基于FY-4A 衛星和雷達資料的一次強冰雹天氣特征分析

隋 妍 馬洪波 梁 爽 高安芳

（1.延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001；2.吉林省氣象臺，吉林長春 130062）

1 引言

冰雹天氣是我國主要氣象災害之一，它是一種由強對流系統所引發的劇烈天氣現象，常伴有大風、強降水等突發性天氣，給農業生產和人民生命財產安全帶來嚴重威脅[1-3]。 近些年，在探測手段不斷發展下，對冰雹的預報預警有了長足的進步， 并歸納出了許多天氣特征及預報預警指標。 天氣雷達在冰雹監測預警中應用顯示，冰雹云的雷達回波特征存在共性， 即強度特別大、回波頂特別高、上升氣流特別強、垂直累積液態水含量較高[4-7]。俞小鼎等[8]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、-20 ℃等溫線高度之上的超過40 dBz 的反射率因子核、風暴頂輻散和雷達回波的三體散射等。 衛星資料在冰雹預警中也有較多應用，陳英英等[9]利用FY-2D 衛星資料和雷達資料對湖北一次強對流天氣過程進行分析表明，對流云團的生長中心與雷達反射率因子大值區、云頂黑體亮溫TBB 低值區和陡變的溫度梯度區相對應。 劉俊卿等[10]通過分析青藏高原那曲中東部一次冰雹天氣過程， 發現冰雹出現區域與云頂亮溫＜-50 ℃區域及冰雹云移動路徑有很好的對應關系， 大冰雹落區在TBB 值低于-50 ℃的負中心內。 隨著FY-4A 衛星的業務化應用，其裝載的多通道掃描成像輻射計（AGRI）顯著提升了觀測性能，因其時空分辨率高，在監測強對流系統的生成發展演變上具有較大優勢[11-12]。同時借助于衛星反演方法，可以獲得更多的云特征信息，如云頂溫度、云頂高度、云頂粒子有效半徑等，這些產品可廣泛應用于云的監測和研究，因此FY-4A 衛星云圖及產品的應用前景更為廣闊。

2022 年6 月20 日午后到傍晚，吉林省西部的洮南市出現了強冰雹天氣， 最大冰雹直徑達6 cm左右，共有6 個鄉鎮、14 個村受災。 針對此次罕見的強冰雹天氣過程，本文基于FY-4A 衛星和多普勒雷達探測資料，結合高空、地面環流場和探空等資料，對冰雹云的衛星和雷達特征進行綜合分析，探討多源資料在冰雹監測預警方面的適用性，為吉林省冰雹天氣預報預警提供參考依據。

2 資料來源

實況資料采用2022 年6 月20 日吉林省國家站和區域自動站觀測數據， 探空資料采用通遼站觀測數據。 衛星資料采用國家衛星氣象中心提供的FY-4A 衛星多通道掃描成像輻射計的原始數據（AGRI）和二級云參數產品，空間分辨率統一取4 km×4 km， 云參數產品包括相當黑體溫度（TBB）、云頂溫度（CTT）、云頂高度（CTH）、云頂氣壓（CTP）。 多普勒雷達資料采用白城CINRAD/CC新一代天氣雷達體掃數據。

3 天氣形勢及環境特征

3.1 天氣實況

2022 年6 月20 日15—21 時，吉林省白城市出現了冰雹、 雷暴大風和短時強降水等強對流天氣。 其中，洮南市瓦房鎮等6 個鄉鎮、14 個村遭受冰雹災害，最大冰雹直徑達6 cm 左右。另外，洮南市那金鎮出現12 級以上的雷暴大風，極大風速達35.1 m·s-1。 最大小時雨強達40.3 mm·h-1，出現在洮南市萬寶鎮宏山村。

3.2 天氣形勢及環境特征

此次強對流過程發生在500 hPa 高空槽東移過程中，槽后西北冷氣流疊加在低層850 hPa暖脊和東北—西南向切變線上， 形成了上冷下暖不穩定層結。 地面受蒙古氣旋東移影響，地面輻合線觸發對流。 由6 月20 日08 時實況中尺度分析可知， 白城地區比濕場呈現上干下濕的配置，500 hPa 比濕為2 g·kg-1，700 hPa 比濕為6 g·kg-1， 低層850 hPa 和925 hPa 比濕分別大于7 g·kg-1和10 g·kg-1，低層水汽條件較好。 另外白城地區溫度場呈現上冷下暖的結構， 環境溫度直減率大，850 hPa 與500 hPa 溫差達到25 ℃以上，熱力條件較好。

T-lnP 圖能夠反映探空站及附近上空氣象要素的垂直分布， 分析單站探空資料能夠比較有效地判斷發生對流的條件和類型。 對比分析6 月20日08 時和20 時通遼站探空物理量指數（表1）可知，08 時CAPE 值為509.6 J·kg-1；經過溫度、露點訂正后，14 時CAPE 值增至2 163.9 J·kg-1。 可見由于午后太陽輻射加熱作用， 大氣不穩定度明顯增大。 0—6 km 垂直風切變由08 時的10.4 m·s-1增至20 時的21.3 m·s-1， 較強的深層垂直風切變有利于對流系統的組織化發展。500 hPa 附近風隨高度逆轉， 高層存在冷平流。 SI 指數由08 時的1.13 ℃降低到20 時的-3.11 ℃， 表明對流能量充沛。 08 時融化層高度為4 098.7 m，-20 ℃層高度為7 681.3 m，處于形成冰雹的較理想高度。

表1 2022 年6 月20 日08 時和20 時通遼站探空物理量指數

4 FY-4A 衛星云圖特征分析

4.1 紅外云圖和多通道組合云圖特征

為研究產生對流云團的多光譜特征， 將FY-4A 衛星可見光通道、短波紅外通道、紅外通道資料分別以紅綠藍三色疊加顯示， 即同時獲取三個通道的綜合信息[13]。 通常黃色代表發展初期的積雨云，具有較強的上升氣流，云中通常是小冰晶粒子，亮黃色表示水云存在。紅色通常代表降水不一定到達地表的強降水云，組成粒子是大冰晶粒子。玫紅色通常代表趨于成熟狀態的對流云[10]。

2022 年6 月20 日上午， 我國東北地區受中等幅度逗點云系控制，云系逐漸趨于成熟，表現為尺度較大的渦旋結構和尾部云帶，500 hPa 高空槽線位于渦旋中心到尾部云帶處。 槽后有西北冷平流侵入逗點云系， 干冷空氣下沉， 使云頂高度降低，反映在紅外云圖上，云系的色調變暗。 12 時左右受太陽輻射加熱，大氣不穩定度增大，受地面輻合線觸發， 在逗點云系后部干區開始出現局地對流云泡，多通道組合圖上呈淡粉色，云中存在少量的小冰晶粒子。 13 時左右輻合線觸發的多個小對流云團強度增強、面積擴大，云體邊界清晰，多通道組合圖上呈淡玫紅色， 云中存在一定量的較大冰晶粒子， 并快速發展合并向偏東方向移動。 14時左右合并后的長條狀對流云前沿到達洮南北部與內蒙古突泉交界處，云體面積擴大，橫向直徑超過100 km，云體邊界較清晰，多通道組合圖上云體顏色加深。 15 時左右（圖1a）洮南北部的對流云發展旺盛，云體面積進一步擴大，橫向直徑已超150 km，云體邊界逐漸模糊，多通道組合圖上（圖1c）呈玫紅色，云中存在較大的冰晶粒子。同時在對流云西南向新生小對流云團， 亦向偏東方向移動。15 時30 分左右洮南開始出現冰雹，16 時左右（圖1b）對流云繼續發展，云體橫向直徑已超200 km，云體邊界模糊，新生對流云團發展迅速，多通道組合圖上（圖1d）對流云仍呈玫紅色，至16時30 分左右為降雹時段，最大冰雹直徑為6 cm。17 時對流云與新生對流云團在東移過程中趨于合并，云體邊界模糊，隨后合并云系向東南方向移動，21 時左右移出白城地區。

圖1 2022 年6 月20 日15 時（a）、16 時（b）FY-4A 紅外云圖和15 時（c）、16 時（d）多通道組合云圖

4.2 云參數產品特征

分析影響洮南的冰雹云在降雹前后相當黑體溫度（TBB）、云頂溫度（CTT）、云頂高度（CTH）和云頂氣壓（CTP）的變化特征，14:30 洮南以北對流云TBB（圖2a）為212.4 K，CTT 為-67 ℃，CTH（圖2d）為13.5 km，CTP 為157 hPa。 隨著對流云發展， 云體面積進一步擴大形成冰雹云，TBB 和CTT 逐漸降低，CTH 迅速升高，CTP 迅速降低。 至15:30，TBB （圖2b） 達209.5 K，CTT 為-69.7 ℃，CTH（圖2e）達18 km，CTP 為32 hPa。 15 時34分CTH 升至最高，達19.2 km；CTP 降至最低，達14.3 hPa。 隨著冰雹發生，不穩定能量得以釋放，冰雹云的TBB 和CTT 逐漸升高，CTH 迅速降低，CTP 迅速升高，至16 時30 分，TBB（圖2c）升至213 K，CTT 升至-69.5 ℃，CTH（圖2f）降至15.8 km，CTP 升至87.5 hPa。降雹結束后，TBB 和CTT 繼續升高，CTH 降低，CTP 升高。 通過逐5 分鐘云參數產品變化特征可以發現，此次過程降雹期間，相當黑體溫度（TBB）低于210 K，云頂溫度（CTT）低于-68 ℃，云頂高度（CTH）高于17 km，云頂氣壓（CTP）低于40 hPa，可作為強冰雹云FY-4A 衛星云特征參量的監測預警指標。

圖2 2022 年6 月20 日14:30（a）、15:30（b）、16:30（c）FY-4A 相當黑體溫度（單位：K），14:30（d）、15:30（e）、16:30（f）云頂高度（單位：m）

5 雷達特征分析

5.1 雷達回波演變特征

此次影響吉林洮南的雹暴于2022 年6 月20日14 時30 分左右回波前沿抵達洮南北部與內蒙古突泉交界處， 最強反射率因子達61 dBz，組織結構較完整，此時B 為單體強風暴（圖3a）。 由于平均氣流為西北偏西方向， 有新生對流單體T沿對流風暴B 的西南方向傳播，因此對流風暴整體向東北偏東方向移動。 15 時21 分左右在洮南北部對流風暴B 強中心發生分裂， 左邊的回波J最強反射率因子為58 dBz，回波頂高超過6 km，回波J 向東北方向移動，強度逐漸減弱；右邊的回波B 較強，15 時33 分左右（圖3a）最大回波強度達66 dBz，回波頂高超過12 km，強中心高度為5.8 km，垂直累積液態水含量為66 kg·m-2，之后繼續發展并向東北偏東方向移動。 15 時38 分左右（圖3b）對流風暴B 最大回波強度增強到68 dBz，回波頂高近12 km，強中心迅速下降到3.1 km，垂直累積液態水含量增至81 kg·m-2。 從0.5°仰角到6.0°仰角反射率因子大值區向東南方向傾斜，結合0.5°仰角和1.5°仰角，可見對流風暴B 存在低層弱回波區，而在3.4°、6.0°仰角，該低層弱回波區隨著仰角抬高，反射率因子顯著增強，說明在低層弱回波區之上有一個強回波懸垂結構。 同時0.5°仰角徑向速度圖上（圖3d），在低層弱回波區附近存在中氣旋，核區直徑為5 km 左右，旋轉速度為12.5 m·s-1，并維持2 個體掃， 判斷此時B 發展為超級單體風暴。 15 時44 分左右（圖3c）對流風暴B 最大回波強度發展至70 dBz，回波頂高為11 km，垂直累積液態水含量為75 kg·m-2，仍維持中高層回波懸垂和低層弱回波區結構。

圖3 2022 年6 月20 日15 時33 分（a）、15 時38 分（b）、15 時44 分（c）白城雷達0.5°仰角反射率因子（單位：dBz），15 時38 分（d）徑向速度（單位：m·s-1）

至16 時13 分左右對流風暴B 向偏東方向移動， 在此期間最強反射率因子維持在65 dBz 以上，回波頂高超過10 km，強中心最低接近1.8 km左右， 同時具有中高層回波懸垂和低層弱回波區結構，垂直累積液態水含量超過65 kg·m-2，造成洮南北部鄉鎮出現強冰雹天氣。 同時新生對流回波T 從15 時10 分左右生成后強烈發展， 回波體積增大、強度增強，其中15 時55 分左右對流回波T 最強反射率因子達63 dBz， 回波頂高達14 km，垂直累積液態水含量由上一時刻的66 kg·m-2陡增至81 kg·m-2，并具有中高層回波懸垂和低層弱回波區結構。 對流回波T 從15 時10 分左右生成到16 時07 分左右與對流風暴B 沿著相似的偏東路徑移動， 繼續造成此路徑上的部分鄉鎮遭受冰雹災害。 16 時13 分左右開始對流回波T 的移動路徑轉為東南方向， 對流風暴B 的移動路徑仍為偏東方向， 之后對流風暴B 與對流回波T 合并形成多單體帶狀風暴向東南方向移動， 前沿存在明顯的陣風鋒結構， 造成吉林省西部地區出現雷暴大風天氣。

5.2 雷達產品變化趨勢

通過組合反射率 （CR） 疊加風暴路徑信息（STI）顯示的風暴屬性表，由此次降雹過程的單體最大組合反射率（DBZM）和回波頂高（TOP）隨時間變化趨勢（圖4a）可知，從15 時16 分左右強對流風暴B 移入到16 時35 分左右移出洮南，DBZM 和TOP 的變化趨勢基本一致， 降雹前均逐漸增加，15 時38 分至16 時13 分主要降雹時段內維持較高水平，其中DBZM 超過67 dBz，極值達70 dBz，TOP 接近11 km，極值達13.2 km，有利于冰雹粒子的形成與發展。降雹后DBZM 變化較小，TOP 逐漸減小。

圖4 2022 年6 月20 日15 時16 分至16 時35 分白城雷達最大組合反射率、回波頂高（a）和垂直累積液態水含量、垂直累積液態水含量密度（b）隨時間變化趨勢

Amburn[14]研究中把垂直液態水含量（VIL）與風暴頂高度的比值定義為垂直液態水含量密度（VIL 密度），用來作為判斷降雹的依據，并指出當VIL 密度超過4 g·m-3時，風暴產生直徑超過2 cm大冰雹的概率很大。由此次降雹過程的VIL 與VIL密度隨時間變化趨勢（圖4b）可知，二者變化趨勢基本一致， 降雹前VIL 與VIL 密度陡增，15 時38分VIL 由上一時刻的68 kg·m-2增至81 kg·m-2，增量為11 kg·m-2；VIL 密度由上一時刻的5.4 g·m-3增至6.9 g·m-3， 增量為1.5 g·m-3。 降雹期間VIL超過66 kg·m-2， 極值達81 kg·m-2；VIL 密度基本維持在6.0 g·m-3以上，最大達到6.9 g·m-3，均超過4 g·m-3，有利于產生直徑超過2 cm 的強冰雹。降雹后VIL 迅速減小，VIL 密度變化較小。

6 結語

本文基于FY-4A 衛星和雷達探測資料，多角度探討了2022 年6 月20 日吉林洮南一次罕見強冰雹天氣過程， 分析了冰雹云在衛星云圖和雷達圖上的演變及結構特征， 揭示了云參數產品和雷達產品的變化趨勢及重要特征，得出以下結論：

（1）吉林西部上空高空槽東移攜帶干冷空氣南下與低空暖脊共同形成不穩定層結， 午后地面增溫，地面輻合線觸發對流，大的對流有效位能、 較強的深層垂直風切變和適宜的融化層高度、-20 ℃層高度提供了有利的環境條件。

（2） 影響洮南的對流云生成于中等幅度逗點云系后部干區，由多個局地對流云團發展合并，呈長條狀，對流云發展旺盛并趨于成熟，云體面積擴大形成冰雹云，云體橫向直徑超過200 km，云體邊界由清晰逐漸模糊，多通道組合圖上呈玫紅色。

（3）冰雹發生前，相當黑體溫度（TBB）和云頂溫度（CTT）逐漸降低，云頂高度（CTH）迅速升高，云頂氣壓（CTP）迅速降低。 降雹期間，TBB 低于210 K，CTT 低于-68 ℃，CTH 高于17 km，CTP 低于40 hPa，可作為強冰雹云FY-4A 衛星云特征參量的監測預警指標。

（4） 影響洮南的對流風暴發展為超級單體風暴，速度圖上存在中氣旋，符合強冰雹的雷達回波特征，很高的反射率因子，垂直累積液態水含量出現異常大值， 具有中高層回波懸垂和低層弱回波區結構。

（5）降雹前后雷達最大組合反射率（DBZM）、回波頂高（TOP）、垂直累積液態水含量（VIL）和垂直累積液態水含量密度（VIL 密度）的變化趨勢基本一致，即降雹前均增加，VIL 與VIL 密度出現陡增，增量分別為11 kg·m-2和1.5 g·m-3；降雹期間均維持較高水平，DBZM 超過67 dBz，TOP 接近11 km 以上，VIL 超過66 kg·m-2，VIL 密度基本維持在6.0 g·m-3以上；降雹后DBZM 和VIL 密度變化較小，TOP 逐漸減小，VIL 迅速減小。