張琪 任景軒 肖紅茹 王佳津 肖遞祥

1 四川省氣象臺(tái)，成都 610071

2 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610071

3 中國(guó)人民解放軍 78127 部隊(duì)，成都 610031

1 引言

中尺度對(duì)流復(fù)合體（mesoscale convective complex,MCC）是發(fā)生在中緯度地區(qū)的主要強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)，往往引發(fā)暴雨、龍卷、冰雹和大風(fēng)等劇烈天氣（Maddox et al.,1986）。陶祖鈺等（1998）、楊本湘和陶祖鈺（2005）、江吉喜等（1996）研究均指出，處于青藏高原背風(fēng)側(cè)的四川盆地是MCC的活躍區(qū)，其可能與夏季風(fēng)及西太平洋副熱帶高壓移動(dòng)有關(guān)。從環(huán)流場(chǎng)看，MCC易發(fā)生在西南季風(fēng)北端、準(zhǔn)靜止型東西向切變線(xiàn)或鋒面的西端以及500 hPa西風(fēng)槽線(xiàn)南端三者的交匯處（Fang,1985;Laing and Fritsch,2000），且高溫、高濕與水汽輸送條件較為重要（呂艷彬等,2002）。此外，對(duì)流層頂附近的冷中心輻散反氣旋、邊界層內(nèi)的輻散中尺度高壓和中層的暖中心氣旋性渦旋，三者的高低層配置可產(chǎn)生伴隨有凝結(jié)的深厚上升運(yùn)動(dòng)，利于MCC的發(fā)生發(fā)展（Miller and Fritsch,1991;許健民等,1998）。在移向上，MCC主要沿700～500 hPa平均氣流的右側(cè)運(yùn)動(dòng)，是假相當(dāng)位溫高值的源區(qū)方向。

新一代靜止氣象衛(wèi)星具有高時(shí)空分辨率、連續(xù)觀測(cè)、范圍大等優(yōu)點(diǎn)，是研究中尺度對(duì)流系統(tǒng)的新途徑（Durkee et al.,2009;蔣建瑩和汪悅國(guó),2014;張琪等,2018）。覃丹宇和方宗義（2014）總結(jié)了對(duì)流判識(shí)、對(duì)流追蹤、初生對(duì)流的多光譜云頂特征以及初生對(duì)流判據(jù)等技術(shù)方法，提升了應(yīng)用理論水平。趙文化和單海濱（2018）將衛(wèi)星與雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合使用，在利用紅外亮溫識(shí)別對(duì)流云團(tuán)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步量化了對(duì)流云團(tuán)強(qiáng)度。周鑫等（2019）利用溫度閾值法識(shí)別出深、淺對(duì)流后，分析比較了兩者在對(duì)流初生階段的云頂物理量變化特征，即云頂高度均在短時(shí)間內(nèi)快速上升、云頂降溫率先減小后增大，且深對(duì)流云頂上升高度能超越水汽層高度，深對(duì)流降溫率最低值比淺對(duì)流更低。汪柏陽(yáng)等（2015）指出中尺度對(duì)流系統(tǒng)的初生和成熟階段均有快速發(fā)展對(duì)流RDC（Rapid Developing Convection），其位于對(duì)流云團(tuán)中對(duì)流活動(dòng)最活躍的部位，可為單個(gè)對(duì)流云團(tuán)，也可為對(duì)流體，主要特點(diǎn)是發(fā)展時(shí)間短、云頂降溫率大，表現(xiàn)為云體厚度增加、云頂亮溫急劇下降及云頂相態(tài)變化等。

以往大多數(shù)學(xué)者研究MCC側(cè)重分析其生命史、源地、移動(dòng)路徑、強(qiáng)降水及環(huán)流背景場(chǎng)等，也有學(xué)者分析過(guò)云頂最低黑體溫度（Black Body Temperature,TBB）的演變特征，同時(shí)業(yè)務(wù)工作中對(duì)衛(wèi)星云圖的應(yīng)用分析仍以主觀判斷和定性外推估算為主，對(duì)雷達(dá)、衛(wèi)星聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)及中尺度對(duì)流復(fù)合體的演變規(guī)律和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還十分有限（Vadas and Fritts,2004;Gourley et al.,2010）。四川盆地災(zāi)害性天氣頻發(fā)，而影響系統(tǒng)中MCC占有較大比例（康嵐等,2016），因此本文利用新一代FY-4A靜止衛(wèi)星資料，通過(guò)研究MCC初生和成熟階段的云團(tuán)面積、亮溫梯度、多個(gè)單通道閾值、云頂降溫率及通道差等特征，分析不同階段、不同強(qiáng)度的物理量特征和閾值量，進(jìn)而提前判斷中尺度對(duì)流云團(tuán)的移向、發(fā)展變化，為天氣分析和預(yù)報(bào)提供高價(jià)值線(xiàn)索，提升預(yù)警預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

2 資料與方法

本文主要使用時(shí)間間隔為4 min、空間分辨率為4 km的FY-4A氣象衛(wèi)星資料（http://satellite.nsmc.org.cn/PortalSite/Default.aspx[2021-05-19]）進(jìn)行研究分析，其星下點(diǎn)是（35°N，105°E），全圓盤(pán)掃描時(shí)間是15 min，具體使用了FY-4A多通道掃描成像輻射計(jì)（AGRI）的第10通道7.2μm（記為IR3）和第13通道12μm（記為IR1）的亮溫?cái)?shù)據(jù)。

在Maddox（1980）對(duì)MCC定義基礎(chǔ)上，參考我國(guó)有關(guān)研究成果（楊本湘和陶祖鈺,2005;康嵐等,2016），結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)工作中的發(fā)現(xiàn)，對(duì)判斷標(biāo)準(zhǔn)做了合理的修訂。文中四川盆地MCC的判據(jù)定為：（1）≤221 K冷云區(qū)面積≥5×104km2；（2）持續(xù)時(shí)間≥6 h；（3）冷云區(qū)的橢圓率≥0.7。以≤221 K冷云罩面積≥5×104km2作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分初生和成熟階段，從出現(xiàn)β尺度云團(tuán)至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)為初生階段、自滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)至221 K冷云罩面積最大時(shí)為成熟階段。另外，參考卓鴻等（2012）識(shí)別中尺度對(duì)流系統(tǒng)的方法對(duì)云團(tuán)進(jìn)行自動(dòng)追蹤，并客觀分析四川盆地MCC的演變特征。具體做法為：根據(jù)2018年四川區(qū)域暴雨過(guò)程（前一日20:00至當(dāng)日20:00；四川省氣象局,2014;本文均為北京時(shí)）獲取其對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星資料，然后客觀計(jì)算≤221 K冷云區(qū)的象元數(shù)，并依據(jù)單位象元面積計(jì)算整個(gè)冷云區(qū)面積；再對(duì)≥5×104km2冷云罩面積進(jìn)行時(shí)間序列追蹤，得到目標(biāo)云團(tuán)的維持時(shí)長(zhǎng)；最后根據(jù)維持時(shí)長(zhǎng)≥6 h的目標(biāo)云團(tuán)的最大經(jīng)緯向象元數(shù)求得橢圓率。

根據(jù)衛(wèi)星紅外通道的透射和吸收特性可知，不同通道的衛(wèi)星云圖所代表的物理意義是不同的。水汽通道與紅外通道亮溫差反映了對(duì)流層上層與近地表層之間的相對(duì)距離，趙文化和單海濱（2018）定義層間亮溫差（D）為

其中，T(H2O)、T(IRW)分別表示紅外通道IR3、IR1的云頂亮溫。通常情況下，兩通道權(quán)重落差導(dǎo)致亮溫差呈明顯負(fù)值。但在深對(duì)流云團(tuán)（沖頂對(duì)流云團(tuán)）中，由于強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)中水滴和冰晶增多，液態(tài)水含量和冰水含量較大，對(duì)流云團(tuán)頂部密實(shí)，云頂發(fā)射率接近于黑體，導(dǎo)致紅外通道輻射權(quán)重高度等于云頂高度，而由于上沖水汽進(jìn)入逆溫區(qū)，水汽通道權(quán)重高度大于云頂高度，此時(shí)逆轉(zhuǎn)為正值。因此，根據(jù)此特點(diǎn)不僅可以識(shí)別對(duì)流云團(tuán)，還可以設(shè)置多個(gè)閾值識(shí)別對(duì)流云團(tuán)的強(qiáng)度，此方法稱(chēng)為BTD閾值法。

云頂亮溫梯度是除云頂亮溫之外的另一個(gè)云團(tuán)特征量。云頂亮溫梯度越大，表明云頂?shù)募y理越豐富、起伏越劇烈，即云團(tuán)內(nèi)部的對(duì)流越活躍。本文使用3×3窗口計(jì)算云頂亮溫梯度G，梯度的計(jì)算公式為

其中，T為云頂亮溫（單位：°C），i、j為像素點(diǎn)坐標(biāo)。

另外，云頂降溫率R（cloud top cooling rate）的定義為

即t+1時(shí)刻的亮溫減去t時(shí)刻的亮溫，當(dāng)R為負(fù)值時(shí)，云頂亮溫下降，對(duì)流發(fā)展。本文主要研究IR1、IR3及亮溫差的降溫率。

此外，本地對(duì)流云團(tuán)的形成主要是由云的垂直上升運(yùn)動(dòng)和水平移動(dòng)產(chǎn)生，因此本文使用云像素濾波方法（汪柏陽(yáng)等,2015）剔除第二類(lèi)云團(tuán)，進(jìn)而分析MCC初生和成熟階段的衛(wèi)星云圖特征。

3 MCC初生和成熟階段的面積變化

采用閾值法定量估算MCC面積必須能夠滿(mǎn)足準(zhǔn)確完整描述強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)面積變化的要求。若選擇的閾值過(guò)高，不但會(huì)增加卷云等其他云系的影響，也會(huì)導(dǎo)致MCC面積偏大，降低強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)與環(huán)境場(chǎng)的區(qū)分度，影響分析結(jié)果；若選擇的閾值過(guò)低，則會(huì)忽略MCC初生階段的面積變化特征，導(dǎo)致對(duì)流面積偏小。因此，本研究充分考慮強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)各階段的面積變化特征，選取221 K為MCC面積閾值標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行分析研究。

3.1 MCC面積變化特征

初生階段，MCC在云圖上主要表現(xiàn)2種發(fā)展方式：一是多個(gè)對(duì)流云團(tuán)合并發(fā)展，二是主體云系前端卷云羽附近對(duì)流發(fā)展。本文4個(gè)個(gè)例均為多個(gè)獨(dú)立對(duì)流云團(tuán)合并發(fā)展而成，其初生和成熟階段的時(shí)間如表1所示。

表1 2018年4次MCC個(gè)例的初生和成熟階段Table 1 Convective initiation and mature stages of the MCC(mesoscale convective complex)cases in 2018

云團(tuán)冷層面積的增減是描述云團(tuán)發(fā)展進(jìn)程的有效判據(jù)。一般而言，最低紅外云頂亮溫不斷降低、對(duì)流云團(tuán)面積持續(xù)增大，則MCC在發(fā)展，反之在消亡。由于本文所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)均為分辨率（4 km×4 km）相同的格點(diǎn)場(chǎng)，相鄰四個(gè)格點(diǎn)構(gòu)成的象元面積是固定的（16 km2）。所以，本文使用象元數(shù)間接代表MCC的面積。圖1a是MCC面積時(shí)間變化圖，就整體而言，MCC云團(tuán)面積普遍較大，基本可達(dá)7000象元，個(gè)別可超過(guò)10000象元，與四川盆地MCC發(fā)展旺盛的特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)（康嵐等,2016）。從階段變化看，個(gè)例1的對(duì)流云團(tuán)在初生和成熟兩階段的面積均增長(zhǎng)迅速，帶來(lái)的短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)和小時(shí)雨強(qiáng)也隨之不斷增多（大）（圖1c），而另外3個(gè)個(gè)例的面積變化基本可分為初生階段緩慢增長(zhǎng)和成熟階段快速增長(zhǎng)兩個(gè)階段，這種不同程度的增長(zhǎng)速率是與對(duì)流云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展相對(duì)應(yīng)的，即初生階段的對(duì)流云團(tuán)主要以垂直上升運(yùn)動(dòng)為主，面積變化相對(duì)緩慢，而當(dāng)云頂高度發(fā)展到一定高度進(jìn)入成熟階段后，對(duì)流云團(tuán)的主要發(fā)展方向由垂直向上轉(zhuǎn)變?yōu)樗綌U(kuò)散，向外延伸成砧狀，此時(shí)云團(tuán)面積增加迅速（許健民等,1998）。

為進(jìn)一步定量說(shuō)明MCC對(duì)流云團(tuán)的變化特征，本文分析了MCC云團(tuán)面積15 min變率變化特征（圖1b）。從圖中可以看出，初生和成熟階段的面積變率基本為正值，表明云團(tuán)持續(xù)增大。初生階段的MCC面積基本以小于50 pixels(15 min)?1的速率增長(zhǎng)，而成熟階段初期的增速可達(dá)150～200 pixels(15 min)?1，明顯高于初生階段，表明成熟階段MCC面積增大最為明顯。隨后，MCC面積變率逐漸減小至0附近，此階段造成的短時(shí)強(qiáng)降水面積和小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)最大。

圖1 2018年4次MCC個(gè)例的（a）MCC面積、（b）MCC面積變率以及（c）個(gè)例1的強(qiáng)降水站數(shù)隨時(shí)間的變化。圖a、b中豎直線(xiàn)為初生階段和成熟階段分界線(xiàn)；圖c中箭頭為兩階段分界線(xiàn)Fig.1 Temporal variations of (a)MCCarea,(b)MCC area variability of four cases,(c)the numbers of heavy precipitation stations of case 1.In Figs.a and b,the vertical lines indicate the dividing time between convection initiation and mature stages;in Fig.c,the arrow indicates thedividing time between convection initiation and maturestages

3.2 MCC面積擬合預(yù)報(bào)方程

鑒于MCC對(duì)流云團(tuán)不同階段面積變化特征規(guī)律，通過(guò)擬合MCC面積—時(shí)間函數(shù)可有助于判斷MCC發(fā)展的不同階段。圖2是MCC云團(tuán)面積隨時(shí)間變化的擬合曲線(xiàn)（橫坐標(biāo)時(shí)間以出現(xiàn)β尺度對(duì)流云團(tuán)時(shí)記為0 min），從圖中可看出，四川盆地MCC初生和成熟階段共維持7 h左右，對(duì)流云團(tuán)面積隨時(shí)間變化呈準(zhǔn)線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但初生階段呈緩慢增長(zhǎng)，而成熟階段呈快速增大，并最終增長(zhǎng)至8000象元左右。同時(shí)，擬合函數(shù)y=2.6x2+72.6x+721.1通過(guò)了95%信度水平的顯著性檢驗(yàn)，與對(duì)流云團(tuán)面積變化較為一致，能準(zhǔn)確地描述MCC初生階段和成熟階段的對(duì)流云團(tuán)面積變化特征，可為預(yù)報(bào)四川盆地MCC對(duì)流云團(tuán)面積隨時(shí)間變化及判斷發(fā)展強(qiáng)烈程度提供一定參考。

圖2 MCC云團(tuán)面積隨時(shí)間變化的擬合曲線(xiàn)。豎直線(xiàn)為初生階段和成熟階段分界線(xiàn)Fig.2 Fitting curve for the cloud area of the MCC over time.The vertical lines indicate the dividing time between convection initiation and mature stages

4 MCC初生和成熟階段亮溫梯度的變化特征

從圖3可看出，MCC初生階段的亮溫梯度大值區(qū)主要位于對(duì)流云團(tuán)移動(dòng)方向一側(cè)，可達(dá)30～40°C。結(jié)合環(huán)流場(chǎng)看，其主要位于低空（850 hPa）入流區(qū)和鍥狀云團(tuán)的前沿，表明此階段對(duì)流活動(dòng)較活躍；結(jié)合紅外云頂亮溫看，其范圍主要位于240 K附近，基本全包或半包于對(duì)流云團(tuán)邊緣的221 K等值線(xiàn)區(qū)，說(shuō)明221 K云區(qū)云頂紋理最為豐富、起伏也最為劇烈。成熟階段的紅外云頂亮溫梯度普遍偏小，個(gè)例1的最大亮溫梯度低于20°C，個(gè)例4亮溫梯度稍強(qiáng)，但仍較初生階段有明顯減弱，這主要是由于成熟階段卷云砧的覆蓋使得云團(tuán)云頂紋理平淡，云頂亮溫梯度迅速減小，且基本小于20°C。通過(guò)與云頂?shù)土翜貐^(qū)對(duì)比分析還發(fā)現(xiàn)，最冷云頂亮溫區(qū)的云頂亮溫梯度較小，一方面是發(fā)展旺盛的對(duì)流云團(tuán)云頂高度已接近對(duì)流層頂，本身比較平坦；另一方面，紅外云頂亮溫低值區(qū)會(huì)被發(fā)散的卷云羽覆蓋，而卷云的出現(xiàn)會(huì)進(jìn)一步削弱對(duì)流云體的紋理。

圖3 MCC個(gè)例（a1–d1）初生階段和（a2–d2）成熟階段的紅外云頂亮溫（陰影，單位：K）、亮溫梯度（等值線(xiàn)，藍(lán)線(xiàn)30°C，紅線(xiàn)40°C）、850 hPa風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)羽）：（a1、a2）個(gè)例1；（b1、b2）個(gè)例2；（c1、c2）個(gè)例3；（d1、d2）個(gè)例4Fig.3 Cloud top brightness temperature(shadings,units:K),temperature gradient(contours, blue lines indicate 30°C,red lines indicate 40°C),and 850-hPa wind in the(a1–d1)convective initiation and(a2–d2)mature stages in MCC cases:(a1,a2)Case 1;(b1, b2)case 2;(c1,c2)case 3;(d1,d2)case4

5 MCC初生和成熟階段云頂物理量的變化特征

對(duì)流單體發(fā)展時(shí)，云頂高度不斷升高，導(dǎo)致云頂亮溫不斷降低，且對(duì)流越強(qiáng)，云頂降溫率越大，這一特征可以用紅外通道亮溫、水汽通道亮溫閾值及時(shí)間變化趨勢(shì)來(lái)描述和檢測(cè)。探究初生階段對(duì)流云團(tuán)的云頂物理量特征，可剔除不能強(qiáng)烈發(fā)展的局地對(duì)流云團(tuán)，進(jìn)而了解成熟階段的云頂物理量特征，準(zhǔn)確判斷出云團(tuán)持續(xù)時(shí)間，對(duì)于提高對(duì)流性天氣預(yù)警水平非常關(guān)鍵（馬芳等,2007）。

5.1 云頂紅外（IR1）最低亮溫和水汽通道（IR3）最低亮溫的變化特征

云頂紅外亮溫是反映云團(tuán)發(fā)展強(qiáng)弱的重要特征量之一，而水汽亮溫代表具有一定含量的水汽所能達(dá)到的最高高度。圖4為2018年4個(gè)MCC個(gè)例云頂IR1和IR3最低亮溫值的時(shí)間變化曲線(xiàn)。與對(duì)流云垂直向上延伸發(fā)展過(guò)程中云頂快速升高相對(duì)應(yīng)，初生階段IR1最低亮溫值下降迅速，在幾小時(shí)內(nèi)降至最低（190 K左右）并逐漸穩(wěn)定。在對(duì)流向上發(fā)展的卷挾下，水汽層高度快速抬升，表現(xiàn)為初生階段IR3最低亮溫值快速降低，與IR1變化一致?？偟膩?lái)看，對(duì)流初生階段云頂高度快速上升、亮溫迅速下降，也是MCC出現(xiàn)前期的一種特定狀態(tài)。

圖4 MCC個(gè)例IR1云頂最低亮溫和IR3云頂最低亮溫隨時(shí)間的變化：（a1、a2）個(gè)例1；（b1、b2）個(gè)例2；（c1、c2）個(gè)例3；（d1、d2）個(gè)例4。豎直線(xiàn)為初生階段和成熟階段分界線(xiàn)Fig.4 Variations of minimum brightness temperature(units:K)for IR1(infrared radiation 1 channel)and minima IR3(water vapor channel)in cloud top over timein MCCcases:(a)Case 1;(b)case2;(c)case3;(d)case 4.The vertical linesindicatethedividing time between convection initiation and maturestages

進(jìn)入成熟階段，IR1和IR3最低亮溫有2個(gè)顯著的變化形態(tài)：前期為準(zhǔn)穩(wěn)定下的波動(dòng)、后期為顯著升高。前期穩(wěn)定維持的原因可能是此時(shí)云頂高度和水汽高度已達(dá)最高，云團(tuán)發(fā)展方向變?yōu)樗綌U(kuò)散，對(duì)流云團(tuán)內(nèi)部甚至開(kāi)始出現(xiàn)下沉氣流，故IR1和IR3最低亮溫值無(wú)明顯變化，對(duì)應(yīng)此階段的短時(shí)強(qiáng)降水范圍和小時(shí)雨強(qiáng)在整個(gè)MCC生命史中達(dá)到最強(qiáng)。另外，IR1值普遍比IR3值小，對(duì)流云團(tuán)水汽層權(quán)重高度基本都高于云頂高度，上沖水汽進(jìn)入逆溫區(qū)，意味著研究的對(duì)流云團(tuán)頂部位于對(duì)流層附近或?qū)α鲗禹斨稀?/p>

5.2 IR1和IR3亮溫降溫率

降溫率（R）是有效代表云團(tuán)發(fā)展劇烈程度的特征量之一，當(dāng)R（IR1）<0 K(15 min)?1時(shí)，表明紅外云頂亮溫下降，對(duì)流發(fā)展。從R（IR1）分布圖可看出（圖5），初生階段MCC云團(tuán)R（IR1）均為負(fù)值，且普遍小于?15 K (15 min)?1，而在對(duì)流云團(tuán)發(fā)展移動(dòng)方向前沿的221 K等值線(xiàn)附近，R（IR1）達(dá)到?40 K(15 min)?1以上，是對(duì)流發(fā)展最劇烈、云頂降溫最快區(qū)域，也是亮溫梯度極大值區(qū)，主要原因是此區(qū)域?qū)?yīng)低空的暖濕空氣入流區(qū)，是最強(qiáng)上升氣流核的前沿，而強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)挾卷低層暖濕空氣以很陡的角度上升，一部分向后斜升，一部分直升云頂，加之凝結(jié)潛熱釋放作用，致使紅外云頂亮溫迅速下降，且降溫更為劇烈。成熟階段，R（IR1）明顯減小，數(shù)值基本大于?15 K (15 min)?1，且在部分區(qū)域出現(xiàn)正變溫，表現(xiàn)為正負(fù)相間的分布形態(tài)。從區(qū)域來(lái)看，負(fù)降溫區(qū)也逐漸遠(yuǎn)離240 K線(xiàn)附近。

圖5 MCC個(gè)例（a1–d1）初生階段和（a2–d2）成熟階段IR1云頂亮溫（等值線(xiàn)，單位：K）及其降溫率[陰影，單位：K (15 min)?1]分布：（a1、a2）個(gè)例1；（b1、b2）個(gè)例2；（c1、c2）個(gè)例3；（d1、d2）個(gè)例4Fig.5 Cloud top brightness temperature(contours,units:K)for IR1 and cooling rate[shadings, units:K(15 min)?1]in the(a1–d1)convective initiation and (a2–d2)maturestagesin MCC cases:(a1,a2)Case 1;(b1, b2)case2;(c1,c2)case3;(d1,d2)case 4

此外，MCC初始階段的云團(tuán)頂部（198 K線(xiàn)）總是偏向強(qiáng)降溫率一側(cè)，并且靠近亮溫梯度大值區(qū)；而成熟階段其位置基本處于云團(tuán)中央位置，但受云團(tuán)面積、強(qiáng)度發(fā)展變化影響，逐漸偏離強(qiáng)降溫區(qū)且區(qū)域亮溫梯度變小。因此，當(dāng)云團(tuán)頂部位于強(qiáng)降溫區(qū)和亮溫梯度大值區(qū)附近時(shí)，預(yù)示著對(duì)流云團(tuán)處于初始階段，具有較強(qiáng)的上升氣流，未來(lái)發(fā)展旺盛。

R（IR3）在MCC初生和成熟階段的分布形態(tài)與R（IR1）較相似，大值區(qū)分布一致性較好（圖6）。初始階段的240 K等值線(xiàn)附近為顯著降溫區(qū)，R（IR3）普遍介于?25～?15 K (15 min)?1之間，最低可達(dá)?35 K(15 min)?1，降溫幅度明顯低于IR1，即初始階段，IR1比IR3亮溫下降更顯著，表明對(duì)流云團(tuán)云頂高度上升速度較水汽層高度上升速度更快。而成熟階段，R（IR3）較初生階段降低明顯，最大僅達(dá)?15 K (15 min)?1，小于同時(shí)期的R（IR1）；從位置來(lái)看，伴隨降溫幅度減小的同時(shí)，負(fù)降溫區(qū)也逐漸遠(yuǎn)離主體云團(tuán)。

圖6 同圖5 ，但為IR3的亮溫（等值線(xiàn)，單位：K）及其降溫率[陰影，單位：K (15 min)?1]分布Fig.6 As in Fig.5, but for cloud top brightness temperature(contours, units:K)for IR3(water vapor channel)and cooling rate[shadings,units:K(15 min)?1]

總體而言，可發(fā)展為MCC的對(duì)流云團(tuán)紅外云頂亮溫和水汽亮溫變化較快，初始階段和成熟階段的R（IR1、IR3）均為負(fù)值，并以初始階段下降最為明顯，且最明顯區(qū)域?yàn)槌跏茧A段低層入流區(qū)一側(cè)。

5.3 IR3與IR1亮溫差

衛(wèi)星觀測(cè)資料和輻射傳輸分析表明，對(duì)流云團(tuán)水汽與紅外窗區(qū)通道亮溫差亮溫差具有顯著特征，其可提供云頂高度相對(duì)于對(duì)流云頂?shù)奈恢?，通常其值為?fù)，亮溫差的時(shí)間變率可檢測(cè)積云相對(duì)對(duì)流云頂?shù)脑鲩L(zhǎng)情況，直接體現(xiàn)云團(tuán)在對(duì)流層中的增長(zhǎng)速度。

5.3.1亮溫差的空間分布

從MCC個(gè)例初始、成熟階段的IR1云頂亮溫和亮溫差的分布（圖7）可以看出，亮溫差正負(fù)值區(qū)分界線(xiàn)基本與221 K等值線(xiàn)重合，低于221 K區(qū)域?yàn)榱翜夭钫祬^(qū)、高于221 K區(qū)域?yàn)榱翜夭钬?fù)值區(qū)。初生階段，正值區(qū)亮溫差主要介于0～3 K之間，最高可達(dá)12 K，表明云頂發(fā)展最高的部分位于云團(tuán)的主體附近，此時(shí)已是發(fā)展至對(duì)流層頂或是對(duì)流層之上的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)。由于MCC系統(tǒng)中上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱分布不均，亮溫差空間分布也不均，如個(gè)例1、3、4的亮溫差大值區(qū)主要出現(xiàn)在亮溫梯度的大值區(qū)，而個(gè)例2則表現(xiàn)不明顯。成熟階段，個(gè)例1、2、3的亮溫差主要介于0～3 K之間，大值不超過(guò)6 K，由于個(gè)例4 MCC為原地生消，且不斷有新對(duì)流單體生成、發(fā)展，亮溫差值略大于其他個(gè)例，但整體大值范圍較初始階段明顯減小，這也說(shuō)明，初始階段的云團(tuán)增長(zhǎng)速度要大于成熟階段。總的來(lái)看，亮溫差極大值出現(xiàn)在初始階段，集中在203 K等值線(xiàn)附近，最大值范圍為6～10 K，有的甚至超過(guò)12 K，為云團(tuán)發(fā)展增長(zhǎng)最為迅速時(shí)段。成熟階段亮溫差減小至0～6 K。

圖7 MCC個(gè)例（a1–d1）初生階段和（a2–d2）成熟階段IR1云頂亮溫（等值線(xiàn)，單位：K）和水汽通道與紅外通道亮溫差（陰影，單位：K）分布：（a1、a2）個(gè)例1；（b1、b2）個(gè)例2；（c1、c2）個(gè)例3；（d1、d2）個(gè)例4Fig.7 Cloud top brightness temperature(contours, units:K)and brightness temperature differences(shadings,units:K)between IR3 and IR1 in the(a1–d1)convectiveinitiation and (a2–d2)mature stagesin MCCcases:(a1,a2)Case1;(b1, b2)case 2;(c1,c2)case 3;(d1,d2)case4

5.3.2亮溫差時(shí)間序列變化

亮溫差雖不能直接量化對(duì)流云團(tuán)的對(duì)流強(qiáng)度，但可以量化其強(qiáng)度等級(jí)。圖8為MCC個(gè)例中任意點(diǎn)從無(wú)云發(fā)展至主云體的亮溫差值隨時(shí)間的變化。從圖中可看出，亮溫差的時(shí)間變率分布較一致，且變化特征明顯，即緩慢增長(zhǎng)（相對(duì)穩(wěn)定）—極速增長(zhǎng)—穩(wěn)定維持的三階段變化形式。緩慢增長(zhǎng)階段，亮溫差起始數(shù)值基本保持在?40～?30 K之間；極速增長(zhǎng)階段，亮溫差在30～60 min時(shí)間內(nèi)陡增至零值附近，最強(qiáng)的時(shí)間變化率達(dá)15 K min?1之多；穩(wěn)定維持階段，亮溫差基本在0～5 K之間波動(dòng)變化。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，極速增長(zhǎng)階段屬初始階段后期，即對(duì)流云團(tuán)在初始階段已經(jīng)出現(xiàn)上沖云頂現(xiàn)象，云頂已發(fā)展至對(duì)流層頂附近；穩(wěn)定維持階段，代表已經(jīng)進(jìn)入成熟階段。

圖8 MCC個(gè)例的亮溫差（單位：K）隨時(shí)間的變化：（a1、a2）個(gè)例1；（b1、b2）個(gè)例2；（c1、c2）個(gè)例3；（d1、d2）個(gè)例4Fig.8 Temporal variationsfor brightnesstemperature differences(units:K)in MCC cases:(a)Case 1;(b)case 2;(c)case3;(d)case4

5.3.3亮溫差的降溫率

亮溫差值隨時(shí)間的變率可檢測(cè)積云相對(duì)于對(duì)流層頂?shù)脑鲩L(zhǎng)情況，并能反映云在對(duì)流層中的增長(zhǎng)速度信息。初始階段（圖9），R（D）與R（IR1）分布形態(tài)基本一致，較大的正值區(qū)出現(xiàn)在對(duì)流云團(tuán)發(fā)展移動(dòng)方向前沿的221 K等值線(xiàn)附近，屬對(duì)流云團(tuán)的低層入流區(qū)，此區(qū)域上升速度最大、對(duì)流活動(dòng)最為劇烈，R（D）值均可達(dá)到20 K(15 min)?1以上；成熟階段，R（D）強(qiáng)度減弱，基本保持在0 K，個(gè)別區(qū)域可達(dá)10～15 K (15 min)?1左右。對(duì)比來(lái)看，R（D）變化與云團(tuán)任意一點(diǎn)D值的時(shí)間序列變化一致，表現(xiàn)為：初始階段發(fā)展最為強(qiáng)烈、增長(zhǎng)最為迅速，而成熟階段的云團(tuán)已發(fā)展到頂盛，基本保持穩(wěn)定、不會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。

圖9 MCC個(gè)例（a1–d1）初生階段和（a2–d2）成熟階段的亮溫差（等值線(xiàn)，單位：K）及其降溫率[陰影，單位：K (15 min)?1]分布：（a1、a2）個(gè)例1；（b1、b2）個(gè)例2；（c1、c2）個(gè)例3；（d1、d2）個(gè)例4Fig.9 Brightness temperature differences(contours,units:K)and cooling rate[shadings,units:K (15 min)?1]in the(a1–d1)convective initiation and(a2–d2)maturestagesin MCC cases:(a1,a2)Case 1;(b1, b2)case2;(c1,c2)case3;(d1,d2)case 4

6 結(jié)論與討論

使用高頻次的FY-4A衛(wèi)星資料，通過(guò)研究四川盆地2018年4個(gè)MCC個(gè)例的初生和成熟階段的衛(wèi)星云圖特征，初步得出特征較顯著的多個(gè)物理量特征及其閾值，主要結(jié)論如下：

（1）MCC對(duì)流云團(tuán)面積在初生和成熟兩階段均呈不同速度的增長(zhǎng)，分別為初生階段0～50 pixels(15 min)?1左右的緩慢增長(zhǎng)和成熟階段150～200 pixels(15 min)?1的快速增加，最大可增長(zhǎng)至7000～10000 pixels左右。

（2）亮溫梯度大值區(qū)在初生階段位于低空入流區(qū)一側(cè)，集中在云頂紋理最為豐富的240 K等值線(xiàn)附近，最大為30°C～40°C；成熟階段時(shí)云頂紋理平淡，亮溫梯度迅速減小至20°C以下。

（3）IR1和IR3云頂最低亮溫值在初生和成熟兩階段的變化趨勢(shì)較一致，均為初生階段迅速下降，于幾小時(shí)內(nèi)下降至最低（約190 K）后進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定的波動(dòng)變化和顯著升高變化的成熟階段。

（4）初始階段和成熟階段的R（IR1、IR3）均為負(fù)值，初始階段下降最為明顯，最顯著區(qū)域位于低層入流區(qū)一側(cè)，降溫率達(dá)?40 K (15 min)?1；成熟階段降溫區(qū)遠(yuǎn)離240 K等值線(xiàn)，降溫幅度較小，R值普遍升至?25～?10 K (15 min)?1。

（5）MCC主體云區(qū)初生和成熟階段的亮溫差正負(fù)值區(qū)分界線(xiàn)基本與221 K等值線(xiàn)重合，最大值分別為6～10 K和0～6 K。初始階段低層入流區(qū)的R（D）變化最劇烈，達(dá)15～20 K (15 min)?1之多。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，增加了MCC云頂亮溫梯度、單通道和通道差以及云頂降溫率等物理量的分析，一定程度上明晰了其量化特征，在業(yè)務(wù)實(shí)踐中具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。但由于靜止衛(wèi)星掃描區(qū)域受限、個(gè)例資料缺測(cè)，對(duì)流發(fā)展過(guò)程數(shù)據(jù)不完整，導(dǎo)致入選研究的個(gè)例減少，部分結(jié)論還有待更多個(gè)例驗(yàn)證及完善。