2009年江苏一次强对流天气过程的遥感监测

官莉，王雪芹，黄勇，2

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;2.安徽省气象科学研究所，安徽合肥230031)

2009年江苏一次强对流天气过程的遥感监测

官莉1，王雪芹1，黄勇1，2

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;2.安徽省气象科学研究所，安徽合肥230031)

以卫星水汽图为主，结合可见光云图、雷达资料和常规天气观测资料，分析2009年6月5日发生在江苏徐州沛县的一次冰雹、龙卷天气，结果表明:卫星水汽图中动力异常区与对流系统的交界处和可见光云图上两个对流云团出流边界处触发的新的雷暴云团区域容易产生龙卷等强对流天气;水汽图上的水汽输送带与可见光云图的对流云系相一致，并且水汽图像特征与导致垂直运动和气流变形场的大尺度天气过程有关系，代表着对流层中上部的动力特征;强对流天气发生在低亮温对流云团中。高时空分辨率的卫星和雷达遥感资料很好地反映了短时强对流天气系统的发展与演变，有效地补充了常规天气资料分析的不足，为短时天气预报提供一种思路。

卫星水汽图像;可见光云图;雷达图像;冰雹;龙卷;强对流天气

0 引言

强对流天气具有突发性强、生命史短、破坏性大等特点，且强对流天气系统尺度小，结构复杂，预报上有一定难度。近几年广大气象工作者对强对流天气开展了不少研究，尤其高时空分辨率的天气雷达、气象卫星为分析预报强对流天气提供了更详尽的资料和可靠的手段(漆梁波和陈永林，2004;徐秀芳等，2008;俞小鼎等，2008)。

2009年6月5日，江苏全省出现雷雨大风、冰雹等强对流天气，陆上最大风力7～11级(淮安楚州，31 m/s);25个台站出现冰雹，冰雹最大直径5 cm(丰县);全省雨量小到中等，部分地区大雨，降水分布不均、历时短、雨强大，沿江地区雨量较为集中，据自动气象站统计，有2站雨量在50 mm以上;并且16:30(北京时间，下同)左右，徐州沛县遭受了30 a未遇的龙卷风袭击，风力达到12级以上。这次强对流天气的出现影响大，致使数百间房屋倒塌、多人受伤，给人民的生命财产造成重大的损失。

天气雷达和气象卫星在强对流天气的分析中具有重要的作用，天气雷达能直接探测云雨粒子。气象卫星观测资料具有直观、形象和不受地理条件限制等优点，且地球静止卫星观测时间间隔不断缩短，卫星探测功能和地面处理能力不断增强，由卫星得到的气象参数和有用信息不断增多，并且从卫星云图上能够发现处于发展初期的对流云，对早期发现强对流系统十分有利。但由于目前遥感监测强对流天气多是利用雷达资料，而卫星资料在强对流天气分析中的应用相对较少(叶惠明等，1993;陈秀杰等，1998;傅炳珊，2004;姚叶青等，2004;郑媛媛和俞小鼎，2004;朱敏华等，2006;胡玲等，2008;朱君鉴等，2009)，因此本文主要以2009年6月5日16:30左右发生于徐州沛县的龙卷袭击为例，根据常规天气观测资料提供的天气形势背景，以卫星水汽图为主，结合可见光云图并综合雷达资料，对此次短时强对流过程中尺度系统的形成、发展和移动特征及造成这次强对流天气的原因进行具体分析。

1 天气形势背景

1.1 天气尺度特征

强对流天气发生前，5日08:00在500 hPa上(图1)，中国东北地区有一冷涡，河套地区有一高压脊，干冷空气从脊前南下，江苏位于高压脊前。随着冷空气的东移，东北冷涡加强，不断有冷空气补充南下，700 hPa上江苏仍受西北气流控制，而850 hPa以下为暖区，这样中高层干冷、低层暖湿造成大气层结不稳定。图1中棕色线段为850 hPa切变线位置，可以看出河套东部的切变线辐合区正好与大气层结不稳定区相重合，低层的切变线辐合有利于产生上升运动，触发不稳定能量释放、产生对流，为强对流天气的产生提供了有利的大气环流条件。

1.2 稳定度特征

沙氏指数Si和K指数是反映大气层结稳定度和湿度的物理量。当Si＞0时，大气层结稳定，相反则为不稳定;K值越大，低空水汽越充沛，大气层结越不稳定，当K＞30时有出现强对流天气(短时暴雨、大风、冰雹)的可能。

图1 2009年6月5日08:00 500 hPa高度场、700 hPa风场和红外云图Fig.1 Height fields at 500 hPa，wind fields and infrared cloud image at 700 hPa at 08:00 BST on 5 June 2009

图2a、b分别是2009年6月5日徐州站08:00和20:00的探空图，可以看到08:00徐州站沙氏指数Si=1.0，K=20，徐州处于潜在不稳定能量区，有利于不稳定能量的积累，随着高空冷空气的东移，为发生于几小时后的强对流天气创造了条件;在20:00 T-lnp图上，沙氏指数Si=5.5，K=5，沙氏指数和K指数较08:00的变化说明，此时徐州地区的大气层结已经稳定，强对流天气结束。

2 卫星云图分析

由于本次冰雹、龙卷过程生命史短，并且出现在天气图间隔之间，从常规资料分析很难反映其演变情况。卫星云图具有极好的时空连续性、实时性，因此利用我国地球静止气象卫星FY-2D云图对本次过程进行具体分析。

图3和图4分别是2009年6月5日13:15—17:45每隔0.5 h的卫星水汽发展演变和可见光云图。图3a中我国东北地区有一强水汽输送带，白亮区A位于此水汽输送带的尾部，江苏中部有小片白亮区B出现，在其后的几个小时中A逐渐与东北强水汽输送带分离，在可见光云图(图4)上白亮区A、B对应为中尺度对流云团，可以看到随时间的推移A、B云团不断发展扩大，在A、B云团出流边界处触发新的雷暴云团不断扩展变亮，使两云团逐渐合并成一个大的强雷暴云团，导致5日下午从苏北到杭州湾沿途的强对流天气。

2.1 水汽图分析

水汽图像用灰度表示辐射温度的相对高低，对流层中上部(600 hPa以上)的干区表现为比湿区更暗的色调。水汽图像中所看到的绝大部分重要结构与导致垂直运动和气流变形场的大尺度天气过程有关系，因而水汽图像代表着(从对流层中部到对流层顶附近)对流层中上部的动力特征，对流层顶高度低的区域与大气中的下沉运动有关系，抑制了对流层里水汽的垂直伸展厚度，在图像上产生深灰色的色调，反之，上升运动或对流层顶高度高的区域表现得白亮一些。一般而言，图像上近白色到白色的区域代表非常冷或湿气团，由大尺度垂直上升运动产生;而其色调较暗的区域则是大气中的相对干区，通常对应于大气中的下沉运动或干燥区。在中纬度地区，急流附近动力对流层顶的高度存在很强的梯度，图像中明暗对比很强，对流层顶动力异常区在水汽图像上表现为显著的暗区(Bader et al.，1995;巴德等，1998;Patrick and Christo，2005;帕特里克和克里斯托，2008)。

水汽的存在并不能说明有强对流天气的发生，只有当局地受热使水汽向上抬升并释放出潜热，才会有强对流天气出现的可能。白天地面受太阳辐射而增温，因此强对流天气常出现在午后到傍晚(陈渭民，2003)，并且在水汽图像上的干区可以看到有新的对流单体出现，所以水汽图像提供了一种监测并追踪造成强对流发展的高空形势的手段。

图3a中C代表徐州地区，可以看到C对应的色调较暗，为干区，说明有下沉的冷空气，并且C以北地区出现明显的“干三角”特征区域(图3a中三角形区域)。在水汽图中，“干三角”与强的位涡异常相联系，在未来几小时内高层强迫导致地面出现气旋性环流，是气旋生成的前兆(帕特里克和克里斯托，2008)。由前面分析可知A、B两云团触发生成一个新的对流云团(如图3a—f所示)，图3f中可以看到新的对流云团明显发展扩大，对流层顶动力异常，对流上升运动在整个对流云层内伸展，且16:15(图3g)C以北的三角结构区颜色较对流云团暗，大气下沉运动显著，此时徐州正好位于白亮区对流云团的西北边界与暗三角结构的交界处，动力异常与对流系统的相互作用造成了16:30左右发生在徐州地区的冰雹、龙卷风等强对流天气。随强对流的发展，图3h和图3i中白亮区域逐渐覆盖徐州区域，图3j中徐州地区已完全位于色调白亮区域，此时强对流天气已趋于结束，但由于水汽充足，因此仍有降水。

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

图3 2009年6月5日13:15—17:45卫星水汽图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

图4 2009年6月5日13:15—17:45可见光云图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 可见光云图分析

可见光云图是卫星扫描辐射仪在可见光谱段测量来自地面和云面反射的太阳辐射，按照所接收到的辐射大小以黑白色调来表示的图像。在可见光云图上，物像的色调取决于反射太阳辐射的强度，主要与其本身的反照率和太阳高度角有关，因此在一定的太阳高度角下，物像的色调基本上取决于对太阳辐射的反照率，物体的反照率越大，其色调就越白;反照率越小，其色调则越暗。

据有关计算，在云和地面基本目标物中，具有最大反照率的是积雨云，其次是卷层云、积云、层积云、高层云、高积云以及积雪和沙地等，而森林、草场、农田等植被覆盖区域则明显偏小，反照率最小的是海洋、湖泊、河流等。因此，可见光云图上呈现浓白色的区域往往是强烈的对流云(积雨云)，而黑色区域则大多为江、河、湖、海等大型水体。这样的色调显示与人类肉眼的观感还是比较相似的(陈宏义和张梅，2008)。

图4是6月5日13:15—17:45每隔0.5 h的可见光云图，C代表徐州地区，从图中可以看出在我国东北地区有一高空冷涡，冷涡后部盛行西北干冷气流，由于白天地表受太阳的加热和较热的水汽状况，引起不稳定，诱发大片积云、浓积云的发展。图4a中东北冷涡尾部的A云团即为浓积云，由于高空冷涡西侧有小扰动，导致浓积云A逐渐与冷涡云系分裂，沿着冷涡后部的气旋性环流发展加强为强对流云;B云团位于江苏中部，色调白亮，为强烈的对流云。由前面分析可知A、B两云团触发生成一个新的对流云团(如图4a—f所示)，从图4g和4h可以看到江苏全省已被新的强雷暴云团完全覆盖，16:30左右徐州等地区发生的龙卷、冰雹等强对流天气正处于这个时间段之中。从图4i和4j可看到强对流云团的色调开始逐渐变暗，强对流天气变弱。

2.3 对流云团亮温分布

图5是2009年6月5日13:15—18:15每隔1 h的等效黑体亮温的分布。图3和图4中对流云团A、B的亮温区域在图5中分别用a、b表示，c代表徐州地区。从图5中可以看到a、b云团亮温较低，随时间发展a、b的低亮温区域在逐渐扩大(如图5a—c所示)，16:15(图5d)徐州地区已开始被低亮温对流云团覆盖，且可看到徐州地区的云顶亮温随时间发展在降低，云顶亮温降低意味着云顶高度在升高，云团在发展，至17:15(图5e)徐州地区已完全被低亮温云团覆盖，亮温比上一时次更低，最低亮温只有220 K左右。徐州等地区发生的龙卷、冰雹等强对流天气正处于这个时间段之中，18:15(图5f)中低亮温云团已开始移出徐州地区，较前一时次的亮温有所回升，强对流天气也开始减弱。结合水汽图和可见光云图可知，a、b云团低亮温区域的发展变化与图3和图4中对流云团A、B的发展变化相吻合，说明强对流天气发生在低亮温对流云团中。

图5 2009年6月5日13:15—18:15等效黑体亮温的分布(单位: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 雷达回波特征

图6是2009年6月5日16:30徐州站仰角为0.5°的雷达回波速度图，从速度图上可以看到站点西北方向的沛县(方位325°，距离66 km，见图6中矩形区域)有一强中尺度气旋，左侧为负速度区，右侧为正速度区，在雷达回波速度图中负速度区表示朝向雷达，正速度区表示离开雷达(张培昌等，2001)，因此风场形成了气旋性旋转。该正负速度中心距离近、尺度小，在中尺度气旋中心处负最大风速达到－26 m/s，负风速峰值出现在中尺度气旋中心区域，为龙卷涡旋的标志。

图6 2009年6月5日16:30徐州站雷达回波速度图Fig.6 Radar echo hodograph at 16:30 BST on 5 June 2009 in Xuzhou

从速度图分析可知沛县有龙卷等强对流天气发生的可能，但还不能确定是否有龙卷的发生。图7是2009年6月5日16:30徐州站仰角为0.5°的雷达回波强度图，从图上可以看出在站点西北方向的沛县(图7中矩形区域)强回波为钩状回波，中心强度最大值达到了60 dBZ，高强度的反射率因子预示着可能会发生灾害性天气。同时刻从点(33 km，352.0°)到点(85 km，322.0°)的垂直剖面(图8)上可以明显看到具有超级单体风暴结构特征，有界弱回波区明显，回波顶高到了14～15 km，强度梯度加大，说明此处有强烈的入流区，且强反射率因子核心均已到达地面，由此可知龙卷、冰雹等灾害性天气就发生在此超级单体风暴中。

图7 2009年6月5日16:30徐州站雷达回波强度图Fig.7 Radar echo intensity image at 16:30 BST on 5 June 2009 in Xuzhou

图8 2009年6月5日16:30徐州站从点(33 km，352.0°)到点(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

由以上雷达回波图的特征综合分析可知，5日16:30徐州沛县地区有龙卷、冰雹等强对流天气的发生，与实况相吻合，并且也验证了前面利用卫星图像对这一天气过程的分析。

4 结论

1)江苏西北部冷空气南下，中高层干冷、低层暖湿气流造成大气不稳定，与低层切变辐合区重合为该次江苏地区的强对流天气的发生提供了有利的环境条件。

2)卫星云图能够很好地监测并分析短时强对流天气，反映出常规资料不能捕捉到的天气实况变化。在卫星水汽图中动力异常区与对流系统的交界处和可见光云图上两个对流云团出流边界处触发的新的雷暴云团区域容易产生龙卷等强对流天气;水汽图上的水汽输送带与可见光云图中的对流云系相一致;且强对流天气发生在低亮温对流云团中。

3)利用卫星水汽图像和可见光云图，结合雷达资料、常规天气观测资料进行中尺度对流云团的分析、预报，能够更好地反映短时强对流天气系统的发展与演变，提高预报准确率。

巴德M J，福布斯G S，格兰特J R，等.1998.卫星与雷达图像在天气预报中的应用［M］.卢乃锰，译.北京:科学出版社.

陈宏义，张梅.2008.浅谈热带气旋预报中的卫星云图使用技巧［C］//天气预报技术文集.北京:气象出版社:26-27.

陈渭民.2003.卫星气象学［M］.北京:气象出版社.

陈秀杰，耿勃，叶惠明.1998.一次飑线天气过程的卫星水汽图像特征［J］.气象，24(6):51-54.

傅炳珊.2004.风云2号卫星云图在短时强对流天气预报中的应用［J］.气象科技，32(5):363-366.

胡玲，张殿江，吴强.2008.强弱降水超级单体风暴雷达回波特征对比分析［J］.气象科技，36(2):155-159.

帕特里克·桑特里特，克里斯托·G·乔治夫.2008.卫星水汽图像和位势涡度场在天气分析和预报中的应用［M］.方翔，译.北京:科学出版社.

漆梁波，陈永林.2004.一次长江三角洲飑线的综合分析［J］.应用气象学报，15(2):162-173.

徐秀芳，曹晓岗，施春红，等.2008.2007年5月5日—6日飑线天气过程分析［J］.大气科学研究与应用(1):52-62.

姚叶青，魏鸣，王成刚，等.2004.一次龙卷过程的多普勒天气雷达和闪电定位资料分析［J］.南京气象学院学报，27(5):587-594.

叶惠明，郑新江，蒋尚城.1993.华北地区强对流云团的卫星云图特征［J］.气象，19(1):34-38.

俞小鼎，郑媛媛，廖玉芳，等.2008.一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究［J］.大气科学，32(3):508-522.

郑媛媛，俞小鼎.2004.一次典型超级单体风暴的多普勒天气雷达观测分析［J］.气象学报，62(3):317-328.

张培昌，杜秉玉，戴铁丕.2001.雷达气象学［M］.北京:气象出版社.

朱君鉴，刘娟，王德育，等.2009.2006年6月皖北龙卷多普勒雷达产品分析［J］.气象科技，37(5):523-526.

朱敏华，俞小鼎，夏峰，等.2006.强烈雹暴三体散射的多普勒天气雷达分析［J］.应用气象学报，17(2):215-223.

Bader M J，Forbes G S，Grant J R，et al.1995.Images in weather forcasting——A practical guide for interpreting satellite and radar imagery［M］.Cambridge:Cambridge University Press.

Patrick S，Christo G.2005.Weather analysis and forecasting:Applying satellite water vapor imagery and potential vorticity analysis［M］.Waltham Academic Press.

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

公益性行业科研专项(GYHY200806014);国家自然科学基金资助项目(40905019);中国气象局2011年气象关键技术集成与应用项目(CMAGJ2011M25)

官莉(1973—)，女，新疆库尔勒人，博士，教授，研究方向为大气遥感科学与技术，liguan@nuist.edu.cn.

官莉，王雪芹，黄勇.2012.2009年江苏一次强对流天气过程的遥感监测［J］.大气科学学报，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.

(责任编辑:张福颖)