云图定量降水估测研究.doc

江西气象科技
JIANGXI METEOROLOGICAL SCIENCE&TECHNOLOGY
1999年 第22卷 第1期 No.1 1999

云图定量降水估测研究
曹晓岗 何财福 王 欢
提纲:分析了降水的云图特性。找出了与降水关系密切的云顶温度，云顶温度变量及水汽通道灰度等因子。在此基础上建立了云图定量降水的记录模式，于1998年5～8月投入业务试用，效果较好。
关键词：数字云图 定量降水 业务实验
THE STUDY OF ESTIMATING RAIN AMOUNT BY
GEOSTATIONARY SATELLINT IMAGES
Cao Xiaogang He Caifu Wang Huan
(Jiangxi Meteorological Observatory, Nanchang 330046)
Abstract
In this paper，the satellite images character of rainfall is analysed. Some factors being relation to rainfall are found, such as cloud top temperature , variable of cloud top temperature and satellite images for vaper chanel . A model of estimating rain amount from satellite images is made out. The model is used from May to Augest in 1998, the results are quite good at the rainfall estimation.
Keywords: digital images,rainfall estimation,perational experiment
引言
　　静止气象卫星的发展，使得监视天气系统的发展演变更加有效。静止气象卫星资料具有时间和空间分辨率非常高、复盖面广、资料来源可靠，信息可运用率高等诸多优点。因此，它在平常的天气预报业务中，在灾害性天气的监测中，已成为最受重视的信息依据。应用卫星资料估计降水的分布和强度，作为卫星资料应用的一个重要方面也同时发展起来。
在应用实践中，人们早已发现，降水特别是灾害性天气降水现象的发生与云团的活动有着很密切的内在关系。但是，要把云—雨之间的这种内在关系合理地、定量化地描述出来，却是一件很不容易的事。
　　目前， 国内外运用卫星图像资料估计降水的方法，大体有：以Scofield技术[1]为代表的云生命史法和以Ajkin技术[2]为代表的云指数法，云指数法又称“云分类法”。在国内，细致地分析中国的降水特点，运用卫星云图估计强对流降水云团的降水及梅雨降水等均做了大量工作[3][4]。近两年，我台在省局的支持下，开展了定量降水估测研究，本文介绍了其中的部分工作。
1 降水的云图特性
　　卫星重要有红外、可见光、水汽三类云图资料。由于可见光受到白天的限制，所以作定量降水一般用红外及水汽云图资料。近年来人们着重考虑红外云图上云顶亮度温度(Tbb)、亮度温度的时间变化率、不同亮度温度的面积及其时间变化率、降水云中心到云边界的梯度等。6、7微米水汽云图，重要反映700 hPa到200 hPa之间大气中水汽放射的辐射，相应的图像表达对流层中、上层的湿空气和云区，一般是白亮色调表达中高云区，灰的色调表达有大量湿空气区域的低能量辐射，非常暗色调(黑色)表达对流层中、上部为干区。对于700 hPa以下的云区与水汽，在6、7微米水汽图上无法观测到。用云图估计降水一方面必须对产生降水重要云图系统中尺度雨团生消的物理成因清楚了解。
1.1 中尺度云团生消的物理特性
　　中尺度降水云团的生消、发展的不同阶段，其物理特性不同样。研究指出[5]，对流云团的演化可划分为三个基本阶段，即积云阶段、成熟阶段和消散阶段，各阶段的物理特性存在明显的差别。
　　积云阶段：即云团的初生期，重要表现为单个或多个塔状积云( 对流单体)，它们由边界层中的水汽辐合所支持，云中盛行上升气流，只在积云顶和顺切变一侧可发生下沉气流，在云下气层中，通常不会出现明显的降雨。
成熟阶段：此时，多发生对流单体的合并，形成尺度较大的对流系统，其中上升气流和下沉气流结偶同存，上升气流可自下而上贯穿整个对流层，有时可上冲平流层，形成“园顶云”(亦称穿透性云顶)，在对流层顶之下，上升气流向外辐散，在环境切变的顺切变一侧形成前伸的砧状云系(其中盛行下沉气流)，在逆切变一侧，则转成下沉气流，至近地层向外辐散，形成阵风锋，逼迫前方暖湿不稳定空气抬升，输向云团内部，为云团垂直对流的维持和积云新生提供上升气流和水汽补给。降水忽然发生和增强往往是这一阶段的重要特性。
　　消散阶段：云团中开始盛行下沉气流，仅在云团的上层局部区块上维持着弱的对流性上升气流，云体的侧后挟卷加强，云内对流快速减弱，原先形成的“园顶云”完全消失。盛行的下沉气流至近地层，强烈辐散，促使阵风锋远离云区，为阵风锋抬升的暖湿空气，不再为云团提供上升气流和水汽补给，降水明显削弱，甚至消失。
　　云团的降水能力和它的内在物理性状是密切相关的。只有能组织起旺盛、连续的垂直对流运动的成熟发展型云团才易产生和维持强烈的降水，而处在初生和消散阶段的云团不易产生强烈的降水。1.2 中尺度云团的云图特性
1.2.1 积云阶段
　　云顶温度迅速减少，其值≤－16 ℃/h，有一个个小积云团生成，此时云中上升速度很大，故云顶温度下降快。
1.2.2 成熟阶段
　　云顶温度已降得较低，小积云团发展或合并为较大的中尺度云团，云顶温度变化不大或略有减少，在云图上表现为一个或很少几个中尺度云团，此时强垂直上升运动连续，对流活动组织旺盛，易产生强降水。
1.2.3 消散阶段
　　云顶开始升温，云团快速移动或在原云体快速膨胀，云团分裂，此阶段上升气流减弱，下沉运动已在云中心区系统性地加强起来，阻断水汽向上输送，不利于强降水维持。
1.3 强对流云团特性量与降水的关系
1.3.1 云顶温度与降水
　　云团的云顶温度是最直观反映云团降水强度的云图特性量，在降水估计中，无论是云生命史法还是云指数法都直接或间接的以云顶温度为依据进行降水估计。为此我们分析了江西部分测站降水与其相应的云顶温度的关系，得到云顶温度与云团降水强度的关系（见表1），为便于云图的数字资料解决，我们以云顶灰度取代了云顶温度，温度越低灰度越大(GMS－5卫星的灰度与温度换算见表2)。
表1 1小时降水大小与云顶灰度平均值表
RR
无降水
<1 mm
1～2 mm
2～3 mm
>4 mm
云顶灰度
132
148
163
167
172
表2 GMS－5红外通道灰度与温度(℃)对照表
灰度
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
温度
0
－1
－1
－2
－2
－3
－4
－4
－5
－5
－6
－6
－7
－7
－8
－9
－9
－9
－10
－10
……
灰度
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
温度
-37
-38
-39
-40
-41
-42
-43
-44
-45
-46
-47
-48
-49
-50
-51
-52
-53
-54
-55
-56
灰度
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
温度
-56
-58
－59
－60
－61
－62
－64
－65
－66
－68
－69
－71
－72
－74
－75
－77
－79
－81
－82
－84
　　表1是由1996、1997两年1748个时次云图与相应时次降水作出的记录平均值，由表可看到，有无降水的灰度等级是有较大差别的，1 h降水由小雨到暴雨（96 mm/24h）灰度等级是逐渐增大的，但暴雨以上(即≥4 mm/h)的降水其灰度值不再随降水的增大而增大，这也许是由于我们对测站上云顶灰度作了9点平滑，滤去了峰值，因而不能将极大值表达出来的缘故。
1.3.2 云顶温度的变化与云图降水关系
　　我们用两个时次云图云顶温度之差来反映云顶温度的变化。当云团处在生长阶段时，云顶快速降温，即云中上升气流非常强，这时降水刚开始发生，雨团降水强度不强，当云顶温度略有下降或变化不大，且云顶温度已比较低时表白积云已发展到成熟阶段。这时降水强度达最大，当云顶开始增温时，表白中尺度云团已开始走向消亡，降水强度也随之减弱或消失(图略)。
1.3.3 水汽图像与云团降水强度的关系
　　水汽通道灰度对300～400 hPa高空的水汽改变最敏感， 低层水汽的改变对于水汽通道灰度反映不明显。在江西强降水的水汽大部分来自低层。只有对流发展特别旺盛时，水汽输送才干到达较高层次。江西大暴雨的产生一般在副高的西北侧有一条从孟加拉湾伸向长江中下游的水汽羽形成。
2 降水估测模式
2.1 资料解决
　　雨量资料取自铜鼓、武宁、修水及南昌四站1996～1997年5～7月逐日逐小时的降水自记资料，对雨量资料进行了开平方的非线性解决。
　　云图取这两年GMS－5卫星的红外及水汽图资料，对前后1 h的云图作了差值解决，并将这些像数点资料插值到铜鼓、修水、武宁和南昌四个测站的经纬度上空。为保证资料使用的稳定性，我们对云图资料一方面作了9点平滑解决。最后选取的预报因子分别有云顶灰度(即云顶温度)、云顶变温、水汽因子等三个。对云顶灰度和水汽因子，我们也同样作了开平方的非线性解决。同时拟定了有无对流降水的云顶灰度阈值(140)和水汽因子阈值(220)。
样本序列长度为1868个。
2.2 降水估测模式
　　降水估测模式采用线性回归分析方法，分别建立了前1 h降水估计模式，后1 h和后2 h降水预测模式，其方程分别为：
估测前1 h降水方程
y=0.0528＋0.3126x1＋0.1526x2－0.1018x3
这时 s=0.676 R=0.403
预测后1 h方程
y1=0.0726＋0.4576x1＋0.1625x2－0.062x3
s=0.877 R=0.444
预测后2 h降水的方程
y2=0.0431＋0.3502x1＋0.0395x2＋0.0048x3
s=0.671 R=0.429
三方程中　x1: 云顶灰度经减阈值、开平后的值；
　　　　　x2: 前后1 h云顶灰度之差值，即现时云图减前一小时云图，当≥0和<15时为0。其它取绝对值；
　　　　　x3:为水汽图因子减去阈值、开平方后的值。
　　上述方程求出的估测值经平方解决后，即得到降水估测值。
3 业务试用
3.1 1998年汛期试用情况
　　该方法完毕后，于1998年5月1日到8月10日投入业务试用， 能实时给出云图前1 h降水实况估值，后1 h预报值及2 h降水预测值。我们对6月1日到6月29日逐小时预测情况进行了有降水的TS评分，对≥4 mm降水平均强度绝对误差进行了评估，样本为28×24×83个，表3是全省83个测站的平均情况，表中的≥4 mm的样本数涉及空、漏报及预报对的的总数，平均绝对误差，是通过预报与实况的误差绝对值求和，再除以样本数得到。从表3中我们可以看到预测有降水的TS在0.5以上，有一定的可信度，可以给预报人员提供云团哪些地方有降水，哪些地方无降水。1 h 4 mm降水相称于24 h 96 mm的降水，属于暴雨以上量级，该定量降水给出的检查结果表白误差较小，大降水中心的定量预报也是可用的。
表3 降水预测评分表
方法
预测有降水TS
≥4 mm
样本数
绝对平均误差(mm)
1 h预报
0.52
10825
3.9
前1 h估测
0.52
12752
4.1
2 h预报
0.58
25196
5.65
3.2 1998年6月13日02时云图定量降水情况
　　1998年6月13日是“98.6”特强连续暴雨过程降水最集中的一天。6月13日02时在湖南北部和江西北部，有两个中尺度云团(A,B)迅速发展，从云图上难以定出强降水的中心(图略)，但从1 h、2 h预报图上，我们可清楚看出大降水的中心位置(图1 a.b)，在图中我们还分别给出了1 h和2 h的实况降水值，可以看出降水中心与预报值区是比较接近的。

图1  定量降水预报图
（等值线为预报值，数字为实况值）
4 小结
　　1.作云图定量降水必须一方面弄清成云致雨的规律，雨团在云图上的反映，不同阶段云雨团的强弱等等，这样才干有针对性地作定量降水研究。
　　2.我们选用的红外云图云顶温度(灰度)、1 h云图变量因子及水汽图灰度因子，作云图定量降水短时预报，反映云图与雨团的强弱关系，在预报中有一定的可信度，所作的定量降水估测、预报有参考价值。
　　3.云图定量降水还存在一定的误差，归纳引起的因素大体：有记录资料太少，因而受偶尔性影响大；对于各类天气系统影响下的降水，在云图上的表现不同，用同一记录模式会产生误差；用瞬时的云图表达一个小时内的情况还难以反映云的生消变化。此外我们测站降水是几十公里的距离，其间隔之内是无法观测，如降水变化较大，其测站值就不能很好地代表其观测区域的降水等等。
作者单位：江西省气象台 330046
参考文献
1 Scofield R.A.The NESDIS operational convective precipitation estimation technique. Mon. Wea. Rew.1987,115(8):1173～1792
2 Arkin,P.A. and R.Joyce, and J.E.Janowiak.IR techniques:GOES precipitation index. Rem.Sens.Rev.1994
3 肖稳安,方宗义.长江流域梅雨锋的卫星云图特性与降水分析.中国科学院物理研究所集刊第9号.北京,科学出版社,1980,170～178
4 卢乃猛,吴蓉璋.强对流降水云团的云图特性与分析.应用气象学报 ,1997, 8(3):269～275
5 W.R.contron, R.A.Arthes.风暴积云动力学.叶家东等译.北京,气象出版社,1993,491～564