兩次華南颮線衛(wèi)星亮溫特征與強對流天氣分析

張華龍，肖柳斯，伍志方，楊慧燕，諶志剛

（1.廣東省氣象臺，廣東廣州 510640；2.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430）

颮線是一種線狀傳播的中尺度對流系統(tǒng)，易帶來強雷暴、區(qū)域性地面大風與短時強降水等致災性天氣［1-2]。高空槽伴隨的斜壓鋒區(qū)是颮線的常見觸發(fā)系統(tǒng)［3-4]，但在華南前汛期暖區(qū)中，冷平流較弱，在低層暖濕平流疊加動力擾動作用下，可出現(xiàn)暖區(qū)颮線［5]。與冷鋒型颮線不同，暖區(qū)颮線機制復雜，突發(fā)性強，地面要素及天氣分布具有獨特性［6]。郭弘等［7]分析了華南一次暖區(qū)暴雨中的颮線在演變過程中對流系統(tǒng)錮囚和降水拖曳對颮線發(fā)展的作用；張有洋等［8]通過個例分析指出低空急流與午后局地增溫是強對流組織成線狀的重要環(huán)境因素。

由于環(huán)境場對颮線的自組織發(fā)展具有重要作用［9]，因此在不同背景下，颮線云團的結構和模態(tài)特征也有所不同［10]。不少學者針對不同天氣背景對颮線MCS結構和模態(tài)特征進行歸類和對比，如曹艷華等［11]、許愛華等［12]分別總結了江西不同類型的颮線云型特征。但上述研究只進行主觀歸類分析，缺乏客觀指標的定量分析結果。此外，對于對流系統(tǒng)造成的地面雷暴大風、短時強降水等天氣，冷云頂亮溫也具有一定的指示性［13]。但傳統(tǒng)衛(wèi)星觀測時空分辨率較低，難以精細地分析亮溫特征與地面災害天氣的關系。

近年來，高時空分辨率探測衛(wèi)星的入軌運行為細致分析強對流系統(tǒng)演變提供了觀測基礎，如新一代Himawari衛(wèi)星云圖接收處理系統(tǒng)向日葵8號衛(wèi)星（H-8）在東亞地區(qū)實現(xiàn)了時間分辨率達10 min／次的高頻次觀測，有效改善了中尺度對流云團的監(jiān)測識別效果［14]。利用高分辨率衛(wèi)星資料，可細致分析華南冷鋒型和暖區(qū)型颮線的云型和亮溫的特征差異。針對這一目標，本研究選取2016年的一個冷鋒型和一個暖區(qū)型颮線個例，對比2個個例的H-8亮溫特征指標，分析其與雷暴大風和短時強降水天氣的時空分布關系，提高對華南地區(qū)不同類型颮線對流云團特征的理解和認識。

1 數(shù)據與指標定義

1.1 數(shù)據

本研究使用的衛(wèi)星數(shù)據是H-8搭載的AHI傳感器B13通道紅外亮溫，輻射通道范圍為10.25～10.61μm，空間分辨率為2 km，時間分辨率為10 min。地面觀測資料使用了華南地區(qū)地面自動站逐小時最大陣風、逐10 min降水數(shù)據。陣風數(shù)據經過質量控制，剔除因站點海拔高度過高等原因導致的不合理陣風觀測。再分析資料使用ERA-Interim 資料（空間分辨率0.125°×0.125°，時間分辨率6 h），該資料使用了最新的四維變分同化技術，結合了多種誤差校正技術，對形勢場具有較好的反演能力。

1.2 衛(wèi)星亮溫指標

分析颮線云頂亮溫特征時，計算以下指標，云頂最低亮溫（TBBL）：云團亮溫最低值；冷云區(qū)面積（AT）：亮溫值低于221 K的云團面積；冷云區(qū)平均亮溫（TBBM）：冷云區(qū)所有格點亮溫均值；云團移速（vT）：冷云區(qū)重心的移動速度；亮溫梯度：云團重心移動方向的冷云區(qū)邊界梯度的平均值。

2 颮線過程天氣形勢分析

本研究挑選了2016年“4·13”和“5·6”兩次典型颮線過程，颮線信息見表1。

表1 颮線個例

兩次颮線過程環(huán)流形勢具有明顯區(qū)別?！?·13”過程中，副熱帶高壓位于18°N以南，呈帶狀分布，副高北側有強南支西風急流，風速脈動伴隨小槽東移，引導槽前低層西南暖濕急流建立，暖濕氣流輸送至華南上空。中高緯西風槽東移引導冷空氣南下，冷暖空氣交匯形成850 hPa東北-西南向冷式切變線和地面冷鋒，鋒前抬升對颮線形成與發(fā)展具有重要作用，是比較典型的冷鋒型颮線（圖1a），并具有在移動中顯著增強的特征［15]?！?·6”過程中，颮線發(fā)生在副熱帶高壓西北部不穩(wěn)定區(qū)，中低層是一致的西南氣流，急流前側動力輻合作用強，鋒面位于長江流域30°N附近，華南均位于鋒面以南的暖濕不穩(wěn)定區(qū)中，因此颮線依賴于暖濕平流強迫，無冷空氣參與，是一次暖區(qū)型颮線過程（圖1b）。

圖1 2016年4月13日02：00（a）與5月6日08：00（b）500 hPa高度（等值線，單位：dagpm）、850 hPa風場（風向桿，單位：m／s）

3 結果與分析

3.1 颮線云頂亮溫特征對比

從圖2可見，“4·13”的初生對流云系主要位于冷鋒南側，隨鋒面向南移動并快速增強為具有一定長寬比的云線，云團東南側的亮溫梯度逐漸增大（圖2d箭頭）。成熟階段，云型在低緯度一側較窄，低云向東北側擴散，鋒后逐漸過渡為少云區(qū)?！?·6”颮線初生階段的對流云系為橢圓狀云團，內部包裹多個亮溫低、尺度小的上沖云頂（圖2e標注）。在強盛西南環(huán)境氣流作用下，云團西南側的對流云發(fā)展更為迅速（圖2g箭頭），表現(xiàn)為亮溫梯度較大，以及西北側對流云系的不斷縮小衰亡。對流云頂不斷擴大并形成大面積低亮溫區(qū)，云團移動方向為東南，與梯度增大方向（圖2g和圖2h的箭頭處）垂直。

圖2 “4·13”（a-d）和“5·6”（e-h）颮線過程發(fā)展階段紅外亮溫云圖（填色，單位：K）

進一步計算對流系統(tǒng)成熟階段的云頂亮溫指標，可見兩次過程TBBL、TBBM差異較小。值得注意的是，“4·13”的冷云頂面積明顯小于“5·6”，冷云頂持續(xù)時間只有3 h，但移動速度達95.9 km／h，“5·6”的持續(xù)時間明顯較長（8.2 h），而移動速度顯著偏慢（41.1 km／h）。造成這種差異的原因可能與颮線發(fā)展的強迫機制有一定聯(lián)系?！?·13”為冷鋒型颮線，鋒面的劇烈抬升作用使對流云團快速發(fā)展，冷云區(qū)主要集中在鋒線前側。而“5·6”暖區(qū)型颮線由邊界層中尺度系統(tǒng)觸發(fā)，其發(fā)展和移動速度緩慢，維持時間長，冷云區(qū)范圍廣。前者造成了劇烈的雷暴大風，過程錄得最大陣風49.4 m／s（15級），后者大風強度較弱，最大地面陣風為25.9 m／s（10級）。但是兩者的降水效率差異并不顯著，最大3 h降水均接近100 mm。

表2 兩次颮線的云頂亮溫指標

3.2 雷暴大風與亮溫特征的關系

較大的亮溫梯度是地面產生雷雨大風的必要條件［13]。圖3為地面自動站1 h變溫分布，負變溫區(qū)指示颮線后部雷暴冷池及主要降水區(qū)的位置?？梢姡瑑纱芜^程中，冷池強度與云頂亮溫梯度變化一致，當云團東南側梯度增大時，颮線增強（圖3b箭頭）；反之則颮線減弱（圖3c箭頭）。但兩次過程中，冷池與冷云區(qū)的相對位置具有較大差別：“4·13”颮線冷池位于冷云區(qū)西南側，表明對流云體具有垂直傾斜結構；而“5·6”颮線冷池始終位于冷云區(qū)范圍內，表明對流云在垂直方向上傾斜程度較小。根據分析，雷暴大風所在位置與最大亮溫梯度處相近（圖3e和圖3f的箭頭位置），且對應冷池負變溫中心最強，負變溫范圍最大的時段。

圖4為云頂亮溫梯度和大風比例的關系，由圖4可以看出，可見，“4·13”過程中（圖4a），早晨03：40—04：30，云頂亮溫梯度緩慢增大，隨后從04：30起迅速增大至1.6 K／km，維持20 min后下降，8級陣風站點的比例顯著增加至21.6%。從變化趨勢可見，亮溫梯度與最大陣風具有滯后的正相關關系，當亮溫梯度增大時，預報員應警惕雷暴大風可能會增強。從04：00—05：00之間的變化情況來看，梯度增大的預報提前量大于30 min。

在“5·6”過程中（圖4b），亮溫梯度從13：40起迅速增大，地面8級陣風的站點比例同步呈現(xiàn)上升態(tài)勢，15：00前后達到峰值（5.2%），在這一階段亮溫梯度的變化超前于陣風變化，提前量在1 h以內，表明亮溫梯度增長對于大風的預報預警有較好的指示意義。

圖3 “4·13”與“5·6”的1 h變溫（填色，單位：K）與亮溫（等值線，單位：K）演變分布a-c.4月13日04：00、05：00、06：00；d-f.5月6日13：00、15：00、17：00

圖4 “4·13”（a）與“5·6”（b）颮線云團亮溫梯度與颮線附近區(qū)域8級陣風站點比例的時間序列

3.3 地面降水與亮溫特征的關系

對流性強降水與冷云區(qū)亮溫有較好的對應關系［16]。10 min降水在不同亮溫區(qū)的頻率分布（圖5）顯示，“4·13”過程中降水頻率在＞240 K區(qū)間的占比最高，其余3個亮溫區(qū)間降水頻率占比相對較為接近，表明地面降水和低云頂亮溫不具有高相關性。小量級降水（10 min降水量1～5 mm）的頻率分布具有相似特征，但隨量級增大，頻率分布出現(xiàn)明顯變化，強降水（＞10 mm／（10 min））具有在低亮溫區(qū)集中分布的態(tài)勢：在210～220 K區(qū)間的比例最高，達到30%?！?·6”過程中，對于不同量級均有接近一半的降水分布在210～220 K區(qū)間內，強降水（＞10 min降雨量10 mm）在低亮溫區(qū)（＞221 K）占比達74%，表明該個例中強降水與低亮溫存在更高的相關性。

通過對強降水位置與冷云區(qū)的空間位置進行對比分析（圖略）可知，“4·13”的強降水主要分布在冷云區(qū)的西側，強降水與冷云重心具有一定距離；而“5·6”強降水集中分布的區(qū)域與冷云區(qū)重心基本重合，這一分布特征與圖5的10 min降水在不同亮溫分布態(tài)勢一致，反映了“4·13”較強斜壓性與較大環(huán)境垂直風切變導致對流云明顯傾斜的特征。

圖5 “4·13”（a）與“5·6”（b）颮線不同量級10 min降水頻率分布

4 結論

1）兩次過程的云頂最低亮溫差異小，但兩次過程初生階段云型不同，“4·13”與“5·6”相比，冷云區(qū)面積較小，冷云頂持續(xù)時間較短，移動速度較快。

2）兩次過程亮溫梯度大值區(qū)相對于冷云區(qū)位置不同，“4·13”颮線亮溫梯度大值區(qū)主要位于冷云區(qū)東南側，與云團移動方向一致；而“5·6”颮線亮溫梯度大值區(qū)主要位于冷云區(qū)西南側，與云團移動方向垂直，隨云團發(fā)展，颮線主體逐漸遠離云團西南側云頂亮溫梯度大值區(qū)。

3）“4·13”云頂亮溫梯度和地面瞬時級大風強度、范圍在時空上具有相關性，前者對后者提前量約為0.5 h，而“5·6”的亮溫梯度的變化超前于陣風變化，提前量在1 h之內，在預警業(yè)務中具有參考意義?！?·13”過程中，地面降水和低云頂亮溫不具高相關性，但強降水向低亮溫區(qū)集中，“5·6”降水對應的亮溫更低，不同量級的降水頻率分布態(tài)勢較為一致，強降水與低亮溫區(qū)的相關性更顯著。

除天氣系統(tǒng)差異以外，影響颮線結構變化的因素還有很多，還需通過總結更多兩種類型颮線過程云團亮溫特征，揭示亮溫演變的統(tǒng)計差異以及對應強對流天氣的分布規(guī)律。