基于卫星和雷达资料的FAST冰雹云特征分析及识别指标初探

罗 雄，罗喜平，李枚曼，曾 勇，李 皓

(贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081)

0 引言

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，以下简称FAST)于2016年9月25日在平塘县克度镇落成启用，是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，但由于FAST射电望远镜反射面板仅1 mm的铝合金[1]，极易受到冰雹冲击损伤。FAST启用以来，频繁遭受冰雹灾害威胁，尤其是2019年3月4日和2020年3月2日夜间，FAST台址降了5mm的软雹，反射面板遭受冰雹袭击，对其安全运行造成了一定影响。随着多普勒天气雷达布网的不断加密，雷达资料在强对流天气的监测分析和短临预警方面起到关键作用[2-4]。Winston等[5]研究表明，垂直积分液态水含量对冰雹的存在有较好的指示作用。俞小鼎等[6]分析了多普勒天气雷达与强对流天气预警之间的关系，指出产生大冰雹的强对流风暴最显著特征是在垂直剖面图上高悬的反射率因子高值区、-20 ℃等温线高度之上的超过40 dBz的反射率因子核、风暴顶辐射和雷达回波的三体散射；贵州大量个例分析表明[7-12]，冰雹云回波当强度>45 dBz、高度>7 km且45 dBz回波高度超过0 ℃层高度并发展到对流云中上部时，将可能发生冰雹。静止气象卫星资料在一定程度上能够弥补雷达观测资料在探测冰雹方面的不足，但目前国内在应用静止卫星观测资料进行冰雹对流云系的识别研究工作比较少，尤其在云体特征的定量化统计分析研究方面相对较少。Maddox[13]指出发生中尺度对流系统的TBB临界值为-32 ℃，当TBB<-32 ℃时，伴随着对流天气现象。Adler等[14]研究表明，云顶亮温梯度大小与云内上升气流是否强盛关系密切，TBB梯度可间接反映云团内部对流的活跃程度。许新田等[15]研究表明TBB演变可以清晰地看到中尺度系统对流发展的旺盛程度，冰雹产生的时段基本都在云团的初期到成熟期，而降雹区域往往出现在TBB梯度密集处，移速快、膨胀迅速的云团易产生冰雹和强风。蓝渝等[16]研究表明冰雹云在同时具备低云顶亮温和大亮温梯度的条件下，更有利于10 mm以上大冰雹的出现。

近年来，虽然贵州在冰雹天气的预报和监测预警技术研究及应用方面都取得了较好的进展，但由于受冰雹监测预警能力有限、局地冰雹生消快、冰雹路径多变等诸多因素的限制，因此在人工防雹作业中留给指挥人员及作业人员的预判指挥作业准备的时间很短，把握最佳的防雹作业时间难度较大。目前冰雹云的预警指标研究多是针对大范围区域，针对FAST固定目标点的冰雹预警识别指标尚未开展过研究，因此本文选取近10a(2011—2020年)影响FAST区域的冰雹个例，开展降雹持续时间、冰雹直径、移动速度等降雹特征的研究，揭示其源地和移动路径，并初步建立基于多普勒天气雷达和卫星资料FAST的冰雹云识别指标，以期提高FAST冰雹天气的防雹指导能力，尽最大努力保护国家重大工程。

1 资料

降雹观测数据：对2011—2020年影响FAST的降雹信息进行了收集和整理，降雹观测资料采用距离FAST最近(10 km范围内)的3个人工影响天气作业站点(塘泥、光明、航龙，站点位置如图1所示)、FAST台址降雹信息以及贵州省区域气象观测站平塘县站中FAST所在地克度镇的冰雹观测记录。贵阳站多普勒天气雷达数据：来源于国家气象科学数据中心的风云2号静止卫星反演的9210格式的1 h平均的相当黑体亮度温度产品TBB，其空间分辨率为0.1°×0.1°。国家气象站贵阳站探空资料。

图1 距FAST 10 km左右人工影响天气作业点分布

2 影响FAST的降雹特征

在FAST联防作业中，掌握影响FAST冰雹云的降雹时间、冰雹直径、生成源地、移动路径方向以及移动速度等基本特征，不仅能够预测冰雹云移至FAST台址所需时间，提前发出预警，还能预判冰雹云未来影响的区域，提前调度移动路径上的作业点。本节主要对2010—2020年7次影响FAST的降雹个例降雹特征进行分析。

2.1 降雹的持续时间、冰雹直径和移动速度

降雹的持续时间对FAST具有重要影响，降雹持续时间长，一是单位面积上雹块的数量明显增加致使雹灾加重，二是长时间的雹块反复砸击，会使承灾体受损逐渐加重，表1给出了7次降雹过程的降雹时间、冰雹尺寸、降雹点以及雹云平均移动速度等基本信息，由表可知，7次降雹均发生在春季，其中6次降雹时段均在19—23时，仅1次降雹时段在02—03时，说明影响FAST冰雹主要发生在春季的傍晚到夜间，影响FAST的降雹持续时间大多为2 min左右，2020年3月2日降雹持续时间最长，达到29 min，并且FAST台址和周边3个炮站均出现降雹，对FAST的威胁仍然较大。此外，结合冰雹云初生时刻和降雹开始时刻可知，影响FAST的冰雹云从生成到降雹最长维持时间为145 min(H3)，最快仅需要32 min(H7)。雹粒的尺寸对于FAST同样具有重要影响，根据冰雹等级的国家标准[17]可知，影响FAST的7次个例有4次为冰雹直径在5～10 mm的中冰雹，3次为冰雹直径<5 mm的小冰雹，可见影响FAST的冰雹主要为小—中冰雹。冰雹云从初生时刻至降雹的移动速度在34.2～57.9 km/h，7次过程的平均移动速度为45.5 km/h。

表1 FAST冰雹个例信息表

2.2 冰雹云源地和路径

图2为7次冰雹云移动矢量路径图，由图可知，影响FAST的冰雹云主要源地在安顺市紫云县西部和北部(3次个例，H2、H4、H6)，其次是安顺市镇宁县西北部(H3)、黔南州长顺县南部(H1)、黔南州罗甸县北部(H7)和黔西南州兴仁县东部(H5)；其主要路径为西北路径(H1、H2、H3、H4、H6)，其次是偏西路径(H5)和西南路径(H7)，西北路径主要经镇宁县、紫云县、长顺县、惠水县至平塘县，偏西路径主要经镇宁县、紫云县、罗甸县至平塘县，而西南路径由罗甸县至平塘县。

图2 影响FAST的冰雹云路径图

综上所述，影响FAST冰雹主要发生在春季的傍晚到夜间，冰雹云从初生到降雹平均时间为112 min，平均移动速度为45.5 km/h，降雹持续时间主要为2 min左右，冰雹直径以小于等于10 mm的小冰雹和中冰雹为主；冰雹云源地主要在安顺市，其次是黔西南州北部，其移动路径以西北路径(镇宁—紫云—长顺—惠水—平塘)为主，其次是偏西路径(镇宁—紫云—罗甸—平塘)和西南路径(罗甸—平塘)。

3 卫星TBB识别指标分析

气象卫星反演的云顶黑体亮温(TBB)不仅能够反映出云的发展高度、上升气流的强弱以及云的过冷层厚度，还可以直接展示中小尺度对流发展的旺盛程度和推断云团所处阶段，TBB温度越低，对应云顶越高，对流越旺盛，当TBB 温度达到-32 ℃，对流云高度有8 km左右，TBB温度达到-54 ℃，对流云高度有11 km左右，为雷暴云系[18-19]。本节主要利用风云2号卫星的TBB资料，分析影响FAST的冰雹云在降雹前后的TBB分布特征。需要说明的是，由于卫星资料时间分辨率为1 h，所以在选取降雹时刻TBB的时候，利用最接近降雹时间的时次。

图3给出了7次个例在降雹前1 h、降雹时刻、降雹后1 h TBB的空间分布，由图可知，在降雹前1 h，云系基本上均呈西南—东北走向的带状分布，其中H2、H6和H7个例的FAST位于云系的TBB等值线密集处，H3和H5个例FAST位于云团的冷中心，而非几何中心；在降雹时刻，云团面积迅速膨胀，TBB冷中心也进一步降低，并且FAST和降雹点基本位于云团的TBB梯度的大值区(H1、H2、H3、H5、H7)和TBB冷中心的前部边缘(H4、H6)。降雹后冰雹云云团主要继续东移发展增强，说明降雹主要发生在对流云团的发展旺盛阶段。表2给出了这7次冰雹个例在降雹前后时刻对流云团中心TBB的最小值。分析降雹前1 h的TBB值可知，除H1之外，其余6次个例TBB值均小于-32 ℃，说明在此时云团已发展为对流云；在降雹时刻，云团中心TBB最强可达-62.15 ℃(H1)，然而云团中心TBB在-41.15 ℃(H5)也会产生降雹，并且TBB值相对于降雹前都明显降低；此外，进一步分析降雹时刻和降雹前1 h对流云团中心TBB的差值可发现87%(H2～H7)的冰雹个例都在1～5 ℃范围内，说明二者前后强度相差不大，因此可将降雹前1 h对流云团中心TBB值可作为识别FAST冰雹云的强度指标，从表2可知，降雹前1 hH1～H7对流云团中心TBB的平均值约为-46 ℃。

表2 降雹前后时刻对流云团中心TBB最小值(单位：℃)

综上所述，冰雹云的形态分布基本上都为西南—东北走向，冰雹产生的时段在云团的成熟期，并且降雹点主要位于TBB梯度大值区，其次是在云团的冷中心附近，与陈英英[20]等指出的对流云团的生长中心位于TBB低值区和陡变的温度梯度区相对应。此外，在降雹前1 h和降雹时刻，云团中心TBB值基本维持一致，因此，可将降雹前1 h的云团中心TBB值作为识别FAST冰雹云的强度指标；结合TBB的空间分布及强中心特征，得出FAST区域降雹的卫星监测识别判据，即在降雹前1 h，当FAST区域出现呈西南—东北走向分布，并且云团中心TBB到达-46 ℃以下的对流云时，在其TBB梯度密集的对流区会产生降雹。

4 降雹前30 min雷达识别指标分析

本节基于贵阳站多普勒天气雷达(CD)数据，利用云精细化分析系统(CPAS)提取冰雹云从降雹前30 min最大回波强度(Zmax)、45 dBz回波顶高(H45dBz)、最大垂直累积液态含水量(VILmax)雷达特征参数和降雹过程临近的0℃层高度(H0℃)和-20℃层高度(H-20 ℃)，利用数理统计分析方法对其进行综合分析，获取对冰雹云识别具有指示意义的雷达特征参量指标。

4.1 最大回波强度

图4给出了影响FAST的7次冰雹过程降雹前30 min最大回波强度的变化曲线与不同最大回波的强度所占频次。由图可知，在降雹前30 min，7次冰雹过程的最大回波强度在40～70 dBz之间，其中有6次(占85.7%)过程降雹前最大回波达到55 dBz以上，有3次过程最大回波为65 dBz，只有1次过程(H7)最大回波强度为40 dBz；因此可将降雹前30 min最大回波强度>40 dBz作为FAST可能降雹的初始条件，最大回波强度≥55 dBz作为FAST降雹的识别指标之一。

图4 冰雹云序列降雹前30 min最大回波强度变化(a)与不同回波强度占比(b)分布

4.2 垂直累积液态含水量

VIL表示云体重单位面积垂直液态水的总量，其对冰雹预警具有指导意义[21]。本节主要对降雹前30 min冰雹云最大液态含水量VILmax进行统计分析，统计结果如图5所示。由图可知，在降雹前30 min VILmax值主要集中在30～50 kg/m2之间(占85.7%)；最小值为个例H7的15 kg/m2，是由于个例H7从冰雹云初生到降雹仅6个体扫，生消时间快，降雹前30 min处于其初生阶段，所以VILmax值明显小于其他个例；综合考虑，可将降雹前30 min VILmax≥30 kg/m2作为FAST降雹的识别指标之一。

图5 冰雹云序列降雹前30 min VIL最大值变化(a)与不同VIL值占比分布(b)

4.3 45 dBz回波顶高度

当云体中观测到45 dBz以上的回波强度仅能说明云体内出现体积直径为0.4 cm以上水汽凝结，必须结合其高度信息才能判断是否发展为冰雹。因此，本节对45 dBz回波顶高与0 ℃层高度(H0℃)和-20 ℃层高度(H-20℃)进行综合分析。对7次过程降雹前30 min最大回波强度统计发现，个例H7最大回波强度为40 dBz，因此本节选取最大回波强度>45 dBz的6次过程降雹过程作为样本，绘制了45 dBz回波顶高与对应的H0 ℃和H-20 ℃分布，见图6。由图可知，45 dBz回波顶高在8～13 km范围内，其中4次过程主要在8～10 km，均超过零度层高度；因此，可将45 dBz回波顶高≥8 km作为FAST降雹的识别指标之一。

图6 影响FAST的7次冰雹过程45 dBz回波顶高与H0 ℃和H-20 ℃之间关系

4.4 典型高度差分析

45 dBz强回波顶高度与0 ℃层和-20 ℃层高度差能够反映强回波区粒子的组成和地面降雹程度，当45 dBz回波出现在0 ℃层高度层以上时，在该回波区域内粒子是由混合形态粒子构成(水粒子、冰相粒子等)，且H45 dBz越高，上升气流越强，越有利于冰雹的形成。本节将降雹前30 min最大回波强度达到45 dBz以上的6次过程的45 dBz回波顶高分别与对应的H0 ℃和H-20 ℃相减，绘制高度差分布图，见图7。从图中可以看出，6次冰雹过程45 dBz回波顶高均在H0 ℃和H-20 ℃高度层以上，并且H45 dBz- H0℃>4 km，H45dBz- H-20 ℃>1 km，说明冰雹云发展旺盛。因此，可将H45dBz- H0℃>4 km，H45dBz- H-20 ℃>1 km作为FAST降雹预警指标之一。

图7 45 dBz回波顶高与H0 ℃和H-20 ℃高度差关系

5 结论

本文通过对近10a影响FAST的7次冰雹云的降雹特征、卫星TBB特征和Zmax、VILmax、H45dBz等雷达特征参数进行分析，得到以下主要结论：

①影响FAST的冰雹主要发生在春季傍晚到夜间，冰雹云从初生到降雹平均时间为112 min，平均移动速度为45.5 km/h，降雹持续时间主要为2 min左右，冰雹直径以小于等于10 mm的小冰雹和中冰雹为主；冰雹云主要源地在安顺市，移动路径以西北和偏西路径为主。

②结合卫星TBB和雷达特征参数演变规律，初步建立基于雷达和卫星的FAST冰雹云识别的指标：降雹前1 h，FAST区域TBB呈西南—东北走向分布，云团中心TBB<-46 ℃，TBB梯度密集的对流区会产生降雹，降雹前30 min识别指标为Zmax≥55 dBz，VILmax≥30 kg/m2，H45dBz≥8 km，H45dBz- H0℃>4 km，H45dBz- H-20℃>1 km。