引言

暴雨和强对流天气系统是造成中国大陆气象灾害的重要组成部分。对它们的监测也是当前卫星监测的重点。研究表明，对流云云顶高度超过10km，被称为深对流，如果云顶高度超过14 km，被称为上冲云顶。深对流云占热带辐合带云总量的40%~45%，它们将热量和水汽从对流层低层输送到上层，在全球气候系统中扮演着主要角色。热带对流层顶(距地面大约14~18 km高度)是对流层和平流层之间的重要传输层，其中的深对流云是大气成分交换的主要影响因子，并进而影响到对流层顶和平流层的物理和化学过程。深对流同时又是剧烈降水产生的重要载体，深对流区往往对应着剧烈的雷雨大风和冰雹。

监测对流云首先要确定它的位置和发展高度，由于对流往往最初发生在海洋和山区等测站稀少地区，包括可见光、红外、微波、主动雷达在内的多种卫星资料成为深对流研究的主要手段。目前，红外资料探测深对流主要采用云顶亮温阈值法，如刘峰等利用FY2C红外云顶亮温资料阈值分析了华南典型的MCC演变过程^[1]。但各方法所给出的亮温阈值各不相同，因此很难准确识别深对流云的范围以及区分深对流云和薄卷云。可见光波段虽然可以识别对流形态结构，但通道特性局限，它和红外波段一样，只能测暴雨和强对流云团的云顶特征。TRMM卫星的测雨雷达(PR)可以提供大尺度的深对流云三维结构，但PR的探测宽度比较狭窄且全球观测时效较长，很难对短生命史对流系统及时观测。NOAA系列卫星上搭载的AMSU- B微波探测器可以提供宽幅宽(大约2200km)、多频率(89~190 GHz)的微波观测，更为重要的是微波具有穿透云雨大气的独特能力(尽管厚云和强降水云对于AMSU-B不完全透明)，可以揭示云团内部的结构特征，为强对流的准确识别提供帮助。

通过对Nimbus-7卫星SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer)的辐射观测信息分析，Spencer等发现产生降水的云的微波亮温较其它云为低，且每一个极低亮温个例都与大暴雨相联系。大降水常常与大量的冰粒子有关，冰粒子散射了冰下雨滴发出的微波辐射，因此空中所测量的微波亮温随降雨率成比例降低。根据这个事实，Spencer等利用SMMR数据测量陆地降水率，最大可到90mm·h^-1[2]。王小兰等将MM5模式与三维辐射传输模式结合，对中尺度降水过程中对流性降水云的微波辐射特性进行了模拟，结果也表明，云中各物理量的含量和分布对上行微波辐射亮温有重要影响^[3]。通过利用飞机在深、强的大气对流云带上飞行，Adler等对18~183GHz的飞行数据进行了研究，发现，37GHz和18GHz上的低微波亮温值所对应的深对流核显示了雷暴中层冰的重要性，甚至在相对低的微波波段，它们也显著地影响了向上辐射。通过将地基微波观测与地基雷达观测及可见光红外观测进行对比，同样证明了利用高频微波波段探测深对流砧下对流核的可能性^[4]。

为了更好地理解微波辐射与大气属性(包括云结构和雨强)的关系，根据地基雷达测得的水汽廓线，Yeh等利用微波辐射传输模式模拟了不同频率(18~183GHz)向上辐射亮温。模拟结果显示，冰水的混合属性，包括相态、形态和尺度分布对高低频亮温的变化都非常重要，在92和181GHz波段的向上辐射亮温对风暴上部的云结构非常敏感^[5]。Muller等利用辐射模拟来确定在典型中纬度大气下的水汽、非降水云液态水和冰粒子对水汽响应通道亮温的影响。研究发现，在157和183GHz波段受冰云的影响非常强，而且高云的作用强于低云^[6]，因此可以利用微波水汽通道探测对流云的特征。

本文利用微波向量辐射传输模式(VDISORT)模拟了云雨粒子对微波水汽通道观测的影响，并利用2005年8月12日华北地区的对流天气过程，分析了AMSU-B通道亮温与对流强弱变化之间的对应关系。在此基础上，建立了一种利用NOAA卫星AMSU-B水汽通道亮温差定量判识深对流云和冲顶对流云的方法, 并利用可见光云图和降水资料对判识结果进行了检验。

1 NOAA卫星AMSU-B仪器特性

先进的微波探测器(AMSU)是搭载在新一代NOAA极轨气象卫星上的仪器，第一台AMSU仪器于1998年5月13日随NOAA-15卫星发射升空。AMSU包括两部分：AMSU-A主要用于探测大气温度分布，并可获得整层大气中各种形式的水的信息，由15个通道组成；AMSU-B主要用于大气湿度分布，有5个通道。

表 1给出了AMSU-B的光谱特征，其中，89和150GHz通道位于大气窗区，通道3~5位于183.31GHz吸收线上，探测大气不同高度的辐射(图 1)，反演大气中的水汽垂直分布。

2 云雨粒子对AMSU-B观测影响分析

对流云是由不同种类的液态粒子构成的，这些粒子包括云冰、云液态水、雨水、雪和霰等，不同的粒子对AMSU-B的观测有着不同的影响。大气中的水汽、氧气以及液态云滴对于微波辐射表现为吸收作用，在局地热平衡状态下大气的发射辐射使AMSU观测亮温增加，大于0.5mm的雨滴的散射作用在10~300GHz频段超过了吸收作用，使观测的亮温降低；冰晶粒子在微波各个频段的散射作用超过吸收作用，使卫星观测辐射减少。为了更好地了解云雨粒子对AMSU观测特别是水汽通道观测的影响，本文用Weng^[8]利用离散纵标方法开发的向量形式的辐射传输模式(VDISORT)模拟了云雨粒子对微波水汽通道观测的影响(图 2)。

图 2a、b分别给出了AMSU-B水汽通道亮温随雨水和云水含量增加的变化情况，雨水和云水的吸收作用使水汽吸收通道亮温有所降低，但下降幅度不大，云水的影响大于雨水的影响。由于雨水和云水主要存在于对流层的中下部，因此亮温的下降主要出现在权重高度较低的183.3±7GHz通道，而权重高度较高的其它两个通道亮温变化不大。

云冰通常指的是大气上层水汽含量较低时形成的卷云，因为冰晶吸收较弱，以散射作用为主，云冰粒子尺度较小，对于AMSU探测微波辐射频段，云冰几乎完全透明，这里不作分析。

雪团和霰粒子是指降水云中的冰态粒子，特别是在对流过程中，剧烈的上升运动使云顶高度更高，生成的冰态粒子数量更多，尺度更大。对于强对流过程，伴随着上升运动生成大量的雪团及霰粒子。由于这两种粒子尺度较大，对于地表及大气的微波辐射具有较强的散射作用，使观测亮温明显降低。图 2c是在大气可降水为68.45mm，云水为0.5624kg·m^-2，雨水为7.17kg·m^-2，云冰为0.1512kg·m^-2情况下，AMSU水汽通道观测随云中雪团和霰粒子含量的变化情况。可以看出，对于水汽通道，大尺度的冰态粒子的散射使观测亮温降低，随着冰态粒子含量增加，观测亮温迅速降低，当含量继续增加，亮温降低缓慢。

综上所述，对于AMSU探测水汽吸收频段的微波辐射，云水及雨水主要表现为吸收作用，使权重高度较低的水汽吸收通道亮温降低；云冰由于粒子尺度小，对微波辐射几乎没有影响；雪团和霰粒子表现为散射作用，使卫星观测的亮温降低。

3 对流云团的微波识别方法

对流系统发展旺盛时，上升运动很强，将海面及低层大气中的水汽输送到对流层中上部，经过凝结及冻结过程，形成冰粒子，上升愈强，冰粒子含量愈高。深厚的对流结构必然伴随着浓度较高的冰粒子。AMSU-B各通道的微波辐射受云雨大气影响明显，特别是183.3GHz附近的微波水汽通道，冰粒子的散射作用要强于云中液态水对微波辐射的吸收作用，这些通道对冰水含量的变化比液态水更为敏感^[7]。

微波湿度计的183.3GHz频点处3个通道权函数峰值高度位置不同，其中183.3±7GHz通道特征层高度最低，183.3±1GHz通道特征层高度最高，对深对流而言，183.3±7GHz通道能穿透对流云上部的冰晶层，到达其下部的液态水成物区域；而183.3±1GHz通道只能探测到对流层上部的冰晶层。各通道对冰物质不同的敏感性，为利用多通道组合反演对流云带来可能。

3.1 微波对流判定依据

为了解深对流云对AMSU-B微波亮温的影响，本文选择2005年8月12日06:14(GMT)的卫星资料进行分析(图 3，见彩页)。由图中可以看出，当时，在华北北部至东北南部一带有一强对流系统存在，其上有多个对流云团发展。分别选取对流云区(黑框区)、卷云区(红框区)，中低云区(紫框区)和晴空区(蓝框区)进行分析。

图 4分别给出了不同云型及晴空的AMSU-B水汽单通道亮温和通道亮温差的散点示意图, 其中亮温差是由权重函数高的通道减去权重函数低的通道。由图 4可以看出：水汽单通道亮温值分布由对流云区、卷云、中低云、晴空依次递增；在通道亮温差分布上，对流云的3组亮温差全部为正，而其它几个目标区亮温差大都位于负值区，这种分布规律为深对流的判识提供了可能。

为了更好地了解亮温变化，选取穿过对流云区的一条扫描线资料进行微波亮温分析(图 3中红线位置)。图 5是扫描线上的5通道亮温分布，可以看出，扫描线进入对流区后，各通道亮温出现了明显下降。图中有两个亮温下降区，分别对应AVHRR云图中的两个对流云团。随着亮温的下降，各通道亮温值也在逐渐接近，云砧中的冰粒子尺度小于对流核，大粒子散射的增加导致了亮温权重函数的接近。微波通道的亮温下降，可以作为对流强度和强降水产生的判据之一。但如何准确定义判定阈值，是需要解决的问题。

进一步分析通道亮温的变化发现，在进入对流云区后，3个水汽通道的亮温分布出现了更为明显的变化(图 6)，在非对流云区，3个水汽通道的亮温变化不大，亮温值高于240K，且T_b(183.3±1) < T_b(183.3±3) < T_b(183.3±7)，这主要由于3个水汽通道具有不同的权重高度，离水汽吸收中心越远，其探测深度越大，即高度越低。在非对流云区，它所探测的温度就越高。

进入云区后，3个通道的水汽亮温都出现了下降，下降幅度由183.3±1至183.3±7逐渐增大, 但仍保持T_b(183.3±1) < T_b(183.3±3) < T_b(183.3±7)。进入对流区后，亮温的分布出现了逆转，远离水汽吸收中心的通道亮温开始低于近中心通道。其主要原因在于，离水汽吸收中心越远，探测对流云的深度越深，可以感受来自对流云中低层的更多的冰粒子散射影响，其亮温下降也越快。这个变化为我们判定对流区提供了有益的启示。为此，引入一组新的判据，各通道亮温差，基本原则是由权重高度高的通道亮温减去权重高度低的通道：

$ \begin{gathered} \Delta {T_{17}} = {T_b}\left( {183.3 \pm 1} \right) - {T_b}\left( {183.3 \pm 7} \right) \hfill \\ \Delta {T_{13}} = {T_b}\left( {183.3 \pm 1} \right) - {T_b}\left( {183.3 \pm 3} \right) \hfill \\ \Delta {T_{37}} = {T_b}\left( {183.3 \pm 3} \right) - {T_b}\left( {183.3 \pm 7} \right) \hfill \\ \end{gathered} $

图 7给出了对应的亮温差的分布，从中发现，在晴空和卷云区ΔT₁₇ < 0K，ΔT₁₃ < 0K，ΔT₃₇ < 0K，进入对流云区后，结果出现了反转，变为ΔT₁₇>0K，ΔT₁₃>0K，ΔT₃₇>0K。这主要由于，在通道频率距1 83.1GHz越远，其探测深度就越大，受中低层粒子散射的影响就越大。我们同时还注意到，在对流云区，虽然3个亮温差都大于0，但大小并没有一致的规律，当进入冲顶对流区时(图 4云图中积云突起区)，亮温差大小分布出现了ΔT₁₇≥ΔT₁₃≥ΔT₃₇>0K的规律。亮温差值ΔT₁₇、ΔT₁₃和ΔT₃₇从边缘到核心逐渐增加。但是，在部分对流核区，它们却出现了下降，但ΔT₁₇≥ ΔT₁₃≥ΔT₃₇>0K的规则依旧存在。这主要是因为，对于大的冰冻粒子，三者的亮温权重比较相似。

因此，我们可以得到对流云的微波亮温判据：

对流云：

ΔT₁₇≥0，ΔT₁₃≥0，ΔT₃₇≥0K，

对流上冲云顶：

ΔT₁₇≥ΔT₁₃≥ΔT₃₇>0K

3.2 扫描角订正

前文所讨论的微波对流判定方法是假设观测发生在星下点的位置。在实际观测中，微波仪器会进行大范围的扫描，AMSU-B的扫描角度范围大约在±48.95°之间，因此，在深对流判定中，还需要考虑卫星扫描角的影响，通过VDISORT辐射传输模式，可以模拟出不同扫描角情况下的亮温差异，根据模拟结果，我们可以建立卫星扫描角与亮温之间的统计关系，进而获得不同扫描角下的深对流判据。

3.3 微波对流判识算法

根据上述研究结果，得到如下微波对流云判识算法：

$ \begin{gathered} \Delta {T_{17}} \geqslant {T_d}, \Delta {T_{13}} \geqslant {T_d}, \Delta {T_{37}} \geqslant {T_d} \hfill \\ \;\;\;\;\mathit{\Delta }{{\text{T}}_{17}} \geqslant \mathit{\Delta }{{\text{T}}_{13}} \geqslant \mathit{\Delta }{{\text{T}}_{37}} > 0{\text{K}} \hfill \\ \end{gathered} $

其中T_d等于：

T_d=0.04761-0.01678θ+0.00599θ²式中，θ为扫描角。

4 结果分析

由于缺乏常规观测，只能采用间接判据来验证对流云判识结果。这里使用的判据包括与卫星同时次的AVHRR云图和24小时资料。

4.1 深对流探测结果与AVHRR云图

图 7(见彩页)给出了利用NOAA-16 AMSU资料反演得到的2006年7月7日06:24和2006年8月12日02:44(世界时)强对流分布与同时刻可见光云图的叠加图。由图可见，微波判断的深对流区与可见光云图中的上冲云顶突起对应很好。

4.2 深对流探测结果与强降水

强降水往往由对流系统所引起，强对流系统的发展往往会造成较强降雨，本文选取了6月19日和8月12日3次降雨过程分析微波识别的对流区与降水的匹配情况，通过将深对流识别结果叠加到24小时降水量等值面图(图 8，见彩页)上(1表示深对流，2表示冲顶对流，底图为2 4小时降水)，发现深对流区和冲顶对流区往往与强降水区相对应。

5 结论

对流的识别是卫星应用的重点，常用的红外通道阈值法可以给出对流的强度信息，但阈值的选取受很多因素影响，很难十分精确，且红外通道仅能提供云顶信息，而密卷云和积云的云顶亮温有时很难区分，仅用红外通道，可能会出现误判。微波通道具有穿透云的独特能力，可以探测到对流云的一些内部特征，定量识别深对流云和冲顶对流云，反映的对流信息也最为精确。

本文建立了一种利用NOAA卫星AMSU-B水汽通道亮温差定量判识深对流云和冲顶对流云的方法。本文方法对典型对流降水云团的判识结果显示，微波识别的对流云区可以较好的表征强降水的分布，其中的冲顶对流区与可见光云系的上冲云顶结构有着很好的对应。

虽然目前只有极轨卫星可以进行微波探测，探测时效和空间分辨率也较红外通道为低，但微波的对流探测可以作用静止卫星对流探测的重要验证和补充，利用相近时次的探测结果可以有效修正红外对流判识结果。我国第二代静止气象卫星(风云4号)将会搭载微波探测仪器，微波对流的监测能力将会得到进一步增强。