微波辐射计在三门县强对流天气预报中的应用研究

林琳 张灵杰 赖丽娜 高杰 康天伟 李芹 池景波

摘要：本研究利用三门县气象局架设的QFW-6000地基微波辐射计，获取大气水汽含量、积分液态水含量、温度廓线、水汽密度廓线、相对湿度廓线和液态水廓线等物理参数，分析强对流天气过程前后温湿条件和各物理量变化特征，结果表明QFW-6000地基微波辐射计作为实时探测仪器，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、液态水含量分布等情况。在降水发生时前，微波辐射计的监测结果显示从路径积分液水含量和路径积分水汽含量出现连续增大的趋势到降水开始大约有1小时至2小时的提前量，在降水开始前10分钟左右，积分水汽含量及液态水含量会出现一个峰值，对强对流降水的发生具有较强的指示意义。

关键词：微波辐射计；强对流；临近预警

引言

三门县地处浙江省东南沿海，属亚热带季风气候，是短时强降水、雷暴大风、冰雹等强对流天气的多发地区。强对流天气具有突发性强、空间尺度小、生命史短、破坏力大等特点，往往会带来雷电和大风灾害，引起山洪暴发、泥石流等地质灾害，农作物遭受冰雹袭击，对人民生命财产安全和生产生活造成严重威胁。因此，加强对强对流天气开展研究，不断提升强对流天气的精细化、精准化预报能力，对提高抗灾能力、挽回国民经济损失有重要意义[1-2]。

强对流天气是指伴随雷暴现象的对流性大风（≥17.2m/s）、冰雹、短时强降水。强对流天气发生于中小尺度天气系统，空间尺度小，一般水平范围大约在十几公里至二三百公里，有的水平范围只有几十米至十几公里。其生命史短暂并带有明显的突发性，约为一小时至十几小时，较短的仅有几分钟至一小时[3-4]。对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，虽然只是地区性的，但部分事件危害性较大。众所周知，有相当一部分冰雹、雷暴大风、局地强降水等高影响天气生消在在两次探空之间，缺乏对流天气发生临近时刻的探空资料是制约预报水平进一步提高的因素之一。

在目前中尺寸天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用手段。探空气球会受到使用时间和空间的限制，天气雷达资料基本局限于降雨过程，在离地面5公里范围内卫星遥感数据也存在较大的误差。而近年来越来越多的人来进行各种天气探空曲线的空间及时间构建，微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，是利用被动地接收各个高度传来的温度辐射的微波信号赖判断温度、湿度变化曲线，能全天候、全天时工作，是近年来在业务上广泛应用的新型探测仪器之一，被动式地基微波辐射计的出现，填补上述研究方法监测方面的空白，是极其有效的补充手段。通过开展微波辐射计资料在三门县强对流天气预报中的应用研究，有利于提高我县强对流天气的综合监测预报预警能力。

三门县气象局架设的QFW-6000地基微波辐射计，是利用被动的接收各个高度传来的温度辐射的微波信号来判断温度、湿度曲线，能定量测量目标(如地物和大气各成分)的低电频微波辐射的高灵敏度接收装置。微波辐射计具有24h连续工作、时间分辨率高、无人值守工作等优点，是对常规探空的有益补充。微波辐射计能输出温度廓线、水汽密度廓线、相对湿度廓线等有价值的气象资料，对其输出的实时数据反演的有效位能（CAPE）、K指数等物理量特征进行诊断分析，寻找不同类型强对流天气发生发展的特点，可为本地强对流天气预报预警提供参考。

但是微波辐射计作为一种新型探测设配，资料的应用还处于探索阶段。本研究将通过对多次强对流过程中微波辐射计提供的数据进行分析研究，探索提升强对流天气预报及时性，准确性的可能，从而为防灾减灾工作和公众生产生活提供科学指导。

1 资料与方法

1.1. 资料来源

QFW-6000地基微波辐射计测量从地表面到10km大气层的垂直廓线，廓线从0到500m高度上每25m输出一个数据，200m到2km高度上每50m输出一个数据，2km到10km每250m输出一个数据，共83个反演层。现应用level2数据，包括SurTem(℃)地面温度、SurHum(%)地面湿度、SurPre(hPa)地面压强、Tir(℃)红外亮温、Rain降雨量、CloudBase(km)云底高度、Vint(mm)大气水汽含量、Lqint(mm)积分液态水含量、温度廓线、水汽密度廓线、相对湿度廓线和液态水廓线。

1.2. 研究方法

首先是强对流天气过程的筛选。在个例筛选过程中，以三门基准站资料为准，结合区域自动气象站的资料，按照强对流业务标准，选出2023年影响程度较重的强降水过程个例，见表1。

表1  两次强对流天气个例情况表

天气类型	主要影响时段	天气实况
短时强对流	2023年8月7日	中午到傍晚三门县出现明显雷阵雨天气。截至19时，全县面雨量14.6毫米，局地出现8～9级雷暴大风。
短时强对流	2023年8月22日	中午起三门县出现明显雷阵雨天气。截至20时，全县面雨量31.0毫米。

2 结果分析

2.1.  8月7日强对流过程分析

从三门基准站降水记录数据来看，8月7日的天气过程主要包含一次降水过程（图1），7日10时56分开始有降水记录，11时至11时20分降水强度最大，随后由零星降水，到17时雨止。

微波辐射计8月7日记录的各要素数据显示：7日0时至9时50分，路径积分液水含量变化比较平稳，9时50分后，有了明显且连续的增大的趋势，尤其在10时46分后，路径积分液水含量陡然增大；路径积分水汽含量在7日0时至10时20分变化比较平稳，10时20分后路径积分水汽含量开始增加，至10时50分，增加速率明显加快。由水汽密度廓线图和相对湿度廓线图获知：7日10时40分开始，3000m以下的水汽含量有了明显的增加。

图1. 8月7日降水情况

2.2.  8月22日强对流过程分析

从三门基准站降水记录数据来看，8月22日的天气过程主要包含一次降水过程（图2），22日16时2分开始有降水记录，主要降水时段为16时2分到16时40分，随后由零星降水，至19时30分雨止。

微波辐射计8月22日记录的各要素数据显示：22日0时至14时18分，路径积分液水含量变化幅度较小，14时18分后，增大的趋势明显且连续；路径积分水汽含量在22日0时至14时20分变化比较平稳，14时20分后路径积分水汽含量开始增加。15时50分，路径积分液水含量和路径积分水汽含量增加速率明显加快。据水汽密度廓线图和相对湿度廓线图得知：22日13时30分开始，2500m以下的水汽含量有了明显的增加。

图2. 8月22日降水情况

3 结论

整个降水过程中，相对湿度廓线、水汽密度廓线、积分水汽含量及液态水含量时空一致性良好。在降水发生时前，微波辐射计的监测结果显示从路径积分液水含量和路径积分水汽含量出现连续增大的趋势到降水开始大约有1小时至2小时的提前量，在降水开始前10分钟左右，积分水汽含量及液态水含量会出现一个峰值。

研究表明，QFW-6000地基微波辐射计作为实时探测仪器，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、液态水含量分布等情况，一些指标如水汽密度、相对湿度、路径积分液水含量、路径积分水汽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的指示意义。

微波辐射计资料弥补了常规探空资料因探空时间间隔长，常规天气雷达探测局限性而导致的探空资料不足，在对强对流天气过程中对流层中变化迅速的温湿度信息以及云中水汽相态变化趋势等分析时非常有益。由于本研究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得代表性。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，分析得出更加实用合理的短临预报指标。

参考文献

[1] 张文岗，徐桂荣，万荣;基于地基微波辐射计的大气液态水及水汽特征分析[J];暴雨灾害，2015,34（4）：367-374

[2] 杨莲梅、李霞、赵玲；MP-3000A型地基微波辐射计探测性能及其在乌鲁木齐降水天气中的初步应用[J]；干旱气象，2013，31（3）：570-578

[3]汪小康，徐桂荣，院琨；不同强度降水发生前微波辐射计反演参数的差异分析[J]；暴雨灾害，2016，35（3）：227-233

[4]敖雪，王振会，徐桂荣;地基微波辐射计资料在降水分析中的应用[J];暴雨灾害，

2011，30（4）：358-365

作者简介：林琳（1995年8月—），女 ，助理工程师，从事气象防灾减灾工作。