風云氣象衛星寒潮災害天氣監測應用

文|牛寧 任素玲 夏揚 楊冰韻

1.中國氣象局干部培訓學院

2.國家衛星氣象中心/國家空間天氣監測預警中心

3.許健民氣象衛星創新中心

4.中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室

一、引言

近年來，風云衛星綜合探測技術顯著提升[1-4]，FY-3/VASS 大氣溫度計、FY-3E 風場測量雷達、FY-4B 快速掃描儀和FY-4A/GIIRS 都是風云系列衛星搭載的具有代表性的探測儀器并在氣象災害監測中發揮重要作用[5-8]。FY-3/VASS 大氣溫濕度廓線反演產品基于紅外高光譜探測儀（HIRAS）和其上搭載的兩臺微波探測儀（溫度計和濕度計），借助微波探測儀的穿透性，提高和改善非降水云云下大氣廓線的反演精度，FY-3/VASS 大氣溫濕度廓線產品空間分辨率為4km，每顆衛星可全天2 次獲得全球大氣溫濕三維結構信息。FY-3E 搭載的風場測量雷達（WindRAD）是我國風云系列氣象衛星的第一個主動遙感儀器，在國際上首次實現雙頻雙極化洋面風場主動探測。風場測量雷達采用先進的扇形波束圓錐掃描體制，觀測幅寬超過1200km，最小可檢測風速優于3m/s 的風場。FY-4A/GIIRS 為國際上首個靜止軌道干涉式垂直探測儀器，在長波紅外和中波紅外波段實現1650 個細分光譜通道，光譜分辨率為0.625 波數，根據大氣紅外輻射傳輸原理，經數值計算可以獲得溫度等參數的垂直分布。FY-4B 氣象衛星新載荷快速成像儀首次實現靜止軌道250m 空間分辨率、1 分鐘頻次2000km×1800km區域的連續靈活觀測，夜間紅外通道觀測分辨率為2km，為預報員提供高時效的觀測資料，與成像儀形成優勢互補。高頻次的地氣目標觀測數據可有效監測極端天氣發展，對提高氣象業務服務能力起到重要作用。

2023 年1 月23—25 日，我國中東部地區受到強冷空氣的影響，東北、華北、黃淮等地出現寒潮天氣，其中山東半島氣溫下降明顯，最低氣溫低于-15℃，強冷空氣經渤海海面南下時遇到了海面上的暖濕空氣，造成降雪云系發展，出現明顯的“冷流降雪”。受本次寒潮天氣影響，山東半島出現大范圍降雪，局部地區達大到暴雪。由于處于春節期間，暴雪天氣造成嚴重影響。風云衛星在此次寒潮災害天氣監測服務中發揮了重要的作用，有效監測了寒潮中的冷空氣溫度、雨雪及海上大風等。應用FY-3 和FY-4 衛星對大氣溫度的三維探測，特別是FY-3 衛星對極區的觀測在預報實效內監測極渦活動引發的冷空氣南下對此次寒潮影響。FY-4A/GIIRS 和FY-4B 聯合觀測可實現1h/次的中國及周邊三維大氣溫度觀測，對此次寒潮及其造成的雨雪天氣實現短時臨近監測服務。冷空氣入海經常造成海上大風，影響海上生產和海上交通，也是本次寒潮預報服務的重要內容。WindRAD 是我國風云系列氣象衛星的第一個主動遙感儀器，在國際上首次實現雙頻雙極化洋面風場主動探測，形成2 次/天的海上風速和風向觀測，經過精度檢驗，洋面風產品風速精度優于2m/s，風向精度優于25°，因此能夠滿足此次寒潮引發的海上大風監測預警服務業務需求。

二、風云氣象衛星監測寒潮演變過程

1. 風云氣象衛星監測寒潮冷空氣演變特征

FY-3 極軌氣象衛星高緯度極區的覆蓋頻次更高，具有明顯的探測優勢，我國寒潮的爆發和極地渦旋（極渦）的活動關系密切，利用FY-3 大氣溫度產品對極渦活動伴隨的冷空氣活動開展監測。2023 年1月24—25 日山東半島冷流降雪和東部海區的海上大風發生之前，歐亞大陸東北部極區附近表現出異常的冷空氣活動，據圖1 所示，1 月19 日平均850hPa溫度顯示，極渦偏向東半球，歐亞大陸東北部最低溫度達-40℃左右，比歷史同期偏低-16℃左右。

圖1 FY-3D 氣象衛星監測2023 年1 月19 日北極850hPa 溫度

隨著極區冷空氣向南推進，FY-4A 和FY-4B雙星聯合應用，可實現1h 高時間頻次的三維大氣溫度監測，實時監測溫度的日變化特征及其由此引發的雨雪相態的快速轉換，為預警服務提供更高時效的監測信息。冷空氣影響我國中東部時，FY-4 監測顯示1 月24 日10:00（北京時）850hPa 氣壓層的0℃線已經南推至華南北部，山東半島溫度850hPa為-20℃左右，較1 月19 日的0℃急劇降低，過程降溫達20℃左右， 1 月25 日10:00 山東半島上空850hPa 溫度開始回升，冷空氣主體東移（圖2）。

圖2 FY-4A/GIIRS 氣象衛星監測850hPa 溫度

2. 風云氣象衛星監測冷空氣造成的海上大風

寒潮冷空氣東移入海后常常造成海上大風，影響海上生產和交通。FY-3E 新搭載的風場測量雷達反演洋面風產品可有效觀測冷空氣入海引發的海上大風。據圖3 所示，洋面風監測顯示： 2023 年1 月24 日06:00，受冷空氣影響，我國東部海域出現大范圍的偏北大風，其中渤海和黃海海域風速達7-8 級，東海上空風速最大達到9 級左右；1 月25日05:40，受冷空氣東移南下影響，我國近海的渤海、黃海和東海中北部洋面風風速明顯減弱，渤海海域轉為偏西風風速3-5 級，黃海和東海中北部洋面風速為3-6 級，臺灣海峽、南海東北部洋面風速依然較大，為7-9 級。

圖3 FY-3E 風場測量雷達監測東部海區海上大風

3. 風云氣象衛星監測細胞狀積云及降雪云系

冬季，當冷鋒后面來自中高緯度陸地的干冷空氣進入洋面，受到暖海面加熱、加濕的影響，在衛星云圖就經常能在我國東部的渤海、黃海和東海地區觀測到大范圍的細胞狀云系。細胞云的排列方向和低層的風向基本一致。海上這種細胞狀云系涌向陸地則會造成大到暴雪天氣，我國山東半島北側的威海、煙臺和蓬萊等地時常受到渤海和黃海北部的細胞狀云系的侵襲，出現暴雪或大暴雪。受冬季冷空氣形成的海上細胞狀云系的影響，日本北部也時常出現類似的冷流引發的暴雪天氣。

受本次寒潮影響，FY-4B/GHI 1 分鐘250m 分辨率的云圖監測顯示（圖4）：2023 年1 月24 日14:11，渤海、黃海、東海和南海上空出現大范圍排列整齊的細胞狀積云,云系的排列呈準南北走向，和洋面偏北風一致，渤海海域的細胞狀積云在洋面偏北大風的影響下涌向山東半島；1 月25 日14:11隨著冷空氣東移南下，渤海、黃海北部細胞狀積云消散，風速減弱后，和24 日相比黃海和東海海域積云排列變得不清晰。

圖4 FY-4B/GHI 監測海上細胞狀積云

4. 風云衛星監測積雪覆蓋

本次寒潮過程中，渤海海域細胞狀云系在強偏北風的影響下涌向山東半島，造成大到暴雪天氣。FY-3D 氣象衛星真彩色圖像監測了本次冷流降雪發生前后山東半島積雪覆蓋特征（圖5）：2023 年1 月20 日降雪發生前山東半島無積雪覆蓋，1 月25 日出現大范圍的積雪覆蓋，特別是山東半島的中北部積雪覆蓋度更高，部分地區積雪覆蓋的走向呈準南—北方向，和積云的排列方向一致。

圖5 FY-3D 真彩色圖像監測降雪前后山東半島積雪覆蓋

三、總結與展望

本文應用FY-3/VASS 大氣溫度反演產品、FY-4A/GIIRS 溫度數據、FY-3E 風場測量雷達洋面風產品和FY-4B/GHI(快掃)圖像監測分析了2023 年1 月24—25 日發生在我國山東半島及周邊海區的寒潮、海上大風和冷流降雪天氣，為此次寒潮天氣預報和服務提供了有力支撐, 結論如下：

1）FY-3D/VASS 溫度數據和FY-4A/GIIRS 溫度數據監測極區和東亞中高緯低層冷空氣的移動特征，從而進一步監測寒潮天氣向南移動的發展特征。

2）FY-3E 風場測量雷達洋面風產品監測我國東部海區的海上大風天氣，1 月24 日東海上空海上大風量級最大，1 月25 日除了臺灣南部南海部分海區外其他區域海上大風強度有所降低。

3）FY-4B/GHI 圖像監測海上細胞狀積云分布，從而預報海洋系統影響山東半島并引發冷流降雪天氣。

4）FY-3D 真彩色圖像監測冷流降雪前后山東半島積雪覆蓋特征。山東半島在冷流降雪發生前是明顯的晴空區分布，冷流降雪發生后能夠清晰監測到降雪覆蓋區域。

寒潮災害性天氣監測預警服務中，風云極軌和靜止氣象衛星綜合應用，可實現對大氣溫度、降水云系（雨雪）、地表積雪和大風等多要素監測。發揮風云極軌氣象衛星全球覆蓋極區觀測優勢，在更長預報服務時效內開展冷空氣活動早期監測；發揮風云靜止氣象衛星高時間分辨率優勢，對寒潮活動過程中冷空氣日變化和推進過程、降水云系快速演變、雨雪相態轉換可形成臨近精細化監測服務。同時，風云氣象衛星多星聯合應用對積雪變化開展災害影響評估，而FY-3E 洋面風的監測更是有效彌補了海上風場實況常規觀測的匱乏。未來，隨著風云氣象衛星發展，今年4 月發射的風云三號傾斜軌道降水測量衛星和即將發射的風云四號微波星，對寒潮降水云系可形成垂直探測能力，將能進一步提升我國風云氣象衛星在寒潮災害中的監測預警能力,對我國其他類型的災害性天氣氣候事件也必將提供更多的觀測信息。