基于TRMM卫星资料对四川盆地降水的三维结构特征分析

向朔育,李跃清,卢 萍

（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

西南低涡是形成于西南地区的中尺度闭合性气旋，是我国最强烈的中尺度暴雨系统之一。王作述等[1]认为就其对我国暴雨天气的强度、频数和范围影响而言，西南低涡仅次于台风及残余低压，是重要性位居第二的暴雨系统，其形成、发展以及带来的洪涝灾害等研究一直备受学者关注[2−4]。四川盆地每年汛期常常发生持续性暴雨，多数受西南低涡影响[5−7]。因此，西南涡发生发展及其影响降水的机理研究对提高四川盆地天气预报能力具有重要的科学意义和应用价值。前人对西南低涡的研究主要集中在时空变率的统计分析[8−10]、基于大尺度环境场的诊断分析[11−13]以及数值模拟分析[14−15]等方面，取得了丰富的研究成果。但由于西南低涡属于中尺度天气系统，受限于青藏高原东侧复杂地形影响，难以实现对西南涡形成、维持、发展机理等方面的系统性研究，使得在中尺度诊断、完善数值模拟方案以及提高精细化预报技术等方面困难重重。

近年来，高分辨率的卫星遥感技术飞速发展，可弥补青藏高原气象资料稀缺的不足，且不受地形的影响，是加强西南涡研究的有效手段之一。如热带测雨卫星（TRMM），其主要目的是测量热带及亚热带的降水和能量转换，已在热带海平面大范围降水、热带气旋活动等领域得到广泛应用[16−20]。目前，TRMM卫星资料在高原及其周边地区也有了一些应用成果。冯锦明等[21]利用1998年青藏高原地面Doppler雷达资料和TRMM PR资料进行了对比分析。傅云飞等[22]利用1998～2000年夏季TRMM测雨雷达探测结果对高原主体降水气候特征进行了分析，发现高原降水在经、纬向-高度剖面上均呈“塔”状分布，TRMM卫星在对高原降水的分类时会把弱对流降水误判为层云降水。李跃清等[23]利用逐日气象观测资料和TRMM资料系统研究了高原东侧“雨城”雅安的降水特征变化及其与周边区域的异同联系。潘晓等[24]基于TRMM卫星的改进降水分类，分析了青藏高原云顶不同相态的三类降水的时空分布及垂直结构特征。因此，利用TRMM卫星针对西南低涡降水云团的结构研究是有效可行的，有助于加深对西南低涡降水的动力学和热力学特征的认识。

本文利用TRMM卫星上多种探测仪器的观测资料，研究了2010年7月15～18日由西南低涡引发的四川盆地区域性暴雨天气过程，主要分析了暴雨过程中降水类型、主要特征以及降水云团的三维结构，获得了一些有意义的结果，可为提升局地强对流天气预报水平起到科技支撑作用。

1 资料和天气概况

1.1 TRMM卫星资料

TRMM卫星是由美国NASA和日本NASDA联合发射，测量地理范围是38ºS～38ºN、180ºW～180ºE，周期约为92.5min，每天大约运行16个轨道。TRMM卫星上共搭载了5种遥感仪器，其中与降水相关的3种基本测雨仪器是：降水雷达PR、微波成像仪TMI、可见光和红外扫描仪VIRS。降水雷达PR的水平分辨率为5km（星下点），垂直分辨率为0.25km，垂直探测高度可达20km。微波成像仪TMI有5个观测频段，中心频率分别为10GHz、19GHz、22GHz、37GHz、85GHz，其中85GHz水平分辨率为5.1km，垂直探测高度可达18km，具有水平和垂直两个极化通道。可见光和红外扫描仪VIRS也有5个观测通道，波长分别为0.63μm、1.60μm、3.75μm、10.8μm、12.0μm，空间分辨率为2.4km。本文使用的是NASA的1、2两个等级的标准产品，包括：PR资料的2A25、TMI资料的1B11、VIRS资料的1B01。2A25包括降水的水平、垂直结构和降水类型等信息；1B11包括9个通道的微波亮温资料；1B01包括云顶亮温信息。在2010年7月15～18日四川盆地暴雨过程中，本文选取7月17日凌晨（轨道号：72163）和7月18日凌晨（轨道号：72178）两个时段的资料进行分析。

1.2 西南低涡移动路径和天气过程概况

2010年7月14日20时～19日08时，四川省出现了一次区域性暴雨天气过程。利用NCEP/NCAR 1º×1º再分析资料分析本次暴雨过程的环流场（图略），结果表明：暴雨过程初始阶段7月14日20时（北京时，下同），500hPa高度场呈稳定的“两槽一脊”形势，一槽在里海，一槽在贝加尔湖，弱脊位于我国新疆以北地区，副热带高压呈带状分布，588线向西延伸至青藏高原，四川阿坝出现弱高压切变；700hPa高度场上，整个四川地区受西南气流影响。7月15日20时，500hPa高度上“两槽一脊”形势继续维持，青藏高压东进与副高打通，台风“康森”在靠近海南省边缘移动，呈“鞍型”环流场，四川雅安附近出现西南低涡，形成“北槽南涡”的高低配置。从西南低涡的移动路径（图1）看，14日20时～16日20时，西南低涡初步形成并在源地摆动，之后西南低涡往东北向移动，并在17日发展加强，此时段也是乐山降水强度最大的时期；17日20时，西南低涡移至盆地东北部，并在此停滞了约20h，造成了巴中、达州、广安及南充北部等地的大暴雨天气过程；19日08时后，低涡随切变移出四川，持续降水过程随之结束。因此，本次西南低涡天气过程是在典型的500hPa“鞍型”环流场和“北槽南涡”高低空配置背景下发生发展，并受台风“康森”影响的一次持续性强降水天气过程。四川省大范围的强降水时段出现在16～17日，从整个过程的总降雨量（图2）来看，资阳、自贡、内江、广元等10市出现了暴雨，雅安、眉山、乐山、遂宁、南充、巴中、达州等市出现了大到特大暴雨，累计降水量的两个强降水中心分别在乐山市和达州市。

图1 2010年7月14日20时～18日20时西南低涡移动路径(北京时，下同)

图2 2010年7月14日20时～18日20时四川省逐日累计降水的空间分布（单位：mm）

由2010年7月14～18日沿两个降水中心（乐山和达州）的垂直上升速度与假相当位温随时间变化的剖面（图3a、c）可知，低涡经过上述降水中心时垂直速度明显增强；低涡经过乐山时，垂直速度最大值出现在700hPa附近，向上可以发展到300hPa；低涡经过达州时，垂直速度继续增强，且对流层中下层假相当位温随高度降低，为不稳定层结。17日凌晨，四川地区700hPa比湿场维持高值（>11g·kg−1），850hPa水汽通量辐合中心有两个，分别位于盆地中部和东北部，正好与本次暴雨过程的两个强降水中心相对应，水汽通道呈西南-东北向的哑铃状结构，水汽供应十分充足（图3b）。18日凌晨，850hPa水汽辐合中心位于盆地东北部，中心值>14×10−7g·hPa−1·s−1·cm−1，700hPa比湿中心为11g·kg−1，水汽供应仍然十分充沛（图3d）。

图3 两个轨道沿两个降水中心的垂直速度与假相当位温的时间垂直剖面（a.乐山，72163轨道；c.达州，72178轨道；阴影表示垂直速度，单位：Pa·s−1；等值线表示假相当位温，单位：K）以及对应时段平均的850hPa水汽通量散度、700hPa比湿的空间分布（b.72163轨道；d.72178轨道；阴影表示水汽通量散度，单位：10−7g·hPa−1·s−1·cm−1；等值线表示比湿，单位：g·kg−1）

2 结果分析

2.1 降水的红外和微波亮温特征

图4是TRMM卫星上可见光和红外扫描仪VIRS第五通道的红外亮温。如图所示，7月17日和18日凌晨降水区域的云顶亮温都比较低，大部分区域在200Tb左右，可见该区域上空分布着大片的云层，并且云顶高度都比较高；其中，72163轨道最低为189Tb，72178轨道最低为205Tb，说明72163比72178轨道云顶高度更高，对流活动更强。

图4 TRMM/VIRS第五通道红外亮温（a.72163轨道，b.72178轨道，单位：Tb）

水平极化分量能最大程度的避免杂波干扰，降低误码率。图5是TRMM卫星上微波成像仪TMI第九通道水平极化方式的微波亮温。图6是对流发展阶段3.5km高度处降水率的水平分布。如图所示，图5中的微波亮温低值区（<225Tb）与图6中的降水区对应较好，其中72163轨道亮温最低值仅为119Tb，72178轨道最低值仅为184Tb，这是因为微波具有较好的穿透性，能穿透没有降水的云层，微波亮温值越低，表明降水越强。另外，由于微波成像仪TMI的扫描半径比PR的要大，借助TMI微波图像可以拓展PR的探测区域，拼接更大范围的降水云信息。

图5 TRMM/TMI第九通道微波亮温分布（a.72163轨道，b.72178轨道，单位：Tb）

此外，结合图3和图6还可以看出：红外亮温低值区明显比降水区覆盖的范围更大，这表明在降水云系的外围还存在一些非降水云系，而这些非降水云系的对流活动同样活跃，在适当条件的配合下就能进一步转化为降水云。

图6 对流发展阶段3.5km高度处降水率的水平分布（a.72163轨道，b.72178轨道，单位：mm/h）

2.2 降水类型分类

本文参照TRMM V方法[25]进行降水分类，仅考虑了对流降水和层云降水两个类型。表1给出了7月16日72163轨道和7月17日72178轨道反演降水中对流和层云降水的各自特征。可以看到，两个轨道中对流降水的数量只占层云降水的1/9，但对流降水的平均降水率>10mm·h−1，而层云降水的平均降水率<5mm·h−1，对流降水的平均雨强至少是层云降水的3倍多。从降水范围看，两个轨道的降水均以层云降水为主，72163轨道占总面积的66.37%，72178轨道占总面积的75.58%，对流降水只占总降水面积的1/3左右。结合前面的分析，降水系统中心的强上升气流配合外围低层西南暖湿气流的大量输送形成大范围层云降水包围对流降水的结构特征。另外，从对降水总量的贡献看，两个轨道的层云降水贡献率均在90%以上，是对流降水的10倍，说明这两个时刻的降水系统均处于发展成熟的阶段，对流降水已多向层云降水过渡。

表1 两个轨道对流和层云降水的平均降水量、面降水百分比和降水面积百分比

2.3 降水的水平结构特征

考虑到四川盆地的地理复杂性以及TRMM卫星对地形的订正，由图6给出的72163和72178轨道近地面降水的水平分布可知，两个时刻的降水云系水平尺度均在400km左右，整个云系呈西南-东北走向，属于典型的中尺度降水系统，分别由多个强雨团和一条主降雨带组成。如图6a所示，7月17日凌晨四川盆地大部分地区出现了降雨，盆地中部达到暴雨量级，其降水中心最大降水量为58.57mm·h−1。如图6b所示，7月17日凌晨四川盆地东北大部出现降雨，雨带中对流中心数量较上一轨道增多，其最大降水量为55.11mm·h−1，说明该时刻降水系统较前一时刻发展更强。结合图1可知，暴雨在四川盆地出现的时段和地区与西南低涡的移动路径基本相符，西南低涡的东移发展是影响四川盆地这次暴雨过程的主要中尺度天气系统。

2.4 降水的垂直结构特征

图7为对流发展阶段沿图6 中直线ab和cd的降水垂直剖面。如图7a所示，该轨道盆地中部降水云团最强降水中心的雨顶高度最高可达17km，最强降水中心可发展至约5km高度，降雨带中雨顶高度较平整，最高约10km，5km高度存在一条明显的亮带[26]，表明雨带中主要以层云降水为主，与之前降水类型的分析结论一致。如图7b所示，该轨道的雨顶高度约为10km，整个雨带中降水普遍偏强，但雨顶的发展高度和降水中心的降水最大强度均小于前一时刻，表明降水系统发展成熟，对流降水逐渐转为层云降水。

图7 对流发展阶段沿图6 中直线ab（左）和cd（右）的降水垂直剖面（a、b.72163轨道，c、d.72178轨道，单位：mm/h）

图8给出了72163和72178轨道降水的三维结构，其中地面降水率的最小阈值为2.0mm·h−1。如图8a所示，雨带前部存在多个对流云团，强对流云团呈塔状结构，云顶高度发展较雨带高，其云顶发展最高处对应一个近地面强降水中心，说明降水云团中强烈的上升运动与降水的强弱程度有直接关系。如图8b所示，在降水系统成熟阶段，螺旋雨带结构特征明显，降水雨带雨顶高度有所起伏，整体差异小于上一轨道，外围强对流云团被主雨带完全合并，整个雨带范围较上个轨道更加完整，范围进一步扩大。

图8 两个轨道降水云系的三维结构（a.72163轨道，b.72178轨道，单位：mm/h）

3 结论

本文利用TRMM卫星上多种探测仪器的观测资料，研究了2010年7月15～18日由西南低涡引发的四川盆地区域性暴雨天气过程，主要分析了暴雨过程中降水类型、主要特征以及降水云团的三维结构，主要结论如下：

（1）两个轨道的红外和微波亮温均能从侧面反映低涡云系降水特征，红外亮温值越低代表该云系云顶高度越高，72163轨道的云顶亮温比72178轨道更低，说明该时刻的对流活动更为旺盛；微波亮温的低值区与降水区更为吻合；TMI微波图像可以拓展PR降水探测范围，拼接更大范围的低涡降水云信息。

（2）两个轨道的层云降水贡献率都超过90%，这是因为降水系统中心的强上升气流配合外围低层西南暖湿气流的大量输送，形成大范围层云降水包围对流降水的结构特征；降水面积不足10%的对流降水贡献了至少1/4的总降水量，这是因为对流降水的平均雨强比较大，至少是层云降水的3倍多；层云降水的贡献率较大也说明两个轨道的降水系统均处于发展成熟阶段，成熟的降水系统加上有利的环境条件是造成暴雨天气的重要因素。

（3）两个轨道的降水区域均包含一条主降雨带，并在其中镶嵌若干对流性降水云团，其中72178轨道比72163轨道的降水系统发展更为成熟，表现为降水水平范围更大，分散的对流降水云团更多；两个轨道降水系统的云顶高度均发展得很高，最高为17km，属于强对流降水系统，其局部最大降水率均出现在2～5km高度，72178轨道的对流云团发展较72163轨道弱，但该轨道上明显的亮带结构是层云降水的主要特征；从两个轨道降水的三维结构图上，可以更加清晰地看到强对流云团发展高度和雨带分布，降水凸起的部分呈塔状结构，即独立的对流降水云团，而成片雨带形成多与层云降水有关。