引言

2008年第9号热带气旋北冕于8月4—8日的活动期间在华南沿海两次登陆，产生了强降水和雷暴等灾害天气，对华南地区造成了较为严重的洪涝灾害。由于“北冕”移动方向、强度变化复杂，登陆后填塞慢、风大雨强，并在广东、广西两次登陆，是近年来少见的疑难台风，因而对它的预报把握得不太准确，降水落区预报和量级预报均出现一定失误。FY2卫星云图分析系统是基于IDL(Interactive Data Language)^[1]构建并实现的可视化系统，该系统实现了FY2数据及产品的读取、投影及显示等功能，并能叠加卫星产品和MICAPS系统数据，提高卫星资料和产品的可视化效果，便于FY2卫星云图的日常解译，充分发挥卫星监测的优势，推动卫星资料和产品在天气预报中的应用。本文尝试通过该系统的分析功能对“北冕”进行特征分析并试图揭示造成其异常路径和降水异常的原因。

1 FY2卫星云图分析系统简介

目前FY2系列卫星为业务天气预报提供了大量的卫星云图和产品，特别是在海洋和观测资料稀少的地区，卫星资料发挥着不可替代的作用^[2]，然而当前业务台站对卫星资料的应用水平偏低，卫星云图仅仅是常规天气分析和预报方法的辅助资料，甚至往往被忽略。尽管我国在卫星资料应用于天气分析研究方面已取得大量的成果，但围绕卫星资料和产品来进行天气分析和研究的工作平台还是非常缺乏，而MICAPS系统作为预报业务的通用分析平台，在卫星资料分析方面针对性还不够，因此针对卫星资料和产品在天气预报中的应用需求和特点，系统提供有力的工具来分析和研究FY2卫星云图和产品，力图推动卫星资料和产品进一步在天气预报中应用，充分发挥卫星监测的优势。

FY2卫星云图分析系统是基于IDL交互式数据语言开发的，系统功能模块包括数据和产品的获取和输入、卫星产品叠加、MICAPS系统数据叠加和通道合成等功能模块。系统的数据源包括FY2卫星数据和部分产品，其中卫星数据包括可见光、红外和水汽图像，卫星产品包括黑体亮度温度、降水估计、射出长波辐射、总云量、云迹风等。分析系统由FY2卫星数据获取、数据预处理及云分析平台三个部分构成。根据参数文件，系统自动获取指定目录下的原始数据，并对数据进行预处理，处理结果存放在产品目录下；在运行云图分析平台时，主界面显示最新时次的云图，同时系统还提供文件列表选择功能；系统可以实现在云图上叠加卫星产品和MICAPS系统数据，并根据需要制作指定时次的云图动画；制作云变率产品，分析指定时段云的变化情况等；系统主程序提供多通道切换、模式切换、MICAPS系统数据和卫星产品数据叠加等功能。基于上述功能，本文尝试运用FY2云分析平台对“北冕”进行应用分析。

2 “北冕”过程的FY2卫星云图系统分析

“北冕”于2008年8月4日上午8时在南海东北部海面生成，在整个移动过程中，可以看到，“北冕”于8月6日08时和8月7日08时分别有两次北抬过程，而在8月6日22时转为南折，路径复杂多变。在两次北抬过程前，存在移速减慢和原地打转的现象，强度也有变化，且南折前后的移动速度要比北抬前后的速度快。过程的转折点较难把握，特别是出现南折，给业务预报带来了较大困难。

2.1 “北冕”过程的高空形势场分析

副高是影响热带气旋路径的重要系统，“北冕”路径复杂与副热带高压位置的变动有很大关系。副高摆动造成的引导气流改变会直接导致热带气旋路径发生变化，同时，中纬度的西风低槽东移对副高的短期变化也有影响。

利用FY2云分析平台的叠加功能对FY2C红外云图与500 hPa高空填图和等高线进行叠加分析“北冕”影响过程，可以看到副高始终处于加强西伸中，中心在东海摆动，脊线维持在30°N附近。8月5日08时，副高为近东西向的带状分布，在东海和高原上分别有高压中心，在30°N附近的高度值均≥585 dagpm，这种分布类型，不利于“北冕”北行，以偏西方向移动为主。6日08时(图 1a)高原西风小槽的东移和小低压环流的影响，使副高的形状发生改变，584 dagpm线退至104°E附近，形成一个大范围鞍形场，“北冕”从副高南侧的偏东气流转受到副高西南侧的东南气流影响，向北移动分量加大，其移向由偏西行转为西北行，实现第一次北抬。在第一次小槽东移减弱到第二次小槽东移影响期间，副高得以加强西伸，到6日20时，584 dagpm线继续西伸至100°E以西，引导气流由东南转为偏西，并有向南的分量，使“北冕”在22时由偏西移转向西南移，出现路径南折现象。随着小槽东移，584 dagpm线再次减弱东退到100°E以东，从而使引导气流又发生改变，“北冕”再次有向北移动的分量，导致其第二次北抬。

低层850 hPa主要以偏东气流为主，“北冕”北面的偏东气流风速达到20 m·s^-1以上，而南面的偏西气流风速最大只有12 m·s^-1左右，“北冕”处于偏东气流与偏西气流之间的切变气流中。随着西南气流的加强，到6日08时(图 1b)，“北冕”南面的西南气流风速加大到20 m·s^-1以上，而北面的偏东气流强度减弱，西南气流的加强，既加强了环境对热带气旋的水汽通量输送，使热带气旋强度得以加强，同时也加大热带气旋向北移动的分量，使“北冕”移向发生北抬。在“北冕”登陆后，西南气流和偏东气流都稍有减弱，最大风速减弱为12 m·s^-1左右，使热带气旋强度亦相应减弱，风速最大值位于“北冕”的西北方，为东北气流，迫使“北冕”移向南折。随着“北冕”的西南移，西南气流再次加强，使“北冕”的西南移速减慢并发生移向转变，到7日08时，西南气流的风速加大到16 m·s^-1以上，这使“北冕”的强度得以维持较长时间，移向也发生改变，使“北冕”再次北抬。

2.2 “北冕”过程的对流云团分析

在对流云团分析过程中，MICAPS系统支持10 km分辨率的卫星数据显示和分析功能，而FY2云分析平台支持5 km分辨率的卫星数据处理，且平台能够直接获取云团亮温，有利于对流云团的统计分析。

“北冕”在8月4日形成初期只是一个涡旋云系，缓慢向西北偏西方向移动，云团范围缩小，旋转程度增加，次日加强为热带风暴。在红外云图上(图 2a)，云系的结构松散，无明显的眼区，但围绕中心的螺旋云带已经十分清晰，主要的螺旋云系集中在气旋中心的南面，呈现出明显的南北不对称结构，随着西南气流向“北冕”输送的水汽加大，“北冕”强度也逐渐加强，风暴云系也逐渐变得密实。5日16时起(图 2b)，在风暴的西北部有对流云团发展，云顶最低亮温达到-88 ℃，东南部的云系减弱而西南部的云系加强。20时后(图 2c)，西北部的对流云团减弱，而位于气旋西南的云团继续加强，云团加强的同时，却逐渐分裂为两个强对流云团，至6日08时(图 2d)，热带风暴升级为强热带风暴，云顶最低亮温为-92.2 ℃，此时热带气旋中心主体已十分密实，直径达到300 km，而气旋中心旋转输送水汽的螺旋云带位于风暴南部的海面上，北部湾地区也有强对流云团在生成发展。20时后(图 2e)，对流云团再次减弱，范围也逐渐加大，云系又变得松散起来。22时起，热带气旋开始减弱为热带风暴，但西南侧的对流云团再次加强，又逐渐密实起来，到7日06时(图 2f)，云团发展到最强，云顶最低亮温达到-93 ℃，以后又逐渐减弱。7日8时气旋中心进入北部湾地区，于7日14：30在广西防城港第2次登陆，此时云系主要集中在北部湾地区，造成该地区的强降水和局地强对流天气。在整个过程中，云系始终处于不对称的状态，主要强的对流云团位于气旋的西南和东南侧，而云团的发展和减弱与低层西南气流的加强和减弱有较好的对应关系。当云团发展到一定程度时，气旋移动路径的北移分量加大，而云团减弱到一定程度时，气旋移动路径的北移分量减小。

2.3 “北冕”过程的云变化图分析

为了更好地反映云系变化趋势，依据红外一的亮温，系统还提供了指定时间段的云变化图制作功能，可以分别对3小时和6小时的云系变化进行分析。云变化图中绿色和蓝色部分表示云趋于消亡(云顶亮温升高，变暖)，红色部分表示云趋于发展(云顶亮温降低，变冷)。云系的平行移入以及云系的发展都可以造成红外云图亮温降低(图中红色系)，在应用分析时，应使用云图动画来帮助判断哪些降温是由于云系平移造成的，哪些又是由于云系的发展造成的，对于发展的云系要特别警惕，往往这是强降水发生的信号。

根据系统提供的云变化图分析功能，对“北冕”的云系变化进行分析。图 3反映了8月4日到5日“北冕”形成初期3小时的云系变化情况，从图中的颜色变化情况可以清楚地了解“北冕”中心附近的云系发展及变化情况。8月4日18时，“北冕”的环流还比较弱，整体结构松散，但其西北侧有一强的云系在发展(图 3a)，至21时，西北红色云系部分随着螺旋云系有所西南移动，而位于气旋中心的周围也有些云系开始发展起来，说明此时“北冕”正在进一步发展加强。4日23时至5日02时，云系进一步加强，可以看到，气旋西南方海面上的云系也在发展，这给气旋带来了较多的水汽，促使气旋加强为热带风暴。图中红色对应着发展的云系，通过与实况对比，这些地方一般都有强对流天气发生，而绿色和蓝色部分所对应的地方，云系趋于消亡，强对流天气也逐渐减弱。根据资料统计，4日傍晚到夜间随着风暴中心的进一步北移，强云系所对应的汕头及其东部的风速由6 m·s^-1增加到l2 m·s^-1，形成了偏东风的低空急流，加速了水汽的输送，使得华南中部和东部沿海的相对湿度值由70%上升到了80%~90%，出现了强对流天气。广州白云机场附近4日20时到5日的零时30分出现了近3小时的雷暴天气，其中4日的21时出现强雷暴并伴有大风，瞬时最大风速达到了18 m·s^-1。

2.4 “北冕”过程的多通道云图对比分析

针对对流云团的特性，在系统对流尺度模块中实现了红外一、红外三、水汽和可见光四个通道数据并列显示功能，以便对云团进行对比分析。多通道图像并列显示，可方便判识低云和高云，并通过云图动画了解高、低层大气的相对运动情况。同时，也可以了解对流云团所处的生命史阶段。

图 4a、b分别为“北冕”8月4日开始生成发展以及8月7日减弱消失的多通道图像情况，图中排放的顺序按从左到右以及从上到下分别为是红外一云图，红外三云图，水汽图和可见光云图。在“北冕”发展的初始阶段(图 4a)，气旋的螺旋云系开始形成，各个通道云系的情况都表明云系处于强烈发展状态。8月7日，螺旋云系已经消散，气旋主体云系削弱，只在北部湾海面还残留有一些气旋后部的对流云团，这些云团随着气旋进一步北移，造成广西南部地区的强降水。

2.5 “北冕”过程的云顶参数特征分析

研究表明气象卫星云图为短时降水估计提供了非常有用的资料^[3]。20世纪70年代以来, 国际上提出了“云指数法”和“生命史法”两类基本降水估计法。Scofield^[4]“生命史法”认为云顶亮温和云团面积的增长与降水量有直接联系, Adler等^[5]提出利用一维云模式, 建立对流核心的云顶亮温与降水率和降水面积之间的关系。国内根据这两类降水估计法的主要理论, 进行了许多本地化研究^[6-7]以期提高定点定量预报能力。

为了实现对流云团的精细化分析，系统提供了交互式统计云团特征参数分析功能。对流云团分析功能提供了红外一、红外三、水汽和可见光四个通道的并列显示功能，以实现多层次的云团变化分析。图 5中右上角的统计图为默认时间段(12 h)内所选择区域的最低云顶亮温曲线，其下图则为平均云顶亮温曲线。文本框中显示信息包括选区云团的最低温度，-30 ℃和-52 ℃阈值温度下的云团面积等。云团面积和云顶亮温随时间的演变反映了对流云团生命史的情况，结合天气尺度云系和环境条件分析，可帮助判断云团的状况，有助于进行短时临近预报。对流云团分析模式下，在IR1显示区域内通过点击鼠标同步进行4个通道图像漫游，确定关注区域，然后进行对流云团云顶特征分析。IR1通道图像内的方框大小可调，以适应对流云团的大小，便于进行云顶亮温和云顶面积的计算。

利用系统提供的交互式统计云团特征参数功能，对“北冕”的对流云团进行分析。在对流云团分析模式下，选定合适的对流云团大小，进行云顶亮温和云顶面积的计算。图 5左边分别为对应时刻的红外一、红外三、水汽图和可见光云图的情况，通过并列显示，可以更清楚地分析云团的发展状态，而右边的两个曲线图则表示所选择区域的云顶亮温最低温度(上)和云顶亮温平均温度(下)随时间的变化情况，分析最低温的变化可以发现，北部湾对流云团在8月5日的19时到23时之间有一个波动过程，即云顶亮温最低温度在这段时间内有一个升温和降温的过程，但是幅度都不大，说明这一时段内云系的发展变化并不是很强烈，23时过后，温度急剧下降，在6日07时达到最低值-92.2 ℃，说明北部湾对流云团此时发展最旺盛，对应云顶亮温平均温度的曲线图也可看出这一变化过程。这一现象表明“北冕”登陆后，云体结构发生了突变，位于“北冕”西南侧北部湾海面的对流云团强烈发展，气压下降，形成一个次环流中心，可能起到吸引的作用导致“北冕”中心出现左偏折进入北部湾海面。结合云顶亮温与云顶面积对于“北冕”的降水情况进行分析也可以发现，这两者有着比较好的对应关系，一般降水强度大的地区，云顶亮温很低，而云顶面积也很大。根据降水资料统计，6日20时至7日08时，广东五一农场降水量达到528.5 mm，突破历史极值；雷州半岛徐闻雨量为423 mm，仅次于历史极大值。

2.6 “北冕”过程的TBB产品分析

TBB表示黑体亮度温度，是由卫星通过扫描辐射仪观测下垫面物体获取的辐射值经量化后得到，它反映了不同下垫面的亮度温度状况。TBB资料可以揭示云在演变过程中的一些显著特征，在天气、气候研究中有着较为广泛的应用，如对天气系统分析、暴雨研究和降水估计、气候模拟及诊断等都是作为常用资料之一^[8-12]。FY2云图系统可以很好地在云图上叠加TBB，我们设定的等值线共分为7级，颜色有浅到深，温度越低颜色越红，产生降水的可能性就越大。

在FY2云图上叠加TBB产品(图 6)，可以明显地看到“北冕”中心附近强降雨带所处位置主要位于西南和东南侧(红色部分)，从整个过程来看，对应广东中西部、海南省、广西东部和南部以及北部湾海面等地，这些区域的云顶亮温一般都在-70 ℃以下。从实际的观测资料发现，受“北冕”影响，广东中西部、广西中东部、海南北部等地先后出现6~8级、阵风10~11级的大风，广东粤西沿海有5个县(市)出现10级以上大风，徐闻还出现龙卷风；广西涠洲岛瞬间风力达到12级。5—9日，广东中南部，海南中北部、广西东部和南部等地先后出现了大到暴雨，广东沿海、雷州半岛和广西南部、海南北部等部分地区出现了大暴雨或特大暴雨，上述地区过程累计降水量普遍有100~220 mm，局地还出现强雷暴等对流天气。

3 结论与展望

在FY2卫星云图上叠加卫星产品和MICAPS系统数据进行分析，有利于揭示天气状况和系统发展趋势，为卫星遥感资料和产品在天气分析和预报中的应用提供示范和指导。本文利用FY2云图系统对“北冕”进行了较为详尽的分析，可以得出中纬度的西风低槽东移对副高的短期变化有影响，而副高摆动造成的引导气流改变会直接导致热带气旋路径发生变化；同时，低层西南气流的加强与维持不仅加强了“北冕”的强度，同时也给了气旋向北的移动分量。通过对流云团的分析，在“北冕”整个移动过程中，云系始终处于不对称状态，强对流云团主要集中在气旋西南面和东南面，当云团发展时，气旋路径北移分量加大，反之，当气旋减弱到一定程度时，北移分量减小。云顶参数特征分析是FY2云图系统的一个特色，通过分析云顶亮温平均温度的曲线图，“北冕”在进行第一次北抬时有过温度的剧变过程，而云顶面积与云顶亮温与强降水之间也有着很好的对应关系。“北冕”的强降水与TBB的最低值中心有密切关系，这些对于进行短时临近预报都有很好的指示作用。

FY2卫星云图分析系统是新近开发的一个主要用于分析卫星云图的系统，功能较齐全，对于短时临近预报有比较好的辅助作用。本文主要用于对热带气旋“北冕”的分析，效果较好，这提示我们可以运用该系统对其他气象要素进行分析预报。