淮河流域典型暴雨云系卫星遥感监测分析

第一章引言

随着强对流造成的气象灾害逐年增加，开展相关的研究工作就显得越来越重要。

1.1遥感监测强对流天气国内外现状
目前在强对流过程遥感监测分析中，主要是采用天气雷达和气象卫星这两类遥感资料分析强对流系统的发展、演变。利用卫星资料分析强对流系统的方法主要分为两大类：第一类利用卫星红外、可见光或水汽云图，根据图像形态随时间的演变特征，定性分析各类对流系统在卫星云图上的特征，从而准确地确定强对流云团的范围、强度、发展变化趋势，连续不断地监视云团的发展变化；第二类是通过卫星资料的数字化处理定量分析强对流系统特征。如Rosenfeld和Lensky (1998)介绍了一种利用极轨气象卫星NOAA上的甚高分辨率辐射计（AVHRR)定性和定量的方法来理解冰雹形成过程；并在2003年扩展了他们的技术且获得了对夜间冰雹形成过程的理解并利用这些见解提出了一个描绘夜间降雨的算法[3]。另外，Mahovid和Zeiner(2009)则利用新一代静止气象卫星Meteosat /SEVIRI两个通道的差异作为对流云自动识别的工具[4]。朱亚平等对一次锋面气旋云系中的强对流云团迸行识别，得出水汽和红外通道亮温差，对强对流云团能进行较好定位[5]。卢乃锰等对大量数据统计分析得出云顶温度、温度梯度、云团膨胀、穿透性云顶、云体偏离量等特征，与云的降水强度有着对应关系[6]。天气雷达由于其灵敏度高，强对流发生时，雷达回波都有一些基本的特征显示，因此，目前利用雷达资料监测强对流天气时主要是通过雷达反射率因子图、相应反射率因子垂直剖面图以及速度图上的回波特征识别强对流系统。如Brown等利用多普勒天气雷达资料，观测到了可能伴随龙卷过程的比中气旋尺度更小的速度场祸旋特征[7]。 Donaldson首次利用多普勒天气雷达观测到了超级单体中的"龙卷气旋"[8]。 Johns和Hirt利用雷达资料研究指出弓形回波与移动的强低压系统相伴。国内也有一些学者对强对流单体系统进行研究，总结了一些飑线、雹暴系统的回波特征，对此类强对流天气的预报具有一定的指示意义[9-10,14-19]

1.2淮河流域强对流灾害性天气研究概况
淮河流域地处我国东部，跨河南、安徽、江苏、山东四省，流域面积27万平方公里，人口 1.65亿，耕地L8亿亩，人口密度每平方公里约615人，居我国七大江河流域之首，是我国重要的农产品基地之一，也是东西南北铁路、公路交汇的重要枢纽，在我国经济和社会发展全局中占有十分重要的地位。淮河流域是北亚热带与暖温带的过渡带，为显著的季风气候，具有极端天气和气象灾害的频发性的显著特点。为了解淮河流域强对流天气概况，对2002-2008年发生在淮河流域的部分强对流灾害性天气过程进行分析，并依照强对流灾害性天气过程分析中常见的分析思路，总结出强对流天气过程的主要
1.2.1主要强对流天气过程
2002~2008年淮河流域发生的强对流灾害性天气过程较多，主要对以下19个强对流灾害性天气过程进行分析总结：
(1)2002年5月27日14:00-20:00(北京时，下同）皖北地区的一次典型超级单体风暴过程，安徽省北部出现大风、冰雹和强降水天气[9]；
(2) 2002年8月24日傍晚到夜里，长江三角洲地区发生了一次飑线天气，该地区许多气象站都观测到9级以上的阵风
(3) 2003年6月5日19:30-21:30河南登封市北中部遭受了大风、冰雹强对流天气袭击；
(4)2003年7月8日夜间发生在安徽庐江和无为县的龙卷过程[14—15]；  
(5) 2004年6月26日下午，江苏东北部出现了一系列强对流风暴，其中一个产生了大冰雹[I6];
(6)2005年6月15日凌晨发生在安徽省江淮地区的冰雹云[17]； 
(7) 2005年7月30日安徽省灵璧县发生的龙卷；  
(8) 2006年6月10日飑线过程，涉及安徽南部和浙江省大部分地区；  
(9) 2006年6月29日安徽泗县的龙卷[251；
(10) 2007年5月5日江苏出现大范围雷雨、大风和区域性冰雹天气[26]；
(11)2007年5月5日23:42到5月6日凌晨02:00，上海自北向南遭受了颱线袭击[27];
(12)2007年7月3日16:40-18:00先后在安徽天长-江苏高邮和江苏兴化等局部地区发生了多个龙卷[28_291；  
(13) 2007年8月2日15:30-20:00，安徽合肥市及其周围的县市出现了强对流单体MCC及飑线天气MCS带来的雷暴、大风、冰雹等强对流天气刚；
(14) 2007年8月2日9:00-11:00，郑州市区遭遇了入夏以来最强的一次突发性大暴雨天气，造成了人员伤亡和巨大的经济损失[31-32]；   
(15) 2008年4月8日发生在湘东地区的一次超级单体强对流天气过程[33-34]；  
(16) 2008年6月3日安徽省的11个市县出现7?8级以上的大风，17:51和18:21，五河、宿州出现冰雹，全省49个市县出现雷暴天气[351；  
(17) 2008年6月3日19:00左右黄冈中南部出现6级以上地面大风、冰雹和短时强降水天气[36]；  
(18) 2008年7月1日，济宁地区出现大范围暴雨量级的降水过程[371；  
(19) 2008年8月25日上海地区的强对流暴雨[38]。

    1.3 卫星遥感监测优势 ......................19-20
    1.4 研究目的和意义 ......................20-21
第二章 资料介绍 ......................21-33
    2.1 气象卫星产品数据 ......................21-24
        2.1.1 FY-2静止气象卫星 ......................21-22
        2.1.2 EOS/MODIS多通道数据 ......................22-24
    2.2 局地分析预报系统产品 ......................24-33
第三章 卫星遥感监测方法介绍 ......................33-40
    3.1 卫星多通道RGB合成技术 ......................33-36
        3.1.1 MODIS多通道组合 ......................34
        3.1.2 MODIS数据预处理 ......................34-36
    3.2 基于卫星红外窗亮温探测上冲云顶 ......................36-40
        3.2.1 IRW方法探测上冲云顶算法流程 ......................37-38
        3.2.2 阈值选取 ......................38-40
第四章 典型强对流天气过程卫星遥感监测分析...................... 40-63
    4.1 一次强对流天气过程的FY-2D静止气象卫星云图诠释 ........40-48
        4.1.1 过程概况 ......................40-41
        4.1.2 天气形势背景 ......................41-42
        4.1.3 卫星云图分析 ......................42-46
        4.1.4 雷达回波特征对比分析 ......................46-48
    4.2 基于MODIS多通道合成的江淮暴雨云系分析 ................48-58
    4.3 利用MODIS红外窗方法探测暴雨云系上冲云顶 ...............58-63
        4.3.1 过程概况 ......................58-59
        4.3.2 上冲云顶探测结果 ......................59-61
        4.3.3 LAPS资料对比 ......................61
        4.3.4 IRW方法讨论 ......................61-63

结论

通过利用FY-2D静止气象卫星云图，MODIS极轨气象卫星多通道合成方法和红外窗方法，结合雷达资料、常规天气观测资料及其中尺度局地分析预报系统（LAPS)资料进行中尺度对流云团的分析，可以看到卫星云图能够很好地监测并分析短时强对流天气，反映短时强对流天气系统的发展与演变及其常规资料不能捕捉到的天气实况变化，并可得到以下结论：
(1)静止气象卫星水汽图中动力异常区与对流系统的交界处及可见光云图上两个对流云团出流边界处触发的新的雷暴云团容易产生龙卷等强对流天气，水汽图上的水汽输送带与可见光云图的对流云系相一致，且强对流天气发生在低亮温对流云团中。
(2)卫星多通道RGB合成图能以色彩的形式有针对性地突出对流系统、云粒子微观物理性质等属性，此次造成江淮流域特大暴雨过程的云系即主要为冰粒子构成的积雨云，云系反射率越大，辐亮度越小，亮温越低，则对流发展越旺盛，且不同卫星多通道RGB组合对于探测不同对流现象有相对的优势，有利于各类不同天气系统的分析，并且对比高时空分辨率的LAPS中尺度物理量场和不同研究个例的多通道合成图分析，进一步验证了多通道合成方法的精确度和普遍适用性，及其在暴雨等中尺度强对流天气监测中的重要作用。

参考文献

[I]朱乾根，林锦瑞,寿邵文，等编.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社,2007.
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[3]Lensky   I   M,RosenfeId   D.Clouds-Aerosols-Precipitation   Satellite   Analysis Tool(CAPSAT)[J]. Atmospheric Chemistry and Physics,2008,8:6739-6753.
[4]0.6nm-1.6n.m in convective cells detection[J].Atmospheric Research,2009, 93:270-276.
[5]朱亚平,程周杰，刘健文.一次锋面气旋云系中强对流云团的识别[J].应用气象学报，2009,0(4):428-436.
[6]卢乃锰，吴蓉璋.强对流降水云团的云图特征分析[J].应用气象学报,1997,8(3):269-275.
[7] Brown R A'Lemon L R，Burgess D W.Tornado detection by pulsed Doppler radar[J].MonWeaRev,1978,106:29-38.
[8] Donaldson R J J r.Vortex signature recognition by a Dopplerradar[J].Appl. Meteor., 1970 ,9 ：661-670.
[9]郑媛媛，俞小鼎.一次典型超级单体风暴的多普勒天气雷达观测分析[J].气象学报，2004,62(3):317-328.
[10]王丽荣，杨荣珍，李朝华，等.多普勒雷达三维拼图资料在强对流天气监测中的应用[J].气象与环境学报,2009,25(5): 18-23.