官莉，王雪芹，黃勇，2

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，江蘇南京210044;2.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽合肥230031)

2009年江蘇一次強對流天氣過程的遙感監(jiān)測

官莉1，王雪芹1，黃勇1，2

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，江蘇南京210044;2.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽合肥230031)

以衛(wèi)星水汽圖為主，結(jié)合可見光云圖、雷達資料和常規(guī)天氣觀測資料，分析2009年6月5日發(fā)生在江蘇徐州沛縣的一次冰雹、龍卷天氣，結(jié)果表明:衛(wèi)星水汽圖中動力異常區(qū)與對流系統(tǒng)的交界處和可見光云圖上兩個對流云團出流邊界處觸發(fā)的新的雷暴云團區(qū)域容易產(chǎn)生龍卷等強對流天氣;水汽圖上的水汽輸送帶與可見光云圖的對流云系相一致，并且水汽圖像特征與導(dǎo)致垂直運動和氣流變形場的大尺度天氣過程有關(guān)系，代表著對流層中上部的動力特征;強對流天氣發(fā)生在低亮溫對流云團中。高時空分辨率的衛(wèi)星和雷達遙感資料很好地反映了短時強對流天氣系統(tǒng)的發(fā)展與演變，有效地補充了常規(guī)天氣資料分析的不足，為短時天氣預(yù)報提供一種思路。

衛(wèi)星水汽圖像;可見光云圖;雷達圖像;冰雹;龍卷;強對流天氣

0 引言

強對流天氣具有突發(fā)性強、生命史短、破壞性大等特點，且強對流天氣系統(tǒng)尺度小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)報上有一定難度。近幾年廣大氣象工作者對強對流天氣開展了不少研究，尤其高時空分辨率的天氣雷達、氣象衛(wèi)星為分析預(yù)報強對流天氣提供了更詳盡的資料和可靠的手段(漆梁波和陳永林，2004;徐秀芳等，2008;俞小鼎等，2008)。

2009年6月5日，江蘇全省出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、冰雹等強對流天氣，陸上最大風(fēng)力7～11級(淮安楚州，31 m/s);25個臺站出現(xiàn)冰雹，冰雹最大直徑5 cm(豐縣);全省雨量小到中等，部分地區(qū)大雨，降水分布不均、歷時短、雨強大，沿江地區(qū)雨量較為集中，據(jù)自動氣象站統(tǒng)計，有2站雨量在50 mm以上;并且16:30(北京時間，下同)左右，徐州沛縣遭受了30 a未遇的龍卷風(fēng)襲擊，風(fēng)力達到12級以上。這次強對流天氣的出現(xiàn)影響大，致使數(shù)百間房屋倒塌、多人受傷，給人民的生命財產(chǎn)造成重大的損失。

天氣雷達和氣象衛(wèi)星在強對流天氣的分析中具有重要的作用，天氣雷達能直接探測云雨粒子。氣象衛(wèi)星觀測資料具有直觀、形象和不受地理條件限制等優(yōu)點，且地球靜止衛(wèi)星觀測時間間隔不斷縮短，衛(wèi)星探測功能和地面處理能力不斷增強，由衛(wèi)星得到的氣象參數(shù)和有用信息不斷增多，并且從衛(wèi)星云圖上能夠發(fā)現(xiàn)處于發(fā)展初期的對流云，對早期發(fā)現(xiàn)強對流系統(tǒng)十分有利。但由于目前遙感監(jiān)測強對流天氣多是利用雷達資料，而衛(wèi)星資料在強對流天氣分析中的應(yīng)用相對較少(葉惠明等，1993;陳秀杰等，1998;傅炳珊，2004;姚葉青等，2004;鄭媛媛和俞小鼎，2004;朱敏華等，2006;胡玲等，2008;朱君鑒等，2009)，因此本文主要以2009年6月5日16:30左右發(fā)生于徐州沛縣的龍卷襲擊為例，根據(jù)常規(guī)天氣觀測資料提供的天氣形勢背景，以衛(wèi)星水汽圖為主，結(jié)合可見光云圖并綜合雷達資料，對此次短時強對流過程中尺度系統(tǒng)的形成、發(fā)展和移動特征及造成這次強對流天氣的原因進行具體分析。

1 天氣形勢背景

1.1 天氣尺度特征

強對流天氣發(fā)生前，5日08:00在500 hPa上(圖1)，中國東北地區(qū)有一冷渦，河套地區(qū)有一高壓脊，干冷空氣從脊前南下，江蘇位于高壓脊前。隨著冷空氣的東移，東北冷渦加強，不斷有冷空氣補充南下，700 hPa上江蘇仍受西北氣流控制，而850 hPa以下為暖區(qū)，這樣中高層干冷、低層暖濕造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定。圖1中棕色線段為850 hPa切變線位置，可以看出河套東部的切變線輻合區(qū)正好與大氣層結(jié)不穩(wěn)定區(qū)相重合，低層的切變線輻合有利于產(chǎn)生上升運動，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放、產(chǎn)生對流，為強對流天氣的產(chǎn)生提供了有利的大氣環(huán)流條件。

1.2 穩(wěn)定度特征

沙氏指數(shù)Si和K指數(shù)是反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度和濕度的物理量。當(dāng)Si＞0時，大氣層結(jié)穩(wěn)定，相反則為不穩(wěn)定;K值越大，低空水汽越充沛，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，當(dāng)K＞30時有出現(xiàn)強對流天氣(短時暴雨、大風(fēng)、冰雹)的可能。

圖1 2009年6月5日08:00 500 hPa高度場、700 hPa風(fēng)場和紅外云圖Fig.1 Height fields at 500 hPa，wind fields and infrared cloud image at 700 hPa at 08:00 BST on 5 June 2009

圖2a、b分別是2009年6月5日徐州站08:00和20:00的探空圖，可以看到08:00徐州站沙氏指數(shù)Si=1.0，K=20，徐州處于潛在不穩(wěn)定能量區(qū)，有利于不穩(wěn)定能量的積累，隨著高空冷空氣的東移，為發(fā)生于幾小時后的強對流天氣創(chuàng)造了條件;在20:00 T-lnp圖上，沙氏指數(shù)Si=5.5，K=5，沙氏指數(shù)和K指數(shù)較08:00的變化說明，此時徐州地區(qū)的大氣層結(jié)已經(jīng)穩(wěn)定，強對流天氣結(jié)束。

2 衛(wèi)星云圖分析

由于本次冰雹、龍卷過程生命史短，并且出現(xiàn)在天氣圖間隔之間，從常規(guī)資料分析很難反映其演變情況。衛(wèi)星云圖具有極好的時空連續(xù)性、實時性，因此利用我國地球靜止氣象衛(wèi)星FY-2D云圖對本次過程進行具體分析。

圖3和圖4分別是2009年6月5日13:15—17:45每隔0.5 h的衛(wèi)星水汽發(fā)展演變和可見光云圖。圖3a中我國東北地區(qū)有一強水汽輸送帶，白亮區(qū)A位于此水汽輸送帶的尾部，江蘇中部有小片白亮區(qū)B出現(xiàn)，在其后的幾個小時中A逐漸與東北強水汽輸送帶分離，在可見光云圖(圖4)上白亮區(qū)A、B對應(yīng)為中尺度對流云團，可以看到隨時間的推移A、B云團不斷發(fā)展擴大，在A、B云團出流邊界處觸發(fā)新的雷暴云團不斷擴展變亮，使兩云團逐漸合并成一個大的強雷暴云團，導(dǎo)致5日下午從蘇北到杭州灣沿途的強對流天氣。

2.1 水汽圖分析

水汽圖像用灰度表示輻射溫度的相對高低，對流層中上部(600 hPa以上)的干區(qū)表現(xiàn)為比濕區(qū)更暗的色調(diào)。水汽圖像中所看到的絕大部分重要結(jié)構(gòu)與導(dǎo)致垂直運動和氣流變形場的大尺度天氣過程有關(guān)系，因而水汽圖像代表著(從對流層中部到對流層頂附近)對流層中上部的動力特征，對流層頂高度低的區(qū)域與大氣中的下沉運動有關(guān)系，抑制了對流層里水汽的垂直伸展厚度，在圖像上產(chǎn)生深灰色的色調(diào)，反之，上升運動或?qū)α鲗禹敻叨雀叩膮^(qū)域表現(xiàn)得白亮一些。一般而言，圖像上近白色到白色的區(qū)域代表非常冷或濕氣團，由大尺度垂直上升運動產(chǎn)生;而其色調(diào)較暗的區(qū)域則是大氣中的相對干區(qū)，通常對應(yīng)于大氣中的下沉運動或干燥區(qū)。在中緯度地區(qū)，急流附近動力對流層頂?shù)母叨却嬖诤軓姷奶荻?，圖像中明暗對比很強，對流層頂動力異常區(qū)在水汽圖像上表現(xiàn)為顯著的暗區(qū)(Bader et al.，1995;巴德等，1998;Patrick and Christo，2005;帕特里克和克里斯托，2008)。

水汽的存在并不能說明有強對流天氣的發(fā)生，只有當(dāng)局地受熱使水汽向上抬升并釋放出潛熱，才會有強對流天氣出現(xiàn)的可能。白天地面受太陽輻射而增溫，因此強對流天氣常出現(xiàn)在午后到傍晚(陳渭民，2003)，并且在水汽圖像上的干區(qū)可以看到有新的對流單體出現(xiàn)，所以水汽圖像提供了一種監(jiān)測并追蹤造成強對流發(fā)展的高空形勢的手段。

圖3a中C代表徐州地區(qū)，可以看到C對應(yīng)的色調(diào)較暗，為干區(qū)，說明有下沉的冷空氣，并且C以北地區(qū)出現(xiàn)明顯的“干三角”特征區(qū)域(圖3a中三角形區(qū)域)。在水汽圖中，“干三角”與強的位渦異常相聯(lián)系，在未來幾小時內(nèi)高層強迫導(dǎo)致地面出現(xiàn)氣旋性環(huán)流，是氣旋生成的前兆(帕特里克和克里斯托，2008)。由前面分析可知A、B兩云團觸發(fā)生成一個新的對流云團(如圖3a—f所示)，圖3f中可以看到新的對流云團明顯發(fā)展擴大，對流層頂動力異常，對流上升運動在整個對流云層內(nèi)伸展，且16:15(圖3g)C以北的三角結(jié)構(gòu)區(qū)顏色較對流云團暗，大氣下沉運動顯著，此時徐州正好位于白亮區(qū)對流云團的西北邊界與暗三角結(jié)構(gòu)的交界處，動力異常與對流系統(tǒng)的相互作用造成了16:30左右發(fā)生在徐州地區(qū)的冰雹、龍卷風(fēng)等強對流天氣。隨強對流的發(fā)展，圖3h和圖3i中白亮區(qū)域逐漸覆蓋徐州區(qū)域，圖3j中徐州地區(qū)已完全位于色調(diào)白亮區(qū)域，此時強對流天氣已趨于結(jié)束，但由于水汽充足，因此仍有降水。

圖2 2009年6月5日08:00(a)和20:00(b)徐州站T-lnp圖Fig.2 T-lnp at(a)08:00 BST and(b)20:00 BST on 5 June 2009 in Xuzhou

圖3 2009年6月5日13:15—17:45衛(wèi)星水汽圖a.13:15;b.13:45;c.14:15;d.14:45;e.15:15;f.15:45;g.16:15;h.16:45;i.17:15;j.17:45Fig.3 Satellite water vapour image from 13:15 to 17:45 BST on 5 June 2009a.13:15 BST;b.13:45 BST;c.14:15 BST;d.14:45 BST;e.15:15 BST;f.15:45 BST;g.16:15 BST;h.16:45 BST;i.17:15 BST;j.17:45 BST

圖4 2009年6月5日13:15—17:45可見光云圖a.13:15;b.13:45;c.14:15;d.14:45;e.15:15;f.15:45;g.16:15;h.16:45;i.17:15;j.17:45Fig.4 Visible cloud image from 13:15 to 17:45 BST on 5 June 2009a.13:15 BST;b.13:45 BST;c.14:15 BST;d.14:45 BST;e.15:15 BST;f.15:45 BST;g.16:15 BST;h.16:45 BST;i.17:15 BST;j.17:45 BST

2.2 可見光云圖分析

可見光云圖是衛(wèi)星掃描輻射儀在可見光譜段測量來自地面和云面反射的太陽輻射，按照所接收到的輻射大小以黑白色調(diào)來表示的圖像。在可見光云圖上，物像的色調(diào)取決于反射太陽輻射的強度，主要與其本身的反照率和太陽高度角有關(guān)，因此在一定的太陽高度角下，物像的色調(diào)基本上取決于對太陽輻射的反照率，物體的反照率越大，其色調(diào)就越白;反照率越小，其色調(diào)則越暗。

據(jù)有關(guān)計算，在云和地面基本目標(biāo)物中，具有最大反照率的是積雨云，其次是卷層云、積云、層積云、高層云、高積云以及積雪和沙地等，而森林、草場、農(nóng)田等植被覆蓋區(qū)域則明顯偏小，反照率最小的是海洋、湖泊、河流等。因此，可見光云圖上呈現(xiàn)濃白色的區(qū)域往往是強烈的對流云(積雨云)，而黑色區(qū)域則大多為江、河、湖、海等大型水體。這樣的色調(diào)顯示與人類肉眼的觀感還是比較相似的(陳宏義和張梅，2008)。

圖4是6月5日13:15—17:45每隔0.5 h的可見光云圖，C代表徐州地區(qū)，從圖中可以看出在我國東北地區(qū)有一高空冷渦，冷渦后部盛行西北干冷氣流，由于白天地表受太陽的加熱和較熱的水汽狀況，引起不穩(wěn)定，誘發(fā)大片積云、濃積云的發(fā)展。圖4a中東北冷渦尾部的A云團即為濃積云，由于高空冷渦西側(cè)有小擾動，導(dǎo)致濃積云A逐漸與冷渦云系分裂，沿著冷渦后部的氣旋性環(huán)流發(fā)展加強為強對流云;B云團位于江蘇中部，色調(diào)白亮，為強烈的對流云。由前面分析可知A、B兩云團觸發(fā)生成一個新的對流云團(如圖4a—f所示)，從圖4g和4h可以看到江蘇全省已被新的強雷暴云團完全覆蓋，16:30左右徐州等地區(qū)發(fā)生的龍卷、冰雹等強對流天氣正處于這個時間段之中。從圖4i和4j可看到強對流云團的色調(diào)開始逐漸變暗，強對流天氣變?nèi)酢?/p>

2.3 對流云團亮溫分布

圖5是2009年6月5日13:15—18:15每隔1 h的等效黑體亮溫的分布。圖3和圖4中對流云團A、B的亮溫區(qū)域在圖5中分別用a、b表示，c代表徐州地區(qū)。從圖5中可以看到a、b云團亮溫較低，隨時間發(fā)展a、b的低亮溫區(qū)域在逐漸擴大(如圖5a—c所示)，16:15(圖5d)徐州地區(qū)已開始被低亮溫對流云團覆蓋，且可看到徐州地區(qū)的云頂亮溫隨時間發(fā)展在降低，云頂亮溫降低意味著云頂高度在升高，云團在發(fā)展，至17:15(圖5e)徐州地區(qū)已完全被低亮溫云團覆蓋，亮溫比上一時次更低，最低亮溫只有220 K左右。徐州等地區(qū)發(fā)生的龍卷、冰雹等強對流天氣正處于這個時間段之中，18:15(圖5f)中低亮溫云團已開始移出徐州地區(qū)，較前一時次的亮溫有所回升，強對流天氣也開始減弱。結(jié)合水汽圖和可見光云圖可知，a、b云團低亮溫區(qū)域的發(fā)展變化與圖3和圖4中對流云團A、B的發(fā)展變化相吻合，說明強對流天氣發(fā)生在低亮溫對流云團中。

圖5 2009年6月5日13:15—18:15等效黑體亮溫的分布(單位:K)a.13:15;b.14:15;c.15:15;d.16:15;e.17:15;f.18:15Fig.5 Brightness temperature image(units:K)from 13:15 to 18:15 BST on 5 June 2009a.13:15 BST;b.14:15 BST;c.15:15 BST;d.16:15 BST;e.17:15 BST;f.18:15 BST

3 雷達回波特征

圖6是2009年6月5日16:30徐州站仰角為0.5°的雷達回波速度圖，從速度圖上可以看到站點西北方向的沛縣(方位325°，距離66 km，見圖6中矩形區(qū)域)有一強中尺度氣旋，左側(cè)為負速度區(qū)，右側(cè)為正速度區(qū)，在雷達回波速度圖中負速度區(qū)表示朝向雷達，正速度區(qū)表示離開雷達(張培昌等，2001)，因此風(fēng)場形成了氣旋性旋轉(zhuǎn)。該正負速度中心距離近、尺度小，在中尺度氣旋中心處負最大風(fēng)速達到－26 m/s，負風(fēng)速峰值出現(xiàn)在中尺度氣旋中心區(qū)域，為龍卷渦旋的標(biāo)志。

圖6 2009年6月5日16:30徐州站雷達回波速度圖Fig.6 Radar echo hodograph at 16:30 BST on 5 June 2009 in Xuzhou

從速度圖分析可知沛縣有龍卷等強對流天氣發(fā)生的可能，但還不能確定是否有龍卷的發(fā)生。圖7是2009年6月5日16:30徐州站仰角為0.5°的雷達回波強度圖，從圖上可以看出在站點西北方向的沛縣(圖7中矩形區(qū)域)強回波為鉤狀回波，中心強度最大值達到了60 dBZ，高強度的反射率因子預(yù)示著可能會發(fā)生災(zāi)害性天氣。同時刻從點(33 km，352.0°)到點(85 km，322.0°)的垂直剖面(圖8)上可以明顯看到具有超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征，有界弱回波區(qū)明顯，回波頂高到了14～15 km，強度梯度加大，說明此處有強烈的入流區(qū)，且強反射率因子核心均已到達地面，由此可知龍卷、冰雹等災(zāi)害性天氣就發(fā)生在此超級單體風(fēng)暴中。

圖7 2009年6月5日16:30徐州站雷達回波強度圖Fig.7 Radar echo intensity image at 16:30 BST on 5 June 2009 in Xuzhou

圖8 2009年6月5日16:30徐州站從點(33 km，352.0°)到點(85 km，322.0°)的垂直剖面Fig.8 Vertical cross-section from the point(33 km，352.0°)to the point(85 km，322.0°)at 16:30 BST on 5 June 2009 in Xuzhou

由以上雷達回波圖的特征綜合分析可知，5日16:30徐州沛縣地區(qū)有龍卷、冰雹等強對流天氣的發(fā)生，與實況相吻合，并且也驗證了前面利用衛(wèi)星圖像對這一天氣過程的分析。

4 結(jié)論

1)江蘇西北部冷空氣南下，中高層干冷、低層暖濕氣流造成大氣不穩(wěn)定，與低層切變輻合區(qū)重合為該次江蘇地區(qū)的強對流天氣的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。

2)衛(wèi)星云圖能夠很好地監(jiān)測并分析短時強對流天氣，反映出常規(guī)資料不能捕捉到的天氣實況變化。在衛(wèi)星水汽圖中動力異常區(qū)與對流系統(tǒng)的交界處和可見光云圖上兩個對流云團出流邊界處觸發(fā)的新的雷暴云團區(qū)域容易產(chǎn)生龍卷等強對流天氣;水汽圖上的水汽輸送帶與可見光云圖中的對流云系相一致;且強對流天氣發(fā)生在低亮溫對流云團中。

3)利用衛(wèi)星水汽圖像和可見光云圖，結(jié)合雷達資料、常規(guī)天氣觀測資料進行中尺度對流云團的分析、預(yù)報，能夠更好地反映短時強對流天氣系統(tǒng)的發(fā)展與演變，提高預(yù)報準(zhǔn)確率。

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Observation of a strong convective system in Jiangsu Province in 2009 by remote sensing monitor

GUAN Li1，WANG Xue-qin1，HUANG Yong1，2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，NUIST，Nanjing 210044，China;2.Anhui Institute of Meteorological Sciences，Hefei 230031，China)

Based on the satellite water vapor image combining with visible picture and radar data and conventional observation，the paper analyzed the strong convective system in Peixian of Jiangsu Province on 5 June 2009.The results show that the junctions of satellite water vapor imagery abnormal dynamic areas and convection systems as well as the two convection cloud clusters effluent boundary in the visible image produced the strong convection weather such as tornado easily.The water vapor conveyors in the water vapor imagery were consistent with convection cloud systems in the visible image.Water vapor imagery feature is connected with the large scale weather process which resulted in vertical motion and air current deformation field.The water vapor imagery stands for dynamic feature of hightroposphere.Strong convection often occurs in the low brightness temperature cloud clusters.High space-time resolution satellite and radar image can reflect the strong convective system very well and offset the insufficiency of conventional observation to provide a reference for the short-time weather forecasting.

satellite water vapor image;visible picture;radar image;hail;tornado;strong convective weather

P458.2

A

1674-7097(2012)01-0073-07

2011-01-12;改回日期:2011-06-23

公益性行業(yè)科研專項(GYHY200806014);國家自然科學(xué)基金資助項目(40905019);中國氣象局2011年氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項目(CMAGJ2011M25)

官莉(1973—)，女，新疆庫爾勒人，博士，教授，研究方向為大氣遙感科學(xué)與技術(shù)，liguan@nuist.edu.cn.

官莉，王雪芹，黃勇.2012.2009年江蘇一次強對流天氣過程的遙感監(jiān)測［J］.大氣科學(xué)學(xué)報，35(1):73-79.

Guan Li，Wang Xue-qin，Huang Yong.2012.Observation of a strong convective system in Jiangsu Province in 2009 by remote sensing monitor［J］.Trans Atmos Sci，35(1):73-79.

(責(zé)任編輯:張福穎)