風云地球平臺在湖南南部一次暴雨天氣過程的應用

文 | 李婷 戴勁 何寧 翟子豪

1.邵陽市綏寧縣氣象局 2.湖南省湘潭市氣象局 3.郴州市氣象局

一、引言

暴雨是我國重要的災害性天氣之一，對暴雨進行準確的預報，無論是形成機理還是預報預警方法都有了較好的研究[1-2]，暴雨天氣過程由于其分布及尺度變化的不均勻性，一般的方法難以對其進行多方位全面觀測，衛星遙感監測成為天氣監測的重要手段[3-5]。我國風云氣象衛星已有近50年的發展，所發射的極軌衛星和靜止衛星可以很好地實現光學成像、多光譜探測等功能[6-8]，目前基層氣象部門在災害性天氣過程的預報預警服務工作中比較依賴天氣雷達回波產品，較少結合氣象衛星產品高時間分辨率、空間分辨率等優勢進行運用。風云地球平臺于2022年6月投入湖南省業務試運行，是以我國風云氣象衛星為基礎，集成云圖、要素和事件、災害性天氣、氣候和模式檢驗五大模塊展示最新風云云圖以及云相態、大氣溫度、強對流檢測等產品數據，針對臺風、強對流、暴雨等災害性天氣進行應用，平臺以預報員需求為引導，為精細化天氣監測預警起到了一定的支撐作用。本文利用風云地球平臺衛星監測及其相應的產品對湖南省2023年10月19日的一次受臺風“三巴”及冷空氣共同影響對湖南南部地區產生的暴雨過程進行診斷分析。

二、過程概況

風云地球平臺災害性天氣臺風模塊可對臺風路徑及強度進行監測。2023年10月17日，臺風“三巴”于南海西北部形成并向北偏西前進，10月18日加強為熱帶風暴級，10月19日上午在海南省東方市沿海登陸，夜間加強為強熱帶風暴級，中心位置（108.5°E，19.0°N），最大風速20.0m/s，中心低氣壓998.0hPa（圖1），于10月20日上午9時前后在廣東省遂溪縣沿海再次登陸，減弱后的熱帶低壓于同日晚間19時40分許在海南省臨高縣第三次登陸，于當晚23時被中央氣象臺停止編號。受“三巴”臺風外圍及北部南下冷空氣共同影響，10月19日08時至10月20日08時，湖南南部地區出現大到暴雨，其中永州雙牌縣、郴州蘇仙區局地大暴雨，最大降水量為雙牌縣陽明山站109.7mm。本次主要利用風云地球平臺對臺風“三巴”第一次登陸做具體分析。

圖1 2023年10月19日07時風云地球衛星云圖疊加臺風路徑圖

1.衛星云圖監測

（1）FY-4A 可見光云圖分析

風云地球平臺云圖模塊可提供風云四號A星（FY-4A）、風云四號B星（FY-4B）可見光、紅外、真彩云圖，FY-4A可見光云圖影像時間分辨率為5min，空間分辨率500m，利用其高時間分辨率及空間分辨率特性可清晰并且快捷地對臺風進行有效監測。2023年10月17日（圖2a），在臺風發生初期可明顯看出南海西北部開始有不對稱高亮渦旋云系生成，不斷發展并逐漸向西北部前進，18日繼續發展，于10月19日09時（圖2b）在海南省東方市沿海登陸，臺風東北部云團發展旺盛，外圍影響湖南南面地區。同時北面冷空氣云系在19日逐漸與臺風帶云系交匯，共同作用下形成一條交匯對流云帶，呈東西走向維持在湖南南部地區，持續發生強對流過程，20日過程趨于結束。

圖2 FY-4A可見光云圖

（2）FY-4A真彩色云圖分析

FY-4A真彩色影像彌補可見光夜間觀測短板，19日白天臺風已登陸持續北上并逐漸與冷空氣交匯，至20時（圖3a）臺風外圍影響整個湖南地區，與冷空氣共同作用使湖南南部出現一條白亮的對流云帶，此時在永州、郴州、衡陽、株洲等地區發生強對流天氣，22時后（圖3b）臺風逐漸減弱。

圖3 FY-4A真彩色云圖

2.天氣過程分析

風云地球云圖環流形勢模塊提供不同高度環流形勢場產品，10月17日08時200hPa大陸北部有兩個高壓系統形成橫向低槽，共同作用下產生南下冷空氣，500hPa南海出現渦旋狀氣流，臺風“三巴”受副高內部引導氣流影響向西北方向移動，西南水汽向湖南一帶輸送，為暴雨過程提供了充分的水汽條件；10月19日20時（圖4a），200hPa高空大陸西北冷空氣增強并南壓，臺風“三巴”已登入大陸，臺風外圍云系向內陸延伸，500hPa（圖4b）低空風場臺風外圍與西北冷空氣交匯，產生一條自西向東急流帶，湖南南部永州、衡陽、郴州、株洲等地受影響并發生降雨過程。

圖4 風云地球云圖環流形勢圖

3.災害性天氣監測分析

（1）臺風環境流場分析

風云地球平臺災害性天氣模塊中臺風大尺度環流場，云圖疊加了GFS逐6h流場、散度場和風場預報，可以有效預測臺風流場變化對臺風發展趨勢有一定的指示作用，分析2023年10月19日20時200hPa高層散度（圖5a）場及850hPa低層散度（圖5b）場，高層輻散低層輻合配置加快了暖空氣的抬升，有利于對流發展，結合500hPa流場圖（圖5c）可看出“三巴”臺風所產生的急流與大陸冷空氣急流交匯形成西東向急流帶，風切變數據（圖5d）側面表明臺風發展趨勢，大陸冷空氣發展不利于臺風北上，與大陸冷空氣交匯后冷空氣將逐漸阻止臺風的北移。

圖5 2023年10月19日20時臺風“三巴”環境流場

（2）KI值分析

不穩定能量（KI）是對流所產生的必要條件之一，根據風云地球平臺災害性天氣能量指數模塊風云三號E星（FY-3E）VASS KI指數產品（圖6）數據，2023年10月18日（圖6a）不穩定能量主要在洋面波動，隨著影響系統向北運動，在19日（圖6b）不穩定在湖南南部增強，指數達36K，為對流過程提供不穩定能量條件。

圖6 FY-3E VASS KI指數

（3）強對流監測分析

利用風云地球平臺初生對流監測產品分析，在此次過程中，2023年10月19日12時開始有初生對流在湖南西南部產生，隨著臺風的移動結合對流監測產品，至20時（圖7）發展為最強階段，成一條東西走向的對流帶，最強對流亮溫小于-70℃，影響邵陽、婁底和湘潭地區。

圖7 2023年10月19日20時強對流監測

4.單要素分析

（1）云相態分析

云相態是云的熱力學狀態，一般分為液態和固態，云相態的變化一定程度上也代表了輻射系統收支平衡和天氣系統的演變過程[9]，風云地球平臺要素和事件云參數模塊將云相態分為暖水云、過冷水云、混合云、冰云四種，可以更加精細準確地判斷云相態的細微變化。2023年10月17日08時（圖8a），臺風位于洋面產生運動，冷高壓影響中國北部地區，湖南地區北部有少量暖水云以晴天為主，至2023年10月18日20時（圖8b）湖南南面有冰云出現，覆蓋永州、郴州、衡陽、株洲并逐漸北移，此時永州、郴州、衡陽、株洲開始產生陣雨。10月19日08時（圖8c）臺風逐漸登陸，湖南北面同時受北方冷空氣影響，此時上空覆蓋暖水云，中南部被冰云覆蓋，永州、郴州、衡陽開始產生混合云，云相態的轉變同樣顯示了正在發生的對流天氣運動，降水持續，至10月19日20時（圖8d）過程穩定發展，云相態顯示出明顯分層，湖南北部轉化為過冷水云，中部被冰云覆蓋，南部被混合云覆蓋，降水加強，強對流天氣主要發生在湖南南部地區。

圖8 2023年10月17-19日湖南地區云相態演變

（2）大氣溫度分析

過程的發生往往伴隨著大氣溫度的變化，風云地球平臺要素和事件溫度模塊提供溫度分層、變溫分層等產品，可從多尺度對大氣溫度進行分析，根據平臺大氣溫度分布數據可明顯看出10月19日22時（圖9a）從高層至地面均有溫度分層帶，而高層的冷暖分界范圍明顯大于低層，高層暖氣團較為集中，24小時變溫（圖9b）也可看出整體氣溫變化的不穩定，中高層產生明顯正負變溫分界線。直觀展示臺風所帶來的濕暖氣流與北面冷空氣相交匯，加劇當地不穩定性產生對流性降水過程。

圖9 2023年10月19日湖南大氣溫度

三、結論

本次利用風云地球平臺各模塊產品數據對湖南南部的一次受臺風和冷空氣共同影響的暴雨過程進行了分析，為精細化天氣監測預警起到了一定的支撐作用，具體結論如下。

1）結合風云地球平臺云圖、環流形勢及災害性天氣臺風模塊分析此次過程發展趨勢，過程主要受臺風“三巴”與冷空氣共同影響，臺風“三巴”于2023年10月17日在南海西北部形成并向北偏西前進，并在副高影響下不斷帶動暖濕氣流向大陸移動，冷空氣逐漸南下，二者最終交匯使湖南南部產生暴雨天氣。

2）結合風云地球平臺災害性天氣臺風環境場、能量指數模塊分析過程產生條件，2023年10月19日高空輻散低空輻合的配置有利于強對流發展，加快暖空氣的抬升，為暴雨提供有利動力條件；KI指數顯示在19日湖南地區達到最強，提供了不穩定能量條件；過程發生時對流自南向北影響湖南，對流亮溫在29日20時達到最低為小于-70℃，可及時監測對流移動方向及影響區域。

3） 結合風云地球平臺要素和事件模塊分析過程進行時不同要素的轉變實現過程可視化，湖南南部上空云相態變化為過冷水云-冰云-混合云，湖南南部大氣氣溫變化從高空至低空均有不同程度溫度分界線，24h內產生明顯變溫變化，直觀展現冷暖氣團在湖南南部上空交匯加劇當地不穩定性出現對流性降水過程。