两次华南飑线卫星亮温特征与强对流天气分析

张华龙，肖柳斯，伍志方，杨慧燕，谌志刚

（1.广东省气象台，广东广州 510640；2.广州市气象台，广东广州 511430）

飑线是一种线状传播的中尺度对流系统，易带来强雷暴、区域性地面大风与短时强降水等致灾性天气［1-2]。高空槽伴随的斜压锋区是飑线的常见触发系统［3-4]，但在华南前汛期暖区中，冷平流较弱，在低层暖湿平流叠加动力扰动作用下，可出现暖区飑线［5]。与冷锋型飑线不同，暖区飑线机制复杂，突发性强，地面要素及天气分布具有独特性［6]。郭弘等［7]分析了华南一次暖区暴雨中的飑线在演变过程中对流系统锢囚和降水拖曳对飑线发展的作用；张有洋等［8]通过个例分析指出低空急流与午后局地增温是强对流组织成线状的重要环境因素。

由于环境场对飑线的自组织发展具有重要作用［9]，因此在不同背景下，飑线云团的结构和模态特征也有所不同［10]。不少学者针对不同天气背景对飑线MCS结构和模态特征进行归类和对比，如曹艳华等［11]、许爱华等［12]分别总结了江西不同类型的飑线云型特征。但上述研究只进行主观归类分析，缺乏客观指标的定量分析结果。此外，对于对流系统造成的地面雷暴大风、短时强降水等天气，冷云顶亮温也具有一定的指示性［13]。但传统卫星观测时空分辨率较低，难以精细地分析亮温特征与地面灾害天气的关系。

近年来，高时空分辨率探测卫星的入轨运行为细致分析强对流系统演变提供了观测基础，如新一代Himawari卫星云图接收处理系统向日葵8号卫星（H-8）在东亚地区实现了时间分辨率达10 min／次的高频次观测，有效改善了中尺度对流云团的监测识别效果［14]。利用高分辨率卫星资料，可细致分析华南冷锋型和暖区型飑线的云型和亮温的特征差异。针对这一目标，本研究选取2016年的一个冷锋型和一个暖区型飑线个例，对比2个个例的H-8亮温特征指标，分析其与雷暴大风和短时强降水天气的时空分布关系，提高对华南地区不同类型飑线对流云团特征的理解和认识。

1 数据与指标定义

1.1 数据

本研究使用的卫星数据是H-8搭载的AHI传感器B13通道红外亮温，辐射通道范围为10.25～10.61μm，空间分辨率为2 km，时间分辨率为10 min。地面观测资料使用了华南地区地面自动站逐小时最大阵风、逐10 min降水数据。阵风数据经过质量控制，剔除因站点海拔高度过高等原因导致的不合理阵风观测。再分析资料使用ERA-Interim 资料（空间分辨率0.125°×0.125°，时间分辨率6 h），该资料使用了最新的四维变分同化技术，结合了多种误差校正技术，对形势场具有较好的反演能力。

1.2 卫星亮温指标

分析飑线云顶亮温特征时，计算以下指标，云顶最低亮温（TBBL）：云团亮温最低值；冷云区面积（AT）：亮温值低于221 K的云团面积；冷云区平均亮温（TBBM）：冷云区所有格点亮温均值；云团移速（vT）：冷云区重心的移动速度；亮温梯度：云团重心移动方向的冷云区边界梯度的平均值。

2 飑线过程天气形势分析

本研究挑选了2016年“4·13”和“5·6”两次典型飑线过程，飑线信息见表1。

表1 飑线个例

两次飑线过程环流形势具有明显区别。“4·13”过程中，副热带高压位于18°N以南，呈带状分布，副高北侧有强南支西风急流，风速脉动伴随小槽东移，引导槽前低层西南暖湿急流建立，暖湿气流输送至华南上空。中高纬西风槽东移引导冷空气南下，冷暖空气交汇形成850 hPa东北-西南向冷式切变线和地面冷锋，锋前抬升对飑线形成与发展具有重要作用，是比较典型的冷锋型飑线（图1a），并具有在移动中显著增强的特征［15]。“5·6”过程中，飑线发生在副热带高压西北部不稳定区，中低层是一致的西南气流，急流前侧动力辐合作用强，锋面位于长江流域30°N附近，华南均位于锋面以南的暖湿不稳定区中，因此飑线依赖于暖湿平流强迫，无冷空气参与，是一次暖区型飑线过程（图1b）。

图1 2016年4月13日02：00（a）与5月6日08：00（b）500 hPa高度（等值线，单位：dagpm）、850 hPa风场（风向杆，单位：m／s）

3 结果与分析

3.1 飑线云顶亮温特征对比

从图2可见，“4·13”的初生对流云系主要位于冷锋南侧，随锋面向南移动并快速增强为具有一定长宽比的云线，云团东南侧的亮温梯度逐渐增大（图2d箭头）。成熟阶段，云型在低纬度一侧较窄，低云向东北侧扩散，锋后逐渐过渡为少云区。“5·6”飑线初生阶段的对流云系为椭圆状云团，内部包裹多个亮温低、尺度小的上冲云顶（图2e标注）。在强盛西南环境气流作用下，云团西南侧的对流云发展更为迅速（图2g箭头），表现为亮温梯度较大，以及西北侧对流云系的不断缩小衰亡。对流云顶不断扩大并形成大面积低亮温区，云团移动方向为东南，与梯度增大方向（图2g和图2h的箭头处）垂直。

图2 “4·13”（a-d）和“5·6”（e-h）飑线过程发展阶段红外亮温云图（填色，单位：K）

进一步计算对流系统成熟阶段的云顶亮温指标，可见两次过程TBBL、TBBM差异较小。值得注意的是，“4·13”的冷云顶面积明显小于“5·6”，冷云顶持续时间只有3 h，但移动速度达95.9 km／h，“5·6”的持续时间明显较长（8.2 h），而移动速度显著偏慢（41.1 km／h）。造成这种差异的原因可能与飑线发展的强迫机制有一定联系。“4·13”为冷锋型飑线，锋面的剧烈抬升作用使对流云团快速发展，冷云区主要集中在锋线前侧。而“5·6”暖区型飑线由边界层中尺度系统触发，其发展和移动速度缓慢，维持时间长，冷云区范围广。前者造成了剧烈的雷暴大风，过程录得最大阵风49.4 m／s（15级），后者大风强度较弱，最大地面阵风为25.9 m／s（10级）。但是两者的降水效率差异并不显著，最大3 h降水均接近100 mm。

表2 两次飑线的云顶亮温指标

3.2 雷暴大风与亮温特征的关系

较大的亮温梯度是地面产生雷雨大风的必要条件［13]。图3为地面自动站1 h变温分布，负变温区指示飑线后部雷暴冷池及主要降水区的位置。可见，两次过程中，冷池强度与云顶亮温梯度变化一致，当云团东南侧梯度增大时，飑线增强（图3b箭头）；反之则飑线减弱（图3c箭头）。但两次过程中，冷池与冷云区的相对位置具有较大差别：“4·13”飑线冷池位于冷云区西南侧，表明对流云体具有垂直倾斜结构；而“5·6”飑线冷池始终位于冷云区范围内，表明对流云在垂直方向上倾斜程度较小。根据分析，雷暴大风所在位置与最大亮温梯度处相近（图3e和图3f的箭头位置），且对应冷池负变温中心最强，负变温范围最大的时段。

图4为云顶亮温梯度和大风比例的关系，由图4可以看出，可见，“4·13”过程中（图4a），早晨03：40—04：30，云顶亮温梯度缓慢增大，随后从04：30起迅速增大至1.6 K／km，维持20 min后下降，8级阵风站点的比例显著增加至21.6%。从变化趋势可见，亮温梯度与最大阵风具有滞后的正相关关系，当亮温梯度增大时，预报员应警惕雷暴大风可能会增强。从04：00—05：00之间的变化情况来看，梯度增大的预报提前量大于30 min。

在“5·6”过程中（图4b），亮温梯度从13：40起迅速增大，地面8级阵风的站点比例同步呈现上升态势，15：00前后达到峰值（5.2%），在这一阶段亮温梯度的变化超前于阵风变化，提前量在1 h以内，表明亮温梯度增长对于大风的预报预警有较好的指示意义。

图3 “4·13”与“5·6”的1 h变温（填色，单位：K）与亮温（等值线，单位：K）演变分布a-c.4月13日04：00、05：00、06：00；d-f.5月6日13：00、15：00、17：00

图4 “4·13”（a）与“5·6”（b）飑线云团亮温梯度与飑线附近区域8级阵风站点比例的时间序列

3.3 地面降水与亮温特征的关系

对流性强降水与冷云区亮温有较好的对应关系［16]。10 min降水在不同亮温区的频率分布（图5）显示，“4·13”过程中降水频率在＞240 K区间的占比最高，其余3个亮温区间降水频率占比相对较为接近，表明地面降水和低云顶亮温不具有高相关性。小量级降水（10 min降水量1～5 mm）的频率分布具有相似特征，但随量级增大，频率分布出现明显变化，强降水（＞10 mm／（10 min））具有在低亮温区集中分布的态势：在210～220 K区间的比例最高，达到30%。“5·6”过程中，对于不同量级均有接近一半的降水分布在210～220 K区间内，强降水（＞10 min降雨量10 mm）在低亮温区（＞221 K）占比达74%，表明该个例中强降水与低亮温存在更高的相关性。

通过对强降水位置与冷云区的空间位置进行对比分析（图略）可知，“4·13”的强降水主要分布在冷云区的西侧，强降水与冷云重心具有一定距离；而“5·6”强降水集中分布的区域与冷云区重心基本重合，这一分布特征与图5的10 min降水在不同亮温分布态势一致，反映了“4·13”较强斜压性与较大环境垂直风切变导致对流云明显倾斜的特征。

图5 “4·13”（a）与“5·6”（b）飑线不同量级10 min降水频率分布

4 结论

1）两次过程的云顶最低亮温差异小，但两次过程初生阶段云型不同，“4·13”与“5·6”相比，冷云区面积较小，冷云顶持续时间较短，移动速度较快。

2）两次过程亮温梯度大值区相对于冷云区位置不同，“4·13”飑线亮温梯度大值区主要位于冷云区东南侧，与云团移动方向一致；而“5·6”飑线亮温梯度大值区主要位于冷云区西南侧，与云团移动方向垂直，随云团发展，飑线主体逐渐远离云团西南侧云顶亮温梯度大值区。

3）“4·13”云顶亮温梯度和地面瞬时级大风强度、范围在时空上具有相关性，前者对后者提前量约为0.5 h，而“5·6”的亮温梯度的变化超前于阵风变化，提前量在1 h之内，在预警业务中具有参考意义。“4·13”过程中，地面降水和低云顶亮温不具高相关性，但强降水向低亮温区集中，“5·6”降水对应的亮温更低，不同量级的降水频率分布态势较为一致，强降水与低亮温区的相关性更显著。

除天气系统差异以外，影响飑线结构变化的因素还有很多，还需通过总结更多两种类型飑线过程云团亮温特征，揭示亮温演变的统计差异以及对应强对流天气的分布规律。