引言

2003年6月下旬至7月上旬, 淮河流域出现持续大范围降雨(图 1)。流域内一般雨量达200 ~ 400mm, 合肥及其周边地区达400 ~ 600mm, 成为全国最大的降雨区。虽然, 2003年夏季淮河流域降水量不及1991年, 但6月21日至7月10日这段时间内的降雨量却为历年最大值。由于持续大范围降雨, 淮河上中游干支流水位普遍上涨, 淮河发生了超过1991年的大洪水。

近年来我国关于江淮暴雨研究工作很多^{[1 ~ 3]}, 利用多种卫星遥感定量资料对暴雨与洪水进行了监测与分析, 其中利用风云一号气象卫星提供的OLR (射出长波辐射)资料分析了本次淮河流域大范围降水过程中的一些特点。中国风云一号极轨气象卫星每天可提供2个时次OLR资料(00UTC、12UTC), 空间分辨率为0.05°×0.05°, 覆盖区域为0 ~ 60°N、70 ~ 150°E, 单位W·m^-2。资料日期为6月21日~ 7月10日(其中6月30日、7月6 ~ 7日缺测)。

所使用洋面风场资料来自QuickScat。(Quick Scatterometer, 快速散射计卫星)。QuickScat是一颗海洋科学卫星, 它于1999年6月19日升空, 装备了全天候测量近洋面风速和风向的微波雷达, 可提供海面上空10m处的风向风速。AMSU资料来自NOAA-16卫星, 每天两次覆盖全国, AMSU-B星下点分辨率为15km。

1 淮河暴雨期间OLR资料应用

通过分析逐日降雨量与OLR场发现, 主要雨带与OLR低值区有很好的对应关系, 而OLR高值区对应着主雨带边缘的少雨区。因此利用OLR场可以分析雨带的位置、摆动及水汽输送情况。

1.1 OLR场与雨带的位置

将6月21日~ 7月10日(中间缺少3天)淮河出现大范围强降雨日期的OLR资料做平均, 可以得到暴雨期间的平均OLR场图(图 2, 见彩图附页)。与图 1对比, 可以得到下列结果:OLR值小于170 W·m^-2的区域与20天总雨量400 ~ 600m m的区域一致, OLR值为170 ~ 200W·m^-2的区域与20天总雨量200 ~ 400mm的区域一致, OLR值大于220W·m^-2的区域为少雨区。

有关“75.8”台风暴雨的天气学分析研究中已经指出, 7503号台风受阻于河南省境内, 长期维持少动, 可能与台风北侧弱高压的存在有关, 而在OLR场上对此高压比500hPa高度场反映得更为清楚^[4]。同时说明OLR高值区域是下沉区。与以上结论一致, 2003年淮河流域暴雨期间, 在主雨带的南北两侧均为OLR值高于220W·m^-2区域, 其北侧的OLR高值区反映了大陆高压南边界的范围, 其南侧的OLR高值区反映了副热带高压北边界的位置。因此主雨带受其北侧和南侧大范围下沉区的阻挡, 有利于在淮河流域维持。

通过分析逐日OLR场逐日分布(图略)的变化来了解主雨带的强弱与摆动情况, 并对暴雨过程进行分析。根据OLR场低值区的南北摆动与强度变化初步分析将6月21日~ 7月10日这段期间内的暴雨分为5次过程。考虑到地面观测站点的分布不均以及雷达观测的范围限制, OLR场资料可以在宏观上准确地把握主雨带的强弱变化以及走向摆动。

1.2 OLR场与水汽输送

1991年江淮暴雨期间的有关研究表明, OLR低值区可以反映江淮梅雨期间的水汽输送情况^[5]。下面利用OLR场低值区分析2003年淮河降雨期间的水汽输送。

在2003年6月21 ~ 23日的OLR合成平均图上(图 3, 见彩图附页)可以分析出, 有四个OLR低值带与淮河流域的OLR低值区相连接, 表明有四支水汽输送活跃地带与暴雨区相连。南海有OLR低值区连接江淮地区, 表明自南海北部对流活跃, 并伴有水汽进入华南、江南地区。

在6月22日~ 7月10日的OLR平均图(图 4, 见彩图附页)上, 南海OLR低值区已经不明显, 图中OLR高值区(紫红色区域)的向东延伸反映了西太平洋副热带高压的加强西伸, 它切断了南海水汽的输送通道。南海的水汽输送与另外三支水汽输送属于不同的季风区。其他三支OLR低值区一直维持, 图 4中三个黑色箭头自下而上分别位于中南半岛南部、孟加拉湾以及青藏高原东南部, 对应三支水汽输送通道:第一支从东印度洋的安达曼海等海域经中南半岛进入我国西南地区转向江淮地区; 第二支从孟加拉湾北上进入我国青藏高原以东地区进入江淮地区; 第三支呈纬向, 源于印度次大陆进入我国青藏高原中部、东部地区转向江淮地区。OLR场清晰地反映了这支纬向分布的水汽通道的存在。

以上分析表明, 此次淮河流域降雨期间共有四支水汽输送, 其中来自南海的一支由于副热带高压的加强西伸, 后期在OLR场上变得不清楚, 其余三支一直保持了很强的势力。在季风期间, 孟加拉湾和南海强的水汽输送是中国强降水的重要的条件之一。来自中南半岛和印度次大陆北部的水汽对此次淮河暴雨的贡献不可忽视, 特别是来自西亚或南亚地区的低值系统(云图上一般表现为低槽或弱冷锋云系), 翻越青藏高原东移后, 与副高在长江中下游地区、江淮地区交汇触发强降水天气, 气象卫星的监测反映清晰明了。

2 QuickScat资料应用

QuickScat资料可以较好地反映越赤道气流与水汽输送的关系。陶诗言、陈隆勋等人^[6]指出:90 ~ 110°E越赤道气流对中国夏季风起着重要作用, “当印度偏西季风和来自澳大利亚的越赤道气流汇集时, 这些地区的西南水汽输送明显加强。”指明了越赤道气流、季风与水汽输送之间的关系。

美国QuickScat卫星提供海面10m高处的风场信息, 使我们更好地了解印度洋低层越赤道气流与淮河降雨期间三支水汽输送的关系(图 5, 见彩图附页)。从图 5可以分析出:

① 从南海有偏南风吹向华南等地, 风速在南海中部达到14m·s^-1左右, 气流是大规模有组织的向北运动, 到了7月初, 这股南风气流减弱, 并变得杂乱, 这正与前面关于南海的水汽输送变化有着很好的对应关系, 副高的变化改变了这一海域气流以及水汽输送的走向。

② 在90 ~ 110°E和60 ~ 90°E赤道地区有来自南半球的气流越过赤道进入印度洋东部与孟加拉湾地区, 以及印度次大陆南部、中南半岛、南海, 风速在孟加拉湾北部达15 ~ 17m·s^-1, 在南海中部达14m·s^-1, 与第二、三支水汽输送对应较好。值得注意的是, 在印尼群岛的西侧维持着一个反气旋环流(图 5a中A处), 使气流转向, 加强了南海与中南半岛偏南风的强度。

③ 在40 ~ 60°E的赤道地区有另一支强的越赤道气流, 由于柯氏力的影响, 在非洲东岸转向东北方向, 吹向印度次大陆:该气流在阿拉伯海上风速最大可达20m·s^-1。在整个淮河流域降雨期间保持着同样的强度。此气流与上节提到的来自印度次大陆北部的水汽输送有较好的对应关系。表明:当印度偏西季风和来自澳大利亚的越赤道气流汇集时, 这些地区的西南水汽输送明显加强。同时, 在此期间, 在印度洋热带洋面上有两个反气旋环流生成(图 5b、d中A1、A2), 增加了索马里急流偏东的分量。正如Ninomiya和Kobayashi^[7]的研究指出:中心位于热带印度洋和印度尼西亚地区上空的顺时针环流系统从热带向印度次大陆和东南亚的水汽输送起着重要作用。

以上QuickScat资料分析说明:OLR场上分析出的4支水汽输送通道与越赤道气流、印度洋上的反气旋性环流出现以及夏季风的强盛有很好的对应关系。

3 “AMSU”资料应用

利用AMSU资料可以较好地分析出中尺度云团中降雨可能发生的区域。AMSU-A有15个通道, AMSU-B有5个通道, 其星下点分辨率为15km。主要用于改进大气温度和湿度的垂直探测能力。由于增加了一个专门用于探测大气湿度的高分辨率微波探测器AMSU-B, 从而大大提高了大气湿度的探测水平。

大多数降水系统中, 降水层可以扩展到冻结层之上, 并且存在冰水共存的混合层。星载被动微波遥感仪器从高频一直到低达37GHz的频道, 都对降水过程中冰粒子产生的强散射信号有很好的响应。深对流产生的冰水通常反映了对流的强弱和对流云所处的发展阶段。AMSU-B可以对不同高度上的冰云与水云进行探测, 其中CH2对2km附近高度上的水云敏感度较高, 可提供云中可降水量的信息。也为我们分析产生暴雨的中尺度云团中最大降水可能出现的位置提供了信息。

图 6 (见彩图附页)为2003年6月29日18:34 (UTC) AMSU-B的CH2微波图像, 图中显示了位于淮河流域4个中尺度云团中的含水量分布(图中A、B、C、D蓝色区域), 由于当时水汽条件比较好, 上述云团在2km高度附近云中含有大量可降水滴。为确定云中的可降水量和降水位置提供了参考。

4 结语

通过以上分析, 说明卫星定量资料在暴雨分析与洪水监测中可以发挥重要作用。①雨带位于OLR低值区170 ~ 220W·m^-2范围内, 并随OLR低值区的变化而摆动。② OLR低值区与暴雨期间四支水汽输送带有较好的对应关系, 高值区与下沉运动相关连, 在一定程度上可以看作副高变化的指标。③ QuickScat资料可反映越赤道气流、季风与水汽输送之间的关系。④ AMSU资料可揭示出中尺度云团中降水最可能出现的位置。