引言

多通道地基微波辐射计具有时间分辨率高、精度高和长时间无人值守工作等优点，能够连续监测地面至10 km高度的温度、湿度、水汽等垂直廓线，可以部分弥补常规探空观测时间间隔长和因雷达探测局限性而导致获取大量信息的不足(刘建忠等，2010；NOAA Eaah Sciences Research Lab，2009；傅云飞等，2007；刘黎平等，2007；万玉发等，2008)。近年来，国内外学者采用地基微波辐射计观测资料在水汽分析方面开展了大量研究。如Revercomb等(2003)综述了美国ARM (Atmospheric Radiation Measurement)试验中使用微波辐射计探测有关水汽的研究背景以及前景。Dominique等(2006)基于COST720温度、湿度和云廓线试验，通过使用多种微波辐射计与云雷达、风廓线雷达联合观测来提高反演大气廓线的算法，研究了雾形成、发展以及消散时的物理过程。刘红燕等(2007)采用微波辐射计测量得到的水汽总量，分析了北京地区水汽在4个季节中的日变化特征。

冰雹具有持续时间短、局地性强等特点，利用新一代天气雷达资料和高分辨率卫星资料对冰雹过程进行分析，发现了冰雹形成过程中动力、热力和水汽等的特点，总结了冰雹识别及潜势预警的一些方法(苏德斌等，2011；王秀玲等，2010；王令等，2006；俞小鼎等，2005)。目前，国内在利用地基微波辐射资料分析冰雹等强对流天气方面刚刚起步。雷恒池等(2011)研究了微波辐射计在探测降雨前水汽和云液水含量的变化特征，探讨了微波辐射计在人工影响天气中的可能应用。周嵬等(2011)基于微波辐射计资料研究了对流降水云内与环境温差。魏东等(2011)、刘志雄等(2009)、廖晓农等(2008)分别利用微波辐射计资料对局地暴雨、强冰雹和雷暴大风个例进行了分析。本文利用中国气象局武汉暴雨所地基微波辐射计观测数据，对2009年2月26日(简称“09.02.26 ”)和2010年4月12日(简称“10.04.12”)发生在湖北咸宁的两次冰雹过程的温度、相对湿度、垂直水汽总含量、垂直液态水汽含量和不稳定等特征进行分析，为冰雹等强对流天气的监测预警及相关研究提供参考。

1 冰雹天气过程概况

2009年2月26日08时(北京时，下同)，500 hPa中低纬度地区环流平直，850 hPa在30°N附近存在一个暖式切变线，湖北中南部地区处于500 hPa低槽前部、850 hPa暖切变线附近(图 1a)。午后，随着地面弱冷空气的入侵，咸宁出现了一次冰雹强对流天气。冰雹发生在15时06—10分，冰雹直径约10 mm，最大为12 mm。2010年4月12日08时，500 hPa低槽主要位于河套地区东部，高原中南部有短波槽东移，850 hPa在30°N附近存在一个暖式切变线(图 1b)。14时，850 hPa暖式切变线南压至湖北南部，地面冷空气前沿已经到达湖北南部。傍晚前后，咸宁出现了两次冰雹天气过程：17时18—22分和19时29—30分，冰雹直径约10~13 mm，最大达30 mm，并伴有大风发生。由于第二轮降雹时间短，这里仅分析第一轮降雹。

2 资料与方法

采用的资料主要有2009年2月26日和2010年4月12日湖北咸宁地基微波辐射计逐日观测资料，以及相应时段的地面降水资料。

咸宁地基微波辐射计为美国Radiometrics公司生产的35通道MP-3000A型，每3 min一次全天空扫描观测，输出天顶方向地面至10 km高度共58层的温度、湿度、水汽和液态水含量的廓线数据，其廓线空间垂直分辨率在500 m以下为50 m，在500 m至2 km为100 m，在2 km之上为250 m。徐桂荣等(2010)对比分析了咸宁站相同时间观测的GPS无线电探空、GPS/MET和微波辐射计资料发现，在无降水发生时，微波辐射计资料与GPS无线电探空、GPS/MET资料有很好的正相关，随着降水的发生，这种相关性明显减小，并认为咸宁微波辐射资料能在一定程度上反映降水前天顶上空大气的温度和湿度状况。

3 微波辐射计资料监测分析 3.1 相对湿度和大气水汽含量演变特征

低层适当水汽供应是降雹的重要条件之一。“09.02.26 ”冰雹过程发生前约3 h(图 2a)，相对湿度垂直廓线大体呈5~10 km层小、0~5 km层大的“上干、下湿”2层结构。冰雹临近时，上下两层相对湿度增大，其中0~5 km层变为饱和状态，7~10 km层相对湿度超过90%，6~7 km层相对湿度<80%，0~10 km整层为“上下湿、中间干”的3层结构(图 2c)。降雹时，这种3层结构总体上维持(图 2d)。降雹后，相对湿度垂直分布又恢复到“上干、下湿”2层结构(图 2e)。中低层西南气流发展为冰雹发生提供了水汽条件，相对湿度“上干、下湿”垂直结构分布有利于不稳定层结的维持。“10.04.12”第一轮降雹前3 h(图 2b)，相对湿度垂直廓线也为“上干、下湿”2层结构。降雹临近至结束，0~10 km整层一直维持“上下湿、中间干”的3层结构(图 2f、2g和2h)，这种3层结构为下次冰雹的产生提供了水汽基础条件。

大气水汽总含量(IWV，下同)和大气液态水总含量(ILW，下同)可以在一定程度上反映水汽的变化。这两次冰雹过程，IWV和ILW均经历了降雹前迅速增长、降雹时迅速下降的演变过程，冰雹发生在IWV和ILW快速增长的波峰上。“09.02.26”降雹前约1 h，IWV呈波动状态迅速上升，最大波峰出现在降雹前15 min临近时，最大峰值达64.54 mm，冰雹发生在IWV波峰上，随着冰雹发生IWV迅速减小(图 3a)。“10.04.12 ”第一次降雹过程IWV体现出同样演变特征, 但是在降雹结束后，IWV很快又上升(图 3b), 这为第二轮降雹提供了条件。从图 3c可知，“09.02.26”临近降雹时，ILW从1.541 mm急增至18.002 mm，增长速率达到27.435 mm·h^-1，冰雹发生时ILW迅速下降，冰雹发生在ILW波峰上的最大峰值上。“10.04.12”第一次降雹时(图 3d)，ILW具有相同演变特征。

3.2 0℃以下液态水含量演变特征

过冷水的含量是否充分是决定雹胎能否长大成冰雹必备条件之一。从垂直液态水含量的演变上看，这两次冰雹过程中大气垂直液态水含量廓线均体现出“上下层小、中间层大”的特征。“09.02.26 ”降雹前(图 4a), 0~7 km液态水含量均超过0.5 g·m^-3，最大值出现在7 km高度上，随着降雹和降水发生大气液态水含量迅速减小(图 4b和4c)。“10.04.12”第一轮降雹前(图 4d)，大气液态水含量最大值出现在4 km高度上，降雹时液态水含量基本没有变化(图 4e)；降雹后, 0~7 km液态水含量再次明显增加(图 4f)。

计算并分析-12~0℃层、-20~0℃层累计液态水总含量和-20℃层液态水含量的演变特征发现，这两次冰雹与垂直方向上0℃以下累计大气垂直液态水含量的峰值相对应。“09.02.26”降雹过程-12~0℃层、-20~0℃层累计0℃以下液态水总含量的数值大小基本相当，而且变化趋势也一致(图 4g)。在降雹前约20 min，0℃以下液态水含量急剧增长，由约0.1 mm增长至4 mm，冰雹发生后迅速减小。“10.04.12 ”降雹过程-12~0℃层与-20~0℃层的变化趋势也基本一致(图 4h)。

3.3 不稳定特征

在3.1节和3.2节中分析了降雹前后水汽含量的变化及水汽垂直分布特征，这些演变与大气的不稳定程度有关。从温度演变曲线可知，这两次冰雹过程发生前约1 h(图 5a和5b)，3 km以下层均出现了明显增温过程，增温幅度超过10℃，0、-5和-20℃层也有上升。比较温度与ILW、IWV的廓线，发现2~4 km层温度的增高与ILW、IWV的增长基本一致。说明雹云中较强的上升气流将低层的感热和潜热向上传输导致2~3 km层明显增温，引起0、-5和-20℃层的微略上升。同时，低层水汽被上升气流向上传输，导致降雹之前ILW、IWV及过冷水含量的快速增长、相对湿度的增大。

K指数是表示大气稳定度的物理量，K=T₈₅₀-T₅₀₀+T_d850-(T₇₀₀-T_d700)，K指数越大，大气层结越不稳定。Chan(2009)、李德俊等(2011)利用微波辐射计资料计算的K指数对雷电、大风等强对流天气有很好的指示作用。“09.02.26 ”降雹过程(图 5c)，K指数在降雹前1 h达到35℃以上，大气处于不稳定状态；在临近降雹时又明显增长，降雹结束后K指数迅速下降到35℃以下，大气层结趋于稳定。“10.04.12”降雹前(图 5d)，K指数均超过了35℃，说明大气处于不稳定状态，而且在降雹时及降雹之后仍然维持在35℃以上，为第二轮冰雹的产生提供了有利的不稳定条件。

4 结论和讨论

利用地基微波辐射计观测资料反演出的相对湿度、大气水汽总含量(ILW)、大气液态水汽含量(IWV)、0℃以下液态水含量和对流参数，分析了2009年2月26日和2010年4月12日发生在湖北咸宁的两次冰雹过程的特征，主要结论有：

(1) 低层暖湿气流的输送、中层干冷空气的侵入而形成的相对湿度“上干、下湿”2层垂直分布结构有利于冰雹形成，而“上下湿、中间干”3层结构有利于冰雹的发生与维持。

(2) 低层水汽被上升气流向上传输，导致降雹之前ILW、IWV及过冷水含量的快速增长，冰雹发生在IWV和ILW的最大波峰中。水汽被带至过冷层后，冰晶增多增大。冰晶融化有一部分形成冰雹或地面降水，导致降雹之后ILW、IWV及0℃以下液态水含量减小。

(3) 这两次冰雹过程均发生在液态水含量约0.5 mg·m^-3的背景下。降雹前约20 min，0℃以下液态水含量急剧增长，在降雹开始前快速减小，这是因为雹胎在长大过程之中消耗了一部分0℃以下液态水。

(4) 这两次冰雹发生都发生在2~3 km层增温过程中，K指数能反映冰雹过程的大气层结稳定度状态。

今后将针对更多降雹个例，结合雷达、卫星等资料进行综合分析，总结提取更好的强对流天气分析的指标，提高强对流天气预警能力。