1. 引言
大气中的水汽变化在各种时空尺度的天气过程中扮演着重要角色 [1]，其中水汽含量和液态水含量在云的演变和降水发生、变化过程中起着重要作用 [2]，地基多通道微波辐射计具有功耗低、寿命长、可靠性高的特点，可全天候连续实时监测大气的温湿廓线 [3] [4]，其反演数据越来越多地在天气预报、人工影响天气、环境气象预报 [5] [6] [7] 等中得到应用。
众多学者对地基多通道微波辐射计开展了深入研究，其中Guldner [8] 和Chan [9] 的研究分别发现地基微波辐射计反演得到的中欧地区夏季降水前30 min内的大气水汽含量和液态水总量出现了明显增加，水汽含量增加和对流层不稳定能量的增加对大雨的发生有着很好的指示意义。黄治勇等 [10] 发现水汽含量急增到9 cm以上，液态水总量急增至约20 mm是咸宁市发生短时暴雨的一个参考指标，党张立等 [11] 发现水汽含量达到2.2 cm，液态水含量达到0.20 mm是兰州市发生降水的一个参考指标。为了全面认识邢台地区大气中水汽的分布变化特征，利用微波辐射计反演数据对两次降水个例的水汽含量、液态水含量及云底高度的变化特征进行了分析，从而加深对降水发生前大气环境条件的认识，以期为提高气象预报预警准确率提供一定技术支撑。
2. 资料与方法
本文所使用的降水资料来自中国气象局邢台大气环境野外科学试验基地(37˚11'N，114˚22'E，海拔高度182.0 m)，文中为尽可能消除前期降水对地基微波辐射计反演数据的影响 [12]，剔除降水开始时刻前12 h内已出现的降水个例。其中个例一(2019.06.13)、个例二(2019.08.07)在降水发生时的第1 h降水量(表1)分别为0.1 mm和0.4 mm。结合天气形势、云图与雷达图(图略)可以判定出个例一主要为层状云降水，个例二主要为层状积状云混合降水。
Table 1. Two precipitation cases in xingtai
表1. 两次降水个例情况
本文所使用的地基微波辐射计为中国兵器工业第206研究所研制的MWP967KV型微波辐射计，布设在中国气象局邢台大气环境野外科学试验基地内，采用被动接收方式测量大气热辐射信号，基于历史探空资料和人工神经网络反演算法，能够实时、连续遥测大气温度、湿度、液态水分布等多种气象参数 [13] [14]。本文通过对大气微波辐射的遥感测量反演获得数据，运用统计软件工具对降水发生前的个例水汽含量、液态水含量、云底高度变化的特征进行分析，并对出现该现象的原因进行探讨。
3. 结果与分析
3.1. 水汽含量变化
微波辐射计反演的积分柱大气水汽含量(Integrated Water Vapour, IWV)表示将大气10 km内不同高度上的水汽密度对高度积分，文中单位用cm表示。分析发现个例一降水的IWV (图1)在降水前12~11 h由2.85 cm缓慢下降至2.79 cm，降水前10~3 h由2.88 cm波动增至3.48 cm，降水前2~1 h的IWV增加明显，由3.42 cm增至3.65 cm，小时平均升幅6.73%。个例二降水的平均IWV在降水前12~10 h由5.18 cm缓慢下降至4.96 cm，降水前9~6 h由4.98 cm增至5.12 cm，降水前2~1 h的IWV增加，由4.83 cm增至4.89 cm，小时平均升幅1.24%。
Figure 1. The time variation of average water vapor content from 12 h to 1 h before precipitation for individual cases at Xingtai Station (Unit: cm)
图1. 邢台站降水个例降水前12~1 h平均水汽含量时间变化(单位：cm)
综上分析可知，层状云降水和层状积状云降水发生前的水汽含量在降水前2~1 h均会出现明显增加，其中层状云降水的水汽含量在降水前2~1 h的增幅要大于层状积状云降水发生前的水汽含量增幅，但降水前2~1 h的水汽含量绝对值却是层状积状云降水大于层状云降水。分析降水个例的平均IWV可知，降水的平均IWV在降水前2 h增加明显，小时平均增幅3.16%，降水前2 h的平均IWV为4.20 cm。在以平均值为参考指标的假设下：IWV呈持续增加时间 ≥ 2 h，且IWV ≥ 4.20 cm，可作为判断未来1 h邢台地区发生降水的一个参考指标。
3.2. 液态水含量变化
微波辐射计反演的积分柱大气液态水含量(Integral liquid water, ILW)表示0~10 km高度单位面积垂直气柱内积分的液态水含量，文中单位用mm表示。个例一和个例二的液态水含量(图2)在降水发生前均呈波动或减少–增加–减少–跃增的分布。ILW在个例一的12~6 h的0.024 mm波动增加至降水前6 h的0.072 mm，随后在降水前5 h下降到0.053 mm，降水前5 h升至0.053 mm，最后由降水前3 h的0.069 mm跃增至降水前1 h的0.131 mm，平均增长幅度为0.447倍。ILW在个例二的12~6 h的0.079 mm波动下降至降水前6 h的0.059 mm，降水前3 h升至0.109 mm，最后由降水前2 h的0.105 mm跃增至降水前1 h的0.152 mm，一小时增长幅度为0.453倍。
Figure 2. The time variation of average liquid water content from 12 h to 1 h before precipitation for individual cases at Xingtai Station (Unit: mm)
图2. 邢台站降水个例降水前12~1 h平均液态水含量时间变化(单位：mm)
层状云降水和层状积状云降水发生前的ILW在降水前2~1 h均会出现明显增加，与IWV变化形式类似，虽然层状云降水的ILW在降水前2~1 h的增幅要大于层状积状云降水发生前的ILW增幅，但降水前2~1 h的ILW绝对值却是层状积状云降水大于层状云降水。对降水的平均ILW分析发现，降水的平均ILW在降水前12~1 h呈波动增加分布，其中在降水前2~1 h呈明显增加，增长幅度为0.578倍，降水前2~1 h的平均ILW为0.116 mm。在以平均值为参考指标的假设下：降水前云液态水含量随时间变化出现拐点且之后变率开始增加，ILW呈明显增加时间 ≥ 2 h，且ILW ≥ 0.116 mm可作为判断未来1 h邢台地区发生降水的一个参考指标。
3.3. 云底高度变化
云是空气和水凝结物构成的悬浮于大气中的可见聚合体，是在大气中空气相对湿度达到饱和或过饱和时才形成的，而云底高度则反映了空中水物质向地面的发展程度。个例的平均云底高度(图3)呈波动——升高——下降的分布，降水前2~1 h呈明显下降趋势。个例一降水前12~10 h云底高度介于6.15~7.02 km，平均值为6.64 km，随后由降水前9 h的6.87 km持续下降至降水前3 h的3.22 km，然后在降水前2 h略升至3.86 km，最后下降至降水前1 h的3.63 km，下降降幅度为0.23 km/h。个例二降水前12~7 h云底高度介于3.39~3.45 km，平均值为3.57 km，然后在降水前5 h略升至4.19 km，最后持续下降至降水前1 h的0.953 km，降水前一小时下降幅度为1.34 km/h。
Figure 3. The time variation of cloud base height from 12 h to 1 h before precipitation individual cases at Xingtai Station (Unit: km)
图3. 邢台站降水个例降水前12~1 h平均云底高度时间变化(单位：km)
层状云降水和层状积状云降水发生前的云底高度在降水前2~1 h均会出现明显下降，与IWV和ILW变化形式相反，层状云降水的云底高度在降水前2~1 h的降幅要小于层状积状云降水发生前的云底高度降幅，且降水前2~1 h的云底高度绝对值也是层状积状云降水小于层状云降水。分析降水的平均云底高度可知，降水的云底高度在降水前的变化不尽相同，但在降水前2~1 h均呈减少趋势，平均下降幅度达到0.79 km/h，平均云底高度在降水前2~1 h为2.29 km。在以平均值为参考指标的假设下：云底高度开始明显下降且持续时间 ≥ 2 h，平均降幅 ≥ 0.79 km/h，云底高度 ≤ 2.29 km，可作为判断未来1 h邢台地区发生降水的一个参考指标。
4. 结论与讨论
本文使用国产的MWP967KV型微波辐射计和配备的红外观测仪，从水汽含量(IWV)、液态水含量(ILW)和云底高度变化方面，对降水个例的IWV、ILW和云底高度变化特征进行了对比分析，主要得到的结论如下：
1) 层状云降水的水汽含量在降水前2~1 h的增幅要大于层状积状云降水发生前的水汽含量增幅，但降水前2~1 h的水汽含量绝对值却是层状积状云降水大于层状云降水。降水前IWV呈持续增加时间 ≥ 2 h，且IWV ≥ 4.20 cm，可作为判断未来1 h邢台地区发生降水的一个参考指标。
2) 层状云降水的ILW在降水前2~1 h的增幅要大于层状积状云降水发生前的ILW增幅，但降水前2~1 h的ILW绝对值却是层状积状云降水大于层状云降水。降水前云液态水含量随时间变化出现拐点且之后变率开始增加，ILW呈明显增加时间 ≥ 2 h，且ILW ≥ 0.116 mm可作为判断未来1 h邢台地区发生降水的一个参考指标。
3) 层状云降水的云底高度在降水前2~1 h的降幅要小于层状积状云降水发生前的云底高度降幅，且降水前2~1 h的云底高度绝对值也是层状积状云降水小于层状云降水。云底高度开始明显下降且持续时间 ≥ 2 h，平均降幅 ≥ 0.79 km/h，云底高度 ≤ 2.29 km，可作为判断未来1 h邢台地区发生降水的一个参考指标。
基金项目
邢台市重点研发计划自筹项目(2020ZC144)。