基于FY-4A温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析_覃皓.pdf

书书书第 卷第期 年月 ，气象科技 基于 温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析覃皓黄明策，农孟松韦美闹伍丽泉（广西壮族自治区气象台，南宁 ；广西防城港市气象局暴雨实验室，防城港 ；广西钦州市气象局，钦州 ；广西壮族自治区气象灾害防御技术中心，南宁 ）摘要选取 年月至 年月广西区域内出现强对流天气的时段，将区内个探空站温湿廓线资料以及 数据作为基准检验，分析了 卫星温湿廓线的误差情况，结果表明：无云条件下 温湿度廓线的偏差相对较小。相对于探空数据，质量控制为和的样本均方根误差 范围在 ，总体 为 ，、以及 上误差较小，均小于。与 温度廓线的差异分布与探空结果相近，范围为 ，总体 为 ，以及 上 均小于。无云条件下 湿度廓线总体 为 ，低值区位于 ，平均约为 。在 附近误差最大，可能与干空气入侵导致垂直方向上含水量突变有关。总体而言对流层低层误差较高层小。个例中重构的 图能一定程度上还原大气上下层的温湿结构特征，但对于层结稳定度以及不稳定能量的定量估计还存在一定偏差。经质量控制后的温度数据较好地反映了冷暖空气的活动特征，对于强对流潜势的监测具有很好的提示作用。受云影响时可利用的高质量样本减少，在业务应用时可以尝试利用多源数据进行订正。关键词 ；温湿垂直廓线；检验分析；强对流中图分类号：文献标识码：气象科技广西气象科研计划项目（桂气科 ）、国家自然科学基金项目（）、广西自然科学基金项目（）、钦州科学技术项目（），广西区气象局短临临近天气预报技术创新团队专项共同资助作者简介：覃皓，男，年生，硕士，工程师，主要从事强对流天气预报技术和遥感技术研究应用，：收稿日期：年月日；定稿日期：年 月日通信作者，：引言我国第二代静止轨道气象卫星风云四号（）年 月 日成功发射标志着我国静止轨道气象卫星实现了阶段性的跨越。搭载多通道扫描成像辐射计（，）、闪电成像仪（，）和静止轨道干涉式红外垂直探 测 仪（，）等三台主要光学载荷。的 和 仪器所获取的高时空分辨率大气遥感资料及反演产品，已在天气气候研究和气象业务中得到广泛应用，并展现出广阔的应用前景 。如 等利用数值模式研究了同化 闪电资料对中尺度天气短时降雨预报的影响，发现有雷达资料覆盖的区域同化 闪电资料后，短时降雨预报效果与同化雷达反射率类似，而在内陆复杂山地区雷达资料出现挡角时，同化 闪电资料后，短时降雨预报效果明显得到改善，认为 闪电资料可以作为雷达资料缺失时的一种重要补充。王清平等、王明等利用 的长波红外波段（）和中波红外波段（）分析夜间大雾监测和识别能力，指出识别效果较好，对夜间大雾的识别命中率在 以上。然而 的 及其反演产品的研究和应用主要在反演算法通道优化和模式同化方面 ，而在天气业务上除了在台风过程应用外，在强对流过程中应用还未见涉及。采用了 面阵探测器，通过迈克尔逊干涉分光方式观测不同谱段的红外辐射，在国际上首次实现了大气高光谱垂直探测，可获取我国及周 边 地 区 高 时 空 分 辨 率 的 大 气 温 度、湿 度 廓线，。由 得到的区域合成产品空间分辨率达到 ，时间分辨率达小时级，在国际上处于领先地位。与常规探空不同，卫星能够获取更为高频次的大气温度、湿湿廓线（后面称温湿廓线），这对分析强对流天气发生的潜势条件有很多的优势，对强对流灾害性天气的短时临近预报预警具有重要意义。高精度的定量观测不仅有助于在强对流天气发生前对环境条件进行监测，提前发现极端天气信号，同时还可以通过计算大气不稳定指数了解大气稳定度变化，更好地预测强天气的发生发展。由此可见，卫星的温湿廓线产品将成为强对流监测以及短时临近预报预警的新手段之一。因此，对 卫星温湿廓线产品的精度以及其适用性进行检验分析是十分必要的。本文将选取与实况气球探空相匹配的卫星廓线样本，统计分析卫星廓线与气球探空廓线的差异，并选取典型的强对流过程个例重构探空 图像，计算常用对流参数讨论误差特征和影响，为该产品的使用提供参考。数据和方法 数据来源及匹配方案检验分析中使用的实况廓线选取广西个探空站（百色、河池、桂林、南宁、梧州、北海）的探空资料作为基点（图中黑点）。卫星温湿廓线数据来 源 于 国 家 卫 星 气 象 中 心（：），在卫星目录下的大气温湿廓线（）区域合成产品（分辨率 ）。此外还采用欧洲中心 的温度、湿度再分析资料（分辨率 ），主要用于对比分析卫星廓线不同层次误差。由于探空资料和卫星资料在垂直方向上的分辨率不一致，因此需先将探空和卫星廓线插值到标准层次，分 别 为 、，共 层（湿度廓线垂直方向共 层，只到 ）。在匹配条件设置上，卫星资料与探空资料选取相同时次（北京时 ：和 ：），空间上考虑 资料的分辨率并参考 等 的取样方法，将水平距离偏差设置为 个经纬度（图中黑方框内），在满足上述条件后，收集得到 年月至 年月广西区域出现强对流天气过程的时段中所匹配的廓线样本，其中温度和湿度廓线样本数分别为 和。温度、湿度廓线样本的具体日期见表。图广西探空站点分布（黑点），卫星廓线的空间匹配范围（黑方框内）以及地形高度（填色）表 年月至 年月与探空时间、空间匹配的 卫星温度、湿度廓线个数序号探空日期温度匹配点数湿度匹配点数 合计 分析方法为定量分析卫星廓线与实况探空廓线的差异，引入以下统计参数 ：气象科技第 卷 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）其中，为样本数，为 卫星廓线，为探空廓线。式（）的 为平均绝对误差 （），反映各层次上卫星廓线与探空廓线的差异。式（）的 则为 的标准差 （），反映各层次上平均绝对误差的离散程度，同时 可用来表征误差范围。式（）为均方根误差（），表征卫星廓线与探空廓线间的偏差程度，。此外，在选取样本时，参考前人方法将相当黑体温度（）接近于 近似看作无云的天 空 条件 ，以此作为区分将样本分为无云和多云的天空状况。其中，无云样本主要从强对流区域的下游地区采集。结果分析 温度、湿度廓线产品中还提供了相应的质量标示码，将产品质量控制划分为类：质量标识码，为“”，表示数据质量最优；质量标识码，为“”，表示数据质量较好；质量标识码，为“”，表示数据质量较差；质量标识码，为“”，表示数据质量差，不可利用；质量标识码为“”，即为无效值。表给出无云、多云天空状况下不同质量样本的占比百分率。可以看到产品质量主要以质量和无效值占比较大。温度廓线产品中，质量为的数据在无云的天气条件下占比高达 ，而在有云时占比 骤 降 至 。无 效 值 由 无 云 条 件 下 的 增长至 。湿度产品质量分布也存在类似的特征。质量为的湿度数据在无云的天气条件下 占 比 达 到 ，而 在 有 云 时 占 比 骤 降 至 ，其无效值也从 增长至 。可以看出，有云时 可利用的高质量产品明显减少，有效数据也同样减少。表 温度和湿度廓线中不同质量样本占总样本数的百分比质量质量质量质量无效值温度无云 有云 湿度无云 有云 温度廓线图 显示了 温度廓线各个层次的误差统计结果。从总体样本上看（图），温度整层廓线的 约为 ，其中在 范围内 较小，平均 约为 ，最小值位于 为 。此外，整层廓线的 约为 ，其中 以及 以下的近地面层样本 及其离散度均较大，和 最大分别达到 和 ，其余层次的 约为 ，均小于。将样本区分为无云（占总样本 ）和有云（占总样本 ）两种天气条件，进一步分析廓线偏差情况。在无云的天气条件下（图），整层的 减小到了 左右，其中 两廓线的误差最小，均小于 ，最小值为 。整层廓线的 减小至 ，的离散程度有所改善，但近地面层 仍然较大，最大达到 。在有云的条件下（图），由于衰减作用，整层的 较总体样本（不区分有云无云情况下）增大了一倍，达到 。附近以及近地面层的误差都有明显的加剧，其中 平均 达到 ，最大为 。不仅如此，整层的 增大至 ，最大达到 ，表明云对卫星廓线的反演效果影响显著，。进一步对比总体样本以及在无云、有云条件下两廓线 的情况（图）。对比可以看到在无云的条件下卫星廓线反演精度较高，廓线变化最平稳，的范围为 ，其中低值区在 ，小于。最大值位于近地面层，这与下垫面的影响有关，。在有云的条件下，较大，范围在 ，其中高值区位于 附近以及近地面层，反演精度低。第期覃皓等：基于 温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析图 温度廓线相对于探空廓线的平均绝对误差（黑线，分别为总体、无云、有云，虚线为倍标准差）以及均方根误差（，蓝、绿和红线分别为总体、无云、有云）选取与探空站时次以及空间位置相同的 数据，与 廓线进行匹配，样本分布同表。总体以及无云、有云天气条件下样本的对比结果与图大致相同。总体样本上（图），范围 较小，平均约 。以及 以下的近地面层 及其离散度均较大。在无云条件下（图），整层的 为 左右，误差最小值位于 附近，为 。在有云的条件下（图），整层的 达到 。附近以及近地面层的误差同样都有明显加剧，其中 平均 达到 ，最大为 。总体样本以及无云、有云条件下两廓线 的情况也与图 相近。无云的条件下卫星廓线反演精度最高，的范围为 ，其中低值区同样位于 ，平均 。考虑到获取更多的样本数以及获得完整的垂直廓线，上述样本数据均未做质量控制。以下进一步将质量控制为、以及无效值的样本剔除，仅分析质量较好的质量为和的样本。由于有云天气条件下质量为和的样本较少，因此仅给出无云天气条件下对比结果。可以看到经过质量控制后，和 均有明显的改善（图）。与探空相比，温度廓线总体 约为 ，整层 范围在 ，最大值和最小值分别位于 和 附近。与 温度廓线的差异相对而言较小一些，总体 约为 ，整层 范围在 ，最大值和最小值分别位于 和 附近，与 和探空的差异极值区相近。气象科技第 卷图同图，但为 温度廓线相对于 廓线图 温度廓线相对于探空 和 廓线的平均绝对误差（灰、浅蓝线分别为 廓线相对于探空和 廓线）以及均方根误差 （黑、红线分别为 廓线相对于探空和 廓线）在 方面，与探空相比的 范围为 ，总体 为 ，低值区位于 、以 及 ，均小于，其中最小值位于 。与 相比的 范围为 ，总体 为 ，以及 上 均小于，其中最小值同样位于 。整体上看，与探空以及 的 和 具有大致相同的变化趋势。相较于 与探空而言，与 的 和 及其波动程度均较小，这可能与探空气球上升过程中的水平漂移有关，。通过收集秒级探空资料，得到统计时段内广西个站探空气球上升过程中平均的水平漂移情况（图）。在经向上，探空的漂移距离位于 个纬度范围内，而纬向上探空的水平漂移距离约从 开始超过 个经度，这或许是造成 与探空差异较大以及高层较低层偏第期覃皓等：基于 温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析差增大的原因之一。此外，在未做质量控制前，较小误差的区域位于 附近，而在剔除质量较差样本后误差较小区在 附近，这与未做质量控制前 以下存在较多的无效值样本有关。图垂直方向上探空漂移距离（灰、黑线分别为纬度和经度，虚线为 参考线）湿度廓线从总体样本上看（图，），湿度廓线整层的平均相对误差为 。在对流层低层 ，卫星廓线与探空廓线偏差相对较小，平均相对误差 ，平均 为 。在 以下的近地面层的误差随高度降低逐渐增大，相对误差平均 ，最大达到 。在 误差随高度增大，而在 随高度减小，附近误差达到最大，相对误差达到 ，为 。进一步分析其原因，可能与副热带高压控制下广西上空 常有干空气入侵有关，本研究中存在干入侵的样本数占 ，垂直方向上含水量的突变增大了卫星测量的误差。此外，总体而言对流层低层误差较高层小。进一步分析无云（占总样本 ）和有云（占总样本 ）天气条件的情形。在无云的条件下，两廓线的差异缩小（图，），廓线随高度演变 与 总 体 状 况 相 似，整 层 的 平 均 相 对 误 差 为 。相对误差由 减小至 ，平均 减小至 。附近仍为 相 对 误 差 大 值，误 差 平 均 为 ，平均为 。同样地，对比可见在有云的条件下由于受衰减作用的影响，两廓线的误差进一步增大（图，），整层的平均相对误差增大至 ，从总体样本的 增大至 。其中误差大值区位于 ，平均相对误差高达 ，反演效果较差。类似地，进一步将质量控制为、以及无效值的样本剔除，仅分析无云天气条件下质量较好的质量为和的样本。在质量控制后（图），湿度廓线整层 约为 ，范围在 。其中，最大值依然位于 附近，表明该区域误差与样本本身的质量控制无关，主要还是受干侵入导致的垂直方向上含水量突变影响。在 上，较小，平均约为 ，最小值位于 附近。的波动基本与 同步，其 范 围 为 ，总 体 为 ，低值区位于 ，平均约为 。强对流个例检验为进一步考察卫星廓线在强对流个例热力条件分析中适用性，对比分析在强对流发生前无云天空状态下（强对流区域下游晴空区）卫星与探空的差异。选取的第个个例为 年月日的一次强对流过程，此次过程于日：开始，百色、河池市交界一带有对流单体新生，随后向东偏南方向移动并组织化发展，于日：过境梧州造成短时强降水和雷暴大风。日：，梧州无降水并且 接近于，可近似看作无云的天空条件，因此选取该时次的探空与卫星廓线进行匹配。共有两组符合条件的温湿廓线（图）。第组廓线（图，）中卫星与探空的差异主要表现为对流层中下层温度的高估以及中上层温度的低估，相较而言 的廓线与探空更为贴合（图）。同时，湿度方面主要表现为高估了对流层的水汽，但在对流层中上层其精度较 高（图）。第组廓线（图，）的差异除上述特征外还高估了对流上层以及对流层低层的温度（图），同时低估了近地面层的水汽（图）。气象科技第 卷图在总体、无云、有云情况下 湿度廓线相对于探空廓线的相对误差（）及平均绝对误差（）（虚线为倍标准差）图 温度廓线相对于探空廓线的平均绝对误差（灰线）及均方根误差 （黑线）重构 图（斜温模式）并计算常用的对流参数进一步分析上述差异造成的影响。对比分析发现两组廓线重构的 图均能反映出上干下湿的强对流天气层结特征，但存在细节上的差异。第组廓线体现的湿层较浅薄，同时由于高估了对流层的水汽使得干层的温度露点差比实况偏小得多（图）。此外，在对流参数方面，由于高估近地面层水汽，导致了较低的抬升凝结高度（），气块一经抬升就做湿绝热运动，温度直减率小，进而导致 的高估。而高估对流层中层的温度则导致了指数的低估（表）。第组廓线反映的干湿层分界位置与实况较为一致，但由于高估对流层低层温度造成 值以及指数的高估。低估近地面层水汽使得 较高，近地面层出现虚假的“喇叭口”（图）。表 年月日：由探空以及 廓线计算得到的对流参数探空卫星廓线卫星廓线 （）指数 选取的第个个例为 年月 日的一次短时强降水、冰雹和雷暴大风的强对流过程。第期覃皓等：基于 温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析图 年月日：、与实况探空匹配的温度廓线（、）和湿度廓线（、）（黑、蓝、红实线分别为探空 、廓线；蓝、红虚线分别为 、与探空 的差异）图 年月日：斜温模式下的实况探空（）以及卫星重构的组 图（、）日：，百色无降水并且相当黑体温度（）接近于，同样可近似看作无云的天空条件。此次过程共匹配到两组符合条件的温湿廓线（图）。两组卫星廓线中温度与探空的差异均表现为对 以下（以上）温度的低估（高估），而 更为接近探空（图 、）。湿度方面两组卫星廓线（图 、）主要表现为 以上以及 以下存在对水汽的低估，存在对水汽的高估。两组卫星廓线均较 再分析资料更为贴合实况探空廓线，但第组廓线在 以下存在明显的误差，近地面层水汽平均偏干 。气象科技第 卷图 同图，但为 年月 日：同样地，重构 图并计算 值以及指数。第组廓线由于 以下水汽的负偏差导致出现了虚假的“喇叭口”层结特征（图 ）。低层水汽和温度的低估导致了 值的严重低估，偏高，同时 对水汽的高估对 指数计算有正的贡献（表）。第组廓线重构的情况相对较好，能反映出上干下湿的层结特征以及相近的 高度，对流参数计算也与实况较为接近（表）。主要差异表现为湿层较实况偏厚，低层的对流抑制特征没有得到反映（图 ）。表 年月 日：由探空以及 廓线计算得到的对流参数探空卫星廓线卫星廓线 （）指数 在空间分布上，观测资料的高分辨率对于强对流环境条件的监测以及短临预报同样具有重要意义。受南支槽前暖湿气流和冷空气共同影响，年月 日，广西出现 年以来冰雹影响区域最广的一次强对流天气过程。此次过程中，桂北为冷锋触发的锋面对流，而桂西地区为冷锋前的暖区对流，我们挑选此次过程进一步探讨 卫星资料的适用性。在该个例中，我们将质量控制为、以及无效值的数据剔除。此次过程中，冷空气自北向南渗透。温度数据显示：日：（对流发生前）冷空气前锋已经到达黔桂交界一带，此时桂中至桂南地区温度大于，暖湿空气由中南半岛向北输送至云桂交界一带（图 ）。上述温度分布与 数据（图 ）表现出较好的一致性，温度数据对于此次过程中冷空气以及暖湿气流的活动具有较好的反映。在对流层中层，广西上空 异常偏冷，数据显示 线已南压至桂南沿海一带（图 ），温度数据也体现出了这一特征，只是 线更为偏南（图 ）。第期覃皓等：基于 温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析图 同图，但为 年月 日：图 年月 日：和 的 、温度场（上、下图中黑线分别为 和 等值线，单位：）气象科技第 卷异常偏冷的中层导致温度直减率增大，有利于不稳定层结的建立。温度数据显示：此时云南至广西上空 与 的温差达到了，其中桂西和桂南地区超过了 （图 ）。尽管与 数据（图 ）相比，与 的温差略为偏高，但 线范围较为相符，表明具有较好的热力潜势，有利于短临预报员对强对流落区的把握。此外，南支槽（位于孟加拉湾至中南半岛之间）携带冷空气东移，槽前至桂西一带均处于 负变温区中，其中桂西 负变温达到（图 ），槽前负变温与 温度叠进一步增强对流不稳定。温度数据也较好地反映出这一特征（图 ），这对于桂西暖区对流具有很好的提示作用。图 同图，但为 与 温度差以及 的 变温（上、下图中黑线分别为 和等值线，单位：）结论与讨论选取 年月至 年月广西区域内出现强对流天气的时段，利用区内个探空站温湿廓线资料以及 数据作为基准检验分析了 卫星温湿廓线的误差情况，并进一步选取个例重构探空 图像，计算常用对流参数讨论误差特征和影响，得出以下结论：（）有云时 可利用的高质量产品明显减少，有效数据也同样减少。第期覃皓等：基于 温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析（）晴空无云条件下 温湿廓线的偏差相对较小，经过筛选质量控制为和的样本后，温度廓线相对于探空的 范围在 ，总体 为 ，低值区位于 、以及 ，均小于。与 温度廓线的差异分布与探空结果相近，范围为 ，总体 为 ，以及 上 均小于。此外，与 温度廓线的差异相对而言较小一些，这可能与探空气球上升过程中水平漂移造成的误差有关。（）无 云 条 件 下 湿 度 廓 线 整 层 总 体 为 ，低值区位于 ，平均约为 。在 误差随高度增大，而在 随高度减小，附近误差达到最大，可能与干空气入侵导致垂直方向上含水量突变有关。此外，总体而言对流层低层误差较高层小。（）个例中重构的 图能一定程度上还原大气上下层的温湿结构特征，但对于层结稳定度以及不稳定能量的定量估计还存在一定偏差。在空间分布上，经质量控制后的高分辨率 温度数据较好地反映了冷暖空气的活动特征，对于强对流潜势的监测具有很好的提示作用。卫星廓线为强对流的监测以及短临预报提供了新的观测资料支撑，但有时受云的影响会产生较多的无效值，使得可利用的高质量样本减少，造成一定的不确定性。因此在业务应用时可以尝试择优选取匹配的廓线，并利用地面站资料等多源数据进行订正。参考文献陆风，张晓虎，陈博洋，等风云四号气象卫星成像特性及其应用前景海洋气象学报，（）：王清平 卫星数据可视化及应用气象科技，（）：周云霞，翟丽萍，何珊珊 年 广西靖西市极端暴雨成因及可预报性分析气象研究与应用，（）：林开平，陈伟斌，刘国忠，等广西暴雨业务预报技术回顾与展望气象研究与应用，（）：武冰路，尹泽疆，王萌，等一次后向传播对流风暴特征及传播机制气象科技，（）：，（）：王清平，朱雯娜，王勇，等 资料在乌鲁木齐机场浓雾天气监测中的初步应用气象，（）：王明，刘文婷，陈英英，等 卫星夜间大雾识别及其在高速公路服务应用中的潜力分析暴雨灾害，（）：，（）：，（）：任航 红外水汽通道探测资料在区域模式中的同化应用 南京：南京信息工程大学学位论文，：黄艺伟，刘琼，何敏，等基于探空资料的上海台风季 卫星温度廓线反演精度研究红外，（）：董瑶海风云四号气象卫星及其应用展望上海航天，（）：，（），（）：张鹏，郭强，陈博洋，等，我国风云四号气象卫星与日本 卫星比较分析气象科技进展，（）：张志清，周毓荃，陆风，等 卫星应用和发展上海航天，（）：农孟松，黄荣，黄明策，等广西强对流天气业务与研究进展气象研究与应用，（）：，（）：，（）：，（）：，：气象科技第 卷 廖蜜，张鹏，毕研盟，等风云三号气象卫星掩星大气产品精度的初步检验气象学报，（）：黄艺伟，陈淑仪，何敏，等我国台风高发期东海和南海海区 温度反演廓线精度研究热带气象 学 报，（）：马玉芬，潘红林，张海亮，等大气红外探测器（）资料在塔克拉玛干沙漠的适用性检验与评估干旱区地理，（）：江吉喜，范梅珠，吴晓我国南方持续性暴雨成因的 场分析气象，（）：姚秀萍，刘还珠，赵声蓉利用 资料对西太平洋副热带高压 特 征 的 分 析 和 描 述 高 原 气 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