肖婷，張羽，張志堅，高美譚，錢嘉星，李浩文

（1.廣州市氣象臺，廣東 廣州 5 1 1 4 3 0；2.廣州市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東 廣州 511430）

中小尺度強對流天氣具有水平尺度小、生命史短、影響范圍窄、強度大的特點，其突發(fā)性強、破壞力大，是廣東省的主要災害性天氣之一［1］。常規(guī)探空資料由于時空分辨率低，難以對中尺度天氣演變特征進行深入研究。近年來，隨著氣象探測技術迅速發(fā)展，以FY-4A衛(wèi)星［2-3］、風廓線雷達［4-5］、微波輻射計［6-7］和毫米波云雷達［8-9］為代表的各類新型地基遙感探測設備相繼投入業(yè)務應用，為實現(xiàn)高時空分辨率大氣垂直廓線的觀測以及開展高影響天氣中小尺度結構與演變特征研究提供了新的有效手段。

為做好超大城市氣象保障服務工作，廣州市氣象局近年來逐步部署了多種新型地基遙感探測設備，為研究各類重大天氣過程的垂直結構及演變打下了良好的基礎，如何充分利用這些數(shù)據(jù)做好觀測與預報的互動是一項值得深入研究的工作。本研究以2021年廣州市一次典型的局地強對流過程為研究對象，嘗試提高對新型探測設備的觀測特點與能力的認識，探索強對流天氣過程的精細化結構與演變特征。

1 資料說明

本研究采用歐洲中期天氣預報中心（ECWMF）提供的2021年6月21日14：00（北京時，下同）0.25°×0.25°分辨率ERA5再分析資料以及FY-4A衛(wèi)星、微波輻射計、風廓線雷達、相干多普勒激光測風雷達、毫米波云雷達、地面雨量計等多源新型探測資料，各類觀測設備資料說明詳見表1。

表1 廣州市多源新型探測設備資料說明

2 環(huán)流背景與降水實況

利用ERA5再分析資料繪制環(huán)流形勢圖（圖略）顯示，2021年6月21日14：00，廣州市處于副熱帶高壓邊緣，北部有弱波動逐漸移近；925 hPa粵北地區(qū)有弱冷空氣滲透，存在弱切變線，沿海有強盛的西南低空急流，廣州市中北部存在明顯的水汽通量輻合中心。表明當天午后廣州地區(qū)天氣形勢較不穩(wěn)定，存在有利于強對流天氣發(fā)生的動力和水汽條件。17：00至23：00，廣州市出現(xiàn)一次兼具短時強降水、短時大風和強雷電的局地強對流天氣過程。如圖1a所示，該次強對流過程廣州市共有3個測站雨量超過100 mm，41個測站雨量超過50 mm，最大累計雨量為黃埔區(qū)永和街110 mm，最大小時雨量為黃埔區(qū)黃埔街78.1 mm／h。全市共有62個測站錄得6級以上短時大風，最大陣風為增城區(qū)石灘鎮(zhèn)26.7 m／s。

由于本研究所用的新型探測設備均位于黃埔國家基本氣象站和廣州市氣象局觀測場兩個位置，因此圖1b給出黃埔國家基本氣象站（站號59287，簡稱黃埔站）和廣州市氣象局觀測場內的自動站（站號G1000，簡稱市局站）的逐5 min雨量變化?？梢钥吹?，黃埔站的降雨時段為18：00—22：00，市局站的降雨時段主要集中在20：00—21：00。

圖1 2021年6月21日17：00—23：00廣州市各自動站累計雨量（單位：mm）（a）和21日18：00—22日01：00黃埔站與市局站逐5 min雨量變化（b）

3 新型探測資料結果分析

3.1 FY4A衛(wèi)星

FY-4A攜帶的閃電成像儀（lightning mapping imager，LMI）是我國第一次自主研制的星載閃電成像儀，在儀器研制和產品生成算法等方面都位于國際前沿領域，不僅能夠實現(xiàn)大尺度對流系統(tǒng)中的閃電監(jiān)測，而且能夠對局地小對流云團中閃電活動進行監(jiān)測［10］，在對流性天氣監(jiān)測和預報中具有較強的應用潛力［3］。圖2a給出21日17：00—23：00 FY-4A衛(wèi)星觀測的累計閃電和地面自動站極大風分布，可以看出，該次強對流天氣過程中，廣州中部地區(qū)閃電較為密集，這與圖1a的強降水落區(qū)一致，且7級及以上短時大風的分布也與閃電的區(qū)域對應較好，說明FY-4A衛(wèi)星觀測閃電分布較可靠，閃電密集區(qū)正是強對流云團發(fā)展較旺盛的地區(qū)。

相當黑體溫度（black body temperature，TBB）通常稱為亮溫，在有云區(qū)，TBB反映的是云頂黑體溫度，其值一般≤0℃，且TBB溫度越低，對應的云頂越高，對流越旺盛［11］，通過TBB可以了解云體垂直發(fā)展的情況。參考以往的方法［2］，將TBB≤-72℃的區(qū)域當做深對流區(qū)域。圖2b-d給出強對流過程不同時刻TBB變化圖，可反映對流云團發(fā)展的旺盛程度。佛山東部、東莞北部分別與廣州交界處TBB有≤-92℃的低值中心，對應雷達圖上回波強度約為65 dBz。閃電、地面7級及以上大風和強降水基本都位于TBB≤-72℃的深對流區(qū)域內，并多分布于≤-82℃的區(qū)域內或其附近，9～10級大風出現(xiàn)在強對流云團邊緣TBB梯度大值區(qū)。

圖2 2021年6月21日17：00—23：00 FY-4A衛(wèi)星觀測的累計閃電（十字）和地面自動站觀測的極大風（填色，單位：m／s）分布（a）；19：00（b）、19：45（c）、20：15（d）FY-4A衛(wèi)星TBB分布（單位：℃）

3.2 微波輻射計

微波輻射計可以提供高頻次的大氣溫濕廓線結信息，相比常規(guī)探測資料而言，在短時暴雨潛勢預報方面更具優(yōu)勢［6-7］。圖3給出6月21日08：00—22日08：00黃埔站微波輻射觀測的邊界層溫度廓線以及反演的對流參數(shù)。

圖3 2021年6月21日08：00—22日08：00黃埔站微波輻射計邊界層溫度（a）、IWV（b）、CAPE（c）、LI（d）

從圖3a可以看出白天受太陽短波輻射影響，近地面大氣顯著增溫，200 m以下有暖中心存在，最高溫度超過33℃。綜合水汽含量（IWV）表示單位面積上的水汽質量，直觀反映大氣中水汽狀態(tài)［12］。圖3b顯示12：00—13：00 IWV含量達到峰值，接近100 kg／m2，云液態(tài)水含量明顯增加，此后水汽含量整體下降略有波動，但降水前1 h IWV含量仍有64.5 kg／m2，超過本地短時強降水的IWV統(tǒng)計的閾值63.32 kg／m2，有利于發(fā)生短時強降水［7］。

從圖3c和圖3d微波輻射計反演的對流有效位能（CAPE）和抬升指數(shù)（LI）可以看出，從21日08：00開始CAPE值出現(xiàn)明顯增加的趨勢，14：00最高接近6 000 J／kg。LI為負值表示大氣層結不穩(wěn)定，負值越大，越不穩(wěn)定。LI與CAPE變化趨勢一致，08：00—13：00呈明顯下降的趨勢，13：00最低接近-15℃。由此可見，CAPE與LI提前4～5 h已出現(xiàn)峰值，表明該次過程前數(shù)小時，大氣層結已趨于不穩(wěn)定。

3.3 風廓線雷達與測風激光雷達

風廓線雷達可實時提供大氣的三維風場信息、垂直氣流等氣象要素隨高度的分布，是對常規(guī)探空觀測的有力補充［13］。由風廓線雷達資料觀測的水平風場可以看出，黃埔站上空5～9 km處有小槽過境，槽前風向由西南風逐漸轉為偏西風和西北風（圖4a黑色虛線框），與ERA5再分析資料繪制的500 hPa環(huán)流形勢上的波動表現(xiàn)一致。21日00：00—09：00，2～2.5 km處有明顯切變，且近地面至2.5 km存在一支低空西南急流，最大風速超過24 m／s（圖4a黑色實線框）。

由于50～500 m為風廓線雷達的探測盲區(qū)，導致探測的近地面水平風場信息不完整，而相干多普勒測風激光雷達具有探測靈敏度高、時空分辨率高的特點，在地面50～500 m處仍有較強的探測能力，垂直方向分辨率可達30 m，可以有效彌補風廓線雷達的探測不足。由圖4b市局站測風激光雷達的表現(xiàn)可看出，在與風廓線雷達在相同時段，600～1 300 m處存在一支超低空急流，最大風速大于24 m／s（圖4b黑色實線框），由此可見，兩種測風設備的聯(lián)合使用能夠有效監(jiān)測到暴雨發(fā)生前的超低空急流特征。從測風激光雷達探測的風向來看，21日00：00—09：00 50～300 m處以東南風為主，300～600 m為偏南風，600～1 300 m漸轉為西南風，風向隨高度順時針旋轉，說明有暖平流輸送；12：00—17：00激光測風雷達的探測高度明顯升高，最高達1.6 km。21：00—00：00降水期間，最大探測高度迅速降低，這是由于該時段激光測風雷達對風向、風速的反演受降水污染嚴重所致。

圖4 2021年6月21日00：00—22日00：00黃埔站風廓線雷達（a）與市局站測風激光雷達（b）不同高度水平風速（填色，單位：m／s）和風向（風向桿）的逐時變化

3.4 毫米波云雷達

毫米波云雷達是觀測云降水的重要手段，與天氣雷達相比，由于采用了毫米波，增加了雷達的靈敏度，提高了探測能力［8］，利用廣州本地數(shù)據(jù)質控后能有效濾除雜波并較好保留云回波［9］。圖5給出2021年6月21日08：00—21：00市局站云雷達不同高度反射率因子的逐時變化情況。

圖5 2021年6月21日08：00—22日00：00市局站云雷達不同高度反射率因子的逐時變化（單位：dBz）

由圖5看出19：00前后云雷達上空開始出現(xiàn)積雨云，高層反射率因子大于低層，最大反射率因子不超過10 dBz，此時地面市局站并未錄得降水，此后反射率因子大值中心逐漸向下擴展，表明降水粒子逐漸降落；20：00前后強反射率因子中心接地，最強反射率因子約為30 dBz，云頂高度最高約18 km，積雨云發(fā)展較深厚；20：15市局站開始錄得降水。20：40左右由于強降水導致云雷達探測發(fā)生顯著衰減，反射率迅速因子減弱；21：00以后降水趨于結束，但由于大氣濕度顯著增加，云雷達仍探測到較深厚云層信息。由此可見，在降水發(fā)生前1 h云雷達已經觀測到高層的云層開始發(fā)展，相比于天氣雷達有更多的提前量，對于強降水的預報有一定的指示意義。

4 結論

1）降水發(fā)生前，對流層低層盛行西南風，為廣州地區(qū)輸送大量水汽；近地面存在接近34℃的暖中心，大氣不穩(wěn)定性增強。降水前數(shù)小時，微波輻射計反演的IWV、CAPE和LI已有跡象顯示存在有利于發(fā)生強對流的水汽和熱力條件。

2）FY-4A衛(wèi)星TBB≤-82℃的區(qū)域內或其附近出現(xiàn)明顯閃電、強降水和7級及以上短時大風，9～10級大風易出現(xiàn)在強對流云團邊緣TBB梯度大值區(qū)。

3）風廓線雷達和測風激光雷達的聯(lián)合使用能獲取更加完整的水平風場垂直廓線信息，能夠有效捕捉到強對流過程發(fā)生前的超低空急流特征。

4）云雷達能較好地反映降雨云團的垂直廓線信息，早在降水發(fā)生前1 h就已經探測到高層的云層開始發(fā)展，強反射率因子中心接地后，地面自動站才開始錄得降雨量，這對強降水的預報有一定的指示意義。