一次西南涡暴雨过程的FY-4卫星遥感监测分析

一次西南涡暴雨过程的FY-4卫星遥感监测分析

王雪芹1，高珩洲1，胡超1，赵媛1

1.四川省眉山市气象局，眉山，620010

摘要：本文利用FY-4气象卫星云图和定量化产品，以2023年8月11-12日眉山市一次西南涡暴雨天气过程为例，分析西南涡暴雨天气的特征，结果表明：(1)高原涡和西南涡诱发的对流云团伴随北方冷空气南下的过程中容易合并发展，通过红外云图监测到高空低涡临近地区有云团生成发展时应提高警惕，说明对流将发展，从而提升本地暴雨短临预报的时效性。(2)水汽云图可以清晰地看到大气中的上升和下沉运动区，动力异常与对流系统的相互作用，说明对流将发展，且暴雨云团中有强烈的大尺度垂直上升运动，为强降雨提供了较好的水汽输送和动力条件。(3)云顶亮温急剧下降（1小时下降8-10K）时，对流将快速发展，云顶低亮温有利于强对流天气的出现。最大的小时雨量，往往出现在云顶亮温略微回暖的阶段。通过卫星红外云图亮温的监测可以提前1-2小时预判对流的发展。

关键词：FY-4；红外云图；水汽云图；西南涡；暴雨

引言

西南涡是我国最重要的暴雨天气系统之一。针对西南涡的研究，一直是气象学家和预报员关注的焦点，陈忠明等对21世纪初的西南涡研究成果也做了总结，并指出了存在问题[1]；何光碧指出了对西南低涡的云系特征和雷达回波特征的认识等方面研究存在的不足[2]；杜倩等基于FY-2卫星观测资料，分析了一次西南涡造成的华南暴雨天气[3]。总的来看，西南涡是我国青藏高原东部特殊地形与大气环流共同作用的结果，西南涡的发展和东移，往往会造成暴雨和大暴雨天气。 但是，暴雨由于降水时空分布和尺度变化极不均匀，常规观测手段难以获取其三维时空变化信息，遥感便成为监测降水的有效手段，气象卫星的覆盖范围广，观测频次稳定，是大气遥感，特别是降水遥感的有效方法[4]。尤其是新一代静止气象卫星—风云四号卫星发射成功以来，丰富的云图和定量化产品为暴雨的监测和预报提供了更大的帮助 [5-8]。目前利用新一代风云四号（简称FY-4，下同）静止气象卫星云图和定量化产品分析西南涡暴雨天气过程的相关研究较少，因此利用FY-4气象卫星资料分析西南涡暴雨云系具有重要的意义。

1 资料选取

FY-4是中国第一颗自主研制的三轴稳定地球静止卫星，星下点分辨率可达0.25KM，时间间隔为5分钟，共有14个探测波段，覆盖了从可见光至甚长波红外[9]。因此本文选取新一代FY-4气象卫星云图和定量化产品，结合四川省眉山市2023年8月11日08时到12日08时（北京时，下同）降水量实况分析西南涡暴雨天气的特征。

基金项目：高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室2023年度科技发展基金项目（研究型业务面上专项SCQXKJYJXMS202301）。

作者简介：王雪芹，高级工程师，主要从事天气预报工作，电子邮箱：wxqcnm@163.com。

2 过程概况

根据高空实况分析可知8月11日08时500hPa在川西高原北部有一高原低涡；700hPa盆地为偏南风，在盆地北部存在一切变线；850hPa盆地受东南风影响，小金地区有一西南涡生成并逐渐向东南方向移动影响盆地，涡后伴有较强的偏北风和负变温区。温江探空图上可以大气层结极不稳定，能量高，整层处于高湿的状态，中低层有明显的风向切变，700hpa上下为一致的南风，利于水汽输送。 

有利的大气环流背景配合较强的能量和不稳定条件，四川盆地西南部的眉山市出现一次强降雨天气过程，全市普降暴雨到大暴雨。因此以此次暴雨天气过程为例，选择对应时段的FY-4数据进行综合分析，得到此次西南涡暴雨天气过程的FY-4卫星云图特征。 

3 西南涡发展的FY-4卫星单通道云图特征

3.1 红外云图分析

从FY-4卫星红外云图（图1）分析发现，降雨开始前15时在川西高原和四川盆地西部出现两个较强对流云团a1和a2，结合前文所述高空资料分析可以判断，500hPa高原涡诱发了川西高原对流云团a1的生成，850hPa西南涡诱发了四川盆地西部对流云团a2的生成，该对流云团的发展是暴雨的直接影响，系统随着时间的推移，伴随北方冷空气的南下，对流云团a1逐渐发展南移，四川盆地西部对流云团a2不断发展壮大，于17时合并成一个大的对流云团a3并迅速加强，此时眉山市西部地区出现短时强降水，同时刻在眉山东部新生一对流云团a4，18时眉山西部的大对流云团a3和其东部新生的对流云团a4再次合并成对流云团a5并不断发展，多个对流云团多次合并造成暴雨区域和强度增大，19时对流云团a5已扩大影响整个眉山区域，对流云团a5持续影响眉山，8月12日02时整个眉山区域对流发展旺盛，此时眉山市小时最大降雨量达到71.6mm，06时云团逐渐减弱并南移，眉山降雨强度也随之减小。

红外云图分析结果表明，高原涡和西南涡诱发的对流云团伴随北方冷空气南下的过程中容易合并发展，并逐渐南移影响盆地，从而造成暴雨-大暴雨的天气，因此当天气实况分析到有高空低涡存在，临近地区发现有云团生成发展时应提高警惕，说明对流将发展，从而提升本地暴雨短临预报的时效性。

图1  2023年8月11日15时-19时FY-4卫星红外云图

3.2 水汽云图分析

图2为FY-4卫星水汽云图，可以看到8月11日15时对流云团a1和a2之间色调较暗，为干区，说明有下沉的冷空气，并且出现明显的“干三角”特征区域（图中三角形区域）。在水汽图中，“干三角”与强的位涡异常相联系，在未来几小时内高层强迫导致地面出现气旋性环流[10]。前面红外云图分析可知a1、a2两云团触发生成一个新的对流云团，17时可以看到合并后新的对流云团a3色调更加白亮，对流上升运动在整个对流层内伸展，a3和眉山东部新生对流云团a4之间的三角结构区颜色较暗，对流层顶动力异常，此时眉山正好位于白亮云区与暗三角结构的交界处，动力异常与对流系统的相互作用，说明对流将发展，19时眉山完全为白亮区域，说明云团中有强烈的上升气流，对流仍发展旺盛，06时云团白亮区已逐渐南移，此时强降雨天气减弱，但由于水汽充足，因此仍有降水。

通过水汽云图可以清晰地看到大气中的上升和下沉运动区，动力异常与对流系统的相互作用，说明对流将发展，从而造成暴雨-大暴雨的天气，且暴雨云团中有强烈的大尺度垂直上升运动，对流上升运动在整个对流云层内伸展，整层大气水汽充足，为强降雨提供了较好的水汽输送和动力条件。

        图2  2023年8月11日FY-4卫星水汽云图

4 强对流云团的FY-4卫星亮温特征

表1是眉山暴雨过程FY-4卫星云顶最低亮温与对应时刻小时最大降雨量对比，可以看到8月11日15时和16时地面测到的小时最大降雨量分别为2.3mm、13.2mm，17时小时降雨量增大到28mm，此后小时降雨量开始增大，随之云顶最低亮温也急剧下降，15-16时亮温下降了10K，16-17时亮温下降了8K，17时后最低亮温值低于200K，云顶亮温随时间发展在降低，云顶亮温降低意味着云顶高度在升高，云团在发展，19时眉山地区已完全被低亮温云团覆盖，最大小时雨强达到了83.8mm，说明当云顶亮温急剧下降（1小时下降8-10K）时，对流将快速发展，云顶低亮温有利于强对流天气的出现。通过卫星红外云图亮温的监测可以提前1-2小时预判对流的发展，也可以提升暴雨短临预报的时效性。

表1  2023年8月11日15时-8月12日08时眉山暴雨过程FY-4卫星云顶最低亮温和小时最大雨量表

从最低亮温的分布来看（图3），11日15时-18时云团经历了一个发展期，云顶亮温由216K下降到192K，亮温降幅达24K。随后19时云顶最低亮温再略微回暖（最低亮温上升1K），而在此时对应的地面最大小时降水量在云顶亮温回暖阶段达到最大值83.8mm/h，此后（11日20时-12日05时）云顶亮温继续维持在191-196K，地面最弱的小时降水量也高达35.1mm/h。因此，可以认为，云顶最低亮温降低意味着云顶高度在升高，云团在发展，此时虽然在地面对应的出现了较强的降水，但并不是最强的降水，而最大的小时雨量，出现在了云顶亮温略暖的阶段。

图32023年8月11日15时-12日08时雨量与FY-4卫星观测结果时序变化图

5 结论

本文利用FY-4气象卫星云图和定量化产品，以2023年8月11-12日眉山市的一次西南涡暴雨天气过程为例，分析西南涡暴雨天气的特征，得到以下结论：

（1）高原涡和西南涡诱发的对流云团伴随北方冷空气南下的过程中容易合并发展，并逐渐南移影响盆地，从而造成暴雨-大暴雨的天气。此次暴雨过程中出现多个对流云团多次合并，造成暴雨区域和强度增大。通过红外云图监测到低涡临近地区有云团生成发展时应提高警惕，说明对流将发展，从而提升本地暴雨短临预报的时效性。

(2)水汽云图可以清晰地看到大气中的上升和下沉运动区，动力异常与对流系统的相互作用，说明对流将发展，且暴雨云团中有强烈的大尺度垂直上升运动，为强降雨提供了较好的水汽输送和动力条件。

(3)云顶亮温急剧下降（1小时下降8-10K）时，对流将快速发展，云顶低亮温有利于强对流天气的出现。最大的小时雨量，往往出现在云顶亮温略微回暖的阶段。通过卫星红外云图亮温的监测可以提前1-2小时预判对流的发展。

参考文献：

[1]陈忠明,闵文彬,崔春光.西南低涡研究的一些新进展[J].高原气象（增刊）,2004,23:1-4

[2]何光碧.西南低涡研究综述[J].气象,38（2）:157-162

[3]杜倩,覃丹宇,张鹏.一次西南涡造成华南暴雨过程的FY－2卫星观测分析［J］.气象,2013,39( 7):821－831

[4]刘健,张文建,朱元竞,等.中尺度强暴雨云团云特征的多种卫星资料综合分析[J].应用气象学报,2007.18(2):158-164

[5]Xian,D.,P.Zhang,L.Gao,et al. Fengyun meteorological satellite products for earth system science application［J］. Adv.Atmos.Sci.,2021,38（8）:1267-1284

[6]咸迪,任素玲,邵佳丽,等.风云气象卫星在汛期防灾减灾中的应用［J］.卫星应用,2020（8）:13-18

[7]任素玲,赵玮,曹冬杰,等.FY-4A 白天对流风暴和闪电产品在华北强雷暴天气分析中的应用［J］.海洋气象学报,2020,40（1）:33-46

[8]杨军,咸迪,唐世浩.风云系列气象卫星最新进展及应用［J］.卫星应用,2018（11）:8-14

[9]咸迪,方翔,贾煦,等.风云四号气象卫星天气应用平台及其应用［J］.卫星应用,2020（2）:20-24

[10]傅丙珊.风云2号卫星云图在短时强对流天气预报中的应用[J].气象科技,2004,32(5):363-366