肖婷，張羽，張志堅(jiān)，高美譚，錢嘉星，李浩文

（1.廣州市氣象臺(tái)，廣東 廣州 5 1 1 4 3 0；2.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東 廣州 511430）

中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣具有水平尺度小、生命史短、影響范圍窄、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，其突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，是廣東省的主要災(zāi)害性天氣之一［1］。常規(guī)探空資料由于時(shí)空分辨率低，難以對(duì)中尺度天氣演變特征進(jìn)行深入研究。近年來(lái)，隨著氣象探測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展，以FY-4A衛(wèi)星［2-3］、風(fēng)廓線雷達(dá)［4-5］、微波輻射計(jì)［6-7］和毫米波云雷達(dá)［8-9］為代表的各類新型地基遙感探測(cè)設(shè)備相繼投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率大氣垂直廓線的觀測(cè)以及開(kāi)展高影響天氣中小尺度結(jié)構(gòu)與演變特征研究提供了新的有效手段。

為做好超大城市氣象保障服務(wù)工作，廣州市氣象局近年來(lái)逐步部署了多種新型地基遙感探測(cè)設(shè)備，為研究各類重大天氣過(guò)程的垂直結(jié)構(gòu)及演變打下了良好的基礎(chǔ)，如何充分利用這些數(shù)據(jù)做好觀測(cè)與預(yù)報(bào)的互動(dòng)是一項(xiàng)值得深入研究的工作。本研究以2021年廣州市一次典型的局地強(qiáng)對(duì)流過(guò)程為研究對(duì)象，嘗試提高對(duì)新型探測(cè)設(shè)備的觀測(cè)特點(diǎn)與能力的認(rèn)識(shí)，探索強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的精細(xì)化結(jié)構(gòu)與演變特征。

1 資料說(shuō)明

本研究采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECWMF）提供的2021年6月21日14：00（北京時(shí)，下同）0.25°×0.25°分辨率ERA5再分析資料以及FY-4A衛(wèi)星、微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)、相干多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、毫米波云雷達(dá)、地面雨量計(jì)等多源新型探測(cè)資料，各類觀測(cè)設(shè)備資料說(shuō)明詳見(jiàn)表1。

表1 廣州市多源新型探測(cè)設(shè)備資料說(shuō)明

2 環(huán)流背景與降水實(shí)況

利用ERA5再分析資料繪制環(huán)流形勢(shì)圖（圖略）顯示，2021年6月21日14：00，廣州市處于副熱帶高壓邊緣，北部有弱波動(dòng)逐漸移近；925 hPa粵北地區(qū)有弱冷空氣滲透，存在弱切變線，沿海有強(qiáng)盛的西南低空急流，廣州市中北部存在明顯的水汽通量輻合中心。表明當(dāng)天午后廣州地區(qū)天氣形勢(shì)較不穩(wěn)定，存在有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的動(dòng)力和水汽條件。17：00至23：00，廣州市出現(xiàn)一次兼具短時(shí)強(qiáng)降水、短時(shí)大風(fēng)和強(qiáng)雷電的局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。如圖1a所示，該次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程廣州市共有3個(gè)測(cè)站雨量超過(guò)100 mm，41個(gè)測(cè)站雨量超過(guò)50 mm，最大累計(jì)雨量為黃埔區(qū)永和街110 mm，最大小時(shí)雨量為黃埔區(qū)黃埔街78.1 mm／h。全市共有62個(gè)測(cè)站錄得6級(jí)以上短時(shí)大風(fēng)，最大陣風(fēng)為增城區(qū)石灘鎮(zhèn)26.7 m／s。

由于本研究所用的新型探測(cè)設(shè)備均位于黃埔國(guó)家基本氣象站和廣州市氣象局觀測(cè)場(chǎng)兩個(gè)位置，因此圖1b給出黃埔國(guó)家基本氣象站（站號(hào)59287，簡(jiǎn)稱黃埔站）和廣州市氣象局觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的自動(dòng)站（站號(hào)G1000，簡(jiǎn)稱市局站）的逐5 min雨量變化?？梢钥吹?，黃埔站的降雨時(shí)段為18：00—22：00，市局站的降雨時(shí)段主要集中在20：00—21：00。

圖1 2021年6月21日17：00—23：00廣州市各自動(dòng)站累計(jì)雨量（單位：mm）（a）和21日18：00—22日01：00黃埔站與市局站逐5 min雨量變化（b）

3 新型探測(cè)資料結(jié)果分析

3.1 FY4A衛(wèi)星

FY-4A攜帶的閃電成像儀（lightning mapping imager，LMI）是我國(guó)第一次自主研制的星載閃電成像儀，在儀器研制和產(chǎn)品生成算法等方面都位于國(guó)際前沿領(lǐng)域，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大尺度對(duì)流系統(tǒng)中的閃電監(jiān)測(cè)，而且能夠?qū)值匦?duì)流云團(tuán)中閃電活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［10］，在對(duì)流性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力［3］。圖2a給出21日17：00—23：00 FY-4A衛(wèi)星觀測(cè)的累計(jì)閃電和地面自動(dòng)站極大風(fēng)分布，可以看出，該次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中，廣州中部地區(qū)閃電較為密集，這與圖1a的強(qiáng)降水落區(qū)一致，且7級(jí)及以上短時(shí)大風(fēng)的分布也與閃電的區(qū)域?qū)?yīng)較好，說(shuō)明FY-4A衛(wèi)星觀測(cè)閃電分布較可靠，閃電密集區(qū)正是強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)發(fā)展較旺盛的地區(qū)。

相當(dāng)黑體溫度（black body temperature，TBB）通常稱為亮溫，在有云區(qū)，TBB反映的是云頂黑體溫度，其值一般≤0℃，且TBB溫度越低，對(duì)應(yīng)的云頂越高，對(duì)流越旺盛［11］，通過(guò)TBB可以了解云體垂直發(fā)展的情況。參考以往的方法［2］，將TBB≤-72℃的區(qū)域當(dāng)做深對(duì)流區(qū)域。圖2b-d給出強(qiáng)對(duì)流過(guò)程不同時(shí)刻TBB變化圖，可反映對(duì)流云團(tuán)發(fā)展的旺盛程度。佛山東部、東莞北部分別與廣州交界處TBB有≤-92℃的低值中心，對(duì)應(yīng)雷達(dá)圖上回波強(qiáng)度約為65 dBz。閃電、地面7級(jí)及以上大風(fēng)和強(qiáng)降水基本都位于TBB≤-72℃的深對(duì)流區(qū)域內(nèi)，并多分布于≤-82℃的區(qū)域內(nèi)或其附近，9～10級(jí)大風(fēng)出現(xiàn)在強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)邊緣TBB梯度大值區(qū)。

圖2 2021年6月21日17：00—23：00 FY-4A衛(wèi)星觀測(cè)的累計(jì)閃電（十字）和地面自動(dòng)站觀測(cè)的極大風(fēng)（填色，單位：m／s）分布（a）；19：00（b）、19：45（c）、20：15（d）FY-4A衛(wèi)星TBB分布（單位：℃）

3.2 微波輻射計(jì)

微波輻射計(jì)可以提供高頻次的大氣溫濕廓線結(jié)信息，相比常規(guī)探測(cè)資料而言，在短時(shí)暴雨潛勢(shì)預(yù)報(bào)方面更具優(yōu)勢(shì)［6-7］。圖3給出6月21日08：00—22日08：00黃埔站微波輻射觀測(cè)的邊界層溫度廓線以及反演的對(duì)流參數(shù)。

圖3 2021年6月21日08：00—22日08：00黃埔站微波輻射計(jì)邊界層溫度（a）、IWV（b）、CAPE（c）、LI（d）

從圖3a可以看出白天受太陽(yáng)短波輻射影響，近地面大氣顯著增溫，200 m以下有暖中心存在，最高溫度超過(guò)33℃。綜合水汽含量（IWV）表示單位面積上的水汽質(zhì)量，直觀反映大氣中水汽狀態(tài)［12］。圖3b顯示12：00—13：00 IWV含量達(dá)到峰值，接近100 kg／m2，云液態(tài)水含量明顯增加，此后水汽含量整體下降略有波動(dòng)，但降水前1 h IWV含量仍有64.5 kg／m2，超過(guò)本地短時(shí)強(qiáng)降水的IWV統(tǒng)計(jì)的閾值63.32 kg／m2，有利于發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水［7］。

從圖3c和圖3d微波輻射計(jì)反演的對(duì)流有效位能（CAPE）和抬升指數(shù)（LI）可以看出，從21日08：00開(kāi)始CAPE值出現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，14：00最高接近6 000 J／kg。LI為負(fù)值表示大氣層結(jié)不穩(wěn)定，負(fù)值越大，越不穩(wěn)定。LI與CAPE變化趨勢(shì)一致，08：00—13：00呈明顯下降的趨勢(shì)，13：00最低接近-15℃。由此可見(jiàn)，CAPE與LI提前4～5 h已出現(xiàn)峰值，表明該次過(guò)程前數(shù)小時(shí)，大氣層結(jié)已趨于不穩(wěn)定。

3.3 風(fēng)廓線雷達(dá)與測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

風(fēng)廓線雷達(dá)可實(shí)時(shí)提供大氣的三維風(fēng)場(chǎng)信息、垂直氣流等氣象要素隨高度的分布，是對(duì)常規(guī)探空觀測(cè)的有力補(bǔ)充［13］。由風(fēng)廓線雷達(dá)資料觀測(cè)的水平風(fēng)場(chǎng)可以看出，黃埔站上空5～9 km處有小槽過(guò)境，槽前風(fēng)向由西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)和西北風(fēng)（圖4a黑色虛線框），與ERA5再分析資料繪制的500 hPa環(huán)流形勢(shì)上的波動(dòng)表現(xiàn)一致。21日00：00—09：00，2～2.5 km處有明顯切變，且近地面至2.5 km存在一支低空西南急流，最大風(fēng)速超過(guò)24 m／s（圖4a黑色實(shí)線框）。

由于50～500 m為風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)盲區(qū)，導(dǎo)致探測(cè)的近地面水平風(fēng)場(chǎng)信息不完整，而相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有探測(cè)靈敏度高、時(shí)空分辨率高的特點(diǎn)，在地面50～500 m處仍有較強(qiáng)的探測(cè)能力，垂直方向分辨率可達(dá)30 m，可以有效彌補(bǔ)風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)不足。由圖4b市局站測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的表現(xiàn)可看出，在與風(fēng)廓線雷達(dá)在相同時(shí)段，600～1 300 m處存在一支超低空急流，最大風(fēng)速大于24 m／s（圖4b黑色實(shí)線框），由此可見(jiàn)，兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的聯(lián)合使用能夠有效監(jiān)測(cè)到暴雨發(fā)生前的超低空急流特征。從測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)探測(cè)的風(fēng)向來(lái)看，21日00：00—09：00 50～300 m處以東南風(fēng)為主，300～600 m為偏南風(fēng)，600～1 300 m漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，說(shuō)明有暖平流輸送；12：00—17：00激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的探測(cè)高度明顯升高，最高達(dá)1.6 km。21：00—00：00降水期間，最大探測(cè)高度迅速降低，這是由于該時(shí)段激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速的反演受降水污染嚴(yán)重所致。

圖4 2021年6月21日00：00—22日00：00黃埔站風(fēng)廓線雷達(dá)（a）與市局站測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)（b）不同高度水平風(fēng)速（填色，單位：m／s）和風(fēng)向（風(fēng)向桿）的逐時(shí)變化

3.4 毫米波云雷達(dá)

毫米波云雷達(dá)是觀測(cè)云降水的重要手段，與天氣雷達(dá)相比，由于采用了毫米波，增加了雷達(dá)的靈敏度，提高了探測(cè)能力［8］，利用廣州本地?cái)?shù)據(jù)質(zhì)控后能有效濾除雜波并較好保留云回波［9］。圖5給出2021年6月21日08：00—21：00市局站云雷達(dá)不同高度反射率因子的逐時(shí)變化情況。

圖5 2021年6月21日08：00—22日00：00市局站云雷達(dá)不同高度反射率因子的逐時(shí)變化（單位：dBz）

由圖5看出19：00前后云雷達(dá)上空開(kāi)始出現(xiàn)積雨云，高層反射率因子大于低層，最大反射率因子不超過(guò)10 dBz，此時(shí)地面市局站并未錄得降水，此后反射率因子大值中心逐漸向下擴(kuò)展，表明降水粒子逐漸降落；20：00前后強(qiáng)反射率因子中心接地，最強(qiáng)反射率因子約為30 dBz，云頂高度最高約18 km，積雨云發(fā)展較深厚；20：15市局站開(kāi)始錄得降水。20：40左右由于強(qiáng)降水導(dǎo)致云雷達(dá)探測(cè)發(fā)生顯著衰減，反射率迅速因子減弱；21：00以后降水趨于結(jié)束，但由于大氣濕度顯著增加，云雷達(dá)仍探測(cè)到較深厚云層信息。由此可見(jiàn)，在降水發(fā)生前1 h云雷達(dá)已經(jīng)觀測(cè)到高層的云層開(kāi)始發(fā)展，相比于天氣雷達(dá)有更多的提前量，對(duì)于強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

4 結(jié)論

1）降水發(fā)生前，對(duì)流層低層盛行西南風(fēng)，為廣州地區(qū)輸送大量水汽；近地面存在接近34℃的暖中心，大氣不穩(wěn)定性增強(qiáng)。降水前數(shù)小時(shí)，微波輻射計(jì)反演的IWV、CAPE和LI已有跡象顯示存在有利于發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的水汽和熱力條件。

2）FY-4A衛(wèi)星TBB≤-82℃的區(qū)域內(nèi)或其附近出現(xiàn)明顯閃電、強(qiáng)降水和7級(jí)及以上短時(shí)大風(fēng)，9～10級(jí)大風(fēng)易出現(xiàn)在強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)邊緣TBB梯度大值區(qū)。

3）風(fēng)廓線雷達(dá)和測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的聯(lián)合使用能獲取更加完整的水平風(fēng)場(chǎng)垂直廓線信息，能夠有效捕捉到強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生前的超低空急流特征。

4）云雷達(dá)能較好地反映降雨云團(tuán)的垂直廓線信息，早在降水發(fā)生前1 h就已經(jīng)探測(cè)到高層的云層開(kāi)始發(fā)展，強(qiáng)反射率因子中心接地后，地面自動(dòng)站才開(kāi)始錄得降雨量，這對(duì)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)有一定的指示意義。