衛(wèi)星初生對流的業(yè)務應用技術研究

劉國忠，黃榮，翟麗萍，孫紅梅，覃丹宇

（1.廣西氣象臺，南寧 530022；2.國家衛(wèi)星氣象中心，北京，100081）

衛(wèi)星初生對流的業(yè)務應用技術研究

劉國忠1，黃榮1，翟麗萍1，孫紅梅1，覃丹宇2

（1.廣西氣象臺，南寧 530022；2.國家衛(wèi)星氣象中心，北京，100081）

通過對FY靜止氣象衛(wèi)星和多普勒天氣雷達資料的分析，發(fā)現(xiàn)對流發(fā)展各階段衛(wèi)星云團和雷達回波均有不同特征，衛(wèi)星紅外通道最小亮溫與雷達最大反射率因子強度存在明顯的反相關性，均能夠反映強對流發(fā)展的過程。

FY靜止氣象衛(wèi)星；多普勒天氣雷達；初生對流；業(yè)務應用技術

1 衛(wèi)星初生對流業(yè)務應用定義

目前業(yè)務應用中，通常在衛(wèi)星云圖上識別、追蹤初始對流云團，并進行強對流天氣預報，因此衛(wèi)星初生對流業(yè)務應用試定義為：在6分鐘加密的FY系列靜止氣象衛(wèi)星紅外云圖上，人眼首次可以識別出的與周圍環(huán)境有明顯梯度差異的范圍較小的對流云團。

2 廣西地區(qū)初生對流云團特征

根據(jù)定義，選取了廣西12個衛(wèi)星初生對流云團（圖略），對其初生時的衛(wèi)星多光譜資料及相應的多普勒雷達回波資料進行統(tǒng)計分析表明，廣西地區(qū)初生對流團的長波紅外云頂亮溫為266.46K～277.23K，平均為271.53K；紅外分裂窗云頂亮溫為267.23K～278.00K，平均為272.67K；中波紅外云頂亮溫為292.02K～308.09K，平均為302.67K；水汽亮溫為245.06K～253.24K，平均為251.73K；對應雷達回波中最大組合反射率因子強度為48dBz～68dBz，平均為59.67dBz。長波紅外云頂亮溫與紅外分裂窗云頂亮溫按數(shù)值大小序列有一一對應的關系，中波紅外云頂亮溫、水汽亮溫與長波紅外云頂亮溫、紅外分裂窗云頂亮溫無明顯相關性，中波紅外云頂亮溫與水汽亮溫之間也無明顯相關性。與衛(wèi)星初生對流相對應的雷達回波中最大組合反射率因子強度值普遍較大，與從雷達角度定義的初生對流雷達回波強度有較大差異（≥35dBz），這是由于雷達和衛(wèi)星探測分別率的差異造成的，由于衛(wèi)星分辨（5×5km）比雷達分別率（1×1km）粗，當衛(wèi)星探測到初生對流時可能在雷達上已是發(fā)展到一定強度的強對流回波（≥48dBz）。但與衛(wèi)星初生對流相對應的雷達回波范圍都很?。▓D略），因此對衛(wèi)星初生對流的分析研究依然是有意義的。隨著將來高分辨率衛(wèi)星資料的獲取，衛(wèi)星初生對流與雷達初生對流的相互匹配會更好，因此提前研究衛(wèi)星初生對流資料的應用可為高分辨率衛(wèi)星資料的應用打下基礎。分析還可以以看出，與衛(wèi)星初生對流相對應的雷達回波后續(xù)發(fā)展主要可以分為自身發(fā)展成強雷暴單體風暴或超級單體風暴和發(fā)展后與多單體合并兩種類型。發(fā)展成的強雷暴單體風暴或超級單體風暴一般生命史為3～5個小時，發(fā)展后與多單體合并一般生命史為2～4個小時。從初生對流發(fā)生的時間段來說，午后至傍晚生成的初生對流更容易發(fā)展成強對流云團。以上分析獲取的特征可作為廣西地區(qū)初生對流云團生成的判別指標。值得一提的是，初生對流生成以后是否發(fā)展成強對流云團，與當時的天氣系統(tǒng)及環(huán)境場有關，下文對初生對流生成以后發(fā)展成強對流云天氣的典型個例進行步分析研究，揭示初生對流生成以后發(fā)展成強對流天氣的成因。

3 初生對流云團發(fā)展成強對流云團典型個例分析

15年4月28日14時36分～19時在云南富寧縣境內衛(wèi)星初生的對流云團，經(jīng)廣西百色市至崇左市發(fā)展成歷時4個多小時強對流云團過程。在有利大尺度和中尺度環(huán)境條件下，28日午后西南和華南地區(qū)多對流活動，14時36分在云南省富寧縣有一衛(wèi)星初生對流云團生成，多光譜參數(shù)為：長波紅外最小亮溫值277.23K、紅外分裂窗最小亮溫值278K、中波紅外最小亮溫值306.98K、水汽最小亮溫值251.04K，與之相對應在云南省富寧縣中部可以識別出一個新生的雷達回波對流單體，雷達最大反射率因子13dBz，水平尺度約6㎞。12分鐘后衛(wèi)星云團和與之對應的雷達回波對流單體迅速增長，衛(wèi)星長波紅外最小亮溫值下降為267.27K，比前一時次下降了－6.71K，與此同時，雷達最大反射率因子強度增大到35dBz，水平尺度增大到約為18㎞，達到雷達初生對流的標準，比前一時次增加了17dBz，長波紅外最小亮溫值下降的幅度和雷達最大反射率因子強度的幅度均為此次過程的最大時次，經(jīng)歷4個體描24分鐘發(fā)展成普通雷暴單體，長波紅外最小亮溫值累積下降了－16.38K，為260.85K，雷達最大反射率因子強度累積增長了32dBz，為45dBz，水平尺度增大到約為30㎞，云團和雷達回波范圍較小。經(jīng)歷8個體描48分鐘發(fā)展成強風暴單體，長波紅外最小亮溫值累積下降了－22.9K，為237.95K，雷達最大反射率因子強度累積增長了18dBz，為63dBz，水平尺度增大到約為35㎞，云團范圍增長緩慢，雷達回波下風方出現(xiàn)弱云羽。經(jīng)歷8個體描48分鐘發(fā)展成超級單體風暴，長波紅外最小亮溫值累積下降了－16.53K，為221.42K，雷達最大反射率因子強度累積增長了6dBz，為69dBz，出現(xiàn)三體散射TBSS，水平尺度增大到約為50㎞，云團范圍快速增長，雷達回波下風方出現(xiàn)長條型云羽。16時36分～17時36分，長波紅外最小亮溫值累積下降－5.33K，為216.09K，達最低，雷達最大反射率因子維持在67～70dBz，顯示風暴已經(jīng)為成熟超級單體風暴，云團范圍迅速擴大，雷達回波下風方出現(xiàn)大片云羽。17時38分后，強風暴單體開始顯著減弱，長波紅外最小亮溫值開始緩慢上升，最大反射率因子開始緩慢下降，云團范圍達最大并向周圍擴散，強雷達回波下風方云羽范圍達最大。18：時00分后，風暴已經(jīng)減弱為普通雷暴單體，此時云圖由于衛(wèi)星加密觀測掃描軌道變化，觀測到對流云團不完整。

分析過程中雷達最大反射率因子強度與各衛(wèi)星通道最小亮溫隨時間演變（圖1）發(fā)現(xiàn)，最大反射率因子經(jīng)歷快速增加、緩慢增強、波動性穩(wěn)定維持，紅

外衛(wèi)星通道最小亮溫值經(jīng)歷快速減弱、緩慢減弱、波動性穩(wěn)定維持。普通雷暴單體階段為最大反射率因子快速增加（1.33dBz／分鐘）和紅外最小亮溫值快速減弱（－0.68K／分鐘），強風暴單體和超級單體風暴為雷達最大反射率因子緩慢增強（0.25dBz／分鐘）和紅外最小亮溫值緩慢減弱（－0.41K／分鐘），成熟階段超級單體風暴為最大反射率因子和紅外最小亮溫值波動性穩(wěn)定維持。另外，從紅外1通道逐6分鐘亮溫變化可以看出（圖略），在整個對流云團的發(fā)展過程中最小亮溫值的變化率起伏不定，但整體基本趨于減小，在對流發(fā)展初始時刻變化率最大。雷達最大反射率因子和紅外最小亮溫值之間存在反相關性，能夠反映對流的演變過程。

圖1 雷達最大反射率因子強度與各紅外衛(wèi)星通道（IR1、紅外分裂窗、水汽、中波紅外）最小亮溫隨時間演變圖

分析雷達最大反射率因子強度與可見光（5km和1km）通道最大反照率隨時間演變發(fā)現(xiàn)，5km可見光通道最大反照率前期緩慢增長，1km前期圍繞一定強度震蕩，由于太陽照射減弱和暗影出現(xiàn)，中后期反照率迅速減小，除5km前期與雷達最大反射率因子有一定的正相關性，其他相關性差。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星資料的變化對跟蹤初生對流發(fā)展成強對流云團過程有意義。

4 結論與討論

（1）廣西地區(qū)業(yè)務定義衛(wèi)星初生對流云多光譜參數(shù)有其自身特征，可作為廣西地區(qū)業(yè)務初生對流云生成的判據(jù)。業(yè)務初生對流相應的雷達回波最大反射率因子強度值普遍較大，這是由于雷達和衛(wèi)星探測分別率的差異造成的，初生對流和相對應的雷達回波范圍都很小，對早期跟蹤均有意義。

（2）業(yè)務定義初生對流發(fā)展成強對流典型個例過程中，各階段衛(wèi)星云團和對應的雷達回波均有不同明顯特征。在對流演變過程中，紅外衛(wèi)星通道最小亮溫與雷達最大反射率因子強度存在明顯的反相關性，能夠反映強對流發(fā)展的過程。

（3）目前由于受限于獲取衛(wèi)星資料時空分辨率較低，只是作了初淺分析，隨著將來高分衛(wèi)星資料的及時獲得，衛(wèi)星與雷達資料的時空匹配度的提高，可以按照CI的嚴格定義進行分析研究，發(fā)揮衛(wèi)星比雷達更為提前的優(yōu)勢，本研究為高分衛(wèi)星資料的應用提供技術方法。

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Application of satellite in convective initiation

Liu Guo-zhong,Huang Rong,Zhai Li-ping,Sun Hong-mei,Qin Dan-yu
(1.Guangxi Meteorological Observatory,Nanning 530022;2.National Satellite Meteorological Centre, Beijing,100081)

Based on the analysis of FY geostationary meteorological satellite and Doppler weather radar data,it is found that the characteristics of satellite cloud and radar echo in the different convection developing stages are different.Infrared channel minimum light temperature of satellite and the maximum radar reflectivity intensity is obviously inverse correlation.

普遍研究認為，中小尺度對流系統(tǒng)是在一定的天氣尺度環(huán)流背景下形成和發(fā)展起來的，是暴雨、冰雹、雷雨、大風、龍卷等災害性天氣的直接制造者［1－9］。在臨近預報中，對初生對流（convectiveinitiation，簡稱CI）的識別、追蹤是中小尺度對流系統(tǒng)預報主要的技術方法之一，這方面的研究也成為強對流預報新的熱點［10－13］。CI的通常定義是：衛(wèi)星云圖上對應多普勒天氣雷達第一次檢測到由對流云產(chǎn)生的反射率≥35dBz的像元［14］，CI技術的核心是分析對流運動，對流運動造成云體厚度增加，云頂溫度的急劇下降，云頂相態(tài)的變化等現(xiàn)象，可通過多光譜分析技術進行判識，從而捕捉到初生對流。但在目前的實際預報業(yè)務中，可以獲取的FY系列靜止衛(wèi)星資料的分別率大多為5×5km，比多普勒雷達分別率1×1km來得粗，按CI定義，在雷達上已達初生對流，但靜止衛(wèi)星云圖上的像元往往反映不出來，給業(yè)務應用帶來了很大的困擾。本文試以6分鐘加密的FY系列靜止衛(wèi)星云圖資料，按目前業(yè)務應用方式對初生對流進行業(yè)務定義，分析得出云圖特征，對比分析獲得雷達回波特征，通過典型個例分析總結業(yè)務應用技術方法，解決業(yè)務難題，為臨近預報提供技術支撐，并為將來高分衛(wèi)星資料應用提供技術方法。

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A

1673-8411（2016）03-0109-03

2016－05－06

中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心項目（201401KY002／02－3）、中國氣象局華南區(qū)域氣象中心科技攻關項目（GRMC2014M13）和廣西自然科學基金項（2014GXNSFAA118299）共同資助

劉國忠（1968－），高級工程師，主要從事天氣預報預測工作。