風(fēng)云地球平臺(tái)在湖南南部一次暴雨天氣過(guò)程的應(yīng)用

文 | 李婷 戴勁 何寧 翟子豪

1.邵陽(yáng)市綏寧縣氣象局 2.湖南省湘潭市氣象局 3.郴州市氣象局

一、引言

暴雨是我國(guó)重要的災(zāi)害性天氣之一，對(duì)暴雨進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，無(wú)論是形成機(jī)理還是預(yù)報(bào)預(yù)警方法都有了較好的研究[1-2]，暴雨天氣過(guò)程由于其分布及尺度變化的不均勻性，一般的方法難以對(duì)其進(jìn)行多方位全面觀測(cè)，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)成為天氣監(jiān)測(cè)的重要手段[3-5]。我國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星已有近50年的發(fā)展，所發(fā)射的極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星可以很好地實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像、多光譜探測(cè)等功能[6-8]，目前基層氣象部門在災(zāi)害性天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作中比較依賴天氣雷達(dá)回波產(chǎn)品，較少結(jié)合氣象衛(wèi)星產(chǎn)品高時(shí)間分辨率、空間分辨率等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行運(yùn)用。風(fēng)云地球平臺(tái)于2022年6月投入湖南省業(yè)務(wù)試運(yùn)行，是以我國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星為基礎(chǔ)，集成云圖、要素和事件、災(zāi)害性天氣、氣候和模式檢驗(yàn)五大模塊展示最新風(fēng)云云圖以及云相態(tài)、大氣溫度、強(qiáng)對(duì)流檢測(cè)等產(chǎn)品數(shù)據(jù)，針對(duì)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流、暴雨等災(zāi)害性天氣進(jìn)行應(yīng)用，平臺(tái)以預(yù)報(bào)員需求為引導(dǎo)，為精細(xì)化天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警起到了一定的支撐作用。本文利用風(fēng)云地球平臺(tái)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)及其相應(yīng)的產(chǎn)品對(duì)湖南省2023年10月19日的一次受臺(tái)風(fēng)“三巴”及冷空氣共同影響對(duì)湖南南部地區(qū)產(chǎn)生的暴雨過(guò)程進(jìn)行診斷分析。

二、過(guò)程概況

風(fēng)云地球平臺(tái)災(zāi)害性天氣臺(tái)風(fēng)模塊可對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2023年10月17日，臺(tái)風(fēng)“三巴”于南海西北部形成并向北偏西前進(jìn)，10月18日加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴級(jí)，10月19日上午在海南省東方市沿海登陸，夜間加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)，中心位置（108.5°E，19.0°N），最大風(fēng)速20.0m/s，中心低氣壓998.0hPa（圖1），于10月20日上午9時(shí)前后在廣東省遂溪縣沿海再次登陸，減弱后的熱帶低壓于同日晚間19時(shí)40分許在海南省臨高縣第三次登陸，于當(dāng)晚23時(shí)被中央氣象臺(tái)停止編號(hào)。受“三巴”臺(tái)風(fēng)外圍及北部南下冷空氣共同影響，10月19日08時(shí)至10月20日08時(shí)，湖南南部地區(qū)出現(xiàn)大到暴雨，其中永州雙牌縣、郴州蘇仙區(qū)局地大暴雨，最大降水量為雙牌縣陽(yáng)明山站109.7mm。本次主要利用風(fēng)云地球平臺(tái)對(duì)臺(tái)風(fēng)“三巴”第一次登陸做具體分析。

圖1 2023年10月19日07時(shí)風(fēng)云地球衛(wèi)星云圖疊加臺(tái)風(fēng)路徑圖

1.衛(wèi)星云圖監(jiān)測(cè)

（1）FY-4A 可見(jiàn)光云圖分析

風(fēng)云地球平臺(tái)云圖模塊可提供風(fēng)云四號(hào)A星（FY-4A）、風(fēng)云四號(hào)B星（FY-4B）可見(jiàn)光、紅外、真彩云圖，F(xiàn)Y-4A可見(jiàn)光云圖影像時(shí)間分辨率為5min，空間分辨率500m，利用其高時(shí)間分辨率及空間分辨率特性可清晰并且快捷地對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。2023年10月17日（圖2a），在臺(tái)風(fēng)發(fā)生初期可明顯看出南海西北部開(kāi)始有不對(duì)稱高亮渦旋云系生成，不斷發(fā)展并逐漸向西北部前進(jìn)，18日繼續(xù)發(fā)展，于10月19日09時(shí)（圖2b）在海南省東方市沿海登陸，臺(tái)風(fēng)東北部云團(tuán)發(fā)展旺盛，外圍影響湖南南面地區(qū)。同時(shí)北面冷空氣云系在19日逐漸與臺(tái)風(fēng)帶云系交匯，共同作用下形成一條交匯對(duì)流云帶，呈東西走向維持在湖南南部地區(qū)，持續(xù)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，20日過(guò)程趨于結(jié)束。

圖2 FY-4A可見(jiàn)光云圖

（2）FY-4A真彩色云圖分析

FY-4A真彩色影像彌補(bǔ)可見(jiàn)光夜間觀測(cè)短板，19日白天臺(tái)風(fēng)已登陸持續(xù)北上并逐漸與冷空氣交匯，至20時(shí)（圖3a）臺(tái)風(fēng)外圍影響整個(gè)湖南地區(qū)，與冷空氣共同作用使湖南南部出現(xiàn)一條白亮的對(duì)流云帶，此時(shí)在永州、郴州、衡陽(yáng)、株洲等地區(qū)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，22時(shí)后（圖3b）臺(tái)風(fēng)逐漸減弱。

圖3 FY-4A真彩色云圖

2.天氣過(guò)程分析

風(fēng)云地球云圖環(huán)流形勢(shì)模塊提供不同高度環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)產(chǎn)品，10月17日08時(shí)200hPa大陸北部有兩個(gè)高壓系統(tǒng)形成橫向低槽，共同作用下產(chǎn)生南下冷空氣，500hPa南海出現(xiàn)渦旋狀氣流，臺(tái)風(fēng)“三巴”受副高內(nèi)部引導(dǎo)氣流影響向西北方向移動(dòng)，西南水汽向湖南一帶輸送，為暴雨過(guò)程提供了充分的水汽條件；10月19日20時(shí)（圖4a），200hPa高空大陸西北冷空氣增強(qiáng)并南壓，臺(tái)風(fēng)“三巴”已登入大陸，臺(tái)風(fēng)外圍云系向內(nèi)陸延伸，500hPa（圖4b）低空風(fēng)場(chǎng)臺(tái)風(fēng)外圍與西北冷空氣交匯，產(chǎn)生一條自西向東急流帶，湖南南部永州、衡陽(yáng)、郴州、株洲等地受影響并發(fā)生降雨過(guò)程。

圖4 風(fēng)云地球云圖環(huán)流形勢(shì)圖

3.災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)分析

（1）臺(tái)風(fēng)環(huán)境流場(chǎng)分析

風(fēng)云地球平臺(tái)災(zāi)害性天氣模塊中臺(tái)風(fēng)大尺度環(huán)流場(chǎng)，云圖疊加了GFS逐6h流場(chǎng)、散度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)，可以有效預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)流場(chǎng)變化對(duì)臺(tái)風(fēng)發(fā)展趨勢(shì)有一定的指示作用，分析2023年10月19日20時(shí)200hPa高層散度（圖5a）場(chǎng)及850hPa低層散度（圖5b）場(chǎng)，高層輻散低層輻合配置加快了暖空氣的抬升，有利于對(duì)流發(fā)展，結(jié)合500hPa流場(chǎng)圖（圖5c）可看出“三巴”臺(tái)風(fēng)所產(chǎn)生的急流與大陸冷空氣急流交匯形成西東向急流帶，風(fēng)切變數(shù)據(jù)（圖5d）側(cè)面表明臺(tái)風(fēng)發(fā)展趨勢(shì)，大陸冷空氣發(fā)展不利于臺(tái)風(fēng)北上，與大陸冷空氣交匯后冷空氣將逐漸阻止臺(tái)風(fēng)的北移。

圖5 2023年10月19日20時(shí)臺(tái)風(fēng)“三巴”環(huán)境流場(chǎng)

（2）KI值分析

不穩(wěn)定能量（KI）是對(duì)流所產(chǎn)生的必要條件之一，根據(jù)風(fēng)云地球平臺(tái)災(zāi)害性天氣能量指數(shù)模塊風(fēng)云三號(hào)E星（FY-3E）VASS KI指數(shù)產(chǎn)品（圖6）數(shù)據(jù)，2023年10月18日（圖6a）不穩(wěn)定能量主要在洋面波動(dòng)，隨著影響系統(tǒng)向北運(yùn)動(dòng)，在19日（圖6b）不穩(wěn)定在湖南南部增強(qiáng)，指數(shù)達(dá)36K，為對(duì)流過(guò)程提供不穩(wěn)定能量條件。

圖6 FY-3E VASS KI指數(shù)

（3）強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)分析

利用風(fēng)云地球平臺(tái)初生對(duì)流監(jiān)測(cè)產(chǎn)品分析，在此次過(guò)程中，2023年10月19日12時(shí)開(kāi)始有初生對(duì)流在湖南西南部產(chǎn)生，隨著臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)結(jié)合對(duì)流監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，至20時(shí)（圖7）發(fā)展為最強(qiáng)階段，成一條東西走向的對(duì)流帶，最強(qiáng)對(duì)流亮溫小于-70℃，影響邵陽(yáng)、婁底和湘潭地區(qū)。

圖7 2023年10月19日20時(shí)強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)

4.單要素分析

（1）云相態(tài)分析

云相態(tài)是云的熱力學(xué)狀態(tài)，一般分為液態(tài)和固態(tài)，云相態(tài)的變化一定程度上也代表了輻射系統(tǒng)收支平衡和天氣系統(tǒng)的演變過(guò)程[9]，風(fēng)云地球平臺(tái)要素和事件云參數(shù)模塊將云相態(tài)分為暖水云、過(guò)冷水云、混合云、冰云四種，可以更加精細(xì)準(zhǔn)確地判斷云相態(tài)的細(xì)微變化。2023年10月17日08時(shí)（圖8a），臺(tái)風(fēng)位于洋面產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，冷高壓影響中國(guó)北部地區(qū)，湖南地區(qū)北部有少量暖水云以晴天為主，至2023年10月18日20時(shí)（圖8b）湖南南面有冰云出現(xiàn)，覆蓋永州、郴州、衡陽(yáng)、株洲并逐漸北移，此時(shí)永州、郴州、衡陽(yáng)、株洲開(kāi)始產(chǎn)生陣雨。10月19日08時(shí)（圖8c）臺(tái)風(fēng)逐漸登陸，湖南北面同時(shí)受北方冷空氣影響，此時(shí)上空覆蓋暖水云，中南部被冰云覆蓋，永州、郴州、衡陽(yáng)開(kāi)始產(chǎn)生混合云，云相態(tài)的轉(zhuǎn)變同樣顯示了正在發(fā)生的對(duì)流天氣運(yùn)動(dòng)，降水持續(xù)，至10月19日20時(shí)（圖8d）過(guò)程穩(wěn)定發(fā)展，云相態(tài)顯示出明顯分層，湖南北部轉(zhuǎn)化為過(guò)冷水云，中部被冰云覆蓋，南部被混合云覆蓋，降水加強(qiáng)，強(qiáng)對(duì)流天氣主要發(fā)生在湖南南部地區(qū)。

圖8 2023年10月17-19日湖南地區(qū)云相態(tài)演變

（2）大氣溫度分析

過(guò)程的發(fā)生往往伴隨著大氣溫度的變化，風(fēng)云地球平臺(tái)要素和事件溫度模塊提供溫度分層、變溫分層等產(chǎn)品，可從多尺度對(duì)大氣溫度進(jìn)行分析，根據(jù)平臺(tái)大氣溫度分布數(shù)據(jù)可明顯看出10月19日22時(shí)（圖9a）從高層至地面均有溫度分層帶，而高層的冷暖分界范圍明顯大于低層，高層暖氣團(tuán)較為集中，24小時(shí)變溫（圖9b）也可看出整體氣溫變化的不穩(wěn)定，中高層產(chǎn)生明顯正負(fù)變溫分界線。直觀展示臺(tái)風(fēng)所帶來(lái)的濕暖氣流與北面冷空氣相交匯，加劇當(dāng)?shù)夭环€(wěn)定性產(chǎn)生對(duì)流性降水過(guò)程。

圖9 2023年10月19日湖南大氣溫度

三、結(jié)論

本次利用風(fēng)云地球平臺(tái)各模塊產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)湖南南部的一次受臺(tái)風(fēng)和冷空氣共同影響的暴雨過(guò)程進(jìn)行了分析，為精細(xì)化天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警起到了一定的支撐作用，具體結(jié)論如下。

1）結(jié)合風(fēng)云地球平臺(tái)云圖、環(huán)流形勢(shì)及災(zāi)害性天氣臺(tái)風(fēng)模塊分析此次過(guò)程發(fā)展趨勢(shì)，過(guò)程主要受臺(tái)風(fēng)“三巴”與冷空氣共同影響，臺(tái)風(fēng)“三巴”于2023年10月17日在南海西北部形成并向北偏西前進(jìn)，并在副高影響下不斷帶動(dòng)暖濕氣流向大陸移動(dòng)，冷空氣逐漸南下，二者最終交匯使湖南南部產(chǎn)生暴雨天氣。

2）結(jié)合風(fēng)云地球平臺(tái)災(zāi)害性天氣臺(tái)風(fēng)環(huán)境場(chǎng)、能量指數(shù)模塊分析過(guò)程產(chǎn)生條件，2023年10月19日高空輻散低空輻合的配置有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)展，加快暖空氣的抬升，為暴雨提供有利動(dòng)力條件；KI指數(shù)顯示在19日湖南地區(qū)達(dá)到最強(qiáng)，提供了不穩(wěn)定能量條件；過(guò)程發(fā)生時(shí)對(duì)流自南向北影響湖南，對(duì)流亮溫在29日20時(shí)達(dá)到最低為小于-70℃，可及時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)流移動(dòng)方向及影響區(qū)域。

3） 結(jié)合風(fēng)云地球平臺(tái)要素和事件模塊分析過(guò)程進(jìn)行時(shí)不同要素的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)過(guò)程可視化，湖南南部上空云相態(tài)變化為過(guò)冷水云-冰云-混合云，湖南南部大氣氣溫變化從高空至低空均有不同程度溫度分界線，24h內(nèi)產(chǎn)生明顯變溫變化，直觀展現(xiàn)冷暖氣團(tuán)在湖南南部上空交匯加劇當(dāng)?shù)夭环€(wěn)定性出現(xiàn)對(duì)流性降水過(guò)程。