多源新型探測資料在一次強對流天氣中的應(yīng)用

肖婷，張羽，張志堅，高美譚，錢嘉星，李浩文

（1.廣州市氣象臺，廣東 廣州 5 1 1 4 3 0；2.廣州市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東 廣州 511430）

中小尺度強對流天氣具有水平尺度小、生命史短、影響范圍窄、強度大的特點，其突發(fā)性強、破壞力大，是廣東省的主要災(zāi)害性天氣之一［1］。常規(guī)探空資料由于時空分辨率低，難以對中尺度天氣演變特征進行深入研究。近年來，隨著氣象探測技術(shù)迅速發(fā)展，以FY-4A衛(wèi)星［2-3］、風廓線雷達［4-5］、微波輻射計［6-7］和毫米波云雷達［8-9］為代表的各類新型地基遙感探測設(shè)備相繼投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，為實現(xiàn)高時空分辨率大氣垂直廓線的觀測以及開展高影響天氣中小尺度結(jié)構(gòu)與演變特征研究提供了新的有效手段。

為做好超大城市氣象保障服務(wù)工作，廣州市氣象局近年來逐步部署了多種新型地基遙感探測設(shè)備，為研究各類重大天氣過程的垂直結(jié)構(gòu)及演變打下了良好的基礎(chǔ)，如何充分利用這些數(shù)據(jù)做好觀測與預報的互動是一項值得深入研究的工作。本研究以2021年廣州市一次典型的局地強對流過程為研究對象，嘗試提高對新型探測設(shè)備的觀測特點與能力的認識，探索強對流天氣過程的精細化結(jié)構(gòu)與演變特征。

1 資料說明

本研究采用歐洲中期天氣預報中心（ECWMF）提供的2021年6月21日14：00（北京時，下同）0.25°×0.25°分辨率ERA5再分析資料以及FY-4A衛(wèi)星、微波輻射計、風廓線雷達、相干多普勒激光測風雷達、毫米波云雷達、地面雨量計等多源新型探測資料，各類觀測設(shè)備資料說明詳見表1。

表1 廣州市多源新型探測設(shè)備資料說明

2 環(huán)流背景與降水實況

利用ERA5再分析資料繪制環(huán)流形勢圖（圖略）顯示，2021年6月21日14：00，廣州市處于副熱帶高壓邊緣，北部有弱波動逐漸移近；925 hPa粵北地區(qū)有弱冷空氣滲透，存在弱切變線，沿海有強盛的西南低空急流，廣州市中北部存在明顯的水汽通量輻合中心。表明當天午后廣州地區(qū)天氣形勢較不穩(wěn)定，存在有利于強對流天氣發(fā)生的動力和水汽條件。17：00至23：00，廣州市出現(xiàn)一次兼具短時強降水、短時大風和強雷電的局地強對流天氣過程。如圖1a所示，該次強對流過程廣州市共有3個測站雨量超過100 mm，41個測站雨量超過50 mm，最大累計雨量為黃埔區(qū)永和街110 mm，最大小時雨量為黃埔區(qū)黃埔街78.1 mm／h。全市共有62個測站錄得6級以上短時大風，最大陣風為增城區(qū)石灘鎮(zhèn)26.7 m／s。

由于本研究所用的新型探測設(shè)備均位于黃埔國家基本氣象站和廣州市氣象局觀測場兩個位置，因此圖1b給出黃埔國家基本氣象站（站號59287，簡稱黃埔站）和廣州市氣象局觀測場內(nèi)的自動站（站號G1000，簡稱市局站）的逐5 min雨量變化?？梢钥吹?，黃埔站的降雨時段為18：00—22：00，市局站的降雨時段主要集中在20：00—21：00。

圖1 2021年6月21日17：00—23：00廣州市各自動站累計雨量（單位：mm）（a）和21日18：00—22日01：00黃埔站與市局站逐5 min雨量變化（b）

3 新型探測資料結(jié)果分析

3.1 FY4A衛(wèi)星

FY-4A攜帶的閃電成像儀（lightning mapping imager，LMI）是我國第一次自主研制的星載閃電成像儀，在儀器研制和產(chǎn)品生成算法等方面都位于國際前沿領(lǐng)域，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大尺度對流系統(tǒng)中的閃電監(jiān)測，而且能夠?qū)值匦α髟茍F中閃電活動進行監(jiān)測［10］，在對流性天氣監(jiān)測和預報中具有較強的應(yīng)用潛力［3］。圖2a給出21日17：00—23：00 FY-4A衛(wèi)星觀測的累計閃電和地面自動站極大風分布，可以看出，該次強對流天氣過程中，廣州中部地區(qū)閃電較為密集，這與圖1a的強降水落區(qū)一致，且7級及以上短時大風的分布也與閃電的區(qū)域?qū)?yīng)較好，說明FY-4A衛(wèi)星觀測閃電分布較可靠，閃電密集區(qū)正是強對流云團發(fā)展較旺盛的地區(qū)。

相當黑體溫度（black body temperature，TBB）通常稱為亮溫，在有云區(qū)，TBB反映的是云頂黑體溫度，其值一般≤0℃，且TBB溫度越低，對應(yīng)的云頂越高，對流越旺盛［11］，通過TBB可以了解云體垂直發(fā)展的情況。參考以往的方法［2］，將TBB≤-72℃的區(qū)域當做深對流區(qū)域。圖2b-d給出強對流過程不同時刻TBB變化圖，可反映對流云團發(fā)展的旺盛程度。佛山東部、東莞北部分別與廣州交界處TBB有≤-92℃的低值中心，對應(yīng)雷達圖上回波強度約為65 dBz。閃電、地面7級及以上大風和強降水基本都位于TBB≤-72℃的深對流區(qū)域內(nèi)，并多分布于≤-82℃的區(qū)域內(nèi)或其附近，9～10級大風出現(xiàn)在強對流云團邊緣TBB梯度大值區(qū)。

圖2 2021年6月21日17：00—23：00 FY-4A衛(wèi)星觀測的累計閃電（十字）和地面自動站觀測的極大風（填色，單位：m／s）分布（a）；19：00（b）、19：45（c）、20：15（d）FY-4A衛(wèi)星TBB分布（單位：℃）

3.2 微波輻射計

微波輻射計可以提供高頻次的大氣溫濕廓線結(jié)信息，相比常規(guī)探測資料而言，在短時暴雨潛勢預報方面更具優(yōu)勢［6-7］。圖3給出6月21日08：00—22日08：00黃埔站微波輻射觀測的邊界層溫度廓線以及反演的對流參數(shù)。

圖3 2021年6月21日08：00—22日08：00黃埔站微波輻射計邊界層溫度（a）、IWV（b）、CAPE（c）、LI（d）

從圖3a可以看出白天受太陽短波輻射影響，近地面大氣顯著增溫，200 m以下有暖中心存在，最高溫度超過33℃。綜合水汽含量（IWV）表示單位面積上的水汽質(zhì)量，直觀反映大氣中水汽狀態(tài)［12］。圖3b顯示12：00—13：00 IWV含量達到峰值，接近100 kg／m2，云液態(tài)水含量明顯增加，此后水汽含量整體下降略有波動，但降水前1 h IWV含量仍有64.5 kg／m2，超過本地短時強降水的IWV統(tǒng)計的閾值63.32 kg／m2，有利于發(fā)生短時強降水［7］。

從圖3c和圖3d微波輻射計反演的對流有效位能（CAPE）和抬升指數(shù)（LI）可以看出，從21日08：00開始CAPE值出現(xiàn)明顯增加的趨勢，14：00最高接近6 000 J／kg。LI為負值表示大氣層結(jié)不穩(wěn)定，負值越大，越不穩(wěn)定。LI與CAPE變化趨勢一致，08：00—13：00呈明顯下降的趨勢，13：00最低接近-15℃。由此可見，CAPE與LI提前4～5 h已出現(xiàn)峰值，表明該次過程前數(shù)小時，大氣層結(jié)已趨于不穩(wěn)定。

3.3 風廓線雷達與測風激光雷達

風廓線雷達可實時提供大氣的三維風場信息、垂直氣流等氣象要素隨高度的分布，是對常規(guī)探空觀測的有力補充［13］。由風廓線雷達資料觀測的水平風場可以看出，黃埔站上空5～9 km處有小槽過境，槽前風向由西南風逐漸轉(zhuǎn)為偏西風和西北風（圖4a黑色虛線框），與ERA5再分析資料繪制的500 hPa環(huán)流形勢上的波動表現(xiàn)一致。21日00：00—09：00，2～2.5 km處有明顯切變，且近地面至2.5 km存在一支低空西南急流，最大風速超過24 m／s（圖4a黑色實線框）。

由于50～500 m為風廓線雷達的探測盲區(qū)，導致探測的近地面水平風場信息不完整，而相干多普勒測風激光雷達具有探測靈敏度高、時空分辨率高的特點，在地面50～500 m處仍有較強的探測能力，垂直方向分辨率可達30 m，可以有效彌補風廓線雷達的探測不足。由圖4b市局站測風激光雷達的表現(xiàn)可看出，在與風廓線雷達在相同時段，600～1 300 m處存在一支超低空急流，最大風速大于24 m／s（圖4b黑色實線框），由此可見，兩種測風設(shè)備的聯(lián)合使用能夠有效監(jiān)測到暴雨發(fā)生前的超低空急流特征。從測風激光雷達探測的風向來看，21日00：00—09：00 50～300 m處以東南風為主，300～600 m為偏南風，600～1 300 m漸轉(zhuǎn)為西南風，風向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，說明有暖平流輸送；12：00—17：00激光測風雷達的探測高度明顯升高，最高達1.6 km。21：00—00：00降水期間，最大探測高度迅速降低，這是由于該時段激光測風雷達對風向、風速的反演受降水污染嚴重所致。

圖4 2021年6月21日00：00—22日00：00黃埔站風廓線雷達（a）與市局站測風激光雷達（b）不同高度水平風速（填色，單位：m／s）和風向（風向桿）的逐時變化

3.4 毫米波云雷達

毫米波云雷達是觀測云降水的重要手段，與天氣雷達相比，由于采用了毫米波，增加了雷達的靈敏度，提高了探測能力［8］，利用廣州本地數(shù)據(jù)質(zhì)控后能有效濾除雜波并較好保留云回波［9］。圖5給出2021年6月21日08：00—21：00市局站云雷達不同高度反射率因子的逐時變化情況。

圖5 2021年6月21日08：00—22日00：00市局站云雷達不同高度反射率因子的逐時變化（單位：dBz）

由圖5看出19：00前后云雷達上空開始出現(xiàn)積雨云，高層反射率因子大于低層，最大反射率因子不超過10 dBz，此時地面市局站并未錄得降水，此后反射率因子大值中心逐漸向下擴展，表明降水粒子逐漸降落；20：00前后強反射率因子中心接地，最強反射率因子約為30 dBz，云頂高度最高約18 km，積雨云發(fā)展較深厚；20：15市局站開始錄得降水。20：40左右由于強降水導致云雷達探測發(fā)生顯著衰減，反射率迅速因子減弱；21：00以后降水趨于結(jié)束，但由于大氣濕度顯著增加，云雷達仍探測到較深厚云層信息。由此可見，在降水發(fā)生前1 h云雷達已經(jīng)觀測到高層的云層開始發(fā)展，相比于天氣雷達有更多的提前量，對于強降水的預報有一定的指示意義。

4 結(jié)論

1）降水發(fā)生前，對流層低層盛行西南風，為廣州地區(qū)輸送大量水汽；近地面存在接近34℃的暖中心，大氣不穩(wěn)定性增強。降水前數(shù)小時，微波輻射計反演的IWV、CAPE和LI已有跡象顯示存在有利于發(fā)生強對流的水汽和熱力條件。

2）FY-4A衛(wèi)星TBB≤-82℃的區(qū)域內(nèi)或其附近出現(xiàn)明顯閃電、強降水和7級及以上短時大風，9～10級大風易出現(xiàn)在強對流云團邊緣TBB梯度大值區(qū)。

3）風廓線雷達和測風激光雷達的聯(lián)合使用能獲取更加完整的水平風場垂直廓線信息，能夠有效捕捉到強對流過程發(fā)生前的超低空急流特征。

4）云雷達能較好地反映降雨云團的垂直廓線信息，早在降水發(fā)生前1 h就已經(jīng)探測到高層的云層開始發(fā)展，強反射率因子中心接地后，地面自動站才開始錄得降雨量，這對強降水的預報有一定的指示意義。