基于TRMM衛星資料對四川盆地降水的三維結構特征分析

向朔育,李躍清,盧 萍

（中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072）

引言

西南低渦是形成于西南地區的中尺度閉合性氣旋，是我國最強烈的中尺度暴雨系統之一。王作述等[1]認為就其對我國暴雨天氣的強度、頻數和范圍影響而言，西南低渦僅次于臺風及殘余低壓，是重要性位居第二的暴雨系統，其形成、發展以及帶來的洪澇災害等研究一直備受學者關注[2?4]。四川盆地每年汛期常常發生持續性暴雨，多數受西南低渦影響[5?7]。因此，西南渦發生發展及其影響降水的機理研究對提高四川盆地天氣預報能力具有重要的科學意義和應用價值。前人對西南低渦的研究主要集中在時空變率的統計分析[8?10]、基于大尺度環境場的診斷分析[11?13]以及數值模擬分析[14?15]等方面，取得了豐富的研究成果。但由于西南低渦屬于中尺度天氣系統，受限于青藏高原東側復雜地形影響，難以實現對西南渦形成、維持、發展機理等方面的系統性研究，使得在中尺度診斷、完善數值模擬方案以及提高精細化預報技術等方面困難重重。

近年來，高分辨率的衛星遙感技術飛速發展，可彌補青藏高原氣象資料稀缺的不足，且不受地形的影響，是加強西南渦研究的有效手段之一。如熱帶測雨衛星（TRMM），其主要目的是測量熱帶及亞熱帶的降水和能量轉換，已在熱帶海平面大范圍降水、熱帶氣旋活動等領域得到廣泛應用[16?20]。目前，TRMM衛星資料在高原及其周邊地區也有了一些應用成果。馮錦明等[21]利用1998年青藏高原地面Doppler雷達資料和TRMM PR資料進行了對比分析。傅云飛等[22]利用1998～2000年夏季TRMM測雨雷達探測結果對高原主體降水氣候特征進行了分析，發現高原降水在經、緯向-高度剖面上均呈“塔”狀分布，TRMM衛星在對高原降水的分類時會把弱對流降水誤判為層云降水。李躍清等[23]利用逐日氣象觀測資料和TRMM資料系統研究了高原東側“雨城”雅安的降水特征變化及其與周邊區域的異同聯系。潘曉等[24]基于TRMM衛星的改進降水分類，分析了青藏高原云頂不同相態的三類降水的時空分布及垂直結構特征。因此，利用TRMM衛星針對西南低渦降水云團的結構研究是有效可行的，有助于加深對西南低渦降水的動力學和熱力學特征的認識。

本文利用TRMM衛星上多種探測儀器的觀測資料，研究了2010年7月15～18日由西南低渦引發的四川盆地區域性暴雨天氣過程，主要分析了暴雨過程中降水類型、主要特征以及降水云團的三維結構，獲得了一些有意義的結果，可為提升局地強對流天氣預報水平起到科技支撐作用。

1 資料和天氣概況

1.1 TRMM衛星資料

TRMM衛星是由美國NASA和日本NASDA聯合發射，測量地理范圍是38oS～38oN、180oW～180oE，周期約為92.5min，每天大約運行16個軌道。TRMM衛星上共搭載了5種遙感儀器，其中與降水相關的3種基本測雨儀器是：降水雷達PR、微波成像儀TMI、可見光和紅外掃描儀VIRS。降水雷達PR的水平分辨率為5km（星下點），垂直分辨率為0.25km，垂直探測高度可達20km。微波成像儀TMI有5個觀測頻段，中心頻率分別為10GHz、19GHz、22GHz、37GHz、85GHz，其中85GHz水平分辨率為5.1km，垂直探測高度可達18km，具有水平和垂直兩個極化通道?？梢姽夂图t外掃描儀VIRS也有5個觀測通道，波長分別為0.63μm、1.60μm、3.75μm、10.8μm、12.0μm，空間分辨率為2.4km。本文使用的是NASA的1、2兩個等級的標準產品，包括：PR資料的2A25、TMI資料的1B11、VIRS資料的1B01。2A25包括降水的水平、垂直結構和降水類型等信息；1B11包括9個通道的微波亮溫資料；1B01包括云頂亮溫信息。在2010年7月15～18日四川盆地暴雨過程中，本文選取7月17日凌晨（軌道號：72163）和7月18日凌晨（軌道號：72178）兩個時段的資料進行分析。

1.2 西南低渦移動路徑和天氣過程概況

2010年7月14日20時～19日08時，四川省出現了一次區域性暴雨天氣過程。利用NCEP/NCAR 1o×1o再分析資料分析本次暴雨過程的環流場（圖略），結果表明：暴雨過程初始階段7月14日20時（北京時，下同），500hPa高度場呈穩定的“兩槽一脊”形勢，一槽在里海，一槽在貝加爾湖，弱脊位于我國新疆以北地區，副熱帶高壓呈帶狀分布，588線向西延伸至青藏高原，四川阿壩出現弱高壓切變；700hPa高度場上，整個四川地區受西南氣流影響。7月15日20時，500hPa高度上“兩槽一脊”形勢繼續維持，青藏高壓東進與副高打通，臺風“康森”在靠近海南省邊緣移動，呈“鞍型”環流場，四川雅安附近出現西南低渦，形成“北槽南渦”的高低配置。從西南低渦的移動路徑（圖1）看，14日20時～16日20時，西南低渦初步形成并在源地擺動，之后西南低渦往東北向移動，并在17日發展加強，此時段也是樂山降水強度最大的時期；17日20時，西南低渦移至盆地東北部，并在此停滯了約20h，造成了巴中、達州、廣安及南充北部等地的大暴雨天氣過程；19日08時后，低渦隨切變移出四川，持續降水過程隨之結束。因此，本次西南低渦天氣過程是在典型的500hPa“鞍型”環流場和“北槽南渦”高低空配置背景下發生發展，并受臺風“康森”影響的一次持續性強降水天氣過程。四川省大范圍的強降水時段出現在16～17日，從整個過程的總降雨量（圖2）來看，資陽、自貢、內江、廣元等10市出現了暴雨，雅安、眉山、樂山、遂寧、南充、巴中、達州等市出現了大到特大暴雨，累計降水量的兩個強降水中心分別在樂山市和達州市。

圖1 2010年7月14日20時～18日20時西南低渦移動路徑(北京時，下同)

圖2 2010年7月14日20時～18日20時四川省逐日累計降水的空間分布（單位：mm）

由2010年7月14～18日沿兩個降水中心（樂山和達州）的垂直上升速度與假相當位溫隨時間變化的剖面（圖3a、c）可知，低渦經過上述降水中心時垂直速度明顯增強；低渦經過樂山時，垂直速度最大值出現在700hPa附近，向上可以發展到300hPa；低渦經過達州時，垂直速度繼續增強，且對流層中下層假相當位溫隨高度降低，為不穩定層結。17日凌晨，四川地區700hPa比濕場維持高值（>11g·kg?1），850hPa水汽通量輻合中心有兩個，分別位于盆地中部和東北部，正好與本次暴雨過程的兩個強降水中心相對應，水汽通道呈西南-東北向的啞鈴狀結構，水汽供應十分充足（圖3b）。18日凌晨，850hPa水汽輻合中心位于盆地東北部，中心值>14×10?7g·hPa?1·s?1·cm?1，700hPa比濕中心為11g·kg?1，水汽供應仍然十分充沛（圖3d）。

圖3 兩個軌道沿兩個降水中心的垂直速度與假相當位溫的時間垂直剖面（a.樂山，72163軌道；c.達州，72178軌道；陰影表示垂直速度，單位：Pa·s?1；等值線表示假相當位溫，單位：K）以及對應時段平均的850hPa水汽通量散度、700hPa比濕的空間分布（b.72163軌道；d.72178軌道；陰影表示水汽通量散度，單位：10?7g·hPa?1·s?1·cm?1；等值線表示比濕，單位：g·kg?1）

2 結果分析

2.1 降水的紅外和微波亮溫特征

圖4是TRMM衛星上可見光和紅外掃描儀VIRS第五通道的紅外亮溫。如圖所示，7月17日和18日凌晨降水區域的云頂亮溫都比較低，大部分區域在200Tb左右，可見該區域上空分布著大片的云層，并且云頂高度都比較高；其中，72163軌道最低為189Tb，72178軌道最低為205Tb，說明72163比72178軌道云頂高度更高，對流活動更強。

圖4 TRMM/VIRS第五通道紅外亮溫（a.72163軌道，b.72178軌道，單位：Tb）

水平極化分量能最大程度的避免雜波干擾，降低誤碼率。圖5是TRMM衛星上微波成像儀TMI第九通道水平極化方式的微波亮溫。圖6是對流發展階段3.5km高度處降水率的水平分布。如圖所示，圖5中的微波亮溫低值區（<225Tb）與圖6中的降水區對應較好，其中72163軌道亮溫最低值僅為119Tb，72178軌道最低值僅為184Tb，這是因為微波具有較好的穿透性，能穿透沒有降水的云層，微波亮溫值越低，表明降水越強。另外，由于微波成像儀TMI的掃描半徑比PR的要大，借助TMI微波圖像可以拓展PR的探測區域，拼接更大范圍的降水云信息。

圖5 TRMM/TMI第九通道微波亮溫分布（a.72163軌道，b.72178軌道，單位：Tb）

此外，結合圖3和圖6還可以看出：紅外亮溫低值區明顯比降水區覆蓋的范圍更大，這表明在降水云系的外圍還存在一些非降水云系，而這些非降水云系的對流活動同樣活躍，在適當條件的配合下就能進一步轉化為降水云。

圖6 對流發展階段3.5km高度處降水率的水平分布（a.72163軌道，b.72178軌道，單位：mm/h）

2.2 降水類型分類

本文參照TRMM V方法[25]進行降水分類，僅考慮了對流降水和層云降水兩個類型。表1給出了7月16日72163軌道和7月17日72178軌道反演降水中對流和層云降水的各自特征?？梢钥吹?，兩個軌道中對流降水的數量只占層云降水的1/9，但對流降水的平均降水率>10mm·h?1，而層云降水的平均降水率<5mm·h?1，對流降水的平均雨強至少是層云降水的3倍多。從降水范圍看，兩個軌道的降水均以層云降水為主，72163軌道占總面積的66.37%，72178軌道占總面積的75.58%，對流降水只占總降水面積的1/3左右。結合前面的分析，降水系統中心的強上升氣流配合外圍低層西南暖濕氣流的大量輸送形成大范圍層云降水包圍對流降水的結構特征。另外，從對降水總量的貢獻看，兩個軌道的層云降水貢獻率均在90%以上，是對流降水的10倍，說明這兩個時刻的降水系統均處于發展成熟的階段，對流降水已多向層云降水過渡。

表1 兩個軌道對流和層云降水的平均降水量、面降水百分比和降水面積百分比

2.3 降水的水平結構特征

考慮到四川盆地的地理復雜性以及TRMM衛星對地形的訂正，由圖6給出的72163和72178軌道近地面降水的水平分布可知，兩個時刻的降水云系水平尺度均在400km左右，整個云系呈西南-東北走向，屬于典型的中尺度降水系統，分別由多個強雨團和一條主降雨帶組成。如圖6a所示，7月17日凌晨四川盆地大部分地區出現了降雨，盆地中部達到暴雨量級，其降水中心最大降水量為58.57mm·h?1。如圖6b所示，7月17日凌晨四川盆地東北大部出現降雨，雨帶中對流中心數量較上一軌道增多，其最大降水量為55.11mm·h?1，說明該時刻降水系統較前一時刻發展更強。結合圖1可知，暴雨在四川盆地出現的時段和地區與西南低渦的移動路徑基本相符，西南低渦的東移發展是影響四川盆地這次暴雨過程的主要中尺度天氣系統。

2.4 降水的垂直結構特征

圖7為對流發展階段沿圖6 中直線ab和cd的降水垂直剖面。如圖7a所示，該軌道盆地中部降水云團最強降水中心的雨頂高度最高可達17km，最強降水中心可發展至約5km高度，降雨帶中雨頂高度較平整，最高約10km，5km高度存在一條明顯的亮帶[26]，表明雨帶中主要以層云降水為主，與之前降水類型的分析結論一致。如圖7b所示，該軌道的雨頂高度約為10km，整個雨帶中降水普遍偏強，但雨頂的發展高度和降水中心的降水最大強度均小于前一時刻，表明降水系統發展成熟，對流降水逐漸轉為層云降水。

圖7 對流發展階段沿圖6 中直線ab（左）和cd（右）的降水垂直剖面（a、b.72163軌道，c、d.72178軌道，單位：mm/h）

圖8給出了72163和72178軌道降水的三維結構，其中地面降水率的最小閾值為2.0mm·h?1。如圖8a所示，雨帶前部存在多個對流云團，強對流云團呈塔狀結構，云頂高度發展較雨帶高，其云頂發展最高處對應一個近地面強降水中心，說明降水云團中強烈的上升運動與降水的強弱程度有直接關系。如圖8b所示，在降水系統成熟階段，螺旋雨帶結構特征明顯，降水雨帶雨頂高度有所起伏，整體差異小于上一軌道，外圍強對流云團被主雨帶完全合并，整個雨帶范圍較上個軌道更加完整，范圍進一步擴大。

圖8 兩個軌道降水云系的三維結構（a.72163軌道，b.72178軌道，單位：mm/h）

3 結論

本文利用TRMM衛星上多種探測儀器的觀測資料，研究了2010年7月15～18日由西南低渦引發的四川盆地區域性暴雨天氣過程，主要分析了暴雨過程中降水類型、主要特征以及降水云團的三維結構，主要結論如下：

（1）兩個軌道的紅外和微波亮溫均能從側面反映低渦云系降水特征，紅外亮溫值越低代表該云系云頂高度越高，72163軌道的云頂亮溫比72178軌道更低，說明該時刻的對流活動更為旺盛；微波亮溫的低值區與降水區更為吻合；TMI微波圖像可以拓展PR降水探測范圍，拼接更大范圍的低渦降水云信息。

（2）兩個軌道的層云降水貢獻率都超過90%，這是因為降水系統中心的強上升氣流配合外圍低層西南暖濕氣流的大量輸送，形成大范圍層云降水包圍對流降水的結構特征；降水面積不足10%的對流降水貢獻了至少1/4的總降水量，這是因為對流降水的平均雨強比較大，至少是層云降水的3倍多；層云降水的貢獻率較大也說明兩個軌道的降水系統均處于發展成熟階段，成熟的降水系統加上有利的環境條件是造成暴雨天氣的重要因素。

（3）兩個軌道的降水區域均包含一條主降雨帶，并在其中鑲嵌若干對流性降水云團，其中72178軌道比72163軌道的降水系統發展更為成熟，表現為降水水平范圍更大，分散的對流降水云團更多；兩個軌道降水系統的云頂高度均發展得很高，最高為17km，屬于強對流降水系統，其局部最大降水率均出現在2～5km高度，72178軌道的對流云團發展較72163軌道弱，但該軌道上明顯的亮帶結構是層云降水的主要特征；從兩個軌道降水的三維結構圖上，可以更加清晰地看到強對流云團發展高度和雨帶分布，降水凸起的部分呈塔狀結構，即獨立的對流降水云團，而成片雨帶形成多與層云降水有關。