FY3极轨卫星资料在暴雨短时预报中的应用分析

黄 荣，刘日胜，刘国忠，何 立

（1.广西区气象台，南宁 530022；2.广西气象减灾研究所，南宁 530022）

1 引言

暴雨是广西最主要的气象灾害之一，一直以来都是气象研究重点领域，气象工作者围绕暴雨的大尺度环流形势和环境条件、物理量参数特征方面取得了不少研究成果［1－6］。暴雨是多种尺度天气系统相互作用的结果，是在有利的天气背景下由中尺度对流系统直接造成的。FY2系列气象静止卫星能够持续对中国区域进行高时空分辨率的观测，可以监测中尺度对流系统的发生、发展和演变，在广西前汛期暴雨、台风暴雨监测预报得到了广泛应用［7－10］。 但由于静止卫星红外通道和水汽通道等主要反映的是云顶的特征信息，无法获得云团的垂直结构信息。极轨气象卫星搭载有比静止卫星更高空间分辨率的光谱成像仪、扫描辐射计和大气垂直探测器，中分辨率光谱成像仪MERSI可见光通道星下点最高分辨率达250m，微波湿度计MWHS主要吸收成分为水汽，受冰态降水粒子影响较大，具有穿透云雨的能力，能够观测降水云团中不同高度层的水汽特征［11－12］。国内学者利用FY3系列极轨卫星资料在定量降水估计、强对流天气监测中开展了应用研究［13－14］，发现应用微波湿度计对比FY2静止卫星在不同量级降水估计的“击中率”和精准度方面都有优势，其在大气不同高度垂直探测能力和高空间分辨率的可见光图像能反映强对流天气系统的精细化结构特征，但其缺点是每天过境两次，时间分辨率较低，因此在暴雨监测预报时需要结合静止卫星和极轨卫星的各自优势进行分析。

2014年5月17－19日，受低层切变线和冷空气南下影响，河池、桂林、柳州、贺州、来宾、贵港、梧州、玉林、南宁等市出现中到大雨，局部大暴雨及雷雨大风等强对流天气。强降雨导致来宾、南宁、贺州等地出现内涝，农田被淹和房屋倒塌，给人民群众造成较大的经济损失。2014年5月18日强降雨时段期间，FY3B极轨卫星正好过境广西，选取此时段降水和卫星资料进行分析，重点对FY3B微波湿度计资料在暴雨短时预报中的应用进行探讨，总结预报着眼点，为短时预报提供依据。

2 天气实况

2014年5月17日－18日20时，广西自西北向东南出现了暴雨天气，根据广西区域自动站雨量统计，24h共有暴雨321站，其中大暴雨53站（图略），最大24h雨量出现在河池东兰三石镇纳腊村，达199.9mm。此次暴雨过程主要的降水时段出现在18日白天，图1（见彩页）为广西区域加密自动站18日13－19时6h累计雨量，可以看出强降水主要位于桂东至桂东南一带，雨带呈东北—西南走向，共有79站雨量大于50mm，2站大于100mm，6h最大雨量出现贵港桂平白沙镇，达134.5mm。强降雨范围集中、降雨强度强，具有明显的对流降水特征。

3 天气系统分析

图2 2014年5月18日08时中尺度分析图

由2014年5月18日08时的中尺度分析图（图2）可以看出，200hPa西风急流轴位于33°N附近，广西处在高空急流入口区右侧的气流辐散区；500hPa副热带高压脊线位于15°N，副高控制整个南海地区，云南省东部有短波槽东移，在高原东部有振幅达10个纬距高空槽，槽后有较强的冷平流；700hPa广西受西偏南气流控制，最大风速达16m·s-1；850hPa切变线位于贵州与广西交界附近，北部湾到广西北部为一致的西南气流，风速10－12m·s-1，比湿达14－16g·㎏－1，并且温度露点差小于 3℃，水汽条件较好；925hPa低空切变线位于广西中部，位置稳定少动。地面有弱冷空气从东路南下，广西东南部有一条东北风与东南风形成的地面辐合线。这表明，5月18日广西中东部处受高空槽前西南气流影响，中低层水汽条件较好，低层有切变辐合，为中尺度对流系统的发生、发展提供了有利背景。

4 FY3B卫星资料分析

4.1 250m分辨率可见光图像特征

从5月17日20时至18日20时FY2E静止卫星云图演变（图略）发现，17日22时在广西西北部有1个对流云团生成发展后向东南方向移动。5月18日08时该对流云团A移到广西桂林到柳州一带，强度有所减弱；11—12时该云团在925hpa切变线附近再次发展增强，13时云团西侧和东南侧各新生出对流云团B和C，14时3个云团逐渐开始合并（图3a）；16时 （图略）合并后的云团强度发展到最强，云团TBB＜-52℃覆盖的范围达到约6000㎞2，最低亮温值达-77℃；18时后，暴雨云团逐渐向东移入广东，广西境内的对流云团强度减弱。

从5月18日14时25分FY3B MERSI传感器250m分辨率可见光通道云图（图3b）可以看到广西中东部被大片云带覆盖，云带由3个椭圆形云团组成，云团白亮，上风方（东南侧）边缘光滑，表明有较强偏南气流进入对流云团，下风方（东北侧）可以看到丝羽状的卷云，与高空有较强辐散出流有关。西侧和东南侧的中尺度云团B和C有明显不均匀纹理结构，其中镶嵌着多个圆形的暗影，这是强对流上升运动形成的上冲对流云顶，表明这两个云团中对流发展十分旺盛，预示着云中伴有强降雨、雷暴大风等灾害性天气［15］。

图3（a） 2014年5月18日14时25分FY3B VIRRX 1000m分辨率长波红外通道云图 （b）MERSI 250m分辨率可见光通道云图

4.2 微波湿度计亮温特征

微波湿度计通道3、4、5亮温值能够分别反映大约 400hPa、600hPa、800hPa的水汽分布特征，其亮温值越低，表明水汽对辐射的吸收越强［16］。2014年5月18日13时24分FY3B微波湿度计观测资料正好覆盖广西全境，因此选取微波湿度计资料与13—19时广西区域加密自动站6h雨量≥20mm强降雨叠加显示进行分析（图4，见彩页）。在广西东部和东南部对流云团活动区域，微波湿度计亮温通道3、4、5都存在大片亮温＜180K的低值区，云团有4个亮温值＜160K的低值中心。由此可以看出，在广西中部和东南部的对流云团中，大气低层800hPa以及对流层中上层600hPa－400hPa水汽条件均非常充沛，有利于强降雨的发生。

6h雨量20－30mm区域，通道3微波亮温值约为200－230K，通道4微波亮温值约为180－220K，通道5微波亮温值约为160－200K；6h雨量 30－50mm区域通道3微波亮温值约为180－220K，通道4微波亮温值约为180－220K，通道5微波亮温值约为160－200K；值得注意的是6h雨量≥50mm强降雨区与亮温低值中心并不对应，强降雨区主要位于3个亮温低值中心的过渡区域，亮温范围从160－235K不等。同样的，通道4和通道5的微波亮温有相似的特征。这是一方面由于云团合并促成中尺度对流系统生成使对流发展更强烈［17］，14：00-15：00 贵港桂平白沙镇录得过程最大雨强110.7mm.h-1，另一方面由雷达回波演变（图略）可以看出，强回波中心持续通过同一地点，即“列车效应”导致暴雨产生。

4.3 FY3B微波湿度计亮温差特征

由于微波湿度计3、4、5通道的中心频率有细微差异，依次位于强水汽吸收线的中心到边缘位置，受冰相粒子的散射影响也不尽相同。已有的研究表明，高层通道与低层通道的亮温差能反映云团对流的强弱［18］，因此通过对 3、4、5 通道产品计算以下 3 个特征量：

（1）CH34＝CH3-CH4：通道 3 减通道 4 亮温差；

（2）CH35＝CH3-CH5：通道 3 减通道 5 亮温差；

（3）CH45＝CH4-CH5：通道 4 减通道 5 亮温差。

图5（见彩页）是微波湿度计的各层的亮温差与地面6h≥20mm以上强降水的区域叠加，从图中可以看到，6小时强降雨区位于正亮温差区域，这表明在对流云团中，通道5的亮温最低，其次为通道4亮温，通道3的亮温值最高。因此，通道3减去通道5的亮温差也最大，6h≥20mm的强降雨大部分位于CH35差值20-40K的区域内，CH34差值约为10-20K，CH45差值约为0-20K。强降雨主要发生在亮温差的正值区，但对于梧州市南部、玉林市北部的强降雨区明显漏报，这是由于微波湿度计仅有一个时次的资料，无法完整反映暴雨云团合并后演变和发展的过程。但总体上看，微波湿度计高低层通道正亮温差能反映云团深对流的区域，CH35正亮温差大值区对6小时强降雨落区仍有较好的指示意义。

5 结论

利用常规观测、地面加密自动站降水资料以及FY3B极轨卫星资料，对2014年5月18日广西一次暴雨过程进行综合分析，重点对暴雨云团的微波湿度计亮温资料在短时（6h）暴雨过程中的特征进行分析，得出以下结论：

（1）2014年5月18日广西中东部处受高空槽前西南气流影响，中低层水汽条件较好，低层有切变辐合，为中尺度对流系统的发生、发展提供了有利背景。

（2）250m分辨率可见光通道云图显示广西中东部云团有明显不均匀纹理结构，其中镶嵌着多个圆形的暗影表明对流发展十分旺盛，预示着云中伴有强降雨、雷暴大风等灾害性天气。

（3）微波湿度计资料反映出暴雨云团从低层到中高层都有较高的水汽含量区，50mm以上的强降雨区主要位于3个亮温低值中心的过渡区域，即对流云团合并处。高低层通道亮温差能反映云团对流的强弱程度，强降雨发生在微波亮温差的正值区，通道3减通道5的亮温差大值区对6h强降雨落区有较好的指示意义。

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