摘 要:通過分析發(fā)生于攀西地區(qū)南部的一次強對流天氣過程,利用地面自動氣象站和天氣雷達資料,檢驗了不同F(xiàn)Y-4A產(chǎn)品在該地區(qū)強對流天氣的監(jiān)測效果。結(jié)果表明:FY-4A的云頂高度和云頂溫度產(chǎn)品能反映出對流云團發(fā)展、成熟和消亡階段的變化特征,且云頂高度和云頂溫度變率的正負值能有效區(qū)分對流云團發(fā)展和消亡過程。FY-4A的對流初生產(chǎn)品能夠反映出有對流出現(xiàn),但其位置較實況偏南。FY-4A的閃電事件產(chǎn)品能較為精確地反映出雷電事件發(fā)生的時間和位置。
關(guān)鍵詞:FY-4A產(chǎn)品;復雜地形區(qū);強對流天氣;衛(wèi)星資料
中圖分類號:P45 文獻標志碼:B 文章編號:2095–3305(2024)07–0-04
強對流天氣一般指雷暴大風、冰雹、龍卷、短時強降水等天氣,此類天氣具有突發(fā)性和局地性強、生命周期短等特點,會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重的影響[1]。目前,衛(wèi)星遙感觀測可以有效提高天氣監(jiān)測能力,在對強對流天氣研究中也提供了許多具有指導意義的產(chǎn)品。
FY-4A資料不僅能用于對大氣、河流、地表特征進行監(jiān)測,還能在降雨天氣過程中提供云的三維結(jié)構(gòu)信息[2]。魏棟等[3]利用GMP和FY-4A數(shù)據(jù)對西北地區(qū)高原渦影響下的強降水進行分析,細致反映出強對流天氣過程的對流性特征。曹學君等[4]選用FY-4A產(chǎn)品對秦巴山區(qū)對流天氣進行分析,結(jié)果表明其產(chǎn)品可以很好地反映對流初生、平移和成熟的特征。趙婥等[5]使用FY-4A和地基ADTD的閃電資料對四川冕寧地區(qū)的暴雨過程進行對比分析,發(fā)現(xiàn)FY-4A探測到的閃電數(shù)量密集。盡管FY-4A產(chǎn)品在全國各地的強對流天氣監(jiān)測中取得了很好的應(yīng)用效果,但針對青藏高原和云貴高原過渡帶的復雜地形區(qū)的強對流天氣研究較少。
攀枝花市位于高原東南緣,該區(qū)域經(jīng)常發(fā)生雷暴大風、冰雹以及短時強降水等天氣[6]。以2021年8月9日發(fā)生在攀枝花的一次強天氣過程為例,結(jié)合地面氣象站資料、雷達資料和FY-4A產(chǎn)品,分析攀西復雜地形區(qū)強對流天氣發(fā)展變化特征,同時檢驗FY-4A對流初生產(chǎn)品和閃電事件產(chǎn)品在此區(qū)域的應(yīng)用效果,為當?shù)貜妼α魈鞖獾谋O(jiān)測預報預警提供參考。
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 數(shù)據(jù)
(1)地面氣象站數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)均來源于攀枝花市氣象局,時間范圍為2021年8月8日20:00—9日20:00,空間范圍為圖1圓圈內(nèi),空間分辨率1 km×1 km,時間分辨率5 min。
(2)FY-4A產(chǎn)品來源于風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng),產(chǎn)品主要包括云檢測(CLM)、云頂高度(CTH)、云頂溫度(CTT)、對流初生(CIX),時空范圍和雷達組合反射率一致,空間分辨率4 km×4 km,時間分辨率為4~15 min。
閃電成像儀事件(LMIE)的覆蓋范圍與其他衛(wèi)星產(chǎn)品相比,時間分辨率為1 min。
1.2 方法
利用雷達的組合反射率因子≥35 dBz判斷識別對流初生(CI),并用于強對流天氣過程分析和CIX的檢驗。云檢測產(chǎn)品用于判斷格點上是否有云,用于剔除無云區(qū)域的數(shù)據(jù)。CTH和CTT由AGRI的10.8 μm、12.0 μm和13.5 μm通道計算得到[7]。CIX為FY-4A針對強對流天氣探測的主要產(chǎn)品,當值為“-2”時表示可能有對流初生,值為“-1”表示有對流初生。LMIE由閃電成像儀根據(jù)閃電的光學特征提取獲得[8]。并且利用CTH和CTT產(chǎn)品的時間向前差分法,計算得到其變化率,判斷對流發(fā)展趨勢。
2 天氣過程分析
2.1 天氣概況
根據(jù)此次降水天氣過程的空間分布和時間變化(圖2)情況分析,此次過程具有強度大、范圍廣的特點,并且伴有較強的雷電活動和短時強降水。由降水空間分布(圖2a)可知,此次過程有2個暴雨區(qū),分別位于攀枝花北部和西北部,為對流活動主要影響區(qū)。由時間分布(圖2b)可知,短時強降水從8日23:00開始,9日01:00~05:00是短時強降水的主要集中時段,06:00~08:00無短時強降水發(fā)生。此次過程最大小時雨強在9日02:00達到了74.3 mm/h,因此為一次明顯的強對流天氣過程。
2.2 CI的時空變化分析
圖3為組合反射率因子≥35 dBz隨時間變化的空間特征,可以看出此次天氣過程出現(xiàn)大量CI。強對流天氣過程最先出現(xiàn)在研究區(qū)域的西北部,并發(fā)展壯大南移。從8日22:01(圖3a)開始有零星對流;到9日00:04(圖3b)西北部的對流發(fā)展;02:03(圖3c)對流具有較強組織性,且強度大,導致北部發(fā)生較強的短時強降水,與最大小時雨強發(fā)生的時間對應(yīng);04:02(圖3d)出現(xiàn)第二波對流,但其強度較第一波弱,移動速度較快;06:00(圖3e)第一波與第二波對流合并,但整體強度較弱;08:00(圖3f)對流減弱,降水以陣雨為主,預示著本次強對流天氣過程趨于結(jié)束。
通過分析降水和CI變化,將此次天氣過程分為對流發(fā)展、成熟和消亡3個階段。發(fā)展階段為8日21:00至9日00:00,此階段北部不斷有對流單體生成,產(chǎn)生一些小范圍的雷雨天氣;成熟階段為9日01:00~05:00,強對流中心主要分布在西北部,范圍廣,強度大,發(fā)生短時強降水站次較多;最后是消亡階段為9日06:00~08:00,此階段強對流的組織結(jié)構(gòu)分散,降水強度明顯減弱。
3 FY-4A衛(wèi)星產(chǎn)品分析
3.1 CTH和云CTT分析
圖4顯示,CTH與CTT之間有較好的線性關(guān)系,當CTH值較大時CTT較小,反之CTH較小時則CTT較大。CTH和CTT隨時間變化(圖4a、圖4b)可以反映出此次過程對流云團經(jīng)歷了發(fā)展—成熟—消亡的全過程。發(fā)展階段,CTH整體升高,CTT整體減小,此過程有不穩(wěn)定能量累積。成熟階段,CTH最高,CTT最小,該階段兩者隨時間變化幅度較小。消亡階段,CTH較成熟階段減小,CTT較成熟階段增加,其對流云團消散。
為了更好地反映出強對流過程中云內(nèi)部細致的變化規(guī)律,利用CTH和CTT產(chǎn)品數(shù)據(jù),通過時間向前差分得到云頂高度變化率(CHV)和云頂溫度變化率(CTV)(表1)。根據(jù)表1判斷區(qū)分強對流發(fā)展過程,在強對流發(fā)展階段,CHV均值為正,CTV均值為負,對流云團整體為云頂高度上升,云頂溫度呈下降的變化趨勢。強對流成熟期,CHV和CTV均為負值,且變率較小,對流云團相對穩(wěn)定成熟。強對流消亡期,其CHV和CTV極值和均值都有較大的變化,值的變化與發(fā)展階段相反,強降水也隨之減弱。
3.2 CIX檢驗分析
為檢驗分析FY-4A對流初生產(chǎn)品(CIX)在攀西地區(qū)的應(yīng)用效果,通過疊加天氣雷達組合反射率進行分析得到不同時間的分布結(jié)果(圖5)。21:15(圖5a),研究區(qū)域未監(jiān)測到有CIX,但在研究區(qū)域以外的東南部有監(jiān)測到CIX發(fā)生,雷達組合反射率因子CI分布在研究區(qū)域以外的西北部,兩者位置差異明顯。23:30(圖5b),研究區(qū)域內(nèi)才出現(xiàn)CIX,但其位置偏南,對應(yīng)位置并無雷達回波反映。相反,在研究區(qū)域的西北部有較強的雷達回波并且往東南方向移動。消亡階段,05:30(圖5c)顯示范圍內(nèi)無CIX,強度明顯減弱。因此,F(xiàn)Y-4A的CIX產(chǎn)品和天氣雷達的CI產(chǎn)品存在明顯的差異,實際業(yè)務(wù)中需要結(jié)合雷達反射率因子進行對流初生判斷。
3.3 LIME檢驗分析
強對流天氣過程中往往會伴有雷電天氣,通過此次過程對衛(wèi)星閃電事件(LIME)和雷達組合反射率因子進行綜合對比分析,結(jié)果如圖6所示。在對流發(fā)展階段的21:15(圖6a),研究區(qū)域外的西北部均有較強的雷達回波和閃電出現(xiàn),并向東南移動,強回波區(qū)和閃電事件發(fā)生地對應(yīng)效果較好。到了強對流成熟階段的02:25(圖6b),組合反射率強回波區(qū)位于攀枝花市西北部且強度較強,同時在強回波區(qū)衛(wèi)星也監(jiān)測到了閃電事件的發(fā)生,閃電的頻數(shù)和強度均較為明顯。在消亡階段的05:45(圖6c),攀枝花市已無閃電事件,雷達回波強度也減弱,說明對流云團開始分散,而在攀枝花市區(qū)域外的東南部研究范圍內(nèi)仍有強回波區(qū)和閃電事件,但該強對流系統(tǒng)往東南方向移動,未來也不再影響攀枝花市??紤]到攀枝花市當?shù)匕l(fā)生強對流天氣的時間大多處于夜間,因此FY-4A的LIME產(chǎn)品在該地區(qū)值得被推廣與使用。
4 結(jié)論
通過分析發(fā)生于攀西地區(qū)南部的一次強對流天氣過程,利用地面氣象站和天氣雷達資料,檢驗了不同F(xiàn)Y-4A產(chǎn)品在該地區(qū)的應(yīng)用效果,得到以下結(jié)論。
(1)CTH和CTT產(chǎn)品可以反映出強對流天氣不同階段的特征;在發(fā)展階段CTH不斷升高、CTT不斷下降,且在成熟階段達到相應(yīng)極值,消亡階段呈相反趨勢;短時強降水發(fā)生在對流云團的成熟階段。
(2)CTH和CTT在強對流云團的演變過程中體現(xiàn)較明顯,能夠通過其正負值判斷強對流是發(fā)展過程還是消亡過程;當對流云團處于發(fā)展階段時,CHV為正,CTV為負;當其處于消亡階段時,CHV為負,CTV為正。
(3)在攀枝花市西南部的復雜地形區(qū),強對流引發(fā)的短時強降水常出現(xiàn)在夜間。通過個例檢驗,F(xiàn)Y-4A提供的CIX產(chǎn)品雖能反映出對流的出現(xiàn),但其位置偏差較大;而LIME產(chǎn)品監(jiān)測效果較好,閃電發(fā)生的時間和地點與天氣雷達強回波區(qū)較為一致。
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