基于葵花8号卫星资料的沈阳两次暴雨过程中对流云特征对比分析

应用葵花8号卫星资料,结合NCEP FNL再分析、GNSS遥感水汽、风廓线雷达、全国智能网格实况融合分析资料,对2017年7月14日和2018年8月7日沈阳两次暴雨过程(分别简称过程Ⅰ和过程Ⅱ)中对流云特征进行了比较分析,重点探讨了对流云的触发维持机制与影响降水特征差异的因素。结果表明:(1)两次过程分别为局地突发暴雨和区域性极端暴雨,沈阳市区暴雨均由两个对流云团引发,对流云团合并使得降水持续。过程Ⅱ云团合并发生在其移动方向的后侧,具有后向传播特征,合并云团沿其长轴方向移动影响沈阳市,使降水时间延长。(2)在降水前至降水初期,过程Ⅰ对流云顶和水汽层顶快速上升且云顶迅速超过水汽层顶,而过程Ⅱ亮温下降缓慢。短时强降水发生前红外和水汽亮温同步快速降至-60℃,可作为提前预判对流云团产生短时强降水的参考指标。10 min雨量大于10 mm的对流云云顶集中分布在红外亮温低于-55℃、亮温差为-5~0℃的范围。(3)两次过程中,沈阳市分别位于东北冷涡后部和副热带高压北缘。过程Ⅰ,探空曲线呈“X”型,CAPE高达2584 J·kg^-1,造成对流云深厚,云底以下干层导致雨滴蒸发,使降水强度减弱,该过程高强度降水仅发生在对流云团合并加强阶段。过程Ⅱ,云底到地面湿层明显,保证了雨滴降至地面,产生相同量级降水的云团的TBB比过程Ⅰ高。(4)强降水发生前,地面风场存在明显辐合,当大气可降水量2 h内跃增8 mm时,站点出现强降水;局地水汽跃增可能是低空西南气流偏南分量增大或偏北冷空气侵入到暖湿空气中所致。     

2014年6月19—20日吉安市的对流性暴雨分析

利用常规观测资料、FY-2E红外云图及其反演产品TBB、多普勒雷达资料、地面加密自动站等资料,分析了2014年6月19—20日吉安市对流性暴雨天气过程。结果表明:在西风槽东移和中高层干侵入背景下,由地面中低压、地面中尺度辐合线触发形成的中尺度对流系统。对流性暴雨产生在中尺度对流云团发展强盛到成熟阶段,强降雨落区位于TBB低温中心附近及后侧梯度大值区。雷达回波图有明显的反射率因子核心,在降水发生时,最大反射率因子高度和单体质心高度的明显降低,伴随着降水强度增强。     

广东2022年一次强降水的FY-4A观测及闪电特征

利用FY-4A卫星闪电成像仪LMI、TBB、地基闪电ADTD数据和NCEP-FNL再分析资料等,以2022年5月10日广东一次暴雨过程为例,对两个不同强降水区域对流云团发展演变的观测特征进行了分析。结果表明：中北部清远至九连山南侧的强降水1区属于典型的锋面低槽型暴雨,发生在低槽前部冷暖交汇区,珠江口西侧沿海附近的强降水2区则是暖区西南和偏南气流辐合作用的结果。此个例强降水发生前TBB迅速下降,强降水主要位于对流云团TBB低值中心梯度大值区。对流发展初期TBB逐渐下降到230 K以下,TBB变率较前1 h下降幅度可达-15℃以上,局部可达-30℃,对流云团移动前方的闪电对下一时刻对流的发展移动有很好的指示意义,锋面降水中ADTD较LMI提前出现;成熟阶段TBB大范围下降到220 K以下,局部200 K以下,TBB变率减小,维持在0～-10℃,闪电达到峰值,密集闪电随着TBB≤220 K低值区移动。     

“07.6”广西柳州极端暴雨过程的多尺度特征分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规观测资料、自动站、雷达及FY-2C卫星资料,分析了2007年6月12-13日广西柳州极端暴雨过程的多尺度特征,并探讨了此次暴雨过程的成因.结果显示:500hPa高原东侧的低槽引导冷空气南下,地面准静止锋南移进入广西境内,在地面形成锋面低槽的形势.暴雨发生在850hPa低涡切变线上,暴雨中心与β中尺度低涡扰动有很好的对应关系.这次过程的主要降水系统是南部的对流云团和锋面附近的中尺度对流复合体(MCC).柳州极端暴雨由两个雨团造成,其中一个雨团强度大,持续时间长,这与强降水回波的列车效应和地面中尺度辐合线有关,是柳州高强度降水得以长时间维持的主要原因.     

吉林省一次区域性暴雨天气过程的TBB图像特征分析

采用FY-2C静止卫星红外云图反演的逐时TBB资料、地面逐时降水资料、欧洲中心和北京T213物理量诊断分析资料,利用天气学分析方法研究了2005年8月12～14日吉林省一场区域性暴雨天气过程的TBB图像特征,揭示了副高后部切变线上中-α尺度雨团在TBB场上发生发展移动消亡的规律,对降水过程中的卫星TBB图像特征及其与各种天气系统、物理量场和降水强度之间的关系进行了重点分析。分析结果表明:此次暴雨过程发生于偏北的副高后部,副高区与TBB>0℃区域相对应。TBB低值强云团随云带沿低空急流方向移动,且与水汽及能量输送带密切关联,强降水是呈椭圆型的中尺度对流云团中的准圆形中-α尺度云团造成。TBB低值云团面积越大、数值越低时,1h降水量≥10mm站数出现的越多,TBB≤-50℃所覆盖范围与大到暴雨落区基本一致,最大1 h降水量的雨强落后于云团TBB最低值1～3h。     

贵州一次辐合线锋生极端暴雨过程的中尺度特征分析

利用地面常规观测资料及加密自动站观测资料、FY-2G卫星云图、多普勒天气雷达产品和ERA5再分析资料,对2021年5月10日贵州东部和北部的一次辐合线锋生极端暴雨过程中尺度特征进行分析,初步探讨其形成机制。结果表明：此次极端暴雨过程发生在低涡切变背景下,低层强盛的南风为中尺度对流系统发生发展输送了充足的水汽和不稳定能量,地面辐合线及锋生提供了触发条件,暴雨区主要位于云团云顶亮温低值中心西侧或南侧梯度大值区,并沿地面辐合线呈东西向带状分布,最强降水发生在对流云团合并阶段。辐合线锋生作用在其西侧频繁触发对流单体,新生对流单体沿地面辐合线东移发展,持续影响贵州东部和北部地区。在降水最强的两个阶段,雷达回波呈现暖云和悬垂结构特征。地面辐合线及其锋生、上游降水带来的降温增压以及持续增强的南风有利于暴雨区水汽辐合增强,而垂直方向上纬向、经向中尺度次级环流上升支正好位于特大暴雨中心附近,有利于中尺度对流系统维持和增强。     

2005年6月华南致洪暴雨过程中FY-2C卫星TBB场分析

利用水平分辨率1°×1°经纬度的FY-2C卫星相当黑体亮度温度（TBB）网格资料，探讨了2005年6月18—22日华南致洪暴雨过程中TBB的平均场分布特征及其演变特点，以求得华南地区对流云带（团）生消与暴雨的内在联系。结果表明：TBB场能较直观地反映暴雨过程中积云对流活动、降水的分布和强度特征，TBB低值带与华南地区强暴雨落区有很好的对应关系；强盛的西南季风对华南地区强对流云系的生成、发展和维持起了主导作用；对流云带（团）以缓慢东移为主，随着云带（团）TBB值降低，降水强度逐渐加大；TBB有明显的日变化，同时伴随着雨强的日变化。     

2020年四川盆地南部两次暴雨过程分析

利用高空和地面加密观测资料、欧洲中心ERA5逐小时再分析资料和FY-2H卫星TBB资料,对2020年“7.15”和“8.24”四川盆地南部两次暴雨天气过程进行了分析。结果表明：（1）两次暴雨过程发生在不同的环流形势下,盆地高能高湿的环境条件和中低层有利的系统配置是造成两次暴雨过程的主要原因,而近地面层冷空气扩散南下是触发“8.24”暴雨的又一关键因素;（2）“8.24”暴雨过程中低层水汽和能量更充足,大气层结更加不稳定,降雨范围和强度更大;（3）“7.15”暴雨过程中尺度对流云团偏东,“8.24”暴雨过程冷空气路径对中尺度对流系统的初生有一定影响,使对流云团更偏西,强降雨均出现在中尺度对流系统成熟阶段,最强降雨时段与冷云中心最强时段对应。     

一次副高控制下的局地大暴雨天气分析

利用常规观测资料、FY-2E卫星TBB资料、自动气象站降水量资料、NCEP1°×1°逐6 h再分析资料,对2016年7月30—31日商洛出现的局地大暴雨过程进行分析。结果表明:(1)西太平洋副热带高压控制下,地面东路冷空气入侵是触发降水的主要原因;(2)暴雨区上空湿度明显增加,有突发性暴雨湿度变化特征;(3)暴雨出现在中尺度暴雨云团发展成熟阶段,暴雨站点上空TBB低值阶段和强降水出现时段基本吻合,TBB升高时降水强度减小;(4)雷达基本速度图上出现低层气旋性辐合、高层反气旋性辐散特征,垂直液态含水量最大值所在位置与地面强降水落区基本相同。     

江西一次特大暴雨中尺度对流系统特征对比分析

利用FY-2E云顶亮温(TBB)资料,雷达回波资料以及非静力中尺度数值预报模式WRF的模拟结果,对比分析了2010年6月19日江西特大暴雨过程中TBB低值接近但地面降水量差异显著的两个中尺度对流系统(MCS)。结果表明:MCS1为新生对流在有利的水汽、动力和热力条件下迅速发展形成的强盛中尺度对流系统,中低层辐合高层辐散、气旋性涡旋发展旺盛,对流云柱内强上升运动将辐合的大量低层水汽输送至中高层,云水、云冰含量增加,两者重叠层加厚,水物质总量增加,造成地面出现强降水;MCS2尾随层云区的弱辐合仅出现在中层,水汽辐合量和液态水物质含量显著偏小,对应地面弱降水,但是由于高层云冰含量与MCS1对流云区相当,高层雷达回波强度相当,导致卫星云图上TBB出现与MCS1相同的低值。     

巢湖地区一次梅雨期强对流暴雨中尺度特征分析

利用地面气象观测资料、ERA5再分析资料、FY-2E卫星和多普勒雷达资料,对2011年7月17日发生在巢湖地区的一次强对流暴雨过程进行诊断分析。结果显示:500hPa深槽、850hPa切变线及地面低压是此次暴雨过程的天气尺度影响系统,强降水发生在湿层和暖云层深厚、较低的抬升凝结高度、中等强度对流不稳定及弱垂直风切变条件下;FY-2E卫星云图分析表明,此次强降水过程主要是多个中尺度对流系统在巢湖合并所致,短时强降水落区主要落在中尺度对流系统TBB等值线密集区附近,TBB中心强度越强,TBB等值线梯度越大,对应的1h降水量越强;多普勒雷达分析揭示,短时强降水发生在两个对流回波合并期间,对流风暴移动缓慢,大于45dBz强回波均在6km以下,呈低层强烈气旋式辐合、高层辐散特征;地面中尺度辐合线是此次风暴的触发因子;湿位涡诊断结果表明,600hPa以下对流不稳定,600hPa以上对称不稳定,有利于暴雨和中尺度系统的发生发展。     

新疆西部一次大暴雨形成机理的数值模拟初步分析

2016年7月31日至8月1日新疆西部发生了一次罕见的大暴雨过程,利用常规观测资料、FY-2G卫星TBB（Black-Body Temperature）资料和NCEP/NCAR（1°×1°）再分析资料,在天气尺度环流背景和中尺度系统分析的基础上,利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式对此次大暴雨过程进行了高分辨率数值模拟,利用模拟资料对大暴雨的形成进行了分析。结果表明:此次暴雨发生在稳定维持的"两脊一槽"环流形势下,巴尔喀什湖低槽、高空偏西急流、低空偏东急流和近地面辐合线是造成此次大暴雨过程的主要天气系统。中尺度云团沿近地面的辐合线在天山迎风坡附近不断生成,云团生成后,在向东北方向移动过程中,经过伊犁地区上空时,受天山地形抬升影响不断发展增强,造成伊犁地区出现持续性较强降水。天山迎风坡附近持续较长时间的辐合线是造成此次新疆西部大暴雨的直接中尺度系统,其生成与低层风场辐合、低空急流和地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近加强,风场辐合及地形抬升共同导致强垂直运动发展并维持,类似于"列车效应",不断生成的尺度更小的对流系统沿着辐合线持续移过新疆西部的伊犁地区,是该次暴雨持续的重要原因。     

一次西南低涡特大暴雨的中尺度对流云团特征

针对2007年7月8~10日四川盆地南部的特大暴雨天气过程,利用逐小时红外云顶黑体亮度温度结合地面加密雨量资料对其进行了对比分析。分析指出此次特大暴雨是由西南低涡内几个中尺度对流云团连续生消造成的,在其开始阶段有一中尺度对流复合体沿基本气流方向强烈发展,此阶段云团虽发展旺盛,但由于雨团随系统移动较快,并未造成洪灾。此云团减弱后,低涡环流仍维持并少动,又依次触发了3个中尺度对流的生成,这3个中尺度对流云团逆基本气流向SSW方向缓慢移动,造成的降水落区集中,中心雨强大,持续时间长,由此导致了暴雨洪涝的产生。强降水位置对于前向传播系统,一是在其发展的前端,二是在冷云中心的略偏后的位置,最大雨强出现在云团成熟之前发展最剧烈时,而后向传播的低涡云团强降水主要在冷云中心附近,最大雨强出现在云团发展最旺盛(冷云中心TBB最低)时。     

庐山2002—2010年夏季强降水特征分析

利用气象观测资料,对庐山2002—2010年夏季(7—9月)强降水(日降水量≥50 mm)进行了统计分析和天气系统分型,并对降水期间的气象要素变化、卫星云图及雷达回波特征进行了归纳分析。结果表明,(1)庐山夏季强降水日数平均每年为2.8 d,少约1 d,多达5 d。四类天气系统中台风占44%,西风带占32%,副热带高压边缘占16%,东风波占8%。(2)强降水过境时的要素变化,不同系统有不同的表现形式,台风影响时会出现降压、降温、增湿、风向旋转、风速增大以及较山下大几倍至几十倍的降水等要素变化;西风带系统影响时,会出现气温明显下降、气压前降后升的过程;副热带高压边缘影响时,前期高温、气压无明显波动,降水以午后到傍晚雷阵雨为主,常伴有短时强降水和强雷电;东风波系统影响时,要素反应弱,降水既有副热带高压边缘的强降水,又有台风性质的大降水。(3)台风系统云图主要表现为螺旋状结构和中尺度对流云团结构,雷达回波表现为混合型降水;西风带系统则呈东北—西南带状云系和带状回波分布;副热带高压边缘在午后到傍晚有一些分散的对流云团不断生消,较少移动,雷达图上午后到傍晚有分散的对流性回波发展;东风波自东向西移动,有带状云系相配合,带来明显的强降水,利用雷达也可以监测到南北向回波带自东向西移动。     

基于卫星和雷达资料的对流云团识别跟踪

强对流天气是福建汛期最主要的气象灾害之一,利用我国自主研制的风云系列气象卫星资料,结合天气雷达和自动站雨量资料,采用多阈值法、面积重叠法、统计法对福建省对流云团的识别、跟踪、未来3h短时降水预报等方法进行研究,在此基础上建立福建省对流云团卫星遥感监测预报业务软件系统。根据2015年5—9月福建省4次典型对流天气过程的业务试运行,结果表明该业务软件系统能准确识别跟踪对流云团的发生发展,对流云团移动过程的降水落区与地面气象观测的实际降水分布一致,对流云团最大降水量的预报准确率为61%,空报率为33%,漏报率为6%。研究成果对对流云团的监测和预报有较好的指导作用。     

恩施“6·24”暴雨中尺度系统特征分析

利用常规观测资料、自动区域站雨量、卫星TBB资料、雷达资料,对恩施州2016年6月24—25日发生的一次大范围暴雨过程进行分析。结果表明:本次强降水,具有典型的两槽一脊"单阻型"梅雨环流特征,在有利的大尺度环流背景下,在高空槽、低层低涡切变、西南急流、地面中尺度辐合线等中尺度天气系统的共同影响、相互作用下,形成了此次大范围强降水。此次暴雨空间上分布不均,局地性强,表现为明显的中尺度对流性特征,雷达回波图上降水性质表现为混合型降水,暴雨的直接影响系统是中β尺度对流系统,且中β尺度对流系统在多个中尺度对流云团合并后加强,时间尺度约为5 h。此次暴雨过程是在上干冷下暖湿强的大气层结不稳定条件下,梅雨锋、边界层辐合线和地形槽的触发作用将前期积累的能量释放产生的强对流天气,同时,副高外围西南气流将南海和西太平洋的水汽向恩施输送,为暴雨的发生提供了有利的条件。     

一次对流云团合并的卫星等综合观测分析

利用FY2C卫星观测反演得到的云物理特征参数,结合雷达、微波辐射计和地面雨量等资料,综合分析了2008年7月17日中国安徽一次强降水过程的云合并特征。结果表明：对流云团发展合并是这次强降水发生的主要原因,同一区域内FY2C卫星反演的云光学厚度、雷达回波以及地面降水的分布演变具有较好的一致性,强降水落区与云光学厚度大值区以及雷达强回波区基本对应;对流云团中的液水分布不均匀,以团块状结构为主,对流云团合并时,常先有云体上部（云顶）的合并,一旦云中不均匀的液水合并,合并部位的云光学厚度迅速增加,地面微波辐射计观测的整层液水含量跃增,地面将会出现强降水;一般降水增强之前云顶抬升,光学厚度增大;若云顶高但光学厚度较小时,地面降水一般不明显,光学厚度与降水的关系更密切;对流云团合并初期,云底由小粒子组成,T-re图上表现为深厚的凝结增长区域,合并时整层云粒子的有效半径增长明显,粒子相态达到混合相态区和冻结层的温度不断升高。     

WRF模式云参数化方案对一次深对流系统模拟的验证和改进

使用中尺度数值模式WRF中的双参数云微物理方案WDM6针对2008年台风“凤凰”登陆过程中造成的强降水进行数值模拟,通过卫星模拟器利用MTSAT-1R和TRMM卫星观测的红外云顶黑体亮温TBB、PR雷达反射率资料使用统计方法验证模拟结果。通过修改云水向雨水自动转化过程、冰晶核化过程、雪和霰的下落末速度、雪和霰的截距进行敏感性试验,减小模拟结果和卫星观测结果的差异。研究结果表明:WDM6方案模拟的台风“凤凰”登陆后的降水,强对流云系及对流柱状雷达回波基本符合实况,但模拟结果局部偏强。WDM6方案模拟产生了较多的浅对流云,低估了对流云系的出现频率。不同云类型模拟的雷达回波均偏强,对流云系雷达回波垂直分布接近观测。敏感性试验结果说明修改WDM6方案中云水向雨水自动转化率有效地改善了模拟效果。同时发现云滴初始数浓度影响云水向雨水自动转化率并最终影响云系结构和雷达反射率的模拟结果,过高的云滴初始数浓度会使模拟结果变差。     

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12-13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制。结果表明：本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡。云降水阶段性变化明显,先后出现了层状云降水、层积混合云降水和对流云降水。层状云降水和层积混合云降水均表现出明显的亮带特征,但层积混合云降水的雷达回波强度、回波顶高和降水强度明显大于层状云降水。对流云降水的雷达回波会因强降水而产生明显衰减,因此回波顶高不能表示出实际的云顶情况。层状云降水阶段,云雷达反射率随高度降低增长缓慢,雨滴在下落过程中受蒸发和碰并的共同作用,反射率降低。与层状云降水相比,层积混合云降水的碰并效应强,且由于前期降水对近地面的增湿作用,使云下蒸发弱。对流云降水阶段,反射率的增长主要发生在冰水混合层,有利于大滴的产生,拓宽了云滴谱,提高了碰并效率。     

2019年台风利奇马引发山东特大暴雨成因分析

利用地面观测资料、雷达资料、FY-2G卫星云图资料及欧洲中心细网格资料,对台风利奇马登陆北上引发山东特大暴雨的成因进行分析。发现:利奇马登陆北上过程中,冷空气先后从台风的西部、西南部与南部侵入至台风中心内部,使其暖心结构逐渐减弱,其变性时段发生在10日20:00至11日08:00。山东的特大暴雨主要出现在台风变性前12h至台风变性后6h。变性之前的暴雨主要是由于台风螺旋云带与高空槽尾部云系相叠加造成的,变性之后的暴雨则是由于冷空气侵入致使台风外围云系演变成强对流复合体造成的。变性之前,对流层内800～500hPa风速小,500～250hPa风速大,气层内有暖平流,整层的上升运动,降水以暖区对流降水为主;变性之后800～500hPa风速大,500～250hPa风速小,500hPa至地面是上升运动,以上为下沉运动,降水以斜压锋区附近的对流降水为主。当500hPa至地面气层内出现冷平流时,湿层变薄,降水趋于减弱。特大暴雨区出现在台风中心西北方向,与850hPa假相当位温锋区与水汽通量散度辐合大值区相吻合。