基于FY-4A資料的20210430強(qiáng)對流天氣過程分析

耿曉雯 湯潔 安禮政 夏網(wǎng)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(qū)出現(xiàn)最大直徑為5 cm左右冰雹、12級雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。利用MICAPS觀測資料、FY-4A衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計(jì)AGRI資料分析此次強(qiáng)對流天氣的初生及發(fā)展過程，結(jié)果表明：（1）此次強(qiáng)對流天氣過程整層天氣系統(tǒng)呈現(xiàn)前傾結(jié)構(gòu)和“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)，利于強(qiáng)對流的觸發(fā)；（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(qiáng)對流天氣是由不同對流云團(tuán)造成的；（3）在較強(qiáng)對流天氣發(fā)生前的0～1 h內(nèi)，F(xiàn)Y-4A AGRI衛(wèi)星資料對云團(tuán)的初生及發(fā)展有一定的短臨預(yù)警指示作用。

關(guān)鍵詞 風(fēng)云四號(hào)A星；多通道掃描成像輻射計(jì)；對流初生；強(qiáng)對流天氣

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）04–0111-03

強(qiáng)對流天氣過程是一種劇烈的氣象現(xiàn)象，經(jīng)常造成農(nóng)業(yè)、建筑、電力、交通以及人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失，因此，提高對其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，可有效避免其給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來的損失。作為我國最新一代的靜止氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-4A各方面技術(shù)指標(biāo)都體現(xiàn)了“高、精、尖”特色，處于國際領(lǐng)先地位，可以更有效地對災(zāi)害性天氣過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測[1-2]。

因此，利用FY-4A AGRI衛(wèi)星資料分析2021年4月30日淮安地區(qū)強(qiáng)對流天氣的初生及發(fā)展過程，以期提高強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確率。

1 強(qiáng)對流天氣過程分析

1.1 天氣實(shí)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(qū)出現(xiàn)冰雹、12級雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。最大降水量出現(xiàn)在淮陰區(qū)漁溝，為13.4 mm。

全市大部分地區(qū)出現(xiàn)8～12級陣風(fēng)，有10個(gè)站點(diǎn)最大風(fēng)速在10級以上，其中，最大短時(shí)陣風(fēng)出現(xiàn)在淮安國家基準(zhǔn)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(qū)、淮陰區(qū)、淮安區(qū)、漣水等地出現(xiàn)冰雹，最大直徑在5 cm左右。據(jù)淮安市應(yīng)急減災(zāi)局核定，4月29—30日突發(fā)強(qiáng)對流天氣共造成淮安市222人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡1人，農(nóng)作物受災(zāi)面積為50 hm2、成災(zāi)面積為34 hm2；房屋倒塌2間，嚴(yán)重?fù)p壞30間，一般損壞157間；直接經(jīng)濟(jì)損失545萬元。

1.2 環(huán)流形勢

首先，從環(huán)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(fēng)急流控制，山東省中部有大風(fēng)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(fēng)急流，850 hPa沿淮淮北為西南風(fēng)急流，整層天氣系統(tǒng)呈現(xiàn)前傾結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(dòng)，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(qū)位于分流區(qū)，500 hPa、700 hPa、850 hPa均轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)急流，與925 hPa偏南風(fēng)大風(fēng)速帶交匯于江蘇南部。同時(shí)，500 hPa江蘇大部地區(qū)處于干舌內(nèi)，而700和850 hPa為顯著濕區(qū)，呈現(xiàn)“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)。500～850 hPa前傾的天氣系統(tǒng)，上下層較大的溫差，導(dǎo)致斜壓性大，利于觸發(fā)此次強(qiáng)對流過程。

2 FY-4A AGRI資料在對流初生預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

對流初生是指積云從非成熟的晴好天氣狀態(tài)演變?yōu)槌墒旆e雨云的過程，對CI（convective initiation）的識(shí)別主要基于衛(wèi)星和雷達(dá)觀測[3-4]。通常認(rèn)為當(dāng)雷達(dá)回波大于35 dBz時(shí)，考慮對流初生。利用衛(wèi)星資料通常采用閾值法判別對流初生，利用FY-4A AGRI衛(wèi)星資料對淮安此次強(qiáng)對流天氣的初生和發(fā)展進(jìn)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(shí)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(xiàn)36.2 m/s的大風(fēng)。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(fā)展特征與天氣現(xiàn)象之間的關(guān)系，F(xiàn)Y-4A AGRI通道12的中心波長為10.7 μm，該波段位于大氣窗區(qū)，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(yuǎn)低于通道12。當(dāng)對流云團(tuán)向上發(fā)展時(shí)，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(tuán)的發(fā)展（圖3）。

16：00，F(xiàn)Y-4A AGRI通道12亮溫為19.85 ℃，遠(yuǎn)高于水汽通道9的亮溫，表明此時(shí)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(nèi)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(fā)展至較高的高度，對流急劇發(fā)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(xiàn)下降—短暫上升—迅速下降的特征，反映出淮安站的強(qiáng)對流天氣是由不同對流云團(tuán)造成的。此外，從云頂亮溫變化和對流天氣出現(xiàn)時(shí)間的關(guān)系可以看出，在局地對流云團(tuán)云頂亮溫快速下降之后，劇烈的天氣現(xiàn)象才開始出現(xiàn)，表明FY-4A AGRI資料在短臨預(yù)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(qū)有對流云團(tuán)初生，中心TBB亮溫開始＜-10 ℃，魯南有對流云團(tuán)向東南方向移動(dòng)并發(fā)展。15：23～15：53，中心TBB亮溫在30 min內(nèi)迅速下降至-40 ℃以下，隨后繼續(xù)發(fā)展成超級單體，造成淮安地區(qū)的極端大風(fēng)天氣。16：45，魯蘇交界地區(qū)再次有對流云團(tuán)初生，云團(tuán)中心TBB亮溫＜-40 ℃，17：15～17：45，沿淮一帶對流云團(tuán)中心TBB亮溫繼續(xù)發(fā)展至-70 ℃以下，隨后與北側(cè)對流云團(tuán)逐漸合并向南移動(dòng)[6]。此次強(qiáng)對流天氣過程，對流云團(tuán)發(fā)展十分迅速，中心亮溫快速降低，低亮溫區(qū)域面積也迅速擴(kuò)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(shí)剔除逆溫層下虛假積云的影響（圖5）。為了對初生的對流進(jìn)行監(jiān)測與識(shí)別，當(dāng)6.5 μm與10.7 μm的通道亮溫差在-35～-10 K時(shí)，即云頂高度大致發(fā)展到850～500 hPa之間時(shí)，可以認(rèn)為對流初生。15：15，6.5 μm與10.7 μm的通道亮溫差達(dá)到-40 ℃以上；15：23，2個(gè)通道亮溫差縮小至-30 ℃以上；15：30進(jìn)一步縮小至-20 ℃以上，在15 min內(nèi)亮溫差值減少20 ℃，達(dá)到對流初生指標(biāo)。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(quán)重函數(shù)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(qū)，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(dāng)對流發(fā)展較為旺盛時(shí)，對流云頂一般可發(fā)展至平流層的底部，當(dāng)10.7μm通道的亮溫低于13.5 μm通道時(shí)，說明對流云已發(fā)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(shí)，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(dá)到-25 ℃以上；15：23，亮溫差縮小至-15 ℃以上；15：30進(jìn)一步縮小至-10 ℃以上，在8 min內(nèi)2通道亮溫差值減少了10 ℃，達(dá)到對流初生指標(biāo)。16：45，魯蘇交界又有對流初生。

綜合各預(yù)報(bào)指標(biāo)可以看出，15：23，F(xiàn)Y-4A AGRI各通道亮溫資料均可反映出淮北地區(qū)對流初生，15：42多普勒雷達(dá)基本反射率因子才出現(xiàn)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(qū)對流初生，16：48多普勒雷達(dá)基本反射率因子出現(xiàn)35 dBz以上回波（圖略）。由此可見，在較強(qiáng)對流天氣發(fā)生前的0～1 h內(nèi)，F(xiàn)Y-4A AGRI衛(wèi)星資料對對流天氣的初生及發(fā)展有一定的短臨預(yù)警指示作用。

3 結(jié)論

（1）此次強(qiáng)對流過程發(fā)生在東北冷渦影響的天氣背景下，整層天氣系統(tǒng)呈現(xiàn)前傾結(jié)構(gòu)和“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)。500～850 hPa前傾的天氣系統(tǒng)，上下層較大的溫差，導(dǎo)致斜壓性大，利于此次過程強(qiáng)對流的觸發(fā)。

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

（3）在利用FY-4A AGRI資料進(jìn)行對流初生判別時(shí)采用了前人的經(jīng)驗(yàn)閾值，未來，可增加個(gè)例分析選擇出更適合研究區(qū)域的閾值設(shè)定。同時(shí)，可以利用更多的指標(biāo)對初生對流進(jìn)行識(shí)別。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭巍，崔林麗，顧問，等.基于葵花8衛(wèi)星的上海市夏季對流初生預(yù)報(bào)研究[J].氣象，2018，44（9）：115-122.

[2] 燕亞菲，談建國，崔林麗，等.利用葵花8號(hào)（Himawari-8）高時(shí)空分辨率的紅外亮溫資料估計(jì)臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂的短時(shí)強(qiáng)降水及其演變[J].氣象， 2019，45（3）：318-329.

[3] 張夕迪，孫軍.葵花8號(hào)衛(wèi)星在暴雨對流云團(tuán)監(jiān)測中的應(yīng)用分析[J].氣象， 2018， 44（10）：3-12.

[4] 張景，周玉淑，沈新勇，等.2016年“7·19”

京津冀極端降水系統(tǒng)的動(dòng)熱力結(jié)構(gòu)及不穩(wěn)定條件分析[J].大氣科學(xué)，2019，43 （4）：930-942.

[5] 周鑫，劉杰，王新敏，等.“云雀”殘渦影響下豫西南一次大暴雨過程特征分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2020，43（3）：93-100.

[6] Mecikalski J R， Bedka K M. Forecasting convective initiation by monitoring the evolution of moving cumulus in daytime GOES imagery[J]. Monthly Weather Review， 2006， 134（1）： 49-78.

責(zé)任編輯：黃艷飛

基金項(xiàng)目 淮安市氣象局氣象科研項(xiàng)目（202108）。

作者簡介 耿曉雯（1995—），女，江蘇淮安人，主要從事衛(wèi)星資料處理及應(yīng)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