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  暴雨灾害   2020, Vol. 39 Issue (3): 300-305.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2020.03.011

短论

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2020.03.011

资助项目

湖北省气象局科技基金项目(2020Y02);中国气象局卫星应用专项(FY-4(01)-UDS-1.1.7);中国气象局公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306011)

第一作者

张萍萍, 主要从事短期暴雨及极端降水天气预报分析研究。E-mail:zpp7117@126.com.

文章历史

收稿日期:2018-01-25
定稿日期:2019-03-15
一次极端短时强降水过程中FY-3微波湿度计观测特征分析
张萍萍 , 徐双柱 , 董良鹏 , 张蒙蒙     
武汉中心气象台, 武汉 430074
摘要:利用FY-3微波湿度计资料和常规观测资料,对2016年贵州至湖北一次强降水事件中极端短时强降水站点、一般性短时强降水站点上空对流云的微波观测特征进行了对比分析。结果表明:(1)极端短时强降水站点上空150 GHz附近窗区探测通道亮温低于一般性短时降水站点。(2)极端短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布呈现漏斗状,对干侵入有一定指示作用,亮温最低值出现在183.31±7 GHz附近,主要为暖云降水;一般性短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布则呈竖条形,亮温最低值出现在183.31±3 GHz和183.31±7 GHz探测通道附近,为冷云暖云混合降水。(3)极端短时强降水站点上空未出现冲顶对流,但低层对流发展旺盛;一般性短时强降水站点上空出现冲顶对流,但低层对流发展强度偏弱。
关键词FY-3微波湿度计    极端短时强降水    冲顶对流    干侵入    
Analysis of observation characteristic of FY-3 microwave hygrometer during an extreme short-term heavy precipitation process
ZHANG Pingping , XU shuangzhu , DONG Liangpeng , ZHANG Mengmeng     
Wuhan Central Meteorological Observatory, Wuhan 430074
Abstract: Based on data of FY-3 satellite microwave hygrometer and conventional observation, microwave observational characteristics of convective clouds during a heavy precipitation event from Giuzhou to Hubei province in 2016 were analyzed. The results show that (1) The brightness temperature at the window channel near 150 GHz over an extreme short-term heavy rainfall station is lower than that of the non-extreme short-term heavy rainfall station. (2) The brightness temperature vertical distribution at water vapor absorption channel is fun-nel-shaped over the extreme short-term heavy rainfall station, which is a certain indication of dry invasion. The lowest brightness tempera-ture occurs near 183.31±7 GHz, indicating warm cloud precipitation. However, the brightness temperature vertical distribution at water va-por absorption channel is vertical-bar shaped over the non-extreme short-term heavy rainfall station. The lowest brightness temperature oc-curs near 183.31±3 GHz and 183.31±7 GHz, indicating precipitation of mixed cold and warm clouds. (3) There is no topping convection over extreme short-term heavy rainfall stations, but the low-level convection develops vigorously. Top-rushing convection appears over non-extreme short-term heavy rainfall stations, but the intensity of low-level convection is weak.
Key words: FY-3 microwave hygrometer    extreme short-term heavy rainfall    flush convection    dry intrusion    
引言

FY-3系列气象卫星作为中国新一代极轨气象卫星,目前已成功发射四颗卫星(FY-3A、FY-3B、FY-3C、FY-3D),分别于2008年5月、2010年11月、2013年9月、2017年11月发射成功。由于FY-3气象卫星能够获取地球大气环境的三维、全球、全天候、定量和高精度资料,在天气、气候、环境等领域有巨大的应用前景(杨军等,2009张鹏等,2012范天锡,2002杨忠东等,2013)。FY-3上携带了多种探测仪器,其中微波湿度计具有全天候获取全球大气水汽垂直分布信息的能力,微波通道对云中的水滴和冰晶粒子非常敏感,能够获取与台风、暴雨、强对流天气现象密切相关的云雨信息,因此在灾害性天气监测预警中综合利用FY-3微波湿度计资料是尤为重要。

近几年来,FY-3微波湿度计产品在灾害性天气监测和预警中的应用逐步开展。钟儒祥(2010)分析了短时暴雨发生过程中FY-3微波湿度计各通道亮温的阈值特征;龙利民(2010)利用FY-3微波湿度计产品对一次特大暴雨云团中深对流区和冲顶对流区进行了判别,提出了判别依据;崔林丽(2012)利用多元线性回归法,设计了FY-3微波湿度计通道亮温数据与定量降水之间的关系;高大伟(2014)利用FY-3微波湿度计数据实现了微波水汽三维可视化,通过不同层次亮温的变化判断出台风和梅雨期暴雨垂直方向上的对流发展情况;米洁(2014)设计了FY-3微波湿度计资料的循环同化双星资料方案,模拟的降水落区更加接近实况;徐双柱(2015)将FY-2产品与FY-3微波湿度计产品进行融合,利用配料法建立了湖北省短时暴雨定量预报模型。但这些应用研究显然还不够,尤其是在极端天气事件和极端短时强降水的分析和预报中更为少见。

极端天气事件是指某一区域内少发或若干年一遇的事件(高涛等,2014)。短时强降水指在短时间内出现的很强的降水事件,在我国天气预报业务中,一般将1 h雨量大于等于20 mm或3 h雨量在50 mm以上的降水称之为短时强降水(孟丽霞和许东蓓,2017孙继松等,2017),其具有一定的突发性和破坏性。极端短时强降水则是指1 h雨量大于等于50 mm,或3 h雨量大于等于100 mm的降水(王丛梅等,2018),具有瞬间雨强大、破坏性极强的特点。对于未达到极端短时强降水强度的短时强降水,本文称之为一般性短时强降水。近几年来针对极端短时强降水的分析研究逐渐增多。俞小鼎(2013)利用雷达和探空资料分析指出,绝大多数极端短时强降水是由深厚湿对流产生;王丛梅(2015)利用NCEP再分析资料和雷达资料对2013年7月1日河北极端短时强降水成因进行了分析,指出这次极端短时强降水的对流系统属于不常见的高质心大陆强对流型;张家国(2018)利用FY-2卫星雷达资料,对长江中下游地区极端短时强降水过程天气系统进行了分型研究。这些研究多采用常规观测资料、雷达资料和FY-2卫星资料进行。

FY-2卫星属于静止卫星,由于其时间分辨率上的优势,目前已在暴雨预报中得到了广泛应用,但由于FY-2可见光、红外通道对云没有穿透性,只能获取云顶信息,很难将强对流云团从卷云特别是密实的厚卷云中完全分离出来,因此其在极端短时强降水监测和预报方面还存在一定的缺陷。FY-3极轨卫星具有光谱范围广、探测通道多、空间分辨率高等优点,其中FY-3微波湿度计观测能够穿透云层表层,探测到云内结构,为极端短时强降水监测和预报提供了更多可用的信息。如何更好地利用FY-3微波湿度计观测资料来弥补FY-2卫星资料在强降水云团监测中的不足,使其在极端性天气事件监测中发挥更好的作用,是目前亟待解决的一个问题。本文利用FY-3微波湿度计观测资料,结合FY-2红外云图资料以及其它常规观测资料,对2016年6月30日—7月1日出现在湖北的一次极端降水事件进行分析,通过对比分析极端短时强降水与一般性短时强降水站点上空微波湿度计观测特征,来揭示FY-3微波湿度计资料在极端短时强降水监测和预报中的作用,以期为极端降水事件的预报预警服务提供更有用的参考依据。

1 过程概况及研究方法

2016年6月30日—7月1日,湖北省出现了一次罕见的极端天气事件。从图 1a给出2016年6月30日08时—7月2日08时(北京时,下同)大于等于50 mm的雨量分布图可知,该时段湖北出现了梅雨期最强的一次大范围大暴雨、局地特大暴雨过程。强降水从6月30日15时开始,7月2日08时基本结束,有156个区域站累积雨量超250 mm,最大雨量达到796.1 mm (红安天台山),有37个国家基本站累积雨量超过100 mm,其中荆门、麻城6月30日24 h雨量突破建国以来历史极值。从图 1b给出的7月1日02时FY-2红外云图可知,湖北省和贵州省附近有两条明显的对流云带,湖北省对流云带中心亮温为199.15 K,而贵州省附近对流云带中心亮温为197.12 K,根据红外云顶亮温,认为两条云带中的对流云团均发展旺盛,均可能产生较明显的短时强降水。但从图 1c给出的钟祥、白云站逐1 h雨量序列可知,两条对流云带产生的短时强降水强度显著不同,其中湖北省钟祥站出现了极端短时强降水,1 h最大雨量达到55 mm,7月1日02—08时6 h雨量达111 mm;而贵州省对流云带产生的短时强降水强度远小于湖北省,以短时强降水最强的白云站为例,1 h最大雨量仅有26.8 mm。显然,在这次降水过程中,FY-2红外云图产品对对流云的监测和短时强降水预报具有一定的局限性。

图 1 2016年6月30日08时—7月2日08时大于等于50 mm的雨量分布(a, 单位: mm)、7月1日02时FY-2红外云图(b, 单位: K)及钟祥、白云站7月1日00—08时逐小时雨量序列图(c, 单位: mm) (图a、b中五角星代表钟祥站, 三角形表示白云站, 下同) Fig. 1 (a) Observed accumulated precipitation (unit: mm) greater than 50 mm from 08:00 BT 30 June to 08:00 BT 2 July 2016, (b) FY-2 infrared image (unit: K) at 02:00 BT 1 July 2016, and (c) 1 h precipitation sequence diagram at Zhongxiang station and Baiyun station from 00:00 BT to 08:00 BT on 1 July 2016 (Black pentagram is for Zhongxiang, black triangle is for Baiyun station in Figs. 1a and 1b. Same symbols are used hereafter).

针对FY-2红外云图亮温对于暴雨云团探测的局限性以及FY-3微波湿度计的探测性能,选取湖北钟祥站作为极端短时强降水试验点,选取贵州白云站作为一般性短时强降水试验点,分析FY-3微波湿度计产品在两条对流云带监测和极端短时降水预报中的作用。

2 FY-3微波湿度计及产品介绍

FY-3微波湿度计是FY-3极轨气象卫星的主载荷之一,在轨正常工作模式下两副偏置抛物面天线在扫描机构驱动下,以跨轨连续变速扫描方式完成周期性对地和定标源观测。在8/3 s的扫描周期内,以天底点为中心对地观测扫描张角为±53.35°,连续采样98个点,采样间隔为1.1°,星下点扫描分辨率为15 km。表 1给出FY-3微波湿度计主要探测通道光谱特性。FY-3微波湿度计主要有5个探测通道,主探测频率在183.31 GHz强水汽吸收线附近,设置了3个双边带通道,分别是183.31±1 GHz、183.31±3 GHz、183.31±7 GHz。这3个通道对水汽吸收非常敏感,水汽含量越大、吸收越强,亮温越低(谷松岩等,2010),此外,这三个通道对冰水粒子散射也非常敏感,冰水粒子含量多、散射强,亮温越低(方翔等,2008)。150 GHz为辅助探测频率,为大气窗区,采用双通道、双极化,除用来修正主探测通道的数据外,还可以用来探测地面强降雨、卷云等大气参数。微波湿度计的主要任务是探测大气湿度垂直分布、水汽含量、云中液态水含量、降水等,为数值模式同化提供重要参数,利用五个通道的微波亮温图可以进行暴雨云团的结构特征分析。

表 1 FY-3微波湿度计主要探测通道光谱特性 Table 1 The spectral characteristics of FY-3 microwave hygrometer.
3 微波湿度观测特征对比分析 3.1 通道亮温对比分析

风云三号微波湿度计的1、2探测通道的中心频率为150 GHz窗区通道,采用双极化设计,可以从不同的角度识别云体。窗区通道对降水粒子有较强的散射衰减,较低亮温与对流发展最旺盛区域有很好的对应关系(朱亚平等,2009)。图 2是2016年7月1日02时37分FY-3微波湿度计五个通道亮温水平分布图。对比图 2ab可知,7月1日2时37分,在湖北省中部有对流云团发展,钟祥站点上空1、2通道亮温分别达180 K、182 K,对流发展旺盛,贵州中部也有对流云团发展,白云站点上空1、2通道亮温为181 K、185 K,均高于钟祥站点通道亮温。由于微波湿度计1、2通道为大气窗区辅助双极化探测通道,可在一定程度上反映地面强降水特征。钟祥站窗区通道亮温低于白云站,表明7月1日02时左右钟祥站地面强降水强度有可能大于白云站。从7月1日02—03时地面降水演变(图 1c)来看,钟祥站1 h雨量达到37.5 mm,比白云站(2.3 mm)强度大,因此,窗区1、2通道对短时强降水预报有一定的参考作用。

图 2 2016年7月1日02时37分FY-3的5个通道亮温(a—e分别代表 1—5通道, 单位: K) Fig. 2 FY-3 brightness temperatures at 02:37 BT 2 July 2016 (a-e represent 1-5 channels, respectively, unit: K).

中心频率在183.31 GHz附近的3、4、5探测通道受水汽吸收以及冰态降水粒子散射影响较大。对比图 2ce可知,微波湿度计3、4、5通道亮温与1、2通道亮温具有不同的特征。极端短时强降水云团上空3、4、5通道亮温均高于非极端短时强降水云团上空的亮温,其中钟祥站点3、4、5通道的亮温分别为230 K、229 K、206 K,比白云站通道亮温分别高出30 K、39 K、26 K。可见钟祥站和白云站微波湿度计3、4、5通道亮温的差异性远大于微波湿度计1、2通道亮温,且是反向的。FY-3微波湿度计3、4、5通道中心频率位于强水汽吸收线附近,对大气中400 hPa、600 hPa、800 hPa水汽微波辐射展现出不同的响应特征,可以用来探测大气不同高度层的水汽分布特征。上述探测结果表明,在本次降水过程中极端短时强降水站点上空400 hPa、600 hPa、800 hPa的水汽含量比一般性短时强降水要少。水汽含量偏少,但短时强降水强度却偏强,说明此次降水过程中,除整层水汽含量是一个影响因素外,水汽的垂直分布至关重要。由图 2cd可知,400 hPa、600 hPa两个试验点上空的中层水汽垂直分布差异显著,环境场中水汽含量和垂直分布的不同,会影响到上升和下沉气流的强弱,进而影响对流的激发、维持和强度,从而影响到短时强降水的强度。

3.2 水汽通道垂直亮温剖面对比分析

利用2016年7月1日02时37分FY-3微波湿度计1、5、4、3通道亮温沿钟祥站、白云站所在经度做经向垂直剖面得到图 3ab (图中纵坐标的1 000 hPa、800 hPa、600 hPa、400 hPa分别代表微波湿度计1、5、4、3通道探测权重近似高度)。对比可知,钟祥站上空800 hPa以上亮温大于白云站,说明钟祥上空对流云800 hPa以上冰水粒子含量少于白云站,800 hPa以下区域亮温最低值则小于白云站,表明钟祥极端短时降水的产生过程中,低层对流起更重要的作用。此时钟祥站0 ℃层高度位于500 hPa附近,结合亮温垂直分布可知,主要对流云位于0 ℃以下,属于暖云降水。暖云降水增加了云内水滴碰撞的机会,进一步增加了降水效率,这可能是导致钟祥站7月1日02—08时6 h降水高达111 mm的一个重要原因。白云站上空0 ℃层高度位于600 hPa附近,对流云伸展高度超过0 ℃层高度,因此白云站既有暖云降水,也有冷云降水,降水效率低于钟祥站。降水效率是决定是否产生极端短时强降水的一个关键因素,微波湿度计亮温垂直分布特征,对极端短时强降水过程中降水效率具有一定的指示作用。

图 3 2016年7月1日02时37分沿钟祥站(a, 经度112.5°E)、白云站(b, 经度106.7°E)所在经度的FY-3微波湿度计多通道亮温的经向垂直剖面图(黑色虚线为0 ℃层高度)以及7月1日02时FY-2卫星水汽云图(c) (单位: K) Fig. 3 Meridional cross section of FY-3 brightness temperature along (a) longitude of Zhongxiang station (112.5°E) and (b) longitude of Baiyun station (106.65°E) at 02:37 BT 2 July 2016 (The black dashed line is for 0 ℃ height) and (c) FY-2 water vapor imagery at 02:00 BT 1 July 2016 (unit: K).

微波湿度计3、4、5通道位于水汽吸收带附近,受水汽影响较大,因此3、4、5通道亮温的垂直分布特征可以表现出大气水汽的垂直分布特征,微波湿度计亮温与大气相对湿度、大气水汽密度等有很好的相关性(张鹏等,2012)。钟祥站上空水汽垂直分布呈现漏斗状,600 hPa以上的水汽密度和大气相对湿度主要位于800 hPa以下,600 hPa附近钟祥站北侧相对湿度低值区有向南延伸的趋势(图 3a),表明该站上空600 hPa附近存在干空气侵入。从水汽云图(图 3c)也可知,钟祥站附近亮温低于周边,存在一定的干侵入。干侵入的形成使得干层下方的对流不稳定能量得以聚集(刘会荣等,2010),是有利于极端短时强降水天气发生的一个重要条件。白云站上空整层水汽均较为充沛,水汽分布呈现竖条状,相对于钟祥站,中上层干侵入并不显著,因此对流不稳定能量的累积不如钟祥站(图 3b)。

3.3 水汽通道亮温差对比分析

微波具有穿透云的特性,冰水粒子对不同频段微波具有不同的亮温衰减特性。由于3个水汽通道的亮温权重函数位于不同高度,离中心越远,亮温衰减越大,其中183.31±7 GHz比其他两个通道能穿透更深的云层。各通道数据对冰物质不同的敏感性,3个水汽通道之间的亮温差异,可以作为对流云和冲顶对流云探测的依据(方翔等,2008)。分析方法是由特征层高的通道亮温减去特征层低的通道亮温,通道亮温差越大,表明有更多的冰粒子散射,亮温下降的越快,对流越旺盛。公式(方翔等,2008)定义为

$ \begin{array}{l} \Delta T_{34}=T(183.31 \pm 1)-T(183.31 \pm 3) \\ \Delta T_{35}=T(183.31 \pm 1)-T(183.31 \pm 7) \\ \Delta T_{45}=T(183.31 \pm 3)-T(183.31 \pm 7) \end{array} $ (1)

T表示各通道亮温。ΔT34、ΔT35、ΔT45分别表示通道3与通道4的亮温差、通道3与通道5的亮温差及通道4与通道5的亮温差。对流云判识依据如下

$ \Delta T_{34} \geqslant 0, \Delta T_{35} \geqslant 0, \Delta T_{45} \geqslant 0 $ (2)

而冲顶对流云判识依据为

$ \begin{array}{l} \Delta T_{34} \geqslant 0, \Delta T_{35} \geqslant 0, \Delta T_{45} \geqslant 0 \\ \Delta T_{35} \geqslant \Delta T_{34} \geqslant \Delta_{T 45} \end{array} $ (3)

图 4为2016年7月1日02时37分FY-3微波湿度计不同通道的亮温差,对比可知,钟祥站上空ΔT34为1.2 K,ΔT35为27.6 K,ΔT45为23.5 K,ΔT35T45T34,满足对流云标准,但不满足冲顶对流云标准,其主要原因是ΔT34值偏小。这说明在钟祥站对流云发展的过程中,越到高层600—400 hPa区域(3、4通道权值函数对应峰值高度),通道亮温差偏小,冰粒子散射弱,对流发展弱,从而进一步验证该过程中对流主要发生在600 hPa以下的区域。降水粒子质心偏低,暖云降水贡献率大,即使没有出现冲顶对流,但是由于暖区降水效率高,也有利于极端短时强降水出现。白云站上空ΔT34为12.2 K,ΔT35为28.1 K,ΔT45为11.9 K,ΔT35T34T45,既满足对流云标准,又满足冲顶对流云标准。出现冲顶对流云,表明白云站上空对流云伸展高度达到了600—400 hPa左右,对流云伸展高度较高,但是由于白云站ΔT45仅有11.9 K,远远小于钟祥站ΔT45 (23.5 K),表明白云站低层800—600 hPa附近对流云发展旺盛程度要远远弱于钟祥站。

图 4 2016年7月1日02时37分FY-3微波湿度计不同通道的亮温差(a. ΔT34, b. ΔT35, c. ΔT45, 单位: K) Fig. 4 Brightness temperature differences (a. ΔT3, b. ΔT35, c. ΔT45) of different channels of FY-3 microwave hygrometer at 02:37 BT 2 July 2016 (unit :K).

通过对比可知,没有出现冲顶对流,如果低层对流发展旺盛,出现暖云降水,也会产生极端短时强降水;而即使出现了冲顶对流,如果低层对流云发展不够旺盛,也不易产生极端短时强降水。

4 结论与讨论

本文利用FY-3微波湿度计资料,对2016年6月30日—7月1日湖北罕见的极端降水事件中的极端短时强降水、一般性短时强降水站点上空对流云的微波观测特征进行了对比分析,得出如下结论:

(1) 极端短时强降水站点上空150 GHz附近窗区探测通道亮温低于一般性短时强降水站点,对短时强降水预报具有一定的指示作用;极端短时强降水站点上空183.31 GHz附近水汽探测通道亮温高于一般性短时强降水站点,表明此次过程中,800—400 hPa之间整层水汽含量并非产生极端短时强降水的一个关键因素。

(2) 极端短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布形状呈现漏斗状,对中层干侵入有一定的指示作用,亮温最低值出现在183.31±7 GHz探测通道附近,主要为暖云降水,降水效率高;一般性短时强降水站点水汽通道亮温垂直分布形状呈现竖条形,亮温最低值出现在183.31±3 GHz和183.31±7 GHz探测通道附近,为冷云暖云混合降水,降水效率偏低。

(3) 极端短时强降水站点上空3、4通道亮温差较小,未出现冲顶对流,对流发展高度未达到400 hPa左右,但4、5通道亮温差较大,低层对流发展旺盛;一般性短时强降水站点上空出现冲顶对流,对流发展高度高,但4、5通道亮温差略偏小,低层对流发展强度偏弱。

FY-3微波湿度计可以对对流云上空的水汽含量、水汽垂直分布、对流发展高度等进行监测,可以作为静止卫星探测的重要验证和补充,成为极端短时强降水监测和预警的重要依据。但是本文所得到的结论、所揭示的特征仅代表这次极端短时强降水过程,在其它过程中是否具有,有待利用更多个例进行分析验证。随着FY-3系列卫星的发射和完善,加入了更多的通道信息,如FY-3C微波湿度计在183.31 GHz附近又增加了2个水汽探测通道,这将进一步提高大气湿度廓线、对流云内部结构等方面监测的准确性。而这些监测信息与极端强降水发生发展的关系,有待进行进一步研究。

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