基于衛(wèi)星和雷達(dá)資料的FAST冰雹云特征分析及識(shí)別指標(biāo)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(yáng) 550081)

0 引言

500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，以下簡(jiǎn)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(yuǎn)鏡，但由于FAST射電望遠(yuǎn)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(lái)，頻繁遭受冰雹災(zāi)害威脅，尤其是2019年3月4日和2020年3月2日夜間，F(xiàn)AST臺(tái)址降了5mm的軟雹，反射面板遭受冰雹襲擊，對(duì)其安全運(yùn)行造成了一定影響。隨著多普勒天氣雷達(dá)布網(wǎng)的不斷加密，雷達(dá)資料在強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)分析和短臨預(yù)警方面起到關(guān)鍵作用[2-4]。Winston等[5]研究表明，垂直積分液態(tài)水含量對(duì)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(dá)與強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警之間的關(guān)系，指出產(chǎn)生大冰雹的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)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(guò)40 dBz的反射率因子核、風(fēng)暴頂輻射和雷達(dá)回波的三體散射；貴州大量個(gè)例分析表明[7-12]，冰雹云回波當(dāng)強(qiáng)度>45 dBz、高度>7 km且45 dBz回波高度超過(guò)0 ℃層高度并發(fā)展到對(duì)流云中上部時(shí)，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(bǔ)雷達(dá)觀測(cè)資料在探測(cè)冰雹方面的不足，但目前國(guó)內(nèi)在應(yīng)用靜止衛(wèi)星觀測(cè)資料進(jìn)行冰雹對(duì)流云系的識(shí)別研究工作比較少，尤其在云體特征的定量化統(tǒng)計(jì)分析研究方面相對(duì)較少。Maddox[13]指出發(fā)生中尺度對(duì)流系統(tǒng)的TBB臨界值為-32 ℃，當(dāng)TBB<-32 ℃時(shí)，伴隨著對(duì)流天氣現(xiàn)象。Adler等[14]研究表明，云頂亮溫梯度大小與云內(nèi)上升氣流是否強(qiáng)盛關(guān)系密切，TBB梯度可間接反映云團(tuán)內(nèi)部對(duì)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(duì)流發(fā)展的旺盛程度，冰雹產(chǎn)生的時(shí)段基本都在云團(tuán)的初期到成熟期，而降雹區(qū)域往往出現(xiàn)在TBB梯度密集處，移速快、膨脹迅速的云團(tuán)易產(chǎn)生冰雹和強(qiáng)風(fēng)。藍(lán)渝等[16]研究表明冰雹云在同時(shí)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(xiàn)。

近年來(lái)，雖然貴州在冰雹天氣的預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究及應(yīng)用方面都取得了較好的進(jìn)展，但由于受冰雹監(jiān)測(cè)預(yù)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(yù)判指揮作業(yè)準(zhǔn)備的時(shí)間很短，把握最佳的防雹作業(yè)時(shí)間難度較大。目前冰雹云的預(yù)警指標(biāo)研究多是針對(duì)大范圍區(qū)域，針對(duì)FAST固定目標(biāo)點(diǎn)的冰雹預(yù)警識(shí)別指標(biāo)尚未開(kāi)展過(guò)研究，因此本文選取近10a(2011—2020年)影響FAST區(qū)域的冰雹個(gè)例，開(kāi)展降雹持續(xù)時(shí)間、冰雹直徑、移動(dòng)速度等降雹特征的研究，揭示其源地和移動(dòng)路徑，并初步建立基于多普勒天氣雷達(dá)和衛(wèi)星資料FAST的冰雹云識(shí)別指標(biāo)，以期提高FAST冰雹天氣的防雹指導(dǎo)能力，盡最大努力保護(hù)國(guó)家重大工程。

1 資料

降雹觀測(cè)數(shù)據(jù)：對(duì)2011—2020年影響FAST的降雹信息進(jìn)行了收集和整理，降雹觀測(cè)資料采用距離FAST最近(10 km范圍內(nèi))的3個(gè)人工影響天氣作業(yè)站點(diǎn)(塘泥、光明、航龍，站點(diǎn)位置如圖1所示)、FAST臺(tái)址降雹信息以及貴州省區(qū)域氣象觀測(cè)站平塘縣站中FAST所在地克度鎮(zhèn)的冰雹觀測(cè)記錄。貴陽(yáng)站多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)：來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的風(fēng)云2號(hào)靜止衛(wèi)星反演的9210格式的1 h平均的相當(dāng)黑體亮度溫度產(chǎn)品TBB，其空間分辨率為0.1°×0.1°。國(guó)家氣象站貴陽(yáng)站探空資料。

圖1 距FAST 10 km左右人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)分布

2 影響FAST的降雹特征

在FAST聯(lián)防作業(yè)中，掌握影響FAST冰雹云的降雹時(shí)間、冰雹直徑、生成源地、移動(dòng)路徑方向以及移動(dòng)速度等基本特征，不僅能夠預(yù)測(cè)冰雹云移至FAST臺(tái)址所需時(shí)間，提前發(fā)出預(yù)警，還能預(yù)判冰雹云未來(lái)影響的區(qū)域，提前調(diào)度移動(dòng)路徑上的作業(yè)點(diǎn)。本節(jié)主要對(duì)2010—2020年7次影響FAST的降雹個(gè)例降雹特征進(jìn)行分析。

2.1 降雹的持續(xù)時(shí)間、冰雹直徑和移動(dòng)速度

降雹的持續(xù)時(shí)間對(duì)FAST具有重要影響，降雹持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一是單位面積上雹塊的數(shù)量明顯增加致使雹災(zāi)加重，二是長(zhǎng)時(shí)間的雹塊反復(fù)砸擊，會(huì)使承災(zāi)體受損逐漸加重，表1給出了7次降雹過(guò)程的降雹時(shí)間、冰雹尺寸、降雹點(diǎn)以及雹云平均移動(dòng)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(shí)段均在19—23時(shí)，僅1次降雹時(shí)段在02—03時(shí)，說(shuō)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(shí)間大多為2 min左右，2020年3月2日降雹持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到29 min，并且FAST臺(tái)址和周邊3個(gè)炮站均出現(xiàn)降雹，對(duì)FAST的威脅仍然較大。此外，結(jié)合冰雹云初生時(shí)刻和降雹開(kāi)始時(shí)刻可知，影響FAST的冰雹云從生成到降雹最長(zhǎng)維持時(shí)間為145 min(H3)，最快僅需要32 min(H7)。雹粒的尺寸對(duì)于FAST同樣具有重要影響，根據(jù)冰雹等級(jí)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[17]可知，影響FAST的7次個(gè)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(jiàn)影響FAST的冰雹主要為小—中冰雹。冰雹云從初生時(shí)刻至降雹的移動(dòng)速度在34.2～57.9 km/h，7次過(guò)程的平均移動(dòng)速度為45.5 km/h。

表1 FAST冰雹個(gè)例信息表

2.2 冰雹云源地和路徑

圖2為7次冰雹云移動(dòng)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(gè)例，H2、H4、H6)，其次是安順市鎮(zhèn)寧縣西北部(H3)、黔南州長(zhǎng)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(jīng)鎮(zhèn)寧縣、紫云縣、長(zhǎng)順縣、惠水縣至平塘縣，偏西路徑主要經(jīng)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(shí)間為112 min，平均移動(dòng)速度為45.5 km/h，降雹持續(xù)時(shí)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(dòng)路徑以西北路徑(鎮(zhèn)寧—紫云—長(zhǎng)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(shí)別指標(biāo)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(qiáng)弱以及云的過(guò)冷層厚度，還可以直接展示中小尺度對(duì)流發(fā)展的旺盛程度和推斷云團(tuán)所處階段，TBB溫度越低，對(duì)應(yīng)云頂越高，對(duì)流越旺盛，當(dāng)TBB 溫度達(dá)到-32 ℃，對(duì)流云高度有8 km左右，TBB溫度達(dá)到-54 ℃，對(duì)流云高度有11 km左右，為雷暴云系[18-19]。本節(jié)主要利用風(fēng)云2號(hào)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(shuō)明的是，由于衛(wèi)星資料時(shí)間分辨率為1 h，所以在選取降雹時(shí)刻TBB的時(shí)候，利用最接近降雹時(shí)間的時(shí)次。

圖3給出了7次個(gè)例在降雹前1 h、降雹時(shí)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(gè)例的FAST位于云系的TBB等值線密集處，H3和H5個(gè)例FAST位于云團(tuán)的冷中心，而非幾何中心；在降雹時(shí)刻，云團(tuán)面積迅速膨脹，TBB冷中心也進(jìn)一步降低，并且FAST和降雹點(diǎn)基本位于云團(tuán)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(tuán)主要繼續(xù)東移發(fā)展增強(qiáng)，說(shuō)明降雹主要發(fā)生在對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展旺盛階段。表2給出了這7次冰雹個(gè)例在降雹前后時(shí)刻對(duì)流云團(tuán)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(gè)例TBB值均小于-32 ℃，說(shuō)明在此時(shí)云團(tuán)已發(fā)展為對(duì)流云；在降雹時(shí)刻，云團(tuán)中心TBB最強(qiáng)可達(dá)-62.15 ℃(H1)，然而云團(tuán)中心TBB在-41.15 ℃(H5)也會(huì)產(chǎn)生降雹，并且TBB值相對(duì)于降雹前都明顯降低；此外，進(jìn)一步分析降雹時(shí)刻和降雹前1 h對(duì)流云團(tuán)中心TBB的差值可發(fā)現(xiàn)87%(H2～H7)的冰雹個(gè)例都在1～5 ℃范圍內(nèi)，說(shuō)明二者前后強(qiáng)度相差不大，因此可將降雹前1 h對(duì)流云團(tuán)中心TBB值可作為識(shí)別FAST冰雹云的強(qiáng)度指標(biāo)，從表2可知，降雹前1 hH1～H7對(duì)流云團(tuán)中心TBB的平均值約為-46 ℃。

表2 降雹前后時(shí)刻對(duì)流云團(tuán)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(chǎn)生的時(shí)段在云團(tuán)的成熟期，并且降雹點(diǎn)主要位于TBB梯度大值區(qū)，其次是在云團(tuán)的冷中心附近，與陳英英[20]等指出的對(duì)流云團(tuán)的生長(zhǎng)中心位于TBB低值區(qū)和陡變的溫度梯度區(qū)相對(duì)應(yīng)。此外，在降雹前1 h和降雹時(shí)刻，云團(tuán)中心TBB值基本維持一致，因此，可將降雹前1 h的云團(tuán)中心TBB值作為識(shí)別FAST冰雹云的強(qiáng)度指標(biāo)；結(jié)合TBB的空間分布及強(qiáng)中心特征，得出FAST區(qū)域降雹的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)識(shí)別判據(jù)，即在降雹前1 h，當(dāng)FAST區(qū)域出現(xiàn)呈西南—東北走向分布，并且云團(tuán)中心TBB到達(dá)-46 ℃以下的對(duì)流云時(shí)，在其TBB梯度密集的對(duì)流區(qū)會(huì)產(chǎn)生降雹。

4 降雹前30 min雷達(dá)識(shí)別指標(biāo)分析

本節(jié)基于貴陽(yáng)站多普勒天氣雷達(dá)(CD)數(shù)據(jù)，利用云精細(xì)化分析系統(tǒng)(CPAS)提取冰雹云從降雹前30 min最大回波強(qiáng)度(Zmax)、45 dBz回波頂高(H45dBz)、最大垂直累積液態(tài)含水量(VILmax)雷達(dá)特征參數(shù)和降雹過(guò)程臨近的0℃層高度(H0℃)和-20℃層高度(H-20 ℃)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)其進(jìn)行綜合分析，獲取對(duì)冰雹云識(shí)別具有指示意義的雷達(dá)特征參量指標(biāo)。

4.1 最大回波強(qiáng)度

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

圖4 冰雹云序列降雹前30 min最大回波強(qiáng)度變化(a)與不同回波強(qiáng)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(duì)冰雹預(yù)警具有指導(dǎo)意義[21]。本節(jié)主要對(duì)降雹前30 min冰雹云最大液態(tài)含水量VILmax進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(gè)例H7的15 kg/m2，是由于個(gè)例H7從冰雹云初生到降雹僅6個(gè)體掃，生消時(shí)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(gè)例；綜合考慮，可將降雹前30 min VILmax≥30 kg/m2作為FAST降雹的識(shí)別指標(biāo)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(dāng)云體中觀測(cè)到45 dBz以上的回波強(qiáng)度僅能說(shuō)明云體內(nèi)出現(xiàn)體積直徑為0.4 cm以上水汽凝結(jié)，必須結(jié)合其高度信息才能判斷是否發(fā)展為冰雹。因此，本節(jié)對(duì)45 dBz回波頂高與0 ℃層高度(H0℃)和-20 ℃層高度(H-20℃)進(jìn)行綜合分析。對(duì)7次過(guò)程降雹前30 min最大回波強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，個(gè)例H7最大回波強(qiáng)度為40 dBz，因此本節(jié)選取最大回波強(qiáng)度>45 dBz的6次過(guò)程降雹過(guò)程作為樣本，繪制了45 dBz回波頂高與對(duì)應(yīng)的H0 ℃和H-20 ℃分布，見(jiàn)圖6。由圖可知，45 dBz回波頂高在8～13 km范圍內(nèi)，其中4次過(guò)程主要在8～10 km，均超過(guò)零度層高度；因此，可將45 dBz回波頂高≥8 km作為FAST降雹的識(shí)別指標(biāo)之一。

圖6 影響FAST的7次冰雹過(guò)程45 dBz回波頂高與H0 ℃和H-20 ℃之間關(guān)系

4.4 典型高度差分析

45 dBz強(qiáng)回波頂高度與0 ℃層和-20 ℃層高度差能夠反映強(qiáng)回波區(qū)粒子的組成和地面降雹程度，當(dāng)45 dBz回波出現(xiàn)在0 ℃層高度層以上時(shí)，在該回波區(qū)域內(nèi)粒子是由混合形態(tài)粒子構(gòu)成(水粒子、冰相粒子等)，且H45 dBz越高，上升氣流越強(qiáng)，越有利于冰雹的形成。本節(jié)將降雹前30 min最大回波強(qiáng)度達(dá)到45 dBz以上的6次過(guò)程的45 dBz回波頂高分別與對(duì)應(yīng)的H0 ℃和H-20 ℃相減，繪制高度差分布圖，見(jiàn)圖7。從圖中可以看出，6次冰雹過(guò)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(shuō)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(yù)警指標(biāo)之一。

圖7 45 dBz回波頂高與H0 ℃和H-20 ℃高度差關(guān)系

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)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(dá)特征參數(shù)進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)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(shí)間為112 min，平均移動(dòng)速度為45.5 km/h，降雹持續(xù)時(shí)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(dòng)路徑以西北和偏西路徑為主。

②結(jié)合衛(wèi)星TBB和雷達(dá)特征參數(shù)演變規(guī)律，初步建立基于雷達(dá)和衛(wèi)星的FAST冰雹云識(shí)別的指標(biāo)：降雹前1 h，F(xiàn)AST區(qū)域TBB呈西南—東北走向分布，云團(tuán)中心TBB<-46 ℃，TBB梯度密集的對(duì)流區(qū)會(huì)產(chǎn)生降雹，降雹前30 min識(shí)別指標(biāo)為Zmax≥55 dBz，VILmax≥30 kg/m2，H45dBz≥8 km，H45dBz- H0℃>4 km，H45dBz- H-20℃>1 km。