基于地基遥感设备构建遥感探空廓线

林晓萌 尉英华 张 楠 王艳春

(天津市气象台， 天津 300074)

引 言

探空数据能够反映强对流天气发生前大气的温湿结构及动力特征，现已成为强天气预报必不可少的参考资料之一[1]。利用探空数据可以寻找对流发生发展的有利条件[2-3]，基于探空数据计算的对流参数可以进行分类强对流特征甄别[4-8]，构建强对流客观预报模型[9]，探空数据还可用于模式释用[10]、改进中尺度数值预报模式[11]。

但常规探空网空间布局不足，每日两次的探测频率很难捕捉环境参数的短时变化，同时探空气球的漂移也使常规探空数据的区域代表性变差[12-13]，因此通过其他方式获取高分辨率温度、气压、湿度和风的层结数据是解决常规探空数据局限性的主要途径。有的研究[14-15]融合再分析数据与地面自动气象站数据构建模式温湿廓线，但再分析数据对于中小尺度热力变化的描述能力不足，不能反映大气真实状况。近年不少研究利用微波辐射计、云雷达、风廓线雷达等探测产品构建遥感温湿廓线，但由于微波辐射计反演的湿度廓线误差较大[16-17]，降水时风廓线雷达反演的风场数据出现严重失真或缺失，遥感温湿廓线难以实现业务应用。

尽管如此，地基遥感数据的时空密度优势无法忽视。风廓线雷达和微波辐射计均可实现连续自动观测[18]，在短时预报中具有很高应用价值。微波辐射计能够获取地面到10 km高度的温湿廓线[19-20]，温度廓线与探空观测数据具有较好相关性[17]。经WPR-HW方法[21]质量控制后的风廓线雷达反演数据在降水天气条件下仍能够提供水平风场、垂直速度场等要素的快速演变信息[22]，展示中小尺度系统连续详细的变化过程[23-24]，并具有较高可信度[25-26]。与此同时，国外多位学者基于比湿变化对湍流散射的影响，证实了利用风廓线雷达数据融合温度廓线数据反演大气比湿廓线方法的可行性[27-33]。因此，经过质量控制的地基遥感数据有效融合重新得到反演后的温度、湿度和风廓线，为捕捉中小尺度系统精细的热动力结构提供了可能。

本文将综合利用风廓线雷达数据、微波辐射计数据、地面自动气象站数据的再处理产品构建地基遥感探空廓线系统，旨在高时效性地反映本地热力、水汽条件及动力机制，弥补现有探空数据时空分辨率低的不足。计算2020—2021年5—9月遥感探空廓线的反演结果，利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据(ERA5)进行模式检验，评估定量使用价值。选取10次强对流过程，评估遥感探空廓线效果，分析其在短时临近预报中的实用性。

1 数据与方法

1.1 数 据

选用2020—2021年5—9月天津西青国家基本气象站(39.1°N，117.1°E)风廓线雷达功率谱数据和产品数据，其中低模式高度范围为150～3630 m，高度分辨率为120 m，中模式高度范围为1350～4830 m，高度分辨率为120 m，时间分辨率为3 min；2018年4月布设在天津市区铁塔气象站(39.1°N，117.2°E)的MP-3000A型微波辐射计温湿廓线数据，探测高度范围为0～10 km，高度分辨率0～500 m为50 m，0.5～2 km为100 m，2～10 km 为250 m，时间分辨率为2 min。将天津西青站的温度、相对湿度、露点温度、地面气压作为边界条件，构建地基遥感探空廓线系统。需要说明的是，虽然天津西青站也布设了微波辐射计，但经与GPS探空数据[17]、稳定天气形势下上游探空站数据对比，发现天津西青站微波辐射计长期存在中层温度偏高5～20℃的现象，铁塔站微波辐射计与对比数据具有较好一致性，且天津铁塔站与天津西青站直线距离仅为13.2 km，气象上近似认为两站同址，故选取铁塔站微波辐射计作为研究对象。

1.2 比湿廓线反演方法

微波辐射计通过多通道亮温观测可间接得到水汽密度、相对湿度等水汽分层信息[34]，但其受天气影响大，且较难去除辐射计罩上水汽的影响[35]，导致湿度廓线数据可用性较差[36]。国外研究[26-31]表明：基于湍流散射理论融合地基遥感数据可以反演大气比湿廓线。本文在此基础上融合天津西青站风廓线雷达数据和铁塔站微波辐射计温度数据，反演天津地区高时间分辨率比湿垂直廓线，为构建遥感探空廓线奠定基础。

边界条件对比湿垂直分布存在一定影响，设定单一控制变量分别为比湿初值、温度初值、地面气压，结果显示：比湿初值大致决定整层比湿廓线的数值区间，与利用地面水汽压拟合整层大气水汽含量的可行性研究互为验证[37]；温度初值会造成比湿廓线的整体偏移，每降低1℃，比湿廓线向大值区偏移约0.15 g·kg-1；地面气压影响比湿随高度的变化率，地面气压越小，比湿随高度的变化率越大，但与温湿初值相比，其敏感度较差。

1.3 风廓线雷达水平风场反演方法

探空数据不仅能反映当地温湿结构，还能反映动力特征，实时准确的水平风场数据是构建遥感探空廓线不可或缺的条件。降水时因风廓线雷达同时接收大气湍流回波和降水粒子散射回波，难以从两种信号叠加的功率谱中有效提取湍流信息，导致降水期间风廓线雷达显示的水平风场数据严重缺失或失真[38-39]，无法为遥感探空廓线提供连续真实的水平风场数据。

WPR-HW是一种降水时风廓线雷达水平风场的质量控制方法[21]，其依据风廓线雷达探测原理及不同天气类型的功率谱特点，提取湍流信号用于反演水平风场。WPR-HW处理功率谱数据，首先自动识别各波束功率谱中峰值信号数量及位置，再依据湍流谱关于东西(南北)波束对称的特点，在对称波束的信号谱中实现对湍流谱的自动识别和提取，最后根据风的合成原理合成水平风场。经与ERA5数据对比，证实经WPR-HW质量控制的水平风场的可信度、时效性和有效性均满足遥感探空廓线的构建需求。

1.4 地基遥感探空廓线系统构建方法

基于比湿廓线反演方法和WPR-HW方法，利用地基遥感及地面自动气象站的多源观测数据获取温度、湿度和风3类垂直廓线。其中，0～10 km高度温度廓线由微波辐射计反演获得，地面自动气象站观测值订正地面温度；0～4830 m高度比湿廓线由比湿廓线反演方法获得，将比湿值转换为露点温度，地面自动气象站观测值订正地面露点温度。受风廓线雷达有效探测高度限制，4830 m～10 km高度的比湿廓线由微波辐射计反演获得，将水汽密度转换为露点温度，150～4830 m高度水平风廓线由风廓线雷达经WPR-HW方法反演获得。

在温度、湿度和风3类垂直廓线的基础上，通过插值方法统一各要素高度分辨率，并进行高度场与气压场转换[40]，构建遥感探空廓线。构建过程中，用于同一时次遥感探空廓线的不同源观测数据的探测时间差应小于1 min。将层结参数转化为气象信息综合分析处理系统(MICAPS)可识别的数据格式，最后通过温度-对数压力图(T-lnp)实现遥感探空廓线图形与数据的可视化。

2 检 验

为验证遥感探空廓线的可信度，将2020—2021年5—9月逐6 h遥感探空廓线的逐层比湿值及对流参数计算结果纳入待检验数据库。检验对象为从数据库中随机抽取的130个比湿数据(10时次×13距离库)及56个对流有效位能数据，因大气高层水汽含量很少，绝大部分水汽集中于对流层中低层，因此比湿的检验高度为地面到700 hPa。

天津地区未设探空站，上游探空站的环境场与本地差异较大[41]，国际上越来越多的学者将再分析数据应用于对流天气环境条件研究[42-44]。ECMWF的第5代全球气候再分析数据集ERA5[45]，水平分辨率为0.125°×0.125°，750 hPa以下垂直分辨率为25 hPa，时间分辨率为1 h，可以作为遥感探空廓线检验的参照值。挑选ERA5中与天津西青站邻近格点(39.125°N，117°E)的相同时次相同要素，对比二者不同距离库上最相近的高度。检验内容包括相关系数、绝对偏差及相对偏差。

2.1 比湿检验

图1a为遥感探空廓线与ERA5比湿的散点图，比湿较大时分布相对离散，较小时分布相对集中，偏差原因主要包括：①两种数据源分别为以高度和气压为单位，对比高度并非完全一致；②ERA5数据对局地中小尺度温湿变化的描述能力不足，低层湿度数据准确度不及地面自动气象站定标后的遥感探空廓线；③地基遥感数据针对不同天空状况的反演精度还需提高。尽管如此，遥感探空廓线比湿的可信度仍明显高于微波辐射计直接反演的比湿，相关研究[11，17]指出微波辐射计反演的露点温度和相对湿度与常规探空的相关系数分别为0.65～0.93 和0.5。检验结果表明遥感探空廓线的比湿可反映实际大气比湿垂直分布状态。

2.2 对流有效位能检验

图2为遥感探空廓线与ERA5数据的对流有效位能对比。由图2可以看到，两条曲线形态基本重合，呈现同位相波动趋势，二者的变化具有较强同步性。其中，56组对比数据的相关系数为0.84，达到0.01显著性水平(临界相关系数为0.34)，平均相对偏差为35%，相关性和一致性均处于合理范围内。对流有效位能对下垫面温度和湿度变化的敏感度高，值域变化范围大，ERA5数据对边界条件的敏感度不足。经统计，用于对比的56个时次ERA5数据的温度与自动气象站观测的平均偏差为1.8℃，露点温度平均偏差为1.4℃，由经过地面自动气象站订正的遥感探空廓线计算的对流有效位能更贴近真实情况。因此，尽管遥感探空廓线与ERA5对流有效位能平均绝对偏差值较大(318 J·kg-1)，但二者变化一致性较好，说明遥感探空廓线对流参数的可信度更高。检验结果表明：遥感探空廓线对流有效位能随时间的演变具有较好指示性，可作为常规探空的补充手段，弥补其时空分辨率不足。

3 个例效果评估

3.1 统计分析

选取2020—2021年天津西青站10次强对流过程，将强对流发生前临近时刻上游常规探空(北京)与过去8 h内逐15 min的本地遥感探空廓线进行对比，结果见表1。由表1可知，在强对流发生与探测时次的时间间隔上，遥感探空廓线的高时间分辨率优势明显；在对流参数(包括指征对流发展潜势的对流有效位能，以及指征整层湿度条件的整层比湿积分)与强对流实况的契合程度上，本地遥感探空廓线对强天气具有指示意义。

常规探空的探测时次为08：00和20：00(北京时，下同)，天津的强对流过程常发生于午后或傍晚，10次过程中北京探空发生时次与天津强对流发生时刻平均时间间隔为7 h 18 min，因此北京探空很难捕捉到临近对流发生前的热力不稳定最强时刻；同时，由于北京探空站与天津西青站直线距离为100 km，属于中尺度天气系统范畴，北京探空对流参数与天津局地性强的中小尺度过程往往契合度较差。10次过程中北京探空的对流有效位能平均值为322 J·kg-1，其中2次过程的对流有效位能为0，可见北京探空往往不能反映天津的对流潜势。

遥感探空廓线具有分钟级时间分辨率，不但可以实时反映本地大气热力湿度状态和动力过程，而且可以连续观测能量的增长、维持、释放过程及水汽的生消变化。表1中天津遥感探空对流有效位能平均峰值为1451.88 J·kg-1，显著高于北京探空固定时次的对流有效位能平均值，达到强对流发生的阈值标准，对流有效位能高值时段平均为对流发生前2～5 h，刻画了强天气酝酿过程中的不稳定能量积聚，对流有效位能迅速释放的平均时段为对流发生前1～2 h，有利的对流潜势结合对流有效位能的迅速释放对强天气的发生具有指示意义。10次强对流过程中天津遥感探空廓线的整层比湿积分大于北京探空的共发生7次，均对应短时强降水过程，进一步研究发现北京探空发生时刻的整层比湿积分与天津遥感探空廓线的接近，可见基于遥感探空廓线的湿度参数反映局地水汽的增长过程。

表1 北京探空与天津遥感探空在10次强对流过程的对比Table 1 Comparison of 10 convective cases from Beijing radiosonde and Tianjin Foundation-remote-sensing Air-sounding-profile System

选取2020年8月1日短时强降水伴随雷暴大风过程及2021年5月26日雷暴大风过程进行详细分析，进一步说明高分辨率遥感探空廓线对强天气潜势及分型的指示意义及对中小尺度系统精细热动力结构的描述能力。

3.2 2020年8月1日短时强降水伴随雷暴大风过程

2020年8月1日19:45—21:00天津西青站周边多站发生短时强降水过程，最大雨强为74.4 mm·h-1，同时伴有雷暴大风。08：00常规探空风场拼图显示850 hPa高空槽位于河北西部，天津处于高空槽前，随着高空系统东移，天津地区上空具备大尺度抬升条件。图3是不同时次的T-lnp图，08：00北京探空显示对流有效位能为451.7 J·kg-1，由于对流有效位能的对流潜势指示意义存在季节差异，8月低于500 J·kg-1的对流有效位能的强对流指示性不强；对流参数反映了较高的自由对流高度(554.9 hPa)和较大的对流抑制能量(297 J·kg-1)，但天气尺度抬升难以作为强对流的触发机制；对流潜势增长的有利条件为槽前西南风不断向天津地区补充水汽和能量，但稀疏的常规探空频次难以满足短时临近预报对对流参数的持续观测需求。

遥感探空廓线能以较高的时间分辨率指示环境参量的变化过程。图3中11：00，14：00和17：00由天津遥感探空廓线计算的对流有效位能分别为633.7，1455.4 J·kg-1和1223.8 J·kg-1，反演数据显示随地表温度的升高和西南风的持续作用，对流有效位能迅速升高并维持。表2为08：00北京探空和14：00天津遥感探空廓线的对流参数对比，高时效的对流参数除刻画对流有效位能增长外，还反映出对流抑制能量、自由对流高度、K指数、抬升指数、整层比湿积分等对流参数向更显著的对流潜势趋势发展，其中整层比湿积分的迅速增长体现了局地水汽的输送作用，为短时强降水的发生提供了充足的水汽来源；遥感探空廓线与北京探空在 600 hPa 至300 hPa间均存在干层，中层干空气夹卷有利于雷暴大风的出现, 14：00和17：00遥感探空廓线为短时强降水伴随雷暴大风过程的典型形势。

表2 2020年8月1日08：00北京探空和14：00天津遥感探空廓线对流参数对比Table 2 Comparison of convective parameters processed from Beijing radiosonde at 0800 BT and Tianjin Remote-Atmospheric Profile System at 1400 BT on 1 Aug 2020

利用遥感探空廓线可分析强对流发生前动力场和环境场的相互作用。图4a为2020年8月1日14:30—20:30由天津西青站遥感探空廓线得到的对流有效位能及天津西青区中辛口村自动气象站观测的降水量时序图，图4b为2020年8月1日16:30—20:30天津西青站风廓线雷达反演水平风场时间-高度剖面图。由图4a可见，14:30—19:15 为能量维持阶段，其中12：00—19:15对流有效位能为850～1500 J·kg-1，大于1000 J·kg-1的时段超过7成，虽然弱冷空气扰动造成能量的少量释放，但低层西南风叠加中层偏西风存在风随高度逆转，暖湿气流源源不断地补充使高湿高能条件得以维持，18:30—19:15中低层西南气流达到急流强度，进一步补充水汽和能量，19:15对流有效位能为1349.5 J·kg-1，850 hPa比湿为16 g·kg-1，700 hPa 假相当位温为73℃。19:15—20:30为能量释放阶段，19:15 中尺度冷气团楔入天津西青站，造成深层风场的强烈辐合，成为不稳定能量的触发机制，能量的迅速释放导致对流有效位能迅速降低，其中19:30—20:00对流有效位能由1173 J·kg-1降至414 J·kg-1，不稳定能量的释放表征中小尺度系统强烈的上升运动，结合中低层湿度条件好、暖云层深厚、0～3 km垂直风切变小等环境条件，19：45天津西青站周边发生了以短时强降水为主的强天气过程。由图4a可以看到，对流有效位能迅速下降，雨强迅速增长，遥感探空廓线观测到能量释放至强天气发生的时间间隔为30 min，符合预报预警的时间要求。需要说明的是，对流参数表征中小尺度环境条件，指征一定范围内的对流潜势，与单点强天气实况不具备绝对相关性，本次过程天津西青站周边多站出现短时强降水天气，但天津西青站并未发生强降水过程，故图4a降水量来源选取天津西青区中辛口村自动气象站，与天津西青站相距不足10 km。

3.3 2021年5月26日雷暴大风过程

2021年5月26日15:30—16:10天津西青站及周边多站发生风力超过17.2 m·s-1的雷暴大风过程，最大阵风风力达25.7 m·s-1。08：00常规探空风场拼图显示，受低涡影响天津地区处于偏北气流控制之下，温湿条件不利于对流过程的发生发展。图5为不同时次的T-lnp图。 由图5可见， 08：00北京实测探空显示对流有效位能为0，抬升指数为4.94℃，当上游和本地均处于相对稳定的环境条件时，上游探空对流参数具有一定指示意义，即此时天津地区无明显对流潜势；10：00，12：00和14：00由天津遥感探空廓线计算的对流有效位能分别为27.6，830.7 J·kg-1和1347.1 J·kg-1，尽管整层大气以偏北风为主，但高分辨率数据指示对流有效位能不断增大，可能原因是低层北风的偏东分量使低层不断增湿，形成上干下湿的层结条件，导致对流有效位能迅速增长，14：00抬升指数由正值演变为-5.72℃，此时天津西青站周边具备一定的对流潜势。此外，14：00遥感探空廓线显示整层大气的温度露点差较大，中层大气干冷气流较强，对流有效位能为743.3 J·kg-1，基于遥感探空廓线的强对流分型指示雷暴大风的倾向性更强。

图6a为2021年5月26日10:00—16:00天津西青站遥感探空廓线绘制的对流有效位能及自动气象站观测的极大风风速时序图，图6b为2021年5月26日12:00—16:00天津西青站风廓线雷达反演水平风场的时间-高度剖面。由图6a可见，10:00—14:00为能量的增长阶段，10:30—12:30对流有效位能增长幅度超过1000 J·kg-1，其中12:00—12:30期间1～2 km高度出现偏东急流，天津地区东临渤海，低层湿度的补充相比温度的增长更有利于对流有效位能的增益，12:30后对流有效位能始终维持在1000 J·kg-1以上。14:00—15:30为能量释放阶段，14:00—14:30中低层西北风风力增大，超过12 m·s-1，随后在动力下传的作用下不断向下渗透影响边界层风场，侵入的西北风与边界层东南风辐合，促使不稳定能量的不完全释放，造成中低层西北风风力加大和厚度加深，但并未及地，深厚的西北风再次与低层东风形成强烈辐合，其正反馈作用进一步构成不稳定能量的触发机制，15:00—15:30对流有效位能由1052 J·kg-1迅速下降至17 J·kg-1；随着不稳定能量的释放，结合中层温度露点差大、温度垂直递减率大、0～3 km具有中等以上强度垂直风切变等环境条件，15:30天津西青站及周边发生雷暴大风过程。随着对流有效位能的迅速下降天津西青站阵风风力猛增至8级以上，从能量迅速释放至强对流发生存在30 min时间间隔。

两次强天气个例分析表明：遥感探空廓线能实时反映与热力和动力相关物理量的变化趋势，有利的对流潜势结合对流有效位能的迅速释放对强天气的发生具有指示性，主观强天气分型结果经验证与天气现象具有很好的契合度；遥感探空廓线可以反映环境温湿条件与动力场的相互作用，动力场既是能量的增长和维持机制，也是不稳定的触发机制，能量的释放又进一步影响动力场。

4 结论与讨论

本文利用天津地基遥感数据联合地面自动气象站数据构建地基遥感探空廓线，并对遥感探空廓线的反演数据进行模式检验和个例效果评估，得到以下结论：

1) 遥感探空廓线的比湿、对流有效位能均与ERA5数据具有较好的一致性。比湿相关的130组对比数据相关系数为0.93，均方根误差为1.4 g·kg-1，平均绝对偏差为1.06 g·kg-1，平均相对偏差为11.22%；对流有效位能相关的56组对比数据相关系数为0.84，平均相对偏差为35%，两种不同源的对流有效位能生消演变特征具有较强同步性；受检验参量的相关系数均达到0.01显著性水平，从而验证了遥感探空廓线数据的可信度。

2) 遥感探空廓线比常规探空更具时效性。10次强对流过程中，发生时次北京探空对流有效位能平均值为322 J·kg-1，无法指征午后或傍晚的对流潜势，遥感探空廓线具有分钟级时间分辨率，显示天津西青站对流有效位能高值时段平均为对流发生前2～5 h，平均峰值为1451.88 J·kg-1，迅速释放的平均时段为对流发生前1～2 h，具有强对流发生前后大气状态变化的描述能力。

3) 遥感探空廓线在短时临近预报业务中具有较高实用价值。通过高频变化的对流参数配置可以及时判断对流潜势的强弱及甄别强天气分型，通过捕捉中小尺度系统精细的热动力结构分析对流发生前动力场和环境场的相互作用，对提高短时临近预报精细化水平具有一定意义。

遥感探空廓线在业务应用中仍然存在局限性。微波辐射计的温度探测数据在不同天气条件下存在不同程度的观测误差，尤其降水时天线罩过湿将影响探测准确度，地基遥感观测数据因探测高度受限导致平衡高度较高时对流有效位能反演值小于真实值。遥感数据的质量控制及反演方法的改进有利于遥感探空廓线的进一步完善，从而为预报预警业务提供实用性更强、精准度更高的参考资料。