基于FY-4A資料的20210430強對流天氣過程分析

耿曉雯 湯潔 安禮政 夏網萍

摘要 受東北冷渦影響，2021年4月30日傍晚起淮安市中北部地區出現最大直徑為5 cm左右冰雹、12級雷雨大風等強對流天氣。利用MICAPS觀測資料、FY-4A衛星多通道掃描成像輻射計AGRI資料分析此次強對流天氣的初生及發展過程，結果表明：（1）此次強對流天氣過程整層天氣系統呈現前傾結構和“上干下濕”的不穩定層結，利于強對流的觸發；（2）淮安站上空云頂亮溫下降—短暫上升—迅速下降的特征反映了淮安強對流天氣是由不同對流云團造成的；（3）在較強對流天氣發生前的0～1 h內，FY-4A AGRI衛星資料對云團的初生及發展有一定的短臨預警指示作用。

關鍵詞 風云四號A星；多通道掃描成像輻射計；對流初生；強對流天氣

中圖分類號：P458 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）04–0111-03

強對流天氣過程是一種劇烈的氣象現象，經常造成農業、建筑、電力、交通以及人民生命財產的巨大損失，因此，提高對其預報的準確性，可有效避免其給人民生命財產帶來的損失。作為我國最新一代的靜止氣象衛星，FY-4A各方面技術指標都體現了“高、精、尖”特色，處于國際領先地位，可以更有效地對災害性天氣過程進行實時觀測[1-2]。

因此，利用FY-4A AGRI衛星資料分析2021年4月30日淮安地區強對流天氣的初生及發展過程，以期提高強對流天氣預報預警的準確率。

1 強對流天氣過程分析

1.1 天氣實況

受東北冷渦影響，2021年4月30日傍晚開始，淮安市中北部地區出現冰雹、12級雷雨大風等強對流天氣。最大降水量出現在淮陰區漁溝，為13.4 mm。

全市大部分地區出現8～12級陣風，有10個站點最大風速在10級以上，其中，最大短時陣風出現在淮安國家基準氣候站，為36.2 m/s（12級），是有觀測記錄以來的歷史極值第一。

淮安市區、淮陰區、淮安區、漣水等地出現冰雹，最大直徑在5 cm左右。據淮安市應急減災局核定，4月29—30日突發強對流天氣共造成淮安市222人受災，因災死亡1人，農作物受災面積為50 hm2、成災面積為34 hm2；房屋倒塌2間，嚴重損壞30間，一般損壞157間；直接經濟損失545萬元。

1.2 環流形勢

首先，從環流形勢分析此次對流過程的天氣背景。4月30日08：00（圖1），高空500 hPa淮安處于東北冷渦后部，偏北風急流控制，山東省中部有大風速帶。700 hPa和850 hPa切變位于河北的南部，925 hPa切變位于沿淮一帶，700 hPa沿淮淮北有偏北風急流，850 hPa沿淮淮北為西南風急流，整層天氣系統呈現前傾結構。同時，沿淮淮北處于700 hPa和850 hPa暖脊控制，850 hPa有干舌。地面氣旋08：00位于山西東部，隨后向東南方向移動，17：00移至沿淮一帶。4月30日20：00（圖略），500 hPa江蘇處于冷槽前部，沿江以南地區位于分流區，500 hPa、700 hPa、850 hPa均轉為偏北風急流，與925 hPa偏南風大風速帶交匯于江蘇南部。同時，500 hPa江蘇大部地區處于干舌內，而700和850 hPa為顯著濕區，呈現“上干下濕”的不穩定層結。500～850 hPa前傾的天氣系統，上下層較大的溫差，導致斜壓性大，利于觸發此次強對流過程。

2 FY-4A AGRI資料在對流初生預報中的應用

對流初生是指積云從非成熟的晴好天氣狀態演變為成熟積雨云的過程，對CI（convective initiation）的識別主要基于衛星和雷達觀測[3-4]。通常認為當雷達回波大于35 dBz時，考慮對流初生。利用衛星資料通常采用閾值法判別對流初生，利用FY-4A AGRI衛星資料對淮安此次強對流天氣的初生和發展進行分析。

2.1 淮安站FY-4A多通道亮溫變化特征

從淮安單站多要素時間序列圖可以看出（圖2），4月30日16：00淮安站氣溫逐漸下降，17：00氣溫為24.7 ℃，18：00氣溫為17.7 ℃，1 h下降7 ℃。17：00淮安站降水開始，17：38出現36.2 m/s的大風。利用FY-4A AGRI多通道亮溫資料可以分析淮安站附近局地對流的發展特征與天氣現象之間的關系，FY-4A AGRI通道12的中心波長為10.7 μm，該波段位于大氣窗區，對大氣的吸收很弱，在晴空條件下反映地表紅外輻射分布，在有云的條件下，10.7 μm紅外通道無法穿透云層探測地表，主要反映云頂紅外輻射分布[5]。

通道9中心波長為6.5 μm，主要探測對流層中高層的水汽信息，因此，通道9的亮溫通常遠低于通道12。當對流云團向上發展時，通道12的亮溫隨之降低，并逐漸接近通道9。選擇2021年4月30日15：00～22：00 FY-4A AGRI通道9和12亮溫分析對流云團的發展（圖3）。

16：00，FY-4A AGRI通道12亮溫為19.85 ℃，遠高于水汽通道9的亮溫，表明此時淮安站上空對流云頂高度低。17：00，通道12亮溫下降至7.25 ℃，17：15又降至-41.25 ℃，15 min內迅速下降50 ℃左右，與通道9亮溫逐漸接近，表明淮安上空對流云頂已發展至較高的高度，對流急劇發展；18：15通道12亮溫上升，隨后又降至-50 ℃以下。淮安站上空云頂亮溫呈現下降—短暫上升—迅速下降的特征，反映出淮安站的強對流天氣是由不同對流云團造成的。此外，從云頂亮溫變化和對流天氣出現時間的關系可以看出，在局地對流云團云頂亮溫快速下降之后，劇烈的天氣現象才開始出現，表明FY-4A AGRI資料在短臨預警中可以起到一定的指示作用。

2.2 10.7μm通道亮溫

從FY-4A AGRI 10.7 μm通道TBB可以看出（圖4），15：23淮北北部地區有對流云團初生，中心TBB亮溫開始＜-10 ℃，魯南有對流云團向東南方向移動并發展。15：23～15：53，中心TBB亮溫在30 min內迅速下降至-40 ℃以下，隨后繼續發展成超級單體，造成淮安地區的極端大風天氣。16：45，魯蘇交界地區再次有對流云團初生，云團中心TBB亮溫＜-40 ℃，17：15～17：45，沿淮一帶對流云團中心TBB亮溫繼續發展至-70 ℃以下，隨后與北側對流云團逐漸合并向南移動[6]。此次強對流天氣過程，對流云團發展十分迅速，中心亮溫快速降低，低亮溫區域面積也迅速擴大。

2.3 6.5 μm與10.7 μm通道亮溫差

利用6.5 μm和10.7 μm的亮溫差可以描述對流云頂高度與對流層上部的相對位置，同時剔除逆溫層下虛假積云的影響（圖5）。為了對初生的對流進行監測與識別，當6.5 μm與10.7 μm的通道亮溫差在-35～-10 K時，即云頂高度大致發展到850～500 hPa之間時，可以認為對流初生。15：15，6.5 μm與10.7 μm的通道亮溫差達到-40 ℃以上；15：23，2個通道亮溫差縮小至-30 ℃以上；15：30進一步縮小至-20 ℃以上，在15 min內亮溫差值減少20 ℃，達到對流初生指標。16：45，魯蘇交界再次對流初生。

2.4 13.5μm與10.7μm通道亮溫差

通道14的中心波長為13.5 μm，權重函數峰值在700 hPa左右，位于對流層中低層。通道12的中心波長為10.7 μm，該波段位于大氣窗區，對大氣的吸收很弱，晴空條件下主要探測的是地表信息。在有云的條件下，10.7 μm紅外通道無法穿透云層探測地表，因此主要探測云頂信息。當對流發展較為旺盛時，對流云頂一般可發展至平流層的底部，當10.7μm通道的亮溫低于13.5 μm通道時，說明對流云已發展至700 hPa以上，通常13.5 μm與10.7 μm通道的亮溫差在-25～-5 ℃之間時，可以考慮對流初生。

圖6為通道14與通道12的亮溫差，從圖中可以看出，15：15，13.5 μm與10.7 μm的通道亮溫差達到-25 ℃以上；15：23，亮溫差縮小至-15 ℃以上；15：30進一步縮小至-10 ℃以上，在8 min內2通道亮溫差值減少了10 ℃，達到對流初生指標。16：45，魯蘇交界又有對流初生。

綜合各預報指標可以看出，15：23，FY-4A AGRI各通道亮溫資料均可反映出淮北地區對流初生，15：42多普勒雷達基本反射率因子才出現35 dBz以上回波（圖略）。16：34 FY-4A AGRI各通道亮溫資料均可反映出魯蘇交界地區對流初生，16：48多普勒雷達基本反射率因子出現35 dBz以上回波（圖略）。由此可見，在較強對流天氣發生前的0～1 h內，FY-4A AGRI衛星資料對對流天氣的初生及發展有一定的短臨預警指示作用。

3 結論

（1）此次強對流過程發生在東北冷渦影響的天氣背景下，整層天氣系統呈現前傾結構和“上干下濕”的不穩定層結。500～850 hPa前傾的天氣系統，上下層較大的溫差，導致斜壓性大，利于此次過程強對流的觸發。

（2）淮安站上空云頂亮溫呈現下降—短暫上升—迅速下降的特征，反映出淮安大風、冰雹天氣是由不同對流云團影響造成的。此外，局地對流云團云頂亮溫快速下降后，才開始出現劇烈的天氣現象，在較強對流天氣發生前的0～1 h內，FY-4A AGRI衛星資料對對流天氣的初生及發展有一定的短臨預警指示作用。

（3）在利用FY-4A AGRI資料進行對流初生判別時采用了前人的經驗閾值，未來，可增加個例分析選擇出更適合研究區域的閾值設定。同時，可以利用更多的指標對初生對流進行識別。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛

基金項目 淮安市氣象局氣象科研項目（202108）。

作者簡介 耿曉雯（1995—），女，江蘇淮安人，主要從事衛星資料處理及應用研究。

AbstractAffected by the northeast cold vortex， strong convective weather such as hail with the maximum diameter of about 5cm， thunderstorm and gale of magnitude 12 occurred in the central and northern part of Huaian City from the evening of April 30， 2021. The MICAPS observation data and the FY-4A satellite multi-channel scanning imaging radiometer AGRI data are used to analyze the birth and development process of this strong convective weather. The results show that： （1） The whole layer of the weather system of this strong convective weather process presents a forward tilt structure and an unstable stratification of “up dry and down wet”， which was conducive to the triggering of strong convection. （2） The characteristics of cloud-top brightness temperature over Huaian Station， which was decreasing， rising briefly and falling rapidly， reflect that the strong convective weather in Huaian was caused by different convective clouds. （3） Within 0～1 h before the occurrence of strong convective weather， the FY-4A AGRI satellite data had a certain short-term and imminent warning indication for the birth and development of cloud clusters.

Key words Fengyun Ⅳ A star; Multi-channel scanning imaging radiometer; Advection initiation; Severe convective weather