FY-2E 卫星反演云特性参数产品在乌鲁木齐暴雪天气分析中的应用

王智敏 ，冯婉悦 ，李圆圆 ，周亚蔓 ，郭 帷 ，董文宇

（1．中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002；2．新疆人工影响天气办公室，新疆 乌鲁木齐830002；3．新疆气象技术装备保障中心，新疆 乌鲁木齐830002；4．新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

云的宏微观物理特征对降水的形成发展过程起着重要作用[1]，然而长期以来对云的观测主要通过人工目测取得云资料，在高山、荒漠等无人区，严重缺乏云观测资料，因此很难对云宏微观物理参数进行研究，进而进行云与降水的研究工作。

近年来，随着卫星遥感技术的快速发展，高时空分辨率的卫星资料为云的连续性监测提供了科学途径，不仅能够利用卫星遥感反演资料研究大范围云系的分布变化情况，还可以获取地面常规观测无法提供的云宏微观特征资料。许多学者对云的宏微观特征参数与降水关系的研究已有一些进展，如Rosenfeld[2]利用T-re 的反演方法得到NOAA 卫星所观测云系的云顶有效粒子半径，通过大量个例分析得出，有效粒子半径为14 μm 时降水开始出现。张杰等[3]分析了MODIS 的云参数产品与台站6 h 的降雨量资料的关系，结果表明，祁连山区产生较大降水的云粒子有效半径在6～12 μm，云光学厚度在8～20。傅云飞等[4]利用TRMM 卫星和红外辐射计的资料，研究了一次台风的云系个例，得出降水云中大粒子较大，非降水云中粒子谱较宽。刘健等[5]研究了FY-1D 和NOAA 极轨卫星反演得到的云光学厚度和地面降水数据，发现地面降雨区与云光学厚度的大值区相一致。郑媛媛和王晨曦等[6-7]研究了云顶温度与降水的对应关系，兰红平等[8]利用GMS-5 卫星和自动站的降水资料，建立了云顶亮温变化估算降水强度信息的方法。周毓荃等[9-10]利用FY-2 静止卫星观测数据结合L 波段探空等资料反演得到了云顶高度、云顶温度、云光学厚度和云粒子有效半径等云宏微观物理特征参数产品，还通过对比MODIS 云产品、CloudSat 云产品和雷达实测资料证明了此种产品与同类产品具有较好的一致性。廖向花等[11]利用FY-2 静止卫星反演得到的有效粒子半径产品，分析了一次冰雹天气过程，发现降雹时云粒子有效半径普遍较大。陈英英和蔡淼等[12-14]利用FY-2 反演的云参数产品，综合分析了降水过程中雷达回波和地面降水等的初步研究，发现光学厚度和液水路径的大值区与地面降水分布情况较为一致。还有学者对新疆的强降水天气环流形势和天气演变过程中静止卫星的红外云图变化特征等进行了研究[15-19]。

目前利用静止卫星的云参数产品研究新疆干旱半干旱地区的降水云的宏微观物理属性较少，人工增水的主要作业对象是降水云，通过分析云结构特征参数与降水的关系，进而探讨降水云系云参数与雨强的对应关系，对认识云降水发展演变规律，识别人工增雨播云条件具有重要意义。

1 资料与方法

本文利用中国气象科学研究院人工影响天气中心和北京大学联合研发的FY-2 静止卫星云参数反演系统，该系统以FY-2 静止气象卫星资料结合L波段探空数据和地面其他观测信息进行反演，得到一组同云系人工增雨作业条件直接相关的人工影响天气云降水宏微观物理特征参数。该反演产品的空间分辨率为0.05°×0.05°，反演的时间间隔为0.5 h。该产品是以成熟的FY-2 系列卫星反演技术为基础再融合其它观测资料开发的，具有较高精确性。这些云系物理特征参数，不仅可为人工影响天气作业提供指导，也可为云系变化的监测和短时临近精细天气预报提供帮助。

目前发布的云参数反演产品主要有7 种，包括云黑体亮温、云顶高度、云顶温度、云体过冷层厚度4 种宏观参量和云光学厚度、云粒子有效半径、液水路径3 种微观参量，各参量的物理意义（表1）。

2 资料选择

选取乌鲁木齐市国家基本气象观测站点的逐小时降水观测资料和对应卫星反演产品，其中卫星反演得到的云参数为0.5 h 一次、间隔5 km×5 km 的格点信息，为了研究两者的相互关系，需要对两类资料进行时空匹配，时间以卫星观测资料为对比时间，空间对应的转换选择，以气象观测站点所在点为中心，取其周边最近9 个格点各个云参数的算术平均值为该点对应的云参数值，便于与地面气象站点的观测资料进行对比。时间上，取同一时次的探空和卫星反演产品，与其后一个时次的小时降雪量值进行比较分析。通过对这个站点云参数属性的统计分析，以期对乌鲁木齐的降雪天气过程的云参数特征有进一步的了解。

表1 FY-2 卫星反演的云特征参数

3 暴雪天气过程概况

过程 1，2015 年 12 月 10—12 日，受欧洲脊发展衰退、乌拉尔低槽东移南下的影响，新疆出现以暴雪为主的强天气过程，北疆沿天山一带为主要暴雪区，大部分地区降雪超过20 h，乌苏到木垒一线的北疆沿天山一带共13 站出现暴雪，并有15 站降雪量突破12 月的日极大值，10 站降雪量突破冬季日极大值，最大积雪深度20～62 cm。大暴雪中心位于乌鲁木齐及其周边，乌鲁木齐11 日降雪量35.9 mm，突破近51 a 来的冬季日极大值，最大积雪深度45 cm，降雪持续37 h。

过程 2，2017 年 12 月 26—29 日，受乌拉尔山低槽前强盛的西南气流和北方冷空气在新疆天山地区附近汇合以及下游脊阻挡的影响，造成局地暴雪天气持续。新疆出现以暴雪、大风为主的中强天气过程，北疆各地均出现降雪天气，其中12 站出现暴雪、2 站大暴雪，暴雪区主要位于乌鲁木齐市、天池至木垒一线，最大1 h 降雪量为3.2 mm，北疆大部新增积雪5～35 cm，伊犁州南部山区、石河子市、乌鲁木齐市、昌吉州最大积雪深度20～50 cm。

4 云参数和地面降水演变特征的对比分析

4.1 云系的整体变化

文中主要利用地面降雪出现时刻和小时降雪量最大时刻的云顶高度和云顶温度参量来分析云系整体发展演变情况，其中云顶高度和云顶温度有助于了解云系的发展程度、演变趋势和进行云系播云温度窗的选择。如图1，图2 所示，过程1 中18 时（文中所提时间均为北京时间）开始出现降水，此时在乌鲁木齐站以西存在较强的东北—西南向云带，云顶高度主要在10~12 km，云顶温度在-40~-60 ℃，云带在西风气流的影响下，自西向东移动，在12 月11日08 时降水最强，此时云顶高度已出现明显下降，云顶温度上升，云系面积锐减，至12 月12 日06 时降水结束，云顶高度和云顶温度分别主要在5~7 km和-20~-30 ℃，此后云系逐渐东移消散。

由图 2 可见，在过程 2 中 12 月 27 日 16 时降水刚开始时，乌鲁木齐站主要位于整个自西向东发展云系的中后部，云顶高度主要范围是10~11 km，云顶温度在-50~-60 ℃，在19 时最大小时降水出现时，云系面积减小，云顶高度降低，云顶温度升高，但变化程度不大，在28 日05 时降水结束时，云顶高度在3~5 km，云顶温度在-20 ℃附近，此后云系逐渐向东移出新疆。

4.2 云宏观参量与地面降水量对比分析

按照时空匹配的方法，提取了过程1 和过程2的乌鲁木齐站两次暴雪天气过程，对应静止卫星反演的云宏观参数资料和自动站的逐小时降水资料，做出了云参数与降水的时间序列变化图（图3~4）。云顶高度和云顶温度有助于了解云系的发展程度、演变趋势和进行云系播云温度窗的选择，过冷层厚度可用于了解云系的冷暖结构的配置，云系的发展、演变和冷暖层垂直结构对降水都会产生直接影响，从图3 可以看出，云顶温度和黑体亮温，云顶高度和云过冷层厚度变化趋势较为一致，图中时间轴的信息为 12 月 10 日 10 时—12 日 12 时。

从图3 中可以发现在降水时段云顶温度和黑体亮温分布在-16.59~-66.17 ℃和-19.61~-59.16 ℃。在降水发生前，云顶温度和黑体亮温都存在数值上的陡然降低，从10 日的16 时开始云顶温度从-25.06 ℃快速降低，降水在18 时开始发生，云顶温度和黑体亮温到21 时出现最低值为-66.17 ℃和-59.16 ℃，然后开始升高至 11 日 04 时的-27.5 ℃，存在一个明显的隆起，对11 日00—12 时的强降水时段（平均小时降水量为2.2 mm），有较好的指示作用；11 日13 时—12 日06 时为降水较弱的阶段（平均小时降水量为0.85 mm），对应的云顶温度和黑体亮温都较大，分别分布在-16.59~-44.36 ℃和-17.80~-47.00 ℃，其中在弱降水阶段的11 日14—17 时云顶温度和黑体亮温出现一个隆起，在15 时30 分出现-42 ℃的低值，对应11 日18 时的小时降水量大值，随着降水的结束，云顶温度和黑体亮温都逐渐升高。

图1 2015 年12 月10 日18 时和11 日08 时云顶高度和云顶温度时间分布

图2 云顶高度和云顶温度时间分布

在降水时段云顶高度和云过冷层厚度范围是4.86~12.5 km 和1.86~9.5 km。在未发生降水和刚开始降水的降水前期这段时间内云顶高度和云过冷层厚度不断增加，即10 日的16 时分别为6.17 km 和3.17 km，到21 时分别达到最大值12.5 km 和9.5 km，3 h 都升高了6.33 km，平均每小时升高了2.11 km，而后开始减弱。在11 日的23 时30 分分别为7 km和2.14 km，出现一个隆起，对后期的强降水有明显的指示作用，在11 日的14—17 时云顶高度和过冷层厚度同样出现一个隆起，对应11 日18 时的小时降水量大值；在11 日00 时—12 日06 时的降水中后期的时间内云顶高度和过冷层厚度主要分布在4.86~9.14 km 和1.86~6.14 km，降水前期的云顶高度和过冷层厚度平均值（10.59 km 和7.59 km）分别是降水中后期（7 km 和3.93 km）的1.51 倍和1.93倍，这与蔡淼等[14]通过分析一次北方层状云降水过程得出在强降水发生之前，云顶高度超过10 km，云顶温度和云黑体亮温都低于- 40 ℃的结论较为一致。

通过分析发现在降水大值出现2 h 之前云宏观参量出现了数值上的跃增，对强降水有明显的提前指示作用，云宏观参量与小时降水量的强弱变化具有较为一致的对应关系。

图 3 2015 年 12 月 10 日 10 时—12 日 12 时云特征参数与逐小时降水时间序列

2017 年 12 月 27 日 14 时—28 日 08 时云顶温度和黑体亮温，云顶高度和云过冷层厚度的变化趋势如图4。云顶温度和黑体亮温在27 日16 时之前两者变化平稳，一直处于较高水平，在-44.53~-60.04 ℃和-45.94~-60.84 ℃，随着 27 日 16 时出现降水，云顶温度和黑体亮温缓慢升高，在28 日0 时数值出现大幅减小，此时降水也明显减小，此后直到28 日05 时两者一直维持较低水平（均值分别为-21.53 ℃和-22.35 ℃），直到降水结束。分析图中云顶高度和过冷层厚度可以发现，在降水出现之前的2 h，云顶高度和过冷层厚度处于较高水平，分别在9.17~11.56 km 和6.17~8.56 km，随着降水的不断增强变化，二者出现缓慢减小的趋势，在28 日0 时存在一个减小的跳变，直到降水结束，均处于较低的水平，其中云顶高度在4.36~4.97 km，过冷层厚度分布在1.25~1.86 km。可见在这次天气过程中，降水出现前2 h 云宏观参量处于大值区，降水减弱时从云宏观参量的负跳变上也能得到较好的印证。

从两场天气的宏观参数特征比较来看，2015 年12 月10 日降雪期间云顶温度平均值为-36 ℃，比2017 年 12 月 27 日天气平均值（-33.74 ℃）小 6.7%，云顶高度和过冷层厚度前者平均值分别为7.74 km和4.68 km，比后者平均值7.5 km 和4.5 km 分别大3.2%和4.0%。周毓荃等[20]得出有降水发生时，云顶高度普遍高于7.5 km，云顶温度峰值主要位于-30～-45 ℃，这与文中结论较为一致。

图 4 2017 年 12 月 27 日 14 时—28 日 08 时云特征参数与逐小时降水时间序列

4.3 云微观参量与地面降水量的比较分析

文中选取在两次降雪天气过程中，降雪时段的光学厚度、有效粒子半径和云液水路径，对这3 个云微物理参量的分析，可以对云内的微物理特征有较为深入的了解。

光学厚度指云系在整个路径上单位体积中所有颗粒的消光截面之和，在某种意义上很好地反映了云体的密实程度和含水量的多少，无量纲。图5 中黑色柱状图表示2015 年天气过程中的光学厚度变化特征，其中最大值和最小值分别是39.88 和9.10，平均值是 21.98，有 53.19%的光学厚度值＜25，有46.81%的光学厚度值＞25。图中白色柱状图表示2017 年天气过程中的光学厚度分布，主要分布在5.78~34.34，平均值为 19.54，＜25 的光学厚度占73.08%，＞25 的数值仅占 26.92%。可见，2015 年的这次降雪天气过程的平均光学厚度比2017 年天气中的光学厚度大12.49%，且2015 年天气光学厚度主要在10~20 和30~40，而2017 年则主要集中在15~25。周毓荃等[20]得出当光学厚度＞20 时，地面雨强明显增大，且层状云弱降水光学厚度峰值多处在10~20，对流性降水一般在光学厚度20~30 时。

图5 两场天气的光学厚度分布特征

通过对有效粒子半径参量的分析，可以实现对云中粒子大小的判断，这对人工影响天气来说至关重要。图6 给出两场天气的有效粒子半径的分布特征。2015 年天气过程中的有效粒子半径分布在7.82~42.76 μm，平均值为 29.96 μm，其中有 76.6%的有效粒子半径集中在25~35 μm，有17.02%＞35 μm，有 6.38 %＜25 μm，2017 年天气过程中的有效粒子半径最大值和最小值分别为43.08、9.33 μm，均值为27.35 μm，分布在25~35 μm 的有效粒子半径占到了 53.85%，＞35 μm 的数值占到了 19.23%，＜25 μm 的数值有26.92%。从两场天气的粒子有效半径分析结果来看，2015 年分布较为集中，绝大多数的粒子半径在 25~35 μm，2017 年分布集中在 15~35 μm，且＞35 μm 的粒子数占比相对2015 年要大，但平均值比2015 年小9.5%。周毓荃等[20]得出降水云的粒子有效半径普遍在10～30 μm，可观测到较多＞40 μm 的降水云。徐冬英等[21]对湖南一次降水过程分析发现降水期间粒子有效半径主要集中在20~24 μm，刘星海等[22]得出黑龙江一次夏季降水过程中云粒子有效半径绝大部分在15~25 μm，这些结论与乌鲁木齐降雪天气的有效粒子半径主要分布区间较为一致。

图6 两场天气的有效粒子半径分布特征

云液水路径指云体单位面积上的液水总量（或叫柱液水量），可用于了解云水的丰沛程度。2015 年天气个例的云液水路径箱线图可以看到（图7），最小值和最大值分别为 75.49 g/m2和 975.63 g/m2，2017 年天气个例的云液水路径的分布范围是47.41~796.01 g/m2，两者的中位数分别是525.56 g/m2和421.71 g/m2，可见2015 年天气个例的液水路径要明显强于2017 年，其中2015 年液水路径的中位数比2017 年大24.63%，液水路径的25%百分位值为 301.51 g/m2和 247.71 g/m2，2015 年天气个例的中位值与25%百分位值差别较大，得出2015 年的液水路径变化幅度较2017 年大，2015 年的液水路径的 75%百分位值 （750.51 g/m2） 是 2017 年（610.21 g/m2）的1.23 倍。盛日锋等[23]发现云图中降水多发生在液水路径＞200 g/m2的区域，且液水路径＞400 g/m2的区域与地面雨强的中心位置基本一致。

图7 两场天气的液水路径箱线图分布特征

5 结论与讨论

本文按照9 点平均的算法，提取2015 年和2017 年乌鲁木齐两场暴雪天气过程中的静止卫星反演云参数产品，通过对整个降水过程中云参数的统计分析，发现：

（1）在降水出现之前2 h 云宏观参量开始维持在大值区，对降水有明显的提前指示作用，云宏观参数产品与降水量有很好的相关性，其中小时降雨量与云过冷层厚度、云顶高度成正相关，与云顶黑体亮温、云顶温度成负相关，且降水前期的云宏观参量较降水中后期都要大。

（2）2015 年降雪天气特点是降水持续时间较长，连续降雪37 h，2017 年天气则是单小时降雪量较大，最大1 h 降雪量达到3.2 mm，2015 年降雪期间云顶温度平均值为-36 ℃，比2017 年平均值（-33.74 ℃）大6.7%，云顶高度和过冷层厚度前者平均值分别为7.74 km 和4.68 km，比后者平均值7.5 km 和4.5 km 分别大3.2%和4.0%。

（3）从云微观参量来看，2015 年降雪天气光学厚度主要在10~20 和30~40，而2017 年则主要集中在15~25，前者的平均光学厚度比后者大12.49%；2015 年降雪云中绝大多数的有效粒子半径在25~35 μm，2017 年分布集中在15~30 μm，平均值比2015年小9.5%；两场天气降雪云的液水路径分布范围在75.49 ~975.63 g/m2和 47.41~796.01 g/m2，前者的液水路径值明显大于后者。

研究显示，静止卫星反演的云特征参数产品在乌鲁木齐强降雪天气的分析方面具有适用性，其反演出来的云宏微观产品对监测识别大范围人工影响天气作业条件、分析可播区以及构建适合人影作业的天气过程概念模型具有十分重要的意义。