黑体亮温TBB与风暴跟踪信息STI对应关系

李燕玲,马中元,陈鲍发,张晓芳,盛梦婷

(1.景德镇市气象局,景德镇 333000;2.江西省气象科学研究所,南昌 330046;3.婺源县气象局,上饶 333200;4.乐平市气象局,乐平 333300)

0 引言

卫星云图黑体亮温(Black Body Temperature,TBB)反映了大气运动状况,TBB最低亮温区和TBB亮温密集区都不同程度地反映了强对流、暴雨等灾害性天气的状态;雷达回波风暴跟踪信息(Starm Tracking Information,STI)计算出风暴的1 h移动方向和移动速度,雷达拼图上STI是多部雷达STI叠加的产品,STI的密集程度也反映了强对流、暴雨等灾害性天气的状态。TBB与STI有着较紧密的对应关系,有必要进行相关性研究。

中国很多学者都在研究中将卫星云图资料应用在暴雨、强对流等灾害性天气的监测及预报方面[1-8]。如阮悦等[9]提取产生强降水的卫星参数特征阈值,采用指标叠加法判定未来2 h能否产生区域性暴雨天气,进而对区域性暴雨云团进行预警;许爱华等[10]总结出江西省8种典型的强对流云型特征。卫星云图在强天气的应用研究中,黑体亮温是云系的数字化处理产品之一,其温度与对流发展有密切关系,应用较为普遍。研究中关于TBB最低值或亮温梯度区(TBB等值线密集区)与短时强降水、雷暴大风等强对流天气的关系,均指出不管是短时强降水还是雷暴大风等强对流天气,均易出现在对流云团发展旺盛的TBB低值区,或是TBB梯度大值区[11-18]。STI是多普勒雷达中重要的产品之一。2018 年开始,江西8部S波段雷达的 STI产品加入雷达拼图中,形成雷达拼图上的组合STI产品,多部雷达多个 STI 路径叠加的密集程度,反映了风暴的移动趋势[19-23]。近几年来,雷达拼图组合STI产品被江西预报员运用在实际业务和科研工作中,成效明显。

文章使用卫星云图黑体亮温TBB资料、江西雷达拼图STI产品等资料,探讨TBB与STI之间的关系,研究成果旨在为短临预报提供相互印证的分析依据。

1 数据和方法

1.1 数据选择与处理

风暴跟踪信息STI雷达拼图资料来源于2020年3月—2021年11月共1588个时次数据,是江西雷达拼图手机版历史数据。黑体亮温TBB数据来源于气象风云卫星遥感数据服务网下载的FY-2G逐时相当黑体温度产品,水平分辨力为0.1°×0.1°。通过MICAPS调取下载的TBB数据,利用填值法读取出江西境内TBB最低值;通过江西雷达拼图叠加显示STI密集区,根据箭头的密集程度分为弱、中、强3个强度,并分别记为1,2,3。

1.2 相关性分析

通过上述数据处理方法,整理出STI与TBB数据。分析数据发现STI密集区有870个时次强度为弱,TBB平均值为-45.6 ℃;STI密集区有550个时次强度为中,TBB平均值为-58.5 ℃;STI密集区有168个时次强度为强,TBB平均值为-69.4 ℃。对各个季节进行统计,TBB平均值冬季(12月—次年2月)为-23.3 ℃,春季平均值(3—5月)为-45 ℃,夏季平均值(6—8月)为-64 ℃,秋季平均值(9—11月)为-38.6 ℃。TBB最小值分别为-48,-79,-91和-81 ℃(图1)。

图1 风暴跟踪信息STI密集区与黑体亮温TBB相关性曲线

从STI与TBB相关性图(图1)上可以看出,STI密集程度与TBB值呈现一定的负相关性,即STI越密集,TBB值就越小;或是STI越稀疏,TBB值就越高。负相关性的原因主要是在TBB图上,温度越低越容易出现强天气;在STI图上,路径线条越多、越密集越容易出现强天气。

2 STI密集程度与TBB相关性分析

2.1 STI密集程度与TBB负相关性正贡献分析

由前文分析得出,STI密集程度与TBB值呈一定的负相关。对于STI密集程度为2或3时,一般表明出现了明显的强天气过程,强天气发生时回波排列结构较密实,呈线状、团状等。线状回波有“弓”形回波和沿低空急流北侧源源不断向东北方向输送而产生的“列车效应”回波,符合高空冷平流强迫类、斜压锋生类以及准正压类容易产生飑线等中尺度系统特征。团状回波一般在系统性暴雨过程中出现,雷达回波强度与TBB最低值与“弓”形回波类似。而对比较典型的暴雨过程的环流形势和影响系统,预报员普遍已有比较系统的认识。分析数据发现,强天气发生时,雷达回波强度可达60 dBZ以上,TBB最低值为-80～-60 ℃,局部达-90 ℃。

对于STI密集程度为1 的时次,一般为5～15 dBZ的弱降水。主要发生在秋冬季及早春,或发生在强天气消散阶段。此时动力系统弱,回波强度弱,TBB最低值-10～-30 ℃。

2.2 STI密集程度与TBB负相关性负贡献分析

对STI密集程度与TBB负相关的负贡献情况可以分为2种。一是TBB密集强盛,但STI不密集。此情况表现为TBB值低,但是STI不密集。通过分析发现,造成这种情况的原因大部分是因为江西境内有一个或多个不连续、不成片的超级单体,超级单体多始于3月,9月也有体现,盛夏6—8月最为常见。超级单体回波面积相对较小,多出现在午后或夜间,此时温度明显升高。雷达回波强度可达65 dBZ,TBB值在-80～-70 ℃,STI密集程度多为1。通过天气分析发现,对于春季超级单体的触发,一般是高空槽、低层急流、地面辐合线等系统的影响。盛夏季节,有些是副高边缘触发的午后热对流,有些虽然位于副高内,但是高空500 hPa有短波槽移过或者是低层西南急流加强产生午后热对流。除超级单体外,另一个原因是在盛夏,大片的层积混合型降水回波,STI稀疏,但是TBB密集强盛,TBB最低值可达-82 ℃。

二是TBB值高稀疏,但STI相对密集。此情况多发生在层积混合型回波中。一类发生在深秋,由于前期温度较高,日最高气温25 ℃左右,之后受冷空气南下影响,在江西境内产生降水,回波强度最大达到45 dBZ,STI密集程度为2,TBB值在-10 ℃左右。另一类发生在早春,暖湿空气偏弱,受冷空气影响,地面温度较低,在8～12 ℃,为层状云回波,回波强度最大达到35 dBZ,STI密集程度为2,TBB值在-30 ℃左右。这两类情况说明在深秋或初春,锋面抬升作用使得水汽达到的高度偏低,对流发展高度较低,云顶温度偏高。

2.3 STI密集指向区与TBB低值区移动的关系

在有强天气过程时,TBB图超级单体冷云特征明显,外侧边缘亮温梯度加大。为了能更清晰地确认STI密集指向区与TBB低值区移动的关系,选取TBB低值区明显的个例。将选取的个例分为两类:局部超级单体类和系统性降水过程类。局部超级单体有41例,系统性降水过程有25例。由分析发现,局部超级单体类STI密集指向区的方向基本上与TBB低值区移动的方向一致,大致为东北向、西北向和东南向。系统性降水STI密集指向区移动方向较为一致,大部分为向东北或向东移动;TBB低值区移动方向有东北向、东向和东南向。因此系统性降水过程又分为两种情况:一种情况是STI密集指向区与TBB低值区移动方向一致,这种情况的发生多是由西风带系统主导;另一种情况是TBB低值区向东南方向移动时的偏东分量与STI密集指向区的移动方向一致,这种情况一般是随着地面冷空气南下,低层系统南移,降水回波整体向东南方向移动,而STI密集指向区的移动方向一般为偏东向。

3 结束语

文章利用2020年3月—2021年11月共1588个时次风云卫星的逐时黑体亮温数据资料,结合对应时次江西雷达拼图STI历史数据,对卫星黑体亮温TBB和雷达拼图风暴跟踪信息STI进行对比分析,得到以下结果:

1)黑体亮温TBB与风暴跟踪信息STI密集程度呈一定的负相关,即雷达回波强度越大,TBB最低值越低。

2) TBB与STI负相关负贡献情况可以分为2种:一是TBB密集强盛,但STI不密集;二是TBB值高稀疏,但STI相对密集。

3) 在有强天气过程时,超级单体TBB冷云特征明显,外侧边缘亮温梯度加大,雷达拼图STI密集指向区十分明显,TBB低值区与STI密集区移动方向一致。系统性降水TBB与STI移动方向分为两种情况:一种是两者移动方向一致,另一种是TBB低值区向东南方向移动时的偏东分量与STI密集指向区的移动方向一致。

黑体亮温TBB和风暴跟踪信息STI是预报分析中常用的产品,两者具有较好的负相关性,但在某些时刻,可能受到TBB反演的限制(表现为TBB有明显误差),两者关联性较差。以上研究成果有待于深入探讨和更多资料的验证。