黑體亮溫TBB與風(fēng)暴跟蹤信息STI對(duì)應(yīng)關(guān)系

李燕玲,馬中元,陳鮑發(fā),張曉芳,盛夢(mèng)婷

(1.景德鎮(zhèn)市氣象局,景德鎮(zhèn) 333000;2.江西省氣象科學(xué)研究所,南昌 330046;3.婺源縣氣象局,上饒 333200;4.樂平市氣象局,樂平 333300)

0 引言

衛(wèi)星云圖黑體亮溫(Black Body Temperature,TBB)反映了大氣運(yùn)動(dòng)狀況,TBB最低亮溫區(qū)和TBB亮溫密集區(qū)都不同程度地反映了強(qiáng)對(duì)流、暴雨等災(zāi)害性天氣的狀態(tài);雷達(dá)回波風(fēng)暴跟蹤信息(Starm Tracking Information,STI)計(jì)算出風(fēng)暴的1 h移動(dòng)方向和移動(dòng)速度,雷達(dá)拼圖上STI是多部雷達(dá)STI疊加的產(chǎn)品,STI的密集程度也反映了強(qiáng)對(duì)流、暴雨等災(zāi)害性天氣的狀態(tài)。TBB與STI有著較緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系,有必要進(jìn)行相關(guān)性研究。

中國很多學(xué)者都在研究中將衛(wèi)星云圖資料應(yīng)用在暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)方面[1-8]。如阮悅等[9]提取產(chǎn)生強(qiáng)降水的衛(wèi)星參數(shù)特征閾值,采用指標(biāo)疊加法判定未來2 h能否產(chǎn)生區(qū)域性暴雨天氣,進(jìn)而對(duì)區(qū)域性暴雨云團(tuán)進(jìn)行預(yù)警;許愛華等[10]總結(jié)出江西省8種典型的強(qiáng)對(duì)流云型特征。衛(wèi)星云圖在強(qiáng)天氣的應(yīng)用研究中,黑體亮溫是云系的數(shù)字化處理產(chǎn)品之一,其溫度與對(duì)流發(fā)展有密切關(guān)系,應(yīng)用較為普遍。研究中關(guān)于TBB最低值或亮溫梯度區(qū)(TBB等值線密集區(qū))與短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)系,均指出不管是短時(shí)強(qiáng)降水還是雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣,均易出現(xiàn)在對(duì)流云團(tuán)發(fā)展旺盛的TBB低值區(qū),或是TBB梯度大值區(qū)[11-18]。STI是多普勒雷達(dá)中重要的產(chǎn)品之一。2018 年開始,江西8部S波段雷達(dá)的 STI產(chǎn)品加入雷達(dá)拼圖中,形成雷達(dá)拼圖上的組合STI產(chǎn)品,多部雷達(dá)多個(gè) STI 路徑疊加的密集程度,反映了風(fēng)暴的移動(dòng)趨勢(shì)[19-23]。近幾年來,雷達(dá)拼圖組合STI產(chǎn)品被江西預(yù)報(bào)員運(yùn)用在實(shí)際業(yè)務(wù)和科研工作中,成效明顯。

文章使用衛(wèi)星云圖黑體亮溫TBB資料、江西雷達(dá)拼圖STI產(chǎn)品等資料,探討TBB與STI之間的關(guān)系,研究成果旨在為短臨預(yù)報(bào)提供相互印證的分析依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)選擇與處理

風(fēng)暴跟蹤信息STI雷達(dá)拼圖資料來源于2020年3月—2021年11月共1588個(gè)時(shí)次數(shù)據(jù),是江西雷達(dá)拼圖手機(jī)版歷史數(shù)據(jù)。黑體亮溫TBB數(shù)據(jù)來源于氣象風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)下載的FY-2G逐時(shí)相當(dāng)黑體溫度產(chǎn)品,水平分辨力為0.1°×0.1°。通過MICAPS調(diào)取下載的TBB數(shù)據(jù),利用填值法讀取出江西境內(nèi)TBB最低值;通過江西雷達(dá)拼圖疊加顯示STI密集區(qū),根據(jù)箭頭的密集程度分為弱、中、強(qiáng)3個(gè)強(qiáng)度,并分別記為1,2,3。

1.2 相關(guān)性分析

通過上述數(shù)據(jù)處理方法,整理出STI與TBB數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)STI密集區(qū)有870個(gè)時(shí)次強(qiáng)度為弱,TBB平均值為-45.6 ℃;STI密集區(qū)有550個(gè)時(shí)次強(qiáng)度為中,TBB平均值為-58.5 ℃;STI密集區(qū)有168個(gè)時(shí)次強(qiáng)度為強(qiáng),TBB平均值為-69.4 ℃。對(duì)各個(gè)季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),TBB平均值冬季(12月—次年2月)為-23.3 ℃,春季平均值(3—5月)為-45 ℃,夏季平均值(6—8月)為-64 ℃,秋季平均值(9—11月)為-38.6 ℃。TBB最小值分別為-48,-79,-91和-81 ℃(圖1)。

圖1 風(fēng)暴跟蹤信息STI密集區(qū)與黑體亮溫TBB相關(guān)性曲線

從STI與TBB相關(guān)性圖(圖1)上可以看出,STI密集程度與TBB值呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性,即STI越密集,TBB值就越小;或是STI越稀疏,TBB值就越高。負(fù)相關(guān)性的原因主要是在TBB圖上,溫度越低越容易出現(xiàn)強(qiáng)天氣;在STI圖上,路徑線條越多、越密集越容易出現(xiàn)強(qiáng)天氣。

2 STI密集程度與TBB相關(guān)性分析

2.1 STI密集程度與TBB負(fù)相關(guān)性正貢獻(xiàn)分析

由前文分析得出,STI密集程度與TBB值呈一定的負(fù)相關(guān)。對(duì)于STI密集程度為2或3時(shí),一般表明出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)天氣過程,強(qiáng)天氣發(fā)生時(shí)回波排列結(jié)構(gòu)較密實(shí),呈線狀、團(tuán)狀等。線狀回波有“弓”形回波和沿低空急流北側(cè)源源不斷向東北方向輸送而產(chǎn)生的“列車效應(yīng)”回波,符合高空冷平流強(qiáng)迫類、斜壓鋒生類以及準(zhǔn)正壓類容易產(chǎn)生颮線等中尺度系統(tǒng)特征。團(tuán)狀回波一般在系統(tǒng)性暴雨過程中出現(xiàn),雷達(dá)回波強(qiáng)度與TBB最低值與“弓”形回波類似。而對(duì)比較典型的暴雨過程的環(huán)流形勢(shì)和影響系統(tǒng),預(yù)報(bào)員普遍已有比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),強(qiáng)天氣發(fā)生時(shí),雷達(dá)回波強(qiáng)度可達(dá)60 dBZ以上,TBB最低值為-80～-60 ℃,局部達(dá)-90 ℃。

對(duì)于STI密集程度為1 的時(shí)次,一般為5～15 dBZ的弱降水。主要發(fā)生在秋冬季及早春,或發(fā)生在強(qiáng)天氣消散階段。此時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)弱,回波強(qiáng)度弱,TBB最低值-10～-30 ℃。

2.2 STI密集程度與TBB負(fù)相關(guān)性負(fù)貢獻(xiàn)分析

對(duì)STI密集程度與TBB負(fù)相關(guān)的負(fù)貢獻(xiàn)情況可以分為2種。一是TBB密集強(qiáng)盛,但STI不密集。此情況表現(xiàn)為TBB值低,但是STI不密集。通過分析發(fā)現(xiàn),造成這種情況的原因大部分是因?yàn)榻骶硟?nèi)有一個(gè)或多個(gè)不連續(xù)、不成片的超級(jí)單體,超級(jí)單體多始于3月,9月也有體現(xiàn),盛夏6—8月最為常見。超級(jí)單體回波面積相對(duì)較小,多出現(xiàn)在午后或夜間,此時(shí)溫度明顯升高。雷達(dá)回波強(qiáng)度可達(dá)65 dBZ,TBB值在-80～-70 ℃,STI密集程度多為1。通過天氣分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于春季超級(jí)單體的觸發(fā),一般是高空槽、低層急流、地面輻合線等系統(tǒng)的影響。盛夏季節(jié),有些是副高邊緣觸發(fā)的午后熱對(duì)流,有些雖然位于副高內(nèi),但是高空500 hPa有短波槽移過或者是低層西南急流加強(qiáng)產(chǎn)生午后熱對(duì)流。除超級(jí)單體外,另一個(gè)原因是在盛夏,大片的層積混合型降水回波,STI稀疏,但是TBB密集強(qiáng)盛,TBB最低值可達(dá)-82 ℃。

二是TBB值高稀疏,但STI相對(duì)密集。此情況多發(fā)生在層積混合型回波中。一類發(fā)生在深秋,由于前期溫度較高,日最高氣溫25 ℃左右,之后受冷空氣南下影響,在江西境內(nèi)產(chǎn)生降水,回波強(qiáng)度最大達(dá)到45 dBZ,STI密集程度為2,TBB值在-10 ℃左右。另一類發(fā)生在早春,暖濕空氣偏弱,受冷空氣影響,地面溫度較低,在8～12 ℃,為層狀云回波,回波強(qiáng)度最大達(dá)到35 dBZ,STI密集程度為2,TBB值在-30 ℃左右。這兩類情況說明在深秋或初春,鋒面抬升作用使得水汽達(dá)到的高度偏低,對(duì)流發(fā)展高度較低,云頂溫度偏高。

2.3 STI密集指向區(qū)與TBB低值區(qū)移動(dòng)的關(guān)系

在有強(qiáng)天氣過程時(shí),TBB圖超級(jí)單體冷云特征明顯,外側(cè)邊緣亮溫梯度加大。為了能更清晰地確認(rèn)STI密集指向區(qū)與TBB低值區(qū)移動(dòng)的關(guān)系,選取TBB低值區(qū)明顯的個(gè)例。將選取的個(gè)例分為兩類:局部超級(jí)單體類和系統(tǒng)性降水過程類。局部超級(jí)單體有41例,系統(tǒng)性降水過程有25例。由分析發(fā)現(xiàn),局部超級(jí)單體類STI密集指向區(qū)的方向基本上與TBB低值區(qū)移動(dòng)的方向一致,大致為東北向、西北向和東南向。系統(tǒng)性降水STI密集指向區(qū)移動(dòng)方向較為一致,大部分為向東北或向東移動(dòng);TBB低值區(qū)移動(dòng)方向有東北向、東向和東南向。因此系統(tǒng)性降水過程又分為兩種情況:一種情況是STI密集指向區(qū)與TBB低值區(qū)移動(dòng)方向一致,這種情況的發(fā)生多是由西風(fēng)帶系統(tǒng)主導(dǎo);另一種情況是TBB低值區(qū)向東南方向移動(dòng)時(shí)的偏東分量與STI密集指向區(qū)的移動(dòng)方向一致,這種情況一般是隨著地面冷空氣南下,低層系統(tǒng)南移,降水回波整體向東南方向移動(dòng),而STI密集指向區(qū)的移動(dòng)方向一般為偏東向。

3 結(jié)束語

文章利用2020年3月—2021年11月共1588個(gè)時(shí)次風(fēng)云衛(wèi)星的逐時(shí)黑體亮溫?cái)?shù)據(jù)資料,結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)次江西雷達(dá)拼圖STI歷史數(shù)據(jù),對(duì)衛(wèi)星黑體亮溫TBB和雷達(dá)拼圖風(fēng)暴跟蹤信息STI進(jìn)行對(duì)比分析,得到以下結(jié)果:

1)黑體亮溫TBB與風(fēng)暴跟蹤信息STI密集程度呈一定的負(fù)相關(guān),即雷達(dá)回波強(qiáng)度越大,TBB最低值越低。

2) TBB與STI負(fù)相關(guān)負(fù)貢獻(xiàn)情況可以分為2種:一是TBB密集強(qiáng)盛,但STI不密集;二是TBB值高稀疏,但STI相對(duì)密集。

3) 在有強(qiáng)天氣過程時(shí),超級(jí)單體TBB冷云特征明顯,外側(cè)邊緣亮溫梯度加大,雷達(dá)拼圖STI密集指向區(qū)十分明顯,TBB低值區(qū)與STI密集區(qū)移動(dòng)方向一致。系統(tǒng)性降水TBB與STI移動(dòng)方向分為兩種情況:一種是兩者移動(dòng)方向一致,另一種是TBB低值區(qū)向東南方向移動(dòng)時(shí)的偏東分量與STI密集指向區(qū)的移動(dòng)方向一致。

黑體亮溫TBB和風(fēng)暴跟蹤信息STI是預(yù)報(bào)分析中常用的產(chǎn)品,兩者具有較好的負(fù)相關(guān)性,但在某些時(shí)刻,可能受到TBB反演的限制(表現(xiàn)為TBB有明顯誤差),兩者關(guān)聯(lián)性較差。以上研究成果有待于深入探討和更多資料的驗(yàn)證。