龍利民,張萍萍,張寧

(武漢中心氣象臺,湖北武漢 430074)

0 引言

暴雨是湖北省主要災(zāi)害天氣之一,其時空分布極不均勻,特別是盛夏季節(jié)具有明顯的地域性和突發(fā)性。常規(guī)觀測手段難以獲取其隨時間、空間的演變信息,所以我國學(xué)者劉文等[1]主要是通過遙感、張羽等[2]和沈桐立等[3]采用模式模擬的方法來對暴雨過程進(jìn)行診斷分析。由于微波具有穿透云雨的能力,因此微波遙感便成為監(jiān)測降水的有效手段[4-7]。

我國2008年發(fā)射的FY-3A極軌衛(wèi)星光譜范圍廣、探測通道多、空間分辨率高,衛(wèi)星上攜帶有先進(jìn)的微波探測儀器和紅外垂直探測儀,不僅可以了解云和大氣的表面特性,而且可以了解大氣溫度、濕度的垂直分布,為暴雨的監(jiān)測和預(yù)報提供了更多氣象信息,尤其是其攜帶的微波濕度計監(jiān)測資料能清晰地反映強(qiáng)降雨云團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征,可以幫助我們對暴雨云團(tuán)結(jié)構(gòu)認(rèn)識得更深刻。

本文以2008年7月22日襄樊地區(qū)特大暴雨為例,試圖利用FY-3A攜帶的微波濕度計獲取的信息,對襄樊特大暴雨過程中10:00—11:00強(qiáng)降水進(jìn)行更深入的分析。

1 FY-3A微波濕度計

FY-3A極軌衛(wèi)星是中國首顆高性能綜合探測衛(wèi)星,它搭載了可見光紅外掃描輻射計、中分辨率光譜成像儀、微波成像儀等11個有效載荷,可以對全球天氣和環(huán)境實現(xiàn)全天候、三維、定量、多光譜遙感。所搭載的微波濕度計共有5個探測通道,主探測頻率為183.31 GHz,可以獲取大氣層不同高度的濕度分布信息;150 GHz為輔助探測頻率,為大氣窗區(qū),采用雙通道、雙極化,除用來修正主探測通道的數(shù)據(jù)外,還可以用來探測云中含水量和強(qiáng)降雨、卷云等大氣參數(shù)。微波濕度計的主要任務(wù)是探測大氣濕度垂直分布、水汽含量、云中液態(tài)水含量、降水等,為數(shù)值模式同化提供重要參數(shù)。其主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo)見表1。針對5個通道產(chǎn)品意義,計算出如下特征量:

(1)hv=hs2-hs1:極化差(單位:K);

(2)hv1=hs2/hs1:極化比(無量綱);

(3)pct=(1+a)×hs1-a×hs2:極化修正亮溫(單位:K),a=0.818 1;

(4)hs34=hs3-hs4:3、4通道亮溫差(單位:K);

(5)hs35=hs3-hs5:3、5通道亮溫差(單位:K);

(6)hs45=hs4-hs5:4、5通道亮溫差(單位:K);

(7)sdl:深對流分布,其判識算法為:hs34≥0,hs35≥0,hs45≥0(單位:K);

(8)cddl:沖頂對流分布,其判識算法為:hs35≥hs34≥hs45≥0(單位:K)。

其中:hs1、hs2、hs3、hs4、hs5分別代表5個通道的亮溫值(單位:K)。

2 天氣實況

2008年7月22日,受500hPa西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)穩(wěn)定少動的西南暖濕氣流、700hPa和850hPa低渦切變、低空及超低空急流(18～20m/s急流核)、近地面弱冷空氣侵入的共同影響,湖北省西部、北部發(fā)生了一次暴雨到大暴雨、局部特大暴雨的天氣過程,強(qiáng)降水中心位于襄樊,24h雨量達(dá)306.5mm,是襄樊市有氣象記錄以來最強(qiáng)的一次特大暴雨過程,給人民群眾的生產(chǎn)生活帶來重大影響,并造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。從襄樊自動站雨量時間變化(圖1a)可以看出,主要降水時段發(fā)生在22日04:00—13:00,1h雨強(qiáng)超過20mm的時段為22日06:00—11:00,小時最大雨強(qiáng)為42.9mm,發(fā)生在10:00—11:00。從10:00—11:00湖北省雨量的空間分布(圖1b)可知,鄂西北只有襄樊出現(xiàn)了強(qiáng)降水,其他站點(diǎn)降水較弱,說明襄樊地區(qū)的強(qiáng)降水具有局地性強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖1 2008年7月22日02:00—20:00襄樊雨量隨時間的變化(a)以及10:00—11:00湖北省雨量的分布(b;單位:mm)Fig.1 (a)T im e variation of rainfall from02:00to20:00BST and(b)distribution of rainfall from10:00to11:00BST on22 July2008

3 暴雨云團(tuán)微波特征分析

由于FY-3A微波濕度計產(chǎn)品一天只有兩個時次,時間分別為10時和22時左右,而襄樊特大暴雨逐時最大雨強(qiáng)正好發(fā)生在10:00—11:00,因此,本文選擇2008年7月22日10:07的FY-3A微波濕度計資料對襄樊10:00—11:00的強(qiáng)降水進(jìn)行深入分析。

3.1 通道亮溫特征分析

FY-3A微波濕度計的1、2兩個探測通道的中心頻率為150GHz,為窗區(qū)通道,受冰態(tài)和液態(tài)降水粒子散射衰減較強(qiáng)。而中心頻率處于183.31GHz的3、4、5通道,主要吸收成分為水汽,受冰態(tài)降水粒子影響較大,并且能夠反映降水云團(tuán)中上層水汽特征,因此從5個通道的微波亮溫圖中可以進(jìn)行暴雨云團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征分析[8-10]。

圖2 2008年7月22日10:07五個通道的亮溫分布(a,b,c,d,e)以及極化修正亮溫(f)(圖中紅點(diǎn)為襄樊站;單位:K)a.hs1;b.hs2;c.hs3;d.hs4;e.hs5;f.pctFig.2 B rightness temperature distributions of the five channels and the m odified polarization ratio of brightness temperature(The red dots stand for X iangfan Station;units:K) a.hs1;b.hs2;c.hs3;d.hs4;e.hs5;f.pct

圖2為2008年7月22日10:07襄樊特大暴雨發(fā)展到最強(qiáng)階段5個通道的微波亮溫分布。從hs1、hs2圖上可以看出,10:07在湖北省西部有呈東北—西南向分布的對流云系活動,小于200K的對流云區(qū)中分裂出兩個分別小于180K的強(qiáng)對流中心,而襄樊正好處于兩個對流中心的過渡帶中。從hs3、hs4、hs5圖上同樣可以看到,襄樊處于兩個低值中心的過渡地帶。由于hs3、hs4、hs5分別反映400 hPa、600hPa、800hPa水汽分布特征,因此從亮溫分布圖上可以看到從低層至高層有強(qiáng)的水汽輸送。從5個通道的亮溫分布得知,10:07襄樊正處于兩個深厚降水云團(tuán)的夾縫地帶,該處分布著大量的冰粒子和云中水粒子,亮溫梯度較大,對流極為強(qiáng)烈,這是造成襄樊短時強(qiáng)降水的一個重要原因;另外,從800 hPa到400hPa,襄樊上空有較明顯的水汽輸送帶,說明從低層到高層的水汽供應(yīng)非常充分,這也是造成襄樊短時強(qiáng)降水的另一個重要原因;最后,5個通道亮溫圖顯示,襄樊處于一條東北—西南向的對流云帶中,并且有3個水汽含量充分的對流云團(tuán)依次向東北推進(jìn),產(chǎn)生“列車效應(yīng)”相繼影響襄樊,導(dǎo)致特大暴雨的發(fā)生。此外,盡管5個通道都能反映出處于襄樊附近的深厚對流云區(qū),但3、4通道亮溫圖上對流云團(tuán)的亮溫梯度較小,而1、2、5通道亮溫圖上的亮溫梯度非常明顯,說明1、2、5通道能夠更好地探測到云頂冰晶層的散射效應(yīng),可以幫助預(yù)報員有效地判斷雨強(qiáng);同時由于雨水主要存在于對流層的中下部,因此亮溫的下降主要出現(xiàn)在權(quán)重高度較低的通道,而權(quán)重高度較高的其他兩個通道亮溫變化不大。

3.2 極化特征的分析

微波濕度計在150GHz頻率上提供了不同的極化方式,其中1通道極化方式為V(水平)極化,2通道極化方式為H(垂直)極化,不同的極化方式從不同的角度識別云體,反映不同的云體散射信息[11],從而能夠更加深入地了解強(qiáng)降水云團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中,極化修正亮溫(pct)的低值區(qū)域通常對應(yīng)著強(qiáng)降水區(qū),關(guān)于極化比和極化差在暴雨云團(tuán)分析方面的研究較為少見,這里將做一個初步的嘗試。

圖2f為2008年7月22日10:07襄樊特大暴雨發(fā)展到最強(qiáng)階段的極化修正亮溫,兩個低值中心與hs1圖位置大致相同,襄樊附近的低值中心中同樣也出現(xiàn)了兩個亮溫小于185K的強(qiáng)對流中心,襄樊處于兩個強(qiáng)對流中心的過渡地帶,這進(jìn)一步說明了當(dāng)時襄樊正處于一個強(qiáng)烈不穩(wěn)定的區(qū)域。圖3a為極化差圖像,湖北省西部雨帶處于正值帶與負(fù)值帶之間,襄樊處于一個正值中心和負(fù)值中心的過渡地帶。圖3b為極化比圖像,同樣可以看出襄樊處于大、小值中心(閾值為1)的過渡地帶。關(guān)于暴雨云團(tuán)的極化特征,目前并沒有明確的解釋,不過研究表明,當(dāng)散射粒子的粗糙度變大時,極化差的值會變小,而其中的大、小值中心的夾縫地帶就是對流發(fā)展最為旺盛的地方,導(dǎo)致很大的雨強(qiáng)。

3.3 深對流與沖頂對流的分析

研究證明,當(dāng)對流云頂超過10km,被稱作深對流,如果云頂高度超過14km,被稱作上沖云頂[12],深對流區(qū)是劇烈降水產(chǎn)生的重要載體。目前紅外探測深對流主要采用云頂亮溫閾值法[13-15],通常用云頂亮溫低于-38℃作為判別深對流的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)云頂亮溫低于-65℃作為沖頂對流云的標(biāo)準(zhǔn)。由于紅外通道的光譜特性,有時很難區(qū)分深對流云和卷云,而微波具有穿透云雨的獨(dú)特優(yōu)勢,可以揭示云團(tuán)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征,為強(qiáng)對流的準(zhǔn)確識別提供幫助。深厚對流伴隨著濃度較高的冰粒子,而183.31GHz附近的水汽通道,對冰水含量的變化尤為敏感[16-17],研究表明,利用高頻微波波段探測深對流云砧下對流核具有很好的優(yōu)勢。

圖3 2008年7月22日10:07極化特征分布(圖中紅點(diǎn)為襄樊站) a.極化差(單位:K);b.極化比Fig.3 Distributions of polarization characteristic at10:07BST22July2008(The red dots stand for X iangfan Station)a.polarization difference(units:K);b.polarization-radio

微波濕度計的3、4、5通道的中心頻率分別為183.31±1、183.31±3、183.31±7GHz,依次位于強(qiáng)水汽吸收線的中心到邊緣位置,探測權(quán)重高度隨頻率逐漸靠近吸收線中心而升高,主要用于反演大氣水汽的垂直分布。由于探測權(quán)重高度不同,輻射傳輸過程中受冰粒子的散射影響也不盡相同,3個水汽通道之間存在亮溫差異,183.31±7GHz通道能穿透對流云上部的冰晶層,到達(dá)其下部的液態(tài)水成物區(qū)域,而183.31±1GHz通道只能探測到對流層上部的冰晶層。不同通道對冰物質(zhì)具有不同的敏感性,冰水的混合屬性,包括相態(tài)、形態(tài)和尺度分布對高低頻亮溫的變化都非常重要,這種差異與對流云的強(qiáng)弱密切相關(guān),因此可以利用多通道組合來反演對流云。

圖4為2008年7月22日10:07和21:57的微波濕度計水汽通道的垂直亮溫差,其中亮溫差為權(quán)重函數(shù)高的通道減去權(quán)重函數(shù)低的通道。10:07,在3個垂直亮溫分布圖上,湖北省西部的正亮溫差與上面提到的對流云系吻合較好。襄樊處于兩個正值中心之間的夾縫地帶。從圖3可以得知,在對流云區(qū)中,hs4

圖4 2008年7月22日10:07(a,c,e)和21:57(b,d,f)垂直亮溫差的分布(圖中黑點(diǎn)為襄樊站;單位:K)a,b.hs34;c,d.hs35;e,f.hs45Fig.4 Distributions of vertical brightness temperature difference at(a,c,e)10:07BST and(b,d,f)21:57BST22July 2008(The black dots stand for Xiangfan Station;units:K) a,b.hs34;c,d.hs35;e,f.hs45

為了更好地了解微波資料在對流云內(nèi)外的亮溫變化規(guī)律,將2008年7月22日10:07襄樊上空對流云團(tuán)作為分析對象,選取穿過襄樊的一條掃描線(圖5a)資料進(jìn)行微波亮溫分析。圖5是掃描線上的3個水汽通道的亮溫變化圖,圖中出現(xiàn)了3個下降區(qū),A-C之間穿過第1個對流云團(tuán),C-D之間穿過第2個對流云團(tuán)。掃描線未進(jìn)入對流區(qū)之前,3個通道的亮溫大小序列為:hs5>hs4>hs3,進(jìn)人對流區(qū)后(圖5b中A處),除了hs3表現(xiàn)平穩(wěn)外,hs4、hs5出現(xiàn)了下降,且hs5下降的幅度大于hs4,此外,hs3、hs4、hs5的亮溫分布出現(xiàn)逆轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)變?yōu)閔s3>hs4>hs5,到了B處(襄樊站點(diǎn)附近),hs4、hs5都出現(xiàn)了輕微的上升趨勢,hs3表現(xiàn)平穩(wěn),這說明襄樊并不是處于最低亮溫處,過了B點(diǎn),hs4、hs5的值繼續(xù)下降,直到C處,然后進(jìn)入第2個對流云團(tuán)中,亮溫繼續(xù)下降。對流云區(qū)內(nèi)不同通道亮溫下降幅度不同的主要原因在于:離水汽吸收中心越遠(yuǎn),探測對流云的深度越深,可以感受來自對流云中低層的更多的冰粒子散射影響,其亮溫下降也越快,顯然3個水汽通道亮溫差的大小對于對流發(fā)展的程度有很大的關(guān)系。

為了進(jìn)一步判斷深對流云以及沖頂對流云區(qū),繼續(xù)分析掃描線上通道亮溫差hs34、hs35、hs45的變化特征,圖5給出了對應(yīng)的亮溫差的分布,圖中出現(xiàn)3個明顯的上升區(qū),代表著掃描線穿過的3個對流云團(tuán),其中第1、2個對流云團(tuán)非常接近,屬于1個大的對流云團(tuán)中分裂出來的2個小的對流中心。從圖中可以看出,掃描線未進(jìn)入對流區(qū)(圖6中A處)之前,hs35hs45>hs34的趨勢,到了C處,hs35的值出現(xiàn)下降,略低于hs45,這說明在C處,掃描線已經(jīng)穿越了第1個對流云區(qū),但由于兩個對流云區(qū)同屬一片降水云系,因此hs35的值依舊大于hs34的值,說明此處,深對流減弱,過了C點(diǎn),hs35的值繼續(xù)上升超過hs45,恢復(fù)到hs35>hs45>hs34的趨勢,直至D點(diǎn)。

綜上所述,在非對流云區(qū),呈現(xiàn)如下規(guī)律:hs45<0,hs34<0,hs35<0,且hs45>hs34>hs35,進(jìn)入對流云區(qū)后,結(jié)果出現(xiàn)了反轉(zhuǎn),表現(xiàn)為:hs34>0,hs35>0,hs45>0,hs35>hs45>hs34>0,且亮溫差從邊緣到核心逐漸增加,而在襄樊地區(qū),這種趨勢有所下降,但仍然維持。

據(jù)有關(guān)研究[12]表明,深對流的判據(jù)為:假設(shè)觀測發(fā)生在星下點(diǎn)的位置,hs34≥0,hs35≥0,hs45≥0;而沖頂對流的判據(jù)為:hs35≥hs34≥hs45≥0。因此,襄樊地區(qū)存在深對流,但是并沒有達(dá)到?jīng)_頂對流的程度,而正是這種深厚的對流系統(tǒng)導(dǎo)致了襄樊的強(qiáng)降水。

圖5 7月22日10:07hs5穿越對流云掃描線標(biāo)識(a)以及FY-3A微波濕度計水汽通道對流云區(qū)亮溫的變化(b)Fig.5 (a)Identification of scan line through the convective cloud and(b)variation of brightness temperature of the convective cloud zone in FY-3A microwave hygrometer water vapor channel at10:07BST22July

圖6 7月22日10:07FY-3A微波濕度計水汽通道亮溫差在對流云區(qū)的變化Fig.6 Variation of brightness temperature difference in FY-3A microwave hygrometer at10:07BST22 July

4 結(jié)論

短時強(qiáng)降水通常會伴隨強(qiáng)烈對流,并帶來嚴(yán)重的氣象災(zāi)害,紅外通道衛(wèi)星資料難以探測到這些強(qiáng)降水云團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),而微波資料具有穿透云的獨(dú)特能力,能夠探測到暴雨云團(tuán)的內(nèi)部特征和垂直結(jié)構(gòu),因此,本文利用FY-3A微波濕度計資料對2008年7月22日10:00—11:00的襄樊短時強(qiáng)降水中的云團(tuán)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了深入的分析,得到如下結(jié)論:

(1)微波濕度計1、2通道亮溫表明,襄樊站點(diǎn)處于一個對流云團(tuán)的中心地帶,該對流云團(tuán)中分裂出兩個對流核,而襄樊恰好處于兩個對流核的夾縫地帶中,不穩(wěn)定性加強(qiáng),在這些邊緣地帶通常伴隨著強(qiáng)烈對流天氣,此外,還能夠推斷出襄樊地區(qū)暴雨產(chǎn)生的另一個原因——“列車效應(yīng)”;從三個水汽通道亮溫分布來看,3、4、5通道都有明顯的低值區(qū)域,因此能夠說明襄樊強(qiáng)降水發(fā)生時,整層水汽非常充沛。

(2)微波極化特征分析同樣表明,襄樊處于極化比和極化差的大、小值的夾縫地帶,這些地帶通常伴隨著強(qiáng)對流天氣。

(3)深對流和沖頂對流分析表明,襄樊處于深對流云區(qū)的中心地帶,而沖頂對流不明顯。

[1] 劉文,龔佃利,趙玉金,等.GMS氣象衛(wèi)星在暴雨災(zāi)害遙感監(jiān)測中的應(yīng)用[J].國土資源遙感,2002(4):14-16.

[2] 張羽,牛生杰,于華英,等.雷州半島“07.8”致洪特大暴雨的數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué)學(xué)報,2010,33(1):47-57.

[3] 沈桐立,曾瑾瑜,朱偉軍,等.2006年6月6—7日福建特大暴雨數(shù)值模擬和診斷分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報,2010,33(1):14-24.

[4] Kidder S Q,Goldberg M D,Zehr R M,et a1.Satellite analysis of tropical cyclones using the Advanced Microwave Sounding Unit(AMSU)[J].Bull AmerM eteor Soc,2000,81(6):1241-1259.

[5] Velden C S,Goodman B M,Merrill R T.Western North Pacific tropical cyclone intensity estimation from NOAA polar-orbiting satellite microwave data[J].Mon Wea Rev,1991,119(1):159-168.

[6] Wentz F J,Meissner T.2004,updated daily:AMSR-E/Aqua L2B Global Swath Ocean Products derived from Wentz Algorithm V001,2004[R].Boulder,CO,USA:National Snow and Ice Data Center,2004.

[7] 王瑾,江吉喜.AMSU資料揭示的不同強(qiáng)度熱帶氣旋熱力結(jié)構(gòu)特征[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2005,16(2):160-165.

[8] 劉松濤,嚴(yán)衛(wèi).利用AMSR-E對臺風(fēng)“泰利”的初步分析[J].熱帶海洋學(xué)報,2006,25(5):7-30.

[9] 季良達(dá),張鳳英,李小龍.利用微波做短時強(qiáng)降水估計[J].海洋預(yù)報,2004,21(1):71-74.

[10] 傅云飛,宇如聰,崔春光,等.基于熱帶測雨衛(wèi)星探測的東亞降水云結(jié)構(gòu)特征的研究[J].暴雨災(zāi)害,2007,26(1):9-20.

[11] 施志馥,張俊榮.微波遙感的極化研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,1992,7(1):1-5.

[12] 方翔,邱紅,曹志強(qiáng),等.應(yīng)用AMSU-B微波資料識別強(qiáng)對流云區(qū)的研究[J].氣象,2008,34(3):22-30.

[13] 紀(jì)玲玲,孔玉壽,譚永強(qiáng),等.東南沿海地區(qū)中α尺度雷暴云團(tuán)衛(wèi)星云圖特征分析[J].氣象科學(xué),2005,25(2):158-164.

[14] 岳彩軍,端義宏,雷小途,等.衛(wèi)星資料在登陸熱帶氣旋降水研究中的應(yīng)用[J].氣象科學(xué),2005,25(4):433-439.

[15] 陳剛毅,趙麗妍.氣象衛(wèi)星TBB資料的交叉預(yù)報誤差及其暴雨實例分析[J].氣象科學(xué),2006,26(5):553-557.

[16] Adler R F,M ark R A,Prasad N,et al.Aircraftm icrowave observations and simulations of deep convection from18to183 GHz,PartⅠ.Observation[J].J Atmos Ocean Techno,1990,7:377-391.

[17] Hong G,Heygster G,Kunzi K.Intercom parison of deep convective cloud fractions from passive infrared and microwave radiance measurements[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2005,2(1):28-22.