华北一次层状云系暖区水汽和液态水分布特征.pdf

聂皓浩,王婉,杨洋,等.华北一次层状云系暖区水汽和液态水分布特征.应用气象学报,2 0 2 4,3 5(2):1 9 6-2 1 0.D O I:1 0.1 1 8 9 8/1 0 0 1-7 3 1 3.2 0 2 4 0 2 0 6华北一次层状云系暖区水汽和液态水分布特征聂皓浩1)王 婉1)*杨 洋2)林晓萌3)郭晓军1)李晓波4)1)(天津市人工影响天气办公室,天津 3 0 0 0 7 4)2)(河北省人工影响天气中心,石家庄 0 5 2 1 0 0)3)(天津市气象台,天津 3 0 0 0 7 4)4)(天津气象雷达研究试验中心,天津 3 0 0 0 7 4)摘 要基于机载微波辐射计、地基微波辐射计和K a波段云雷达3种遥感资料,结合F Y-4 A气象卫星、气象观测站、天气雷达及再分析资料,研究2 0 2 1年5月1 5日一次华北降水性层状云系暖区的水汽和液态水分布特征。结果表明:水汽和液态水的水平分布不均,飞机平飞时机载微波辐射计探测的积分水汽含量和液态水路径起伏变化,最大值分别为4.0 0 c m 和1.8 7 mm,随着暖区云顶高度和云层厚度降低,二者分别降至0.8 9 c m 和0.1 3 mm。随着降水发生发展,地基微波辐射计探测的积分水汽含量和液态水路径均出现跃增,峰值分别为8.6 2 c m 和3.8 5 mm,水汽变化滞后于液态水,垂直方向上液态水含量的累积区厚度、最大值及所在高度均随降水先增后减,液态水的时空演变对暖区降水及增雨作业时机和部位的判识有重要指示意义。云雷达探测的液态水含量也出现跃增,在1 k m高度以下反射率因子较大、粒子下落速度及离散程度较大时段,液态水丰富,对应降水量较大,粒子碰并是暖区降水的主要机制。关键词:多源遥感;华北层状云;暖区;水汽和液态水;分布特征 引 言水汽在大气运动中扮演着重要角色,水汽含量是评估空中云水资源的重要依据1,云中液态水含量及分布是确定人工影响天气作业催化剂量和催化位置的重要参照指标2。为了准确反映大气中云水资源条件和人工影响天气的催化潜力,提高作业科学性,研究不同区域水汽和液态水含量及分布特征十分必要。近年随着探测技术与反演算法的发展,主动及被动遥感设备成为探测水汽和液态水的重要手段。其中,主动遥感设备如云雷达,可连续监测云的垂直结构及演变3,探测几微米的云粒子及弱降水粒子。有学者利用云雷达开展液态水含量的反演,分析弱降水云的发展演变过程与液态水分布特征4-5,并将反演结果与飞机探测资料6-8、地基微波辐射计资料等9-1 1进行对比,验证云雷达对液态水含量的探测能力。被动遥感设备微波辐射计以高时空分辨率、高探测精度、可无人值守等优势被广泛应用1 2-1 3。利用地基微波辐射计资料研究发现不同天气背景下水汽和液态水含量具有明显日变化和季节变化特征,且存在地域性差异1 4-1 6,降水来临前水汽和液态水均存在跃增现象,不同降水类型下跃增开始时间、高度及演变特征有所差异,这对降水的提前预报有一定指示意义1 7-1 8,也对开展精细化人工影响天气作业有重要参考价值。但由于地基微波辐射计位置固定,探测范围有限,对人工影响天气作业潜力区的探测仍有局限。2 0 2 3-1 1-0 8收到,2 0 2 4-0 1-3 0收到再改稿。资助项目:国家重点研发计划课题(2 0 1 9 Y F C 1 5 1 0 3 0 1),天津市自然科学基金项目(2 0 J C Y B J C 0 0 0 1 0),天津市气象局一般项目(2 0 2 4 1 5 y b x m 1 1),中国气象局沈阳大气环境研究所联合开放基金(2 0 2 3 S Y I A E K FM S 1 4)*通信作者,邮箱:v v a n 1 9 8 11 2 6.c o m 第3 5卷 第2期 2 0 2 4年3月 应 用 气 象 学 报J OUR NA L O F A P P L I E D ME T E O R O L OG I C A L S C I E N C E V o l.3 5,N o.2 M a r c h 2 0 2 4 机载微波辐射计是在地基微波辐射计基础上发展起来的设备,可直接进入目标云系探测水汽和液态水分布,是探测人工影响天气作业潜力区的有效手段1 9。2 0世纪8 0年代美国研制了9.5 mm波长双向天线机载微波辐射计并用于反演积云的液态水含量2 0,发现与液态水 测量结果一 致性较好2 1。1 9 9 9年印度洋探测试验发现晴空条件下机载微波辐射计3 7 GH z和9 0 GH z通道亮温与积分水汽含量的线性相关性最高2 2。2 0 0 0年初我国首次研制成功单波段(9.5 mm)单天线对空机载微波辐射计,频率为3 1.6 5 GH z2 3,利用该辐射计的亮温资料采用统计方法对层状云液态水路径进行反演2 4,发现液态水路径与雷达回波强度呈较好正相关2 5-2 6。2 0 0 4年美国P r o s e n s i n g公司研制双边四通道机载微波辐射计,中心频率为1 8 3.3 1 GH z2 7-2 8,该频段在探测低含量水汽和液态水上具有较高灵敏度和探测精度2 9-3 0。华北地区是我国水资源短缺最严重的地区之一,层状云是华北人工增雨的主要作业对象3 1。目前,对华北层状云微物理特征及降水机制的研究主要集中在冷云或混合云,人工增雨作业也多采用更加成熟的冷云催化技术,对层状云系暖区研究报道较少3 2。基于此,本文利用机载微波辐射计、地基微波辐射计及云雷达3种遥感资料,结合F Y-4 A卫星、气象观测站、天气雷达及再分析资料,研究2 0 2 1年5月1 5日华北一次降水性层状云系暖区水汽和液态水分布特征及其与降水的关系,以期为华北层状云系暖区宏微观结构与降水机理的研究及人工增雨作业条件的判识提供参考。1 观测仪器及资料机载微波辐射计安装于飞机右侧机翼下方,在飞行过程中可获取4个通道的辐射亮温,通过反演可获得从飞机高度到大气上界的积分水汽含量和液态水路径。由于探测过程中存在无线电干扰信号,需要对亮温资料进行质量控制3 3,其次考虑到机载微波辐射计自带算法反演精度较差1 9,本文使用新发展的基于B P(b a c k p r o p a g a t i o n)神经网络和D e c k e r模型的反演算法,该算法可提高华北地区积分水汽含量和液态水路径的反演精度3 4。MP-3 0 0 0 A型地基微波辐射计布设于天津黑牛城国家气象观测站(简称天津黑牛城站),可通过R a d i o m e t r i c s公司专用的神经网络反演得到近地层到1 0 k m高度的大气温度、相对湿度、水汽密度和液态水含量廓线,以及积分水汽含量和液态水路径3 5。时间分 辨 率 为1 m i n,垂 直 分 辨 率 在00.5 k m 高度为5 0 m,0.52 k m高度为1 0 0 m,21 0 k m高度为2 5 0 m3 6-3 7。HT 1 0 1型全固态K a波段云雷达布设于河北栾城人工影响天气基地,可测量并输出云回波的反射率因子、径向速度、谱宽等一次产品,并在此基础上反演液态水含量、云顶(底)高度、云量等二次产品,时间分辨率为5 s,距离库长为3 0 m。除上述3种遥感资料外,本文还使用美国国家环境预测中心和美国国家大气研究中心(N C E P/N C A R)再分析资料中的位势高度、温度、风场和相对湿度,飞机综合气象要素测量系统提供的飞行轨迹,天津黑牛城站和河北栾城国家气象观测站(简称河北栾城站)记录的逐小时降水量,石家庄S波段多普勒天气雷达组合反射率因子,F Y-4 A/AG R I反演的云类型产品3 8-3 9,地基观测设备布局如图1所示。本文插图所涉及的国界和行政区域界线基于审图号为G S(2 0 1 9)3 0 8 2号标准地图制作,底图无修改。图1 地基观测设备布局(填色为地形高度)F i g.1 L a y o u t o f g r o u n d-b a s e d o b s e r v a t i o n e q u i p m e n t s(t h e s h a d e d d e n o t e s e l e v a t i o n)2 天气背景与飞行概况2.1 天气形势2 0 2 1年5月1 41 6日受高空槽、东北冷涡和低空低涡共同影响,华北、东北地区出现一次自西向东降水过程,雨带呈东北西南走向,华北地区主要791 第2期 聂皓浩等:华北一次层状云系暖区水汽和液态水分布特征 降水时段为1 4日1 6:0 01 6日1 0:0 0(北京时,下同),华北中北部以小到中雨为主,西南部以中到大雨为主,最大累积降水量为4 2.3 mm。图2 为5月1 5日0 8:0 0和2 0:0 0的天气形势。由图2可见,0 8:0 0对流层中层为北涡南槽的形势,高空槽压在内蒙古中部甘肃中部,冷平流使高空槽在东移过程中不断加深发展,槽前的正涡度平流增强,平流区的辐散作用加强,2 0:0 0高空槽明显增强,已压至内蒙古东部河套地区,华北上空的西南气流已加强为西南急流,促进华北低层的辐合上升运动;8 5 0 h P a低涡不断发展,0 8:0 0对流层中低层存在两个低空低涡,低涡中心分别位于鲁东及豫皖交界并向东向北移动,2 0:0 0二者合并为一个强大低涡,华北始终位于低涡北侧的东北气流中,低涡的气旋性辐合进一步增强低层上升运动,为本次降水提供动力抬升条件。由于华北低层始终受偏北气流控制,风向随高度逆转,不具备不稳定能量条件,因此本次过程为稳定性降水。由于华北中北部低层湿度条件较差且不存在大量水汽补充,降水主要为小雨或小到中雨,而华北西南部低层湿度条件较好,且偏东气流带来一定水汽,降水可达中到大雨量级。图2 2 0 2 1年5月1 5 日5 0 0 h P a位势高度(蓝色等值线,单位:d a g p m)、5 0 0 h P a温度(红色等值线,单位:)、8 5 0 h P a风场(风羽)和8 5 0 h P a相对湿度(填色)(红色框为华北地区)F i g.2 5 0 0 h P a h e i g h t(t h e b l u e c o n t o u r,u n i t:d a g p m),5 0 0 h P a t e m p e r a t u r e(t h e r e d c o n t o u r,u n i t:),8 5 0 h P a w i n d(t h e b a r b)a n d 8 5 0 h P a r e l a t i v e h u m i d i t y(t h e s h a d e d)o n 1 5 M a y 2 0 2 1(t h e r e d b o x d e n o t e s N o r t h C h i n a)2.2 飞机云物理探测由5月1 5日0 8:0 0降水量(图略)可知,降水云带位于山西临汾河北石家庄黑龙江伊春,为深入了解此次降水性层状云系的微物理结构与降水特征,组织一次华北区域联合飞机云物理探测,天津空中国王飞机于1 5日1 2:5 3从天津滨海机场起飞,穿过天津西南部上空的降水云层,1 3:1 9驶入河北上空低云回波区,如图3所示。由图3可见,华北上空存在大面积层状云回波,均在3 5 d B Z以下,回波顶高不超过4 k m,1 5 d B Z以上的主回波带位于保定石家庄,呈东北西南向。飞机沿主回波带探测,并沿回波带东南侧边缘返回,1 5:0 2飞机驶离主回波区,1 5:3 0 落地天津。5月1 5日0 7:0 0北京和邢台的探空显示,0 层高度约为4 2 0 0 m,飞行穿过的云带回波顶高在4 k m 以内,且飞行最大高度为3 6 7 0 m,故此次飞机探测的时空部位是层状云系位于天津西南部河北南部系统边缘的暖区,飞机探测的水汽和液态水分布表征系统边缘暖区降水云的特征,对加深认识华北降水性层状云暖区结构和降水特征具有重要意义。2.3 降水情况由5月1 5日1 3:0 0降水量(图略)可知,飞机起飞时天津西南部、河北西南部和山西中北部均发生降水,最大小时降水量出现在石家庄。飞机起飞后途径天津西南部和河北西南部的主要降水区域,并对上空层状云系暖区进行云物理探测,探测结果具有一定代表性。针对以上主要降水区域,分别选取天津黑牛城和河北栾城国家气象观测站的逐小时降水量进行分析,如图4所示。由图4可见,1 5日891 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 图3 2 0 2 1年5月1 5日石家庄S A波段雷达组合反射率因子(填色)(黑色粗实线为飞行轨迹)F i g.3 C o m p o s i t e r e f l e c t i v i t y(t h e s h a d e d)m e a s u r e d b y S A r a d a r d e p l o y e d a t S h i j i a z h u a n g S t a t i o n o n 1 5 M a y 2 0 2 1(t h e b l a c k t h i c k s o l i d l i n e d e n o t e s t h e f l i g h t t r a c k)图4 2 0 2 1年5月1 5日天津黑牛城站与河北栾城站逐小时降水量(虚线框为飞机探测时段)F i g.4 H o u r l y p r e c i p i t a t i o n a t H e i n i u c h e n g S t a t i o n o f T i a n j i n a n d L u a n c h e n g S t a t i o n o f H e b e i o n 1 5 M a y 2 0 2 1(t h e d o t t e d b o x d e n o t e s t h e a i r c r a f t d e t e c t i o n p e r i o d)1 0:0 0后天津和栾城均开始降水,降水主要集中在1 1:0 01 3:0 0,天津最大小时降水量为1.8 mm,栾城最大小时降水量为4.2 mm,1 3:0 0后天津降水趋于结束,1 5:0 0后栾城再次出现降水。飞机探测时段为1 2:5 31 5:3 0(图4虚线框),飞机起飞时伴有小雨,进入河北境内后降水逐渐停止,1 4:1 5和1 4:3 5飞机两次经过栾城上空均无降水,1 5:0 0后栾城再次出现降水,但飞机已驶离,直至落地均未伴随降水。此次飞机探测是在天津降水趋于结束、河北西南部降水间隙时段进行的。3 水汽和液态水探测结果分析3.1 机载微波辐射计探测的水汽和液态水分布特征图5是2 0 2 1年5月1 5日机载微波辐射计探测的层状云系暖区积分水汽含量和液态水路径随时间的演变。由图5可见,在飞机上升阶段,5月1 5日1 2:5 3飞机起飞时伴有小雨,上升至3 8 6 m高度后入云,飞机被暖区云层包围,并逐渐驶离有降水的云层,积分水汽含量和液态水路径递减,1 3:1 2二者降991 第2期 聂皓浩等:华北一次层状云系暖区水汽和液态水分布特征 图5 2 0 2 1年5月1 5日机载微波辐射计探测的积分水汽含量、液态水路径时间演变(红色框为积分水汽含量和液态水路径的极值时段)F i g.5 T e m p o r a l e v o l u t i o n o f i n t e g r a t e d w a t e r v a p o r c o n t e n t,l i q u i d w a t e r p a t h m e a s u r e d b y G-b a n d w a t e r v a p o r r a d i o m e t e r o n 1 5 M a y 2 0 2 1(t h e r e d b o x d e n o t e s t h e e x t r e m e v a l u e p e r i o d s o f i n t e g r a t e d w a t e r v a p o r c o n t e n t a n d l i q u i d w a t e r p a t h)002 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 至2.0 6 c m和0.1 9 mm,飞机由1 8 2 0 m继续爬升,进入水汽和液态水丰富的云区,1 3:1 6二者达到峰值,分别为4.0 0 c m和1.8 7 mm。1 3:2 0飞机到达平飞层A(3 0 5 0 m高度),积分水汽含量为0.8 42.8 5 c m,平均值为2.0 8 c m,液态水路径为0.1 00.9 9 mm,平均值为0.5 0 mm。该阶段飞机一直在云中,说明该区域3 0 5 0 m高度以上的云中水汽和液态水水平分布不均。由图5平飞层A可见,飞机由保定莲池飞往顺平过程中积分水汽含量稳定在2.5 0 c m,在顺平上空积分水汽含量减小,在唐县上空继续下降,达到曲阳上空后稳定在1.7 3 c m。液态水路径在莲池飞往竞秀过程中递减,竞秀附近出现极小值,为0.1 2 mm,飞机离开竞秀经顺平到达唐县,液态水路径递增,在唐县上空最高达0.9 2 mm,随后递减,飞机到达曲阳上空后,液态水路径回升至0.5 0 mm。2 0 2 1年5月1 5日1 3:3 7飞机升至平飞层B(3 6 7 0 m高度),随着飞机从石家庄灵寿飞往赞皇,暖区云顶高度不断降低,飞机逐渐靠近暖区云顶,1 3:5 7到达低云云上,积分水汽含量由1.5 4 c m降至0.7 7 c m,液态水路径由0.7 2 mm降至0。随后飞机保持在暖区云上飞行,积分水汽含量稳定在0.8 9 c m,液态水路径稳定在0.1 3 mm,飞机穿过稀薄的云或转向机体倾斜时,液态水路径略有升高。在此平飞期间,机载摄像机显示低云上方存在稀薄的卷层云,液态水路径始终处于较低水平,这可能受到两个方面因素的影响:一是摄像机安装于飞机前挡风玻璃上,机载微波辐射计安装于右侧机翼下方,高度较摄像机偏低,尽管摄像机显示飞机位于低云云上,但机载微波辐射计可能位于低云云顶附近,故依然能探测到少量液态水;二是中高层云中少量过冷水的贡献。5月1 5日1 4:3 8飞机自藁城下降高度返回,尽管高度逐层降低,但水汽和液态水变化不明显,说明云顶高度持续变低,飞机依然在低云云上。当飞机降至平飞层C(2 7 2 0 m高度)时,起初液态水路径变化不明显,积分水汽含量缓慢增长,1 4:5 5飞机到达蠡县上空,低云上方出现小范围絮状高积云,飞机再次入云,积分水汽含量和液态水路径分别跃增至2.5 7 c m 和1.4 2 mm,此时液态水路径除了来源于暖区低云,絮状高积云也有贡献。随后飞机降至2 4 0 6 m高度,尽管飞机平飞,但积分水汽含量和液态水路径明显下降,再次证明暖区云水平分布不均,1 5:0 9 飞机出云,积分水汽含量和液态水路径分别降至1.4 9 c m 和0.1 1 mm。1 5:2 4飞机降至6 0 9 m高度,穿过稀薄云层,积分水汽含量和液态水路径回升至2.6 8 c m和0.5 9 mm,直至落地。上升过程中飞机穿云的高度范围为3 8 6 3 6 7 0 m,下降过程两次穿云的高度范围分别为2 7 2 02 4 0 6 m和6 4 86 0 9 m,飞机探测的云区时空范围均在层状云系的暖区。综合3次主要平飞过程,此次华北降水性层状云系暖区水平分布不均,暖区云顶高度、云层厚度等在水平方向上均有所变化,暖区水汽和液态水也表现出明显的水平不均匀性,机载微波辐射计能较为灵敏地识别出暖区水汽和液态水的变化。为清楚了解云系的性质及发展演变,分析飞机探测时段F Y-4 A反演的云类型产品(图6)。由图6可见,飞行区域存在大面积层状云系,部分暖区上层为不透明冰云,冰云边缘有小范围混合云或过冷水云,整个云 带自西南向东 北方向移动,移速约为4 5 k mh-1。飞机起飞后经过大片暖云区,液态水完全来源于暖区低云,随着飞行高度上升,5月1 5日1 3:1 9飞机被暖区低云包围,暖区上层出现少量过冷水云或混合云,结合图5红框所示,机载微波辐射计探测到液态水路径最大值,此时较高含量的液态水除了源于暖区低云,还与上方过冷水云或混合云有关。飞机到达平飞层A,暖区云上有一定范围不透明冰云(云团1),液态水路径下降。1 3:3 8飞机离开云团1,由暖云区驶向西南侧新生成的云团2区域,区域上层存在被过冷水云包围的混合云,并在向东北移动过程中不断发展。随后飞机到达云团2东侧暖区,云上存在稀薄卷层云,飞机在平飞层B。1 4:3 0飞机盘旋至云团2南侧边缘,云团2范围扩大,暖区上方的卷层云较之前深厚,但液态水路径维持在最低水平,说明云团2向冰相不断转化,液态水含量极少。飞机下降高度,1 4:5 3再次向云团1西侧过冷水云靠近,飞机上方为小范围高积云,并在平飞层C再次入云,受暖区低云和过冷水云共同影响,液态水路径再次出现峰值。随后飞机继续下降,尽管暖区上空仍有大面积冰云,但液态水路径不受影响直至落地。综上,液态水路径主要源于暖区低云,且上层过冷水云或混合云也有少量贡献。102 第2期 聂皓浩等:华北一次层状云系暖区水汽和液态水分布特征 图6 2 0 2 1年5月1 5日F Y-4 A反演的云类型(填色)(红色实线为飞行轨迹)F i g.6 C l o u d t y p e(t h e s h a d e d)r e t r i e v e d b y F Y-4 A o n 1 5 M a y 2 0 2 1(t h e r e d s o l i d l i n e d e n o t e s t h e f l i g h t t r a c k)基于此,虽然部分暖区上层存在不透明的冰云,但仅在冰云边缘有少量过冷水,冰云内部冰晶无法长大下落,即播撒-供应机制无法实现,沿飞行路径地面也无明显降水,故降水类型以暖区降水为主。M u r t y等4 0通过暖云播撒试验发现,暖云催化响应很大程度上取决于云的物理特征,特别是垂直厚度和液态水含量。因此,尽管由于空域限制,此次飞机探测高度在4 k m以下,探测区域仅是大范围华北层状云系边缘的暖区,但机载微波辐射计探测的正是暖区水汽和液态水分布特征,对于加深认识华北层状云系暖区结构和降水特征具有重要意义,也为暖区人工增雨作业条件的判识和增雨作业指标的建立提供重要参考4 1。由于层状云系暖区水平分布不均,本文未采用机载微波辐射计资料分析水汽和液态水的垂直分布1,而是采用地基微波辐射计和云雷达代替。3.2 地基微波辐射计探测的水汽和液态水分布特征由于河北栾城地基微波辐射计资料部分缺失,选取天津黑牛城站地基微波辐射计探测结果(图7)。由该站分钟降水量资料可知,降水时段为5月1 5日1 0:5 91 3:1 2(图7灰色框)。由图7可见,积分水汽含量在降水开始时(1 1:0 0)逐渐上升,1 2:1 0出现峰值8.6 2 c m,随后稳定在8 c m左右,1 3:1 2降水结束,积分水汽含量依然维持在较高水平,1 3:1 7开始减小,1 5:3 0飞机落地时积分水汽含量降至5.6 9 c m,偏高于机载微波辐射计探测值(2.6 8 c m),202 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 图7 2 0 2 1年5月1 5日地基微波辐射计探测的积分水汽含量和液态水路径的时间演变与不同时刻水汽密度和液态水含量以及温度和相对湿度的垂直廓线(灰色框为降水时段)F i g.7 T e m p o r a l e v o l u t i o n o f i n t e g r a t e d w a t e r v a p o r c o n t e n t a n d l i q u i d w a t e r p a t h,v e r t i c a l d i s t r i b u t i o n p r o f i l e s o f v a p o r d e n s i t y a n d l i q u i d w a t e r c o n t e n t,t e m p e r a t u r e a n d r e l a t i v e h u m i d i t y a t d i f f e r e n t t i m e s o b s e r v e d b y g r o u n d-b a s e d m i c r o w a v e r a d i o m e t e r o n 1 5 M a y 2 0 2 1(t h e g r a y b o x d e n o t e s t h e p e r i o d o f p r e c i p i t a t i o n)302 第2期 聂皓浩等:华北一次层状云系暖区水汽和液态水分布特征 1 6:3 0以后积分水汽含量回归至降水前水平。液态水路径在降水前(0 9:3 0)开始上升,1 0:5 9增大至1.7 6 mm,地面出现降水,降水期间液态水路径不断增大,1 2:0 5达到峰值3.8 5 mm,1 2:1 5开始减小,1 2:5 0 飞机起飞前后出现较小峰值,为2.7 1 mm,随后不断下降,1 3:1 2降至0.8 4 mm,降水结束。在1 1:0 01 3:0 0的主要降水时段,液态水路径均在1 mm 以上。1 5:3 0飞机落地时液态水路径降至0.5 6 mm,与机载微波辐射计探测值(0.5 9 mm)一致。随着暖区降水发生发展,积分水汽含量与液态水路径均出现跃增,积分水汽含量跃增的起始时间滞后于液态水路径,降水结束后积分水汽含量减小的趋势较缓,恢复至降水前水平所需要的时间更久。相比而言,液态水路径的跃增对暖区降水发生发展具有 更 好 的 指 示 意 义,从 液 态 水 路 径 开 始 增 大(0 9:3 0)到地面出现降水(1 0:5 9)历时约为1.5 h。为了更加详细地分析暖区降水前后水汽密度和液态水含量垂直分布与发展演变,分别选取降水前的0 9:5 0,降水中的1 1:3 0、1 2:1 0和降水后的1 5:3 0(飞机落地时)4个时间节点的水汽密度和液态水含量廓线。由图7可见,0 9:5 0水汽密度由地面向上逐渐减小,最大值为地面处的1 5.1 8 gm-3;液态水含量集中在2 k m高度以下,最大值出现在7 0 0 m高度,为0.1 3 gm-3,2 k m高度以上液态水极少,垂直方向液态水含量呈两头小、中间大的分布,此时云系处于发展阶段,地面即将产生降水。1 1:3 0水汽密度依然由地面向上递减,但在4 k m高度以下有明显波动;液态水累积区的厚度向上延伸,范围扩展至03.5 k m高度,各高度层液态水含量增加,最大值增至0.5 5 gm-3,高度升至1 k m,地面已发生降水。1 2:1 0整层水汽密度迅速增加,从地面向上表现为先增后减的趋势,水汽累积区的厚度最大值出现在2.5 k m高度,为2 5.4 3 gm-3;液态水含量在3.5 k m高度以下处于最高水平,尤其是23.5 k m高度范围内液态水含量大幅度增加,液态水累积区的厚度增大,最大值所在高度升至2.2 5 k m,液态水含量增至0.6 6 gm-3,说明此时空中水汽供应充足,云中液态水充沛,对应地面一定时间内发生稳定降水。1 5:3 0飞机降落时降水已结束,水汽密度整体减小,但依旧未能恢复至降水前水平,变化较滞后;整层液态水含量回归至较低水平,最大值降至0.2 7 gm-3。由此可见,相对于水汽,液态水含量的垂直变化能更好地反映此次暖区降水的发生发展。由图7相同时刻的温度和相对湿度垂直廓线可以看到,0 9:5 0降水前温度随高度减小,地面温度为1 9.0 7,0 层高度为4.2 5 k m;相对湿度自地面至3 k m高度均保持在1 0 0%左右,3 k m高度以上递减,至1 0 k m高度降至2 0%以下。1 1:3 0温度变化较小,低层略有浮动;相对湿度在34.2 5 k m高度接近1 0 0%,5 k m高度出现1个次峰值,随后迅速减小,此时地面已发生降水,对应水汽密度廓线在低层有所浮动。1 2:1 0在0.2 50.8 k m高度出现逆温,说明在稳定性降水的主要降水阶段,大气低层仍存在对流活动,0.8 k m高度以上温度递减;0.0 54 k m高度相对湿度均达到1 0 0%,4 k m高度以上相对湿度递减。1 5:3 0低层逆温变弱;5 k m高度以下相对湿度为7 0%1 0 0%,大值区较深厚,水汽密度在大气低层依然未恢复至降水前水平。考虑到不同性质降水前水汽和液态水反应不同,选取四川成都和祁连山东段地区与此次华北地区层状云暖区水汽和液态水的跃增特征进行比较,如表1所示。由表1可以看到,降水前水汽和液态水均向上输送,并伴有积分水汽含量和液态水路径表1 地基微波辐射计探测的不同地区上空暖区的水汽和液态水跃增特征比较T a b l e 1 C o m p a r i s o n o f j u m p i n g i n c r e a s e c h a r a c t e r i s t i c s o f w a t e r v a p o r a n d l i q u i d w a t e r i n w a r m z o n e o v e r d i f f e r e n t r e g i o n s d e t e c t e d b y g r o u n d-b a s e d m i c r o w a v e r a d i o m e t e r 时间地区水汽跃增特征积分水汽含量跃增时间峰值/c m水汽密度峰值/(gm-3)峰值高度/k m液态水跃增特征液态水路径跃增时间峰值/mm液态水含量峰值/(gm-3)峰值高度/k m2 0 1 7-0 7四川成都4 2降水临近8.5降水临近2.50.846 2 0 2 0-0 7祁连山东段4 3降水前2 0 m i n3.6 3 1 4小于1降水前2 0 m i n3.2 81.5122 0 2 1-0 5华北地区降水开始8.6 22 5.4 32.5降水前1.5 h3.8 50.6 62.2 5 402 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 的跃增,但不同降水水汽密度和液态水含量跃增的起始高度、时间及跃增量不同。四川成都的积分水汽含量和液态水路径均在降水即将开始时跃增,由于对流性较强,液态水含量的跃增高度可达46 k m,降水伴有雷暴。祁连山东段积分水汽含量和液态水路径均在降水前2 0 m i n开始跃增,由于云的厚度较薄、高度较低、水汽输送较少,跃增的高度、积分水汽含量和液态水路径的峰值均低于本次过程。在本次过程中,液态水的跃增较水汽更加明显,起始时间也相对较早,由于液态水跃增代表云滴向雨滴的转化,因此,本次过程液态水跃增的时间及高度,对暖区降水发生发展有很好的指示意义,也可为暖区增雨作业时机及部位的判识提供重要参考。3.3 云雷达探测的液态水分布特征河北栾城站分钟降水量显示,栾城降水时段为5月1 5日1 0:3 61 3:3 9和1 5:4 0之后。为研究此次暖区降水粒子的增长机制,分析降水前后(1 0:3 61 3:3 9)云雷达探测的反射率因子、径向速度、谱宽和液态水含量的时间演变及与地面降水的关系(图8)。栾城上空以低云为主,云顶高度在4 k m以下,结合图6可知,1 4:3 0栾城上空存在较薄的卷层云,但云雷达未探测到,说明云雷达对信号较弱的薄云图8 2 0 2 1年5月1 5日云雷达探测的反射率因子、径向速度、谱宽和液态水含量的时间演变F i g.8 T e m p o r a l e v o l u t i o n o f r e f l e c t i v i t y f a c t o r,r a d i a l v e l o c i t y,s p e c t r a l w i d t h a n d l i q u i d w a t e r c o n t e n t o b s e r v e d b y c l o u d r a d a r o n 1 5 M a y 2 0 2 1502 第2期 聂皓浩等:华北一次层状云系暖区水汽和液态水分布特征 探测能力不足,与B o r g等4 4的结论一致。整个层状云暖区回波分布较为均匀,回波强度较小。由图8可见,降水前0 8:4 51 0:0 0云系逐渐发展,回波在-3 0 d B Z以上的云层高度逐渐上升,1 k m高度以下反射率因子为-2 5-1 0 d B Z,低层粒子下落速度有所增大,只在云顶存在微弱上升运动,整层谱宽较小,谱分布均匀,液态水含量大值区的高度增加,最高达0.2 50.3 gm-3。1 0:0 0后2 k m高度以下反射率因子明显增强,粒子下落速度和谱宽增大,地面逐渐出现降水,尤其在主要降水时段(1 1:0 01 3:0 0),云系发展旺盛,暖区云顶高度延伸至3.5 k m,各层反射率因子普遍增强,地面最高达-5 d B Z以上,粒子下落速度超过-4 ms-1,谱宽为0.81 ms-1,说明在下落过程中降水粒子由于碰并作用尺度增加,下落速度较快且大小粒子速度离 散程度变大,整层液态水 含量显著 增加,2 k m高度以下最高达到0.4 gm-3,对应小时降水量为4.2 mm。1 3:0 01 4:0 0云顶高度逐渐降低,反射率因子降至-1 5 d B Z以下,1 k m高度内出现上升气流,粒子下落碰并受到抑制,粒子间尺度差异减小,整层液态水含量降至0.10.2 gm-3,地面降水间歇性停止。1 4:0 01 5:4 0尽管1 k m高度附近出现反射率因子和液态水含量大值区,但低层粒子下落速度较弱,粒子无法下落形成降水,在此期间飞机两次经过栾城上空,机载微波辐射计在低云云上测得液态水路径为0.10.2 mm,云雷达并未探测到液态水。1 5:4 0随着碰并过程加剧、粒子尺度增大、下落速度增强、低层液态水含量增大,地面再次出现降水。总体看,云雷达可以较好地反演层状云系暖区的宏微观结构及发展演变特征,在1 k m高度以下反射率因子较大、粒子下落速度和速度离散程度较大的时段,液态水含量丰富,对应降水量较大,粒子碰并是暖区降水的主要机制。为再次验证层状云暖区液态水与降水的关系,分析5月1 5日1 0:3 61 3:3 9降水前后典型时刻液态水含量廓线(图9)。0 8:4 5降水前液态水集中在2.2 k m高度以下,最大值出现在0.3 k m高度,为0.1 8 gm-3。1 0:3 0整层液态水含量有所增大,液态水累积区高度升至2.4 k m,最大值增至0.2 9 gm-3,地面即将出现降水。1 1:2 0液态水累积区高度跃增至3.2 k m,整层液态水含量明显增大,尤其是0.31.7 k m高度的液态水含量高达0.3 5 gm-3。1 2:2 0液态水依然保持充沛状态,地面产生稳定降水。1 3:4 0降水间歇性停止,液态水含量最大值降至0.2 2 gm-3,所在高度回落至0.8 k m。暖区降水前后云雷达探测的液态水含量垂直分布与地基微波辐射计相似,液态水含量均出现跃增,从跃增开始至地面出现降水时间达1.5 h以上,对暖区降水发生发展和人工影响天气作业有一定指示意义。图9 2 0 2 1年5月1 5日云雷达探测的不同时刻液态水含量的垂直廓线F i g.9 V e r t i c a l p r o f i l e s o f l i q u i d w a t e r c o n t e n t a t d i f f e r e n t t i m e s o b s e r v e d b y c l o u d r a d a r o n 1 5 M a y 2 0 2 14 结论与讨论本文利用机载微波辐射计、地基微波辐射计、云雷达3种遥感资料,结合F Y-4 A气象卫星、气象观测站、天气雷达及再分析资料,对2 0 2 1年5