8．3 卫星、雷达探测资料的应用
8．3．1 气象卫星探测资料的应用

    1960年气象卫星问世，它使气象工作者改变了过去只能自下而上，通过离散分布的气象台站所观测到的气象要素来分析诊断天气形势的局面。卫星自上而下观测地球大气，所拍摄的云图直观、形象，加深了预报人员对天气系统的理解，促进了天气预报准确率的提高。在实际工作中，可以应用卫星探测资料估计降水，分析和预报热带气旋、对流尺度天气和天气尺度系统。此外，卫星探测资料在航空和航海气象保障中也有广泛的应用。

    1．降水的分析和预报

    静止卫星为降水估计提供了最为有用的资料，而极轨卫星资料则多少受到一定的限制。“云指数法”和“云生命史法”是两类基本的降水估计方法。所谓云指数法是指在仅能获得极轨卫星资料的地方所使用的基本方法，它主要是根据云图或定量辐射资料确定的指数来反映云区特征，应用经验估计出降水的潜势。云生命史法则是运用静止卫星资料跟踪云场的整个生命史来做出降水估计，如Scofield和Oliver(1987)的对流雷暴降水计算方法。强调综合利用卫星水汽(WV)、红外(IR)和可见光(VIS)资料，Scofield(1993)提出用卫星预报漏斗(Satellite forecasting funnel)方法，制作0～48小时的降水预报。这种卫星预报漏斗(如图8.12所示)表示了从全球尺度到天气尺度，到中尺度，最后到风暴尺度的气象尺度和过程的串级(concatenation)。产生暴雨的中尺度对流系统(MCS)是一个多尺度和串级的天气事件。

    此外，还可以用微波观测作降水估计。在以降水为主要衰减源的低于50GHZ频率的窗区中，微波可以穿透云层。在海洋上空，微波观测到的无雨区中相对低的亮温(brightnesstemperature)与在降水区中观测到的较高亮温之间形成强烈的对比。亮温的这种鲜明对比(大于50K)，已经引起人们在洋面上空使用微波辐射测量技术的兴趣。

    2．热带气旋的分析和预报

    气象卫星特别适合于担当热带气旋的监视任务。自从1960年以来，气象卫星已经给气象工作者提供了大量有关热带气旋的位置、强度和移动方向的信息。由此得到的大部分知识，已经广泛应用于全球范围的热带气旋分析和预报业务中，并且在热带气旋警报系统中起着关键性的作用。估计热带气旋强度，可以通过了解热带气旋云型过去的历史以得到现行的强度分析规则，并运用经验模式，描述其发展期间逐日应当出现的云型变化。在业务工作中，预报员借助判断树(decisiontree)方法，应用上述分析规则，确定热带气旋强度等级。把数字化红外图像结合到上述方法中，可以更加客观地确定热带气旋的强度。红外资料可以昼夜监视云型演变，并可以为定量估计热带气旋强度提供良好的云顶高度估计。

    运用卫星资料预报热带气旋强度的其他方法，包括从简单地用外推法观测到的风暴发展趋势，到比较客观地运用由云的移动，计算出散度、涡度和垂直切变，以及红外云顶温度的变化等。利用卫星携带的微波探测装置(MSU)获得的探测资料，可以确定热带气旋上部的暖核，还可以帮助监视热带风暴强度的变化。对动画图像中风暴中心过去的移动作简单外推，或运用可见光和红外云图上的云型及水汽图上的水汽型的变化，以及运用由卫星观测推导得到的大气深层次的风等方法，都可以预报热带气旋的移动。

    3．对流尺度天气分析和预报

    卫星云图展示了包括从天气尺度到中尺度的气象信息。各种尺度天气系统的运动和演变，可以较容易地由两张以上连续的半小时一次的卫星云图来确定。因此，静止卫星在了解、监视及对中尺度系统发展作出临近预报中发挥着核心的作用。在卫星云图或动画显示的云图上观测到的云的种类和外形，代表了大气中正在发生的动力学和热力学过程的综合效应，把这种连续时次的云图进行动画显示，并与雷达、地面和高空观测资料结合起来，就能更好地分析、预报许多中尺度天气过程。

    利用卫星云图可以观测到不同加热对对流发展的影响，如海陆风、清晨的云覆盖以及弧状云线等，它们代表着由不同加热而形成的局地辐合带。一般情况下，有组织的辐合线在强对流沿它们发展之前，可以在卫星图像上监测出来。利用可见光图像可以观测到飑线与其他边界的相互作用，以及弧状云、强雷暴和龙卷的发展。上冲云顶雷暴可以在可见光云图上被观测到，这些上冲云顶雷暴往往与强天气过程相联系。与可见光图像相比较，红外图像可以为强风暴发展中的积雨云塔的增长高度以及覆盖面积，提供更加精确的信息，例如，V字型或马蹄型脊红外温度型就是强对流风暴活动的一个良好指标。

    4．天气尺度系统的分析和预报

    在天气尺度系统的分析和预报中，可以用红外、可见光和水汽图像识别天气系统并确定其位置，估计其强度和发展趋势。特别是在资料稀少的高原、沙漠、海洋上，重要的天气系统很少出现漏测现象。利用动画显示的云图或比较连续时次的云图，观察云型和水汽型的变化，可以分析大气系统强度和移动的变化。卫星云图还是检测云环境和其他天气现象的有用工具，即使在常规观测报告相对密集的地方也是如此。卫星图像提供了在空间上连续的资料，从而提高了预报员解释常规观测报告的能力。根据卫星云图资料概括出的天气尺度系统生命史概念模式，已被广泛地应用于天气分析和预报，Bader等人(1995)给出了七种类型的气旋生命史概念模式(图略)，它们包括了在高空图和卫星红外云图上，可以看到的气旋生成先兆期、发展期和成熟期的主要特征，为预报员解释和理解实际天气形势提供了依据。利用静止卫星还可以得到比日常定时天气报告更加频繁的短间隔图像，这对观测山区和其他资料稀少地区的云和天气特别有用。卫星图像与无线电探空报告、飞机报告以及其他形式的卫星资料相结合，可以改进和订正高空天气形势分析。利用半小时一次的静止卫星图像，追踪两次无线电探空报告之间的高空环流形势的演变特征，这在天气系统发生迅速变化的情况下尤为有用。

    此外，气象卫星特别是静止气象卫星的可见光、红外图像，已被直接用来为航空气象保障服务，提供有关航线和预降机场上的云量、雾、对流风暴及大气气溶胶等的位置和发展状况的最新信息。气象卫星还为航海提供估计的海面风速风向，海洋强气旋等详细资料。

8．3．2 雷达探测资料的应用

    雷达能够迅速、准确、细致地测定降水区的位置、范围、强度、性质，以及它们随时间的变化情况，它是一种掌握降水动态和提供降水临近预报的有效工具。自1950年代以来，天气雷达在中尺度天气研究中发挥了重要的作用。来自大气中各种目标物的雷达回波强度、回波形状的演变，以及与之相联系的多普勒速度，都提供了有关目标物本身的信息，以及对流和中尺度大气运动对该目标物作用的信息。现今使用的S波段(10cm)和C波段(5cm)天气雷达所观测到的回波，绝大多数来目于降水，它能够随时探测到测对周围一定范围内降水的发生、发展、消散以及移动等情况。多普勒雷达可以探测到降水云内和晴空大气中的水平风场和铅直风场，降水滴谱和大气湍流等，可以探测冰雹、龙卷、下击暴流等。雷达在天气预报工作中的应用主要是，进行中尺度天气分析以及利用线性外推法等制作临近预报。

    由于雷达提供频繁的、详细的、空间连续的观测资料，它与静止气象卫星一起，成为识别重要的中尺度天气现象的极为有用的工具。它不仅可以识别这些天气事件的发生，而且还可以依据概念模式推测出雷达未能探测到的特征。例如，根据线对流回波，可以推断出水平风切变的存在；用雷达组网获得的雷达综合拼图资料，可以分析出尺度较大的天气事件。

    通过比较2～3张连续的雷达图像识别出的天气现象或降水图型，在确定了各部分的速度以后，利用线性外推方法可以作出临近预报。外推的有效时间与当时具体的形势有关，强对流降水单体的外推有效时间极短(＜1小时)，其原因部分在于观测误差，但更为重要的是系统本身的非线性发展所造成的。单独利用线性外推方法，结果有用，但效果有限。如果在预报中还要考虑重要的非线性变化，则必须同时利用由数值预报模式提供的，有关对流风暴单体运动和发展的其他信息。