微波辐射计资料在大雾预报预警中的应用

赵金霞，范苏丹，朱晓晶

（1.天津滨海新区气象局，天津 300457；2.济南气象科研所，山东济南 250031）

微波辐射计资料在大雾预报预警中的应用

赵金霞1，范苏丹2，朱晓晶1

（1.天津滨海新区气象局，天津 300457；2.济南气象科研所，山东济南 250031）

利用MP-3000A微波辐射计对2011—2013年天津大雾的观测资料，选取16次大雾典型个例，分析大雾发生、维持及消散时微波辐射计观测数据。分析表明：大雾从形成到消散过程中水汽密度、相对湿度和位温均有不同变化；大雾发生前近地层大气中的相对湿度、水汽密度一般会稳定增加，大雾发生时两者会有爆发性增加的现象。大雾维持阶段在近地层多伴有逆温层，辐射雾逆温层明显；大雾期间雾层高度有稳定型也有波动型，雾层高度下降时大雾会迅速加强。大雾消散时近地层大湿区减小抬升，水汽密度迅速减小。

大雾；微波辐射计；水汽密度；液态水含量；位温

大气中水汽含量和温度垂直分布对大雾的形成是至关重要的。国内外的大量工作已证明,探测水汽和云液水波段的双波长（0.85 cm和1.35 cm）地基微波辐射计,在晴空和非降水云天的探测原理和方法已日趋成熟,探测水汽总量的精度可与探空相比,云液水总量也有较好的精度[1-8]。采用微波辐射计进行遥感探测，不仅能自动连续测量、监视天气的演变过程，而且可以节省大量的人力、物力。MP-3000A微波辐射计[9]是由美国Radiometrics公司研发的一种新型35通道微波辐射计，该辐射计采取被动式微波遥感，通过接收天空亮温来反演地面至10 km高时空分辨率的温度、相对湿度和水汽廓线。温度廓线子系统在51～59 GHz之间用所选择的频率进行天空亮温观测，而水汽廓线子系统接受频率在22～30 GHz之间用所选择的频率进行天空亮温观测。它的时间分辨率为3 min；空间分辨率从0～500 m高度上每50 m输出一个数据，500 m～2 km高度上每100 m输出一个数据，2～10 km每250 m输出一个数据，共58个反演层。通过58个反演层数据来计算整层大气中可降水量和液态水含量的值。为了消除液态水的影响，该辐射计的天线罩采用防水材料做成，使得辐射计可以全天候地进行观测。赵玲等[10]研究了MP_3000A微波辐射计的探测原理和误差分析。本文通过选取不同日期的微波辐射计观测数据资料，对不同天气背景下产生大雾进行分析，旨在把微波辐射计在大雾方面的探测进行初步的评估，为短时临近大雾天气预警提供可靠的技术支持。

1 大雾标准和天气形势

雾是贴地层空气中悬浮着大量水滴或冰晶微粒而使水平能见度小于1 000 m的天气现象。按照能见度的大小雾还可以分为大雾（200～500 m）、浓雾（50～200 m）、强浓雾（＜50 m）。

雾通常是在稳定的天气形势下产生；华北地区多雾年冬季极锋偏北，西风带系统北退，东亚大槽弱，500 hPa多短波槽活动，低纬天气系统活跃，可以把暖湿空气输送到中高纬，下垫面辐射冷却形成持续大雾。大雾一般发生在气压梯度很小（如弱高压、弱低压，鞍型场等）的区域；地面流场一般为弱辐合区，这种气压场、流场有利于近地面的水汽聚集。对于滨海地区大雾发生时的地面形势可以归纳成以下4种类型。

1.1 高压前部型

滨海地区处在高压前部,其西部、西北部或北部是冷高压，高压中心在河套以西、以北或东北地区，冷空气以渗透的形式南下，滨海地区处在弱冷锋前部，前期有降水，当锋面移近时会出现平流辐射雾；之后随着高压南压，天气逐渐转好，下垫面湿度大，夜间辐射降温在边界层形成逆温，使近地层大气逐渐饱和出现辐射雾；此类型经常出现连续雾日。

1.2 高压后部或鞍型场型

大陆变性高压进入日本海、朝鲜、黄海北部及中部，京津地区转入高压后部或鞍型场控制，天气晴好；渤海、黄海暖湿空气沿着高压底部东南气流向华北地区输送，随着夜间辐射降温,逆温层逐渐形成，近地层湿度不断聚集增加，天津滨海地区常常出现大雾天气；此类型也是以辐射雾为主，经常出现连续雾日。

1.3 倒槽前部型

高空在河套地区有浅槽发展东移，西南地区有倒槽发展向东北移动，滨海地区处在倒槽前部，低层的暖湿空气沿东南气流向北输送，另外850 hPa华北东部有一个温度暖舌自西南向东北伸展，低层暖湿、层结稳定，大雾首先在华南地区形成，之后随着偏南气流向北蔓延，山东半岛沿海地区迅速出现大雾天气；滨海地区常常在傍晚前后开始出现大雾，夜间加重；有时会出现雨、雾共存或雪、雾共存的现象；此类型以平流辐射雾为主。

1.4 倒槽后部型

滨海地区处在宽广的倒槽后部，高空有浅槽相配合，前期有降水，近地层湿度较大；滨海地区维持偏东风或东北风，有水汽从黄、渤海向陆地输送；此时渤海西北部沿海首先有大雾天气，滨海地区处于高压底部及倒槽后的东北气流中，伴随着暖湿空气北上，傍晚到夜间常常出现平流辐射雾；大雾夜间加重，有时会出现小于50 m的强浓雾。

2 微波辐射计探测大雾的特点

微波辐射计有高时空分辨率大气垂直方向上的探测资料，可以连续得到从地面到10 km高度上的位温、相对湿度、水汽密度瞬时值。而大雾天气是水汽在近地面层集聚、凝结而产生的天气现象；为了看清微波辐射计探测到大雾演变过程中各要素的不同变化，我们截取小于6 km高度资料，放大后进行分析。由相对湿度图和水汽密度图可知，辐射雾的水汽大多在1 km以下；而平流雾水汽大多在2 km以下，有时会在中层伴有2 km厚的大湿度区。

究其原因，辐射雾主要出现在天空晴朗的夜晚，是通过气温下降来实现水汽凝结，如地表长波辐射、雪面反射等物理过程使近地面湿度增加而形成大雾（如高压前部型和后部型），所以在微波辐射计探测图的中、高层相对湿度、水汽密度值小于零。而平流雾形成过程中气温的变化相对复杂，当暖湿气层平流到冷性地面（水面）时，由于低层气温逐渐下降，造成温度露点差迅速减小就可能形成大雾（如倒槽前部型），这种形式往往配合中、高云。当弱的干冷空气平流到暖湿下垫面时，低层气温逐渐下降，造成露点温度差迅速接近0℃而形成大雾（如倒槽后部型），这种形式偶尔会有中、高云。所以在微波辐射计探测图的中层经常有相对湿度、水汽密度大值区。

无论辐射雾还是平流雾，其逆温层都在低层，因此在微波辐射计探测图上位温在2 km以下变化比较复杂，之上位温均匀递减。所以在大雾发生时分析微波辐射计探测的低层资料，特别是大雾天气发生前、后相对湿度、水汽密度和位温的演变在天气预报、预警中有着方便直观的参考作用。

3 微波辐射计资料对大雾的监测个例分析

利用2011—2013年微波辐射计对大雾的观测资料，配合天气形势挑出16次典型个例，分析大雾发生前后及大雾持续阶段温度、相对湿度和水汽密度的变化；找出大雾发生、消散时的指标。下面用四个典型个例逐一分析。

3.1 微波辐射计对高压前部平流雾和高压辐射雾的监测

2013年2 月20日清晨滨海地区处在高压冷锋前的低压区里，出现小雨天气。20日下午随着冷锋移近，能见度逐渐变差。在微波辐射计图上，大雾产生前相对湿度、水汽密度缓慢增加；大雾发生时湿度爆发性增强到90%以上，水汽密度达到4.0 g/ m3，500 m以下大气层结接近饱和，在500～1 000 m的高度范围内有小于2 K的弱逆温层。大雾维持期间饱和层少变，逆温层在300～600 m，逆温差小于3 K。此次过程大雾持续时间是20日17:50—21日02: 15，最小能见度600 m，出现在20日19:00前后。锋面过境后大雾消散，相对湿度饱和区抬升并迅速减小，这是锋前平流辐射雾演变过程。由图2可以看出，21日清晨至上午近地面层相对湿度小于70%，水汽密度维持在3.5 g/m3，这是由于地面湿度较大的缘故。

21日下午高压南压，滨海地区处在高压底部，微波辐射计图上，大雾产生前相对湿度维持在65%，水汽密度在3.5 g/m3；18:00以后能见度再次减小。22日20：13大雾产生，湿度爆发性增强到90%以上，水汽密度达到4.0 g/m3；200 m以下大气层结接近饱和；大雾维持期间，饱和层上下浮动且维持，逆温差6 K的逆温层稳定在200 m以下，从廓线图上可以读出每一时刻的准确值。大雾持续时间是22日20:13—08:12，最小能见度出现在07时，为200 m。大雾消散时相对湿度、水气密度迅速减小，这是辐射雾演变过程（图1）。

3.2 微波辐射计对高压后部辐射雾的监测

2012年10 月25日滨海地区处在高压后部07：00—09：00有轻雾，微波辐射计图上相对湿度80%、水汽密度6.0 g/m3。26日辐射雾产生前相对湿度、水汽密度在近地面层缓慢增加，在500～800 m有小于2 k的弱逆温层。大雾产生时两者爆发性增强，大于90%相对湿度瞬时增高到2 500 m，并且有大于6.0 g/m3水汽密度相配合；能见度迅速降低到大雾标准。2 h以后雾层高度下沉至500 m左右稳定不变，最大水汽密度11.0 g/m3，最大相对湿度接近100%，逆温层稳定在500～1 000 m，逆温差为6 K；从廓线图上能读出每一时刻的准确值。大雾持续时间是01:17—10:35，最小能见度出现在08：00左右，为80 m的强浓雾。大雾消散时相对湿度、水汽密度迅速减小，这是辐射雾演变过程（图2）。

3.3 微波辐射对低压倒槽前部平流辐射雾的监测

2012年12 月27日夜间滨海地区处在倒槽前的低压区里，2 500～4 000 m和1 800 m以下有大于90%的相对湿度，水汽密度在2.0～3.0 g/m3之间，配合实况有大量的高云。28日01:10高空大湿区迅速变薄，近地层水汽密度增加至4.5 g/m3时，没有明显的逆温层，出现能见度为800 m左右的雾，之后大雾维持到11:00左右。到12：00出现降雪，此时高空大湿区迅速变厚，近地层水汽密度增加至6.0 g/m3；能见度升至1000 m左右，出现雪、雾共存现象。28日20：00左右雪、雾结束，相对湿度和水气密度迅速减小（图3）。

3.4 微波辐射对低压倒槽后部平流辐射雾的监测

2012年9 月8日凌晨至上午滨海地区处倒槽前的低压区里，出现了降水；微波辐射计图显示200～1 800 m有大于80%的相对湿度，水汽密度在10.0 g/m3左右，配合实况有大量的中云。16时以后水汽密度增大到14.0 g/m3，90%的相对湿度下降到地面，出现能见度小于800 m的雾，雾层高度稳定在1 500 m上下，之后大雾持续；到9日07：00—09：00雾层高度下降到800 m左右，近地层相对湿度达到饱和，水汽密度达到16.0 g/m3，有小于2 K弱逆温，此时大雾浓度迅速加强，8:30时最小能见度只有80 m。11:00大雾逐渐消散,相对湿度饱区迅速抬升，水气密度快速减小。

此次过程有如此大的水汽密度，是因为前期出现降水，地面水汽蒸发导致水汽密增大，而此时滨海地区处在倒槽后部，出现了能见度极低的平流辐射雾（图4）。

3.5 微波辐射计资料监测的不同类型雾的对比分析

本文共分析了16次大雾个例，天气形势和各要素值见表1。

从表1中的观测数据可以看出，不同天气形式下雾层高度各不相同；高压前部型雾层高度在300～ 500 m的左右，雾层高度最低；有明显的逆温层，逆温差值达4～6 K。高压后部型雾层高度在400～600 m的左右，雾层高度次低；有明显的逆温层，逆温差达4～10 K。倒槽前部型雾层高度在1 000～1 800 m的左右，雾层高度最高。倒槽后部型雾层高度在1 000～1 500 m的左右，雾层高度次高；倒槽型大雾有小于2 K的弱逆温层。大雾发生期间相对相对湿度均大于90%以上；水汽密度冬天大于4.0 g/m3，秋天水汽密度会达到10.0 g/m3以上。

从微波辐射监测图看，辐射雾发生时相对湿度与水汽密度会爆发性增大、增高，对应水汽密度也迅速增大；平流雾发生时中层大湿区变薄，近地层大湿区迅速增大到接近饱和，近地层水汽密度也迅速增大。大雾消散时相对湿度都迅速减小、抬升，水汽密度也明显减小。

5 结论

（1）高压前部型和高压后部型的辐射雾前发生前，相对湿度和水汽密度值开始稳定上升，无剧烈波动，临近大雾时两者爆发性增强，底层大气接近饱和，逆温层明显,逆温差值大于4 km，这是辐射雾形成特点。

倒槽前部型和倒槽后部型的平流雾前发生前，高空有相对湿度大值区，水汽密度较大；大雾发生时高层大湿区变薄，近地层相对湿度和水汽密度迅速增大，底层大气接近饱和，逆温层较弱，这是平流辐射雾形成特点。

（2）辐射雾的高度较低，一般低于600 m；相对湿度大于90%,水汽密度大于3.5 g/m3。平流辐射雾的高度较高，最高达到1 800 m，且持续时间长；相对湿度大于90%，水汽密度大于4.0 g/m3，经常会出现连续雾日。

（3）辐射雾消散时由于蒸发作用，相对湿度大值区抬升，近地面相对湿度和水汽密度值会迅速减小，逆温层减弱消失。平流辐射雾消散时相对湿度饱和区抬升且减小，水汽密度略有减少，傍晚以后对湿度和水汽密度再度增大时，常常出现连续雾日。根据以上特点可以及时发布大雾生成和消散的预报、预警，服务于社会，以减少大雾天气引发的交通事故。

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Application of Microwave Radiometer Data in the Fog Forecasting and Early Warning

ZHAO Jinxia1，FAN Sudan2，ZHU Xiaojing1
（1.Meteorological Bureau of Tianjin Binhai New Area,Tianjin 300457 China；2.Meteorological Research Institute of Jinan,Jinan 250031，China）

MP-3000A is a new atmospheric sounding instrument,which can be obtained continuously from the ground to the height of 10 km of high-resolution digital temperature,relative humidity,The water vapor density profile.Select fog occurs,upkeep and dissipate microwave radiometer observations,Analysis found that process from the formation of fog to dissipate,The evolution of the fog of water vapor density,relative humidity and potential temperature are different variations;Front fog occurs near surface atmospheric relative humidity,water vapor density is generally a steady increase,Fog occurs when They will increase explosively.There is inversion layer in near surface layer,radiation fog obvious,maintenance phase in the fog.Fog layer of highly there are stable and fluctuating in during fog,Fog will quickly strengthen the fog layer height when dropped.When the fog dissipates a large wet area near surface layer reduction and uplift,The water vapor density decreases rapidly.Therefore,the microwave radiometer water vapor density,liquid water content and potential temperature studies,will help improve the generation and dissipation of fog forecasting and early warning.

fog；microwave radiometer；vapor density；liquid water content；potential temperature

P468

B

1002-0799（2015）03-0031-05

赵金霞，范苏丹，朱晓晶.微波辐射计资料在大雾预报预警中的应用[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（3）：31-35.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.03. 005

2014-04-08

科研专项（GYHY201006034）资助。

赵金霞（1963-），女，工程师，主要从事灾害性天气研究。E-mail:zhjx1626@163.com