基于葵花-8卫星宁夏暴雨监测预警指标研究

张晓茹，李映春，纪晓玲，邵 建

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；3.宁夏气象台，宁夏 银川 750002；4.天水市气象局，甘肃 天水 741000；5.银川市气象局，宁夏 银川 750002）

宁夏地处黄河中上游及沙漠与黄土高原的交接地带，地形复杂，暴雨时空分布极不均匀。宁夏暴雨最早出现在5月中旬，最迟结束在9月中旬，具有落点分散、时间短、强度大和局地性强等特点，常常引发山体滑坡、泥石流、山洪暴发和城市内涝等气象灾害，对国民经济和人民生命财产有很大影响[1-2]。暴雨往往因中小尺度对流系统引发，其监测预警一直是宁夏气象部门汛期服务的工作重点及难点。静止气象卫星因高时空分辨率，可作为识别大气中正在发生的动力和热力过程的有效指标，是中小尺度对流天气的重要监测工具[3-6]。因此，开展基于卫星观测资料的暴雨研究，对加强暴雨监测预警能力及防患暴雨危害极具必要性。

目前，利用卫星资料在暴雨监测、分析及预报等方面已有了大量研究，且取得了明显进展。卫星资料及产品的应用促使暴雨云团研究成果显著[6-7]，且对暴雨天气的临近预报具有较好的指示意义[8]。若卫星云图监测到云顶亮温（TBB）在228 K以下的对流云团，且云团处于对流云向暴雨云发展阶段，当云体发展迅速且出现异常色彩时，要密切跟踪观测并及时做出暴雨预警[8]。通常而言，强降水区与TBB低值中心前部梯度最大区域基本一致[9-10]，即强降水易出现在TBB冷核扩张区域，雨强随冷核区的加强而增大但不完全与TBB成正比[11]，降水量的变化幅度明显大于TBB的变化[6]。同时，基于卫星云图资料建立的暴雨天气概念模型和短时暴雨概率预报方法对暴雨实时预报也有一定指导作用[8，12]。此外，资料同化和数值模拟的相关研究也表明卫星资料能提高暴雨（包括台风暴雨和致洪暴雨）的模拟能力和预测预报精度，尤其葵花-8卫星资料[13-21]。

葵花-8（Himawari-8，H8）为第三代静止气象卫星，搭载的先进葵花成像仪（Advanced Himawari Imager，AHI）具有高时空分辨率的特点，在10 min内能完成全盘扫描，红外通道空间分辨率可达2 km，能综合反映强天气系统的空间分布和发展演变，对暴雨对流强弱的变化具有持续观测性[22-23]。此外，H8卫星在监测暴雨对流云团方面具有明显的时间优势，其较FY-2卫星平均提前23 min发现对流云团，较雷达平均提前33 min，其应用可进一步提高暴雨的临近预报准确率[6]。本文利用H8卫星红外通道资料，结合地面降水观测数据，对宁夏2017年5—9月的暴雨天气过程进行分析，探讨暴雨对流云团的定量化特征和暴雨监测预警的有效指标，旨在为宁夏地区暴雨的识别、监测、临近预报预警提供有力的科学依据。

1 资料和方法

1.1 暴雨标准定义

宁夏暴雨标准定义为每1 h降雨量16 mm以上，或连续12 h降雨量30 mm以上，或连续24 h降雨量50 mm以上的降水[1]。为便于分析，本文结合以往研究[24]主要定义两种暴雨，即短时暴雨和常规暴雨，其中，短时暴雨标准为1 h降雨量≥16 mm；常规暴雨标准为24 h累计降雨量≥50 mm（以北京时间08：00为界，不管该日有几个时段出现降水）。本地实际预报业务中，当同一县2个或以上自动站同时出现暴雨时为单站暴雨，而相邻2个或以上县出现3个或以上自动站同时达暴雨标准时，则为区域性暴雨。因此，在短时和常规暴雨基础上再进行单站和区域性暴雨区分，即本文所研究暴雨过程共计4种，为短时单站暴雨、短时区域性暴雨、常规单站暴雨和常规区域性暴雨。需要注意的是，当某次降水同时满足短时暴雨和常规暴雨标准时，各暴雨过程均记录一例。

1.2 资料处理说明

本文所用资料包括2017年5—9月宁夏CIMISS数据库中逐10 min自动气象站降水资料和国家信息通信技术研究所（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）存储的葵花-8 B13通道数据（下载网址为https：//seg-web.nict.go.jp），其时、空分辨率为10 min、2 km，中心波长为10.4μm。资料选取范围为35.01°~39.6°N，104.1°~107.77°E。

地面降水资料首先根据天气实况记录去错值，再从已订正的降水数据中根据暴雨标准筛选出暴雨过程（共59例），并确定每例过程实况达到暴雨标准的初始时刻、主要降水区域及雨量站点，从而提取最大降水量作为降水真实值，同时结合宁夏2017年5—9月重大天气过程进行针对性判别。卫星资料处理具体分为三步：第一步使用“亮温阈值法”识别提取暴雨发生初始时刻前1 h对应降水区域的强对流云团信息，参考前人研究[8]及个例回带检验，本文的亮温阈值设为228 K，共识别出42例暴雨过程，其中短时暴雨和常规暴雨分别为30和12例，识别率较高（71.2%），表明该值能识别出大部分暴雨过程中的强对流云团，可作为宁夏暴雨过程强对流云团识别阈值；第二步使用较为成熟的“逆向搜索法”对强对流云团边界进行识别；第三步提取计算卫星云团特征参数，进而结合降水量判断暴雨监测预警的有效指标。

1.3 云团特征参数计算

本研究提取计算的云团特征参数包括：

（1）平均云顶亮温（TBBavg）和最低云顶亮温（TBBmin）。云顶亮温能反映云团降水强弱，其低值中心往往对应对流系统上冲云顶位置。TBB越低，云顶越高[25]。

（2）亮温梯度（G）。亮温梯度体现了云团内部对流活跃程度。一般梯度越大，表明云体纹理越丰富，对流越旺盛[26]。本文采用3×3像素宽度来计算G，其表达式如下：

其中，T为云顶亮温，i、j为像素坐标。强降水通常出现在云顶亮温梯度最大处[9-10，27-28]，因此本文采用对流云团最大亮温梯度代表过程最终梯度值。

（3）冷云面积（Acc）。云团内部较低亮温区域的大小能反映对流的发展程度[25]。本文冷云面积采用亮温≤228 K的强对流云团内所含象素点的总数来表征。

（4）云顶降温率（CTC）。对流云团云顶温度随时间的降低速率是云顶升高、变冷，空气垂直上升运动加强的间接表示，可用于表征对流加强的程度[29]。本文采用1 h内对流云团最低亮温的下降值来表征降温率。

2 宁夏暴雨特征

根据暴雨标准，2017年5—9月宁夏共统计提取暴雨过程59例，其中，短时暴雨42例，占总过程的71.2%，表明宁夏暴雨过程多呈现时间短、对流性强等特征。短时暴雨又有局地性强的特点，表现为以单站短时暴雨居多（占总过程40.7%），且多发生在宁夏南部山区，这和南部山区受地形抬升影响明显，且这些地区日照充分，地面水汽充足，当高层有干冷空气入侵时，与低层暖湿气流易形成“高干冷、低暖湿”配置，不稳定能量增强，有利于对流的发展加强[1]。17例常规暴雨中单站和区域性暴雨发生次数相当（表1）。此外，宁夏暴雨过程降水量较大且分布范围较广，其中，短时暴雨降水量为16.9~61.9 mm，平均值为35.6 mm，常规暴雨降水量为31.6~114.8 mm，平均值为71.8 mm。无论是短时暴雨还是常规暴雨，降水量都呈现出区域性暴雨均值高于单站暴雨均值的特点（表1）。

表1 宁夏各类暴雨过程降水量均值及出现次数

3 对流云团特征参数分布

宁夏各类暴雨过程对应的TBB值较小，且TBBmin分布范围均广于TBBavg，其中，TBBmin为199~227 K，均值为217 K，而TBBavg为213~228 K，均值为224 K（表2），无论单站暴雨还是区域性暴雨，常规暴雨过程TBBavg和TBBmin的均值极接近短时暴雨过程，但无论短时暴雨还是常规暴雨，区域性暴雨过程TBBavg和TBBmin的均值（分别为221和211 K）明显小于单站暴雨过程均值（分别为226和223 K）。一般TBB越低，云体发展越强，暴雨落区越广。

亮温梯度在宁夏暴雨过程中的分布范围较广（4~50℃/km），均值为23℃/km。通常亮温梯度越大，云体起伏越明显，对流天气越强烈。区域性暴雨过程的亮温梯度均值≥30℃/km，明显高出单站暴雨过程均值（14℃/km），且其又以常规区域性过程均值最高（32℃/km），与各类暴雨过程降水量的分布特征相似（表2）。此外，不同于TBB，单站暴雨过程中，短时暴雨的梯度均值超过常规暴雨均值（6℃/km），表明亮温梯度在区分局地暴雨时有较好的辨识力。

宁夏暴雨过程对应的冷云面积分布范围极广，为2.7×101~5.7×104km2。不同暴雨过程冷云面积分布特征明显（表2），表现为区域性暴雨过程的冷云面积均值＞9.0×103km2，超过单站暴雨过程均值（＜5.0×102km2）数10倍。和其他云团特征参数有所不同，短时区域性暴雨过程冷云面积均值最大，约为常规区域性暴雨均值的1.9倍，表明冷云面积可以更好地用于识别区域性暴雨类型，当对流发展强烈、冷云面积迅速扩张时，区域性短时暴雨发生的可能性极高。

表2 宁夏各类暴雨过程云团特征参数均值

宁夏各类暴雨过程中的对流云团降温率最大为36℃/h，最小仅为6℃/h，平均值为13℃/h。降温率在各类暴雨过程中的差异相对较小，单站暴雨过程降温率均值为10℃/h（表2），稍低于区域性暴雨过程（降温率均值为17℃/h）。虽然该云团参数表现特征稍弱，但其分布规律相似于亮温梯度，均以常规区域性暴雨过程均值最高，常规单站暴雨过程均值最低，和降水量对应较好。

4 暴雨过程降水量与云团特征参数的关系

4.1 短时单站暴雨过程降水量与云团特征参数关系

识别出的16例短时单站暴雨过程中，小时最大降水量为16.9~48.8 mm，降水均值为33.1 mm。降水量与云团特征参数的关系不尽相同，主要表现为：平均亮温为225~228 K，随降水量的增大无明显变化，始终在均值226 K附近小幅度变动（图1a）；最低亮温特征较平均亮温稍明显，降水量随亮温减小而增大，两者呈弱负相关，此外，当小时雨强＜30 mm时，最低亮温始终＞221 K（图1a）；亮温梯度分布范围较广（5~38℃/km），但大部分在10~25℃/km（均值为17℃/km），当小时雨强＜30 mm时，降水量与之呈正相关，而当小时雨强＞40 mm时则反之，降水量为30~40 mm的暴雨过程较少，亮温梯度变化不大（图1b）；冷云面积在该类暴雨中普遍较小（2.7~710 km2），均值仅为270 km2，和降水量无明显关系（图1c）；降温率与降水量的相关特征虽相似于亮温梯度，但相关系数更高，为0.538，且小时雨强＜30 mm时，两者虽呈正相关，但大多数值仍集中于6℃/h（图1d）。

图1 宁夏短时单站暴雨过程云团特征参数与降水量关系

4.2 短时区域性暴雨过程降水量与云团特征参数关系

识别出的14例短时区域性暴雨过程中，小时最大降水量为20.8~61.9 mm，降水均值为38.4 mm。与短时单站过程相比，该类过程降水量稍高，云顶亮温显著偏低，亮温梯度、冷云面积和降温率明显偏高，且云团参数与降水量的相关性也普遍较好。该类暴雨过程平均亮温为216~224 K，与降水量中等相关（相关系数为0.569），当降水量＜30 mm时，平均亮温随降水量有微弱增加趋势，而当降水量＞30 mm时，其与降水量负相关且降幅较大（图2a）；最低亮温为199~219 K，与降水量的关系特征相似于平均亮温，此外，当降水量增加时，该类暴雨的最低亮温降幅较短时单站过程偏大（图2a）；亮温梯度为17~50℃/km，与降水量中等正相关（相关系数为0.565），且当降水量＞30 mm时，亮温梯度随雨量的增加幅度显著增大（图2b）；冷云面积分布极广（1.2×103~5.7×104km2），但大多数个例对应的冷云面积均＜2.0×104km2（均值为1.7×104km2），与降水量无相关性（图2c）；除少数个例外，降温率普遍＜20℃/h，均值为15℃/h，且不同于短时单站过程，该类暴雨的降温率始终与降水量呈弱正相关（图2d，相关系数为0.427）。

图2 宁夏短时区域性暴雨过程云团特征参数与降水量关系

4.3 常规单站暴雨过程降水量与云团特征参数关系

识别出的常规单站暴雨过程只有5例，最大累计降水量为31.6~89.0 mm，降水均值为59.2 mm。大部分云团特征参数在该类暴雨过程中与降水量的相关性较弱。平均亮温为223~227 K，变动较小，均值为225 K（图3a），最低亮温分布范围较之稍广（218~226 K），均值为223 K（图3a），云顶亮温均值虽与短时单站暴雨过程的均值相近，但与降水量的关系并未呈现明显规律；该类暴雨的亮温梯度普遍为10~16℃/km，显著小于其他暴雨过程，当降水量＞50 mm时，其与降水量正相关明显（图3b）；与短时单站暴雨相似，该类暴雨中云体发展较弱，冷云面积始终＜8.0×102km2，其均值虽稍高于短时单站过程，但与降水量也无相关性（图3c）；降温率为6~18℃/h，与降水量呈强相关（相关系数为0.991），且与亮温梯度相似，当降水量＞50 mm时，降温率与降水量正相关趋势显著（图3d）。

图3 宁夏常规单站暴雨过程云团特征参数与降水量关系

4.4 常规区域性暴雨过程降水量与云团特征参数关系

常规区域性暴雨过程累计降水量最大，分布范围为64.4~114.8 mm。识别出的7例暴雨过程中有4例降水量接近均值80.8 mm，云团特征参数在该值处波动较大，且无明显分布规律，但整体来看，该类暴雨过程的大部分云团特征参数仍对降水量具有指示意义：平均亮温和最低亮温均值分别为221和211 K，两者与降水量均呈弱相关，当降水量＜85 mm时，亮温随降水量的增加呈微弱减小趋势；亮温梯度为15~50℃/km，均值为32℃/km，在四类暴雨过程中最大，与降水量呈中等相关，当降水量＜85 mm时，亮温梯度随降水量的增加而增大；与短时区域性过程相比，常规区域性暴雨的冷云面积较小，分布范围较窄（2.2×103~2.7×104km2），且大多数个例的冷云面积小于均值9.1×103km2，此外，不同于其他3类暴雨，该类暴雨的冷云面积与降水量呈中等正相关；降温率在该类暴雨中普遍低于18℃/h，其均值虽大于其他暴雨过程，但与降水量却无明显相关性。

5 结论

基于葵花-8卫星红外通道资料和地面降水观测数据，对2017年5—9月宁夏四类暴雨过程（短时单站暴雨、短时区域性暴雨、常规单站暴雨和常规区域性暴雨）进行云团识别、特征参数（云顶平均亮温、最低亮温、亮温梯度、冷云面积和降温率）计算及监测预警指标分析，主要结论如下：

（1）宁夏暴雨以短时单站暴雨过程居多，降水均值具有常规暴雨高于短时暴雨，区域性暴雨高于单站暴雨的特点。暴雨发生时对流云团都呈现云顶亮温显著较低，冷云面积扩大，亮温梯度和降温率增加的特征。

（2）亮温阈值228 K可以较准确地识别宁夏暴雨过程中的强对流云团，识别率为71.2%。基于云团识别基础上计算的宁夏暴雨的平均亮温和最低亮温分别为213~228 K和199~227 K，亮温梯度为4~50℃/km，冷云面积为2.7 km2~5.7×104km2，降温率为6~36℃/h。各参数分布范围在不同类暴雨过程中均有不同程度的收缩。

（3）云团特征参数在不同类暴雨过程中有较明显的表现特征。短时暴雨的云团参数（除冷云面积外）与常规暴雨差异普遍较小，而区域性暴雨的云顶亮温较单站暴雨明显偏小，亮温梯度、冷云面积和降温率偏高。除冷云面积外，云团特征参数与降水量相关性较好。云顶亮温和冷云面积的结合使用在暴雨类型识别方面具有显著优势，而亮温梯度和降温率对降水量的预估更具指示意义。

（4）各云团参数在不同降水量级中的表现差异较明显，利用其监测预警暴雨时，应关注其与累计降水量的关系，尤其当降水量累计达30、40、50和85 mm时，需注意云团参数变化趋势，当其出现异常或突变时，应加强监测，及时考虑降水量持续增加的可能性。