基于衛(wèi)星和雷達資料的FAST冰雹云特征分析及識別指標初探

羅 雄，羅喜平，李枚曼，曾 勇，李 皓

(貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引言

500 m口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，以下簡稱FAST)于2016年9月25日在平塘縣克度鎮(zhèn)落成啟用，是世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，但由于FAST射電望遠鏡反射面板僅1 mm的鋁合金[1]，極易受到冰雹沖擊損傷。FAST啟用以來，頻繁遭受冰雹災害威脅，尤其是2019年3月4日和2020年3月2日夜間，FAST臺址降了5mm的軟雹，反射面板遭受冰雹襲擊，對其安全運行造成了一定影響。隨著多普勒天氣雷達布網的不斷加密，雷達資料在強對流天氣的監(jiān)測分析和短臨預警方面起到關鍵作用[2-4]。Winston等[5]研究表明，垂直積分液態(tài)水含量對冰雹的存在有較好的指示作用。俞小鼎等[6]分析了多普勒天氣雷達與強對流天氣預警之間的關系，指出產生大冰雹的強對流風暴最顯著特征是在垂直剖面圖上高懸的反射率因子高值區(qū)、-20 ℃等溫線高度之上的超過40 dBz的反射率因子核、風暴頂輻射和雷達回波的三體散射；貴州大量個例分析表明[7-12]，冰雹云回波當強度>45 dBz、高度>7 km且45 dBz回波高度超過0 ℃層高度并發(fā)展到對流云中上部時，將可能發(fā)生冰雹。靜止氣象衛(wèi)星資料在一定程度上能夠彌補雷達觀測資料在探測冰雹方面的不足，但目前國內在應用靜止衛(wèi)星觀測資料進行冰雹對流云系的識別研究工作比較少，尤其在云體特征的定量化統(tǒng)計分析研究方面相對較少。Maddox[13]指出發(fā)生中尺度對流系統(tǒng)的TBB臨界值為-32 ℃，當TBB<-32 ℃時，伴隨著對流天氣現象。Adler等[14]研究表明，云頂亮溫梯度大小與云內上升氣流是否強盛關系密切，TBB梯度可間接反映云團內部對流的活躍程度。許新田等[15]研究表明TBB演變可以清晰地看到中尺度系統(tǒng)對流發(fā)展的旺盛程度，冰雹產生的時段基本都在云團的初期到成熟期，而降雹區(qū)域往往出現在TBB梯度密集處，移速快、膨脹迅速的云團易產生冰雹和強風。藍渝等[16]研究表明冰雹云在同時具備低云頂亮溫和大亮溫梯度的條件下，更有利于10 mm以上大冰雹的出現。

近年來，雖然貴州在冰雹天氣的預報和監(jiān)測預警技術研究及應用方面都取得了較好的進展，但由于受冰雹監(jiān)測預警能力有限、局地冰雹生消快、冰雹路徑多變等諸多因素的限制，因此在人工防雹作業(yè)中留給指揮人員及作業(yè)人員的預判指揮作業(yè)準備的時間很短，把握最佳的防雹作業(yè)時間難度較大。目前冰雹云的預警指標研究多是針對大范圍區(qū)域，針對FAST固定目標點的冰雹預警識別指標尚未開展過研究，因此本文選取近10a(2011—2020年)影響FAST區(qū)域的冰雹個例，開展降雹持續(xù)時間、冰雹直徑、移動速度等降雹特征的研究，揭示其源地和移動路徑，并初步建立基于多普勒天氣雷達和衛(wèi)星資料FAST的冰雹云識別指標，以期提高FAST冰雹天氣的防雹指導能力，盡最大努力保護國家重大工程。

1 資料

降雹觀測數據：對2011—2020年影響FAST的降雹信息進行了收集和整理，降雹觀測資料采用距離FAST最近(10 km范圍內)的3個人工影響天氣作業(yè)站點(塘泥、光明、航龍，站點位置如圖1所示)、FAST臺址降雹信息以及貴州省區(qū)域氣象觀測站平塘縣站中FAST所在地克度鎮(zhèn)的冰雹觀測記錄。貴陽站多普勒天氣雷達數據：來源于國家氣象科學數據中心的風云2號靜止衛(wèi)星反演的9210格式的1 h平均的相當黑體亮度溫度產品TBB，其空間分辨率為0.1°×0.1°。國家氣象站貴陽站探空資料。

圖1 距FAST 10 km左右人工影響天氣作業(yè)點分布

2 影響FAST的降雹特征

在FAST聯防作業(yè)中，掌握影響FAST冰雹云的降雹時間、冰雹直徑、生成源地、移動路徑方向以及移動速度等基本特征，不僅能夠預測冰雹云移至FAST臺址所需時間，提前發(fā)出預警，還能預判冰雹云未來影響的區(qū)域，提前調度移動路徑上的作業(yè)點。本節(jié)主要對2010—2020年7次影響FAST的降雹個例降雹特征進行分析。

2.1 降雹的持續(xù)時間、冰雹直徑和移動速度

降雹的持續(xù)時間對FAST具有重要影響，降雹持續(xù)時間長，一是單位面積上雹塊的數量明顯增加致使雹災加重，二是長時間的雹塊反復砸擊，會使承災體受損逐漸加重，表1給出了7次降雹過程的降雹時間、冰雹尺寸、降雹點以及雹云平均移動速度等基本信息，由表可知，7次降雹均發(fā)生在春季，其中6次降雹時段均在19—23時，僅1次降雹時段在02—03時，說明影響FAST冰雹主要發(fā)生在春季的傍晚到夜間，影響FAST的降雹持續(xù)時間大多為2 min左右，2020年3月2日降雹持續(xù)時間最長，達到29 min，并且FAST臺址和周邊3個炮站均出現降雹，對FAST的威脅仍然較大。此外，結合冰雹云初生時刻和降雹開始時刻可知，影響FAST的冰雹云從生成到降雹最長維持時間為145 min(H3)，最快僅需要32 min(H7)。雹粒的尺寸對于FAST同樣具有重要影響，根據冰雹等級的國家標準[17]可知，影響FAST的7次個例有4次為冰雹直徑在5～10 mm的中冰雹，3次為冰雹直徑<5 mm的小冰雹，可見影響FAST的冰雹主要為小—中冰雹。冰雹云從初生時刻至降雹的移動速度在34.2～57.9 km/h，7次過程的平均移動速度為45.5 km/h。

表1 FAST冰雹個例信息表

2.2 冰雹云源地和路徑

圖2為7次冰雹云移動矢量路徑圖，由圖可知，影響FAST的冰雹云主要源地在安順市紫云縣西部和北部(3次個例，H2、H4、H6)，其次是安順市鎮(zhèn)寧縣西北部(H3)、黔南州長順縣南部(H1)、黔南州羅甸縣北部(H7)和黔西南州興仁縣東部(H5)；其主要路徑為西北路徑(H1、H2、H3、H4、H6)，其次是偏西路徑(H5)和西南路徑(H7)，西北路徑主要經鎮(zhèn)寧縣、紫云縣、長順縣、惠水縣至平塘縣，偏西路徑主要經鎮(zhèn)寧縣、紫云縣、羅甸縣至平塘縣，而西南路徑由羅甸縣至平塘縣。

圖2 影響FAST的冰雹云路徑圖

綜上所述，影響FAST冰雹主要發(fā)生在春季的傍晚到夜間，冰雹云從初生到降雹平均時間為112 min，平均移動速度為45.5 km/h，降雹持續(xù)時間主要為2 min左右，冰雹直徑以小于等于10 mm的小冰雹和中冰雹為主；冰雹云源地主要在安順市，其次是黔西南州北部，其移動路徑以西北路徑(鎮(zhèn)寧—紫云—長順—惠水—平塘)為主，其次是偏西路徑(鎮(zhèn)寧—紫云—羅甸—平塘)和西南路徑(羅甸—平塘)。

3 衛(wèi)星TBB識別指標分析

氣象衛(wèi)星反演的云頂黑體亮溫(TBB)不僅能夠反映出云的發(fā)展高度、上升氣流的強弱以及云的過冷層厚度，還可以直接展示中小尺度對流發(fā)展的旺盛程度和推斷云團所處階段，TBB溫度越低，對應云頂越高，對流越旺盛，當TBB 溫度達到-32 ℃，對流云高度有8 km左右，TBB溫度達到-54 ℃，對流云高度有11 km左右，為雷暴云系[18-19]。本節(jié)主要利用風云2號衛(wèi)星的TBB資料，分析影響FAST的冰雹云在降雹前后的TBB分布特征。需要說明的是，由于衛(wèi)星資料時間分辨率為1 h，所以在選取降雹時刻TBB的時候，利用最接近降雹時間的時次。

圖3給出了7次個例在降雹前1 h、降雹時刻、降雹后1 h TBB的空間分布，由圖可知，在降雹前1 h，云系基本上均呈西南—東北走向的帶狀分布，其中H2、H6和H7個例的FAST位于云系的TBB等值線密集處，H3和H5個例FAST位于云團的冷中心，而非幾何中心；在降雹時刻，云團面積迅速膨脹，TBB冷中心也進一步降低，并且FAST和降雹點基本位于云團的TBB梯度的大值區(qū)(H1、H2、H3、H5、H7)和TBB冷中心的前部邊緣(H4、H6)。降雹后冰雹云云團主要繼續(xù)東移發(fā)展增強，說明降雹主要發(fā)生在對流云團的發(fā)展旺盛階段。表2給出了這7次冰雹個例在降雹前后時刻對流云團中心TBB的最小值。分析降雹前1 h的TBB值可知，除H1之外，其余6次個例TBB值均小于-32 ℃，說明在此時云團已發(fā)展為對流云；在降雹時刻，云團中心TBB最強可達-62.15 ℃(H1)，然而云團中心TBB在-41.15 ℃(H5)也會產生降雹，并且TBB值相對于降雹前都明顯降低；此外，進一步分析降雹時刻和降雹前1 h對流云團中心TBB的差值可發(fā)現87%(H2～H7)的冰雹個例都在1～5 ℃范圍內，說明二者前后強度相差不大，因此可將降雹前1 h對流云團中心TBB值可作為識別FAST冰雹云的強度指標，從表2可知，降雹前1 hH1～H7對流云團中心TBB的平均值約為-46 ℃。

表2 降雹前后時刻對流云團中心TBB最小值(單位：℃)

綜上所述，冰雹云的形態(tài)分布基本上都為西南—東北走向，冰雹產生的時段在云團的成熟期，并且降雹點主要位于TBB梯度大值區(qū)，其次是在云團的冷中心附近，與陳英英[20]等指出的對流云團的生長中心位于TBB低值區(qū)和陡變的溫度梯度區(qū)相對應。此外，在降雹前1 h和降雹時刻，云團中心TBB值基本維持一致，因此，可將降雹前1 h的云團中心TBB值作為識別FAST冰雹云的強度指標；結合TBB的空間分布及強中心特征，得出FAST區(qū)域降雹的衛(wèi)星監(jiān)測識別判據，即在降雹前1 h，當FAST區(qū)域出現呈西南—東北走向分布，并且云團中心TBB到達-46 ℃以下的對流云時，在其TBB梯度密集的對流區(qū)會產生降雹。

4 降雹前30 min雷達識別指標分析

本節(jié)基于貴陽站多普勒天氣雷達(CD)數據，利用云精細化分析系統(tǒng)(CPAS)提取冰雹云從降雹前30 min最大回波強度(Zmax)、45 dBz回波頂高(H45dBz)、最大垂直累積液態(tài)含水量(VILmax)雷達特征參數和降雹過程臨近的0℃層高度(H0℃)和-20℃層高度(H-20 ℃)，利用數理統(tǒng)計分析方法對其進行綜合分析，獲取對冰雹云識別具有指示意義的雷達特征參量指標。

4.1 最大回波強度

圖4給出了影響FAST的7次冰雹過程降雹前30 min最大回波強度的變化曲線與不同最大回波的強度所占頻次。由圖可知，在降雹前30 min，7次冰雹過程的最大回波強度在40～70 dBz之間，其中有6次(占85.7%)過程降雹前最大回波達到55 dBz以上，有3次過程最大回波為65 dBz，只有1次過程(H7)最大回波強度為40 dBz；因此可將降雹前30 min最大回波強度>40 dBz作為FAST可能降雹的初始條件，最大回波強度≥55 dBz作為FAST降雹的識別指標之一。

圖4 冰雹云序列降雹前30 min最大回波強度變化(a)與不同回波強度占比(b)分布

4.2 垂直累積液態(tài)含水量

VIL表示云體重單位面積垂直液態(tài)水的總量，其對冰雹預警具有指導意義[21]。本節(jié)主要對降雹前30 min冰雹云最大液態(tài)含水量VILmax進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結果如圖5所示。由圖可知，在降雹前30 min VILmax值主要集中在30～50 kg/m2之間(占85.7%)；最小值為個例H7的15 kg/m2，是由于個例H7從冰雹云初生到降雹僅6個體掃，生消時間快，降雹前30 min處于其初生階段，所以VILmax值明顯小于其他個例；綜合考慮，可將降雹前30 min VILmax≥30 kg/m2作為FAST降雹的識別指標之一。

圖5 冰雹云序列降雹前30 min VIL最大值變化(a)與不同VIL值占比分布(b)

4.3 45 dBz回波頂高度

當云體中觀測到45 dBz以上的回波強度僅能說明云體內出現體積直徑為0.4 cm以上水汽凝結，必須結合其高度信息才能判斷是否發(fā)展為冰雹。因此，本節(jié)對45 dBz回波頂高與0 ℃層高度(H0℃)和-20 ℃層高度(H-20℃)進行綜合分析。對7次過程降雹前30 min最大回波強度統(tǒng)計發(fā)現，個例H7最大回波強度為40 dBz，因此本節(jié)選取最大回波強度>45 dBz的6次過程降雹過程作為樣本，繪制了45 dBz回波頂高與對應的H0 ℃和H-20 ℃分布，見圖6。由圖可知，45 dBz回波頂高在8～13 km范圍內，其中4次過程主要在8～10 km，均超過零度層高度；因此，可將45 dBz回波頂高≥8 km作為FAST降雹的識別指標之一。

圖6 影響FAST的7次冰雹過程45 dBz回波頂高與H0 ℃和H-20 ℃之間關系

4.4 典型高度差分析

45 dBz強回波頂高度與0 ℃層和-20 ℃層高度差能夠反映強回波區(qū)粒子的組成和地面降雹程度，當45 dBz回波出現在0 ℃層高度層以上時，在該回波區(qū)域內粒子是由混合形態(tài)粒子構成(水粒子、冰相粒子等)，且H45 dBz越高，上升氣流越強，越有利于冰雹的形成。本節(jié)將降雹前30 min最大回波強度達到45 dBz以上的6次過程的45 dBz回波頂高分別與對應的H0 ℃和H-20 ℃相減，繪制高度差分布圖，見圖7。從圖中可以看出，6次冰雹過程45 dBz回波頂高均在H0 ℃和H-20 ℃高度層以上，并且H45 dBz- H0℃>4 km，H45dBz- H-20 ℃>1 km，說明冰雹云發(fā)展旺盛。因此，可將H45dBz- H0℃>4 km，H45dBz- H-20 ℃>1 km作為FAST降雹預警指標之一。

圖7 45 dBz回波頂高與H0 ℃和H-20 ℃高度差關系

5 結論

本文通過對近10a影響FAST的7次冰雹云的降雹特征、衛(wèi)星TBB特征和Zmax、VILmax、H45dBz等雷達特征參數進行分析，得到以下主要結論：

①影響FAST的冰雹主要發(fā)生在春季傍晚到夜間，冰雹云從初生到降雹平均時間為112 min，平均移動速度為45.5 km/h，降雹持續(xù)時間主要為2 min左右，冰雹直徑以小于等于10 mm的小冰雹和中冰雹為主；冰雹云主要源地在安順市，移動路徑以西北和偏西路徑為主。

②結合衛(wèi)星TBB和雷達特征參數演變規(guī)律，初步建立基于雷達和衛(wèi)星的FAST冰雹云識別的指標：降雹前1 h，FAST區(qū)域TBB呈西南—東北走向分布，云團中心TBB<-46 ℃，TBB梯度密集的對流區(qū)會產生降雹，降雹前30 min識別指標為Zmax≥55 dBz，VILmax≥30 kg/m2，H45dBz≥8 km，H45dBz- H0℃>4 km，H45dBz- H-20℃>1 km。