基于FY-4衛(wèi)星資料分析暴雨云系特征

王雪芹，徐衛(wèi)紅，向朔育，方 敏

(1.四川省眉山市氣象局，眉山 620010；2.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072)

引言

暴雨是主要天氣災(zāi)害之一，降水時(shí)空分布和尺度變化極不均勻，常規(guī)觀測(cè)手段難以獲取其三維時(shí)空變化信息，遙感便成為監(jiān)測(cè)降水的有效手段，氣象衛(wèi)星的覆蓋范圍廣，觀測(cè)頻次穩(wěn)定，是大氣遙感，特別是降水遙感的有效方法[1]。自20世紀(jì)70年代末以來，國(guó)內(nèi)外利用高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星紅外、可見光資料，結(jié)合常規(guī)觀測(cè)對(duì)造成災(zāi)害性天氣的中尺度云團(tuán)做過不少研究，取得了大量研究成果，如用衛(wèi)星水汽圖像對(duì)颮線天氣過程的分析，強(qiáng)降水過程的水汽圖像特征等[2-5]，同時(shí)近年來國(guó)內(nèi)外一些研究表明多通道合成圖能以色彩的形式將衛(wèi)星云圖上的各種屬性表現(xiàn)出來，生動(dòng)地呈現(xiàn)出云的微觀物理特征，便于應(yīng)用分析，為利用多通道衛(wèi)星資料遙感監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)提供了很好的理論基礎(chǔ)[6-9]。但這些研究多是風(fēng)云二號(hào)靜止衛(wèi)星單通道資料遙感監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)隨時(shí)間的發(fā)展演變，以及利用國(guó)外極軌氣象衛(wèi)星資料多通道組合的RGB合成技術(shù)分析暴雨云系的微觀物理特征，目前利用新一代風(fēng)云四號(hào)(簡(jiǎn)稱FY-4，下同)靜止氣象衛(wèi)星單通道云圖和多通道組合綜合分析暴雨云系，推斷云的粒子大小和相態(tài)的相關(guān)研究較少，因此利用FY-4氣象衛(wèi)星單通道云圖和多通道組合分析暴雨云系具有重要的意義。

1 資料選取

FY-4是中國(guó)第一顆自主研制的三軸穩(wěn)定地球靜止衛(wèi)星，星下點(diǎn)分辨率可達(dá)0.25km，時(shí)間間隔為5分鐘，于2016年12月發(fā)射，衛(wèi)星上同時(shí)裝載了輻射成像儀、干涉式大氣垂直儀、閃電成像儀等多臺(tái)荷載，是同類衛(wèi)星中荷載最多的衛(wèi)星，輻射成像儀探測(cè)波段從0.45～13.8μm，共有14個(gè)探測(cè)波段，覆蓋了從可見光至甚長(zhǎng)波紅外，是風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星上最重要的有效荷載之一[10]，其14個(gè)成像通道與國(guó)際水平相當(dāng)，高時(shí)空分辨率的多通道光譜數(shù)據(jù)為暴雨云系的綜合分析提供了有利的保障。因此本文選取新一代FY-4靜止氣象衛(wèi)星紅外和水汽云圖以及利用太陽(yáng)反射率和紅外通道的多通道組合，結(jié)合2019年7月28日08時(shí)～29日08時(shí)(北京時(shí)，下同)四川省眉山市降水量實(shí)況分析暴雨云系特征。

2 過程概況

2019年7月28日08時(shí)～29日08時(shí)，500hPa副高西伸至四川盆地東部邊緣，亞洲中高緯是一個(gè)寬廣槽，槽后的分裂槽配合高原波動(dòng)影響盆地；700hPa有一西南渦生成并逐漸北移影響盆地，渦后伴有較強(qiáng)的偏北風(fēng)和負(fù)變溫區(qū)；850hPa盆地東北部至西南部有一倒槽切變，中低層濕度條件較好，受此影響四川盆地西南部的眉山市(102.49′～104.30′E，29.30′～30.16′N)出現(xiàn)一次雷雨天氣過程，如圖1(a)所示，普降大雨到暴雨，局部地方大暴雨，最大降雨量在仁壽縣元通鄉(xiāng)，為150.9mm，最大小時(shí)降雨量達(dá)到109.2mm。從仁壽縣元通鄉(xiāng)小時(shí)降雨量圖(圖1(b))可以看出強(qiáng)降水主要發(fā)生28日午后(14:00～16:00)和夜間(28日23:00～29日02:00)，因此以此次暴雨過程為例，選擇對(duì)應(yīng)時(shí)段的FY-4數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得到造成此次暴雨過程的云系基本特征。

3 FY-4衛(wèi)星單通道云圖分析

3.1 紅外云圖分析

圖2選取強(qiáng)降雨時(shí)段28日14～16時(shí)和29日00～02時(shí)的FY-4紅外云圖，從圖中可以看到，28日14時(shí)眉山東部有一對(duì)流云團(tuán)a1生成，其北部有一云團(tuán)a2，隨著時(shí)間的推移，對(duì)流云團(tuán)a1和a2不斷發(fā)展壯大，于16時(shí)合并成一個(gè)大的對(duì)流云團(tuán)a3，仁壽地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，對(duì)流云團(tuán)a3不斷發(fā)展并擴(kuò)大影響整個(gè)眉山區(qū)域，至29日00時(shí)廣元地區(qū)新生一對(duì)流云團(tuán)a4，01時(shí)眉山地區(qū)的大對(duì)流云團(tuán)a3和廣元地區(qū)新生的對(duì)流云團(tuán)a4再次合并，且對(duì)流云團(tuán)云頂亮溫低(183～198K)，云頂?shù)土翜赜欣趶?qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)，此時(shí)眉山市小時(shí)最大降雨量達(dá)到109.2mm。根據(jù)王雪芹等人對(duì)歷年來眉山暴雨天氣過程的分析表明對(duì)流云合并是造成暴雨強(qiáng)對(duì)流天氣過程的重要因素，且按照合并云團(tuán)的數(shù)目以及合并次數(shù)，將合并過程分為3種類型：(1)兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)合并；(2)多個(gè)對(duì)流云團(tuán)同時(shí)合并；(3)多個(gè)對(duì)流云團(tuán)多次合并[11]。此次暴雨過程中對(duì)流云團(tuán)的合并造成暴雨區(qū)域和強(qiáng)度增大，屬于多個(gè)對(duì)流云團(tuán)多次合并。

3.2 水汽云圖分析

水汽圖像用灰度表示輻射溫度的相對(duì)高低，對(duì)流層中上部(600hPa以上)的干區(qū)表現(xiàn)為比濕區(qū)更暗的色調(diào)，水汽圖像中所看到的絕大部分重要結(jié)構(gòu)與導(dǎo)致垂直運(yùn)動(dòng)和氣流變形場(chǎng)的大尺度天氣過程有關(guān)系，因而水汽圖像代表著(從對(duì)流層中部到對(duì)流層頂附近)對(duì)流層中上部的動(dòng)力特征，對(duì)流層頂高度低的區(qū)域與大氣中的下沉運(yùn)動(dòng)有關(guān)系，抑制了對(duì)流層里水汽的垂直伸展厚度，在圖像上產(chǎn)生深灰色的色調(diào)，反之，上升運(yùn)動(dòng)或?qū)α鲗禹敻叨雀叩膮^(qū)域表現(xiàn)得白亮一些，一般而言，圖像上近白色到白色的區(qū)域代表非常冷或濕氣團(tuán)，由大尺度垂直上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生[12-13]。

利用2019年7月29日01～02時(shí)FY-4衛(wèi)星水汽云圖(圖略)，可以看到眉山地區(qū)表現(xiàn)為白色的明亮區(qū)域，說明整層大氣水汽充足，為強(qiáng)降雨的發(fā)生提供好的水汽輸送，且云團(tuán)中有強(qiáng)烈的大尺度垂直上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)在整個(gè)對(duì)流云層內(nèi)伸展為強(qiáng)降雨提供了較好的動(dòng)力條件，也與此時(shí)段內(nèi)眉山區(qū)域的強(qiáng)降雨相對(duì)應(yīng)。

4 FY-4衛(wèi)星多通道RGB組合

FY-4衛(wèi)星共有14個(gè)探測(cè)波段(0.45～13.8μm)，覆蓋了從可見光至甚長(zhǎng)波紅外，如此多的通道為多種RGB組合方案提供了可能，多通道合成圖上不同的云系有不同的色彩表示，通過分析每種組合中不同色彩代表的云系特征，近一步了解對(duì)流云系在衛(wèi)星云圖上的表現(xiàn)，且由于FY-4衛(wèi)星時(shí)間分辨率達(dá)到了5分鐘，通過多通道合成圖可以根據(jù)跟蹤對(duì)流云的發(fā)展演變特征監(jiān)測(cè)判斷對(duì)流云發(fā)展趨勢(shì)，為短時(shí)天氣預(yù)報(bào)提供一種思路，因此利用FY-4多通道合成圖分析此次暴雨過程，得到暴雨云系在衛(wèi)星多通道合成圖上的特征。

4.1 使用太陽(yáng)反射率的FY-4多通道合成圖分析

利用太陽(yáng)反射率的通道組合依賴于太陽(yáng)輻射，因此只在白天的時(shí)間段有用，常用的多通道組合有“自然色”、“強(qiáng)風(fēng)暴”、“白天對(duì)流風(fēng)暴”和“白天微物理”，選取7月28日暴雨云系第一次合并時(shí)次15時(shí)FY-4多通道合成圖，分析暴雨云系初生階段的特征，四種不同的組合分別如圖3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

圖3(a)是“自然色”RGB合成圖，這個(gè)組合的合成圖中藍(lán)綠色代表雪或冰云；伴隨小滴的水云在所有三個(gè)通道中有大的反射率，呈現(xiàn)為粉白色；植被為綠色；棕色則表示裸地；海洋為黑色。從圖3(a)可以看到影響四川盆地的暴雨云系為藍(lán)綠色，表示雪或冰云，合并云系中心的藍(lán)綠色范圍更大，說明云頂亮溫很低且反照率較高；圖中大片的綠色和棕色，分別表示植被和空地。

圖3(b)是“強(qiáng)風(fēng)暴”RGB合成圖，“強(qiáng)風(fēng)暴”RGB合成給出了強(qiáng)烈風(fēng)暴最好的視覺顯示，在此色彩合成圖中，黃色表示伴隨強(qiáng)烈上升氣流和強(qiáng)烈天氣的積雨云或者伴隨小冰粒子的高層云；伴隨大冰粒子且發(fā)展很好的積雨云用白色表示；卷云則為黑色。從圖3(b)可以看到盆地暴雨云系顏色出現(xiàn)分層，頂部為黃色，表示伴隨強(qiáng)烈上升氣流的小冰粒子積雨云，暴雨云系周圍出現(xiàn)白色，則為伴隨大冰粒子且發(fā)展很好的積雨云，說明此暴雨云系正在發(fā)展且附近地區(qū)有強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)的可能性。

圖3(c)是“白天對(duì)流風(fēng)暴”RGB合成圖，可以看到與“強(qiáng)風(fēng)暴”組合類似，盆地暴雨云系為黃色，表示強(qiáng)烈上升積雨云，進(jìn)一步說明此暴雨云系可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

圖3(d)是“白天微物理”RGB合成圖，這個(gè)組合的RGB合成圖中淺粉色表示云滴小且沒有冷凝成雨或雪的水云，而能冷凝成雨或雪的云則呈現(xiàn)為玫紅色；過冷水云更多地呈現(xiàn)為黃色；小粒徑冰云組成的深積云為紅色；而大粒徑冰云組成的上升積雨云則為淺棕色。圖3(d)中表示的植被和空地顏色較為接近，幾乎無法區(qū)別；但暴雨云系顯示卻非常清楚，主要為紅色，表示由小冰粒子組成的厚積雨云云頂，同時(shí)積雨云系周圍呈現(xiàn)淺棕色，則表示伴隨大冰粒子的上升積雨云，說明這些云團(tuán)為積云團(tuán)，隨時(shí)間可能發(fā)展為強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)。

4.2 使用紅外通道的FY-4多通道合成圖分析

使用紅外通道的組合不依賴于太陽(yáng)輻射，但對(duì)于相同的云性質(zhì)仍然提供與白天組合一樣的相似色彩信息，有利于夜間天氣形勢(shì)分析，常用的多通道組合有“沙塵”和“夜間微物理”。因此選取7月29日01時(shí)暴雨云系發(fā)展成熟階段第二次合并時(shí)FY-4多通道合成圖，分析暴雨云系成熟階段的特征，不同的組合分別如圖4(a)、(b)所示。

“沙塵”RGB合成圖中沙塵為粉紅色；冷厚高層云為深紅色，厚的中層云為暗黃色；薄的中層云為軍綠色?！耙归g微物理”RGB合成圖中3.7μm冷云(<220K)頂?shù)妮椛浒l(fā)射率非常低，導(dǎo)致低的信噪比和積雨云頂少量的色彩，因此冷厚高層云呈現(xiàn)深紅色，暗紅色中出現(xiàn)黃色小點(diǎn)則為過冷高層云。從圖4(a)、(b)可以看到兩個(gè)通道組合中影響眉山的暴雨主體云系均為深紅色，與周圍環(huán)境對(duì)比明顯，表示冷厚高層云，但圖4(b)云系西南部出現(xiàn)黃色小點(diǎn)，說明此區(qū)域云系為過冷高層云，云系逐漸處于衰減階段，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)同一云系處于不同的發(fā)展階段，從而判斷強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的區(qū)域。

4.3 綜合分析

4.3.1 暴雨云系特征

結(jié)合以上2019年7月28日15時(shí)FY-4多通道合成圖的分析可以看到，眉山暴雨云系第一次合并時(shí)是伴隨強(qiáng)烈上升氣流的小冰粒子積雨云，為高層云，云頂亮溫很低且反照率較高，其云系周圍伴有大冰粒子的上升積雨云，說明此暴雨云系正在發(fā)展且附近地區(qū)有強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)的可能性；至29日00時(shí)暴雨云系發(fā)展，范圍擴(kuò)大，通過夜間多通道合成圖分析可知眉山西南部云系為過冷高層云，此部分云系逐漸處于衰減階段，此時(shí)眉山北部的暴雨云系為過冷高層云，而過冷高層云仍將發(fā)展擴(kuò)大，從實(shí)況也可以看到01時(shí)眉山北部的云系與廣元新生的云系產(chǎn)生合并，與云系推斷一致。

以上綜合分析可以發(fā)現(xiàn)各種組合的多通道RGB合成色彩顯示能清楚地識(shí)別各種云系的類別、物理屬性、對(duì)流系統(tǒng)等特征，通過多通道合成圖可以發(fā)現(xiàn)云系處于的發(fā)展階段，并通過云系特征判斷強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的區(qū)域。

4.3.2 不同組合的多通道合成對(duì)比

不同的RGB多通道組合對(duì)于探測(cè)不同的現(xiàn)象有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)比分析以上6種組合的多通道合成圖，不難發(fā)現(xiàn)各種組合都能很好地顯示高層、中層積雨云以及小的對(duì)流單體。在使用太陽(yáng)反射率的多通道組合中，“自然色”RGB合成圖能清楚顯示地表特征，在圖3(a)中能明顯看到綠色表示的植被和棕色表示的空地，而其余幾個(gè)組合通道RGB合成圖中都無法清楚顯示地表特征；“強(qiáng)風(fēng)暴”RGB合成圖色彩分布層次較其它幾種組合更為明顯，突出了由冰粒子組成的冷云，如強(qiáng)烈的積雨云頂，因此能更好地識(shí)別對(duì)流；“白天對(duì)流風(fēng)暴”RGB合成圖與“強(qiáng)風(fēng)暴”組合類似，能突出顯示強(qiáng)上升積雨云?！鞍滋煳⑽锢怼盧GB是探測(cè)白天水云和混合階段云的合適組合，但由于這幾種組合只在白天的時(shí)間段有用，因此具有一定的局限性。對(duì)于夜間天氣形勢(shì)的分析，使用紅外通道組合，“沙塵”和“夜間微物理”RGB合成圖積雨云系色彩較類似，但通過“夜間微物理”組合能判斷同一云系的不同發(fā)展階段，從而判斷強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的區(qū)域。因此在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)具體的天氣狀況選擇合適的多通道組合。

5 結(jié)論

本文利用FY-4氣象衛(wèi)星單通道云圖和多通道組合，以2019年7月28日眉山市的一次暴雨過程為例，分析暴雨云系的演變和微觀物理性質(zhì)等特征，得到以下結(jié)論：

(1) 此次暴雨過程中出現(xiàn)兩次對(duì)流云團(tuán)的合并，云團(tuán)的合并造成了暴雨區(qū)域和強(qiáng)度增大，屬于多個(gè)對(duì)流云團(tuán)多次合并。且暴雨云團(tuán)云頂亮溫低，云團(tuán)中有強(qiáng)烈的大尺度垂直上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)在整個(gè)對(duì)流云層內(nèi)伸展，整層大氣水汽充足，為強(qiáng)降雨提供了較好的水汽輸送和動(dòng)力條件。

(2) 多通道RGB合成圖能以色彩的形式有針對(duì)性地突出對(duì)流系統(tǒng)、冷暖氣團(tuán)、云粒子相態(tài)等屬性，造成此次暴雨過程的對(duì)流云團(tuán)主要為伴隨強(qiáng)烈上升氣流的由冰粒子組成的高層積雨云，且通過多通道合成圖可以發(fā)現(xiàn)云系處于的發(fā)展階段，并通過云系特征判斷強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的區(qū)域。

(3) 不同的RGB多通道組合對(duì)于探測(cè)不同的現(xiàn)象有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)具體的天氣狀況選擇合適的多通道組合。