文|牛寧 任素玲 夏揚(yáng) 楊冰韻

1.中國(guó)氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院

2.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心/國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心

3.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心

4.中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室

一、引言

近年來，風(fēng)云衛(wèi)星綜合探測(cè)技術(shù)顯著提升[1-4]，F(xiàn)Y-3/VASS 大氣溫度計(jì)、FY-3E 風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)、FY-4B 快速掃描儀和FY-4A/GIIRS 都是風(fēng)云系列衛(wèi)星搭載的具有代表性的探測(cè)儀器并在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用[5-8]。FY-3/VASS 大氣溫濕度廓線反演產(chǎn)品基于紅外高光譜探測(cè)儀（HIRAS）和其上搭載的兩臺(tái)微波探測(cè)儀（溫度計(jì)和濕度計(jì)），借助微波探測(cè)儀的穿透性，提高和改善非降水云云下大氣廓線的反演精度，F(xiàn)Y-3/VASS 大氣溫濕度廓線產(chǎn)品空間分辨率為4km，每顆衛(wèi)星可全天2 次獲得全球大氣溫濕三維結(jié)構(gòu)信息。FY-3E 搭載的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)（WindRAD）是我國(guó)風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星的第一個(gè)主動(dòng)遙感儀器，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)雙頻雙極化洋面風(fēng)場(chǎng)主動(dòng)探測(cè)。風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)采用先進(jìn)的扇形波束圓錐掃描體制，觀測(cè)幅寬超過1200km，最小可檢測(cè)風(fēng)速優(yōu)于3m/s 的風(fēng)場(chǎng)。FY-4A/GIIRS 為國(guó)際上首個(gè)靜止軌道干涉式垂直探測(cè)儀器，在長(zhǎng)波紅外和中波紅外波段實(shí)現(xiàn)1650 個(gè)細(xì)分光譜通道，光譜分辨率為0.625 波數(shù)，根據(jù)大氣紅外輻射傳輸原理，經(jīng)數(shù)值計(jì)算可以獲得溫度等參數(shù)的垂直分布。FY-4B 氣象衛(wèi)星新載荷快速成像儀首次實(shí)現(xiàn)靜止軌道250m 空間分辨率、1 分鐘頻次2000km×1800km區(qū)域的連續(xù)靈活觀測(cè)，夜間紅外通道觀測(cè)分辨率為2km，為預(yù)報(bào)員提供高時(shí)效的觀測(cè)資料，與成像儀形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。高頻次的地氣目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)可有效監(jiān)測(cè)極端天氣發(fā)展，對(duì)提高氣象業(yè)務(wù)服務(wù)能力起到重要作用。

2023 年1 月23—25 日，我國(guó)中東部地區(qū)受到強(qiáng)冷空氣的影響，東北、華北、黃淮等地出現(xiàn)寒潮天氣，其中山東半島氣溫下降明顯，最低氣溫低于-15℃，強(qiáng)冷空氣經(jīng)渤海海面南下時(shí)遇到了海面上的暖濕空氣，造成降雪云系發(fā)展，出現(xiàn)明顯的“冷流降雪”。受本次寒潮天氣影響，山東半島出現(xiàn)大范圍降雪，局部地區(qū)達(dá)大到暴雪。由于處于春節(jié)期間，暴雪天氣造成嚴(yán)重影響。風(fēng)云衛(wèi)星在此次寒潮災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)服務(wù)中發(fā)揮了重要的作用，有效監(jiān)測(cè)了寒潮中的冷空氣溫度、雨雪及海上大風(fēng)等。應(yīng)用FY-3 和FY-4 衛(wèi)星對(duì)大氣溫度的三維探測(cè)，特別是FY-3 衛(wèi)星對(duì)極區(qū)的觀測(cè)在預(yù)報(bào)實(shí)效內(nèi)監(jiān)測(cè)極渦活動(dòng)引發(fā)的冷空氣南下對(duì)此次寒潮影響。FY-4A/GIIRS 和FY-4B 聯(lián)合觀測(cè)可實(shí)現(xiàn)1h/次的中國(guó)及周邊三維大氣溫度觀測(cè)，對(duì)此次寒潮及其造成的雨雪天氣實(shí)現(xiàn)短時(shí)臨近監(jiān)測(cè)服務(wù)。冷空氣入海經(jīng)常造成海上大風(fēng)，影響海上生產(chǎn)和海上交通，也是本次寒潮預(yù)報(bào)服務(wù)的重要內(nèi)容。WindRAD 是我國(guó)風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星的第一個(gè)主動(dòng)遙感儀器，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)雙頻雙極化洋面風(fēng)場(chǎng)主動(dòng)探測(cè)，形成2 次/天的海上風(fēng)速和風(fēng)向觀測(cè)，經(jīng)過精度檢驗(yàn)，洋面風(fēng)產(chǎn)品風(fēng)速精度優(yōu)于2m/s，風(fēng)向精度優(yōu)于25°，因此能夠滿足此次寒潮引發(fā)的海上大風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)業(yè)務(wù)需求。

二、風(fēng)云氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)寒潮演變過程

1. 風(fēng)云氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)寒潮冷空氣演變特征

FY-3 極軌氣象衛(wèi)星高緯度極區(qū)的覆蓋頻次更高，具有明顯的探測(cè)優(yōu)勢(shì)，我國(guó)寒潮的爆發(fā)和極地渦旋（極渦）的活動(dòng)關(guān)系密切，利用FY-3 大氣溫度產(chǎn)品對(duì)極渦活動(dòng)伴隨的冷空氣活動(dòng)開展監(jiān)測(cè)。2023 年1月24—25 日山東半島冷流降雪和東部海區(qū)的海上大風(fēng)發(fā)生之前，歐亞大陸東北部極區(qū)附近表現(xiàn)出異常的冷空氣活動(dòng)，據(jù)圖1 所示，1 月19 日平均850hPa溫度顯示，極渦偏向東半球，歐亞大陸東北部最低溫度達(dá)-40℃左右，比歷史同期偏低-16℃左右。

圖1 FY-3D 氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)2023 年1 月19 日北極850hPa 溫度

隨著極區(qū)冷空氣向南推進(jìn)，F(xiàn)Y-4A 和FY-4B雙星聯(lián)合應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)1h 高時(shí)間頻次的三維大氣溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的日變化特征及其由此引發(fā)的雨雪相態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，為預(yù)警服務(wù)提供更高時(shí)效的監(jiān)測(cè)信息。冷空氣影響我國(guó)中東部時(shí)，F(xiàn)Y-4 監(jiān)測(cè)顯示1 月24 日10:00（北京時(shí)）850hPa 氣壓層的0℃線已經(jīng)南推至華南北部，山東半島溫度850hPa為-20℃左右，較1 月19 日的0℃急劇降低，過程降溫達(dá)20℃左右， 1 月25 日10:00 山東半島上空850hPa 溫度開始回升，冷空氣主體東移（圖2）。

圖2 FY-4A/GIIRS 氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)850hPa 溫度

2. 風(fēng)云氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)冷空氣造成的海上大風(fēng)

寒潮冷空氣東移入海后常常造成海上大風(fēng)，影響海上生產(chǎn)和交通。FY-3E 新搭載的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)反演洋面風(fēng)產(chǎn)品可有效觀測(cè)冷空氣入海引發(fā)的海上大風(fēng)。據(jù)圖3 所示，洋面風(fēng)監(jiān)測(cè)顯示： 2023 年1 月24 日06:00，受冷空氣影響，我國(guó)東部海域出現(xiàn)大范圍的偏北大風(fēng)，其中渤海和黃海海域風(fēng)速達(dá)7-8 級(jí)，東海上空風(fēng)速最大達(dá)到9 級(jí)左右；1 月25日05:40，受冷空氣東移南下影響，我國(guó)近海的渤海、黃海和東海中北部洋面風(fēng)風(fēng)速明顯減弱，渤海海域轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)風(fēng)速3-5 級(jí)，黃海和東海中北部洋面風(fēng)速為3-6 級(jí)，臺(tái)灣海峽、南海東北部洋面風(fēng)速依然較大，為7-9 級(jí)。

圖3 FY-3E 風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)監(jiān)測(cè)東部海區(qū)海上大風(fēng)

3. 風(fēng)云氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)細(xì)胞狀積云及降雪云系

冬季，當(dāng)冷鋒后面來自中高緯度陸地的干冷空氣進(jìn)入洋面，受到暖海面加熱、加濕的影響，在衛(wèi)星云圖就經(jīng)常能在我國(guó)東部的渤海、黃海和東海地區(qū)觀測(cè)到大范圍的細(xì)胞狀云系。細(xì)胞云的排列方向和低層的風(fēng)向基本一致。海上這種細(xì)胞狀云系涌向陸地則會(huì)造成大到暴雪天氣，我國(guó)山東半島北側(cè)的威海、煙臺(tái)和蓬萊等地時(shí)常受到渤海和黃海北部的細(xì)胞狀云系的侵襲，出現(xiàn)暴雪或大暴雪。受冬季冷空氣形成的海上細(xì)胞狀云系的影響，日本北部也時(shí)常出現(xiàn)類似的冷流引發(fā)的暴雪天氣。

受本次寒潮影響，F(xiàn)Y-4B/GHI 1 分鐘250m 分辨率的云圖監(jiān)測(cè)顯示（圖4）：2023 年1 月24 日14:11，渤海、黃海、東海和南海上空出現(xiàn)大范圍排列整齊的細(xì)胞狀積云,云系的排列呈準(zhǔn)南北走向，和洋面偏北風(fēng)一致，渤海海域的細(xì)胞狀積云在洋面偏北大風(fēng)的影響下涌向山東半島；1 月25 日14:11隨著冷空氣東移南下，渤海、黃海北部細(xì)胞狀積云消散，風(fēng)速減弱后，和24 日相比黃海和東海海域積云排列變得不清晰。

圖4 FY-4B/GHI 監(jiān)測(cè)海上細(xì)胞狀積云

4. 風(fēng)云衛(wèi)星監(jiān)測(cè)積雪覆蓋

本次寒潮過程中，渤海海域細(xì)胞狀云系在強(qiáng)偏北風(fēng)的影響下涌向山東半島，造成大到暴雪天氣。FY-3D 氣象衛(wèi)星真彩色圖像監(jiān)測(cè)了本次冷流降雪發(fā)生前后山東半島積雪覆蓋特征（圖5）：2023 年1 月20 日降雪發(fā)生前山東半島無積雪覆蓋，1 月25 日出現(xiàn)大范圍的積雪覆蓋，特別是山東半島的中北部積雪覆蓋度更高，部分地區(qū)積雪覆蓋的走向呈準(zhǔn)南—北方向，和積云的排列方向一致。

圖5 FY-3D 真彩色圖像監(jiān)測(cè)降雪前后山東半島積雪覆蓋

三、總結(jié)與展望

本文應(yīng)用FY-3/VASS 大氣溫度反演產(chǎn)品、FY-4A/GIIRS 溫度數(shù)據(jù)、FY-3E 風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)洋面風(fēng)產(chǎn)品和FY-4B/GHI(快掃)圖像監(jiān)測(cè)分析了2023 年1 月24—25 日發(fā)生在我國(guó)山東半島及周邊海區(qū)的寒潮、海上大風(fēng)和冷流降雪天氣，為此次寒潮天氣預(yù)報(bào)和服務(wù)提供了有力支撐, 結(jié)論如下：

1）FY-3D/VASS 溫度數(shù)據(jù)和FY-4A/GIIRS 溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)極區(qū)和東亞中高緯低層冷空氣的移動(dòng)特征，從而進(jìn)一步監(jiān)測(cè)寒潮天氣向南移動(dòng)的發(fā)展特征。

2）FY-3E 風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)洋面風(fēng)產(chǎn)品監(jiān)測(cè)我國(guó)東部海區(qū)的海上大風(fēng)天氣，1 月24 日東海上空海上大風(fēng)量級(jí)最大，1 月25 日除了臺(tái)灣南部南海部分海區(qū)外其他區(qū)域海上大風(fēng)強(qiáng)度有所降低。

3）FY-4B/GHI 圖像監(jiān)測(cè)海上細(xì)胞狀積云分布，從而預(yù)報(bào)海洋系統(tǒng)影響山東半島并引發(fā)冷流降雪天氣。

4）FY-3D 真彩色圖像監(jiān)測(cè)冷流降雪前后山東半島積雪覆蓋特征。山東半島在冷流降雪發(fā)生前是明顯的晴空區(qū)分布，冷流降雪發(fā)生后能夠清晰監(jiān)測(cè)到降雪覆蓋區(qū)域。

寒潮災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)中，風(fēng)云極軌和靜止氣象衛(wèi)星綜合應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣溫度、降水云系（雨雪）、地表積雪和大風(fēng)等多要素監(jiān)測(cè)。發(fā)揮風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星全球覆蓋極區(qū)觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，在更長(zhǎng)預(yù)報(bào)服務(wù)時(shí)效內(nèi)開展冷空氣活動(dòng)早期監(jiān)測(cè)；發(fā)揮風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)，對(duì)寒潮活動(dòng)過程中冷空氣日變化和推進(jìn)過程、降水云系快速演變、雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換可形成臨近精細(xì)化監(jiān)測(cè)服務(wù)。同時(shí)，風(fēng)云氣象衛(wèi)星多星聯(lián)合應(yīng)用對(duì)積雪變化開展災(zāi)害影響評(píng)估，而FY-3E 洋面風(fēng)的監(jiān)測(cè)更是有效彌補(bǔ)了海上風(fēng)場(chǎng)實(shí)況常規(guī)觀測(cè)的匱乏。未來，隨著風(fēng)云氣象衛(wèi)星發(fā)展，今年4 月發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)傾斜軌道降水測(cè)量衛(wèi)星和即將發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)微波星，對(duì)寒潮降水云系可形成垂直探測(cè)能力，將能進(jìn)一步提升我國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星在寒潮災(zāi)害中的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力,對(duì)我國(guó)其他類型的災(zāi)害性天氣氣候事件也必將提供更多的觀測(cè)信息。