FY-4A产品在秦巴山区对流天气中的应用分析_曹学君.pdf

文章编号：1674 2184(2023)01 0065 06FY-4A 产品在秦巴山区对流天气中的应用分析曹学君1,王钊2*,白爱娟1,杨亦典3,张燕4（1.成都信息工程大学,成都610225；2.陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心,西安710014；3.陕西省西安市气象台,西安710016；4.四川省凉山州气象局,西昌615000）摘要：以秦巴山区一次强对流天气过程为例，分析中国新一代静止气象卫星 FY-4A 多种产品的特征，揭示 FY-4A 产品在山区复杂地形下，应用于当地对流检测的效果。结果表明：FY-4A 的云顶高度、云顶温度产品可以反映出对流初生、平移和成熟的特征，而云高、云温变率效果更加明显，还能有效区分对流成熟和减弱；FY-4A 的对流初生产品和闪电产品没有检测到这次强对流天气，只有在对流云水平尺度较大、与环境背景对比明显时才有显示；FY-4A 的云顶高度、云顶温度产品及其变率可以作为秦巴山区本地化对流检测和短时强降水预警的支持数据。关键词：FY-4A；秦巴山区；对流初生；卫星产品中图分类号：P458.3;P407文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-2184.2023.01.008 引言引言气象学上，对流指的是大气中的物理过程，如阵雨、阵雪、一般性雷暴等，根据过程的强弱又可分为一般对流和强对流，通常强对流伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷等灾害性天气1 2。根据中央气象台定义，出现20 mmh1短时强降水等天气时就可以判断为强对流3 4。强对流天气易引发各种自然灾害，且发展迅速，预报难度大。卫星遥感可以提高天气的监测能力，对流天气预警的关键就是如何利用好这些遥感数据。卫星资料现已被应用于大气成分、冰河、冰云等多种目标监测中，还能进行降水特征、三维结构分析和对流天气识别5 7。FY-4A 作为中国新一代静止气象卫星，装载的多通道扫描辐射成像计（AdvancedGeosynchronous Radiation Imager，AGRI）的成像观测通道多达 14 个，同时装载的闪电成像仪（Lightning Map-ping Imager，LMI）可以对亚洲区域闪电进行持续观测，其丰富的遥感资料已得到广泛应用8，尤其是在强对流监测应用中取得的效果更加显著。王雪芹等9利用 FY-4A 单通道和多通道组合云图分析暴雨云系的演变和微观物理性质等特征，证明其在暴雨强对流天气监测中有重要作用。徐国强等10将 FY-4A 闪电资料应用于强对流降水过程分析和数值实验中，提高了雷达回波和降水预报的准确率。林小红等11利用 FY-4A 的闪电和云顶亮温资料研究了一次飑线过程，结果表明其资料可以很好地指示飑线活动，对地面雷暴大风和强降水发生位置具有判识作用。惠雯等12研究表明 FY-4A 的闪电资料可以反映台风结构和强度。总的来说，基于 FY-4A 数据的应用主要针对大范围、持续时间较长的强对流天气，而对复杂地形下的局地对流天气研究较少。秦巴山区位于汉水上游、秦岭和大巴山一带，地势起伏大，对流活跃，降水强度大，容易诱发洪涝、滑坡和泥石流等影响严重的灾害13 14。安康位于秦巴山区腹地，北侧是秦岭，南侧为大巴山，地形复杂，强降水天气多发。据安康市政府报道，2020 年全市出现多轮强降水、连续降水过程，引发多起滑坡、泥石流、山体塌方等灾害事件，直接经济损失超过 2.7 亿（http:/ 月 17 日安康出现 30 mmh1短时强降水，是典型的强对流天气过程。本文以这次天气过程为例，结合天气雷达、地面气象自动站降水和 FY-4A 卫星产品，深入分析秦巴山区对流天气发展特征，检测 FY-4A 卫星产品在秦巴山区的应用效果，为制作本地化对流检测产品提供思路。11数据和方法数据和方法1.1数据选择安康市中心（109.03E、32.72N）半径 50 km 收稿日期：2022 03 06资助项目：陕西省秦岭与黄土高原重点实验室基金项目（2022G-10）；成都信息工程大学教师科技创新能力提升计划重大项目（KYTD202201）；陕西省自然科学基础研究计划（2022JQ-296）作者简介：曹学君，硕士研究生，主要从事卫星遥感与灾害天气研究。E-mail:cxj_通讯作者：王钊，硕士研究生，主要从事遥感与气候变化研究。E-mail: 第 43 卷 第 1 期高原山地气象研究Vol.43 No.12023 年 3 月Plateau and Mountain Meteorology ResearchMar.2023范围内区域为这次对流天气的研究区（图 1），选用 3种数据在研究区内进行时空匹配，具体介绍如下：（1）地面观测数据由西安市气象台提供，时间范围是 2020 年 8 月 17 日 0820 时（北京时，下同），要素包括研究区内 74 个自动站的逐小时降水量。（2）雷达组合反射率因子同样由西安市气象台提供，时间段与降水数据一致。安康新一代天气雷达站位于 109.04E、32.69N，海拔高度 333 m，时间分辨率6 min，空间分辨率 1 km1 km，最大探测半径 230 km。（3）FY-4A 产品来源于风云卫星遥感数据服务网（http:/ 1 所示。云检测（Cloud Binary Mask，CLM）是判别有无云的产品，当值为0时表示确定有云，在计算云顶温度和云顶高度前首先确定是否有云，滤去无云区的卫星资料，以增加识别准确性。对流初生产品（ConvectiveInitiation X，CIX）是 FY-4A 卫星用于对流探测的主要产品，当值为1时表示有对流初生。闪电事件（LMIEvent，LMIE）是根据闪电的光学特征从环境背景中提取出来的闪电信号，是卫星监测闪电的产品15。云顶高度（Cloud Top Height，CTH）和云顶温度（Cloud TopTemperature，CTT）由卫星AGRI 两个红外窗区（10.8 m，12.0 m）和 1 个 CO2吸收通道（13.5 m）计算判断得出16 17。1.2方法1.2.1对流初生判断对流初生（Convective Initiation，CI）是指对流发生前期的特定状态，是强对流天气发生的重要前兆18。CI 普遍定义为多普勒天气雷达第一次监测到对流云的反射率因子35 dBZ19。因此，本文用雷达组合反射率因子判断 CI，以确定天气情况。卫星对流初生产品计算方法主要有两种。一种的代表是 MB06（Mecikalski and Bedka 2006）方法，通过不同通道的光谱特征判断其与对流云的关系，将 L1的多通道数据进行测试，最后全部符合测试条件的像素点确定为对流初生19 20；另一种方法是 RDT（Rap-idly Development Thunderstorms），根据对流体较大的降温率和较大的云顶温度梯度两个原则，使用卫星 5个通道数据进行对流初生判定21。FY-4A 借鉴了两种方法的计算原理，采取不同的阈值进行判断、筛选得出 CIX 产品22。在多光谱检测方法基础上，UWCI（University ofWisconsin Convective Initiation）方法利用块平均对原始数据进行处理，可以降低误报，得到更加稳定的对流初生判定指标23。借鉴块平均法，本文选择一定区域（研究区）分析 CTH 和 CTT 的统计值特征，研究对流初生产品的合适指标。1.2.2云顶高度和云顶温度数据处理对流在发展中云团快速垂直增长，云顶及其变化特征是反映对流情况的关键。云顶的相关数据有 CTH和 CTT。本文以研究区内 363 个卫星像素点为样本进行分析，统计 CTH 和 CTT 极值、中位数和平均值的特征，并且分析其时间变化特征。使用向前差分法计算得出 CTH、CTT 的变化率 CHV（CTH Variability）和 CTV（CTT Variability），公式如下：CHV(t)=(CTH(t)CTH(t1)(T(t)T(t1)CTV(t)=(CTT(t)CTT(t1)(T(t)T(t1)（1）式中：t 为某时刻，t1 为前一时刻，T 为对应时间，CHV 单位是 kmmin1，CTV 单位是 min1。22天气过程分析天气过程分析2.1降水实况如图 2 所示，这次天气过程发展迅速、降水强度 34N333231107108109110km111E43210安康秦大巴山岭N 图 1 秦巴山区高程分布（为自动站，为研究区中心，小圆圈为边界，大圆圈为雷达最大探测范围边界，下同）表 1 FY-4A 卫星产品介绍 产品名云检测对流初生闪电事件云顶温度云顶高度空间分辨率4 km4 km4 km4 km7.8 km7.8 km4 km4 km4 km4 km时间分辨率415 min415 min1 min415 min415 min产品仪器AGRIAGRILMIAGRIAGRI英文简写CLMCIXLMIECTTCTH单位无无Jm2ster1km66高原山地气象研究第 43 卷大，并伴随局地短时强降水。由空间分布（图 2a）可知，这次过程有两个主要降水落区，位于安康中部和西南部，12 h 累计降水量分别为 34.5 mm 和 30 mm，达暴雨量级。对流在发展中应该有移动，方向从南向北。由时间分布（图 2b）可知，14 时降水过程开始，1517时是降水主要时段，降水量和站数逐渐增多，15 时和16 时出现 20 mmh1以上的短时强降水，其中 16 时降水站数最多、降水强度最大，18 时降水开始迅速减少，此次过程趋于结束。2.2CI 变化分析由图 3 可知，这次天气过程中出现大量 CI，是一次典型的对流性天气。CI 最早出现在 12 时，比较降水提前 2 h，降水开始的 14 时是 CI 显著增加阶段。从图 3a 看出，对流过程开始于研究区南部，然后最近向北移动、发展，15 时移动到中部，16 时逐渐向四周扩大，与降水落区吻合。这次对流天气发展迅速，移动变化快，预报难度大。结合降水和 CI 变化情况将这次天气过程分为对流初生、成熟、减弱三个阶段：12 时出现 CI，14 时出现降水，1214 时判断为对流初生期；1517 时是主要降水和 CI 集中阶段，对流发展最为旺盛，判断为对流成熟期；18 时降水开始明显减弱，CI 数目也显著减少，判断为对流减弱期。33FY-4FY-4A A 卫星产品分析卫星产品分析3.1云顶高度和云顶温度分析从图 4 可以看出，CTT 和 CTH 变化特征相似，因为两者可以根据大气高度、温度廓线相互转化，具有很好的线性关系。云高经历了降低、缓慢升高到最后稳定的变化过程。从图 4a 和图 4c 还看出，成熟和减弱期离散度大，各像素点的云都在剧烈变化。不同统计量极值、中位数、平均值的变化趋势一致。由表 2 可知，在对流初生之前，云顶高度约为 2 km，云顶温度 1516，最大云高 3 km，云温 10。对流初生期，云顶高度升高、云温降低，此时云团垂直发展还比较缓慢，云高约上升 0.6 km，云温下降 3.3，最大云高仅 5 km，最低云温接近 0，云内开始凝结产生水滴，此时降水还不明显。进入对流成熟期，云高显著增加，最大高度达 13.2 km，最低云温52.3，成熟期是对流云的快速发展阶段。最后对流减弱期，虽然降水迅速减弱，但云高还在继续上升，云温也继续下降。云高、云温在对流初生期就有反应，但变化不明显，进入对流成熟期才剧烈变化。最大云高和最低云温出现在对流减弱期，这使得对流成熟期与减弱期不易分辨。云顶高度变化率（CHV）和云顶温度变化率（CTV）可以更加细致地反映云内发展趋势。如图 5 所示，353033.0N32.5(a)(b)108.5109.0109.5E252015103555555201510151510101010mm单位:mm单位:站302520151057.5171914.7420.16.625.43032009时10时11时12时13时14时15时16时17时18时19时20时N安康时次 图 2 2020 年 8 月 17 日 09