劉國忠，黃榮，翟麗萍，孫紅梅，覃丹宇

（1.廣西氣象臺(tái)，南寧 530022；2.國家衛(wèi)星氣象中心，北京，100081）

衛(wèi)星初生對(duì)流的業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)研究

劉國忠1，黃榮1，翟麗萍1，孫紅梅1，覃丹宇2

（1.廣西氣象臺(tái)，南寧 530022；2.國家衛(wèi)星氣象中心，北京，100081）

通過對(duì)FY靜止氣象衛(wèi)星和多普勒天氣雷達(dá)資料的分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)流發(fā)展各階段衛(wèi)星云團(tuán)和雷達(dá)回波均有不同特征，衛(wèi)星紅外通道最小亮溫與雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度存在明顯的反相關(guān)性，均能夠反映強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的過程。

FY靜止氣象衛(wèi)星；多普勒天氣雷達(dá)；初生對(duì)流；業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)

1 衛(wèi)星初生對(duì)流業(yè)務(wù)應(yīng)用定義

目前業(yè)務(wù)應(yīng)用中，通常在衛(wèi)星云圖上識(shí)別、追蹤初始對(duì)流云團(tuán)，并進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)，因此衛(wèi)星初生對(duì)流業(yè)務(wù)應(yīng)用試定義為：在6分鐘加密的FY系列靜止氣象衛(wèi)星紅外云圖上，人眼首次可以識(shí)別出的與周圍環(huán)境有明顯梯度差異的范圍較小的對(duì)流云團(tuán)。

2 廣西地區(qū)初生對(duì)流云團(tuán)特征

根據(jù)定義，選取了廣西12個(gè)衛(wèi)星初生對(duì)流云團(tuán)（圖略），對(duì)其初生時(shí)的衛(wèi)星多光譜資料及相應(yīng)的多普勒雷達(dá)回波資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，廣西地區(qū)初生對(duì)流團(tuán)的長波紅外云頂亮溫為266.46K～277.23K，平均為271.53K；紅外分裂窗云頂亮溫為267.23K～278.00K，平均為272.67K；中波紅外云頂亮溫為292.02K～308.09K，平均為302.67K；水汽亮溫為245.06K～253.24K，平均為251.73K；對(duì)應(yīng)雷達(dá)回波中最大組合反射率因子強(qiáng)度為48dBz～68dBz，平均為59.67dBz。長波紅外云頂亮溫與紅外分裂窗云頂亮溫按數(shù)值大小序列有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，中波紅外云頂亮溫、水汽亮溫與長波紅外云頂亮溫、紅外分裂窗云頂亮溫?zé)o明顯相關(guān)性，中波紅外云頂亮溫與水汽亮溫之間也無明顯相關(guān)性。與衛(wèi)星初生對(duì)流相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波中最大組合反射率因子強(qiáng)度值普遍較大，與從雷達(dá)角度定義的初生對(duì)流雷達(dá)回波強(qiáng)度有較大差異（≥35dBz），這是由于雷達(dá)和衛(wèi)星探測(cè)分別率的差異造成的，由于衛(wèi)星分辨（5×5km）比雷達(dá)分別率（1×1km）粗，當(dāng)衛(wèi)星探測(cè)到初生對(duì)流時(shí)可能在雷達(dá)上已是發(fā)展到一定強(qiáng)度的強(qiáng)對(duì)流回波（≥48dBz）。但與衛(wèi)星初生對(duì)流相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波范圍都很小（圖略），因此對(duì)衛(wèi)星初生對(duì)流的分析研究依然是有意義的。隨著將來高分辨率衛(wèi)星資料的獲取，衛(wèi)星初生對(duì)流與雷達(dá)初生對(duì)流的相互匹配會(huì)更好，因此提前研究衛(wèi)星初生對(duì)流資料的應(yīng)用可為高分辨率衛(wèi)星資料的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。分析還可以以看出，與衛(wèi)星初生對(duì)流相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波后續(xù)發(fā)展主要可以分為自身發(fā)展成強(qiáng)雷暴單體風(fēng)暴或超級(jí)單體風(fēng)暴和發(fā)展后與多單體合并兩種類型。發(fā)展成的強(qiáng)雷暴單體風(fēng)暴或超級(jí)單體風(fēng)暴一般生命史為3～5個(gè)小時(shí)，發(fā)展后與多單體合并一般生命史為2～4個(gè)小時(shí)。從初生對(duì)流發(fā)生的時(shí)間段來說，午后至傍晚生成的初生對(duì)流更容易發(fā)展成強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)。以上分析獲取的特征可作為廣西地區(qū)初生對(duì)流云團(tuán)生成的判別指標(biāo)。值得一提的是，初生對(duì)流生成以后是否發(fā)展成強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)，與當(dāng)時(shí)的天氣系統(tǒng)及環(huán)境場(chǎng)有關(guān)，下文對(duì)初生對(duì)流生成以后發(fā)展成強(qiáng)對(duì)流云天氣的典型個(gè)例進(jìn)行步分析研究，揭示初生對(duì)流生成以后發(fā)展成強(qiáng)對(duì)流天氣的成因。

3 初生對(duì)流云團(tuán)發(fā)展成強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)典型個(gè)例分析

15年4月28日14時(shí)36分～19時(shí)在云南富寧縣境內(nèi)衛(wèi)星初生的對(duì)流云團(tuán)，經(jīng)廣西百色市至崇左市發(fā)展成歷時(shí)4個(gè)多小時(shí)強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)過程。在有利大尺度和中尺度環(huán)境條件下，28日午后西南和華南地區(qū)多對(duì)流活動(dòng)，14時(shí)36分在云南省富寧縣有一衛(wèi)星初生對(duì)流云團(tuán)生成，多光譜參數(shù)為：長波紅外最小亮溫值277.23K、紅外分裂窗最小亮溫值278K、中波紅外最小亮溫值306.98K、水汽最小亮溫值251.04K，與之相對(duì)應(yīng)在云南省富寧縣中部可以識(shí)別出一個(gè)新生的雷達(dá)回波對(duì)流單體，雷達(dá)最大反射率因子13dBz，水平尺度約6㎞。12分鐘后衛(wèi)星云團(tuán)和與之對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波對(duì)流單體迅速增長，衛(wèi)星長波紅外最小亮溫值下降為267.27K，比前一時(shí)次下降了－6.71K，與此同時(shí)，雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度增大到35dBz，水平尺度增大到約為18㎞，達(dá)到雷達(dá)初生對(duì)流的標(biāo)準(zhǔn)，比前一時(shí)次增加了17dBz，長波紅外最小亮溫值下降的幅度和雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度的幅度均為此次過程的最大時(shí)次，經(jīng)歷4個(gè)體描24分鐘發(fā)展成普通雷暴單體，長波紅外最小亮溫值累積下降了－16.38K，為260.85K，雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度累積增長了32dBz，為45dBz，水平尺度增大到約為30㎞，云團(tuán)和雷達(dá)回波范圍較小。經(jīng)歷8個(gè)體描48分鐘發(fā)展成強(qiáng)風(fēng)暴單體，長波紅外最小亮溫值累積下降了－22.9K，為237.95K，雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度累積增長了18dBz，為63dBz，水平尺度增大到約為35㎞，云團(tuán)范圍增長緩慢，雷達(dá)回波下風(fēng)方出現(xiàn)弱云羽。經(jīng)歷8個(gè)體描48分鐘發(fā)展成超級(jí)單體風(fēng)暴，長波紅外最小亮溫值累積下降了－16.53K，為221.42K，雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度累積增長了6dBz，為69dBz，出現(xiàn)三體散射TBSS，水平尺度增大到約為50㎞，云團(tuán)范圍快速增長，雷達(dá)回波下風(fēng)方出現(xiàn)長條型云羽。16時(shí)36分～17時(shí)36分，長波紅外最小亮溫值累積下降－5.33K，為216.09K，達(dá)最低，雷達(dá)最大反射率因子維持在67～70dBz，顯示風(fēng)暴已經(jīng)為成熟超級(jí)單體風(fēng)暴，云團(tuán)范圍迅速擴(kuò)大，雷達(dá)回波下風(fēng)方出現(xiàn)大片云羽。17時(shí)38分后，強(qiáng)風(fēng)暴單體開始顯著減弱，長波紅外最小亮溫值開始緩慢上升，最大反射率因子開始緩慢下降，云團(tuán)范圍達(dá)最大并向周圍擴(kuò)散，強(qiáng)雷達(dá)回波下風(fēng)方云羽范圍達(dá)最大。18：時(shí)00分后，風(fēng)暴已經(jīng)減弱為普通雷暴單體，此時(shí)云圖由于衛(wèi)星加密觀測(cè)掃描軌道變化，觀測(cè)到對(duì)流云團(tuán)不完整。

分析過程中雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度與各衛(wèi)星通道最小亮溫隨時(shí)間演變（圖1）發(fā)現(xiàn)，最大反射率因子經(jīng)歷快速增加、緩慢增強(qiáng)、波動(dòng)性穩(wěn)定維持，紅

外衛(wèi)星通道最小亮溫值經(jīng)歷快速減弱、緩慢減弱、波動(dòng)性穩(wěn)定維持。普通雷暴單體階段為最大反射率因子快速增加（1.33dBz／分鐘）和紅外最小亮溫值快速減弱（－0.68K／分鐘），強(qiáng)風(fēng)暴單體和超級(jí)單體風(fēng)暴為雷達(dá)最大反射率因子緩慢增強(qiáng)（0.25dBz／分鐘）和紅外最小亮溫值緩慢減弱（－0.41K／分鐘），成熟階段超級(jí)單體風(fēng)暴為最大反射率因子和紅外最小亮溫值波動(dòng)性穩(wěn)定維持。另外，從紅外1通道逐6分鐘亮溫變化可以看出（圖略），在整個(gè)對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展過程中最小亮溫值的變化率起伏不定，但整體基本趨于減小，在對(duì)流發(fā)展初始時(shí)刻變化率最大。雷達(dá)最大反射率因子和紅外最小亮溫值之間存在反相關(guān)性，能夠反映對(duì)流的演變過程。

圖1 雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度與各紅外衛(wèi)星通道（IR1、紅外分裂窗、水汽、中波紅外）最小亮溫隨時(shí)間演變圖

分析雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度與可見光（5km和1km）通道最大反照率隨時(shí)間演變發(fā)現(xiàn)，5km可見光通道最大反照率前期緩慢增長，1km前期圍繞一定強(qiáng)度震蕩，由于太陽照射減弱和暗影出現(xiàn)，中后期反照率迅速減小，除5km前期與雷達(dá)最大反射率因子有一定的正相關(guān)性，其他相關(guān)性差。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星資料的變化對(duì)跟蹤初生對(duì)流發(fā)展成強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)過程有意義。

4 結(jié)論與討論

（1）廣西地區(qū)業(yè)務(wù)定義衛(wèi)星初生對(duì)流云多光譜參數(shù)有其自身特征，可作為廣西地區(qū)業(yè)務(wù)初生對(duì)流云生成的判據(jù)。業(yè)務(wù)初生對(duì)流相應(yīng)的雷達(dá)回波最大反射率因子強(qiáng)度值普遍較大，這是由于雷達(dá)和衛(wèi)星探測(cè)分別率的差異造成的，初生對(duì)流和相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波范圍都很小，對(duì)早期跟蹤均有意義。

（2）業(yè)務(wù)定義初生對(duì)流發(fā)展成強(qiáng)對(duì)流典型個(gè)例過程中，各階段衛(wèi)星云團(tuán)和對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波均有不同明顯特征。在對(duì)流演變過程中，紅外衛(wèi)星通道最小亮溫與雷達(dá)最大反射率因子強(qiáng)度存在明顯的反相關(guān)性，能夠反映強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的過程。

（3）目前由于受限于獲取衛(wèi)星資料時(shí)空分辨率較低，只是作了初淺分析，隨著將來高分衛(wèi)星資料的及時(shí)獲得，衛(wèi)星與雷達(dá)資料的時(shí)空匹配度的提高，可以按照CI的嚴(yán)格定義進(jìn)行分析研究，發(fā)揮衛(wèi)星比雷達(dá)更為提前的優(yōu)勢(shì)，本研究為高分衛(wèi)星資料的應(yīng)用提供技術(shù)方法。

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Application of satellite in convective initiation

Liu Guo-zhong,Huang Rong,Zhai Li-ping,Sun Hong-mei,Qin Dan-yu
(1.Guangxi Meteorological Observatory,Nanning 530022;2.National Satellite Meteorological Centre, Beijing,100081)

Based on the analysis of FY geostationary meteorological satellite and Doppler weather radar data,it is found that the characteristics of satellite cloud and radar echo in the different convection developing stages are different.Infrared channel minimum light temperature of satellite and the maximum radar reflectivity intensity is obviously inverse correlation.

普遍研究認(rèn)為，中小尺度對(duì)流系統(tǒng)是在一定的天氣尺度環(huán)流背景下形成和發(fā)展起來的，是暴雨、冰雹、雷雨、大風(fēng)、龍卷等災(zāi)害性天氣的直接制造者［1－9］。在臨近預(yù)報(bào)中，對(duì)初生對(duì)流（convectiveinitiation，簡稱CI）的識(shí)別、追蹤是中小尺度對(duì)流系統(tǒng)預(yù)報(bào)主要的技術(shù)方法之一，這方面的研究也成為強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)新的熱點(diǎn)［10－13］。CI的通常定義是：衛(wèi)星云圖上對(duì)應(yīng)多普勒天氣雷達(dá)第一次檢測(cè)到由對(duì)流云產(chǎn)生的反射率≥35dBz的像元［14］，CI技術(shù)的核心是分析對(duì)流運(yùn)動(dòng)，對(duì)流運(yùn)動(dòng)造成云體厚度增加，云頂溫度的急劇下降，云頂相態(tài)的變化等現(xiàn)象，可通過多光譜分析技術(shù)進(jìn)行判識(shí)，從而捕捉到初生對(duì)流。但在目前的實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，可以獲取的FY系列靜止衛(wèi)星資料的分別率大多為5×5km，比多普勒雷達(dá)分別率1×1km來得粗，按CI定義，在雷達(dá)上已達(dá)初生對(duì)流，但靜止衛(wèi)星云圖上的像元往往反映不出來，給業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來了很大的困擾。本文試以6分鐘加密的FY系列靜止衛(wèi)星云圖資料，按目前業(yè)務(wù)應(yīng)用方式對(duì)初生對(duì)流進(jìn)行業(yè)務(wù)定義，分析得出云圖特征，對(duì)比分析獲得雷達(dá)回波特征，通過典型個(gè)例分析總結(jié)業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)方法，解決業(yè)務(wù)難題，為臨近預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐，并為將來高分衛(wèi)星資料應(yīng)用提供技術(shù)方法。

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A

1673-8411（2016）03-0109-03

2016－05－06

中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心項(xiàng)目（201401KY002／02－3）、中國氣象局華南區(qū)域氣象中心科技攻關(guān)項(xiàng)目（GRMC2014M13）和廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)（2014GXNSFAA118299）共同資助

劉國忠（1968－），高級(jí)工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)工作。