1、應(yīng)用衛(wèi)星資料分析和監(jiān)測(cè)中尺度對(duì)流系統(tǒng),方宗義 2011年3月,1，中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的一般知識(shí)2，強(qiáng)對(duì)流天氣的物理概念模型3，強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的衛(wèi)星云圖特征4，中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）的傳播5，強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例的衛(wèi)星云圖分析,主要內(nèi)容,中尺度對(duì)流天氣一般知識(shí),水平尺度：25-250km（中尺度） 空間范圍：整個(gè)對(duì)流層（甚至平流層下 部）水平速度V和垂直速度W相當(dāng) 時(shí)間尺度：分鐘-小時(shí) 靜力平衡不再適用，重力加速度是制約大氣運(yùn)動(dòng)的重要物理因子,中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)發(fā)生的大尺度天氣學(xué)條件,上世 紀(jì)四 十年,豐富的水汽 條件不穩(wěn)定 的大 氣層結(jié) 抬升氣塊到 凝結(jié)高度的 啟動(dòng)機(jī)制,此后 研究 工作 的歸 納

2、,位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)并有逆溫 層 低層有濕舌或強(qiáng)水汽輻合 有觸發(fā)不穩(wěn)定釋放的機(jī)制 （低空 輻合、重力波、密 度流、地形強(qiáng) 迫抬升、下墊面不均勻加熱） 高低空急流（常有） 強(qiáng)的風(fēng)垂直切變 中層的干冷空氣侵入,代,強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的物理?xiàng)l件及作用（引自高等天氣學(xué)）,強(qiáng) 風(fēng) 暴 發(fā) 生 發(fā) 展 的 條 件,基 本 條 件,轉(zhuǎn) 換 條 件,增 強(qiáng) 條 件,水汽條件（低空急流，濕舌等） 位勢(shì)不穩(wěn)定條件（ ） 上升運(yùn)動(dòng)（低空急流，低空輻合、 邊界非均勻加熱、重力波、密度流、 弧狀云線、海陸風(fēng)、地形等）,生命期短的雷暴或強(qiáng)雷暴,強(qiáng)垂直切變（2.010-3s-1）長(zhǎng)生命期風(fēng)暴或強(qiáng)風(fēng)暴,高空輻散（高空急流出口區(qū)左側(cè)

3、地形）,長(zhǎng)生命期的強(qiáng)風(fēng)暴,2，強(qiáng)對(duì)流天氣的物理概念模型,多對(duì)流單體風(fēng)暴模型,多對(duì)流單體風(fēng)暴模型,雷暴高壓和尾低壓及其流場(chǎng)圖,三維流場(chǎng)和地面雷暴高壓圖,弧狀云線及其模型,5.4 弧形云線和陸龍卷、颮線,3，強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的衛(wèi)星云圖特征,MCS分類及基本特征,MCS定義和分類 IR云圖上，云頂亮溫TBB-52且展現(xiàn)出持續(xù)、密合（coherent）結(jié)構(gòu)的云系稱之為MCS（Israel L. Jirak, 2000）。 表 MCSs分類表,l MCCMesoscale Convective Complex ，中尺度對(duì)流復(fù)合體 l PECS Persistent Elongated Convective

4、 System， 持續(xù)拉長(zhǎng)狀對(duì)流系統(tǒng),Jirak（2000）按以上分類，統(tǒng)計(jì)和分析了美國(guó)19961998年48月的全部465個(gè)MCSs，發(fā)現(xiàn)：PECS十分活躍（187個(gè)），遠(yuǎn)比MCC（111個(gè)）多，造成的降水也很強(qiáng)，平均最大面積也比MCC大；MMCC（71個(gè)）也較活躍，面積雖比MCC小一個(gè)量級(jí)，但降水仍十分劇烈；MPECS（96個(gè)）雖只有PECS的一半，但其平均最大面積也比MMCC ，降水也很強(qiáng)；PECS和MPECS個(gè)數(shù)之和（285個(gè)）占MCS的60%以上，可見它們非?；钴S和非常重要。在分析它們特征時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)考慮-52，-58，-64，-70所包圍的云區(qū)面積變化。 過(guò)去20多年中，許多人對(duì)MC

5、C作了大量分析研究，然而它只是MCS中最為典型的一種。現(xiàn)在這種分類，較為詳細(xì)的分解了MCS，這對(duì)研究和認(rèn)識(shí)MCS各類系統(tǒng)的形成和發(fā)展機(jī)理、三維結(jié)構(gòu)、移動(dòng)和傳播等關(guān)鍵問(wèn)題很重要，十分有利于改進(jìn)和提高暴雨和強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)水平。這一分類方法，在美國(guó)已普遍采用，已連續(xù)有多篇論文展示了研究結(jié)果。,主要結(jié)果,1、衛(wèi)星云頂TBB分析顯示 PECS是面積最大和最常見的一種MCS，最可能伴隨強(qiáng)天氣； 較冷TBB區(qū)比較暖部分先達(dá)到最大面積； （選用-52C、-58C 、-64C 、-70C面積區(qū)比較） MCS增長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)于減弱時(shí)間。 2、雷達(dá)、衛(wèi)星分析顯示 MCS平均降水率，在其生命史初期階段達(dá)到峰值； 隨著MC

6、S面積增大，平均降水率減小指示著層狀降水增大； 容積式降水率與-52C區(qū)幾乎同時(shí)達(dá)到峰值，但在雨區(qū)達(dá)到最大面積之前約1h； MPECS、MMCC趨于形成在最穩(wěn)定的大氣環(huán)境中，是伴隨強(qiáng)對(duì)流天氣可能性最小的MCS； 多個(gè)對(duì)流單體（云團(tuán)）合并發(fā)展成的MCS遠(yuǎn)強(qiáng)于單個(gè)云團(tuán)發(fā)展出的MCS，尤其是線狀排列的對(duì)流單體發(fā)展出的MCS，體積、壽命、強(qiáng)度、降雨效率均更強(qiáng)。,2002.7.3.15BT 遼寧強(qiáng)對(duì)流云團(tuán),圖16.9-1 2009年6月14日1000UTC可見光圖像,圖16.9-2 雷暴云示意圖（1998 Wadsworth Publishing Company/ITP）,圖16.9-3 2009年6月

7、14日0930UTC FY-2C可見光圖像,1，強(qiáng)對(duì)流天氣分析 典型的強(qiáng)對(duì)流云型特征,弧狀云邊界,上沖云頂,典型的強(qiáng)對(duì)流云型特征,MCS發(fā)展演變的階段和特點(diǎn),發(fā)展增長(zhǎng)階段 冷云頂膨脹； 云頂溫度迅速降低 成熟階段 有新單體在原來(lái)的地方出現(xiàn)，呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)； 在系統(tǒng)上風(fēng)方也許有新對(duì)流發(fā)展的跡象。 消散階段 最冷的云頂變暖； 云罩解體 云砧與母體分離并向下風(fēng)方散去。,4， 中尺度系統(tǒng)的特點(diǎn)、移動(dòng)和傳播,MCS的演變、移向和移速預(yù)報(bào)，是對(duì)業(yè)務(wù)氣象人員的最大挑戰(zhàn)之一，也是MCS研究中三個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題(形成和發(fā)展、移動(dòng)和傳播、三維結(jié)構(gòu))之一。在大多數(shù)情況下，MCS的傳播對(duì)其移動(dòng)起著支配作用。傳播類型（向前或向

8、后）常常決定著MCS的降水量。雷暴移動(dòng)中的傳播現(xiàn)象，表現(xiàn)為在其上升運(yùn)動(dòng)一側(cè)（通常在其右或右后側(cè)）有新對(duì)流單體發(fā)展。傳播的發(fā)生，是由于風(fēng)暴與具有潛在浮力能量和濕輻合環(huán)境相互作用。,雷暴傳播的兩種常規(guī)類型,連續(xù)傳播（Browning, 1964) 新近形成的單體和與它們相聯(lián)系的上升氣流，連續(xù)地為現(xiàn)存風(fēng)暴供給主要上升氣流，而不是提供給新單體增長(zhǎng)，其結(jié)果導(dǎo)致這些風(fēng)暴連續(xù)傳播。 不連續(xù)傳播 該傳播型包含邊界層中增強(qiáng)的輻合產(chǎn)生的新單體發(fā)展，風(fēng)暴主體下沉氣流的增強(qiáng)輻合。新單體通常在離主風(fēng)暴410km處形成，然后與主雷暴合并，并且使主風(fēng)暴面積增大。這種傳播發(fā)生在一系列的分離步驟中，且每一步都與新單體的形成相聯(lián)

9、系。這種傳播對(duì)風(fēng)暴的移動(dòng)可以產(chǎn)生重要影響，通常造成風(fēng)暴復(fù)合體在這些單體的右側(cè)移動(dòng)，同時(shí)觀測(cè)到這些單體隨著對(duì)流層中的平均風(fēng)移動(dòng)。,由于新生單體的形成和發(fā)展，衛(wèi)星觀測(cè)到的風(fēng)暴傳播涉及MCS最活躍的對(duì)流部分或邊緣的位移。衛(wèi)星觀測(cè)到的風(fēng)暴傳播具有下述一個(gè)或多個(gè)特征： a)新形成的單體展現(xiàn)出連續(xù)地供給MCS主體，這類似于上述連續(xù)傳播的常規(guī)型； b)一系列新生單體在MCS主體周圍附近形成和生長(zhǎng)，并最終并入MCS中，這類似于分離傳播的常規(guī)型； c)兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的相互合并形成一個(gè)強(qiáng)對(duì)流區(qū)，它發(fā)生在一個(gè)MCS向前傳播和另一個(gè)MCS向后傳播而出現(xiàn)二者合并的情況下。,5.3.4各種傳播云圖個(gè)例,圖5.3.4 MC

10、S連續(xù)傳播（1類） （也可以劃分為右移或向前傳播的MCS）,圖5.3.5 MCS有界傳播（2類） （也可劃分為反向或向后傳播的MCS）,圖5.3.6 MCS有界傳播（2類）（兩個(gè)相互獨(dú)立的MCSs合并）,圖5.3.7 MCS向前傳播,圖5.3.8 MCS向后傳播,5，強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例的衛(wèi)星云圖分析,1993年5月5日甘肅金昌干颮線引起的強(qiáng)沙塵暴 2007年7月3日發(fā)生在皖蘇地區(qū)龍卷風(fēng)的母體強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)初步分析 2009年6月3日發(fā)生在河南、安徽、江蘇等地的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)分析,1993年5月5日甘肅金昌干颮線引起的強(qiáng)沙塵暴,1993年5月5日 金昌沙塵暴監(jiān)測(cè),1993年5月5日NOAA-1

11、1衛(wèi)星的 1、2、4通道合成圖,鋒前颮線云型發(fā)展演變素描圖,2007年7月發(fā)生在皖蘇北部龍卷風(fēng)母體強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的初步分析,方宗義 曹治強(qiáng) 方 翔 (國(guó)家衛(wèi)星氣象中心）,主要內(nèi)容,1. 龍卷風(fēng)天氣實(shí)況和災(zāi)情 2. 龍卷風(fēng)發(fā)生的天氣尺度背景狀況 3. 中尺度對(duì)流云帶的發(fā)展和演變 4. 中尺度云帶上的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)和龍卷風(fēng),發(fā)生時(shí)間:7月3日0840-0930UTC,江蘇:死亡7人,傷84人 安徽:死亡7人,傷98人 死亡大牲畜:2344頭,中尺度云帶如何產(chǎn)生中尺度云帶的活動(dòng)與演變中尺度云帶上的云團(tuán)活動(dòng)與演變,龍卷風(fēng)發(fā)生,2.2 天氣尺度切變線云帶上迭加的兩個(gè)短波槽云系,03 00z 500hPa,0

12、3 00z 850hPa,ii1 0000z,IR3 0000z,IR1 0000z,2.3 大氣的溫濕結(jié)構(gòu)和演變,MTSAT 2007070302,MTSAT 2007070308,MTSAT 2007070308,3. 兩個(gè)短波槽云系之間的中尺度對(duì)流云帶發(fā)展（2007年7月3日04000700Z衛(wèi)星觀測(cè)圖像）,0400z IR1,VIS,IR3,0730z IR1,VIS,IR3,4. 對(duì)流云帶的移動(dòng)和云帶上云團(tuán)的 活動(dòng) 切變線云帶的移動(dòng)與演變 強(qiáng)對(duì)流云帶（颮線）的移動(dòng)與演變 3日0730-1000Z的衛(wèi)星觀測(cè)圖像,云團(tuán)交匯處產(chǎn)生更強(qiáng)的對(duì)流龍卷風(fēng),結(jié)論和討論,1. 低層梅雨鋒切變線與高空短

13、波槽在垂直方向上的迭加為中尺度強(qiáng)對(duì)流云帶的發(fā)展提供了動(dòng)力和熱力條件； 2. 兩條中尺度對(duì)流云帶及其上的對(duì)流云團(tuán)的不同移向和移速,導(dǎo)致了云團(tuán)之間的相交與合并； 3. 在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下,在云團(tuán)合并或交處會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的對(duì)流云團(tuán)，并成為龍卷風(fēng)的母體； 4. 短時(shí)間間隔的靜止衛(wèi)星圖像并配合多普勒雷達(dá)觀測(cè)，能夠監(jiān)測(cè)到中尺度強(qiáng)對(duì)流云帶的形成演變及其上強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的活動(dòng)，為冰雹、龍卷等中尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供了可能.,2009年6月3日山西、河南、安徽強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)分析,方翔、覃丹宇、張小玲等,內(nèi)容提要,三次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程回顧 強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的大尺度環(huán)境場(chǎng)特征 強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的中尺度云團(tuán)發(fā)展演變特征 （弧

14、狀云線的形成、移動(dòng)、相交和發(fā)展） 結(jié)論,2009年6月三次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的MCSs活動(dòng)情況,這幾次過(guò)程，主要影響系統(tǒng)為中尺度對(duì)流系統(tǒng)，生命史較短。由于高空為西北氣流控制，這些MCS傾向于偏南移動(dòng),強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)特征,高空形勢(shì)場(chǎng)特征 （衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)和水汽圖分析） 地面形勢(shì)場(chǎng)特征,三次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程回顧6月3日強(qiáng)對(duì)流過(guò)程,一天氣實(shí)況,雷暴大風(fēng)為主的強(qiáng)對(duì)流天氣：華北南部、黃淮（河南、蘇皖北部）,19:50左右超級(jí)單體在河南組織發(fā)展為颮線 21:00左右在商丘境內(nèi)發(fā)展到最強(qiáng)。 20:3023：00 颮線掃過(guò)商丘，寧陵、睢縣9-10級(jí)大風(fēng)， 永城縣11級(jí)大風(fēng)。,六月三日 強(qiáng)對(duì)流過(guò)程（衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)與水汽云圖疊加）,2

15、009年6月3日11:30(北京時(shí)）,高空形勢(shì)場(chǎng)特征 東北冷渦后部西北氣流中有短波槽向南滑落（水汽圖中暗區(qū)）。 水汽圖中的暗區(qū)對(duì)應(yīng)著干冷空氣的下沉運(yùn)動(dòng)（干侵入）。 西北氣流中，短波槽前高層氣流的方向轉(zhuǎn)折，在高空形成輻散，有利于抬升運(yùn)動(dòng)。,2009年6月4日01:30(北京時(shí)）,對(duì)流發(fā)展旺盛階段，除風(fēng)向輻散外，同時(shí)出現(xiàn)了風(fēng)速輻散,6月3日20-23時(shí)監(jiān)測(cè)的大風(fēng)實(shí)況（重要天氣報(bào)）,河南省,6月3-4日雷暴大風(fēng)分布圖,29m/s 亳州21:00,6月3日過(guò)程,位溫垂直剖面,30C,26-27C,變溫進(jìn)一步加大,6月3日 過(guò)程,2009-06-03 過(guò)程,1300 (北京時(shí)）,1330 (北京時(shí)）,1

16、400 (北京時(shí)）,1430 (北京時(shí)）,1500 (北京時(shí)）,1530 (北京時(shí)）,1600 (北京時(shí)）,初始階段，山西、陜西中部有對(duì)流云簇,對(duì)流云簇開始組織形成颮線，外流邊界互相交,颮線南移進(jìn)入河南，對(duì)流云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展到強(qiáng)盛階段,對(duì)流云團(tuán)進(jìn)一步向東南方向移動(dòng)，高層出現(xiàn)強(qiáng)烈的輻散氣流,20r05 產(chǎn)品演變動(dòng)畫 范圍460km,商丘雷達(dá)0.5仰角反射率：14:02-4:02,18:00 河南新風(fēng)暴產(chǎn)生 19:50 颮線形成 20:30 陣鋒風(fēng) 下?lián)舯┝?大風(fēng),19:55 颮線,0.5,3.4,3.4,0.5,21:26陣風(fēng)鋒商丘地面大風(fēng),0.5,0.5,3.4,3.4,23:04 形如錮囚鋒,

17、0.5,0.5,3.4,3.4,5月30日-6月2日08時(shí)500 hPa天氣圖,5月30日-6月日14時(shí)地面氣溫,5月29日-6月6日14時(shí)CAPE,5月29日-6月6日08時(shí)Td,6月日08時(shí)徐州探空,6月日20時(shí)徐州探空,強(qiáng)對(duì)流特征物理量,6/2/08,6/2/20,6/3/20,500 -15oC線冷空氣,500切變線,850切變線,850干線,850 20oC線,干暖,濕冷,6月3日20時(shí)H500, V850,月日地面中尺度綜合分析,14時(shí),17時(shí),20時(shí),23時(shí),干線,輻合線,3h 變壓,等壓線,月日14時(shí)-4日 02逐小時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)演變,19r05+27v05 230km范圍,20:

18、50-23:00 陣風(fēng)鋒 21:00-22:30 強(qiáng)水平風(fēng)切變 推測(cè)：下?lián)舯┝鳎―ownbust） 造成大風(fēng),超級(jí)單體引起的下級(jí)暴流模型,干冷環(huán)境空氣,暖濕,Tv-T 10oC,SE,NW,商丘14時(shí),商丘 21:06 時(shí)0.5o仰角,200hPa PV,成因結(jié)論,1 前期東北冷渦活躍和華北持續(xù)高溫為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生積累了大量不穩(wěn)定能量。 2 隨著水汽條件的改善，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的有利環(huán)境場(chǎng)條件建立。 3受高空冷渦影響對(duì)流層中層干冷的環(huán)境條件和低層的垂直風(fēng)切變可能是產(chǎn)生下?lián)舯┝鳎瑢?dǎo)致災(zāi)害性大風(fēng)的重要原因。 4 局地?zé)釋?duì)流產(chǎn)生的雷暴出流邊界與地面輻合線可能是本次颮線過(guò)程的觸發(fā)機(jī)制,5月30日-6月日14時(shí)地

19、面氣溫,5月29日-6月6日14時(shí)CAPE,5月29日-6月6日08時(shí)Td,中尺度衛(wèi)星特征分析,可見光云圖分析顯示，三次對(duì)流過(guò)程都存在邊界層外流與切變線的碰撞激發(fā)作用。 強(qiáng)風(fēng)發(fā)生在外流邊界附近,6月14日18時(shí),6月5日18時(shí),TBB與地面大風(fēng)疊加圖,結(jié) 論,從高空形勢(shì)看：三次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的大環(huán)流背景均發(fā)生在東北冷渦后部的西北氣流中；仔細(xì)分析，可以看到，西北氣流中存在快速下滑的短波槽，在水汽圖像上伴有明顯的暗區(qū)，在槽的底部有急流與之相伴，槽東南側(cè)有明顯的輻散和干侵入；衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)圖上激發(fā)對(duì)流的短波槽可以向前追蹤到對(duì)流發(fā)生前一天。 從低空形勢(shì)看：都存在低空的切變線，切變線北側(cè)有偏東風(fēng)，濕度大。從位溫剖

20、面上，可以看到高空的干的低位溫空氣已經(jīng)侵入到低層暖濕舌的上面，形成上干冷下暖濕的不穩(wěn)定形勢(shì)。 可見光云圖顯示出強(qiáng)對(duì)流單體的上沖云頂、云砧和底部的邊界層外流；邊界層外流與切變線或兩個(gè)邊界層外流的碰撞激發(fā)出更強(qiáng)的對(duì)流。,衛(wèi)星資料在強(qiáng)對(duì)流預(yù)警中的作用,水汽云圖和云導(dǎo)風(fēng)資料結(jié)合可以很好揭示高空形勢(shì)場(chǎng)特征，水汽圖中的暗區(qū)代表著干冷空氣的下沉運(yùn)動(dòng)，暗區(qū)邊界往往與高空急流相伴，其邊界形狀與急流方向一致，在暗區(qū)邊界轉(zhuǎn)折點(diǎn)的東南側(cè)易出現(xiàn)高空輻散，有利于抬升，如遇好的低空條件，對(duì)流將在此發(fā)展。 可見光云圖中的外流邊界是重要的強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)因子，三次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程在云團(tuán)激發(fā)前都出現(xiàn)了外流邊界。外流邊界延長(zhǎng)線與地面輻合線或其它外流邊界的交匯處，易新生對(duì)流。,中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警,制作強(qiáng)天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)圖 應(yīng)用靜止氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)弧狀云線的活動(dòng)與演變 應(yīng)用雷達(dá)回波圖監(jiān)測(cè)團(tuán)狀回波與帶狀回波的活動(dòng)與演變,圖4