基于FY-4卫星资料分析暴雨云系特征

王雪芹，徐卫红，向朔育，方 敏

(1.四川省眉山市气象局，眉山 620010；2.中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072)

引言

暴雨是主要天气灾害之一，降水时空分布和尺度变化极不均匀，常规观测手段难以获取其三维时空变化信息，遥感便成为监测降水的有效手段，气象卫星的覆盖范围广，观测频次稳定，是大气遥感，特别是降水遥感的有效方法[1]。自20世纪70年代末以来，国内外利用高时空分辨率的卫星红外、可见光资料，结合常规观测对造成灾害性天气的中尺度云团做过不少研究，取得了大量研究成果，如用卫星水汽图像对飑线天气过程的分析，强降水过程的水汽图像特征等[2-5]，同时近年来国内外一些研究表明多通道合成图能以色彩的形式将卫星云图上的各种属性表现出来，生动地呈现出云的微观物理特征，便于应用分析，为利用多通道卫星资料遥感监测强对流系统提供了很好的理论基础[6-9]。但这些研究多是风云二号静止卫星单通道资料遥感监测强对流系统随时间的发展演变，以及利用国外极轨气象卫星资料多通道组合的RGB合成技术分析暴雨云系的微观物理特征，目前利用新一代风云四号(简称FY-4，下同)静止气象卫星单通道云图和多通道组合综合分析暴雨云系，推断云的粒子大小和相态的相关研究较少，因此利用FY-4气象卫星单通道云图和多通道组合分析暴雨云系具有重要的意义。

1 资料选取

FY-4是中国第一颗自主研制的三轴稳定地球静止卫星，星下点分辨率可达0.25km，时间间隔为5分钟，于2016年12月发射，卫星上同时装载了辐射成像仪、干涉式大气垂直仪、闪电成像仪等多台荷载，是同类卫星中荷载最多的卫星，辐射成像仪探测波段从0.45～13.8μm，共有14个探测波段，覆盖了从可见光至甚长波红外，是风云四号卫星上最重要的有效荷载之一[10]，其14个成像通道与国际水平相当，高时空分辨率的多通道光谱数据为暴雨云系的综合分析提供了有利的保障。因此本文选取新一代FY-4静止气象卫星红外和水汽云图以及利用太阳反射率和红外通道的多通道组合，结合2019年7月28日08时～29日08时(北京时，下同)四川省眉山市降水量实况分析暴雨云系特征。

2 过程概况

2019年7月28日08时～29日08时，500hPa副高西伸至四川盆地东部边缘，亚洲中高纬是一个宽广槽，槽后的分裂槽配合高原波动影响盆地；700hPa有一西南涡生成并逐渐北移影响盆地，涡后伴有较强的偏北风和负变温区；850hPa盆地东北部至西南部有一倒槽切变，中低层湿度条件较好，受此影响四川盆地西南部的眉山市(102.49′～104.30′E，29.30′～30.16′N)出现一次雷雨天气过程，如图1(a)所示，普降大雨到暴雨，局部地方大暴雨，最大降雨量在仁寿县元通乡，为150.9mm，最大小时降雨量达到109.2mm。从仁寿县元通乡小时降雨量图(图1(b))可以看出强降水主要发生28日午后(14:00～16:00)和夜间(28日23:00～29日02:00)，因此以此次暴雨过程为例，选择对应时段的FY-4数据进行综合分析，得到造成此次暴雨过程的云系基本特征。

3 FY-4卫星单通道云图分析

3.1 红外云图分析

图2选取强降雨时段28日14～16时和29日00～02时的FY-4红外云图，从图中可以看到，28日14时眉山东部有一对流云团a1生成，其北部有一云团a2，随着时间的推移，对流云团a1和a2不断发展壮大，于16时合并成一个大的对流云团a3，仁寿地区出现短时强降水，对流云团a3不断发展并扩大影响整个眉山区域，至29日00时广元地区新生一对流云团a4，01时眉山地区的大对流云团a3和广元地区新生的对流云团a4再次合并，且对流云团云顶亮温低(183～198K)，云顶低亮温有利于强对流天气的出现，此时眉山市小时最大降雨量达到109.2mm。根据王雪芹等人对历年来眉山暴雨天气过程的分析表明对流云合并是造成暴雨强对流天气过程的重要因素，且按照合并云团的数目以及合并次数，将合并过程分为3种类型：(1)两个对流云团合并；(2)多个对流云团同时合并；(3)多个对流云团多次合并[11]。此次暴雨过程中对流云团的合并造成暴雨区域和强度增大，属于多个对流云团多次合并。

3.2 水汽云图分析

水汽图像用灰度表示辐射温度的相对高低，对流层中上部(600hPa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[12-13]。

利用2019年7月29日01～02时FY-4卫星水汽云图(图略)，可以看到眉山地区表现为白色的明亮区域，说明整层大气水汽充足，为强降雨的发生提供好的水汽输送，且云团中有强烈的大尺度垂直上升运动，对流上升运动在整个对流云层内伸展为强降雨提供了较好的动力条件，也与此时段内眉山区域的强降雨相对应。

4 FY-4卫星多通道RGB组合

FY-4卫星共有14个探测波段(0.45～13.8μm)，覆盖了从可见光至甚长波红外，如此多的通道为多种RGB组合方案提供了可能，多通道合成图上不同的云系有不同的色彩表示，通过分析每种组合中不同色彩代表的云系特征，近一步了解对流云系在卫星云图上的表现，且由于FY-4卫星时间分辨率达到了5分钟，通过多通道合成图可以根据跟踪对流云的发展演变特征监测判断对流云发展趋势，为短时天气预报提供一种思路，因此利用FY-4多通道合成图分析此次暴雨过程，得到暴雨云系在卫星多通道合成图上的特征。

4.1 使用太阳反射率的FY-4多通道合成图分析

利用太阳反射率的通道组合依赖于太阳辐射，因此只在白天的时间段有用，常用的多通道组合有“自然色”、“强风暴”、“白天对流风暴”和“白天微物理”，选取7月28日暴雨云系第一次合并时次15时FY-4多通道合成图，分析暴雨云系初生阶段的特征，四种不同的组合分别如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

图3(a)是“自然色”RGB合成图，这个组合的合成图中蓝绿色代表雪或冰云；伴随小滴的水云在所有三个通道中有大的反射率，呈现为粉白色；植被为绿色；棕色则表示裸地；海洋为黑色。从图3(a)可以看到影响四川盆地的暴雨云系为蓝绿色，表示雪或冰云，合并云系中心的蓝绿色范围更大，说明云顶亮温很低且反照率较高；图中大片的绿色和棕色，分别表示植被和空地。

图3(b)是“强风暴”RGB合成图，“强风暴”RGB合成给出了强烈风暴最好的视觉显示，在此色彩合成图中，黄色表示伴随强烈上升气流和强烈天气的积雨云或者伴随小冰粒子的高层云；伴随大冰粒子且发展很好的积雨云用白色表示；卷云则为黑色。从图3(b)可以看到盆地暴雨云系颜色出现分层，顶部为黄色，表示伴随强烈上升气流的小冰粒子积雨云，暴雨云系周围出现白色，则为伴随大冰粒子且发展很好的积雨云，说明此暴雨云系正在发展且附近地区有强对流出现的可能性。

图3(c)是“白天对流风暴”RGB合成图，可以看到与“强风暴”组合类似，盆地暴雨云系为黄色，表示强烈上升积雨云，进一步说明此暴雨云系可能会产生强对流天气。

图3(d)是“白天微物理”RGB合成图，这个组合的RGB合成图中浅粉色表示云滴小且没有冷凝成雨或雪的水云，而能冷凝成雨或雪的云则呈现为玫红色；过冷水云更多地呈现为黄色；小粒径冰云组成的深积云为红色；而大粒径冰云组成的上升积雨云则为浅棕色。图3(d)中表示的植被和空地颜色较为接近，几乎无法区别；但暴雨云系显示却非常清楚，主要为红色，表示由小冰粒子组成的厚积雨云云顶，同时积雨云系周围呈现浅棕色，则表示伴随大冰粒子的上升积雨云，说明这些云团为积云团，随时间可能发展为强对流云团。

4.2 使用红外通道的FY-4多通道合成图分析

使用红外通道的组合不依赖于太阳辐射，但对于相同的云性质仍然提供与白天组合一样的相似色彩信息，有利于夜间天气形势分析，常用的多通道组合有“沙尘”和“夜间微物理”。因此选取7月29日01时暴雨云系发展成熟阶段第二次合并时FY-4多通道合成图，分析暴雨云系成熟阶段的特征，不同的组合分别如图4(a)、(b)所示。

“沙尘”RGB合成图中沙尘为粉红色；冷厚高层云为深红色，厚的中层云为暗黄色；薄的中层云为军绿色。“夜间微物理”RGB合成图中3.7μm冷云(<220K)顶的辐射发射率非常低，导致低的信噪比和积雨云顶少量的色彩，因此冷厚高层云呈现深红色，暗红色中出现黄色小点则为过冷高层云。从图4(a)、(b)可以看到两个通道组合中影响眉山的暴雨主体云系均为深红色，与周围环境对比明显，表示冷厚高层云，但图4(b)云系西南部出现黄色小点，说明此区域云系为过冷高层云，云系逐渐处于衰减阶段，通过对比可以发现同一云系处于不同的发展阶段，从而判断强对流发生的区域。

4.3 综合分析

4.3.1 暴雨云系特征

结合以上2019年7月28日15时FY-4多通道合成图的分析可以看到，眉山暴雨云系第一次合并时是伴随强烈上升气流的小冰粒子积雨云，为高层云，云顶亮温很低且反照率较高，其云系周围伴有大冰粒子的上升积雨云，说明此暴雨云系正在发展且附近地区有强对流出现的可能性；至29日00时暴雨云系发展，范围扩大，通过夜间多通道合成图分析可知眉山西南部云系为过冷高层云，此部分云系逐渐处于衰减阶段，此时眉山北部的暴雨云系为过冷高层云，而过冷高层云仍将发展扩大，从实况也可以看到01时眉山北部的云系与广元新生的云系产生合并，与云系推断一致。

以上综合分析可以发现各种组合的多通道RGB合成色彩显示能清楚地识别各种云系的类别、物理属性、对流系统等特征，通过多通道合成图可以发现云系处于的发展阶段，并通过云系特征判断强对流发生的区域。

4.3.2 不同组合的多通道合成对比

不同的RGB多通道组合对于探测不同的现象有相对的优势，对比分析以上6种组合的多通道合成图，不难发现各种组合都能很好地显示高层、中层积雨云以及小的对流单体。在使用太阳反射率的多通道组合中，“自然色”RGB合成图能清楚显示地表特征，在图3(a)中能明显看到绿色表示的植被和棕色表示的空地，而其余几个组合通道RGB合成图中都无法清楚显示地表特征；“强风暴”RGB合成图色彩分布层次较其它几种组合更为明显，突出了由冰粒子组成的冷云，如强烈的积雨云顶，因此能更好地识别对流；“白天对流风暴”RGB合成图与“强风暴”组合类似，能突出显示强上升积雨云。“白天微物理”RGB是探测白天水云和混合阶段云的合适组合，但由于这几种组合只在白天的时间段有用，因此具有一定的局限性。对于夜间天气形势的分析，使用红外通道组合，“沙尘”和“夜间微物理”RGB合成图积雨云系色彩较类似，但通过“夜间微物理”组合能判断同一云系的不同发展阶段，从而判断强对流发生的区域。因此在实际工作中，应根据具体的天气状况选择合适的多通道组合。

5 结论

本文利用FY-4气象卫星单通道云图和多通道组合，以2019年7月28日眉山市的一次暴雨过程为例，分析暴雨云系的演变和微观物理性质等特征，得到以下结论：

(1) 此次暴雨过程中出现两次对流云团的合并，云团的合并造成了暴雨区域和强度增大，属于多个对流云团多次合并。且暴雨云团云顶亮温低，云团中有强烈的大尺度垂直上升运动，对流上升运动在整个对流云层内伸展，整层大气水汽充足，为强降雨提供了较好的水汽输送和动力条件。

(2) 多通道RGB合成图能以色彩的形式有针对性地突出对流系统、冷暖气团、云粒子相态等属性，造成此次暴雨过程的对流云团主要为伴随强烈上升气流的由冰粒子组成的高层积雨云，且通过多通道合成图可以发现云系处于的发展阶段，并通过云系特征判断强对流发生的区域。

(3) 不同的RGB多通道组合对于探测不同的现象有相对的优势，在实际工作中应根据具体的天气状况选择合适的多通道组合。