FY3極軌衛(wèi)星資料在暴雨短時(shí)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用分析

黃 榮，劉日勝，劉國忠，何 立

（1.廣西區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022；2.廣西氣象減災(zāi)研究所，南寧 530022）

1 引言

暴雨是廣西最主要的氣象災(zāi)害之一，一直以來都是氣象研究重點(diǎn)領(lǐng)域，氣象工作者圍繞暴雨的大尺度環(huán)流形勢和環(huán)境條件、物理量參數(shù)特征方面取得了不少研究成果［1－6］。暴雨是多種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，是在有利的天氣背景下由中尺度對流系統(tǒng)直接造成的。FY2系列氣象靜止衛(wèi)星能夠持續(xù)對中國區(qū)域進(jìn)行高時(shí)空分辨率的觀測，可以監(jiān)測中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和演變，在廣西前汛期暴雨、臺(tái)風(fēng)暴雨監(jiān)測預(yù)報(bào)得到了廣泛應(yīng)用［7－10］。 但由于靜止衛(wèi)星紅外通道和水汽通道等主要反映的是云頂?shù)奶卣餍畔ⅲ瑹o法獲得云團(tuán)的垂直結(jié)構(gòu)信息。極軌氣象衛(wèi)星搭載有比靜止衛(wèi)星更高空間分辨率的光譜成像儀、掃描輻射計(jì)和大氣垂直探測器，中分辨率光譜成像儀MERSI可見光通道星下點(diǎn)最高分辨率達(dá)250m，微波濕度計(jì)MWHS主要吸收成分為水汽，受冰態(tài)降水粒子影響較大，具有穿透云雨的能力，能夠觀測降水云團(tuán)中不同高度層的水汽特征［11－12］。國內(nèi)學(xué)者利用FY3系列極軌衛(wèi)星資料在定量降水估計(jì)、強(qiáng)對流天氣監(jiān)測中開展了應(yīng)用研究［13－14］，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用微波濕度計(jì)對比FY2靜止衛(wèi)星在不同量級降水估計(jì)的“擊中率”和精準(zhǔn)度方面都有優(yōu)勢，其在大氣不同高度垂直探測能力和高空間分辨率的可見光圖像能反映強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)的精細(xì)化結(jié)構(gòu)特征，但其缺點(diǎn)是每天過境兩次，時(shí)間分辨率較低，因此在暴雨監(jiān)測預(yù)報(bào)時(shí)需要結(jié)合靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星的各自優(yōu)勢進(jìn)行分析。

2014年5月17－19日，受低層切變線和冷空氣南下影響，河池、桂林、柳州、賀州、來賓、貴港、梧州、玉林、南寧等市出現(xiàn)中到大雨，局部大暴雨及雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。強(qiáng)降雨導(dǎo)致來賓、南寧、賀州等地出現(xiàn)內(nèi)澇，農(nóng)田被淹和房屋倒塌，給人民群眾造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。2014年5月18日強(qiáng)降雨時(shí)段期間，F(xiàn)Y3B極軌衛(wèi)星正好過境廣西，選取此時(shí)段降水和衛(wèi)星資料進(jìn)行分析，重點(diǎn)對FY3B微波濕度計(jì)資料在暴雨短時(shí)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，總結(jié)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，為短時(shí)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

2 天氣實(shí)況

2014年5月17日－18日20時(shí)，廣西自西北向東南出現(xiàn)了暴雨天氣，根據(jù)廣西區(qū)域自動(dòng)站雨量統(tǒng)計(jì)，24h共有暴雨321站，其中大暴雨53站（圖略），最大24h雨量出現(xiàn)在河池東蘭三石鎮(zhèn)納臘村，達(dá)199.9mm。此次暴雨過程主要的降水時(shí)段出現(xiàn)在18日白天，圖1（見彩頁）為廣西區(qū)域加密自動(dòng)站18日13－19時(shí)6h累計(jì)雨量，可以看出強(qiáng)降水主要位于桂東至桂東南一帶，雨帶呈東北—西南走向，共有79站雨量大于50mm，2站大于100mm，6h最大雨量出現(xiàn)貴港桂平白沙鎮(zhèn)，達(dá)134.5mm。強(qiáng)降雨范圍集中、降雨強(qiáng)度強(qiáng)，具有明顯的對流降水特征。

3 天氣系統(tǒng)分析

圖2 2014年5月18日08時(shí)中尺度分析圖

由2014年5月18日08時(shí)的中尺度分析圖（圖2）可以看出，200hPa西風(fēng)急流軸位于33°N附近，廣西處在高空急流入口區(qū)右側(cè)的氣流輻散區(qū)；500hPa副熱帶高壓脊線位于15°N，副高控制整個(gè)南海地區(qū)，云南省東部有短波槽東移，在高原東部有振幅達(dá)10個(gè)緯距高空槽，槽后有較強(qiáng)的冷平流；700hPa廣西受西偏南氣流控制，最大風(fēng)速達(dá)16m·s-1；850hPa切變線位于貴州與廣西交界附近，北部灣到廣西北部為一致的西南氣流，風(fēng)速10－12m·s-1，比濕達(dá)14－16g·㎏－1，并且溫度露點(diǎn)差小于 3℃，水汽條件較好；925hPa低空切變線位于廣西中部，位置穩(wěn)定少動(dòng)。地面有弱冷空氣從東路南下，廣西東南部有一條東北風(fēng)與東南風(fēng)形成的地面輻合線。這表明，5月18日廣西中東部處受高空槽前西南氣流影響，中低層水汽條件較好，低層有切變輻合，為中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展提供了有利背景。

4 FY3B衛(wèi)星資料分析

4.1 250m分辨率可見光圖像特征

從5月17日20時(shí)至18日20時(shí)FY2E靜止衛(wèi)星云圖演變（圖略）發(fā)現(xiàn)，17日22時(shí)在廣西西北部有1個(gè)對流云團(tuán)生成發(fā)展后向東南方向移動(dòng)。5月18日08時(shí)該對流云團(tuán)A移到廣西桂林到柳州一帶，強(qiáng)度有所減弱；11—12時(shí)該云團(tuán)在925hpa切變線附近再次發(fā)展增強(qiáng)，13時(shí)云團(tuán)西側(cè)和東南側(cè)各新生出對流云團(tuán)B和C，14時(shí)3個(gè)云團(tuán)逐漸開始合并（圖3a）；16時(shí) （圖略）合并后的云團(tuán)強(qiáng)度發(fā)展到最強(qiáng)，云團(tuán)TBB＜-52℃覆蓋的范圍達(dá)到約6000㎞2，最低亮溫值達(dá)-77℃；18時(shí)后，暴雨云團(tuán)逐漸向東移入廣東，廣西境內(nèi)的對流云團(tuán)強(qiáng)度減弱。

從5月18日14時(shí)25分FY3B MERSI傳感器250m分辨率可見光通道云圖（圖3b）可以看到廣西中東部被大片云帶覆蓋，云帶由3個(gè)橢圓形云團(tuán)組成，云團(tuán)白亮，上風(fēng)方（東南側(cè)）邊緣光滑，表明有較強(qiáng)偏南氣流進(jìn)入對流云團(tuán)，下風(fēng)方（東北側(cè)）可以看到絲羽狀的卷云，與高空有較強(qiáng)輻散出流有關(guān)。西側(cè)和東南側(cè)的中尺度云團(tuán)B和C有明顯不均勻紋理結(jié)構(gòu)，其中鑲嵌著多個(gè)圓形的暗影，這是強(qiáng)對流上升運(yùn)動(dòng)形成的上沖對流云頂，表明這兩個(gè)云團(tuán)中對流發(fā)展十分旺盛，預(yù)示著云中伴有強(qiáng)降雨、雷暴大風(fēng)等災(zāi)害性天氣［15］。

圖3（a） 2014年5月18日14時(shí)25分FY3B VIRRX 1000m分辨率長波紅外通道云圖 （b）MERSI 250m分辨率可見光通道云圖

4.2 微波濕度計(jì)亮溫特征

微波濕度計(jì)通道3、4、5亮溫值能夠分別反映大約 400hPa、600hPa、800hPa的水汽分布特征，其亮溫值越低，表明水汽對輻射的吸收越強(qiáng)［16］。2014年5月18日13時(shí)24分FY3B微波濕度計(jì)觀測資料正好覆蓋廣西全境，因此選取微波濕度計(jì)資料與13—19時(shí)廣西區(qū)域加密自動(dòng)站6h雨量≥20mm強(qiáng)降雨疊加顯示進(jìn)行分析（圖4，見彩頁）。在廣西東部和東南部對流云團(tuán)活動(dòng)區(qū)域，微波濕度計(jì)亮溫通道3、4、5都存在大片亮溫＜180K的低值區(qū)，云團(tuán)有4個(gè)亮溫值＜160K的低值中心。由此可以看出，在廣西中部和東南部的對流云團(tuán)中，大氣低層800hPa以及對流層中上層600hPa－400hPa水汽條件均非常充沛，有利于強(qiáng)降雨的發(fā)生。

6h雨量20－30mm區(qū)域，通道3微波亮溫值約為200－230K，通道4微波亮溫值約為180－220K，通道5微波亮溫值約為160－200K；6h雨量 30－50mm區(qū)域通道3微波亮溫值約為180－220K，通道4微波亮溫值約為180－220K，通道5微波亮溫值約為160－200K；值得注意的是6h雨量≥50mm強(qiáng)降雨區(qū)與亮溫低值中心并不對應(yīng)，強(qiáng)降雨區(qū)主要位于3個(gè)亮溫低值中心的過渡區(qū)域，亮溫范圍從160－235K不等。同樣的，通道4和通道5的微波亮溫有相似的特征。這是一方面由于云團(tuán)合并促成中尺度對流系統(tǒng)生成使對流發(fā)展更強(qiáng)烈［17］，14：00-15：00 貴港桂平白沙鎮(zhèn)錄得過程最大雨強(qiáng)110.7mm.h-1，另一方面由雷達(dá)回波演變（圖略）可以看出，強(qiáng)回波中心持續(xù)通過同一地點(diǎn)，即“列車效應(yīng)”導(dǎo)致暴雨產(chǎn)生。

4.3 FY3B微波濕度計(jì)亮溫差特征

由于微波濕度計(jì)3、4、5通道的中心頻率有細(xì)微差異，依次位于強(qiáng)水汽吸收線的中心到邊緣位置，受冰相粒子的散射影響也不盡相同。已有的研究表明，高層通道與低層通道的亮溫差能反映云團(tuán)對流的強(qiáng)弱［18］，因此通過對 3、4、5 通道產(chǎn)品計(jì)算以下 3 個(gè)特征量：

（1）CH34＝CH3-CH4：通道 3 減通道 4 亮溫差；

（2）CH35＝CH3-CH5：通道 3 減通道 5 亮溫差；

（3）CH45＝CH4-CH5：通道 4 減通道 5 亮溫差。

圖5（見彩頁）是微波濕度計(jì)的各層的亮溫差與地面6h≥20mm以上強(qiáng)降水的區(qū)域疊加，從圖中可以看到，6小時(shí)強(qiáng)降雨區(qū)位于正亮溫差區(qū)域，這表明在對流云團(tuán)中，通道5的亮溫最低，其次為通道4亮溫，通道3的亮溫值最高。因此，通道3減去通道5的亮溫差也最大，6h≥20mm的強(qiáng)降雨大部分位于CH35差值20-40K的區(qū)域內(nèi)，CH34差值約為10-20K，CH45差值約為0-20K。強(qiáng)降雨主要發(fā)生在亮溫差的正值區(qū)，但對于梧州市南部、玉林市北部的強(qiáng)降雨區(qū)明顯漏報(bào)，這是由于微波濕度計(jì)僅有一個(gè)時(shí)次的資料，無法完整反映暴雨云團(tuán)合并后演變和發(fā)展的過程。但總體上看，微波濕度計(jì)高低層通道正亮溫差能反映云團(tuán)深對流的區(qū)域，CH35正亮溫差大值區(qū)對6小時(shí)強(qiáng)降雨落區(qū)仍有較好的指示意義。

5 結(jié)論

利用常規(guī)觀測、地面加密自動(dòng)站降水資料以及FY3B極軌衛(wèi)星資料，對2014年5月18日廣西一次暴雨過程進(jìn)行綜合分析，重點(diǎn)對暴雨云團(tuán)的微波濕度計(jì)亮溫資料在短時(shí)（6h）暴雨過程中的特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）2014年5月18日廣西中東部處受高空槽前西南氣流影響，中低層水汽條件較好，低層有切變輻合，為中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展提供了有利背景。

（2）250m分辨率可見光通道云圖顯示廣西中東部云團(tuán)有明顯不均勻紋理結(jié)構(gòu)，其中鑲嵌著多個(gè)圓形的暗影表明對流發(fā)展十分旺盛，預(yù)示著云中伴有強(qiáng)降雨、雷暴大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。

（3）微波濕度計(jì)資料反映出暴雨云團(tuán)從低層到中高層都有較高的水汽含量區(qū)，50mm以上的強(qiáng)降雨區(qū)主要位于3個(gè)亮溫低值中心的過渡區(qū)域，即對流云團(tuán)合并處。高低層通道亮溫差能反映云團(tuán)對流的強(qiáng)弱程度，強(qiáng)降雨發(fā)生在微波亮溫差的正值區(qū)，通道3減通道5的亮溫差大值區(qū)對6h強(qiáng)降雨落區(qū)有較好的指示意義。

［1］林開平，張誠忠，董良淼，等.廣西致洪暴雨過程的要素場演變特征及物理量診斷分析［J］.廣西氣象，2001（1）：12-16.

［2］傅慎明，趙思雄，孫建華，等.一類低渦切變型華南前汛期致洪暴雨的分析研究［J］.大氣科學(xué)，2010，34（1）：235-252.

［3］劉國忠，黃嘉宏，曾小團(tuán)，等.引發(fā)廣西兩次嚴(yán)重山洪地質(zhì)災(zāi)害的暴雨過程分析 ［J］. 氣象，2013，39 （11）：1402-1412.

［4］陳見，高安寧，唐文.廣西超大范圍鋒面暴雨發(fā)生特征及預(yù)報(bào)方法研究［J］.氣象研究與應(yīng)用，2013，34（1）：7-12.

［5］屈梅芳，古文保.廣西一次連續(xù)性暴雨過程分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2016，37（4）：41-45+130.

［6］覃靖，潘海，蘇小玲.2016年5月桂北地區(qū)一次對流性暴雨過程診斷分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2016，37（4）：22-26+131.

［7］黎惠金，李向紅，黃芳，等.廣西一次特大暴雨的MCC演變過程及結(jié)構(gòu)特征分析［J］.高原氣象，2013，32（3）：806-817.

［8］劉曉梅，陳見，李向紅，等.一次廣西東部季風(fēng)爆發(fā)前夕短歷時(shí)強(qiáng)降水分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2014，35（2）：14-18+125.

［9］賴雨薇，蘇兆達(dá)，梁岱云.多普勒雷達(dá)和衛(wèi)星在監(jiān)測正面影響桂中臺(tái)風(fēng)的應(yīng)用［J］.氣象研究與應(yīng)用，2016，37（1）：61-63.

［10］賴珍權(quán)，翟麗萍，古文保.1415號臺(tái)風(fēng)“海鷗”的衛(wèi)星云圖及雷達(dá)資料分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2017，38（2）：10-13+115-116.

［11］陳昊，金亞秋.風(fēng)云三號MWTS／MWHS大氣溫度與水汽廓線反演——2008年鳳凰臺(tái)風(fēng)個(gè)例試驗(yàn) ［J］.遙感學(xué)報(bào)，2011，15（1）：137-147.

［12］張鵬，楊虎，邱紅，等.風(fēng)云三號衛(wèi)星的定量遙感應(yīng)用能力［J］.氣象科技進(jìn)展，2012，2（4）：6-11.

［13］崔林麗，楊引明，游然，等.FY-3A／MWHS數(shù)據(jù)在定量降水估計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.高原氣象，2012，31（5）：1439-1445.

［14］高大偉，樊高峰，胡永亮，等.FY－3氣象衛(wèi)星微波水汽三維可視化及其在強(qiáng)天氣監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.國土資源遙感，2014，26（1）：139－143.

［15］張春喜，王迎春，王令，等.一次短歷時(shí)特大暴雨系統(tǒng)的高分辨率衛(wèi)星圖像［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（4）：647－650.

［16］龍利民，張萍萍，張寧.2008－07－22 襄樊特大暴雨 FY－3A 微波資料分析［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（5）：569－575.

［17］黃勇，覃丹宇.舟曲泥石流天氣過程中云團(tuán)合并的衛(wèi)星觀測［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2013，24（1）：87－98.

［18］徐雙柱，吳濤，張萍萍.風(fēng)云3號氣象衛(wèi)星資料在暴雨預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.災(zāi)害學(xué)，2011，26（3）：97－102.