基于FY-4A 卫星和雷达资料的一次强冰雹天气特征分析

隋 妍 马洪波 梁 爽 高安芳

（1.延边朝鲜族自治州气象局，吉林延吉 133001；2.吉林省气象台，吉林长春 130062）

1 引言

冰雹天气是我国主要气象灾害之一，它是一种由强对流系统所引发的剧烈天气现象，常伴有大风、强降水等突发性天气，给农业生产和人民生命财产安全带来严重威胁[1-3]。 近些年，在探测手段不断发展下，对冰雹的预报预警有了长足的进步， 并归纳出了许多天气特征及预报预警指标。 天气雷达在冰雹监测预警中应用显示，冰雹云的雷达回波特征存在共性， 即强度特别大、回波顶特别高、上升气流特别强、垂直累积液态水含量较高[4-7]。俞小鼎等[8]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、风暴顶辐散和雷达回波的三体散射等。 卫星资料在冰雹预警中也有较多应用，陈英英等[9]利用FY-2D 卫星资料和雷达资料对湖北一次强对流天气过程进行分析表明，对流云团的生长中心与雷达反射率因子大值区、云顶黑体亮温TBB 低值区和陡变的温度梯度区相对应。 刘俊卿等[10]通过分析青藏高原那曲中东部一次冰雹天气过程， 发现冰雹出现区域与云顶亮温＜-50 ℃区域及冰雹云移动路径有很好的对应关系， 大冰雹落区在TBB 值低于-50 ℃的负中心内。 随着FY-4A 卫星的业务化应用，其装载的多通道扫描成像辐射计（AGRI）显著提升了观测性能，因其时空分辨率高，在监测强对流系统的生成发展演变上具有较大优势[11-12]。同时借助于卫星反演方法，可以获得更多的云特征信息，如云顶温度、云顶高度、云顶粒子有效半径等，这些产品可广泛应用于云的监测和研究，因此FY-4A 卫星云图及产品的应用前景更为广阔。

2022 年6 月20 日午后到傍晚，吉林省西部的洮南市出现了强冰雹天气， 最大冰雹直径达6 cm左右，共有6 个乡镇、14 个村受灾。 针对此次罕见的强冰雹天气过程，本文基于FY-4A 卫星和多普勒雷达探测资料，结合高空、地面环流场和探空等资料，对冰雹云的卫星和雷达特征进行综合分析，探讨多源资料在冰雹监测预警方面的适用性，为吉林省冰雹天气预报预警提供参考依据。

2 资料来源

实况资料采用2022 年6 月20 日吉林省国家站和区域自动站观测数据， 探空资料采用通辽站观测数据。 卫星资料采用国家卫星气象中心提供的FY-4A 卫星多通道扫描成像辐射计的原始数据（AGRI）和二级云参数产品，空间分辨率统一取4 km×4 km， 云参数产品包括相当黑体温度（TBB）、云顶温度（CTT）、云顶高度（CTH）、云顶气压（CTP）。 多普勒雷达资料采用白城CINRAD/CC新一代天气雷达体扫数据。

3 天气形势及环境特征

3.1 天气实况

2022 年6 月20 日15—21 时，吉林省白城市出现了冰雹、 雷暴大风和短时强降水等强对流天气。 其中，洮南市瓦房镇等6 个乡镇、14 个村遭受冰雹灾害，最大冰雹直径达6 cm 左右。另外，洮南市那金镇出现12 级以上的雷暴大风，极大风速达35.1 m·s-1。 最大小时雨强达40.3 mm·h-1，出现在洮南市万宝镇宏山村。

3.2 天气形势及环境特征

此次强对流过程发生在500 hPa 高空槽东移过程中，槽后西北冷气流叠加在低层850 hPa暖脊和东北—西南向切变线上， 形成了上冷下暖不稳定层结。 地面受蒙古气旋东移影响，地面辐合线触发对流。 由6 月20 日08 时实况中尺度分析可知， 白城地区比湿场呈现上干下湿的配置，500 hPa 比湿为2 g·kg-1，700 hPa 比湿为6 g·kg-1， 低层850 hPa 和925 hPa 比湿分别大于7 g·kg-1和10 g·kg-1，低层水汽条件较好。 另外白城地区温度场呈现上冷下暖的结构， 环境温度直减率大，850 hPa 与500 hPa 温差达到25 ℃以上，热力条件较好。

T-lnP 图能够反映探空站及附近上空气象要素的垂直分布， 分析单站探空资料能够比较有效地判断发生对流的条件和类型。 对比分析6 月20日08 时和20 时通辽站探空物理量指数（表1）可知，08 时CAPE 值为509.6 J·kg-1；经过温度、露点订正后，14 时CAPE 值增至2 163.9 J·kg-1。 可见由于午后太阳辐射加热作用， 大气不稳定度明显增大。 0—6 km 垂直风切变由08 时的10.4 m·s-1增至20 时的21.3 m·s-1， 较强的深层垂直风切变有利于对流系统的组织化发展。500 hPa 附近风随高度逆转， 高层存在冷平流。 SI 指数由08 时的1.13 ℃降低到20 时的-3.11 ℃， 表明对流能量充沛。 08 时融化层高度为4 098.7 m，-20 ℃层高度为7 681.3 m，处于形成冰雹的较理想高度。

表1 2022 年6 月20 日08 时和20 时通辽站探空物理量指数

4 FY-4A 卫星云图特征分析

4.1 红外云图和多通道组合云图特征

为研究产生对流云团的多光谱特征， 将FY-4A 卫星可见光通道、短波红外通道、红外通道资料分别以红绿蓝三色叠加显示， 即同时获取三个通道的综合信息[13]。 通常黄色代表发展初期的积雨云，具有较强的上升气流，云中通常是小冰晶粒子，亮黄色表示水云存在。红色通常代表降水不一定到达地表的强降水云，组成粒子是大冰晶粒子。玫红色通常代表趋于成熟状态的对流云[10]。

2022 年6 月20 日上午， 我国东北地区受中等幅度逗点云系控制，云系逐渐趋于成熟，表现为尺度较大的涡旋结构和尾部云带，500 hPa 高空槽线位于涡旋中心到尾部云带处。 槽后有西北冷平流侵入逗点云系， 干冷空气下沉， 使云顶高度降低，反映在红外云图上，云系的色调变暗。 12 时左右受太阳辐射加热，大气不稳定度增大，受地面辐合线触发， 在逗点云系后部干区开始出现局地对流云泡，多通道组合图上呈淡粉色，云中存在少量的小冰晶粒子。 13 时左右辐合线触发的多个小对流云团强度增强、面积扩大，云体边界清晰，多通道组合图上呈淡玫红色， 云中存在一定量的较大冰晶粒子， 并快速发展合并向偏东方向移动。 14时左右合并后的长条状对流云前沿到达洮南北部与内蒙古突泉交界处，云体面积扩大，横向直径超过100 km，云体边界较清晰，多通道组合图上云体颜色加深。 15 时左右（图1a）洮南北部的对流云发展旺盛，云体面积进一步扩大，横向直径已超150 km，云体边界逐渐模糊，多通道组合图上（图1c）呈玫红色，云中存在较大的冰晶粒子。同时在对流云西南向新生小对流云团， 亦向偏东方向移动。15 时30 分左右洮南开始出现冰雹，16 时左右（图1b）对流云继续发展，云体横向直径已超200 km，云体边界模糊，新生对流云团发展迅速，多通道组合图上（图1d）对流云仍呈玫红色，至16时30 分左右为降雹时段，最大冰雹直径为6 cm。17 时对流云与新生对流云团在东移过程中趋于合并，云体边界模糊，随后合并云系向东南方向移动，21 时左右移出白城地区。

图1 2022 年6 月20 日15 时（a）、16 时（b）FY-4A 红外云图和15 时（c）、16 时（d）多通道组合云图

4.2 云参数产品特征

分析影响洮南的冰雹云在降雹前后相当黑体温度（TBB）、云顶温度（CTT）、云顶高度（CTH）和云顶气压（CTP）的变化特征，14:30 洮南以北对流云TBB（图2a）为212.4 K，CTT 为-67 ℃，CTH（图2d）为13.5 km，CTP 为157 hPa。 随着对流云发展， 云体面积进一步扩大形成冰雹云，TBB 和CTT 逐渐降低，CTH 迅速升高，CTP 迅速降低。 至15:30，TBB （图2b） 达209.5 K，CTT 为-69.7 ℃，CTH（图2e）达18 km，CTP 为32 hPa。 15 时34分CTH 升至最高，达19.2 km；CTP 降至最低，达14.3 hPa。 随着冰雹发生，不稳定能量得以释放，冰雹云的TBB 和CTT 逐渐升高，CTH 迅速降低，CTP 迅速升高，至16 时30 分，TBB（图2c）升至213 K，CTT 升至-69.5 ℃，CTH（图2f）降至15.8 km，CTP 升至87.5 hPa。降雹结束后，TBB 和CTT 继续升高，CTH 降低，CTP 升高。 通过逐5 分钟云参数产品变化特征可以发现，此次过程降雹期间，相当黑体温度（TBB）低于210 K，云顶温度（CTT）低于-68 ℃，云顶高度（CTH）高于17 km，云顶气压（CTP）低于40 hPa，可作为强冰雹云FY-4A 卫星云特征参量的监测预警指标。

图2 2022 年6 月20 日14:30（a）、15:30（b）、16:30（c）FY-4A 相当黑体温度（单位：K），14:30（d）、15:30（e）、16:30（f）云顶高度（单位：m）

5 雷达特征分析

5.1 雷达回波演变特征

此次影响吉林洮南的雹暴于2022 年6 月20日14 时30 分左右回波前沿抵达洮南北部与内蒙古突泉交界处， 最强反射率因子达61 dBz，组织结构较完整，此时B 为单体强风暴（图3a）。 由于平均气流为西北偏西方向， 有新生对流单体T沿对流风暴B 的西南方向传播，因此对流风暴整体向东北偏东方向移动。 15 时21 分左右在洮南北部对流风暴B 强中心发生分裂， 左边的回波J最强反射率因子为58 dBz，回波顶高超过6 km，回波J 向东北方向移动，强度逐渐减弱；右边的回波B 较强，15 时33 分左右（图3a）最大回波强度达66 dBz，回波顶高超过12 km，强中心高度为5.8 km，垂直累积液态水含量为66 kg·m-2，之后继续发展并向东北偏东方向移动。 15 时38 分左右（图3b）对流风暴B 最大回波强度增强到68 dBz，回波顶高近12 km，强中心迅速下降到3.1 km，垂直累积液态水含量增至81 kg·m-2。 从0.5°仰角到6.0°仰角反射率因子大值区向东南方向倾斜，结合0.5°仰角和1.5°仰角，可见对流风暴B 存在低层弱回波区，而在3.4°、6.0°仰角，该低层弱回波区随着仰角抬高，反射率因子显著增强，说明在低层弱回波区之上有一个强回波悬垂结构。 同时0.5°仰角径向速度图上（图3d），在低层弱回波区附近存在中气旋，核区直径为5 km 左右，旋转速度为12.5 m·s-1，并维持2 个体扫， 判断此时B 发展为超级单体风暴。 15 时44 分左右（图3c）对流风暴B 最大回波强度发展至70 dBz，回波顶高为11 km，垂直累积液态水含量为75 kg·m-2，仍维持中高层回波悬垂和低层弱回波区结构。

图3 2022 年6 月20 日15 时33 分（a）、15 时38 分（b）、15 时44 分（c）白城雷达0.5°仰角反射率因子（单位：dBz），15 时38 分（d）径向速度（单位：m·s-1）

至16 时13 分左右对流风暴B 向偏东方向移动， 在此期间最强反射率因子维持在65 dBz 以上，回波顶高超过10 km，强中心最低接近1.8 km左右， 同时具有中高层回波悬垂和低层弱回波区结构，垂直累积液态水含量超过65 kg·m-2，造成洮南北部乡镇出现强冰雹天气。 同时新生对流回波T 从15 时10 分左右生成后强烈发展， 回波体积增大、强度增强，其中15 时55 分左右对流回波T 最强反射率因子达63 dBz， 回波顶高达14 km，垂直累积液态水含量由上一时刻的66 kg·m-2陡增至81 kg·m-2，并具有中高层回波悬垂和低层弱回波区结构。 对流回波T 从15 时10 分左右生成到16 时07 分左右与对流风暴B 沿着相似的偏东路径移动， 继续造成此路径上的部分乡镇遭受冰雹灾害。 16 时13 分左右开始对流回波T 的移动路径转为东南方向， 对流风暴B 的移动路径仍为偏东方向， 之后对流风暴B 与对流回波T 合并形成多单体带状风暴向东南方向移动， 前沿存在明显的阵风锋结构， 造成吉林省西部地区出现雷暴大风天气。

5.2 雷达产品变化趋势

通过组合反射率 （CR） 叠加风暴路径信息（STI）显示的风暴属性表，由此次降雹过程的单体最大组合反射率（DBZM）和回波顶高（TOP）随时间变化趋势（图4a）可知，从15 时16 分左右强对流风暴B 移入到16 时35 分左右移出洮南，DBZM 和TOP 的变化趋势基本一致， 降雹前均逐渐增加，15 时38 分至16 时13 分主要降雹时段内维持较高水平，其中DBZM 超过67 dBz，极值达70 dBz，TOP 接近11 km，极值达13.2 km，有利于冰雹粒子的形成与发展。降雹后DBZM 变化较小，TOP 逐渐减小。

图4 2022 年6 月20 日15 时16 分至16 时35 分白城雷达最大组合反射率、回波顶高（a）和垂直累积液态水含量、垂直累积液态水含量密度（b）随时间变化趋势

Amburn[14]研究中把垂直液态水含量（VIL）与风暴顶高度的比值定义为垂直液态水含量密度（VIL 密度），用来作为判断降雹的依据，并指出当VIL 密度超过4 g·m-3时，风暴产生直径超过2 cm大冰雹的概率很大。由此次降雹过程的VIL 与VIL密度随时间变化趋势（图4b）可知，二者变化趋势基本一致， 降雹前VIL 与VIL 密度陡增，15 时38分VIL 由上一时刻的68 kg·m-2增至81 kg·m-2，增量为11 kg·m-2；VIL 密度由上一时刻的5.4 g·m-3增至6.9 g·m-3， 增量为1.5 g·m-3。 降雹期间VIL超过66 kg·m-2， 极值达81 kg·m-2；VIL 密度基本维持在6.0 g·m-3以上，最大达到6.9 g·m-3，均超过4 g·m-3，有利于产生直径超过2 cm 的强冰雹。降雹后VIL 迅速减小，VIL 密度变化较小。

6 结语

本文基于FY-4A 卫星和雷达探测资料，多角度探讨了2022 年6 月20 日吉林洮南一次罕见强冰雹天气过程， 分析了冰雹云在卫星云图和雷达图上的演变及结构特征， 揭示了云参数产品和雷达产品的变化趋势及重要特征，得出以下结论：

（1）吉林西部上空高空槽东移携带干冷空气南下与低空暖脊共同形成不稳定层结， 午后地面增温，地面辐合线触发对流，大的对流有效位能、 较强的深层垂直风切变和适宜的融化层高度、-20 ℃层高度提供了有利的环境条件。

（2） 影响洮南的对流云生成于中等幅度逗点云系后部干区，由多个局地对流云团发展合并，呈长条状，对流云发展旺盛并趋于成熟，云体面积扩大形成冰雹云，云体横向直径超过200 km，云体边界由清晰逐渐模糊，多通道组合图上呈玫红色。

（3）冰雹发生前，相当黑体温度（TBB）和云顶温度（CTT）逐渐降低，云顶高度（CTH）迅速升高，云顶气压（CTP）迅速降低。 降雹期间，TBB 低于210 K，CTT 低于-68 ℃，CTH 高于17 km，CTP 低于40 hPa，可作为强冰雹云FY-4A 卫星云特征参量的监测预警指标。

（4） 影响洮南的对流风暴发展为超级单体风暴，速度图上存在中气旋，符合强冰雹的雷达回波特征，很高的反射率因子，垂直累积液态水含量出现异常大值， 具有中高层回波悬垂和低层弱回波区结构。

（5）降雹前后雷达最大组合反射率（DBZM）、回波顶高（TOP）、垂直累积液态水含量（VIL）和垂直累积液态水含量密度（VIL 密度）的变化趋势基本一致，即降雹前均增加，VIL 与VIL 密度出现陡增，增量分别为11 kg·m-2和1.5 g·m-3；降雹期间均维持较高水平，DBZM 超过67 dBz，TOP 接近11 km 以上，VIL 超过66 kg·m-2，VIL 密度基本维持在6.0 g·m-3以上；降雹后DBZM 和VIL 密度变化较小，TOP 逐渐减小，VIL 迅速减小。