微波辐射计在西安咸阳机场强对流短临预报过程中的应用分析

屈晓茜 王泽斌 陈昶 于红伟 姜琳

摘 要：利用西安咸阳机场人工观测场内架设的MWP967KV两种型号的地基多通道微波辐射计探测资料对2017年6月29日发生的一次强对流降水天气过程进行了探测分析及对比。结果表明：在这次强对流天气过程中，上升气流强盛，引起云底高度出现明显波动，低层空气向上输送释放凝结潜热导致等温线上抬，整层水汽与液态水含量有多峰结构产生;利用微波辐射计资料二次反演计算分析了KI、SI、TT三个大气不稳定指数，这些指数对强对流天气的短临预报有很好的指示效果，探测结果具备一定的临近预警潜力。

关键词：地基多通道微波辐射计;强对流;大气不稳定参数;临近预警

1 绪论

多通道地基道微波辐射计是一种被动式微波遥感仪器，用于大气探测时，通过接收大气层不同高度（与常规探空高度层一致）传来的温度辐射的微波信号，使用反演算法获得大气中总水汽量、总液态水量、以及温度、湿度、水汽和液态水的廓线，能全天候、全天时进行连续实时探测及数据采集，其对温度、水汽的三维高时空分辨率探测资料可作为填补以上常规探测资料空白的有效补充手段。

本文选取了2017年6月29日的强对流天气过程作为个例，利用架设在咸阳机场人工观测场内的MWP967KV型地基多通道微波辐射计的遥感探测资料，得到高时空分辨率的大气层结温湿分布，计算可表征强对流天气的重要对流参数，如KI、SI、TT等，并探讨多通道微波辐射计的高时空分辨率探测数据对于强对流天气预报预警的提前量和指示性的作用，旨在对微波辐射数据在对流天气方面的探测进行初步的评估比较，为短时临近天气预报提供可靠的技术支持。

2 设备、资料与方法

2.1 仪器简介

MWP967KV型地基多通道微波辐射计，共36个通道，包括21个水汽通道、14个温度通道、1个红外通道，采用毫米波双频段、多通道无源接收方式，精确探测顶部空域大气温度及水汽敏感通道的自然辐射信号，直接测量出地面大气压强、温度、相对湿度，通过神经网络算法反演得到大气辐射亮温，大气温度廓线，水汽密度廓线，相对湿度廓线，云液水廓线，积分水汽，积分云水，云底温度和云底高度等数据产品。地基多通道微波辐射计资料弥补了常规探空资料因探测时间间隔长，常规天气雷达探测局限性而导致的探测资料不足，在对强对流天气过程中对流层中变化迅速的热力学信息、中小尺度系统的温度、湿度变化，以及云中水汽相态变化趋势等分析时非常有益。

2.2 资料与方法

本文通过分析MWP967KV地基多通道微波辐射计对2017年6月29日强对流降水天气的实时探测结果，以及二次反演计算出的多个大气不稳定参数，得出对强对流天气短临预报有指示效果的变化规律或预警指标。

3 天气背景

2017年6月29日15：18（北京时，下同），西安咸阳机场出现了干雷，15：41转为弱雷雨，持续至16：10雷雨结束。

从环流背景场分析（图1），500hPa上，6月28日晚20时，副高边缘线位于华南沿海一带，新疆东部至河西以西为高空槽，槽后西北气流引导冷空气南下，低涡位于甘肃南部，6月29日早8时，河西地区出现明显温度冷槽，位于甘肃南部的低涡系统逐渐发展，至河套北部均为低值系统控制，关中地区处于低涡前部，且为温度冷中心。700hPa在甘肃南部至陕西中南部有切变辐合系统，且表现为温度暖中心，从高低空配置来看，具备对流天气发生条件。

4 探测结果分析

4.1 微波辐射计监测分析

从MWP967KV型地基多通道微波辐射计的探测结果中可以看出，温度、相对湿度、水汽、液态水在垂直方向上的分布与强对流天气发生时间段也有很好的对应关系。温度廓线来看，强对流发生时段中，在2.5km高度以上，等温度线表现为多峰值结构，地面至2.5km之间，等温度线明显下降，借此推断，一方面是热对流上升所致，另一方面可能是由于低层空气在上升过程中释放的凝结潜热导致等温线上抬主要发生在2.5km高度以上。随着降水结束，各层温度明显下降到降水前状态。在相对湿度廓线上，1—6km高度层相对湿度在强对流发生时出现急剧的升高，出现明显的逆湿现象，6km高度以上表现为明显的干区，虽维持时间短，但加剧了层结不稳定性。温度与水汽会共同对相对湿度造成影响，温度偏差1℃，相对湿度都可能会有很大差异，水汽垂直分布变化趋势与温度类似，降水开始前水汽缓慢聚集，液态水含量大值区（≧0.4g/m3）所处高度约在4—6km之间。

充足的空气湿度是形成云的先决条件，云底高度在强对流天气开始前有剧烈的波动，云底高度的谷值与大气中水汽与液态水含量的峰值几乎出现在同一时间。在降水开始前的一段时间都同时出现了大气相对湿度的大幅度增加和云底高度的大幅度降低。而降水出现的时间与强度还与大气中，尤其对流层低层中的大气湿度及其变化增幅，空气何时达到饱和及饱和维持时间，饱和层空气厚度密切相关。在对云液态水总量和水汽总量的探测结果中，降水前的一段时间均出现了双峰结构，之间的谷值可能是云滴向雨滴转化的孕育区。可推断在降水前出现云液态水总量以及低层水汽减少，主要原因是水汽向雨滴的转化。

从微波辐射计的探测结果来看，探测的温度、相对湿度、水汽含量等物理量能较好地反映强对流天气发生发展过程的热力和水汽时空分布和变化特征，在强对流降水过程中，各个物理量变化具有短时、剧烈的特征。表明地基微波辐射计对西安咸阳机场上空的温湿度分布具有较好的探测性能，设备探测结果之间存在的偏差可能与各自使用的神经网络反演算法差异、变化频率、数据采集的時间分辨率不同有关。

4.2 不稳定指数监测分析

利用MWP967KV微波辐射计探测的资料（图2），计算了KI、TT、SI3个判断不稳定条件的指数，根据其走向趋势来看，在雷暴发生前，TT指数和SI指数没有明显的跃变，KI指数在雷暴发生前20min从36.2℃升高至40.3℃，之后在强对流性降水持续期间数值未表现出明显增长，与MP—3000A探测结果有较大差异。在降水结束前约30min，TT指数、KI指数出现较明显回落，SI指数有小幅度升高，可用于短时预报强对流性降水的结束。

由于本文获取的微波辐射计原始资料时段较短，用于个例分析的样本数较少，故所得结论缺乏一定的代表性。在之后的验证工作中将选取不同强度、不同种类的强对流天气个例的连续的微波辐射计探测资料，分析得出更实用合理的短临预报指标。

5 结果和讨论

（1）MWP967KV微波辐射计设备作为实时探测仪器，其探测的数据能很好地反映大气层垂直方向上温湿度、水汽、液态水含量分布和云底高度等状况，一些指标如温度、相对湿度、液态水含量在强对流天气出现前均会有明显的跃变，对强对流降水的发生具有较强指示意义。

（2）二次反演产品，如大气不稳定参数也对短临预报强对流天气的发生时会有明显的升高。将KI≧37℃，TT≧50℃，SI≦-1℃作为西安咸阳机场产生强对流性降水预警指标，可以提前30min预警强对流降水天气。

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