括指征對(duì)流發(fā)展?jié)搫?shì)的對(duì)流有效位能，以及指征整層濕度條件的整層比濕積分)與強(qiáng)對(duì)流實(shí)況的契合程度上，本地遙感探空廓線(xiàn)對(duì)強(qiáng)天氣具有指示意義。

常規(guī)探空的探測(cè)時(shí)次為08：00和20：00(北京時(shí)，下同)，天津的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程常發(fā)生于午后或傍晚，10次過(guò)程中北京探空發(fā)生時(shí)次與天津強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)刻平均時(shí)間間隔為7 h 18 min，因此北京探空很難捕捉到臨近對(duì)流發(fā)生前的熱力不穩(wěn)定最強(qiáng)時(shí)刻；同時(shí)，由于北京探空站與天津西青站直線(xiàn)距離為100 km，屬于中尺度天氣系統(tǒng)范疇，北京探空對(duì)流參數(shù)與天津局地性強(qiáng)的中小尺度過(guò)程往往契合度較差。10次過(guò)程中北京探空的對(duì)流有效位能平均值為322 J·kg-1，其中2次過(guò)程的對(duì)流有效位能為0，可見(jiàn)北京探空往往不能反映天津的對(duì)流潛勢(shì)。

遙感探空廓線(xiàn)具有分鐘級(jí)時(shí)間分辨率，不但可以實(shí)時(shí)反映本地大氣熱力濕度狀態(tài)和動(dòng)力過(guò)程，而且可以連續(xù)觀測(cè)能量的增長(zhǎng)、維持、釋放過(guò)程及水汽的生消變化。表1中天津遙感探空對(duì)流有效位能平均峰值為1451.88 J·kg-1，顯著高于北京探空固定時(shí)次的對(duì)流有效位能平均值，達(dá)到強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的閾值標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)流有效位能高值時(shí)段平均為對(duì)流發(fā)生前2～5 h，刻畫(huà)了強(qiáng)天氣醞釀過(guò)程中的不穩(wěn)定能量積聚，對(duì)流有效位能迅速釋放的平均時(shí)段為對(duì)流發(fā)生前1～2 h，有利的對(duì)流潛勢(shì)結(jié)合對(duì)流有效位能的迅速釋放對(duì)強(qiáng)天氣的發(fā)生具有指示意義。10次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中天津遙感探空廓線(xiàn)的整層比濕積分大于北京探空的共發(fā)生7次，均對(duì)應(yīng)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)北京探空發(fā)生時(shí)刻的整層比濕積分與天津遙感探空廓線(xiàn)的接近，可見(jiàn)基于遙感探空廓線(xiàn)的濕度參數(shù)反映局地水汽的增長(zhǎng)過(guò)程。

表1 北京探空與天津遙感探空在10次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的對(duì)比Table 1 Comparison of 10 convective cases from Beijing radiosonde and Tianjin Foundation-remote-sensing Air-sounding-profile System

選取2020年8月1日短時(shí)強(qiáng)降水伴隨雷暴大風(fēng)過(guò)程及2021年5月26日雷暴大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)一步說(shuō)明高分辨率遙感探空廓線(xiàn)對(duì)強(qiáng)天氣潛勢(shì)及分型的指示意義及對(duì)中小尺度系統(tǒng)精細(xì)熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)的描述能力。

3.2 2020年8月1日短時(shí)強(qiáng)降水伴隨雷暴大風(fēng)過(guò)程

2020年8月1日19:45—21:00天津西青站周邊多站發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，最大雨強(qiáng)為74.4 mm·h-1，同時(shí)伴有雷暴大風(fēng)。08：00常規(guī)探空風(fēng)場(chǎng)拼圖顯示850 hPa高空槽位于河北西部，天津處于高空槽前，隨著高空系統(tǒng)東移，天津地區(qū)上空具備大尺度抬升條件。圖3是不同時(shí)次的T-lnp圖，08：00北京探空顯示對(duì)流有效位能為451.7 J·kg-1，由于對(duì)流有效位能的對(duì)流潛勢(shì)指示意義存在季節(jié)差異，8月低于500 J·kg-1的對(duì)流有效位能的強(qiáng)對(duì)流指示性不強(qiáng)；對(duì)流參數(shù)反映了較高的自由對(duì)流高度(554.9 hPa)和較大的對(duì)流抑制能量(297 J·kg-1)，但天氣尺度抬升難以作為強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制；對(duì)流潛勢(shì)增長(zhǎng)的有利條件為槽前西南風(fēng)不斷向天津地區(qū)補(bǔ)充水汽和能量，但稀疏的常規(guī)探空頻次難以滿(mǎn)足短時(shí)臨近預(yù)報(bào)對(duì)對(duì)流參數(shù)的持續(xù)觀測(cè)需求。

遙感探空廓線(xiàn)能以較高的時(shí)間分辨率指示環(huán)境參量的變化過(guò)程。圖3中11：00，14：00和17：00由天津遙感探空廓線(xiàn)計(jì)算的對(duì)流有效位能分別為633.7，1455.4 J·kg-1和1223.8 J·kg-1，反演數(shù)據(jù)顯示隨地表溫度的升高和西南風(fēng)的持續(xù)作用，對(duì)流有效位能迅速升高并維持。表2為08：00北京探空和14：00天津遙感探空廓線(xiàn)的對(duì)流參數(shù)對(duì)比，高時(shí)效的對(duì)流參數(shù)除刻畫(huà)對(duì)流有效位能增長(zhǎng)外，還反映出對(duì)流抑制能量、自由對(duì)流高度、K指數(shù)、抬升指數(shù)、整層比濕積分等對(duì)流參數(shù)向更顯著的對(duì)流潛勢(shì)趨勢(shì)發(fā)展，其中整層比濕積分的迅速增長(zhǎng)體現(xiàn)了局地水汽的輸送作用，為短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生提供了充足的水汽來(lái)源；遙感探空廓線(xiàn)與北京探空在 600 hPa 至300 hPa間均存在干層，中層干空氣夾卷有利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn), 14：00和17：00遙感探空廓線(xiàn)為短時(shí)強(qiáng)降水伴隨雷暴大風(fēng)過(guò)程的典型形勢(shì)。

表2 2020年8月1日08：00北京探空和14：00天津遙感探空廓線(xiàn)對(duì)流參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of convective parameters processed from Beijing radiosonde at 0800 BT and Tianjin Remote-Atmospheric Profile System at 1400 BT on 1 Aug 2020

利用遙感探空廓線(xiàn)可分析強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前動(dòng)力場(chǎng)和環(huán)境場(chǎng)的相互作用。圖4a為2020年8月1日14:30—20:30由天津西青站遙感探空廓線(xiàn)得到的對(duì)流有效位能及天津西青區(qū)中辛口村自動(dòng)氣象站觀測(cè)的降水量時(shí)序圖，圖4b為2020年8月1日16:30—20:30天津西青站風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)反演水平風(fēng)場(chǎng)時(shí)間-高度剖面圖。由圖4a可見(jiàn)，14:30—19:15 為能量維持階段，其中12：00—19:15對(duì)流有效位能為850～1500 J·kg-1，大于1000 J·kg-1的時(shí)段超過(guò)7成，雖然弱冷空氣擾動(dòng)造成能量的少量釋放，但低層西南風(fēng)疊加中層偏西風(fēng)存在風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，暖濕氣流源源不斷地補(bǔ)充使高濕高能條件得以維持，18:30—19:15中低層西南氣流達(dá)到急流強(qiáng)度，進(jìn)一步補(bǔ)充水汽和能量，19:15對(duì)流有效位能為1349.5 J·kg-1，850 hPa比濕為16 g·kg-1，700 hPa 假相當(dāng)位溫為73℃。19:15—20:30為能量釋放階段，19:15 中尺度冷氣團(tuán)楔入天津西青站，造成深層風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)烈輻合，成為不穩(wěn)定能量的觸發(fā)機(jī)制，能量的迅速釋放導(dǎo)致對(duì)流有效位能迅速降低，其中19:30—20:00對(duì)流有效位能由1173 J·kg-1降至414 J·kg-1，不穩(wěn)定能量的釋放表征中小尺度系統(tǒng)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，結(jié)合中低層濕度條件好、暖云層深厚、0～3 km垂直風(fēng)切變小等環(huán)境條件，19：45天津西青站周邊發(fā)生了以短時(shí)強(qiáng)降水為主的強(qiáng)天氣過(guò)程。由圖4a可以看到，對(duì)流有效位能迅速下降，雨強(qiáng)迅速增長(zhǎng)，遙感探空廓線(xiàn)觀測(cè)到能量釋放至強(qiáng)天氣發(fā)生的時(shí)間間隔為30 min，符合預(yù)報(bào)預(yù)警的時(shí)間要求。需要說(shuō)明的是，對(duì)流參數(shù)表征中小尺度環(huán)境條件，指征一定范圍內(nèi)的對(duì)流潛勢(shì)，與單點(diǎn)強(qiáng)天氣實(shí)況不具備絕對(duì)相關(guān)性，本次過(guò)程天津西青站周邊多站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣，但天津西青站并未發(fā)生強(qiáng)降水過(guò)程，故圖4a降水量來(lái)源選取天津西青區(qū)中辛口村自動(dòng)氣象站，與天津西青站相距不足10 km。

3.3 2021年5月26日雷暴大風(fēng)過(guò)程

2021年5月26日15:30—16:10天津西青站及周邊多站發(fā)生風(fēng)力超過(guò)17.2 m·s-1的雷暴大風(fēng)過(guò)程，最大陣風(fēng)風(fēng)力達(dá)25.7 m·s-1。08：00常規(guī)探空風(fēng)場(chǎng)拼圖顯示，受低渦影響天津地區(qū)處于偏北氣流控制之下，溫濕條件不利于對(duì)流過(guò)程的發(fā)生發(fā)展。圖5為不同時(shí)次的T-lnp圖。 由圖5可見(jiàn)， 08：00北京實(shí)測(cè)探空顯示對(duì)流有效位能為0，抬升指數(shù)為4.94℃，當(dāng)上游和本地均處于相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件時(shí)，上游探空對(duì)流參數(shù)具有一定指示意義，即此時(shí)天津地區(qū)無(wú)明顯對(duì)流潛勢(shì)；10：00，12：00和14：00由天津遙感探空廓線(xiàn)計(jì)算的對(duì)流有效位能分別為27.6，830.7 J·kg-1和1347.1 J·kg-1，盡管整層大氣以偏北風(fēng)為主，但高分辨率數(shù)據(jù)指示對(duì)流有效位能不斷增大，可能原因是低層北風(fēng)的偏東分量使低層不斷增濕，形成上干下濕的層結(jié)條件，導(dǎo)致對(duì)流有效位能迅速增長(zhǎng)，14：00抬升指數(shù)由正值演變?yōu)?5.72℃，此時(shí)天津西青站周邊具備一定的對(duì)流潛勢(shì)。此外，14：00遙感探空廓線(xiàn)顯示整層大氣的溫度露點(diǎn)差較大，中層大氣干冷氣流較強(qiáng)，對(duì)流有效位能為743.3 J·kg-1，基于遙感探空廓線(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流分型指示雷暴大風(fēng)的傾向性更強(qiáng)。

圖6a為2021年5月26日10:00—16:00天津西青站遙感探空廓線(xiàn)繪制的對(duì)流有效位能及自動(dòng)氣象站觀測(cè)的極大風(fēng)風(fēng)速時(shí)序圖，圖6b為2021年5月26日12:00—16:00天津西青站風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)反演水平風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間-高度剖面。由圖6a可見(jiàn)，10:00—14:00為能量的增長(zhǎng)階段，10:30—12:30對(duì)流有效位能增長(zhǎng)幅度超過(guò)1000 J·kg-1，其中12:00—12:30期間1～2 km高度出現(xiàn)偏東急流，天津地區(qū)東臨渤海，低層濕度的補(bǔ)充相比溫度的增長(zhǎng)更有利于對(duì)流有效位能的增益，12:30后對(duì)流有效位能始終維持在1000 J·kg-1以上。14:00—15:30為能量釋放階段，14:00—14:30中低層西北風(fēng)風(fēng)力增大，超過(guò)12 m·s-1，隨后在動(dòng)力下傳的作用下不斷向下滲透影響邊界層風(fēng)場(chǎng)，侵入的西北風(fēng)與邊界層?xùn)|南風(fēng)輻合，促使不穩(wěn)定能量的不完全釋放，造成中低層西北風(fēng)風(fēng)力加大和厚度加深，但并未及地，深厚的西北風(fēng)再次與低層?xùn)|風(fēng)形成強(qiáng)烈輻合，其正反饋?zhàn)饔眠M(jìn)一步構(gòu)成不穩(wěn)定能量的觸發(fā)機(jī)制，15:00—15:30對(duì)流有效位能由1052 J·kg-1迅速下降至17 J·kg-1；隨著不穩(wěn)定能量的釋放，結(jié)合中層溫度露點(diǎn)差大、溫度垂直遞減率大、0～3 km具有中等以上強(qiáng)度垂直風(fēng)切變等環(huán)境條件，15:30天津西青站及周邊發(fā)生雷暴大風(fēng)過(guò)程。隨著對(duì)流有效位能的迅速下降天津西青站陣風(fēng)風(fēng)力猛增至8級(jí)以上，從能量迅速釋放至強(qiáng)對(duì)流發(fā)生存在30 min時(shí)間間隔。

兩次強(qiáng)天氣個(gè)例分析表明：遙感探空廓線(xiàn)能實(shí)時(shí)反映與熱力和動(dòng)力相關(guān)物理量的變化趨勢(shì)，有利的對(duì)流潛勢(shì)結(jié)合對(duì)流有效位能的迅速釋放對(duì)強(qiáng)天氣的發(fā)生具有指示性，主觀強(qiáng)天氣分型結(jié)果經(jīng)驗(yàn)證與天氣現(xiàn)象具有很好的契合度；遙感探空廓線(xiàn)可以反映環(huán)境溫濕條件與動(dòng)力場(chǎng)的相互作用，動(dòng)力場(chǎng)既是能量的增長(zhǎng)和維持機(jī)制，也是不穩(wěn)定的觸發(fā)機(jī)制，能量的釋放又進(jìn)一步影響動(dòng)力場(chǎng)。

4 結(jié)論與討論

本文利用天津地基遙感數(shù)據(jù)聯(lián)合地面自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)構(gòu)建地基遙感探空廓線(xiàn)，并對(duì)遙感探空廓線(xiàn)的反演數(shù)據(jù)進(jìn)行模式檢驗(yàn)和個(gè)例效果評(píng)估，得到以下結(jié)論：

1) 遙感探空廓線(xiàn)的比濕、對(duì)流有效位能均與ERA5數(shù)據(jù)具有較好的一致性。比濕相關(guān)的130組對(duì)比數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.93，均方根誤差為1.4 g·kg-1，平均絕對(duì)偏差為1.06 g·kg-1，平均相對(duì)偏差為11.22%；對(duì)流有效位能相關(guān)的56組對(duì)比數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.84，平均相對(duì)偏差為35%，兩種不同源的對(duì)流有效位能生消演變特征具有較強(qiáng)同步性；受檢驗(yàn)參量的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.01顯著性水平，從而驗(yàn)證了遙感探空廓線(xiàn)數(shù)據(jù)的可信度。

2) 遙感探空廓線(xiàn)比常規(guī)探空更具時(shí)效性。10次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中，發(fā)生時(shí)次北京探空對(duì)流有效位能平均值為322 J·kg-1，無(wú)法指征午后或傍晚的對(duì)流潛勢(shì)，遙感探空廓線(xiàn)具有分鐘級(jí)時(shí)間分辨率，顯示天津西青站對(duì)流有效位能高值時(shí)段平均為對(duì)流發(fā)生前2～5 h，平均峰值為1451.88 J·kg-1，迅速釋放的平均時(shí)段為對(duì)流發(fā)生前1～2 h，具有強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前后大氣狀態(tài)變化的描述能力。

3) 遙感探空廓線(xiàn)在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中具有較高實(shí)用價(jià)值。通過(guò)高頻變化的對(duì)流參數(shù)配置可以及時(shí)判斷對(duì)流潛勢(shì)的強(qiáng)弱及甄別強(qiáng)天氣分型，通過(guò)捕捉中小尺度系統(tǒng)精細(xì)的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)分析對(duì)流發(fā)生前動(dòng)力場(chǎng)和環(huán)境場(chǎng)的相互作用，對(duì)提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)精細(xì)化水平具有一定意義。

遙感探空廓線(xiàn)在業(yè)務(wù)應(yīng)用中仍然存在局限性。微波輻射計(jì)的溫度探測(cè)數(shù)據(jù)在不同天氣條件下存在不同程度的觀測(cè)誤差，尤其降水時(shí)天線(xiàn)罩過(guò)濕將影響探測(cè)準(zhǔn)確度，地基遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)因探測(cè)高度受限導(dǎo)致平衡高度較高時(shí)對(duì)流有效位能反演值小于真實(shí)值。遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制及反演方法的改進(jìn)有利于遙感探空廓線(xiàn)的進(jìn)一步完善，從而為預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)提供實(shí)用性更強(qiáng)、精準(zhǔn)度更高的參考資料。