遼寧開原7·3 強對流天氣的衛星識別分析技術＊

馮 琬，叢顯輝，張 博

（1.中國民用航空飛行學院，四川 廣漢618307；2.大連航空有限責任公司，遼寧 大連116000）

1 研究背景

對流云是由于大氣發生對流運動而生成的一種產物，強對流云常伴有冰雹、龍卷風以及短時大風等強對流天氣。但是由于強對流系統時空尺度小，具有突發性、災害性、預報難度大的特點，利用常規的氣象觀測手段很難能夠捕捉到強對流系統。天氣雷達作為一種非常規的天氣觀測設備，基于雷達資料對強對流系統的觀測也已經被廣泛應用，但是，雷達的探測波段單一，并且覆蓋范圍有限，在強對流系統的探測上有著明顯的缺陷。衛星相較于雷達覆蓋范圍廣，靜止氣象衛星的資料幾乎可以覆蓋全球1/4 的面積，此外隨著衛星技術的不斷提高，衛星的時間分辨率以及空間分辨率也在不斷提高，并且衛星可以實現全天候、多波段的觀測，衛星在對流云的識別上有著不可替代的優越性。

在對對流云的研究中，研究者較為關注的是對于強對流云團以及快速發展對流云的識別判斷。在眾多方法中，亮溫閾值法是最為常見的。許多專家學者針對不同地域，提出了利用不同的閾值來進行強對流云的識別判斷，與單一閾值法相比較，多閾值更具有優勢，可以發揮衛星多通道觀測的優點，從而能夠更好地識別對流云系[1-3]，亮溫閾值法能夠快速有效地識別出對流云。確定出適合研究地區的亮溫閾值，并且充分利用地球靜止氣象衛星多波段觀測的特點，準確地識別判斷出強對流云以及有效地預判快速發展對流云，為強對流天氣的預報提供參考，從而盡可能地減少強對流天氣給人民生產生活帶來的危害。

本篇論文基于氣象衛星，利用閾值法，針對開原龍卷風天氣，重點進行強對流云團的識別判斷以及快速發展對流云的識別判斷，以此為強對流天氣的預報提供初步參考，從而盡量減輕經濟的損失，避免人員的傷亡。

2 天氣過程

2019-07-03 T17 ：00 起，遼寧開原以北的天空烏云密布，17：14 左右，遼寧開原上空北方天空黑云之中突然出現了一個顏色深的漏斗云，17：15 左右，漏斗云接地，也正式宣告了此次龍卷天氣的開始，17：15—17：30，強龍卷風天氣席卷了遼寧開原市區，并給遼寧開原帶來了嚴重的財產損失以及人員傷亡，龍卷中心附近最大的陣風達到了17 級甚至17 級以上，達到了EF-3 級強度。由天氣圖可知，東北上空有一冷渦存在，中心強度為560 dagpm，強度極強，造成其西側有大量強盛的冷空氣在從西北向東南方向侵襲，最后直達遼河平原，而850 hPa 及以下高度則為西南暖濕氣流，這樣就形成了大氣上層干冷下層暖濕的結構，大氣層結極不穩定，這是強對流天氣發生發展的前提。

3 強對流云的衛星識別分析

在紅外波段，用亮度溫度值表示目標物輻射的強度。而對于強對流云來說，由于強對流云是強烈對流運動的產物，強對流云團在衛星紅外通道對應的就是亮度溫度值最低的區域。在本文中，將云頂亮度溫度值小于或者等于230 K 的對流云定義為強對流云，并在這個基礎之上，利用氣象衛星中國區域紅外通道17：00 數據來識別7·3 遼寧開原龍卷風天氣過程中的強對流云。2019-07-03T17：00 7 通道原始衛星圖像如圖1 所示。

本次遼寧開原的龍卷風強對流天氣開始時間為2019-07-03T17：15 左右，大約于17：30 結束，一共持續了約15 min。圖1 中的方框區域是2019-07-03T17：00遼寧開原龍卷風的紅外通道的原始圖像，從紅外衛星云圖的圖像中，可以看出云頂光滑平坦，云團結構緊密，色調白亮，所以方框中的云團為強對流云團，而強對流云所帶來的強對流天氣是氣象預報所最為關注的重點以及難點問題。接下來將利用算法語言進行強對流云團的識別判斷，下面闡述的是識別強對流云的過程中，紅外亮溫閾值的選取原則以及過程。

圖1 2019-07-03T17：00 7 通道原始衛星圖像

第一步首先確定一個亮溫閾值的范圍，本文由于缺少對遼寧地區強對流云云頂紅外亮溫值的統計分析，所以采取反向推導閾值的方法來確定合適的閾值。221 K 適合識別強對流云，再考慮到東北地區氣溫較低，而強對流云本身由于云體高大且密實，近似黑體，以致于對應的紅外亮溫值低。所以在本文中選用200～230 K 這一紅外閾值范圍來進行強對流云的識別判斷，所選擇的亮度溫度值在合適的基礎之上范圍要大些，要確保用選定的亮溫閾值區間在識別強對流云時，不會漏掉任何強對流云的像素點。亮溫閾值識別結果如圖2 所示。如圖2（a）所示，從識別結果中可以得出，當亮溫閾值選取在[200 K，230 K]這一范圍時，對于本次遼寧開原龍卷風天氣過程中的強對流云來說，適合的亮度溫度值應該位于210～220 K 之間。所以接下來將根據第一步識別的結果進一步縮小亮溫閾值的范圍。第二步識別采用210～220 K 這一亮溫閾值區間，從圖2（b）中可以看出，亮溫閾值進一步鎖定為210～220 K，可以較好地識別出強對流云，并且剔除了圖2（a）中大量的非強對流云區域，同時也最大程度保留了強對流云區域。最后，將更進一步地確定適合開原地區強對流云的亮溫閾值，把210～220 K 這一閾值范圍以1 K 為間隔單位，劃分成10 個亮溫區間，從而更加精確地確定出識別此次遼寧開原開原龍卷風強對流云的最佳亮溫閾值，圖2（c）為此次識別的結果圖。216～220 K 的亮溫閾值可以最好地識別出強對流云，所以本篇論文將用[216 K，220 K]作為強對流云識別判斷的亮溫閾值。

圖2 亮溫閾值識別結果

但在識別判斷強對流云團的過程中，容易把相近高度的卷云錯誤地識別判斷為強對流云，從而產生錯誤識別的情況，影響強對流云識別結果的準確性。所以在原本識別結果的基礎之上，需要進行進一步識別，以達到區分卷云以及強對流云的目標，從而使識別結果更加準確。

采用分裂窗技術即12.0 μm 與10.7 μm 的亮度溫度的差值。紅外分裂窗通道受大氣的影響很小，影響兩通道的主要因素是水汽，而對于強對流云團以及卷云來說，強對流云團內部水汽含量大，而卷云的水汽含量相對于強對流云團來說很少，強對流云對應的兩通道的差值較之卷云要大。圖3 為應用紅外分裂窗技術區分強對流云以及卷云的識別結果，圖中方框區域為識別出的強對流云區域，從圖中可以看出，強對流云附近區域沒有出現比其對應兩通道亮溫差值還大的區域，所以在識別出的強對流云區域中，基本不存在被錯誤識別進來的卷云，較為成功地排除了卷云在識別強對流云過程中可能造成的不利影響，從而直接證明了識別結果是準確的，并且是可信的。

圖3 分裂窗技術識別結果

4 快速發展對流云的識別

從前文的判別中不難發現，在17：00，基本大部分都是強對流云，此時的積云已經得到了強烈的發展，并且其后所帶來的龍卷風強對流天氣嚴重危害了人民的財產以及生命安全，在災難天氣發生之前，如何進行正確的天氣預報也是有待解決的問題。考慮到衛星多通道觀測以及高時空分辨率的優勢，本文采取4 個指標，來識別判斷快速發展對流云。表1 是為識別快速發展對流云而設定的指標，當目標積云同時滿足表格中所列出的全部指標時，就將目標積云判定為快速發展對流云。按照4 個制定的指標進行數據的篩選，結果發現，在16：30，2 通道與7 通道的亮溫差值在﹣35～﹣10 ℃之間，從16：30—17：00，7 通道的亮溫值變化小于﹣2 ℃，2 通道與7 通道的亮溫差值變化大于6 ℃，9 通道與7 通道的亮度溫度差值則要大于1 ℃，同時滿足4 個指標的目標積云則就被認定為快速發展對流云，且比17：00 強對流天氣發生時提前了30 min，有較好的預報意義。

表1 快速發展對流云識別指標

5 結束語

龍卷風是中小尺度天氣，發生突然，依據現有的手段準確預報難度極大，本文從衛星資料入手對強對流天氣的識別技術進行了探索，利用閾值法與分裂窗技術，得到強對流云的識別判據與前期快速發展時的指標，具有一定的預報指示意義。由于時間、資料的有限性，缺少對遼寧地區大量對流云衛星紅外亮溫數據資料的統計分析，所以只能采取反向推導閾值的方法，在閾值選取方面存在不嚴謹之處。