基于FY-4A资料的20210430强对流天气过程分析

耿晓雯 汤洁 安礼政 夏网萍

摘要 受东北冷涡影响，2021年4月30日傍晚起淮安市中北部地区出现最大直径为5 cm左右冰雹、12级雷雨大风等强对流天气。利用MICAPS观测资料、FY-4A卫星多通道扫描成像辐射计AGRI资料分析此次强对流天气的初生及发展过程，结果表明：（1）此次强对流天气过程整层天气系统呈现前倾结构和“上干下湿”的不稳定层结，利于强对流的触发；（2）淮安站上空云顶亮温下降—短暂上升—迅速下降的特征反映了淮安强对流天气是由不同对流云团造成的；（3）在较强对流天气发生前的0～1 h内，FY-4A AGRI卫星资料对云团的初生及发展有一定的短临预警指示作用。

关键词 风云四号A星；多通道扫描成像辐射计；对流初生；强对流天气

中图分类号：P458 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）04–0111-03

强对流天气过程是一种剧烈的气象现象，经常造成农业、建筑、电力、交通以及人民生命财产的巨大损失，因此，提高对其预报的准确性，可有效避免其给人民生命财产带来的损失。作为我国最新一代的静止气象卫星，FY-4A各方面技术指标都体现了“高、精、尖”特色，处于国际领先地位，可以更有效地对灾害性天气过程进行实时观测[1-2]。

因此，利用FY-4A AGRI卫星资料分析2021年4月30日淮安地区强对流天气的初生及发展过程，以期提高强对流天气预报预警的准确率。

1 强对流天气过程分析

1.1 天气实况

受东北冷涡影响，2021年4月30日傍晚开始，淮安市中北部地区出现冰雹、12级雷雨大风等强对流天气。最大降水量出现在淮阴区渔沟，为13.4 mm。

全市大部分地区出现8～12级阵风，有10个站点最大风速在10级以上，其中，最大短时阵风出现在淮安国家基准气候站，为36.2 m/s（12级），是有观测记录以来的历史极值第一。

淮安市区、淮阴区、淮安区、涟水等地出现冰雹，最大直径在5 cm左右。据淮安市应急减灾局核定，4月29—30日突发强对流天气共造成淮安市222人受灾，因灾死亡1人，农作物受灾面积为50 hm2、成灾面积为34 hm2；房屋倒塌2间，严重损坏30间，一般损坏157间；直接经济损失545万元。

1.2 环流形势

首先，从环流形势分析此次对流过程的天气背景。4月30日08：00（图1），高空500 hPa淮安处于东北冷涡后部，偏北风急流控制，山东省中部有大风速带。700 hPa和850 hPa切变位于河北的南部，925 hPa切变位于沿淮一带，700 hPa沿淮淮北有偏北风急流，850 hPa沿淮淮北为西南风急流，整层天气系统呈现前倾结构。同时，沿淮淮北处于700 hPa和850 hPa暖脊控制，850 hPa有干舌。地面气旋08：00位于山西东部，随后向东南方向移动，17：00移至沿淮一带。4月30日20：00（图略），500 hPa江苏处于冷槽前部，沿江以南地区位于分流区，500 hPa、700 hPa、850 hPa均转为偏北风急流，与925 hPa偏南风大风速带交汇于江苏南部。同时，500 hPa江苏大部地区处于干舌内，而700和850 hPa为显著湿区，呈现“上干下湿”的不稳定层结。500～850 hPa前倾的天气系统，上下层较大的温差，导致斜压性大，利于触发此次强对流过程。

2 FY-4A AGRI资料在对流初生预报中的应用

对流初生是指积云从非成熟的晴好天气状态演变为成熟积雨云的过程，对CI（convective initiation）的识别主要基于卫星和雷达观测[3-4]。通常认为当雷达回波大于35 dBz时，考虑对流初生。利用卫星资料通常采用阈值法判别对流初生，利用FY-4A AGRI卫星资料对淮安此次强对流天气的初生和发展进行分析。

2.1 淮安站FY-4A多通道亮温变化特征

从淮安单站多要素时间序列图可以看出（图2），4月30日16：00淮安站气温逐渐下降，17：00气温为24.7 ℃，18：00气温为17.7 ℃，1 h下降7 ℃。17：00淮安站降水开始，17：38出现36.2 m/s的大风。利用FY-4A AGRI多通道亮温资料可以分析淮安站附近局地对流的发展特征与天气现象之间的关系，FY-4A AGRI通道12的中心波长为10.7 μm，该波段位于大气窗区，对大气的吸收很弱，在晴空条件下反映地表红外辐射分布，在有云的条件下，10.7 μm红外通道无法穿透云层探测地表，主要反映云顶红外辐射分布[5]。

通道9中心波长为6.5 μm，主要探测对流层中高层的水汽信息，因此，通道9的亮温通常远低于通道12。当对流云团向上发展时，通道12的亮温随之降低，并逐渐接近通道9。选择2021年4月30日15：00～22：00 FY-4A AGRI通道9和12亮温分析对流云团的发展（图3）。

16：00，FY-4A AGRI通道12亮温为19.85 ℃，远高于水汽通道9的亮温，表明此时淮安站上空对流云顶高度低。17：00，通道12亮温下降至7.25 ℃，17：15又降至-41.25 ℃，15 min内迅速下降50 ℃左右，與通道9亮温逐渐接近，表明淮安上空对流云顶已发展至较高的高度，对流急剧发展；18：15通道12亮温上升，随后又降至-50 ℃以下。淮安站上空云顶亮温呈现下降—短暂上升—迅速下降的特征，反映出淮安站的强对流天气是由不同对流云团造成的。此外，从云顶亮温变化和对流天气出现时间的关系可以看出，在局地对流云团云顶亮温快速下降之后，剧烈的天气现象才开始出现，表明FY-4A AGRI资料在短临预警中可以起到一定的指示作用。

2.2 10.7μm通道亮温

从FY-4A AGRI 10.7 μm通道TBB可以看出（图4），15：23淮北北部地区有对流云团初生，中心TBB亮温开始＜-10 ℃，鲁南有对流云团向东南方向移动并发展。15：23～15：53，中心TBB亮温在30 min内迅速下降至-40 ℃以下，随后继续发展成超级单体，造成淮安地区的极端大风天气。16：45，鲁苏交界地区再次有对流云团初生，云团中心TBB亮温＜-40 ℃，17：15～17：45，沿淮一带对流云团中心TBB亮温继续发展至-70 ℃以下，随后与北侧对流云团逐渐合并向南移动[6]。此次强对流天气过程，对流云团发展十分迅速，中心亮温快速降低，低亮温区域面积也迅速扩大。

2.3 6.5 μm與10.7 μm通道亮温差

利用6.5 μm和10.7 μm的亮温差可以描述对流云顶高度与对流层上部的相对位置，同时剔除逆温层下虚假积云的影响（图5）。为了对初生的对流进行监测与识别，当6.5 μm与10.7 μm的通道亮温差在-35～-10 K时，即云顶高度大致发展到850～500 hPa之间时，可以认为对流初生。15：15，6.5 μm与10.7 μm的通道亮温差达到-40 ℃以上；15：23，2个通道亮温差缩小至-30 ℃以上；15：30进一步缩小至-20 ℃以上，在15 min内亮温差值减少20 ℃，达到对流初生指标。16：45，鲁苏交界再次对流初生。

2.4 13.5μm与10.7μm通道亮温差

通道14的中心波长为13.5 μm，权重函数峰值在700 hPa左右，位于对流层中低层。通道12的中心波长为10.7 μm，该波段位于大气窗区，对大气的吸收很弱，晴空条件下主要探测的是地表信息。在有云的条件下，10.7 μm红外通道无法穿透云层探测地表，因此主要探测云顶信息。当对流发展较为旺盛时，对流云顶一般可发展至平流层的底部，当10.7μm通道的亮温低于13.5 μm通道时，说明对流云已发展至700 hPa以上，通常13.5 μm与10.7 μm通道的亮温差在-25～-5 ℃之间时，可以考虑对流初生。

图6为通道14与通道12的亮温差，从图中可以看出，15：15，13.5 μm与10.7 μm的通道亮温差达到-25 ℃以上；15：23，亮温差缩小至-15 ℃以上；15：30进一步缩小至-10 ℃以上，在8 min内2通道亮温差值减少了10 ℃，达到对流初生指标。16：45，鲁苏交界又有对流初生。

综合各预报指标可以看出，15：23，FY-4A AGRI各通道亮温资料均可反映出淮北地区对流初生，15：42多普勒雷达基本反射率因子才出现35 dBz以上回波（图略）。16：34 FY-4A AGRI各通道亮温资料均可反映出鲁苏交界地区对流初生，16：48多普勒雷达基本反射率因子出现35 dBz以上回波（图略）。由此可见，在较强对流天气发生前的0～1 h内，FY-4A AGRI卫星资料对对流天气的初生及发展有一定的短临预警指示作用。

3 结论

（1）此次强对流过程发生在东北冷涡影响的天气背景下，整层天气系统呈现前倾结构和“上干下湿”的不稳定层结。500～850 hPa前倾的天气系统，上下层较大的温差，导致斜压性大，利于此次过程强对流的触发。

（2）淮安站上空云顶亮温呈现下降—短暂上升—迅速下降的特征，反映出淮安大风、冰雹天气是由不同对流云团影响造成的。此外，局地对流云团云顶亮温快速下降后，才开始出现剧烈的天气现象，在较强对流天气发生前的0～1 h内，FY-4A AGRI卫星资料对对流天气的初生及发展有一定的短临预警指示作用。

（3）在利用FY-4A AGRI资料进行对流初生判别时采用了前人的经验阈值，未来，可增加个例分析选择出更适合研究区域的阈值设定。同时，可以利用更多的指标对初生对流进行识别。

参考文献

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[3] 张夕迪，孙军.葵花8号卫星在暴雨对流云团监测中的应用分析[J].气象， 2018， 44（10）：3-12.

[4] 张景，周玉淑，沈新勇，等.2016年“7·19”

京津冀极端降水系统的动热力结构及不稳定条件分析[J].大气科学，2019，43 （4）：930-942.

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[6] Mecikalski J R， Bedka K M. Forecasting convective initiation by monitoring the evolution of moving cumulus in daytime GOES imagery[J]. Monthly Weather Review， 2006， 134（1）： 49-78.

责任编辑：黄艳飞

基金项目 淮安市气象局气象科研项目（202108）。

作者简介 耿晓雯（1995—），女，江苏淮安人，主要从事卫星资料处理及应用研究。

AbstractAffected by the northeast cold vortex， strong convective weather such as hail with the maximum diameter of about 5cm， thunderstorm and gale of magnitude 12 occurred in the central and northern part of Huaian City from the evening of April 30， 2021. The MICAPS observation data and the FY-4A satellite multi-channel scanning imaging radiometer AGRI data are used to analyze the birth and development process of this strong convective weather. The results show that： （1） The whole layer of the weather system of this strong convective weather process presents a forward tilt structure and an unstable stratification of “up dry and down wet”， which was conducive to the triggering of strong convection. （2） The characteristics of cloud-top brightness temperature over Huaian Station， which was decreasing， rising briefly and falling rapidly， reflect that the strong convective weather in Huaian was caused by different convective clouds. （3） Within 0～1 h before the occurrence of strong convective weather， the FY-4A AGRI satellite data had a certain short-term and imminent warning indication for the birth and development of cloud clusters.

Key words Fengyun Ⅳ A star; Multi-channel scanning imaging radiometer; Advection initiation; Severe convective weather