FY3極軌衛星資料在暴雨短時預報中的應用分析

黃 榮，劉日勝，劉國忠，何 立

（1.廣西區氣象臺，南寧 530022；2.廣西氣象減災研究所，南寧 530022）

1 引言

暴雨是廣西最主要的氣象災害之一，一直以來都是氣象研究重點領域，氣象工作者圍繞暴雨的大尺度環流形勢和環境條件、物理量參數特征方面取得了不少研究成果［1－6］。暴雨是多種尺度天氣系統相互作用的結果，是在有利的天氣背景下由中尺度對流系統直接造成的。FY2系列氣象靜止衛星能夠持續對中國區域進行高時空分辨率的觀測，可以監測中尺度對流系統的發生、發展和演變，在廣西前汛期暴雨、臺風暴雨監測預報得到了廣泛應用［7－10］。 但由于靜止衛星紅外通道和水汽通道等主要反映的是云頂的特征信息，無法獲得云團的垂直結構信息。極軌氣象衛星搭載有比靜止衛星更高空間分辨率的光譜成像儀、掃描輻射計和大氣垂直探測器，中分辨率光譜成像儀MERSI可見光通道星下點最高分辨率達250m，微波濕度計MWHS主要吸收成分為水汽，受冰態降水粒子影響較大，具有穿透云雨的能力，能夠觀測降水云團中不同高度層的水汽特征［11－12］。國內學者利用FY3系列極軌衛星資料在定量降水估計、強對流天氣監測中開展了應用研究［13－14］，發現應用微波濕度計對比FY2靜止衛星在不同量級降水估計的“擊中率”和精準度方面都有優勢，其在大氣不同高度垂直探測能力和高空間分辨率的可見光圖像能反映強對流天氣系統的精細化結構特征，但其缺點是每天過境兩次，時間分辨率較低，因此在暴雨監測預報時需要結合靜止衛星和極軌衛星的各自優勢進行分析。

2014年5月17－19日，受低層切變線和冷空氣南下影響，河池、桂林、柳州、賀州、來賓、貴港、梧州、玉林、南寧等市出現中到大雨，局部大暴雨及雷雨大風等強對流天氣。強降雨導致來賓、南寧、賀州等地出現內澇，農田被淹和房屋倒塌，給人民群眾造成較大的經濟損失。2014年5月18日強降雨時段期間，FY3B極軌衛星正好過境廣西，選取此時段降水和衛星資料進行分析，重點對FY3B微波濕度計資料在暴雨短時預報中的應用進行探討，總結預報著眼點，為短時預報提供依據。

2 天氣實況

2014年5月17日－18日20時，廣西自西北向東南出現了暴雨天氣，根據廣西區域自動站雨量統計，24h共有暴雨321站，其中大暴雨53站（圖略），最大24h雨量出現在河池東蘭三石鎮納臘村，達199.9mm。此次暴雨過程主要的降水時段出現在18日白天，圖1（見彩頁）為廣西區域加密自動站18日13－19時6h累計雨量，可以看出強降水主要位于桂東至桂東南一帶，雨帶呈東北—西南走向，共有79站雨量大于50mm，2站大于100mm，6h最大雨量出現貴港桂平白沙鎮，達134.5mm。強降雨范圍集中、降雨強度強，具有明顯的對流降水特征。

3 天氣系統分析

圖2 2014年5月18日08時中尺度分析圖

由2014年5月18日08時的中尺度分析圖（圖2）可以看出，200hPa西風急流軸位于33°N附近，廣西處在高空急流入口區右側的氣流輻散區；500hPa副熱帶高壓脊線位于15°N，副高控制整個南海地區，云南省東部有短波槽東移，在高原東部有振幅達10個緯距高空槽，槽后有較強的冷平流；700hPa廣西受西偏南氣流控制，最大風速達16m·s-1；850hPa切變線位于貴州與廣西交界附近，北部灣到廣西北部為一致的西南氣流，風速10－12m·s-1，比濕達14－16g·㎏－1，并且溫度露點差小于 3℃，水汽條件較好；925hPa低空切變線位于廣西中部，位置穩定少動。地面有弱冷空氣從東路南下，廣西東南部有一條東北風與東南風形成的地面輻合線。這表明，5月18日廣西中東部處受高空槽前西南氣流影響，中低層水汽條件較好，低層有切變輻合，為中尺度對流系統的發生、發展提供了有利背景。

4 FY3B衛星資料分析

4.1 250m分辨率可見光圖像特征

從5月17日20時至18日20時FY2E靜止衛星云圖演變（圖略）發現，17日22時在廣西西北部有1個對流云團生成發展后向東南方向移動。5月18日08時該對流云團A移到廣西桂林到柳州一帶，強度有所減弱；11—12時該云團在925hpa切變線附近再次發展增強，13時云團西側和東南側各新生出對流云團B和C，14時3個云團逐漸開始合并（圖3a）；16時 （圖略）合并后的云團強度發展到最強，云團TBB＜-52℃覆蓋的范圍達到約6000㎞2，最低亮溫值達-77℃；18時后，暴雨云團逐漸向東移入廣東，廣西境內的對流云團強度減弱。

從5月18日14時25分FY3B MERSI傳感器250m分辨率可見光通道云圖（圖3b）可以看到廣西中東部被大片云帶覆蓋，云帶由3個橢圓形云團組成，云團白亮，上風方（東南側）邊緣光滑，表明有較強偏南氣流進入對流云團，下風方（東北側）可以看到絲羽狀的卷云，與高空有較強輻散出流有關。西側和東南側的中尺度云團B和C有明顯不均勻紋理結構，其中鑲嵌著多個圓形的暗影，這是強對流上升運動形成的上沖對流云頂，表明這兩個云團中對流發展十分旺盛，預示著云中伴有強降雨、雷暴大風等災害性天氣［15］。

圖3（a） 2014年5月18日14時25分FY3B VIRRX 1000m分辨率長波紅外通道云圖 （b）MERSI 250m分辨率可見光通道云圖

4.2 微波濕度計亮溫特征

微波濕度計通道3、4、5亮溫值能夠分別反映大約 400hPa、600hPa、800hPa的水汽分布特征，其亮溫值越低，表明水汽對輻射的吸收越強［16］。2014年5月18日13時24分FY3B微波濕度計觀測資料正好覆蓋廣西全境，因此選取微波濕度計資料與13—19時廣西區域加密自動站6h雨量≥20mm強降雨疊加顯示進行分析（圖4，見彩頁）。在廣西東部和東南部對流云團活動區域，微波濕度計亮溫通道3、4、5都存在大片亮溫＜180K的低值區，云團有4個亮溫值＜160K的低值中心。由此可以看出，在廣西中部和東南部的對流云團中，大氣低層800hPa以及對流層中上層600hPa－400hPa水汽條件均非常充沛，有利于強降雨的發生。

6h雨量20－30mm區域，通道3微波亮溫值約為200－230K，通道4微波亮溫值約為180－220K，通道5微波亮溫值約為160－200K；6h雨量 30－50mm區域通道3微波亮溫值約為180－220K，通道4微波亮溫值約為180－220K，通道5微波亮溫值約為160－200K；值得注意的是6h雨量≥50mm強降雨區與亮溫低值中心并不對應，強降雨區主要位于3個亮溫低值中心的過渡區域，亮溫范圍從160－235K不等。同樣的，通道4和通道5的微波亮溫有相似的特征。這是一方面由于云團合并促成中尺度對流系統生成使對流發展更強烈［17］，14：00-15：00 貴港桂平白沙鎮錄得過程最大雨強110.7mm.h-1，另一方面由雷達回波演變（圖略）可以看出，強回波中心持續通過同一地點，即“列車效應”導致暴雨產生。

4.3 FY3B微波濕度計亮溫差特征

由于微波濕度計3、4、5通道的中心頻率有細微差異，依次位于強水汽吸收線的中心到邊緣位置，受冰相粒子的散射影響也不盡相同。已有的研究表明，高層通道與低層通道的亮溫差能反映云團對流的強弱［18］，因此通過對 3、4、5 通道產品計算以下 3 個特征量：

（1）CH34＝CH3-CH4：通道 3 減通道 4 亮溫差；

（2）CH35＝CH3-CH5：通道 3 減通道 5 亮溫差；

（3）CH45＝CH4-CH5：通道 4 減通道 5 亮溫差。

圖5（見彩頁）是微波濕度計的各層的亮溫差與地面6h≥20mm以上強降水的區域疊加，從圖中可以看到，6小時強降雨區位于正亮溫差區域，這表明在對流云團中，通道5的亮溫最低，其次為通道4亮溫，通道3的亮溫值最高。因此，通道3減去通道5的亮溫差也最大，6h≥20mm的強降雨大部分位于CH35差值20-40K的區域內，CH34差值約為10-20K，CH45差值約為0-20K。強降雨主要發生在亮溫差的正值區，但對于梧州市南部、玉林市北部的強降雨區明顯漏報，這是由于微波濕度計僅有一個時次的資料，無法完整反映暴雨云團合并后演變和發展的過程。但總體上看，微波濕度計高低層通道正亮溫差能反映云團深對流的區域，CH35正亮溫差大值區對6小時強降雨落區仍有較好的指示意義。

5 結論

利用常規觀測、地面加密自動站降水資料以及FY3B極軌衛星資料，對2014年5月18日廣西一次暴雨過程進行綜合分析，重點對暴雨云團的微波濕度計亮溫資料在短時（6h）暴雨過程中的特征進行分析，得出以下結論：

（1）2014年5月18日廣西中東部處受高空槽前西南氣流影響，中低層水汽條件較好，低層有切變輻合，為中尺度對流系統的發生、發展提供了有利背景。

（2）250m分辨率可見光通道云圖顯示廣西中東部云團有明顯不均勻紋理結構，其中鑲嵌著多個圓形的暗影表明對流發展十分旺盛，預示著云中伴有強降雨、雷暴大風等災害性天氣。

（3）微波濕度計資料反映出暴雨云團從低層到中高層都有較高的水汽含量區，50mm以上的強降雨區主要位于3個亮溫低值中心的過渡區域，即對流云團合并處。高低層通道亮溫差能反映云團對流的強弱程度，強降雨發生在微波亮溫差的正值區，通道3減通道5的亮溫差大值區對6h強降雨落區有較好的指示意義。

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