基于微波辐射计的盛夏短时强降雨水汽特征分析

张 涛,韦 玮,吴凌华

(1. 四川省成都市气象局,成都 611130; 2. 海装驻成都地区第三军事代表室,成都 610000)

引言

水汽作为大气成云致雨的必要条件，在天气气候、水循环、生态环境[1]等中扮演重要角色。在天气预报中，常从比湿、水汽水平垂直分布、水汽输送、干湿分界线、整层水汽含量等物理量出发，了解大气中水汽时空分布状况，作为制作或修正天气预报产品的重要依据。随着预报精细化程度和要求的不断提高，对更细致的水汽监测研究提出了更迫切需求。地基微波辐射计作为遥测大气水汽和液态水的有效工具之一，正逐步被广泛应用。较其它大气遥测监测设备，该仪器的优势是穿透能力较强，受云、小雨、雾的影响小[2]，可同时测得单位底面积垂直大气柱中水汽和云液态水总量，且可无人值守、全天时工作。

20世纪70年代末，国外学者开始将微波遥感技术运用于大气探测，通过对水汽吸收衰减特性的研究，实现大气中水汽和云内液态水的连续观测[3-4]。20世纪80年代后期，我国在北京、天津和河北开展中尺度气象业务实验(OEMM)时，首次利用双通道辐射计测量大气中水汽和云内液态水[5]。随后国内气象学者逐步将地基微波辐射计反演资料运用于人工影响天气[6]、环境气象[7]、强天气[8-11]和雾[12]等的监测分析中，得到了不同天气过程中大气水汽含量、可降水量和液态水含量的变化特征。随着地基微波辐射计资料时间序列的延长和空间站点的增多，水汽和云内液态水的日月变化特征、时空分布研究也取得了一些成果[13-14]。例如，张文刚等[13]通过分析发现降水时，大气可降水量日变化呈现“一谷一峰”特征、液态水总量在白天先增后减，在午后出现峰值，在夜间变化波动较大。

地面降水相对于空中水汽、液态水含量的变化存在滞后性，故众多学者利用微波辐射计资料开展降水前水汽演变特征研究，从而寻求预报预警指标。有些研究指出[2，15-16]，降水开始前1h内，云内液态水、大气中水汽总量有突增现象。例如，李军霞等[2]研究指出大气水汽总量及液态水含量在降水开始前的突增对降水有20～50 min的预报提前量。但，韩芳蓉等[17]通过夏季暴雨过程分析发现，微波辐射计获取的要素变化特征与降水与否，以及降雨量大小判别上有指示意义，但对降水预报提前量没有显著特征。崔雅琴等[18]在研究短时强降雨时，也只发现降水前液态水含量有跃增现象。

由此可见，基于地基微波辐射计资料，对降水过程大气中水汽和液态水的变化特征研究还不足，研究结论也存在较明显的差异。同时，对不同量级降雨的水汽特征差异研究也甚少。本文利用成都青羊区RPG HATPRO-G4微波辐射计资料和成都市自动气象站降雨量资料，选取2016、2017两年盛夏7、8月期间发生的局地强降雨和阵雨个例，分析降雨前6h到降雨结束后1h内水汽特征，探讨该资料在短时强降雨中的应用，并首次对比离微波辐射计不同距离内发生短时强降雨时微波辐射计水汽资料特征异同点。

1 仪器简介

RPG HATPRO-G4地基大气微波辐射计，采用“多通道并行测量技术”，实时获取大气水汽和氧气衰减特性，反演得到气温(T)、水汽密度(VD)、相对湿度(RH)和整层水汽含量(IWV)等产品。一次反演产品廓线，高度从地面至10km，垂直获取层数高达93层(下密上疏)，平均每小时获得51时次产品数据廓线。该仪器提供天顶扫描、边界层扫描和全天空2D三种扫描方式，文中所用数据均通过天顶扫描方式获取。微波辐射计位置如图1所示。

2 个例选取和分析方法

2.1 个例选取标准

选取个例前，先对自动站雨量数据进行质量控制处理，确保降雨量数据可靠。文中短时强降雨定义为成都全域的平坝地区有雨量站测得小时降雨量≥20mm；阵雨个例选取标准为成都全域12h累计最大降雨量≤10mm，并在图1中区域I内有降雨发生。若两次短时强降雨过程发生时间间隔>6h，则认为是两次不同的短时强降雨个例。据此，从2016、2017两年盛夏7、8月中分别选取16个短时强降雨和16个阵雨个例。此外，为进一步对比不同区域短时强降雨发生时水汽特征的异同，根据短时强降雨发生位置和距微波辐射计本站的距离，从上述16个短时强降雨个例中抽取出I、II两类典型各两例(表1)。Ⅰ类：本站雨强≥20mm·h-1，或附近10km内雨强≥20mm·h-1且本站雨强≥5mm·h-1；Ⅱ类：距本站10～30km范围雨强≥20mm·h-1且本站雨强≤5mm·h-1。由于夏季强降雨时常伴有阵性大风，使得水汽含量波动较明显，为排除大风的影响，本文在选取典型个例时，同时要求降雨过程中瞬时风速<17.2m·s-1(八级)。

表1 选取的两类典型短时强降雨个例

2.2 分析说明

文中选取水汽密度、相对湿度和整层水汽含量三类微波辐射计产品分析短时强降雨前后的水汽变化特征。由于短时临近天气预报业务需要，文中主要分析水汽在降雨前6h、3h、1h、降雨开始时刻、降雨过程中物理量最大时刻和降水结束后1h的变化特征。考察高度为常用特征层高度(地面、850hPa、700hPa和500hPa)。定义水汽时间变率为：

降雨开始前：VRbx=100%×(fb0-fbx)/fbx

降雨结束后：VRax=100%×(fax-fa0)/fa0

其中f为水汽密度、相对湿度等物理量值某时刻值，下标b0表示降雨开始时刻，下标a0表示降雨结束时刻，x表示小时数(如：b3为降雨发生之前3h，a1为降雨结束后1h)。微波辐射计数据分析前，均采用十点滑动平均排除瞬时波动的影响。

3 短时强降雨和阵雨的总体差异

水汽密度廓线时序图上(图略)，短时强降雨和阵雨的水汽密度均随高度减小，从地面19±3g·m-3，到7.5km高度处，减小至1.0g·m-3左右。变率上，低层梯度大，高层梯度小。近地面2km内，短时强降雨和阵雨的水汽密度梯度在4.0～5.0g·m-3·km-1；5.0～7.0km水汽密度梯度接近1.0g·m-3·km-1。选取降雨前6h、3h、1h、降雨开始时刻和降雨中水汽密度最大时刻共五个时刻，对比短时强降雨和阵雨的水汽密度盒须图(图略)，发现降雨前6h内，短时强降雨和阵雨的水汽密度增量一般不超过1.5g·m-3，不同的是短时强降雨多呈一致增加趋势，阵雨多呈波动增加趋势。地面至500hPa，不同高度上短时强降雨和阵雨水汽密度的中位数差异不同，但总体上随高度增加，差异值逐渐减小。在降雨时，不同高度上短时强降雨的水汽密度均有突增现象，以特定层700hPa为例(图2a)短时强降雨的水汽密度有2.0g·m-3左右的突增。无论是降雨前还是降雨时，不同高度上阵雨个例水汽密度的离散度较短时强降雨更大，特别是在降雨过程中。由于阵雨个例水汽密度的离散度较短时强降雨更大(图2a、b)，故难以通过不同高度上的水汽密度区分这两类降雨，所以将地面水汽密度和2倍的500hPa高度水汽密度之和(VD地面+2×VD500hPa)作为一指标尝试区分短时强降雨和阵雨(如图2c、d)。通过考核该指标发现在降雨前3h设定阈值为26g·m-3(即≥26g·m-3为短时强降雨，<26g·m-3为阵雨)，短时强降雨和阵雨的区分度达62.5%；降雨前1h设定阈值为26.3g·m-3，两者区分度达75%，降雨开始时设定阈值为26.5g·m-3，两者区分度达81.25%。

相对湿度廓线时序图上(图略)，短时强降雨和阵雨发生前6h内一直有相对湿度≥90%的饱和区在1～3km出现，但短时强降雨的饱和层厚度更厚，从1～3km向上向下的相对湿度均降低。近地面，相对湿度常在65%～85%；3km高度向上，相对湿度为80%的等值线常位于5～6km高度，随着降水时刻的临近，相对湿度80%的等值线所在高度缓慢抬高。同样选取降雨前6h、3h、1h、降雨开始时刻、降雨中相对湿度最大时刻共五个时刻的相对湿度绘制盒须图，发现阵雨相对湿度离散度也更大，该特征同其水汽密度特征一致。选取相对湿度最大的层次700hPa分析(图2e、f)发现，从降雨开始前6h到降雨开始时，短时强降雨相对湿度中位数从95%逐步增加到97.5%，而阵雨的相对湿度中位数在94%～97.5%波动。随着降雨的产生，短时强降雨700hPa相对湿度大多为100%，从垂直高度上来看，相对湿度为100%层次也向下伸至1km或更低，而向上可抬升至3km上。以上结果表明阵雨形成过程中不仅饱和湿层的厚度较短时强降雨薄，且饱和度也较短时强降雨更小。

通过分析降雨前6h、3h、1h、降雨开始时刻、降雨中整层水汽含量最大时刻共五个时刻的短时强降雨和阵雨的整层水汽含量(图2g、h)可见，短时强降雨前6h内中位数从58.9kg·m-2增加至61.9kg·m-2；，同时刻短时强降雨的整层水汽含量较阵雨均大3～5kg·m-2。降水发生时，随着低层水汽密度迅速增加，短时强降雨整层水汽含量伴有陡升现象，如图2e所示，中位数增幅达13.5kg·m-2；而阵雨不同个例之间的增幅差异较大。

综上所述，盛夏季节，短时强降雨和阵雨发生时大气中水汽含量丰富，但相比之下，前者水汽含量更充沛，主要表现在水汽密度更大，饱和湿层更厚，这为深厚对流云的发展提供了必要的水汽条件。上述特征是基于所有阵雨个例和短时强降雨个例对比分析所得，而事实上，短时强降雨有时在微波辐射计上空或附近(简称I类)，有时在离站较远的地方(简称II类)，那么其水汽特征是否存在明显差异呢？由于I类短时强降雨的两个例(表1)水汽廓线特征相近，因此文中主要展示2017年8月21日降雨个例，同理，II类短时强降雨只展示2017年8月22日降雨个例，通过对比分析两类典型短时强降雨过程中水汽密度、相对湿度、整层水汽含量的特征，揭示离微波辐射计不同距离短时强降雨水汽特征的异同。

4 两类短时强降雨的结果分析

4.1 水汽密度特征分析

水汽密度为大气中水汽的绝对含量，其值的高低反应了大气中水汽含量的多少。对比I、II类短时强降雨前6h到降雨结束后1h的水汽密度廓线时序图(图3a、b)发现，在4km以下，降雨前6h两类短时强降雨的水汽密度值均在6～21g·m-3，表明短时强降雨发生时大气中均含有充沛的水汽；而4km以上，1g·m-3水汽密度等值线I类位于8km左右，II类位于7km左右，表明I类水汽密度的垂直梯度小于Ⅱ类。当降雨在微波辐射计上空发生，3km以下，两类短时强降雨的水汽密度随着降雨发生迅速增加，其增幅随高度递减；3km以上，水汽密度随着降雨发生而迅速降低，降幅随高度递增。降雨结束时，不同高度上变化趋势和短时强降雨初期的特征相反。值得注意的是短时强降雨发生在微波辐射计站点上空时(I类)，降雨开始近20min时出现数据失真现象，即各高度层上的数据均不发生变化(如图3(a)中06:10～08:32、09:30～11:10)。数据失真是由于辐射计天线罩上因较长时间降雨形成水膜，导致被动接收的氧气和水汽通道接收信号无变化而造成的。由于水膜蒸发需要一定时间，故降雨结束时，微波辐射计数据从失真状态转为真实状态有一定时间延迟。

由于降雨前的水汽密度值变化并不明显，因此本文计算了不同高度层次上水汽密度6h、3h和1h变化率(VR)。由表2可见，在短时强降雨发生前6h内，Ⅰ、Ⅱ类短时强降雨在水汽密度变化率上有较显著差异。以降雨前3h的变率为例，在850hPa和700hPa高度上，I类的水汽密度变率一般在4%～15%，而II类的水汽密度变率一般<4%；500hPa高度上，I类在降水前6h水汽密度值已达3.5g·m-3，故雨前3h汽密度变化率大多<2%，并常常伴有负的变率，而Ⅱ类在降水前水汽密度较低，故雨前3h水汽密度变化率以>2%为主。短时强降雨结束1h内，Ⅰ类水汽密度在850hPa和700hPa上变率值<-10%，500hPa变率可达50%以上；II类水汽密度在500hPa变率为负值。

4.2 相对湿度特征分析

相对湿度能直观反映空气的饱和度与湿层厚度。对比Ⅰ、Ⅱ类短时强降雨前6h到降雨结束后1h的相对湿度廓线时序图(图4)发现，4km以下，两类短时强降雨相对湿度保持在80%以上，且有>98%的层结存在，这些准饱和或饱和空气可为对流云发展提供了良好的云雨滴增长条件。不同的是：雨前6h，Ⅰ类短时强降雨相对湿度>80%的高度伸展至6.5km，而Ⅱ类短时强降雨仅达4km高度；雨前3h，Ⅰ类短时强降雨在3km高度处出现相对湿度为98%～100%的层结，并随着降雨的临近而增厚，向下可伸展至1.2km处，而Ⅱ类则仅在降雨前1h内出现>98%的层结，高度位于2km附近。此外，雨前3h内，I类短时强降雨在4km以上的相对湿度先缓慢增加后又持续下降。强降雨发生时，Ⅰ类表现为4km以上相对湿度骤降30%或以上，4km以下相对湿度有所增加，且随着第二次短时强降雨的发生，4km以上相对湿度下降得更加明显，相对湿度100%的层结向下伸展到达地面；II类各层相对湿度不大，仅在降雨发生时，有所波动，相对湿度>98%的湿层厚度维持不变。降雨结束时，Ⅰ类强降雨除2km以下外，其他高度相对湿度均增加，而Ⅱ类在降雨结束约30min前不同高度相对湿度呈缓慢下降趋势。

表2 两类短时强降雨在地面、850hPa和700hPa高度上水汽密度统计表

结合对流云内的动力结构可知，降雨时4km以上相对湿度的骤降现象表明对流云中不断有干空气夹卷或侵入现象，4km以下相对湿度为100%湿层增厚扩展到地面，表明对流云不断发展增厚，迅速凝结碰并成大雨滴而产生降雨，雨滴在近地面不断蒸发，使空气达到饱和。

4.3 整层水汽含量特征分析

两类短时强降雨过程整层水汽含量的时序变化如图5所示，结合统计数据可见，降雨前6h内，Ⅰ、Ⅱ类的整层水汽含量均为增加，Ⅰ类水汽含量从60kg·m-2左右增加3～4kg·m-2，且I类的水汽增值主要发生在降雨前3h内；Ⅱ类水汽含量从57kg·m-2左右增加2kg·m-2以上，且Ⅱ类的水汽增量主要发在降雨前6h至3h内。在降雨发生时，Ⅰ、Ⅱ类短时强降雨的整层水汽含量均有陡升现象，但由于数据失真，无法判断是否I类的整层水汽含量最大值是否高于Ⅱ类。仅从Ⅰ类来看，第二次短时强降雨时整层水汽含量高于第一次短时强降雨。尽管在强降雨发生时，大气层内水汽含量有剧烈变化，但在降雨结束后1h左右，无论是I类还是II类，整层水汽含量均会降低到降雨发生前，表明短时强降雨只能带来大气水汽含量的短暂变化，换言之，较大范围内大气水汽的改善或减少需要更长的时间。

综上所述，I类短时强降雨在水汽密度、相对湿度和整层水汽含量三方面均好于Ⅱ类短时强降雨，这与两类强降雨发生区域距微波辐射计的距离有很大关系，故微波辐射计反演的水汽参量数据代表近距离降雨水汽特征更为恰当，即I类短时强降雨的水汽特征更接近短时强降雨发生的真实情况。Ⅰ类的水汽增加主要发生降雨前3h，Ⅱ类的水汽增加主要发生在降雨前3～6h，说明随着降雨的临近，水汽辐合距离强降雨区域更近。水汽密度不同高度的变化率表明水汽增加主要集中在对流层低层；而相对湿度廓线表明持续的增湿也主要位于4km以下，4km以上的相对湿度增加十分有限，因此，短时强降雨的水汽辐合主要来源于对流层低层，在抬升作用下使对流层中高层增湿。

5 结论

利用微波辐射计反演的产品数据，对多个盛夏成都短时强降雨的水汽特征进行研究，结果表明：

(1)盛夏季节，无论是阵雨还是短时强降雨，成都地区大气中水汽条件均较好，地面水汽密度达19±3g·m-3，IWV在53 kg·m-2以上，1～3km高度RH≥90%。

(2)地面水汽密度和2倍的500hPa高度水汽密度之和(VD地面+2×VD500hPa)作为指标对区分短时强降雨和阵雨有较好地指示意义，降雨前3h、1h和降雨开始时刻的区分度依次为62.5%、75%和81.25%。

(3)短时强降雨发生区域大气湿度增长缓慢，且主要集中在降雨前3h内。微波辐射计上空有阵雨时，水汽密度和相对湿度均表现出低层大气增湿，高层大气降湿的特征。低层增湿和雨滴下落过程中的蒸发现象相关，高空的降湿和干空气的夹卷有关。

(4)通过不同区域内发生的短时强降雨对比分析发现，强降雨发生前3h内，持续的水汽辐合，使得大气不断增湿，特别是3km高度处出现相对湿度为98%～100%的层结，该湿层随着降雨的临近而增厚，向下伸展至边界层内。降雨刚发生时，4km以上相对湿度骤降，4km以下湿度更加趋于饱和。降雨结束后1h左右，整层水汽含量会降低至与降雨发生前相近的值。