引言

通常将气象卫星红外通道的观测值以相当黑体温度(TBB)表示，并且称之为“亮度温度”或者“亮温”。TBB资料可以揭示云在演变过程中的一些显著特征，因此，可以根据TBB资料推断天气系统的强度、移动以及可能伴随的天气现象。

国内在这方面开展了大量的研究，文献[1]的研究表明暴雨和强对流都是由于中尺度系统引起的。李培军等^[2]提出冷云区持续时间估计法、红外亮温法，并考虑了梯度、发展率因子。这些研究为气象卫星TBB资料对中尺度对流系统的监测及短时预报可提供有力的帮助。

中尺度对流系统，简称MCS，是中国主要的暴雨系统之一。中国是MCS的多发区，每年都有MCS造成暴雨灾害。红外云图可以清楚地揭示MCS的发生和发展。利用红外云图对MCS以及降水估计已有大量的研究^[3-5]。本文从大尺度环流背景、地面流场、卫星云图等方面对2007年7月18日济南大暴雨过程进行分析，展示卫星云图TBB在临近预报中的重要作用。其目的在于加深对这类天气的认识，提高对这类天气的预报能力。

1 概况

2007年7月18日，济南市出现罕见的大暴雨天气，18日08时至19日08时，全市平均降水量为82.3mm(包括水利部门自动站平均，下同)，全市最大降雨量出现在市政府自动站，降雨量达182.7mm，市区平均降水量为142.2mm，有19个站降雨量超过100mm，其中，有11个站降雨量超过140mm，有4个站降雨量超过160mm(见图 1)。

这次降水过程历时时间短、雨量大。从这次过程的降水分布、降水强度来看，是由中小尺度系统造成的。这次降雨市区自18日16时后开始，雨量分布及降水强度具有明显的中尺度特征：①降雨时段集中，具有明显的阵性。17日17—20时市政府自动站3小时降雨量达162.5mm，占整个过程降雨量的91.7%；龟山观测站3小时降雨量达145.0mm，占整个过程降雨量的94.7%。②强降雨范围小，雨量分布较为集中。由过程雨量分布可见，大于150mm的范围主要集中在市政府到龟山观测站之间以及历城的部分地区，雨带呈东西向近椭圆形。③降水强度大。市政府自动站1小时最大降雨量为84.9mm，龟山观测站1小时最大降雨量为81.6mm。在主要降雨时段，两个站的雨强均≥50mm/h，具有强对流降雨特征。

这次大暴雨给人民生命财产造成严重损失：人员伤亡，市区低洼地区积水，大部分路段交通瘫痪，市区内受损车辆802辆，毁坏市区道路14000m²，冲失井盖1500多个，移位3400多个；先后造成26条线路停电；多处商场商品被淹，其中银座地下商城损失达5000多万元，这次大暴雨造成的经济损失总计在12.3亿元左右。

2 形势场分析

7月17日20时济南位于200hPa高空急流出口区的右侧；500hPa西太平洋副热带高压逐渐增强西伸北抬，与中纬度大陆高压脊在华东沿海同位相叠加，使得中纬度环流经向度加大。西南低涡和华东沿海高压脊之间的气压梯度增大，从华南沿海到山东形成较强的西南急流，将暖湿气流源源不断地输送到暴雨区上空；700hPa西南低空急流已经形成，风速在12m·s^-1或以上，风速辐合在鲁西南、鲁中南部，河套南部有闭合的气旋性环流；850hPa西南低空急流有所加强，河套有闭合低涡。

18日08时济南仍位于200hPa高空急流出口区的右侧，且高空急流有所加强；500hPa副高略有南落，槽线由经向转为东北至西南向；700hPa西南风低空急流进一步加强，沿内蒙古、北京、河北、山西、陕西存在明显的东北至西南向切变；850hPa西南风低空急流进一步加强，河套低涡演变成沿内蒙古、北京、陕西一线近纬向的切变线。850~700hPa从华南沿海到山东形成较强的西南低空急流，建立起向山东的水汽通道，将华南沿海的暖湿气流源源不断地向暴雨区上空输送，为大暴雨提供了充沛的水汽条件^[6]。济南位于低空急流出口区的左侧。18日20时500hPa槽线比较宽广，本站转为偏西风。700hPa切变线移到潍坊、淄博、泰安、荷泽一线；850hPa切变线过济南。由于冷空气的侵入，切变线变成东北至西南向，且济南附近曲率最大，随着低层切变线的移过，济南强降水逐渐结束。

由此可见，大暴雨产生在200hPa高空急流出口区右侧，低空急流出口区左侧，850hPa切变线附近。

3 能量场分析

18日08时500hPa和700hPa θ_se高能区(图略)均在山东的西北方，本站分别为71℃和75℃，850hPa θ_se高能区边缘到达山东边界，本站为83℃；18日14时500hPa和700hPa θ_se高能区逐渐东南移，已经到达山东西北边界，本站数值分别为74℃和76℃，850hPa高能区继续东南移，高能轴沿黄河走向且靠近本站，本站高达87℃，18日14时以后，随着低层高能轴的靠近，济南北部的商河开始出现降雨；18日20时本站位于500hPa θ_se高能轴附近，本站为76℃，700hPa θ_se高能轴转变成纬向，高能区南移比较缓慢，本站为77℃，850hPa θ_se高能轴转变成纬向，高能区南移比较缓慢，本站为88℃，8日14—20时，济南上空θ_se能量较大，全市在该时段内出现了强降水。这种增能同整个对流层内的增湿同步，能量的增加主要是由增湿所致，能量的聚集是暴雨的前兆条件。19日02时以后，低层θ_se高能区明显南移到鲁东南到半岛一线，本站降雨逐渐结束。

18日08时，济南上空900~200hPa为不稳定层结，CAPE值达到2835J·kg^-1，说明济南在强降雨发生前，不仅处于强烈的不稳定层结，而且不稳定能量的积累达到了较高的量级，这是对流性暴雨的重要条件，当有触发机制时，非常有利于出现强对流天气。

4 中尺度特征分析

分析1小时一次的地面加密观测站资料(图 3)可见，18日14时在鲁西北的南部37.5°N附近存在中尺度辐合线；在济南北部的商河站以北存在中尺度低压，其中心位于37.4°N附近；15时中尺度低压缓慢南移，其中心位于37.1°N附近，北部的商河县14：54开始出现降水，到15时雨量只有0.8mm；16时随着冷空气的缓慢南移，中尺度辐合中心南移到37.0°N附近，15—16时商河县1小时降雨量达到104.2mm；17时中尺度地面低压中心位于济南上空，龟山观测站17：20开始出现降水，17—18时市区龟山观测站1小时降雨量达到42.3mm；18时中尺度低压中心已压过本站，其中心位于36.4°N，17—18时市区龟山观测站1小时降雨量达到81.6mm；19时以后中尺度辐合线和中尺度低压中心缓慢南移，市区强降水逐渐结束。

由此可见，地面存在中尺度辐合中心或辐合线生成和发展，地面辐合线的存在是这次大暴雨产生的启动机制。强降水就发生在中尺度低压中心附近，随其移动而移动。中尺度辐合中心的移动方向对雨量中心未来的移向有很大影响，最大雨量中心位于辐合中心的后方。

5 云图资料分析 5.1 红外云图

分析降雨过程的红外云图(图 4)可见，18日12：30在鲁西北北部有中-β尺度的云团A生成，同时在山西中部到晋、冀交界处有多块中-γ尺度的零散云团产成。13：00云团A和其尾部新生成的中-γ尺度的云团合并；山西中部到晋、冀交界处的多块中-γ尺度的零散云团逐渐发展成中-β尺度的云团B1、B2和B3；13：30云团A的强度加强，范围扩大，开始影响鲁西北的大部，云团北部边缘温度梯度小，而云团南部边缘温度等值线密集、温度梯度大，预示该云团未来将向南部发展扩大；云团B1、B2、B3强度加强，范围扩大，并且有合并的趋势；同时，在晋、冀、豫交界处又有中-γ尺度的云团B4和B5生成。14：00云团A的强度继续加强，范围迅速扩大；云团B1、B2、B3合并成云团B123；云团B4和云团B5的强度有所加强，范围逐渐扩大。14：30云团A的强度继续加强，范围继续向南部发展扩大，济南北部的商河县受其南部边缘影响，14：54开始出现雷阵雨天气；云团B123和云团B4、B5有合并的趋势。15：00受云团A的影响，商河的大部地区已出现降水，但雨量较小；云团B123和云团B4、B5范围逐渐扩大，开始合并。15：30云团A继续缓慢南移，受其影响，商河的部分测站降雨量已经超过50mm，紧邻市区的济阳县15：32开始出现雷电，15：47开始出现降水；云团B123和云团B4、B5以及云团B6尾部新生成的云团B7逐渐合并成中-α尺度的云团B；16：00云团A和云团B的强度继续加强，范围继续扩大，合并成云团AB；16：30云团AB强度继续加强，范围进一步扩大，受其边缘影响，济南市区的北部已经开始出现雷阵雨；17：00对流云团中心在济南附近，市区南部的龟山观测站17：20开始出现强降水，并伴有雷电和短时雷雨大风。自17：30至20：30，云团AB缓慢向西南方向移动，强中心经市区缓慢南移；由于对流强盛，造成济南市区出现了强降水、雷电和大风，21个区域自动站中的19个站降雨量在100mm以上；20：30以后市区强降水逐渐结束，云团继续缓慢南移。

大环流背景下，在冷空气前部的暖区经常有中尺度对流系统发生。分析这次过程的云图可以发现：在减弱的云团右后方不断有新的云团生成，从γ尺度发展到β尺度，水汽条件充足时发展成边界清晰，结构密实的α尺度，它们是造成此次大暴雨的直接影响系统。

5.2 云团面积、云顶亮温以及云团中心的演变

分析7月18日卫星TBB的演变情况可以看出，14时之前，云团A和云团B的强度较弱，范围较小，相应造成的降水不明显。14：00以后云团A和云团B的范围逐渐扩大，强度不断加强，云顶辐射亮温(TBB)逐渐降低，云团中心沿黄河逐渐向西南方向移动，相应地15—16时1小时最大降水量达到104.2mm。15：30—19：30，云团A和云团B合并成为云团AB，强度继续加强，云顶辐射亮温(TBB)达到最低，在云顶辐射亮温(TBB) < -80℃的阶段，济南出现强降水，市政府自动站1小时最大降雨量为84.9mm，龟山观测站1小时最大降雨量为81.6mm，20：30后云顶辐射亮温(TBB)逐渐升高，强云团缓慢南移，逐渐移出市区，对应市区的降水明显减弱。

由以上分析可知，在中尺度对流系统的发生发展阶段，云团面积(TBB>-52℃)迅速扩大，强度迅速加强，移动缓慢；而在中尺度成熟阶段，云团面积达到最大，TBB值达到最低，移动仍然较缓慢。在整个成熟阶段，济南附近的TBB值一直维持在-80℃以下，说明济南附近对流非常旺盛。

5.3 TBB变化与降水的关系

TBB的密集预示着云团的进一步发展，稀疏时预示着降水的逐渐结束^[7]。7月18日16时济南上空TBB为-51℃左右，位于北部的市政府自动站在16时后开始出现降水，16—17时市政府降雨量仅为7.1mm；17时济南上空TBB为-81℃左右，市政府自动站17—18时降雨量为84.9mm，随着云团的逐渐南移，市区南部的龟山观测站在17时20分左右开始出现降水，17—18时降雨量为42.3mm；18时济南上空TBB为-93℃左右，随着云团的继续南移，市政府自动站雨强有所减弱，18—19时降雨量为77.6mm，而龟山观测站雨量有所增大，18—19时降雨量为81.6mm；19时虽然济南上空TBB为-87℃左右，但由于云团继续南移，市政府自动站雨势明显减弱，19—20时降雨量仅为0.5mm，龟山观测站比市政府自动站位置偏南，19—20时降雨量为21.1mm，雨量明显比市政府自动站大；20时以后，随着云顶亮温的逐渐升高，济南市强降水逐渐结束，到19日02时降水完全结束。由此可见，云顶亮温TBB的最低值中心及出现时间与暴雨中心及出现时间相当吻合，且主要的降水出现在发生发展阶段和成熟阶段。

无雨时，平均亮温逐渐升高，表明云处于消散之中^[8]；当出现降水时，平均亮温逐渐降低，表明云处于发展阶段。16时后市区北部开始出现降水，16—19时济南上空云顶平均温度由-61.77℃逐渐降低至-89.37℃，表明云处于发展阶段；20时以后，云顶平均温度逐渐升高，伴随市区强降雨逐渐结束。

6 结论

(1) 高空急流出口区右侧，低空急流出口区左侧，高能舌前部，有中尺度辐合线或辐合中心产生，容易造成强对流天气。

(2) 地面存在中尺度辐合中心或辐合线生成和发展，强降水就发生在中尺度低压中心附近，随其移动而移动，最大雨量中心位于辐合中心的后方。

(3) 在减弱的云团右后方不断有新的云团生成，从中γ尺度发展到中β尺度，水汽条件充足时发展成边界清晰，结构密实的中α尺度，它们是造成此次大暴雨的直接影响系统。

(4) 17—20时市政府自动站降雨量167.5mm，龟山观测站145.0mm，分别占整个过程降雨量的91.7%和94.7%，这次大暴雨主要发生在云顶TBB < -80℃的阶段。

(5) TBB资料的分析，可以追踪造成强对流天气的中尺度对流系统发生、发展和移动等演变过程，这在临近预报中有很好的指导作用。

(6) 通过卫星观测到的对流系统，虽然云顶温度TBB < -52℃的范围较大，但与强降雨区并不一定有较完全的对应关系，应结合雷达等其它资料确定强降雨落区。