风云气象卫星寒潮灾害天气监测应用

文|牛宁 任素玲 夏扬 杨冰韵

1.中国气象局干部培训学院

2.国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心

3.许健民气象卫星创新中心

4.中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室

一、引言

近年来，风云卫星综合探测技术显著提升[1-4]，FY-3/VASS 大气温度计、FY-3E 风场测量雷达、FY-4B 快速扫描仪和FY-4A/GIIRS 都是风云系列卫星搭载的具有代表性的探测仪器并在气象灾害监测中发挥重要作用[5-8]。FY-3/VASS 大气温湿度廓线反演产品基于红外高光谱探测仪（HIRAS）和其上搭载的两台微波探测仪（温度计和湿度计），借助微波探测仪的穿透性，提高和改善非降水云云下大气廓线的反演精度，FY-3/VASS 大气温湿度廓线产品空间分辨率为4km，每颗卫星可全天2 次获得全球大气温湿三维结构信息。FY-3E 搭载的风场测量雷达（WindRAD）是我国风云系列气象卫星的第一个主动遥感仪器，在国际上首次实现双频双极化洋面风场主动探测。风场测量雷达采用先进的扇形波束圆锥扫描体制，观测幅宽超过1200km，最小可检测风速优于3m/s 的风场。FY-4A/GIIRS 为国际上首个静止轨道干涉式垂直探测仪器，在长波红外和中波红外波段实现1650 个细分光谱通道，光谱分辨率为0.625 波数，根据大气红外辐射传输原理，经数值计算可以获得温度等参数的垂直分布。FY-4B 气象卫星新载荷快速成像仪首次实现静止轨道250m 空间分辨率、1 分钟频次2000km×1800km区域的连续灵活观测，夜间红外通道观测分辨率为2km，为预报员提供高时效的观测资料，与成像仪形成优势互补。高频次的地气目标观测数据可有效监测极端天气发展，对提高气象业务服务能力起到重要作用。

2023 年1 月23—25 日，我国中东部地区受到强冷空气的影响，东北、华北、黄淮等地出现寒潮天气，其中山东半岛气温下降明显，最低气温低于-15℃，强冷空气经渤海海面南下时遇到了海面上的暖湿空气，造成降雪云系发展，出现明显的“冷流降雪”。受本次寒潮天气影响，山东半岛出现大范围降雪，局部地区达大到暴雪。由于处于春节期间，暴雪天气造成严重影响。风云卫星在此次寒潮灾害天气监测服务中发挥了重要的作用，有效监测了寒潮中的冷空气温度、雨雪及海上大风等。应用FY-3 和FY-4 卫星对大气温度的三维探测，特别是FY-3 卫星对极区的观测在预报实效内监测极涡活动引发的冷空气南下对此次寒潮影响。FY-4A/GIIRS 和FY-4B 联合观测可实现1h/次的中国及周边三维大气温度观测，对此次寒潮及其造成的雨雪天气实现短时临近监测服务。冷空气入海经常造成海上大风，影响海上生产和海上交通，也是本次寒潮预报服务的重要内容。WindRAD 是我国风云系列气象卫星的第一个主动遥感仪器，在国际上首次实现双频双极化洋面风场主动探测，形成2 次/天的海上风速和风向观测，经过精度检验，洋面风产品风速精度优于2m/s，风向精度优于25°，因此能够满足此次寒潮引发的海上大风监测预警服务业务需求。

二、风云气象卫星监测寒潮演变过程

1. 风云气象卫星监测寒潮冷空气演变特征

FY-3 极轨气象卫星高纬度极区的覆盖频次更高，具有明显的探测优势，我国寒潮的爆发和极地涡旋（极涡）的活动关系密切，利用FY-3 大气温度产品对极涡活动伴随的冷空气活动开展监测。2023 年1月24—25 日山东半岛冷流降雪和东部海区的海上大风发生之前，欧亚大陆东北部极区附近表现出异常的冷空气活动，据图1 所示，1 月19 日平均850hPa温度显示，极涡偏向东半球，欧亚大陆东北部最低温度达-40℃左右，比历史同期偏低-16℃左右。

图1 FY-3D 气象卫星监测2023 年1 月19 日北极850hPa 温度

随着极区冷空气向南推进，FY-4A 和FY-4B双星联合应用，可实现1h 高时间频次的三维大气温度监测，实时监测温度的日变化特征及其由此引发的雨雪相态的快速转换，为预警服务提供更高时效的监测信息。冷空气影响我国中东部时，FY-4 监测显示1 月24 日10:00（北京时）850hPa 气压层的0℃线已经南推至华南北部，山东半岛温度850hPa为-20℃左右，较1 月19 日的0℃急剧降低，过程降温达20℃左右， 1 月25 日10:00 山东半岛上空850hPa 温度开始回升，冷空气主体东移（图2）。

图2 FY-4A/GIIRS 气象卫星监测850hPa 温度

2. 风云气象卫星监测冷空气造成的海上大风

寒潮冷空气东移入海后常常造成海上大风，影响海上生产和交通。FY-3E 新搭载的风场测量雷达反演洋面风产品可有效观测冷空气入海引发的海上大风。据图3 所示，洋面风监测显示： 2023 年1 月24 日06:00，受冷空气影响，我国东部海域出现大范围的偏北大风，其中渤海和黄海海域风速达7-8 级，东海上空风速最大达到9 级左右；1 月25日05:40，受冷空气东移南下影响，我国近海的渤海、黄海和东海中北部洋面风风速明显减弱，渤海海域转为偏西风风速3-5 级，黄海和东海中北部洋面风速为3-6 级，台湾海峡、南海东北部洋面风速依然较大，为7-9 级。

图3 FY-3E 风场测量雷达监测东部海区海上大风

3. 风云气象卫星监测细胞状积云及降雪云系

冬季，当冷锋后面来自中高纬度陆地的干冷空气进入洋面，受到暖海面加热、加湿的影响，在卫星云图就经常能在我国东部的渤海、黄海和东海地区观测到大范围的细胞状云系。细胞云的排列方向和低层的风向基本一致。海上这种细胞状云系涌向陆地则会造成大到暴雪天气，我国山东半岛北侧的威海、烟台和蓬莱等地时常受到渤海和黄海北部的细胞状云系的侵袭，出现暴雪或大暴雪。受冬季冷空气形成的海上细胞状云系的影响，日本北部也时常出现类似的冷流引发的暴雪天气。

受本次寒潮影响，FY-4B/GHI 1 分钟250m 分辨率的云图监测显示（图4）：2023 年1 月24 日14:11，渤海、黄海、东海和南海上空出现大范围排列整齐的细胞状积云,云系的排列呈准南北走向，和洋面偏北风一致，渤海海域的细胞状积云在洋面偏北大风的影响下涌向山东半岛；1 月25 日14:11随着冷空气东移南下，渤海、黄海北部细胞状积云消散，风速减弱后，和24 日相比黄海和东海海域积云排列变得不清晰。

图4 FY-4B/GHI 监测海上细胞状积云

4. 风云卫星监测积雪覆盖

本次寒潮过程中，渤海海域细胞状云系在强偏北风的影响下涌向山东半岛，造成大到暴雪天气。FY-3D 气象卫星真彩色图像监测了本次冷流降雪发生前后山东半岛积雪覆盖特征（图5）：2023 年1 月20 日降雪发生前山东半岛无积雪覆盖，1 月25 日出现大范围的积雪覆盖，特别是山东半岛的中北部积雪覆盖度更高，部分地区积雪覆盖的走向呈准南—北方向，和积云的排列方向一致。

图5 FY-3D 真彩色图像监测降雪前后山东半岛积雪覆盖

三、总结与展望

本文应用FY-3/VASS 大气温度反演产品、FY-4A/GIIRS 温度数据、FY-3E 风场测量雷达洋面风产品和FY-4B/GHI(快扫)图像监测分析了2023 年1 月24—25 日发生在我国山东半岛及周边海区的寒潮、海上大风和冷流降雪天气，为此次寒潮天气预报和服务提供了有力支撑, 结论如下：

1）FY-3D/VASS 温度数据和FY-4A/GIIRS 温度数据监测极区和东亚中高纬低层冷空气的移动特征，从而进一步监测寒潮天气向南移动的发展特征。

2）FY-3E 风场测量雷达洋面风产品监测我国东部海区的海上大风天气，1 月24 日东海上空海上大风量级最大，1 月25 日除了台湾南部南海部分海区外其他区域海上大风强度有所降低。

3）FY-4B/GHI 图像监测海上细胞状积云分布，从而预报海洋系统影响山东半岛并引发冷流降雪天气。

4）FY-3D 真彩色图像监测冷流降雪前后山东半岛积雪覆盖特征。山东半岛在冷流降雪发生前是明显的晴空区分布，冷流降雪发生后能够清晰监测到降雪覆盖区域。

寒潮灾害性天气监测预警服务中，风云极轨和静止气象卫星综合应用，可实现对大气温度、降水云系（雨雪）、地表积雪和大风等多要素监测。发挥风云极轨气象卫星全球覆盖极区观测优势，在更长预报服务时效内开展冷空气活动早期监测；发挥风云静止气象卫星高时间分辨率优势，对寒潮活动过程中冷空气日变化和推进过程、降水云系快速演变、雨雪相态转换可形成临近精细化监测服务。同时，风云气象卫星多星联合应用对积雪变化开展灾害影响评估，而FY-3E 洋面风的监测更是有效弥补了海上风场实况常规观测的匮乏。未来，随着风云气象卫星发展，今年4 月发射的风云三号倾斜轨道降水测量卫星和即将发射的风云四号微波星，对寒潮降水云系可形成垂直探测能力，将能进一步提升我国风云气象卫星在寒潮灾害中的监测预警能力,对我国其他类型的灾害性天气气候事件也必将提供更多的观测信息。