基于FY-3G的黄河流域内蒙古段一次暴雨云团结构特征分析
Structural characteristics of a rainstorm cloud cluster over the Inner Mongolia section of the Yellow River Basin based on FY-3G satellite data
通讯作者: 李云鹏(1970—),男,内蒙古商都人,正高级工程师,主要从事卫星遥感和天气动力学分析。E-mail:Lyp5230@163.com。
责任编辑: 邓祖琴;校对:黄小燕
收稿日期: 2024-11-28 修回日期: 2025-05-2
| 基金资助: |
|
Received: 2024-11-28 Revised: 2025-05-2
作者简介 About authors
张峰(1987—),男,内蒙古呼和浩特市人,工程师,主要从事卫星遥感研究。E-mail:523724385@qq.com。
暴雨云团的宏微观结构在不同地理环境和环流背景下表现出明显差异。黄河流域内蒙古段地处半干旱区,地形复杂,暴雨突发性强。利用风云三号G星(FY-3G)卫星搭载的降水测量雷达(Precipitation Measurement Radar,PMR)数据,结合欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA5(ECMWF Reanalysis A5)再分析资料,对2024年8月8日黄河流域内蒙古段暴雨过程的云团三维结构及环流背景进行综合分析。结果表明,暴雨发生在副热带高压与西风槽共同作用的环流背景下,700 hPa低空急流、明显的垂直风切变以及暖湿气流的强上升运动为暴雨形成提供有力动力条件。降水云系中同时存在层状云与对流云,对流云的平均粒子数浓度、有效粒子直径、降水率均高于层状云,且粒子数浓度和有效粒子直径的垂直分布与不稳定能量场高度一致;降水反射率在0 ℃层上下存在高频增强区,对流云在约5 km高度的潜热释放量是层状云的2倍,表明对流云团是此次极端暴雨的主要贡献者,对降水效率和降水强度具有决定性影响。云顶高度自西向东逐渐升高,极端暴雨区的云顶高度及0 ℃层高度的水平分布特征与地形起伏密切相关。
关键词:
The macro- and micro-structural characteristics of rainstorm cloud clusters exhibit pronounced variations under different geographical environments and synoptic circulation conditions. The Inner Mongolia section of the Yellow River Basin is a semi-arid region characterized by complex topography and highly transient, intense rainstorms. Utilizing Precipitation Measurement Radar (PMR) data from the Fengyun-3G (FY-3G) satellite, combined with ERA5 (ECMWF Reanalysis version 5) reanalysis data provided by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), this study conducts a comprehensive analysis of the three-dimensional structure of cloud clusters and their circulation background during the rainstorm event on August 8 2024 over the Yellow River Basin in Inner Mongolia. The results indicate that the rainstorm occurred under the combined influence of a strong subtropical high and a westerly trough, with the 700 hPa low-level jet, pronounced vertical wind shear, and strong ascending motion of warm and moist air providing favorable dynamic conditions for rainfall formation. Both stratiform and convective cloud clusters coexisted in the precipitation system. The convective clouds exhibited higher average particle number concentration, effective particle diameter, and precipitation rate compared with stratiform clouds, and the vertical distributions of particle number concentration and effective diameter corresponded well with the unstable energy field. Enhanced reflectivity zones were observed above and below the 0 ℃ layer, and the latent heat release of convective clouds at approximately 5 km altitude was about twice that of stratiform clouds, indicating that convective cloud clusters were the primary contributors to this extreme rainstorm and played a decisive role in precipitation efficiency and intensity. The cloud-top height of the precipitation system increased gradually from west to east, and the horizontal distributions of cloud-top height and 0 ℃ level height in the extreme rainfall region were closely related to topographic variations.
Keywords:
本文引用格式
张峰, 李云鹏, 李海燕, 司瑶冰.
ZHANG Feng, LI Yunpeng, LI Haiyan, SI Yaobin.
0 引言
黄河流域内蒙古段地处黄河中上游(宁夏石嘴山至内蒙古托克托的“几字湾”),干流长约830 km,位于半干旱高海拔地区。流域地貌类型多样,包括沙漠、高原、丘陵、山地和平原,是内蒙古自治区重要的生态功能区及经济发展区域(奚雪松等,2023)。受全球气候变化影响,黄河流域暴雨致灾的突发性、极端性和异常性日益显著(马洁等,2024;袁征等,2024)。2024年8月8—9日,黄河流域内蒙古段发生1961年有监测记录以来范围最广的暴雨及短时强降雨过程,包头、巴彦淖尔、鄂尔多斯等地出现极端降水事件。其中,伊克乌素、大佘太、乌拉特前旗、乌拉特中旗、固阳、白云鄂博等站点日降水量突破历史极值。暴雨导致多地洪涝灾害,累计5.1万人受灾,农作物受灾面积达2.5万hm2,直接经济损失约1.3亿元人民币。
暴雨的发生是多尺度系统协同作用的结果,涉及大尺度环流背景、中小尺度对流触发及宏微观物理过程耦合,科学认知上仍具挑战性(丁一汇,2019)。已有大量研究从天气尺度环流、中小尺度物理量及水汽场等角度探讨暴雨成因(王君,2019;Xia and Zhang,2019;周泓等,2024;周晋红等,2024;魏娟娟等,2024)。常煜和韩经纬(2015)利用美国国家环境预测中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料及FY-2E逐时云顶亮温(Black Body Brightness Temperature,TBB)资料,分析内蒙古夏季过程性暴雨灾害,认为中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)是强降雨的直接制造者,且中尺度雨团多出现在MCS边缘TBB梯度最大冷空气一侧;张桂莲等(2018)基于NCEP再分析资料、FY-2E卫星云图及多普勒雷达资料,探讨内蒙古中西部极端大暴雨成因,指出次天气尺度及以下的MCS与地面中尺度辐合线密切相关;Osmanaj等(2025)在研究干旱高海拔地区短时强降雨灾害时发现,强上升气流驱动的高海拔积雨云发展对强烈微物理垂直输送起关键作用。
风云三号系列卫星(简称“FY-3”)的定量遥感能力已获国际认可(张鹏等,2012;杨忠东等,2017;Liu et al.,2021;Chen et al.,2021;Xie et al.,2022;Chen et al.,2023;Li et al.,2023)。目前该系列卫星已建成立体降水测量体系,FY-3A至FY-3E均搭载被动微波载荷,FY-3G搭载主动微波载荷(毛璐等,2022;谷松岩等,2022;Fang et al.,2022)。使用搭载主动微波载荷的热带降雨测量任务(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)卫星(王宝鉴等,2017)和全球降水计划(Global Prediction Measurement,GPM)卫星(张奡祺和傅云飞,2018;傅云飞等,2022)数据研究我国不同区域降水系统类型及降水粒子空间分布特征,为FY-3G卫星的应用提供了借鉴。
降水结构特征反映暴雨云团的热力、动力特性及水汽与冰水粒子间相变的微物理特征。FY-4系列卫星产品可在一定程度上揭示极端暴雨云团演变及宏微观特征(李晨蕊等,2022),与降水特征对应良好。但FY-4卫星主要使用光学载荷,无法探测云体内部结构。星载测雨雷达可提供降水的水平结构(降水范围、强度及类型分布等)与垂直结构(降水回波、降水率及垂直廓线等)特征,能较为准确地刻画系统的三维信息。相较地基雷达及雨滴谱仪,卫星遥感在探测精度上尚有局限,但其不受地域限制,能持续观测缺少地面设备的区域,在大气科学研究中具有重要意义。
降水是大气宏观动力、热力过程与云降水微物理过程相互作用的综合结果。雨滴谱(Raindrop Size Distribution,DSD)能描述降雨过程中不同粒径雨滴的数量分布,反映降水形成的微物理过程,不同类型的降水云团在雨滴谱特征上也有不同(李山山等,2023)。星载降水雷达出现之前,雨滴谱主要依赖地面单点雨滴谱仪观测,难以揭示大尺度的空间差异。1997年TRMM卫星发射,搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)为全球首部Ku波段星载测雨雷达,工作频率为13.8 GHz,扫描刈幅宽度为245 km(Kozu et al.,2001)。2014年GPM主卫星发射,搭载的双频降水雷达(Dual-Frequency Precipitation Radar,DPR)包含Ku波段(13.6 GHz)和Ka波段(35.5 GHz),扫描刈幅宽度同样为245 km(Hou et al.,2014),可测量雨滴粒子数浓度及有效粒子半径,突破地面单点观测限制,可更全面揭示降水系统垂直结构。目前,GPM卫星数据已在我国暴雨观测中得到广泛应用(冯启祯等,2019;胡庆芳等,2022;王立羽和傅云飞,2022;邓欣柔和吴莹,2022;袁敏等,2023;谢雅洁等,2024) 。
FY-3G是我国首颗低倾角轨道降水测量卫星,实现了星载雷达对降水三维结构的探测,填补了我国在星载主动降水遥感领域的空白。FY-3G的降水测量雷达(Precipitation Measurement Radar,PMR)扫描波段分别为Ku波段(13.35 GHz)和Ka波段(35.55 GHz),扫描刈幅宽度为303 km,与GPM卫星降水雷达性能相当,FY-3G与GPM在Ku波段近地面降水结构反演结果具有良好的一致性,相对误差小于10%,平均偏差小于1.2 mm·h-1,相关系数大于0.95(吴琼等,2024)。目前,利用FY-3G卫星数据定量分析黄河流域内蒙古段暴雨云团发生发展及结构特征的研究较少,但其降水型微波成像、中分辨率光谱成像与掩星探测的组合能力,可为揭示黄河流域内蒙古段暴雨的多尺度结构提供全新观测手段。
本文基于FY-3G卫星探测数据,结合欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA5再分析资料,对黄河流域内蒙古段(39.5°N—43.0°N,105.0°E—112.0°E)2024年8月8—9日发生的一次暴雨及短时强降雨灾害性天气过程进行深入分析,探讨此次暴雨的成因及云团结构特征,以期为该区域暴雨预报提供科学参考。
1 资料与方法
使用2024年8月8日22:00(北京时,下同)FY-3G L1级产品、L2级降水率和潜热产品,包括降水率、雷达反射率因子、降水类型、粒子数浓度、粒子有效直径、0 ℃层高度、风暴顶高、潜热、降水类型等参量,水平分辨率为5 km×5 km,垂直分辨率100 m,通过Python语言对数据进行读取、解析和可视化处理,垂直廓线采用每个高度层样点取平均的方法得到相应高度的数据值。采用归一化等频率高度分布(Normalized Contoured Frequency by Altitude Diagrams,NCFAD)方法分析降水云垂直结构特征,即某物理量在某一高度、某值域的出现次数占所有高度层上出现次数的百分比(张晋茹等,2023),其计算公式(张晋茹等,2023)如下:
式中:Nz(i,j)为频率分布函数,定义为第i层高度和第j个反射率因子(粒子数浓度/粒子有效直径)出现的次数。
使用的ECMWF ERA5再分析数据时间分辨率为1 h,空间分辨率为0.25°×0.25°,范围为30°N—50°N、90°E—120°E,包括2024年8月7—9日16:00 200 hPa风场、500 hPa位势高度场以及8月8日16:00 700 hPa垂直速度和风场;为与FY-3G数据对应,还使用39.5°N—43.0°N、105°E—112°E范围内8日22:00 700 hPa垂直速度和散度及500 hPa位势高度和风场。此外,还使用中国气象局天擎系统的临河国家基准气象站的探空数据分析大气各标准气压层的温湿风垂直结构。
2 降水概况
2024年8月8日08:00—9日08:00黄河流域内蒙古段出现暴雨天气过程,乌海市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、包头市28个旗县163个站点出现50~100 mm的暴雨,巴彦淖尔市东南部、鄂尔多斯市东北部、包头市南部8个旗县34个站出现100 mm以上大暴雨。出现暴雨、大暴雨的地区均为特殊峡谷地形,海拔1 000~1 800 m(图1)。
图1
图1
研究区高程(填色,单位:m)和站点(红点)分布(a)及2024年8月8日08:00—9日08:00降水量分布(b,单位:mm)
Fig.1
Elevation (the color shaded, Unit: m) and station (red dots) distribution in the study area (a) and precipitation distribution from 08:00 on 8 to 08:00 on 9 August 2024 (b, Unit: mm)
3 结果分析
3.1 环流背景
此次暴雨过程突发性强、范围广、时效短。暴雨的发生通常以大尺度环流为背景,其中环境参数的配置在很大程度上影响或制约中小尺度系统的生成、发展与演变过程(周泓等,2024)。已有研究表明,中小尺度对流系统多在有利的大尺度背景下产生(陶诗言,1980)。本文利用FY-3G PMR降水产品分析暴雨云团三维结构与微观特征,并结合大气环流形势演变、不稳定层结、低空急流等物理量进行环流背景分析。8月7日16:00,暴雨还没发生,200 hPa高空西风急流轴位于43°N附近,中心风速超过32 m·s-1;8日16:00,急流轴南压,风向转为西南风,暴雨发生在急流轴南侧200~300 km处,中心风速达32~40 m·s-1;9日16:00,急流轴风向完全转为西南走向,研究区域在高空急流带中,降雨结束(图2)。
图2
图2
2024年8月7日(a)、8日(b)、9日(c)16:00 200 hPa高空急流(单位:m·s-1)
(红色为大于30 m·s-1的高空急流,紫色框为暴雨中心位置)
Fig.2
Upper-level jet (Unit: m·s-1) of 200 hPa at 16:00 on 7 (a), 8 (b) and 9 (c) August 2024
(Red wind vectors are upper-level jets greater than 30 m·s-1, the purple box indicates rainstorm center location)
图3
图3
2024年8月7日(a)、8日(b)、9日(c)16:00 500 hPa位势高度场(单位:gpm)
Fig.3
The 500 hPa geopotential height field (Unit: gpm) at 16:00 on 7 (a), 8 (b) and 9 (c) August 2024
图4
图4
2024年8月8日16:00 700 hPa风场(a,单位:m·s-1)和垂直速度场(b,单位:Pa·s-1)
Fig.4
The 700 hPa wind field (a, Unit: m·s-1) and vertical velocity field (b, Unit: Pa·s-1) at 16:00 on 8 August 2024
8月8日22:00 500 hPa位势高度场与风场[图5(a)]显示,584 dagpm位于河套地区,副高强盛,西南气流沿副高外围向东北输送至41.5°N、109.4°E附近,在暴雨发生区域北侧转为西风,形成明显风切变线,并在5 km高度形成辐合。700 hPa[图5(b)]垂直速度为-800~-400×10-2 Pa·s-1,散度为负值,辐合对流上升运动强烈。8日20:00—23:00,巴彦淖尔市、鄂尔多斯市与包头市共有12个站点3 h降水量超过40.0 mm,其中,鄂托克旗赛乌素观测站3 h降水量达54.1 mm,巴彦淖尔市乌拉特前旗召沟观测站达51.1 mm,包头市固阳坝梁观测站达49.5 mm。
图5
图5
2024年8月8日22:00 500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)和风场(风矢,单位:m·s-1)(a)及700 hPa垂直速度场(填色,单位:Pa·s-1)和散度场(等值线,单位:105 s-1)(b)
Fig.5
Geopotential height field (the contour lines, Unit: dagpm) and wind field (wind vectors, Unit: m·s-1) at 500 hPa (a), vertical velocity field (the color shaded, Unit: Pa·s-1) and vergence (the contour lines, Unit: 105 s-1) at 700 hPa (b) at 22:00 on 8 August 2024
为进一步分析此次强降水过程的动力与热力条件,选取临河探空站的逐日温湿风资料,分析8月7—9日08:00大气层结变化情况。7日08:00,700 hPa水汽接近饱和,而其上层大气较干燥,干空气层在650~550 hPa,上干下湿,同时750 hPa与520 hPa附近存在不稳定能量;600 hPa以下为东南风,600~550 hPa为西南风,550 hPa以上为西北风,显示出明显的垂直风切变;850~700 hPa风速为2~4 m·s-1,尚未出现低空急流[图6(a)]。8日08:00,干空气层下沉至750 hPa,880~720 hPa不稳定能量减弱;750 hPa以下为东南风,750~300 hPa为西南风,有利于对流发展;湿度增加,抬升凝结高度降低至2 km,不稳定能量开始释放[图6(b)]。9日08:00,600 hPa以下风向转为西北风,暴雨过程基本结束。对流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)在暴雨发生前24 h为585.8 J·kg-1,降水发生时下降至238.6 J·kg-1,24 h后降至0,表明暴雨发生前聚集大量不稳定能量在对流发展过程中逐渐释放[图6(c)]。
图6
图6
2024年8月7日(a)、8日(b)、9日(c)08:00临河探空站T-ln P图
(红色线为干绝热线,绿色线为等饱和比湿线,蓝色线为湿绝热线)
Fig.6
The T-ln P of Linhe sounding station at 08:00 on 7 (a), 8 (b) and 9 (c) August 2024
(The red line represents dry adiabats, the green line represents equal saturated specific humidity line, and the blue line represents wet adiabats)
3.2 暴雨结构特征
3.2.1 暴雨水平结构
FY-3G卫星反演的三维结构显示,降水云系云顶高度由西向东逐渐升高,巴彦淖尔市中部、包头市中部及鄂尔多斯市西北部云顶高度超过10 km[图7(a)];亮带最厚区域位于巴彦淖尔市东部与包头市西部,厚度超过400 m[图7(b)]。亮带的形成源于冰晶或雪花在接近0 ℃层融化过程中表面融化形成水膜,使粒子介电常数增大,电磁波散射能力增强(龚乃虎,1999;王德旺等,2012)。亮带通常出现在上升气流较弱的层状云中,而在强对流云中,由于冰相粒子被反复抬升,难以形成亮带(Willis and Heymsfield,1989;Fabry and Zawadzki,1995)。此次暴雨核心区未见亮带,说明对流强烈,与探空资料中不稳定能量在夜间释放的情况相符。0 ℃层高度整体表现为北低南高,最大值为5 641 m,最小值为4 509 m,暴雨中心区域约为5 000 m[图7(c)]。暴雨中心相对较低的0 ℃层高度和峡谷地形的动力抬升共同作用,有助于将水滴输送至冻结层以上,促进更多冰相粒子生成,增强降水效率,是此次强降水的重要原因之一。南部地区更高的0 ℃层高度不利于降水效率提升,同时可能伴随相对较弱的动力抬升,导致对流强度和降水效率均低于北部。统计降水类型发现,研究区域内对流云降水样本数为4 523个,层状云降水样本数为26 960个,尽管从数量统计上看,层状云降水占主导,但决定此次暴雨强度和中心落区的是对流云系[图7(d)]。对流云降水水平分布零散,但其集中区域(约5 000 km²,位于包头市中部)与暴雨中心高度吻合,表明此次降水由嵌有对流核的层积混合云系引发,其中对流云系通过高降水效率为暴雨中心贡献了主要雨量。
图7
图7
2024年8月8日22:00暴雨云团的风暴顶高(a,单位:m)、亮带厚度(b,单位:m)、0 ℃层高度(c,单位:m)和降水分类(d)
(紫色、蓝色虚线分别为层状云和对流云降水FY-3G卫星观测剖面线)
Fig.7
Storm-top height (a, Unit: m), bright band thickness (b, Unit: m), 0 ℃ level height (c, Unit: m) and precipitation classification (d) of the rainstorm cloud cluster at 22:00 on 8 August 2024
(The purple and blue dashed lines represent the FY-3G satellite observation cross sections of stratiform and convective precipitation, respectively)
3.2.2 暴雨垂直结构特征
图8为暴雨区域(39.5°N—43.0°N,109.0°E—112.0°E)层状云与对流云降水的平均粒子数浓度、有效粒子直径、降水率及潜热的垂直廓线。两类云系降水差异主要出现在2 km以上。层状云降水的粒子数浓度最大为25.75 mm-1·m-3,出现在4.7 km;对流云降水的最大粒子数浓度为32.75 mm-1·m-3,出现在2.7 km。层状云降水有效粒子直径最大为1.06 mm,同样出现在4.7 km;对流云为1.61 mm(出现在3.1 km),与3.2 km处的不稳定能量中心相对应。两类降水的降水率在5.0 km以下存在明显差异,层状云最大降水率为1.90 mm·h-1,出现在4.8 km,而对流云降水率最大可达6.04 mm·h-1,出现在3.4 km,相同高度对流云降水率约为层状云的3倍。2.0~4.8 km高度,层状云降水粒子数浓度变化不大,2.0 km处明显减少,有效粒子直径和降水率也随之减少,表明此阶段以粒子破碎为主导过程,缺乏明显的碰并增长;对流云降水中,粒子数浓度、有效粒子直径和降水率随高度增加均先增后减,表明上升气流导致粒子间频繁碰并,在2.0 km左右才转以破碎为主,形成大量大粒径雨滴,提高各层降水率,导致强降水发生。
图8
图8
2024年8月8日22:00层状云(实线)和对流云(虚线)平均粒子数浓度、有效粒子直径、降水率、潜热的垂直廓线
Fig.8
The vertical profiles of mean particle number concentration, effective particle diameter, precipitation rate and latent heat for stratiform clouds (solid lines) and convective clouds (dashed lines) at 22:00 on 8 August 2024
潜热垂直廓线显示,层状云最大潜热值为5.58 K·h-1,出现在5.40 km;而对流云潜热最大为12.68 K·h-1,出现在5.57 km。4.00 km以上,对流云潜热明显高于层状云(5.00 km处对流云潜热是层状云的2倍),4.00 km以下则相反。4.00~5.00 km存在强烈的热量交换,该高度位于冻结层(约6.00 km)以下约1.00 km,也是粒子数浓度和有效粒子直径最大值所在高度,可能为粒子频繁碰并并强烈释放潜热的关键层。此高度粒子尺度垂直结构与500 hPa风切变辐合区相一致,垂直风切变加快了这一高度层的潜热释放。对流云中以碰并为主的微物理过程促进粒子尺度增长,并通过潜热释放进一步增强上升运动,形成正反馈机制,从而显著提升降水效率,最终在地面形成强降水。层状云因热动力条件不足,限制了粒子的碰并增长,导致降水效率较低。
图9为层状云和对流云降水区的垂直剖面。0 ℃层高度约为5 km,层状云降水的雷达回波最高可达9 km,强回波(35 dBZ)主要分布在5 km以下,水平宽度约20 km;对流云降水的强回波高度可达12 km,在7 km高度处仍有较强回波,水平宽度可达100 km。层状云降水在2~9 km高度粒子数浓度为30~35 mm-1·mm-3,最大值出现在5 km以下;而对流云降水在7 km高度的粒子数浓度超过35 mm-1·mm-3,5 km以下最大浓度达40 mm-1·mm-3。层状云降水的有效粒子直径小于2 000 μm,且在2~5 km范围内分布较均匀,垂直和水平方向变化均不明显;对流云降水的有效粒子直径在4~5 km处出现明显峰值,峰值约为3 000 μm,其水平方向上在117.7°E和110.0°E附近均出现粒径峰值,其中东部峰值与暴雨中心经度相吻合。对流云粒子数浓度及有效直径在迎风坡随高度升高而增加,表明地形抬升作用增强了夜间对流发展与降水强度(陈贝等,2024;李国平,2025),这可能是此次强降水的重要成因之一。
图9
图9
2024年8月8日22:00层状云降水(a、c、e)及对云流降水(b、d、f)反射率因子(a、b,单位:dBZ)、粒子数浓度(c、d,单位:mm-1·m-3)、有效粒子直径(e、f,单位:μm)FY-3G卫星观测的经度-高度剖面
(虚线为0 ℃层位置,下同;灰色为地形)
Fig.9
Longitude-height cross sections of reflectivity factors (a, b; Unit: dBZ), particle number concentrations (c, d; Unit: mm-1·m-3), and effective particle diameters (e, f; Unit: μm) for stratiform (a, c, e) and convective (b, d, f) precipitation observed by the FY-3G satellite at 22:00 on August 8 2024
(The dashed line indicates the 0 ℃ level, the same as below; the gray color represents terrain)
由层状云与对流云降水的归一化等频率高度分布(图10)可看出,层状云降水的反射率因子为12~48 dBZ,主要分布在5.0~8.0 km高度,多位于0 ℃层以上;对流云降水的反射率因子为12~52 dBZ,主要分布在2.0~10.0 km高度,0 ℃层上下均有出现。层状云降水的粒子数浓度为25~45 mm-1·m-3,集中于5.0~8.0 km的0 ℃层以上,主要分布区数浓度为30~32 mm-1·m-3;对流云降水的粒子数浓度为10~50 mm-1·m-3,集中于1.5~6.0 km的0 ℃层以下,低层粒子数浓度及出现频率明显增加。相较而言,层状云降水的粒子数浓度分布更集中,而对流云降水的粒子数浓度分布范围更广且不连续,说明层状云粒子垂直分布较均一,而对流云粒子垂直结构更为复杂。对流云降水的粒子数浓度峰值出现高度低于层状云降水。
图10
图10
2024年8月8日22:00层状云降水(a、c、e)及对流云降水(b、d、f)反射率因子(a,b)、粒子数浓度(c,d)及有效粒子直径(e,f)的归一化等频率高度分布
Fig.10
NCFADs of reflectivity factor (a, b), particle number concentration (c, d), and effective particle diameter (e, f) for stratiform (a, c, e) and convective (b, d, f) precipitation at 22:00 on August 8 2024
层状云降水的有效粒子直径为750~2 500 μm,集中于6~8 km高度;对流云降水的有效粒子直径为500~4 000 μm,集中于7~9 km高度。层状云中有效粒子直径在12 km高度约为1 000 μm,5 km以下增大至2 500 μm左右;对流云中有效粒子直径在12 km高度亦约为1 000 μm,而5 km以下增大至约4 000 μm,且在4~6 km范围上升幅度更大,表明该层粒子碰并增长更为显著。总体而言,对流云降水的有效粒子直径峰值出现高度低于层状云降水。
NCFAD图中部分区域出现空白,与沈程锋和李国平(2022)基于GPM卫星分析其他地区暴雨结构特征时的结果不同。这可能与强降水过程的降水强度不同以及地形作用增强空间非均匀性有关。
降水率的垂直分布与粒子有效直径的NCFAD特征更为一致,说明暴雨中粒子尺度的影响大于粒子数浓度。由于低空急流伴随水汽输送,低层粒子数量持续增加。层状云降水中,由于上升气流较弱,粒子尚未显著增长便下落至地面;而对流云降水中低层上升气流强烈,粒子下落速度减缓,不同高度的粒子在低层堆积并碰并增长,直至上升气流无法托举而下落,形成更强降水。因此,对流云降水在下层的降水率远高于层状云降水。
4 结论
基于FY-3G卫星PMR资料、ERA5再分析数据以及临河探空站资料,对2024年8月8—9日黄河流域内蒙古段一次暴雨过程的环流背景及云体三维结构特征进行分析,得到以下主要结论。
暴雨发生在高空急流南侧200~300 km处,由地面锋面与700 hPa风切变辐合上升运动触发。降水云团自西向东云顶高度升高,极端降水区云顶高度超过10 km;0 ℃层高度为4 509~5 641 m,北低南高,存在400 m厚度亮带,但暴雨中心无亮带。暴雨云系由层状云和对流云共同组成。对流云反射率因子、降水粒子数浓度和粒子有效直径的范围较层状云宽,降水率更高,是此次暴雨过程的主导云系。0 ℃层以下对流云粒子碰并增长并释放大量不稳定能量,粒子下落过程中遇到强上升气流,速度减缓,引发低层降水粒子堆积并增强降水强度。
根据FY-3G卫星资料对黄河流域内蒙古段暴雨结构的分析表明,研究区域内部分暴雨发生区属于对流云团,但无法确定其余大范围暴雨是否同样由对流云引起,因而难以准确判定暴雨过程的云系类型。由于极轨卫星具有较高的空间分辨率,但时间分辨率较低,其对降水云团发展演变过程的连续观测能力受到一定限制。因此,仍需将FY-3G数据与其他卫星观测资料相结合,以开展进一步的综合分析研究。
参考文献
一次阻塞形势下的内蒙古暴雨过程特征分析
[J].利用常规气象观测资料、 1°×1° NCEP再分析资料、 FY-2E逐时云顶亮温(TBB)资料和1 h降水资料, 对2012年7月24-31日内蒙古全区性暴雨过程进行了分析.结果表明: (1)此次暴雨天气过程发生在南亚高压东伸、 贝加尔湖阻塞形势稳定和西太平洋副热带高压位置偏北的大尺度环流背景条件下.(2)地面辐合以及700 hPa切变和涡旋是暴雨发生的影响系统, 中尺度对流系统(MCS)是暴雨过程中短时强降水的直接制造者, 中尺度雨团出现在MCS边缘TBB梯度最大处冷空气一侧.(3)暴雨发生时南海季风涌活跃, 为暴雨的发生提供了充沛水汽条件, 暴雨发生前对流层低层存在大量不稳定能量, 高空急流入口区右侧与低空急流出口区左侧相叠置耦合, 以及地形的强迫动力抬升机制, 触发了暴雨天气.(4)内蒙古西部地区水汽输送条件较差是该地区较少发生暴雨的主要原因.
关于冰晶雪花融化问题的研究:进展与展望
[J].冰晶和雪花的产生及融化是一个还未解决的问题。本文指出了研究冰晶雪花融化问题的重要意义,介绍了日本、美国、英国等国科学家在野外及实验室模拟冰晶、雪花融化的一些主要研究结果。对各类冰晶、雪花融化后形成水滴或分裂成多个水滴的个数作者利用实验资料作了分析比较。最后,对如冰系统理论,云中冰晶、雹胚来源,微下击暴流,中尺度对流系统层状区中尺度环流特征与融化的关系及高压传输线上冰、雪融化问题的解决思路也作了有关介绍。
应用FY卫星产品分析陇东半干旱区特大暴雨事件云特征
[J].降水与云的发生发展密切相关,研究强对流云特征,对降水机理分析、降水监测和预报具有重要意义。2022年7月15日地处西北半干旱区的甘肃陇东出现一次特大暴雨过程,多站日降水量和小时降水量均突破历史极值,本文基于FY-4A、FY-4B静止卫星扫描成像辐射计(advanced geostationary radiation imager, AGRI)数据,FY-3D极轨卫星微波湿度计(micro-wave humidity sounder, MWHS)和微波温度计(micro-wave temperature sounder, MWTS)融合产品,分析此次特大暴雨事件中云宏微观特征、云系演变特征及大气环境条件。结果表明:(1)暴雨云系的云顶类型为过冷水云、混合云、不透明冰云和多层云等,发生强降水的云顶类型以不透明冰云为主,云顶高度达14 km以上;暴雨云系云体深厚,主要为小粒径冰云且伴有强烈上升气流。(2)此次暴雨事件存在对流云团新生、合并及加强过程,对流云团稳定维持是导致特大暴雨发生的主要原因,降水与云顶相当黑体亮温(black body temperature, TBB)及其变化的关系密切,TBB低值区对应强降水,且强降水发生前TBB迅速下降。(3)强降水发生前大气层结表现出浅层对流不稳定的特征,中低层强烈增湿是对流不稳定发展的主要原因,低层绝对湿度的差异造成了不稳定条件及降水量级的差异。
伊犁河谷春季极端暴雨水汽特征与不稳定机制分析
[J].2022年5月4—6日,新疆伊犁河谷出现极端暴雨天气,多站降水量突破历史极值。使用地面自动站逐时降水资料、美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR)1°×1°再分析资料,分析此次极端暴雨事件的水汽特征和不稳定机制。结果表明:1)在500 hPa中纬度短波和低层辐合切变环流背景下,伊犁河谷可能发生极端暴雨天气,向西开口的“喇叭口”地形特征导致地形辐合和强迫抬升,增强了局地暴雨发生的动力触发机制。2)水汽主要来源于地中海、红海及里咸海地区,存在偏西和西南两条主要输送路径。低层偏西路径水汽输送强度大于中高层的西南路径,西边界为主要水汽输入边界,水汽输入贡献比约为85%,且从地面至700 hPa的强水汽辐合有利于水汽快速积聚。3)降水前对流层低层存在对流不稳定为暴雨天气积聚不稳定能量,对强降水的发生起重要作用;降水期间,对流层低层受对流不稳定影响,而对流层中高层受条件对称不稳定影响,这两种不稳定机制共同作用造成此次极端暴雨事件的发生。
多维复合空间视角下的黄河生态带构建:以黄河流域内蒙古段为例
[J].黄河生态带建设是各地落实国家黄河战略开展的重要行动。本文以正面临林地、草地、湿地衰退,沙漠化、水土流失、盐碱化、生物栖息受影响等七大复合性生态问题的黄河流域内蒙古段为例,从整体性、系统性、独特性三方面提出了多维复合空间视角下黄河生态带构建的理论框架和实现途径。在流域层面,将林地、草地、湿地三类生态空间的环境质量评价结果和沙漠化、水土流失、盐碱化、生物四种生态过程的安全性评价结果叠加,构建低、中、高安全水平的流域综合生态安全格局。在河流层面,研判出黄河干流大堤外10 km和一级支流两侧2 km岸边带内低安全水平区域面积占比最高,由此判别出黄河生态带的构成和空间范围。进一步结合不同地域景观特征划定其保护修复与治理区划。
内蒙古中西部地区一次极端大暴雨特征分析
[J].利用常规观测资料、自动加密站观测资料、NCEP(1°×1°)再分析资料、FY-2E卫星云图以及多普勒雷达资料,对2016 年8月16—18日内蒙古中西部区域性极端大暴雨天气的成因进行分析。结果表明:暴雨落区位于副热带高压边缘、700~850 hPa“人” 字型切变线、河套气旋前部等压线密集处的叠置区;深厚的湿层以及极端暴雨发生前6 h中低层显著增湿为暴雨的发生输送了充沛的水汽;散度辐合中心和上升运动中心叠置且加强,更有利于强烈上升运动形成,是暴雨发生发展和维持的动力机制;暴雨爆发前对流有效位能(CAPE)有明显跃升,暖云层厚度加大,有利于降水效率的提高;暴雨时段内有两个中尺度对流系统(MCS)以相同路线沿着副热带高压584 dagpm线边缘、阴山山脉东西方向自西向东移动;短时强降水(>30 mm·h-1)和云顶亮温(TBB)低值中心区(≤-52 ℃)以及TBB等值线密集区有良好的对应关系。
滇中地区不同影响系统下3次短时强降水过程的大气环境特征和雷达特征分析
[J].利用常规观测资料、 NCEP 1°×1°再分析资料、 逐时和逐5 min自动站降水资料以及昆明CINRAD/CC多普勒雷达资料, 针对滇中地区2021年主汛期不同影响系统下的3次短时强降水过程, 对比分析了降水特征、 环流形势、 大气环境特征以及雷达回波的结构、 形状、 演变的基本特征。结果表明: 3次短时强降水过程影响系统差异主要在于500 hPa天气系统不同, 700 hPa都有切变线影响, 但是形成原因各异, 地面均有辐合线或弱冷锋配合。3次过程的环境条件在不稳定层结、 近地层水汽、 垂直风切变方面与中国其他地区短时强降水发生的环境条件具有一致性, 但是在大气整层可降水量、 对流有效位能、 SWEAT指数等方面存在明显差异。对流回波的形状有点状回波、 块状回波、 带状回波、 絮状回波等。对流风暴分为高质心型、 低质心型以及混合型; 短时强降水有单独出现某种对流风暴类型的阶段, 也有多种对流风暴类型同时出现的阶段; CAPE值和SWEAT指数与对流风暴类型具有一定的相关关系。强回波剖面呈柱状结构或者塔状结构, 35 dBz强回波接地, 而没有悬垂特征。短时强降水多产生于长时间停滞型或移动缓慢型的对流回波, 还有部分短时强降水产生于“列车效应”中。短生命周期的单体生消形成的短时强降水持续时间绝大部分在1 h以内, 但是单体合并组织和反复生消或者“列车效应”形成的短时强降水持续时间常在1~3 h。高质心型对流风暴产生的瞬时雨强可达10 mm·(5min)<sup>-1</sup>以上, 低质心型和混合型对流风暴可产生的雨强范围较大, 大多在3~10 mm·(5min)<sup>-1</sup>, 少数也可达到10 mm·(5min)<sup>-1</sup>以上。
山西极端暴雨环流特征及水汽异常研究
[J].研究山西极端暴雨发生规律对开展预报预警、灾害防御具有重要意义。本文利用常规观测资料和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),采用标准化距平作为异常度,运用环流分析和物理量诊断等方法,研究1981—2018年6—9月山西17次极端暴雨的气候特征、环流影响系统和水汽异常特征。结果表明:山西极端暴雨主要出现在7—8月,暴雨区主要位于中南部,2010年以来极端暴雨明显多发;影响系统主要是700 hPa低涡和台风系统,有偏南和偏东两支水汽通道。极端暴雨过程中,低层水汽含量明显偏高,从暴雨区平均比湿的过程最大值看,大部分过程850 hPa超过14.2 g·kg<sup>-1</sup>,700 hPa则可超过9.8 g·kg<sup>-1</sup>、对应暴雨区平均异常度达1.6 以上;水汽的极端性在低层水汽通量辐合中心表现突出,17次极端暴雨700、850 hPa暴雨区水汽通量辐合中心过程最大值的异常度均值分别达-8、-6,其中台风减弱低压影响下的极端暴雨850 hPa水汽通量辐合中心最大异常度达-12。根据以上环流和水汽特征建立极端暴雨概念模型,并给出极端暴雨低层水汽含量和水汽通量辐合强度预报参考指标。
Impacts of the all-sky assimilation of FY-3C and FY-3D MWHS-2 radiances on analyses and forecasts of typhoon hagupit
[J].With the Microwave Humidity Sounder-2 (MWHS-2)/Fengyun (FY)-3D in operation, this is the first study to evaluate the impact of a joint assimilation of MWHS-2 radiances under all-sky conditions from both the FY-3C and FY-3D satellites on typhoon forecasting within regional areas. In this study, Typhoon Hagupit in 2020 was chosen to investigate the impacts of assimilating MWHS-2 radiances; the forecasting performances of the joint assimilation method were slightly better than the experiments assimilating MWHS-2 observations from FY-3C or FY-3D only, and the results of the latter two experiments were comparable, especially in terms of the landfall location of Hagupit. With additional assimilated cloud- and precipitation-affected MWHS-2 observations, improved typhoon track and intensity forecasts as well as forecasts of the precipitation caused by Hagupit were achieved due to the improved analyses of relative humidity, temperature and wind fields around Hagupit compared to the clear-sky assimilation experiments. In addition, the channel-selection scheme evidently affected the forecasting performance; that is, the radiances from the MWHS-2 118 GHz and 183 GHz channels provided opposite results in terms of the Hagupit track, and this finding needs further investigation in the future.
Assimilation of MWHS-2/FY-3C 183 GHz channels using a dynamic emissivity retrieval and its impacts on precipitation forecasts: A southwest Vortex case
[J].
Long-term radar observations of the melting layer of precipitation and their interpretation
[J].
Evaluation of Arctic Sea ice drift products based on FY-3, HY-2, AMSR2, and SSMIS radiometer data
[J].Different radiometer sensors have different frequencies, spatial resolutions, and time resolutions, which lead to inconsistencies in ice drift products retrieved by radiometer sensors. Based on the continuous maximum cross-correlation method, in this paper, we used China’s FY-3 and HY-2 satellite radiometer data to generate sea ice drift products; we further evaluated the consistency between them and sea ice drift products retrieved from AMSR2 and SSMIS satellite radiometer data, which could help in future retrieval accuracies of more radiometer sea ice drift products. The results show that ice drift products with good reliability can be obtained by retrievals using 37 and 89 GHz channels of FY-3 and HY-2 radiometer bright temperature data. Compared with the buoy data, the root mean square errors (RMSEs) of the 37 GHz HY-2 sea ice drift product (at an interval of 6 days) were 1.40 cm/s and 7.31° for speed and direction, respectively, and the relative errors (REs) were 5.78% and 6.44%, respectively. The RMSEs of the 37 GHz FY-3 sea ice drift product were 0.77 cm/s and 6.49° for speed and direction, respectively, and the REs were 4.38% and 9.23%, respectively. Moreover, comparisons between sea ice drift vectors derived from AMSR2 and SSMIS satellites showed good quantitative agreement.
The global precipitation measurement mission
[J].Precipitation affects many aspects of our everyday life. It is the primary source of freshwater and has significant socioeconomic impacts resulting from natural hazards such as hurricanes, floods, droughts, and landslides. Fundamentally, precipitation is a critical component of the global water and energy cycle that governs the weather, climate, and ecological systems. Accurate and timely knowledge of when, where, and how much it rains or snows is essential for understanding how the Earth system functions and for improving the prediction of weather, climate, freshwater resources, and natural hazard events. The Global Precipitation Measurement (GPM) mission is an international satellite mission specifically designed to set a new standard for the measurement of precipitation from space and to provide a new generation of global rainfall and snowfall observations in all parts of the world every 3 h. The National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the Japan Aerospace and Exploration Agency (JAXA) successfully launched the Core Observatory satellite on 28 February 2014 carrying advanced radar and radiometer systems to serve as a precipitation physics observatory. This will serve as a transfer standard for improving the accuracy and consistency of precipitation measurements from a constellation of research and operational satellites provided by a consortium of international partners. GPM will provide key measurements for understanding the global water and energy cycle in a changing climate as well as timely information useful for a range of regional and global societal applications such as numerical weather prediction, natural hazard monitoring, freshwater resource management, and crop forecasting.
Development of precipitation radar onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite
[J].
Radiometric calibration analysis for thermal infrared data from MERSI-LL onboard the dust-dawn orbiting satellite FY3E
[J].
Impact of assimilating FY-3C MWHS2 data in the RMAPS-ST forecast system on its rainfall forecasts
[J].
Three-dimensional cloud-resolving modeling of the flash-flood heavy rainfall event over Kosovo
[J].
Structure of the melting layer in mesoscale convective system stratiform precipitation
[J].
An observational analysis of three extreme rainfall episodes of 19-20 July 2016 along the Taihang Mountains in North China
[J].This study examines the synoptic- and mesoscale processes leading to the generation of three extreme rainfall episodes with hourly rates of greater than 100 mm h−1 over the southern, middle, and northern portions of the eastern foothills of Mt. Taihang in North China on 19–20 July 2016. The extreme rainfall episodes took place over the 200–600-m elevation zones in the southern and northern portions but also over the lower elevations in the middle portion of the target region, sequentially during late morning, early evening, and midnight hours. Echo training accounted for the development of a linear convective system in the southern region after the warm and moist air carried by a southeasterly low-level jet (LLJ) was lifted to condensation as moving across Mt. Yuntai. In contrast, two isolated circular-shaped convective clusters, with more robust convective cores in its leading segment, developed in the northern region through steep topographical lifting of moist northeasterly airflow, albeit conditionally less unstable. Extreme rainfall in the middle region developed from the convergence of a moist easterly LLJ with a northerly colder airflow associated with an extratropical cyclogenesis. Results reveal that the LLJs and associated moisture transport, the intensifying cyclone interacting with a southwest vortex and its subsequent northeastward movement, and the slope and orientation of local topography with respect to and the stability of the approaching airflows played different roles in determining the timing and location, the extreme rainfall rates, and convective organizations along the eastern foothills of Mt. Taihang.
Evaluation and assimilation of FY-3C/D MWHS-2 radiances in the RMAPS-ST
[J].Currently, humidity information can be obtained from the Microwave Humidity Sounder-2 (MWHS-2) mounted on the polar-orbiting satellites FY-3C and FY-3D. However, making full use of the MWHS-2 data remains a challenge, particularly in the application of regional numerical weather models. This study is the first to include MWHS-2 radiance data in the Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System—Short-term (RMAPS-ST) regional model. The results and impact of MWHS-2 radiance data assimilation were investigated and evaluated. It is found that MWHS-2 radiance data can be effectively assimilated in the RMAPS-ST after a series of quality control and variational bias correction. Benefits could be obtained in the reduction of background departures for each humidity sounding channel. Assimilation experiments over a period of one month were carried out, and the impacts of MWHS-2 radiances were quantitatively analyzed on the forecasts of RMAPS-ST system. The results showed that MWHS-2 saw a small but significant improvement for low-level humidity of short-range forecast, by 16.5% and 3.2% in terms of mean bias and root-mean-square error, respectively. The positive impact on short-range forecast also can be found for middle and low level temperature and wind. For quantitative precipitation forecast, the assimilation of MWHS-2 radiances increased the score skills of different rainfall levels in the first 12 h forecast by an average of 1.4%. There was a slight overall improvement in the 24-h precipitation forecast for over-estimation and false alarm of 3-h accumulated rainfall below 1.0 mm, with 0.75% and 0.36%, respectively. The addition of MWHS-2 radiance data gives a small positive impact on low-level humidity, temperature, and wind in the RMAPS-ST regional model, and it also improves short-range forecast of rainfall, particularly in the first 12 h of the forecast.
/
| 〈 |
|
〉 |
