1、一次雷暴发生发展的水汽图与红外云图特征研究吴彬 1，陈卫峰 1，陈渭民 2，王寅钧 21 湖州市气象局，湖州 3130002 南京信息工程大学，南京 210044摘要:通过 MTSAT 的水汽图和红外云图，结合天气图、NCEP 资料和探空数据对在高空急流影响下的暗区雷暴实例对比分析。研究结果表明：暗区雷暴在卫星云图上表现为经过白天太阳辐射对晴空区(水汽图暗区)近地面加热作用，大气不稳定能量增加，低层的逆温储存了能量，高层处在副热带高空急流左侧辐合下沉区，抑制能量向上输送，但在一定条件下（如：当急锋急流穿过冷锋尾部时） ，午后强雷暴时常发生发展于高空急流左侧的晴空区中；而在水汽图上，高空急流与水
2、汽图上的干区、湿区间有明显的关系，而这些关系又与强雷暴的发生发展有密切关系，是雷暴发生发展的重要条件。根据以上分析与研究，总结性提出了暗区雷暴发生的概念模式：白天晴空区太阳辐射的加热作用使大气不稳定能量增加，成为能量的来源，副热带急流左侧气旋式切变产生中高层辐合下沉气流，储存了能量，而西部冷平流是触发雷暴发生，使得能量释放。这样此类雷暴发生得到了有效的解释，对于今后预报此类天气过程有着重要的意义。关键词：卫星云图，暗区雷暴，高空急流0 引言 雷暴作为一种短时突发性的气象灾害，如何准确的预报强雷暴天气显得有重要意义。仅使用常规气象资料有时很难做出正确判断，有效利用卫星云图可以弥补常规资料的缺陷，
3、预报强对流天气的发生。气象卫星具有高时空分辨率的优点，可以帮助我们加深对大气物理过程的理解，如果将常规资料与卫星资料结合运用，可以有效提高强雷暴预报准确性。强对流天气是低层大气高温高湿条件下、累积在大气低层能量释放的过程，因此预报强对流天气的发生，必须确定这些可以储存不稳定能量的区域 2。6.7 m的水汽图是继可见光、红外云图之后投入到气象业务的一种卫星资料，对它已有很多分析研究工作。郑新江、李献洲利用水汽图分析了中尺度暴雨云团发生的位置、演变及其结构，最后给出了有关预报框图 8。李大山、石定朴等对水汽图像在人工影响天气方面的应用做了深入的研究 9。利用水汽图可以得到大气对流层上层水汽的分布情
4、况。通过确定高水汽梯度区，可以在水汽图像中确定诸如急流和涡度极大值区这样的强斜压区。但是如何将水汽图用于强对流天气分析和预报中无论在国外还是国内还很少。本文通过对2008年5月16日“冷锋尾部发展起来的雹暴云团”分析，并归纳总结出应用卫星云图结合其它观测资料（如全国地闪实时资料、NCEP资料和探空资料）对水汽暗区雷暴进行综合分析的方法，详细分析此种情况下暴雨的发展过程，同时在最后提出了这种天气形势下的概念模型，为以后预报此种雷暴提供了理论依据。1 背景与实况2008 年 5 月 16 日 12UTC（世界时，下同）至 17 日 00UTC 这 12 个小时由西向东，从河南省中部到苏北鲁南的沿海
5、地区在 6 小时内降水量达 20 毫米左右。鲁南的定陶在12：0018：00UTC 6 小时降水量达 32 毫米，费县和郑州 12 小时降水量分别达 24 毫米和 19 毫米。此次降水过程虽然降水量不算很大，但强度较强，持续时间短，突发性局地性强，这样的降水过程同样会造成很大的灾害。16 日 00UTC 地面图上，自黑龙江漠河至河北北部有一冷锋，河南处在低压前部。200hpa 图上，郑州地区位于高空槽后的副热带急流左侧，中高层气流辐合下沉明显，西北风很大，风速达到 40m/s，在其西北部有一冷中心，导致高空存在强的冷平流。500hpa 高空图上，中高纬为两槽一脊型。河南省中部有一短槽，槽后西北
6、冷平流明显。在 700hpa 图上河南西部有一短波槽，成东北西南走向，有气旋式切变，且暖平流明显。从 850hpa 图上可以看到郑州西南侧有一闭合暖中心，风向与等温线几乎垂直，温度梯度十分明显。河南西部存在低槽，郑州处在低槽前部，副热带高压西北侧，有强烈的西南暖湿气流输送，这为 16 日这次雷暴过程提供了有利的动力和热力条件。2 大尺度红外云图和水汽图分析 2.1 资料与数据处理利用 2008 年 5 月 16 日 FY-2、MTSAT- 卫星资料和天气数据，为了便于分析，对此进行了天气资料与卫星云图的迭加等处理，计算和分析了散度场、温湿度场及风场等物理参数的分布特征。2.2 红外云图分析图
7、2 为 2008 年 5 月 16 日 00 时的红外云图，左图叠加了地面气压场，右图叠有500hpa 等高线，从图中看到：在贝加尔湖以东有一高空冷涡，与其相联的冷锋云带 A 位于其前方从漠河兴安盟呼和浩特一线。内蒙古西部和甘肃一带有与极锋急流 J1 相联的卷云 C，卷云线的方向与高空风向大致平行，细长卷云线表明高空西北风很大，垂直切变明显，云线指向其东南处晴空 B 区域。晴空区域 B 处在冷锋云带尾部的前方，副热带急流 J2 左侧，色调较黑，基本属于无云或少云区。图 1. MTSAT-1R 2008.5.16 UTC00:00 观测的红外云图()a()b图 1（a ） 、 （b）分别为 UT
8、C 1600 时地面天气图与红外云图的叠加图和 500hpa 天气图与红外云图的 叠加图注：图 1（a ）中， H、L 分别为高、低压中心，白色实线为等压线，A：冷锋云带，B:暗区，C: 中纬度急流云系，D:副热带急流云系，J1 、J2 为急流轴；图 1（b）中，白色实线为 500hpa 上等高线，白线虚线为等温线，C：冷中心、L ：低压中心 2.3 由水汽图分析强对流云系形成的条件水汽图像对于确定 MCS（中尺度对流系统）有一定的帮助，可以用于识别伴随这急流的干空气区 7。 在水汽图像上，水汽分布是大气对流层是上部大气运动的结果，它是由大气水平运动和垂直运动两者造成的。在高空急流的左侧附近，
9、高空气流呈气旋性切变，对流层上部为下沉气流，伴随气流下沉，上层水汽向下输送到低层，使得上层水汽减少，下层水汽增多，表现为暗黑的干区。研究发现，雷暴的发生发展经常出现在水汽图上高空急流左侧的暗区中，暗区对应着水汽图上的干区，能量在这一区域可以得到有效的储存，在一定的触发条件下，不稳定能量释放，强对流天气出现。图 2 MTSAT-1R 2008.5.16 UTC00:00 和 12:00 观测的水汽图（a） 、 （b）分别为：1600UTC 水汽图与 500hpa 的叠加图和 1612UTC 水汽图与地面气压场的叠加图注：在图 2（a）中， C：冷中心，W：暖中心，L：低压中心，J 1 、J 2
10、：为急流轴，白色实线：500hpa 等高线，黑色虚线：等温线；图 2（b）中，L：低压中心 H：高压中心在图 2(a)中我们可以看到，在 A 处有一块广阔的暗区，形成的主要原因是该区域处在高空槽后的西北冷平流中，高空形成下沉气流，水汽减少，色调变暗，形成暗区。箭头 J1和 J2 大致标出了极锋急流和副热带急流的位置，它们的位置恰好与水汽图上高水汽梯度区C 和 D 相向对应。在急流轴的右侧是高空辐散区域，气流上升，高空湿度较大，在水汽图上表现为卷云带，细长的云线基本与高空风向一致，并且可以看到副热带急流轴处于反气旋性弯曲的地方 E，由于上升运动强烈，云系白亮稠密，处于气旋性弯曲的地方 F，上升运
11、动弱，云带窄而灰暗稀薄；在急流轴的左侧是高空的辐合区域，气流下沉，高空湿度较小，在水汽图上表现为沿着副热带急流轴左侧一条宽约一个纬距的从我国中原地区到淮河流域直至东海上空有一长数千公里的带状暗区 B。带状暗区的形成通常和冷空气的活动有关，其形成的主要原因是冷平流带来大量的干()a()b冷空气，引起对流层及高层的空气辐合下沉，出现强风速垂直切变，产生湍流运动。从天气图上来看（图略） ，带状暗区形成于高空 500pha 槽后脊前的下沉气流中，对应在地面图上，暗区位于高压的底部，有偏东气流，高层有冷低压中心引起空气的辐合上升，同时在低层有高压中心引起空气的辐散下沉，整体上气层有下沉运动的趋势，有利于
12、带状暗区的形成。图 2（b）是 1612UTC 雷暴发生时的水汽图与地面叠加图，我们发现雷暴发生的中心区域恰恰是带状暗区以北的区域 A，这一区域是暗区向水汽区过渡的区域，对应红外云图也是晴空无云区。由于有水汽的地方不一定有云的存在，这一区域在红外云图上没有表现，却可在水汽图上看到，水汽图上表现的水汽分布比红外云图更加完整。存在于晴空区的水汽，作为一种温室气体，有良好的储存能量的作用，使得能量不至于快速散失，为雷暴的最终发生起到很重要的作用。2.4 水汽暗区与高层散度场、高低空温湿场间关系分析2.4.1 暗区中高空散度场的分析水汽图上的暗区往往与中高层高空的辐合和辐散有一定的对应关系。水汽图上表
13、现为暗黑区与对流层中上部的干区相联系，水汽少（干）的区域与大气辐合下沉运动相联系，一方面下沉运动使大气下层增温，同时它又抑制下层能量向上输送，使低层大气能量持续积蓄，图 3(a)和图 3(b)为 2008 年 5 月 16 日的河南山东苏北地区暴雨时的高空 300hpa 辐合辐散图。根据卫星云图的检测，我们发现此次雷暴发生的时间大约是 5 月 16 日 3:00UTC，最先出现在陕西南部。从图 3(a)中我们可以清晰的看到副热带高空急流左侧暗区中高空气流辐合下沉，其区域形成一个东西走向的条带 A，这一区域在彩图中为冷色调，数值在-30* E-6/s 至-20* E-6/s 之间，中心辐合强度达
14、到-30*10E-6 /s；而在副热带高空急流右侧高空气流辐散上升，形成一个西北- 东南走向的条带 B，为暖色调；而急流恰处在二者之间这一梯度变化明显的地方。在辐散区里，E106 N30附近急流右侧高空辐散最为明显，极值达到 50*10E-6/s，这与从云图上分析发现该处左侧急流轴成反气旋性弯曲，上升运动强烈，云系稠密，高空辐散强烈的结论吻合。六小时以后的图 3(b)上随着上一次降水过程云系的消散，高空这一辐合区范围扩大到整个暗区 A（晴空区） ；同时在急流右侧区域 B 高空气流辐散上升明显，彩图上一黄色为主，中心区域达到 30*10E-6/s 以上。(a) 200805160000UTC (
15、b) 200805160600UTC图 3 高空 300hpa 辐合辐散场(正值表示辐合，负值表示辐散，单位:10E-6/s)2.4.2 暗区中大气低层和高层的温度和湿度分析笔者选择郑州的探空曲线和探空数据来加以分析。由郑州 2008 年 5 月 16 日 00UTC时的温度和相对湿度的曲线图（如图 4 所示）可以发现，低层（850hpa 以下）相对湿度较大，一般都在 60%以上，并且低层大于 900hpa 存在逆温层，随着太阳辐射增强，几个小时之后逆温将进一步加强，这为雷暴发生带来了充足的能量来源。而高层大气相对湿度明显小得多，小于 500hpa 的高空相对湿度只有 10%左右。将雷暴发生前
16、的高低层温度和露点温度差画成填色图（如图 5 所示） ，发现在暗区附近，低层存在一相对湿度梯度极大的区域，大致在 N34 一线，南北的干湿中心区域分别为 T-Td20C 和 T-Td15C，这与高空西北冷平流相联系。以上结果表明，低层逆温使得暗区不稳定能量可以得到有效蓄积，出现对流潜在不稳定， “上干下湿”的水汽分布有利于雷暴发生发展。图 4 郑州大气温度和相对湿度廓线图（下横坐标为温度（单位：C ） ，上横坐标为相对湿度（单位：% ）,纵坐标为气压(单位：hpa)，虚线为温度廓线，实线为相对湿度廓线）()a()b图 5 2008051600UTC 的温度和露点温度差的填色图 (a)：850h
17、pa 温度与露点温度差，(b) ：250hpa 温度与露点温度差 3 雷暴发生前的条件以及物理成因3.1 能量分析本例中雷暴发生区域(也就是发生前的暗区 )从 1600UTC 到 1606UTC 一直处于晴空少云的状态下，短波太阳辐射从大气顶到达地面有较高的透过率，地面吸收太阳辐射增温明显，并发出长波辐射被低层大气吸收，使得高空由于强冷平流爆发产生的对流有效势能(CAPE)可以蓄积。由于这种辐射能来自太阳，有着明显的日变化，因此由这种原因引起的强对流也有着明显的日变化。同时具有气旋式切变的副热带急流左侧辐合下沉明显，下沉运动抑制能量向上输送，能量得到有效储存。气层的潜在不稳定型是雷暴将要发生的
18、先决条件。3.2 水汽条件分析伴随大气运动的能量输送，副热带高压西侧的偏南暖湿气流将低纬度的能量向中纬度地区输送，这种能量通常到达副高北侧、副热带锋区南侧，它与低层大气环流持续时间和输送能量的风速强度和方向有关。在本例中，在低层，郑州处于低压槽前，副热带高压西北侧，有强烈的西南暖湿气流输送。3.3 触发机制从图 6 中可以看到，从中国西南部到中原地区有一假相当位温脊，与雷暴发生区域（河南、江苏北部和山东西部）基本一致，可见这一区域低层已经出现高温高湿的状态。在 N 34 附近梯度明显，其走向与高压西北侧的水汽通道大致一致， 说明雷暴发生有良好的水汽输送。12 小时以后 200hpa 的风场再这
19、一区域基本以西北冷平流为主，恰好触发这一区域的潜在不稳定。水汽图像上干区表明大气中层干燥。由于 6.7m 传感器的主要响应是 400300hpa，所以水汽图上色调很深的区域表明从对流层顶到 700hpa 左右都非常干燥。一旦高层冷平流的爆发，伴随高空冷平流爆发的是高空急流，当高空急流穿越至大气低层高温高湿的上方，()a()b整层大气会具有高度潜在不稳定，一旦受到抬升，对流突然爆发；由于强高空急流风速大它可以穿越等高线，破坏地转平衡，高层气流从冷的一侧到暖湿层上方的一侧，导致大气不稳定，对流发生。图 6 12UTC 200hpa 风场和 00UTC 850hpa 假相当位温的叠加图4 概念模式（
20、根据以上分析给出概念模型）根据上面分析与总结，笔者提出如图 7 为这类的概念模式，图中雹暴云团位于高空急流的左侧、冷锋的前方，云团呈椭圆型，在冷锋后有高空急流指向冷锋尾部处。在此概念模型中，白天晴空区太阳辐射的加热作用使大气不稳定能量增加，成为能量的来源，副热带急流左侧气旋式切变产生中高层辐合下沉气流，储存了能量，而西部冷平流是触发雷暴发生，使得能量释放。这样此类雷暴发生得到了有效的解释，对于今后预报此类天气过程很有意义的。图 7 暗区雷暴发生的概念模式5 结论与讨论通过对 2008 年 5 月 16 日发生在副热带高空急流左侧水汽图上的暗区雷暴的分析，可以得到如下结论：（1）雷暴的发生发展经
21、常出现在水汽图上高空急流左侧的暗区中，暗区对应着水汽图上的干区，能量在这一区域可以得到有效的储存，在一定的触发条件下，不稳定能量释放，强对流天气出现。水汽是大气中的重要温室气体，水汽含量大的区域，大气低层的增温较水汽少的区域大。（2）白天太阳辐射对大气低层加热，大气不稳定能量增加，低层的逆温储存了能量。高层处在副热带高空急流左侧辐合下沉区，抑制能量向上输送。而当急锋急流穿过冷锋尾部触发了不稳定能量，强雷暴发生。（3）在高空辐合辐散图上，在雷暴发生前，后来发生强雷暴区域高空是一辐合区，位于高空急流左侧，在急流右侧是辐散区。（4）雷暴发生区域的垂直湿度分布是“上干下湿” ，高空以下沉气流为主，所以
22、湿度较小，而低层处于副热带高压西北侧，有强烈的西南暖湿气流输送，湿度较大。（5）此次雷暴发展的过程表现为对流云团的前向发展型。云系呈同具有明显长轴的椭圆形，云型表明高空风的垂直切变很大，强暴雹云团生成，有冰雹大风天气出现。参考文献1 陈渭民.卫星气象学M. 北京: 气象出版社.2003. 3553622 朱乾根，林锦瑞，寿绍文等.天气学原理和方法( 修订本) M.北京:气象出版社.2005. 422436 3 许健民，杨军.风云二号 C 卫星产品应用研究论文集C.北京:气象出版社.2007.3145.4 刘健文，郭虎，李耀东等.天气分析预报物理量计算基础 M.北京: 气象出版社.2005.5
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