蔣璐君 , 劉熙明 , 張 弛
1. 江西省氣象科學(xué)研究所, 江西 南昌 330096 2. 江西省氣象臺(tái), 江西 南昌 330096
夏季中尺度降水是導(dǎo)致中國(guó)長(zhǎng)江流域出現(xiàn)暴雨災(zāi)害的主要天氣過程之一。對(duì)于降水的成因、機(jī)理和分布,許多學(xué)者應(yīng)用觀測(cè)資料分析和數(shù)值模擬等方法做了大量研究并取得了諸多成果(畢寶貴等,2006;倪允琪等,2006;武文博等,2018;何博翰等,2020)。但是,作為強(qiáng)降水觀測(cè)主要工具的氣象雷達(dá)由于受到地形條件和環(huán)境的限制(王振會(huì),2001;Battaglia et al,2015;韓靜等,2019),其觀測(cè)資料存在缺陷,制約了對(duì)強(qiáng)降水的三維結(jié)構(gòu)、雨頂高度及其廓線等特征的深入研究,因此利用衛(wèi)星觀測(cè)資料進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)反演越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注(衡志煒和傅云飛,2014)。隨著1997年11月熱帶測(cè)雨衛(wèi)星(Tropical Rainfall Measuring Mission satellite,TRMM)(Kummerow,2000)的成功發(fā)射,為研究陸面降水的結(jié)構(gòu)、分布以及云中微物理特性提供了有利條件。TRMM衛(wèi)星搭載的降水雷達(dá)(Precipitation Radar,PR)提供垂直分辨率0.25 km的降水?dāng)?shù)據(jù),這也是降水雷達(dá)相對(duì)于其他地基雷達(dá)的一個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì),因此利用高時(shí)空分辨率的TRMM衛(wèi)星資料研究降水三維結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)地基雷達(dá)資料的不足。
由于衛(wèi)星微波能穿透一定的云層,對(duì)云中的微物理特性的觀測(cè)更為直觀,且雨滴對(duì)微波輻射的傳輸有強(qiáng)烈的影響,因此用星載微波輻射計(jì)能夠探測(cè)到更多的降水信息。TRMM/PR能捕獲降水的垂直和水平分布特征,而降水的垂直分布能一定程度反映降水的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)以及云中微物理特性,降水的水平分布能反映降水云團(tuán)的性質(zhì)及其所處狀態(tài)。降水的三維結(jié)構(gòu)也是許多研究風(fēng)暴和全球循環(huán)模式的學(xué)者想要獲得的數(shù)據(jù)信息(Iguchi et al,2000)。傅云飛等(2008)利用衛(wèi)星資料研究了對(duì)流云降水和層狀云降水的降水頻次和垂直結(jié)構(gòu)特征,指出亞洲地區(qū)陸面對(duì)流云和層狀云降水強(qiáng)度均弱于洋面,且對(duì)流云降水存在4層結(jié)構(gòu),層狀云降水存在3層結(jié)構(gòu)。Xiang等(2013)利用TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究了一次由折回高原渦引起的持續(xù)性強(qiáng)降水過程中,對(duì)流云和層狀云降水在高原渦旋運(yùn)動(dòng)四個(gè)階段的三維結(jié)構(gòu)特征。張祎等(2010)利用測(cè)雨雷達(dá)和閃電成像儀觀測(cè)資料,分析了2007—2008年南京及其周邊地區(qū)的對(duì)流云降水結(jié)構(gòu)和閃電特性,指出對(duì)流云降水是降水云系處于發(fā)展階段降水量的主要貢獻(xiàn)者,而層狀云降水是降水云系處于成熟或者消亡階段降水量的主要貢獻(xiàn)者。
盡管TRMM衛(wèi)星資料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于中國(guó)中東部、青藏高原、熱帶地區(qū)的降水系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)特征研究(何文英和陳洪濱,2006;傅云飛等,2008;王寶鑒等,2017),但目前利用TRMM衛(wèi)星資料對(duì)江西地區(qū)強(qiáng)降水的研究還比較少。因此,文中利用TRMM衛(wèi)星資料對(duì)2013年6月26—29日發(fā)生在江西省西北部地區(qū)的一次中尺度降水過程的兩次觀測(cè)結(jié)果,分析不同降水階段的降水水平結(jié)構(gòu)、雨頂高度、微波亮溫和降水廓線等變化特征,旨在加深對(duì)降水結(jié)構(gòu)等云微物理特性的認(rèn)識(shí)。
TRMM衛(wèi)星提供大量的熱帶海洋降水、云中液態(tài)水含量以及潛熱等氣象數(shù)據(jù)。文中主要使用由TRMM資料中心提供的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品:2A25和1B11,分別是由降水雷達(dá)(Precipitation Radar,RP)和微波成像儀(Microwave Imager,TMI)探測(cè)資料處理和反演得到的。TMI是TRMM衛(wèi)星上搭載的被動(dòng)微波輻射計(jì),除21.3 GHz頻率只有垂直極化通道外,其他10.65、19.35、37、85 GHz四個(gè)頻率均有水平和垂直雙極化通道,共有9個(gè)通道。TMI是以圓錐的方式進(jìn)行掃描,掃描寬度是758.5 km,水平分辨率從低頻10.65 GHz的39 km到高頻85 GHz的5 km。文中使用TRMM/TMI標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品1B11提供的每個(gè)像素85 GHz垂直極化亮溫。
RP是TRMM衛(wèi)星上搭載的主動(dòng)探測(cè)雷達(dá),水平和垂直分辨率分別為4.5 km和2.5 km(星下點(diǎn)),可以對(duì)降水云的垂直分布進(jìn)行較高精度的探測(cè)。2A25產(chǎn)品是根據(jù)Z-R關(guān)系利用PR回波計(jì)算得到逐條軌道的降水廓線數(shù)據(jù),可提供分析自地表向上20 km高度的降水率空間分布,一共80層。2A25降水廓線資料還提供降水類型,根據(jù)TRMM V(Awaka et al,1998)和H(Steiner et al,1995)方法,將降水分為層狀云降水、對(duì)流云降水和其他類型降水。為綜合分析TRMM衛(wèi)星的PR和TMI降水信息,將1B11/85 GHz微波輻射亮溫資料與2A25降水資料匹配。具體方法是采用距離平方反比進(jìn)行插值,將微波亮溫值插值到降水廓線資料中,使得每個(gè)PR像素都有對(duì)應(yīng)的微波亮溫值。
2013年6月26—29日強(qiáng)降水期間,TRMM衛(wèi)星過境的時(shí)間分別為2013年6月27日06:28和28日11:25(北京時(shí),下同),軌道號(hào)分別為88950和88953。2條軌道都經(jīng)過江西省出現(xiàn)降水的區(qū)域,結(jié)合實(shí)況降水強(qiáng)度分析得到后一軌道相對(duì)前一軌道有明顯減弱,可以用來分析此次降水過程的暴雨云降水成熟期和消散期兩個(gè)階段。分析TMI/85 GHz垂直極化微波輻射亮溫分布(圖1)發(fā)現(xiàn),27日06:28(A時(shí)刻,下同)和28日11:25(B時(shí)刻,下同)江西省北部出現(xiàn)了整片系統(tǒng)性的對(duì)流降水云系,高于225 K的亮溫位于降水云系之上,但隨著降水的減弱,低于225 K的亮溫區(qū)域逐漸縮小。
圖1 2013年6月27日06:28(a)和28日11:25(b)TRMM/TMI探測(cè)的85 GHz微波亮溫Fig. 1 Brightness temperature of 85 GHz microwave radiation at (a) 06:28 BT on June 27, 2013 and (b) 11:25 BT on June 28, 2013 detected by TRMM/TMI
2013年6月26—29日江西省北部地區(qū)出現(xiàn)了一次特大暴雨天氣過程(圖2)。此過程屬于持續(xù)性強(qiáng)降水天氣過程,從26日08時(shí)開始到29日20時(shí)結(jié)束,持續(xù)了4 d。主降水帶由北向南逐漸南壓,降水范圍大、強(qiáng)度強(qiáng),過程累計(jì)雨量大,造成20個(gè)縣(市)過程累計(jì)雨量超過200 mm,6個(gè)縣(市)超過400 mm。整個(gè)強(qiáng)降水過程中,28日凌晨為降水強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)段,3 h雨量最大為145.5 mm,1 h雨量最大為72.2 mm。強(qiáng)降水致使江西省北部局部出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。
圖2 2013年6月26日08時(shí)—29日08時(shí)江西省累計(jì)降水量分布Fig. 2 Distribution of accumulated rainfall during 08:00 BT on June 26 and 08:00 BT June 29, 2013
此次降水過程是在有利的大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的。分析圖3發(fā)現(xiàn),500 hPa層中高緯地區(qū)環(huán)流形勢(shì)呈“兩脊一槽”型。兩脊分別位于鄂霍次克海的西側(cè)和烏拉爾山附近;一槽為橫槽,包含2個(gè)低渦中心,分別位于巴爾喀什湖和貝加爾湖附近。西太平洋副熱帶高壓呈帶狀分布,其脊線穩(wěn)定維持在21°N附近。副熱帶高壓西側(cè)的偏南氣流為長(zhǎng)江中下游地區(qū)輸送大量水汽,最大水汽通量達(dá)24 kg/(s·hPa·cm),南昌站上空925 hPa層比濕可達(dá)15 g/kg,江西省北部位于水汽通量的大值區(qū)。低槽南側(cè)的河套地區(qū)不斷有小槽東移南下,為江西省北部地區(qū)帶來正渦度平流和弱冷空氣,冷暖氣流交匯有利于暴雨天氣的發(fā)生。除此之外,700 hPa高度層上配合有切變線存在且不斷南壓,切變線的南側(cè)存在與之相平行的西南風(fēng)急流,導(dǎo)致暴雨區(qū)上空的層結(jié)不穩(wěn)定(圖略)。進(jìn)一步分析28日02:00和08:00的500 hPa層與850 hPa層的假相當(dāng)位溫差(圖4)發(fā)現(xiàn),兩個(gè)時(shí)刻的TRMM衛(wèi)星掃描區(qū)均位于假相當(dāng)位溫差的負(fù)值區(qū),即對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域,后者的面積小于前者。
圖3 2013年6月27日08:00(a)、28日08:00(b)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線,單位:dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)Fig. 3 500 hPa geopotential height field (isoline; units:dagpm) and wind field (vector) at 08:00 BT 27 June 2013 (a) and 08:00 BT 28 June 2013 (b)
圖4 2013年6月28日06:28(a)、11:25(b)TRMM/PR探測(cè)的2 km降水率(彩色區(qū),單位:mm/h)和500 hPa層與850 hPa層假相當(dāng)位溫差(等值線,單位:℃)Fig. 4 Precipitation rate at 2 km detected by TRMM/PR (units:mm/h)and the pseudo-equivalent temperature difference (units:mm)between 500 hPa and 850 hPa at 06:28 BT (a) and 11:25 BT (b) on June 28, 2013
考慮到2 km以下地表可能會(huì)對(duì)TRMM/PR回波產(chǎn)生干擾,文中選取2 km高度處的降水率近似作為地表雨強(qiáng)來分析暴雨的水平結(jié)構(gòu)(圖5)。分析發(fā)現(xiàn),此次降水系統(tǒng)是一條呈東北—西南向帶狀分布的主降水雨帶,導(dǎo)致的降水分布極不均勻。雨帶上有多個(gè)強(qiáng)對(duì)流云降水雨團(tuán),都位于江西省北部地區(qū)(地表雨強(qiáng)大于20 mm/h),面積大小不等。此次暴雨過程中降水云團(tuán)形式的不是完整的降水區(qū),在強(qiáng)雨團(tuán)之間還存在弱降水區(qū)甚至無降水區(qū)。對(duì)比分析圖5a、圖5b發(fā)現(xiàn),從A時(shí)刻到B時(shí)刻隨著降水的減弱,強(qiáng)降水中心范圍逐漸縮小甚至消失,主降水雨帶也轉(zhuǎn)變?yōu)榇笃膶訝钤平邓畮?地表雨強(qiáng)小于10 mm/h),表明降水系統(tǒng)可能處于對(duì)流發(fā)展過程的后期,即由對(duì)流云降水向?qū)訝钤平邓^渡。與江西省區(qū)域站實(shí)況數(shù)據(jù)(圖5c、d)對(duì)比發(fā)現(xiàn),TRMM/PR掃描的雨帶與實(shí)況無論在降水落區(qū)還是降水強(qiáng)度均對(duì)應(yīng)較好。
圖5 2013年6月27日08:00(左)、28日08:00(右)TRMM/PR探測(cè)的2 km高度降水率(a、b)和地表雨強(qiáng)(c、d)分布Fig. 5 Distribution of precipitation rate at 2 km captured by TRMM/PR(a,b) and surface precipitation intensity (c,d) at 08:00 BT on June 27, 2013 (left) and 08:00 BT on June 28, 2013 (right)
表1給出了TRMM衛(wèi)星于A時(shí)刻和B時(shí)刻探測(cè)的對(duì)流云和層狀云的像素比例、降水量貢獻(xiàn)率和降水率。分析發(fā)現(xiàn),從A時(shí)刻到B時(shí)刻,即從成熟期到消散期,對(duì)流云像素比例減少,而層狀云像素比例增加,兩者比例由0.27轉(zhuǎn)變?yōu)?.05。與之相對(duì)應(yīng),對(duì)流云對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率減少,而層狀云的貢獻(xiàn)率增加,兩者比例由1.38轉(zhuǎn)變?yōu)?.18。這表明,相較于層狀云,對(duì)流云覆蓋面積小但對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率更大。對(duì)流云像素比例越大,其降水率越大。隨著降水減弱,對(duì)流云的像素比例、降水貢獻(xiàn)率和降水率均減小,但層狀云的降水率從小于對(duì)流云變?yōu)榇笥趯?duì)流云。總之,在不同降水階段,兩類降水云對(duì)總降水貢獻(xiàn)不同,即降水強(qiáng)盛階段,對(duì)流云降水起主導(dǎo)作用,而降水消散階段,層狀云降水起主導(dǎo)作用。
表1 TRMM/PR探測(cè)的不同降水云的像素比例、降水貢獻(xiàn)率和降水率Table 1 Pixel ratio, precipitation contribution rate and precipitation rate of different precipitation clouds detected by TRMM/PR
分別計(jì)算降水天氣過程A時(shí)刻和B時(shí)刻的對(duì)流云降水和層狀云降水在2 km高度處不同地面雨強(qiáng)條件下的降水量占總降水量的比例和樣本數(shù)占總樣本數(shù)的比例(圖6)。結(jié)果表明,無論是降水的強(qiáng)盛階段還是減弱階段,對(duì)流云降水的雨強(qiáng)譜均寬于層狀云降水。A時(shí)刻,對(duì)流云降水率主要集中在大于10 mm/h范圍內(nèi),降水量對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率超過67%,其中降水率大于30 mm/h的貢獻(xiàn)率為46.7%,且在不同降水率范圍內(nèi)兩類降水的樣本數(shù)較接近。B時(shí)刻,對(duì)流云降水樣本數(shù)在降水率較大(>20 mm/h)范圍內(nèi)減少,但在降水率較小的范圍內(nèi)(≤20 mm/h)樣本數(shù)占比增加約70%,且降水率大于30 mm/h對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率減小為6.3%。層狀云降水的降水率集中在1—20 mm/h,其中降水率1—5 mm/h范圍內(nèi)的降水量對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)最大,樣本占比也最大。從降水過程的A時(shí)刻到B時(shí)刻,降水率5—10 mm/h和10—20 mm/h范圍內(nèi)的層狀云降水量對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率稍減小,降水率1—5 mm/h范圍內(nèi)的貢獻(xiàn)率增大??偟膩碚f,隨著降水過程的延續(xù)對(duì)流云降水率集中區(qū)由10—50 mm/h變?yōu)?—20 mm/h,降水率大于50 mm/h范圍內(nèi)的降水量對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率從16.6%減小到0。因此,層狀云和對(duì)流云降水率的分布變化也可以反映此次降水過程由強(qiáng)向弱逐漸轉(zhuǎn)化,對(duì)流云降水逐漸減弱,層狀云降水逐漸增強(qiáng)。
圖6 2013年6月27日06:27(a、b)和28日11:25(c、d)對(duì)流云降水(左)和層狀云降水(右)的地表雨強(qiáng)譜分布Fig. 6 Spectral distribution of surface precipitation rate of convective precipitation (left) and stratiform precipitation (right) at 06:27 BT on June 27, 2013 (a,b) and 11:25 BT on June 28, 2013 (c,d)
Houze(1997)研究指出,如果降水過程中對(duì)流云降水像素比例高,表明該系統(tǒng)處于早期發(fā)展旺盛階段;如果層狀云降水像素比例高,則表明系統(tǒng)處于衰減階段。也就是說,由連續(xù)監(jiān)測(cè)的兩個(gè)時(shí)刻的降水結(jié)構(gòu)變化可以推測(cè)對(duì)流云降水由強(qiáng)變?nèi)?,層狀云降水由弱變?qiáng),這也基本反映此次降水過程減弱變化的趨勢(shì)。
降水雨頂高度能反映降水云體在垂直方向上的發(fā)展變化程度(Zipser and Lutz,1994)。圖7給出了所有像素雨頂高度的水平分布。分析發(fā)現(xiàn),A時(shí)刻最大雨頂高度大于B時(shí)刻,A時(shí)刻中絕大部分像素的雨頂高度集中在8—14 km范圍內(nèi),而B時(shí)刻絕大部分像素的雨頂高度集中在6—8 km,兩個(gè)時(shí)刻的邊緣降水雨頂高度集中在4—6 km。圖8為降水天氣過程A時(shí)刻和B時(shí)刻在不同地表雨強(qiáng)條件下的雨頂高度。分析發(fā)現(xiàn),兩個(gè)時(shí)刻降水的平均雨頂高度均隨地表雨強(qiáng)的增大而不斷升高,A時(shí)刻整體雨頂高度集中在3—12 km,而B時(shí)刻集中在3—8 km,且集中于地表雨強(qiáng)小于40 mm/h范圍內(nèi),即A時(shí)刻雨頂高度較高,云中上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),云團(tuán)發(fā)展深厚。這種雨頂高度隨著降水過程的延續(xù)而減小的現(xiàn)象也反映了對(duì)流云降水由強(qiáng)逐漸轉(zhuǎn)弱的趨勢(shì)。
圖7 TRMM/PR探測(cè)的2013年6月27日06:27(a)和28日11:25(b)雨頂高度的水平分布Fig. 7 Horizontal distribution of rain top heights detected by TRMM at 06:27 BT on June 27, 2013 (a) and 11:25 BT on June 28, 2013 (b)
圖8 2013年6月27日06:27和28日11:25不同地表雨強(qiáng)條件下的雨頂高度Fig. 8 Distribution of rain top under different surface rain rate at 06:27 BT on June 27, 2013 and 11:25 BT on June 28, 2013
文中選取地表雨強(qiáng)值±0.5 mm/h范圍內(nèi)所有降水像素的廓線,求其平均值作為對(duì)應(yīng)地表雨強(qiáng)的降水廓線。圖9給出了降水過程A時(shí)刻和B時(shí)刻2 km高度處的對(duì)流云降水和層狀云降水廓線。分析發(fā)現(xiàn),兩個(gè)時(shí)刻的降水廓線反映了對(duì)流云降水由強(qiáng)到弱的變化趨勢(shì),而每層的斜率差異反映了降水粒子碰并增長(zhǎng)或蒸發(fā)的主要微物理過程的差異。對(duì)流云降水廓線明顯不同于層狀云降水廓線:A時(shí)刻降水系統(tǒng)的最大降水率出現(xiàn)在3—4 km高度,而B時(shí)刻降水系統(tǒng)的最大降水率出現(xiàn)在2—3 km高度(接近地表)。這表明,雨滴碰并增長(zhǎng)、降水粒子的抬升、上升氣流都發(fā)生在一個(gè)較低的高度層,即雨滴碰并小粒子增長(zhǎng)或冰相粒子的融化是A時(shí)刻中對(duì)流云降水在5 km高度以下的主要微物理過程。而A時(shí)刻,對(duì)流云降水在5 km高度以下不僅存在雨滴碰并小粒子增長(zhǎng)或冰相粒子融化,而且存在雨滴融化或蒸發(fā)的過程。從廓線斜率也可看出,層狀云降水廓線比對(duì)流云降水廓線的變化更小,這也說明層狀云降水比對(duì)流云降水更穩(wěn)定。A時(shí)刻中高層(6—12 km)仍有一些可觀降水,而B時(shí)刻7—8 km高度處,降雨率較低,即降水云層變薄。以上都說明對(duì)流云降水在垂直方向上發(fā)展的不均勻性,且隨著降水過程的延續(xù),對(duì)流云降水也逐漸減弱。層狀云降水廓線表現(xiàn)為,兩個(gè)時(shí)刻在5 km凍結(jié)高度(雷達(dá)回波亮帶位置)以下,降水率較為穩(wěn)定,這表明此高度以下雨滴并沒有經(jīng)歷進(jìn)一步的碰并增長(zhǎng)或蒸發(fā)。分析圖9還發(fā)現(xiàn),對(duì)流云降水率大于25 mm/h、層狀云降水率大于10 mm/h的降水廓線,在B時(shí)刻并沒有出現(xiàn)。
圖9 2013年6月27日06:27(a、b)和28日11:25(c、d)對(duì)流云降水(左)和層狀云降水(右)平均廓線Fig. 9 Mean profiles of convective precipitation (left) and stratiform precipitation (right) at 06:27 BT on June 27, 2013 (a,b) and 11:25 BT on June 28, 2013 (c,d)
文中利用TRMM衛(wèi)星搭載的降水雷達(dá)(PR)、微波成像儀(TMI)探測(cè)結(jié)果,分析了江西省北部地區(qū)2013年6月26—29日中尺度降水系統(tǒng)兩個(gè)時(shí)刻的降水水平結(jié)構(gòu)、雨頂高度和微波亮溫變化、降水云垂直廓線等特征,得到以下主要結(jié)論:
1) 對(duì)流云降水階段,降水是由大面積的層狀云中分布的多個(gè)零散對(duì)流單體造成的,分布極不均勻。層狀云降水階段,強(qiáng)降水中心減小甚至消失,雨強(qiáng)變化不顯著,對(duì)流云降水的像素和平均降水率均減小,對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率也減小,且對(duì)流云降水樣本數(shù)和強(qiáng)降水(>30 mm/h)對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率均逐漸減小。整個(gè)降水過程中,層狀云降水雨強(qiáng)譜要窄于流云降水,且90%降水集中于10 mm/h以下。
2) 整個(gè)降水過程中,隨著地表雨強(qiáng)的增大,雨頂高度和微波亮溫逐漸增加,且不同階段雨頂高度也存在差異。從對(duì)流云降水到層狀云降水的演變過程中,最大降水雨頂高度從11 km左右降為8 km左右,且絕大部分像素的雨頂高度的分布范圍也由6—14 km縮小為6—10 km。
3) 對(duì)流云降水和層狀云降水廓線存在較大差異,最大降水率出現(xiàn)的高度越高且中高層降水量的貢獻(xiàn)率越大,降水的對(duì)流性則越強(qiáng);反之,最大降水率出現(xiàn)的高度越接近地面且中低層對(duì)降水量的貢獻(xiàn)率越大,降水則表現(xiàn)為穩(wěn)定的層狀云降水。