應(yīng)用FY衛(wèi)星產(chǎn)品分析隴東半干旱區(qū)特大暴雨事件云特征

李晨蕊，伏 晶，劉維成，王基鑫，王一丞，傅 朝，鄭 新

（1.蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州市氣象局，甘肅 蘭州 730020）

引 言

降水與云的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，大氣運(yùn)動(dòng)及其溫濕度的分布支配著云的形成、尺度、含水量及發(fā)展過程和持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而影響降水分布［1］。強(qiáng)對流云是形成強(qiáng)降水的直接載體，與暴雨的產(chǎn)生、雨強(qiáng)等具有密切聯(lián)系［2］，因此研究強(qiáng)對流云的特征，對降水機(jī)理研究、降水監(jiān)測和預(yù)報(bào)具有重要意義。

衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、觀測連續(xù)性強(qiáng)、不受自然條件和地域限制的優(yōu)勢，是監(jiān)測和預(yù)防氣象災(zāi)害及其他自然災(zāi)害的有效手段［3］。靜止衛(wèi)星能提供高時(shí)空分辨率云圖，且能較雷達(dá)更早發(fā)現(xiàn)快速增長的對流，因而被廣泛應(yīng)用于暴雨天氣短臨預(yù)警業(yè)務(wù)中［4-6］。不同通道衛(wèi)星圖像顯示的物理信息不同：紅外云圖通常用來分析暴雨期間對流云的演變規(guī)律［7-10］，也有研究分析紅外亮溫與強(qiáng)降水的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)紅外亮溫可以衡量對流云云頂最高高度，紅外亮溫的下降能夠提前預(yù)判降水發(fā)生［11-12］，且強(qiáng)降水云團(tuán)紅外亮溫具有比較明顯的表現(xiàn)特征，紅外亮溫越低、亮溫梯度越大，強(qiáng)水強(qiáng)度越大［13-15］；水汽圖像可反映對流層中上層的大氣動(dòng)力特征［16-17］，水汽亮溫可作為衡量水汽層頂高度的特征量，且降水發(fā)生前紅外和水汽亮溫同步快速降低可作為提前預(yù)判對流云團(tuán)產(chǎn)生強(qiáng)降水的參考指標(biāo)［2，18］。此外，全球降雨測量任務(wù)（global precipitation measurement，GPM）、云探測衛(wèi)星（Cloudsat）、熱帶降水測量任務(wù)（tropical rainfall measuting mission，TRMM）等搭載了雷達(dá)的極軌衛(wèi)星可以提供降水云的空間結(jié)構(gòu)特征，有大量研究利用其分析暴雨過程中云的宏微觀垂直結(jié)構(gòu)特征［19-26］。云的空間結(jié)構(gòu)特征影響降水效率及類型［27-28］，對其理解有助于加深對強(qiáng)降水形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)。靜止衛(wèi)星與極軌衛(wèi)星的互補(bǔ)使用，為地基觀測覆蓋度較低地區(qū)的云特征研究提供了重要的觀測手段。

FY-4A衛(wèi)星于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，在同類衛(wèi)星中荷載最多，與FY2 衛(wèi)星相比，其核心載荷的成像性能在光譜通道、時(shí)空分辨率等方面有顯著提升［29］，為我國及周邊地區(qū)開展天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警提供了更先進(jìn)的觀測手段。2021年6月FY-4B衛(wèi)星發(fā)射，與FY-4A衛(wèi)星組成我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙星組網(wǎng)共同對大氣和云進(jìn)行高頻次監(jiān)測。2017年11月15日FY-3D 衛(wèi)星發(fā)射，是中國低軌道下午觀測的主業(yè)務(wù)衛(wèi)星，裝載微波溫度計(jì)、微波濕度計(jì)、紅外高光譜大氣探測儀等10 臺(tái)遙感儀器，與FY-3C 衛(wèi)星形成我國新一代極軌氣象衛(wèi)星上、下午星組網(wǎng)觀測的業(yè)務(wù)布局，進(jìn)一步提高了大氣探測精度和氣象遙感探測能力。

FY系列衛(wèi)星探測資料已應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，如災(zāi)害性天氣分析與監(jiān)測、數(shù)值預(yù)報(bào)、氣候變化分析等［30-34］，有研究對FY-4A 衛(wèi)星反演資料進(jìn)行了評估及比較，結(jié)果表明FY-4A 反演結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果具有很好的一致性，可以很好地捕捉到上空云層的特征，能夠?yàn)闅庀笤朴^測業(yè)務(wù)提供重要參考［35-38］。

甘肅東部的慶陽地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬于半濕潤半干旱氣候區(qū)，常年降水量為300～600 mm，并由南向北遞減［39］。因地質(zhì)松軟，保水性能差，水土流失嚴(yán)重，加之西北部植被覆蓋率低，土壤涵養(yǎng)水源能力差，干旱成為慶陽主要的自然災(zāi)害之一［40］。又因慶陽降水時(shí)空分布不均勻，海拔高度落差較大，強(qiáng)降水易引發(fā)洪澇、山洪、城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害，影響人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)穩(wěn)定［41］。2022年7月15日慶陽地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，本文利用FY-4 系列靜止衛(wèi)星和FY-3D 極軌衛(wèi)星分析此次暴雨事件中云宏微觀特征、云系演變特征和云系發(fā)展的大氣環(huán)境條件，以期為天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)人員更好地利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供參考。

1 資 料

所用資料為：2022年7月14—15日歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析資料ERA5，包括垂直方向上1000～1 hPa 共37 層等壓面氣象要素和單層要素，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h，用于天氣尺度背景分析；隴東及其周邊地區(qū)自動(dòng)氣象觀測站小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，由天擎氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)提供；FY-4A 及FY-4B 衛(wèi)星的多通道掃描成像輻射計(jì)（advanced geostationary radiation imager，AGRI）產(chǎn)品數(shù)據(jù)、以及FY-3D 衛(wèi)星微波濕度計(jì)（micro-wave humidity sounder，MWHS）和微波溫度計(jì)（micro-wave temperature sounder，MWTS）融合產(chǎn)品（表1），由風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http：//satellite.nsmc.org.cn）提供。

表1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)簡介Tab.1 Introduction to the satellite data

FY-4A 衛(wèi)星根據(jù)云的微物理結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)，利用不同類型和相態(tài)的云在不同通道的有效吸收光學(xué)厚度比不同，反演形成云頂類型，包括暖（液態(tài)）水云（water）、過冷水云（supercooled）、混合云（mixed）、不透明冰云（ice）、卷云（cirrus，即半透明冰云）和多層云（overlap，即上層為半透明、下部為不透明）；利用AGRI 的2 個(gè)紅外窗區(qū)和1 個(gè)CO2吸收通道，結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)資料，通過最優(yōu)估計(jì)的迭代計(jì)算，生成云頂高度實(shí)時(shí)產(chǎn)品［35］。

多通道RGB 合成圖能以不同顏色的形式有針對性地突出對流系統(tǒng)、冷暖氣團(tuán)、云粒子相態(tài)等屬性［42］。FY-4B 衛(wèi)星夜間微物理圖像使用紅外（infrared，IR）通道合成，不依賴于太陽輻射，用于夜間云特性分析；白天微物理圖像使用水汽（water vapor，WV）、紅外、可見光（visible light，VIS）及近紅外通道（near infrared，NIR）合成，強(qiáng)風(fēng)暴圖像使用可見光及紅外通道（表2）。

表2 FY-4B衛(wèi)星多通道RGB組合Tab.2 The multi-channel RGB combination from FY-4B satellite

FY-3D 衛(wèi)星于2022年7月15日01：43（北京時(shí)，下同）過境，MWHS/MWTS 融合產(chǎn)品提供了大氣溫濕廓線、穩(wěn)定度指數(shù)等參數(shù)，溫濕廓線在垂直方向上自0.10～1013.25 hPa共43層。

文中附圖涉及的地圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為 GS（2019）1697號(hào)的中國地圖制作，底圖無修改。

2 暴雨過程及環(huán)流形勢分析

2.1 暴雨過程概況

2022年7月14日20：00至15日20：00，甘肅省慶陽市出現(xiàn)暴雨天氣過程（圖1），其中慶城縣、華池縣共有5站出現(xiàn)特大暴雨，慶城縣翟家河站24 h累計(jì)降水量373.2 mm，突破建站以來日降水量歷史極值。另外，慶陽市共計(jì)出現(xiàn)115 站次短時(shí)強(qiáng)降水（雨強(qiáng)≥20 mm·h-1），最大小時(shí)降水量出現(xiàn)在15日04：00—05：00慶城馬嶺站，達(dá)84.9 mm。選取翟家河、馬嶺、桐川、太陽、固城5個(gè)地理位置、降水量級(jí)、降水時(shí)間不同的區(qū)域站作為代表性站點(diǎn)，上述站點(diǎn)14日20：00 至15日20：00 24 h 累計(jì)降水量分別為373.2、200.3、153.8、115.0、53.0 mm，分別為特大暴雨（翟家河）、大暴雨（馬嶺、桐川、太陽）、暴雨（固城）量級(jí)。

圖1 2022年7月14日20：00至15日20：00隴東及其周邊地區(qū)24 h累計(jì)降水量空間分布（單位：mm）（黑色五角星為5個(gè)區(qū)域站地理位置。下同）Fig.1 The spatial distribution of 24 h cumulative precipitation from 20：00 BST on 14 to 20：00 BST on 15 July 2022 in Eastern Gansu and its surrounding areas （Unit：mm）（The black pentagram for 5 regional stations geography location.the same as below）

2.2 環(huán)流形勢

7月15日02：00 500 hPa 高空圖［圖2（a）］上，5880 gpm 線北端凸起至甘肅南部，甘肅隴東位于凸起部分西側(cè)，700 hPa暖性低渦（壓）在甘肅隴東西側(cè)及甘肅中部偏北一帶維持，穩(wěn)定少動(dòng)［圖2（c）］，其西北側(cè)的西南氣流處于增強(qiáng)趨勢，慶陽地區(qū)具有強(qiáng)水汽輸送和偏南急流的動(dòng)力擾動(dòng)條件。低層偏南急流對對流穩(wěn)定維持，甚至對流系統(tǒng)的觸發(fā)具有重要作用。海平面氣壓圖［圖3（a）］上，低壓穩(wěn)定在寧夏西北部，冷鋒東移緩慢，高壓中心位于慶陽東北部，此配置利于高壓底部的偏東氣流和低壓前部的偏西氣流在慶陽地區(qū)輻合，地面輻合線是對流初始發(fā)展觸發(fā)條件之一。

7月15日14：00 500 hPa 副熱帶高壓穩(wěn)定維持［圖2（b）］，隴東地區(qū)位于5880 gpm 線西北側(cè)，高空鋒區(qū)東移南壓至甘肅河西地區(qū)，700 hPa偏北風(fēng)增大并伴有冷平流［圖2（d）］，與減弱的西南氣流在寧夏東部至甘肅中部形成切變線。與02：00相比，14：00有明顯冷空氣影響，地面冷鋒推進(jìn)至慶陽西部至甘肅中部偏北一帶［圖3（b）］。

圖2 2022年7月15日02：00（a、c）、14：00（b、d）500 hPa位勢高度場（黑色等值線，單位：gpm）及溫度場（紅色等值線，單位：℃）（a、b），700 hPa風(fēng)場（風(fēng)矢量，單位：m·s-1）及溫度場（紅色等值線，單位：℃）（c、d）Fig.2 The geopotential height field （black isolines，Unit：gpm） and temperature field （red isolines，Unit：℃） at 500 hPa（a，b），wind field （wind vectors，Unit：m·s-1） and temperature field （red isolines，Unit：℃） at 700 hPa （c，d）at 02：00 BST （a，c） and 14：00 BST （b，d） on 15 July 2022

圖3 2022年7月15日02：00（a）、14：00（b）海平面氣壓場（單位：hPa）Fig.3 Sea-level pressure field （Unit：hPa） at 02：00 BST （a） and 14：00 BST （b） on 15 July 2022

以上分析表明，此次特大暴雨發(fā)生在副熱帶高壓持續(xù)西伸北抬的天氣背景下，主要分為2 個(gè)性質(zhì)不同的降水階段。15日00：00—12：00，降水過程中無高原槽和西風(fēng)槽配合，強(qiáng)降水發(fā)生在5880 gpm 線西北側(cè)西南氣流中、700 hPa低渦東南象限暖濕輸送帶、地面冷鋒前暖區(qū)內(nèi)，距冷鋒250 km 左右，天氣尺度斜壓強(qiáng)迫弱，屬于典型的暖區(qū)暴雨；15日14：00—20：00，受冷空氣影響，地面冷鋒東移影響慶陽，鋒前劇烈的抬升作用，配合副熱帶高壓外圍高能高濕的環(huán)境條件，觸發(fā)對流，為鋒面降水階段。

3 暴雨云系宏微觀特征

3.1 宏觀特征

云的宏觀特征與云降水條件、降水機(jī)制、降水效率等關(guān)系密切，且云宏觀結(jié)構(gòu)的變化先于降水變化［43］。圖4為7月15日不同降水階段云頂類型分布，暖區(qū)降水階段，15日00：00，慶陽北部γ中尺度對流云團(tuán)新生時(shí)為過冷水云，下一時(shí)次迅速向上發(fā)展為不透明冰云，并逐漸發(fā)展擴(kuò)大，邊緣為過冷水云、混合云及多層云，中間為不透明冰云；暖區(qū)降水階段結(jié)束時(shí)（15日13：00），不透明冰云消散，表現(xiàn)為大片混合云與多層云，隨時(shí)間逐漸由大片混合云與多層云演變?yōu)椴贿B續(xù)的過冷水云。鋒面降水階段（15日17：00），對流云團(tuán)發(fā)展為中尺度對流系統(tǒng)（mesoscale convective system，MCS），云團(tuán)主體為大范圍的不透明冰云，邊緣為多層云，上風(fēng)方向逐漸向混合云及過冷水云過渡，下風(fēng)方向則逐漸由多層云轉(zhuǎn)為卷云。

圖4 2022年7月15日00：00—17：00 FY-4A衛(wèi)星云頂類型分布Fig.4 The distribution of cloud types from FY-4A satellite from 00：00 BST to 17：00 BST on 15 July 2022

短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在不透明冰云覆蓋的區(qū)域內(nèi)，不透明冰云覆蓋面積在一定程度上表現(xiàn)出云團(tuán)發(fā)生發(fā)展的情況，間接反映云內(nèi)上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，云頂較高。云頂高度產(chǎn)品也證實(shí)了這一點(diǎn)，當(dāng)云頂類型為過冷水云時(shí)，云頂高度在8～10 km 左右，暖區(qū)降水階段中，慶陽北部對流云新生時(shí)云頂高度已達(dá)12 km，14日05：00 云團(tuán)中心發(fā)展至20 km 以上［圖5（a）］，17：00 MCS 主體云頂高度均在14 km 以上，中心接近20 km［圖5（b）］，結(jié)合云頂類型，發(fā)生強(qiáng)降水的不透明冰云云頂高度大于14 km。

圖5 2022年7月15日05：00（a）、17：00（b）FY-4A衛(wèi)星云頂高度分布（單位：km）Fig.5 The distribution of cloud top height from FY-4A satellite at 05：00 BST （a） and 17：00 BST （b） on 15 July 2022 （Unit：km）

3.2 微物理特征

15日01：00 新生的對流云團(tuán)主體為厚冰云，四周分布為厚中層云［圖6（a）］，與周圍環(huán)境對比明顯，隨著對流云團(tuán)的合并發(fā)展，05：00 暴雨云團(tuán)發(fā)展為冷厚冰云［圖6（b）］。從翟家河站（107.62°E，36.08°N）緯度-時(shí)間［圖6（c）］和經(jīng)度-時(shí)間［圖6（d）］剖面來看，暴雨云團(tuán)自邊緣向中心依次為厚中層云、厚冰云、冷厚冰云，隨時(shí)間變化，云團(tuán)主體由冷厚冰云構(gòu)成且范圍逐漸擴(kuò)大，向北發(fā)展并維持3 h以上。

圖6 2022年7月15日01：00（a）、05：00（b）FY-4B衛(wèi)星夜間微物理圖像及沿翟家河站（107.62°E，36.08°N）的緯度-時(shí)間（c，沿CD線段）和經(jīng)度-時(shí)間（d，沿AB線段）剖面（白色五角星為5個(gè)區(qū)域站地理位置）Fig.6 The microphysical image at nighttime from FY-4B satellite at 01：00 BST （a） and 05：00 BST （b） on 15 July 2022，andthe latitude-time （c，along CD line segment） and longitude-time （d，along AB line segment） cross section along Zhaijiahe station （107.62°E，36.08°N）（The white pentagram for 5 regional stations geography location）

日出之后利用FY-4B衛(wèi)星強(qiáng)風(fēng)暴圖像產(chǎn)品及白天微物理圖像產(chǎn)品分析云團(tuán)特性，7月15日08：00強(qiáng)風(fēng)暴圖像［圖7（a）］顯示，由冷厚冰云構(gòu)成的暴雨云團(tuán)為強(qiáng)烈上升積雨云，伴隨強(qiáng)烈上升氣流和劇烈天氣。白天微物理圖像產(chǎn)品（圖8）給出了云的粒徑估計(jì)，從剖面［圖8（c）、圖8（d）］來看，暴雨云團(tuán)邊緣為大粒徑冰云，主體由小粒徑冰云構(gòu)成。結(jié)合圖7與圖8可以看出，深對流層云對應(yīng)著大粒徑冰云，強(qiáng)烈上升積雨云與小粒徑冰云對應(yīng)，3 種不同微物理圖像產(chǎn)品在暖區(qū)降水時(shí)段對同一暴雨云團(tuán)的特征顯示說明，15日00：00—11：00，主要由小粒徑冰云組成、云體深厚且伴有強(qiáng)烈上升氣流的積雨云在慶陽中東部發(fā)展維持，導(dǎo)致該區(qū)域持續(xù)強(qiáng)降水的發(fā)生，之后積雨云面積減小，以深對流層云為主，即云團(tuán)處于衰減階段。鋒面降水階段，云團(tuán)微物理特征與暖區(qū)降水階段類似，暴雨云團(tuán)主要由小粒徑冰云組成［圖7（b）、圖8（b）］，周圍分布深對流層云，但影響范圍更廣，云系自西北向東南移動(dòng)，慶陽先受深對流層云影響，后轉(zhuǎn)為積雨云，積雨云位置較暖區(qū)降水階段偏南。

圖7 2022年7月15日08：00（a）、16：00（b）FY-4B衛(wèi)星白天強(qiáng)風(fēng)暴圖像及沿翟家河站（107.62°E，36.08°N）的緯度-時(shí)間（c，沿CD線段）和經(jīng)度-時(shí)間（d，沿AB線段）剖面Fig.7 The storm image on daytime from FY-4B satellite at 08：00 BST （a） and 16：00 BST （b） on 15 July 2022，and the latitude-time （c，along CD line segment） and longitude-time （d，along AB line segment） cross section along Zhaijiahe station （107.62°E，36.08°N）

圖8 2022年7月15日14：00（a）、16：00（b）FY-4B衛(wèi)星白天微物理圖像及沿翟家河站（107.62°E，36.08°N）的緯度-時(shí)間（c，沿CD線段）和經(jīng)度-時(shí)間（d，沿AB線段）剖面Fig.8 The microphysical image in the daytime from FY-4B satellite at 14：00 BST （a） and 16：00 BST （b） on 15 July 2022，and the latitude-time （c，along CD line segment） and longitude-time （d，along AB line segment） cross section along Zhaijiahe station （107.62°E，36.08°N）

4 暴雨云系演變特征

云頂相當(dāng)黑體亮溫（black body temperature，TBB）是反映云團(tuán)發(fā)展強(qiáng)弱的重要特征量之一［32］，圖9為2022年7月15日01：00—19：00 FY-4A 衛(wèi)星TBB 分布及小時(shí)雨強(qiáng)?？梢钥闯觯?5日01：00 慶陽市中部有2 個(gè)孤立的γ中尺度對流云團(tuán)生成（a1、a2），a1 云團(tuán)的TBB 低值中心接近210 K，a2 約為220 K，云頂向上發(fā)展旺盛，在其西南側(cè)已有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生，之后云團(tuán)不斷發(fā)展；02：00 a1、a2云團(tuán)合并為β中尺度對流云團(tuán)a3，TBB低值中心約為200 K，云團(tuán)此時(shí)處于垂直發(fā)展階段，并隨環(huán)境風(fēng)場緩慢向東北方向移動(dòng)。移動(dòng)過程中，a3 云團(tuán)后部（慶陽市中部）有新的對流云團(tuán)生成和發(fā)展，傳播和移動(dòng)方向相反，形成后向傳播特征，對流云團(tuán)不斷經(jīng)過慶陽中部，云團(tuán)垂直和水平尺度持續(xù)擴(kuò)大。03：00 之后，對流云團(tuán)a3 不斷發(fā)展并影響整個(gè)慶陽東部，強(qiáng)降水始終出現(xiàn)在對流云團(tuán)的后部，且TBB 梯度較大處。對流云團(tuán)的持續(xù)影響導(dǎo)致慶陽中部多個(gè)時(shí)次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，特別是50 mm·h-1以上的強(qiáng)降水，進(jìn)而導(dǎo)致了特大暴雨的發(fā)生。11：00 之后云團(tuán)逐漸減弱，結(jié)構(gòu)趨于松散，暖區(qū)降水階段結(jié)束。

圖9 2022年7月15日01：00—19：00 FY-4A衛(wèi)星TBB分布（彩色填色區(qū)，單位：K）及小時(shí)雨強(qiáng)（彩色圓點(diǎn)，單位：mm·h-1）Fig.9 The TBB distribution （color shaded areas，Unit：K） and hourly precipitation intensity （color dots，Unit：mm·h-1）from 01：00 BST to 19：00 BST on 15 July 2022

15日13：00，受冷空氣影響，六盤山附近及天水北部分別有對流云團(tuán)a4、a5生成發(fā)展，14：00 a5明顯發(fā)展增大與a4 合并，在16：00 發(fā)展為中尺度對流系統(tǒng)（MCS）a6，且表現(xiàn)出一定帶狀特征，TBB 低值中心近190 K，云團(tuán)垂直發(fā)展十分旺盛，TBB 低于220 K區(qū)域明顯加大，自慶陽南部延申至隴南北部，強(qiáng)降水始終出現(xiàn)在云團(tuán)移動(dòng)方向前側(cè)，并且也呈帶狀分布。此云團(tuán)為鋒面帶狀云系中的對流云團(tuán)，隨著冷空氣向東南方向緩慢推進(jìn)，云團(tuán)不斷發(fā)展，至19：00云團(tuán)出現(xiàn)4 個(gè)TBB≤190 K 的低值中心，云團(tuán)北部TBB 低于210 K 范圍明顯增大，覆蓋慶陽南部。在云團(tuán)東南側(cè)由于鋒前劇烈的抬升作用，配合副熱帶高壓外圍高能高濕的環(huán)境條件，造成大范圍短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)，該云團(tuán)主要影響慶陽南部，對慶陽中部極端特大暴雨的發(fā)生貢獻(xiàn)較小。

綜上所述，暖區(qū)對流降水階段，降水云團(tuán)近似橢圓形，尺度較小，僅影響慶陽地區(qū)，強(qiáng)降水位于對流云團(tuán)移動(dòng)方向的后部；鋒面降水階段，降水云團(tuán)為多個(gè)云團(tuán)合并而成的MCS，表現(xiàn)出帶狀特征，強(qiáng)降水位于MCS移動(dòng)方向的前側(cè)。

從5 個(gè)代表性站點(diǎn)降水及TBB 時(shí)間演變來看（圖10），強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在15日凌晨，翟家河及馬嶺站在降水初期即出現(xiàn)80 mm·h-1以上的強(qiáng)降水，強(qiáng)降水發(fā)生前TBB 迅速下降（自280 K 下降至210 K左右），強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)使云旺盛發(fā)展，較低的TBB 維持5 h 以上，且翟家河站TBB 表現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢，最低達(dá)到190 K。在低TBB維持或TBB持續(xù)下降期間，翟家河及馬嶺站連續(xù)多個(gè)時(shí)次出現(xiàn)50 mm·h-1以上強(qiáng)降水，云內(nèi)上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)盛，深對流云并未因?yàn)閺?qiáng)降水的發(fā)生而迅速消亡，特大暴雨主要由強(qiáng)對流導(dǎo)致的連續(xù)多個(gè)時(shí)次短時(shí)強(qiáng)降水貢獻(xiàn)而成。TBB 升高后，降水減弱，15日下午再次下降，但TBB 高于前一階段，降水以10 mm·h-1以下強(qiáng)度為主。桐川、太陽2站的主要降水也主要出現(xiàn)在15日凌晨，伴有TBB 的迅速下降，但在出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水后TBB 升高，沒有出現(xiàn)低TBB 維持或TBB 持續(xù)下降，之后TBB 波動(dòng)緩慢下降，降水轉(zhuǎn)為穩(wěn)定性降水。固城站降水出現(xiàn)在15日下午，1 h 降水量大于70 mm，強(qiáng)降水前TBB 自280 K 下降至200 K 左右。降水與TBB 及其變化的關(guān)系密切，強(qiáng)降水發(fā)生前TBB迅速下降，表明了深對流云的旺盛發(fā)展；低TBB 對應(yīng)強(qiáng)降水，若TBB 持續(xù)較低，表明強(qiáng)對流活動(dòng)維持，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長。

圖10 2022年7月14日22：00至15日20：00慶陽不同站點(diǎn)TBB及降水量逐時(shí)變化Fig.10 The hourly variation of TBB and precipitation at different stations in Qingyang from 22：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022

5 云系發(fā)展的大氣環(huán)境條件

水汽是降水云團(tuán)發(fā)生、發(fā)展及維持不可缺少的環(huán)境要素，從15日04：00 FY-4A 衛(wèi)星水汽產(chǎn)品（圖略）可以看出，慶陽北部的水汽分布較甘肅其他地方明顯，邊界層水汽在2 g·kg-1左右，中層略高于邊界層，在2～3 g·kg-1，高層與邊界層水汽含量接近，大氣整層水汽含量為7～8 g·kg-1，表明此次暴雨過程中水汽主要分布在中層，而邊界層水汽含量相對較小，這可能與700 hPa低空急流輸送水汽有關(guān)。

FY-3D 衛(wèi)星于7月15日01：43 在慶陽過境，臨近強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段。K指數(shù)反映大氣的層結(jié)穩(wěn)定情況，K指數(shù)越大，層結(jié)越不穩(wěn)定，且K指數(shù)側(cè)重反映了對流層中下層的濕度廓線，濕度越大，K指數(shù)越大［44］。從K指數(shù)來看［圖11（a）］，隴東大片區(qū)域K指數(shù)達(dá)到40以上，慶陽中部在30～40。LI為負(fù)時(shí)，值越小，表示大氣越不穩(wěn)定，LI負(fù)值區(qū)與K指數(shù)大值區(qū)范圍一致，慶陽地區(qū)LI為-2～-5［圖11（b）］。說明強(qiáng)降水發(fā)生前大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的抬升觸發(fā)條件配合下，易發(fā)生強(qiáng)對流活動(dòng)。

圖11 2022年7月15日01：43 FY-3D衛(wèi)星獲取的K指數(shù)（a）、LI（b）Fig.11 The K index （a） and LI （b） from FY-3D satellite at 01：43 BST on 15 July 2022

熱力及水汽條件的垂直分布是決定大氣穩(wěn)定度的主要因素，影響對流云團(tuán)的發(fā)展及降水性質(zhì)［45-47］。為進(jìn)一步分析強(qiáng)降水發(fā)生前局地?zé)崃?、水汽及不穩(wěn)定條件的差異，選取降水量級(jí)、降水時(shí)段差異明顯的翟家河、太陽及固城3 站，基于FY-3D衛(wèi)星資料分析大氣溫度、比濕垂直分布［圖12（a）、圖12（b）］，可以看出，3 站在800 hPa 以上溫度廓線相似，邊界層內(nèi)太陽站存在逆溫，由于14日午后到夜間陜北—慶陽東北部低層有弱冷空氣侵入，地面切變線觸發(fā)對流性降水導(dǎo)致邊界層溫度下降從而出現(xiàn)逆溫；而慶陽中部及南部始終為暖區(qū)控制，對流層中上層無明顯冷平流，3 個(gè)站點(diǎn)800～500 hPa 溫度垂直遞減率大致在6 ℃·km-1以下［圖12（a）］，與濕絕熱遞減率接近，溫度層結(jié)特征不利于熱力不穩(wěn)定發(fā)展。

為進(jìn)一步判別是否存在對流不穩(wěn)定，根據(jù)FY-3D 衛(wèi)星反演的溫度、比濕及氣壓資料計(jì)算假相當(dāng)位溫（θse）垂直廓線［圖12（c）］，θse垂直遞減率小于0時(shí)表示大氣層結(jié)為對流不穩(wěn)定。15日凌晨隴東地區(qū)有低空急流建立，受急流輸送及輻合影響對流層中低層增濕增溫，翟家河、太陽站800～600 hPa 高度有明顯濕層［圖12（b）］，中高層相對較干，上干下濕的大氣層結(jié)有利于對流天氣的發(fā)生，θse的增大使對流層低層對流不穩(wěn)定度增加［圖12（c）］。翟家河、太陽站主要降水時(shí)段為15日凌晨，均為暖區(qū)降水，濕度廓線形態(tài)相似，但絕對濕度差異明顯，翟家河站低層比濕大于15 g·kg-1，太陽站比濕為7 g·kg-1左右，700～600 hPa翟家河與太陽站θse均隨高度減小，表現(xiàn)出淺層的對流不穩(wěn)定特征，但翟家河站θse及θse垂直遞減率均明顯大于太陽站［圖12（c）］，對流不穩(wěn)定條件明顯優(yōu)于太陽站。在溫度垂直分布接近的條件下，更顯著的低層濕度形成更明顯的對流不穩(wěn)定，慶陽中部與南部低層濕度的差異造成了不穩(wěn)定條件及降水量級(jí)的差異。固城站強(qiáng)降水時(shí)段為15日下午，屬于鋒面降水，15日凌晨雖受低空急流影響，但不存在低層偏南氣流輻合，即不存在上升氣流驅(qū)動(dòng)的濕層構(gòu)建過程，因此水汽、不穩(wěn)定和動(dòng)力條件不足，在15日凌晨難以形成較強(qiáng)降水。

圖12 2022年7月15日01：43 FY-3D衛(wèi)星反演溫度（a）、比濕（b）及假相當(dāng)位溫（c）垂直廓線Fig.12 The vertical profile of temperature （a） and specific humidity （b） retrieved by FY-3D satellite and pseudo potentialtemperature vertical profile （c） at 01：43 BST on 15 July 2022

綜上所述，F(xiàn)Y-3D 衛(wèi)星提供的大氣環(huán)境條件垂直觀測數(shù)據(jù)，能夠明確區(qū)分不同地區(qū)大氣環(huán)境條件的差異，對降水中心的界定具有一定指示意義。

6 結(jié)論與討論

利用FY-4A、FY-4B 衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）產(chǎn)品數(shù)據(jù)，以及FY-3D 微波濕度計(jì)（MWHS）和微波溫度計(jì)（MWTS）融合產(chǎn)品，結(jié)合區(qū)域站小時(shí)降水資料，分析了2022年7月15日隴東特大暴雨事件的云宏微觀特征、云系演變特征及云系發(fā)展的大氣環(huán)境條件。結(jié)論如下：

（1）此次特大暴雨事件主要分為2 個(gè)性質(zhì)不同的降水階段：15日00：00—12：00 為暖區(qū)降水階段，15日14：00—20：00 為鋒面降水階段。不同降水階段暴雨云系宏微觀特征相似：暴雨云系的云頂類型為過冷水云、混合云、不透明冰云和多層云等，發(fā)生強(qiáng)降水的云頂類型以不透明冰云為主，云頂高度達(dá)14 km 以上；暴雨云系云體深厚，主要由小粒徑冰云組成且伴有強(qiáng)烈上升氣流。

（2）暖區(qū)降水階段，對流云團(tuán)近似為橢圓形，尺度較小，僅影響慶陽地區(qū)，強(qiáng)降水出現(xiàn)在云團(tuán)后部云團(tuán)新生處，對流云團(tuán)的持續(xù)影響是導(dǎo)致特大暴雨發(fā)生的主要原因。鋒面降水階段，降水云團(tuán)為多個(gè)云團(tuán)合并而成的MCS，表現(xiàn)出帶狀特征，強(qiáng)降水出現(xiàn)在云團(tuán)移動(dòng)方向前側(cè)，也為帶狀分布。降水與TBB 的關(guān)系密切，強(qiáng)降水發(fā)生前TBB 迅速下降，TBB低值區(qū)降水量級(jí)較大、降水強(qiáng)度較強(qiáng)。

（3）強(qiáng)降水前表現(xiàn)出淺層對流不穩(wěn)定的特征，中低層強(qiáng)烈增濕是對流不穩(wěn)定發(fā)展的主要原因，慶陽中部與南部低層絕對濕度的差異造成了不穩(wěn)定條件及降水量級(jí)的差異。

FY-4 系列衛(wèi)星產(chǎn)品能夠在一定程度上反映此次極端暴雨天氣過程云團(tuán)演變規(guī)律及宏微觀特征，與降水特征對應(yīng)較好。但FY-4 系列衛(wèi)星產(chǎn)品的效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證，從大氣環(huán)境條件來看FY-4A 水汽產(chǎn)品明顯偏小，在暴雨云團(tuán)中心區(qū)域偏小程度更明顯，可能是由于降水云團(tuán)較為深厚而導(dǎo)致的偏差。此外，F(xiàn)Y-4 系列衛(wèi)星云微物理產(chǎn)品較少，未來可利用該資料進(jìn)一步反演云光學(xué)厚度、云有效粒子半徑等云微物理參數(shù)。

另外，F(xiàn)Y-4A 干涉式大氣垂直儀（geostationary interferometric infrared sounder，GIIRS）對溫度的反演結(jié)果顯示（圖略），強(qiáng)降水發(fā)生前的溫度廓線形態(tài)與圖12（a）相似，但整層溫度在260 K 以下，溫度值明顯偏?。粡?qiáng)降水發(fā)生時(shí)段，600 hPa 以下大氣溫度垂直遞減率超過干絕熱遞減率，這在實(shí)際大氣中難以發(fā)生。GIIRS 在此次暴雨過程中對溫度的反演結(jié)果有一定誤差，特別是在強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段，這可能與GIIRS 反演的溫度廓線來自紅外波段，而紅外波穿透云層的能力較差有關(guān)，在深對流云系統(tǒng)活動(dòng)發(fā)生時(shí)，云內(nèi)及云下溫度的精度相對較低［48］，需經(jīng)過訂正后使用。

FY-3D極軌衛(wèi)星也可以獲得降水系統(tǒng)的溫濕垂直分布特征，能夠明確區(qū)分不同地區(qū)大氣環(huán)境條件的差異，對降水中心的界定具有指示意義。但極軌衛(wèi)星時(shí)間分辨率低，無法得到連續(xù)的探測結(jié)果，暴雨過程的強(qiáng)降水時(shí)段僅有1 顆FY-3 系列極軌衛(wèi)星過境。毋庸置疑的是，不同系列靜止衛(wèi)星與極軌衛(wèi)星觀測的互補(bǔ)使用，可以為地基觀測覆蓋度較低地區(qū)暴雨事件的高時(shí)空分辨率監(jiān)測預(yù)警提供技術(shù)途徑，也是本研究下一步需要繼續(xù)深入開展的工作。