雷连发;陈婷;杨柳;朱磊;陈瑞;程桂玉;秦江
【摘 要】本文利用地基多通道微波辐射计和大气对流参数对西安2017年7月28日晚上一次强降雨过程的大气状态进行了分析.通过利用微波辐射计观测数据计算分析了对流有效势能(CAPE)、KI指数和对流凝结高度(LCL)等多个常用的对流参数以及各参数在强降水发生过程前的变化特征.结果表明通过微波辐射计观测数据计算得到的强对流参数之间具有很好的相关性,很好的反应了强对流天气的水汽、稳定度和云的发展变化过程,这对强对流天气的预警预报具有指示作用. 【期刊名称】《火控雷达技术》
【年(卷),期】2017(046)004
【总页数】4页(P63-66)
【关键词】微波辐射计;强对流天气;对流有效势能;KI指示;抬升凝结高度
【作 者】雷连发;陈婷;杨柳;朱磊;陈瑞;程桂玉;秦江
【作者单位】西安电子工程研究所 西安710100;北方天穹信息技术(西安)有限公司 西安710100;西安电子工程研究所 西安710100;西安电子工程研究所 西安710100;西安电子工程研究所 西安710100;北方天穹信息技术(西安)有限公司 西安710100;西安电子工程研究所 西安710100;北方天穹信息技术(西安)有限公司 西安710100;西安电子工程研究所 西安710100;北方天穹信息技术(西安)有限公司 西安710100;西安电子工程研究所 西安710100;北方天穹信息技术(西安)有限公司 西安710100
【正文语种】中 文
【中图分类】TN97
0 引言
强对流天气是气象学上所指的发生突然、移动迅速、破坏力极大的灾害性天气，主要发生于中小尺度天气系统，空间尺度小，生命史短暂并带有明显的突发性，暴雨的发生伴随着明显的局地性[1]。强降水尽管次数不多，但是近年来突发的强降水一般强度大，时间短，
一旦发生就会造成严重的影响[2-3]。
强对流天气发生发展过程中常常通过一些动力学、大气热力学等强对流参数进行分析。这些强对流参数经常被用来分析和预报强对流系统的发展及演变，了解强对流参数对强对流天气的分析和预报具有很大帮助[4]。获取大气热力学参数目前常用的手段是通过无线电探空获取大气温湿度等垂直分布参数进行计算得到的。释放无线电探空仪获取探空资料可以很直接反演出大气垂直的热力和动力结构。但是现有探空每天仅有两次探空无法提供实时连续的大气状态垂直分布数据用来分析大气热力结构，难以对强对流天气过程进行监测和潜势预报。实践证明，只有通过大气遥感探测才是最经济、最快捷、实现连续监测大气状态变化的最佳途径[2]。微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，能够实时探测反演大气温度、湿度廓线，能全天候、全天时工作[4-5]。探空气球时间分辨率较低，天气雷达资料基本局限于降雨过程，地基微波辐射计的出现，填补上述探测技术的空白，对探测资料进行了有效补充[2]。在目前中尺度天气现象监测过程中微波辐射计资料的应用已越来越受到重视。 1 资料和方法
本文采用自主研制的MWP967KV型地基多通道微波辐射计进行大气特性参数遥感探测。微波辐射计是用于地表上空大气状态连续监测的精密探测仪器，系统通过被动接收大气在K 频段(22-30GHz)和在V频段(51-59GHz)的大气微波辐射亮温，通过神经网络算法来反演对流层高时空分辨率的温度、相对湿度和水汽密度等大气状态参数[6]。
本次主要对西安2017年7月27日19点28分开始的一次强对流天气过程进行详细的分析。本次过程强降水持续40h左右随后以小雨为主，降水过程自西向东进行，局地降水量达到30mm以上。
数据分析过程中采用辐射计反演的温湿度廓线、积分水汽(IWV)和天空红外辐射温度(IRT)以及由此计算得到的一些对流参数进行分析此次降水前的整个天气变化过程，利用的对流参数主要有以下几种：
(1)对流有效势能(CAPE)
埃玛图上从自由对流高度和平衡高度之间的正面积区域称为对流有效势能。表示在自由对流高度以上，气块可从正浮力作功中而获得的能量。这部分能量对大气有着积极的作用，
并有可能转化成气块的动能。CAPE越大说明大气状态越不稳定，越有利于发生对流天气。
(2)对流凝结高度(LCL)
未饱和气块被外力抬升而干绝热上升，在干绝热过程中气块比湿不变，当气块干绝热上升到温度与露点相等处的时候，就达到饱和而发生凝结，该点的所在高度就是对流凝结高度LCL[7]。
(3)KI指数
KI指数是判断大气状态的常用指数，可通过下式进行计算：
KI=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)
(1)
式中T表示温度，Td表示露点温度，下标数字表示气压。通常KI指数越大，大气状态越不稳定。
2 数据分析
(1)水汽含量分析
大气中充足的水汽含量是发生降水的必要条件，水汽含量偏低时发生降水尤其是强降水的可能性极小，水汽含量较高并有充足的水汽作为补充时，降水发生的可能行将大大增加。当然具有充足的水汽对于产生降水还是不够的，同时还需要动力和热力等进行相配合诱发才可以形成降水[8]。
图1 微波辐射计观测的大气温度和水汽廓线时空剖面图
对于本次降水过程从辐射计观测结果可以看出(如图1)，大气中水汽含量从7月23日中午之后迅速减少，水汽密度等值线下滑，直至7月25日晚上18点后开始逐渐增大，水汽开始得到补充。在7月26日晚上19点52分前后大气中水汽达到一个峰值，开始有15分钟左右的小雨并未产生强降雨。7月27日晚上18点后明显有水汽的大量补充，水汽密度等值线迅速抬升，随后在19点28分开始强降雨。本次短时强降雨过程造成西安多地发生严重积水。
从图1中可以看出，7月24日至7月27日午后都出现了高温天气，近地面500m高度以下气温
超过40℃，在每天的高温时段，近地面水汽含量相对有所减少，这可能是由于高温引起的热对流使得水汽发生了混合作用。从大气积分总水汽(IWV)来看降水前几日全天总水汽并未有明显变化，且呈上升趋势，说明大气中的水汽逐渐在的补充。
探空气球
(2)对流有效势能变化
7月20日开始大气CAPE逐渐增大，大气不稳定能量上升，大气处于不稳定状态。在7月24日CAPE突然减小接近0，大气状态从不稳定转为稳定状态(如图2所示)，这时大气中总的积分水汽也达到近几日最小值(如图3所示)，从7月25日CAPE迅速增加，大气重新回到不稳定状态，IWV也迅速升高，大气中得到了足够的水汽补充，为随后的强对流天气的发生做了准备。
天气在这一变化过程中，也明显看到了红外辐射温度的变化，天空红外辐射温度反应了云的信息，红外温度高低也就代表着云底的变化。红外温度越高说明云底高度越低。在7月23日和24日两天红外辐射温度变小，说明云底逐渐抬升，随后红外辐射温度升高，云底也相应变低，7月27日红外辐射温度达到最大值(8.4℃)，云底高度也降到最低。天空背景红外辐射温度反应了对流不稳定天气过程中云的变化。从红外温度也可以看出红外辐射温度越
大即云底高度越低时，IWV也相对变大。
图2 CAPE日平均变化
图3 IWV与红外辐射温度日均值变化
(3)KI指数和LCL的变化
KI指数同样表征了大气不稳定状态，KI指数越大，大气层节越不稳定。一般认为KI>35时易出现暴雨等极端天气[8]。利用微波辐射计观测的温湿度廓线结合式(1)可计算KI指数，从这次过程可以看出KI指数在7月23日和24日小于35，其中24日最小，说明这两天对流能量相对较小，大气状态稳定，其余每天都在35以上，是易发生强对流的天气。
从对流凝结高度LCL看，这次过程中在7月24日，大气凝结高度最高超过3.5km，云高相对较高，近地面的也就水汽需要更多的能量才能达到凝结高度成云。从7月25日开始LCL持续降低，在27日达到最低最后发生强降雨。微波辐射计观测计算的KI指数和LCL很好的反应了大气稳定度和对流凝结高度的变化过程。两者对天气变化的响应也具有明显的一致性。
图4 KI指数和LCL日均值变化
3 结束语
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议