中国天眼“FAST”区域一次冰雹天气过程的成因分析

Causes of a Hailstorm Event around the Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Telescope Region

摘要

利用常规观测资料、ERA5再分析资料、FY-2G卫星TBB资料和多普勒天气雷达资料，对2020年3月2日发生在“中国天眼”500 m口径球面射电望远镜“FAST”所在区域（贵州平塘县）一次冰雹天气过程的成因进行分析。结果表明：短波槽、中低空西南急流、低层切变线、地面静止锋及辐合线是形成冰雹天气的有利环流背景，冷暖空气交汇加剧了大气不稳定度。降雹区位于地面锋区后部叠加次级环流上升支的层结不稳定区域；气旋式涡度配合风场的低层辐合—中高层辐散增强了大气的抽吸作用，为降雹区水汽的抬升提供了强烈的动力条件；不稳定能量的持续释放和“上干下湿”的层结分布，为对流形成提供了良好的能量和水汽条件。视热源Q₁和视水汽汇Q₂的垂直输送作用是加热的主要贡献项，水汽凝结释放潜热使低层大气增温在中层形成热源中心，促进上升运动，利于对流的维持发展。此次过程由中尺度对流云团（MCS）所致，冰雹云发展旺盛阶段TBB达-55 ℃，65 dBZ回波顶高超-20 ℃层，云顶高度>14 km，回波悬垂结构和VIL跃增特征显著。

Abstract

Based on conventional observation data, ERA5 reanalysis data, TBB data from the FY-2G satellite, and Doppler radar data, the causes of a hailstorm event that occurred near the FAST region on March 2, 2020, are analyzed. The results show that the short-wave trough, low-level southwest jet, low-level shear line, stationary surface front, and convergence line formed the favorable circulation conditions for this hailstorm. The interaction of cold and warm air increased atmospheric instability. The hailstorm was located in an area of convective instability behind the surface frontal zone, where a secondary circulation enhanced upward motion. The combination of cyclonic vorticity, low-level convergence, and mid-to-high-level divergence in the wind field strengthened atmospheric lifting, providing strong dynamic conditions for the upward movement of water vapor in the hailstorm area. The continuous release of unstable energy, along with the "upper dry, lower wet" distribution, created favorable conditions for convection formation. The apparent heat source (Q1) and apparent moisture sink (Q2) were key contributors to heating. The latent heat released by water vapor condensation warmed the lower atmosphere, forming a heat source in the middle layers that promoted upward motion, contributing to the maintenance and development of convection. This process was driven by a mesoscale convective system (MCS). During the most intense phase of the hailstorm, the TBB reached -55 ℃, the echo top exceeded the -20 ℃ isotherm, the cloud top reached 14 km, and the echo exhibited a suspension structure, with significant jumps in VIL.

Graphical abstract

关键词

冰雹 / 物理量诊断 / 成因

Key words

hailstorm / physical quantity diagnosis / cause

500 m口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，简称“FAST”）于2016年9月25日在贵州省平塘县落成启用，是世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜，习近平总书记为其命名为“中国天眼”。“FAST”反射面板是仅为1 mm的铝合金，极易受到冰雹冲击损伤^[1]。启用以来，“FAST”多次遭受冰雹灾害威胁，给其稳定运行带来了严峻考验，因此中国科学院国家天文台向贵州省和黔南州政府提出开展冰雹防御工作的要求。人工防雹是减少和减轻冰雹灾害的有效手段，其关键是早识别和早作业，所以冰雹天气准确的潜势预报是保证人工防雹有效性的重要前提^[2]。

冰雹是由强对流天气系统引发的一种灾害性天气，具有局地性强、突发快的特点^[3-4]，其形成过程复杂^[5]，预报预警难度较大，长期以来国内外学者致力于冰雹形成机理的研究。研究表明高空槽、中低层切变线、地面辐合线、MCC和地面中尺度低压等会形成有利于强对流发展的天气背景^[6-11]。低层辐合和高层辐散的流场配置下，较强的气流辐合上升是冰雹云发展的动力条件。较强的上升运动与强垂直风切变有利于冰雹的维持和增长^[12-15]。冰雹天气常发生在具有较大不稳定能量的背景环境中，对流层中低层的大气层结不稳定发展使对流增强，对流释放的不稳定能量为冰雹触发提供能量条件^[16]。热力作用对冰雹等强对流天气的影响不可忽视，刘一玮等^[17]研究发现边界层内热力分布造成的次级环流和上升运动使水汽凝结、潜热释放，会触发冰雹的发生。胡金磊等^[18]通过对冰雹发生过程下垫面的敏感性试验，发现地面感热通量的增加，有利于雹云的发展增强和大冰雹的形成，使地面累积降雹量增加，但较大的潜热通量有利于大量小冰雹的形成。

近年来，贵州省在区域冰雹天气的预报和监测预警技术研究及应用方面取得了较好进展，但 “FAST”区域冰雹的定点潜势预报，是贵州人工影响天气防雹业务中的难点。目前关于“FAST”区域冰雹天气成因的研究较少，本文选取2020年3月2日发生在“FAST”区域的一次冰雹天气过程，开展综合性的天气诊断分析，揭示影响“FAST”区域的冰雹天气发生过程的水汽、动力、热力和中尺度云团特征，以期为“FAST”区域的冰雹天气潜势预报提供参考。

1 资料

资料包括：贵州省区域气象观测站、人工影响天气作业站点以及“FAST”台址的降雹观测数据；时间分辨率1 h、水平分辨率0.25°×0.25°的ERA5再分析资料（Fifth generation ECMWF Re-Analysis Data）；时间分辨率1 h、水平分辨率0.1°×0.1°的FY-2G气象卫星反演的黑体亮温（Temperature of Brightness Blackbody，TBB）；贵阳站C波段多普勒天气雷达资料。文中地图审图号为GS(2017)3320号。

2 冰雹天气概况与环流背景

2.1 冰雹天气概况

2020年3月2日20:28—22:30（北京时，下同），贵州省中偏南地区出现了一次冰雹天气过程，安顺市东南部和黔南州西部的5个县域9个乡镇先后降雹，冰雹最大直径为13 mm，出现在安顺市紫云县，其中“FAST”台址（图1红色五角星为“FAST”位置）在22:14降下直径为5 mm的冰雹，反射面板遭受雹击，对其稳定运行造成一定影响。冰雹落区呈西北—东南向的带状分布，冰雹云在安顺紫云县生成，向东南方向移动发展影响“FAST”。

2.2 环流背景分析

3月2日20时500 hPa（图2a）欧亚中高纬呈“两槽一脊”环流形势，贝加尔湖以东—新疆南部为低压槽区，其西北侧西伯利亚—新疆北部为高压脊，脊前西北气流引导低压槽东移，带动地面冷空气向东南移动；中低纬气流较平直，青藏高原上多短波槽东移。700 hPa贵州受强盛的西南急流控制，中心风速达16 m/s并持续发展增强（图2b），22时中心风速达22 m/s，持续向贵州上空输送暖湿空气。8时850 hPa贵州南部一线存在切变线，20时切变线发展加强（图2c），东北路径的冷空气不断向南渗透，与切变线南侧的暖气团交汇，形成强烈的不稳定条件。静止锋位于贵州中部偏西地区，云南—贵州西部受热低压控制，贵州中东部处于静止锋锋后。20时地面辐合线南压至黔西南州北部—安顺市南部—黔南州西部一线并触发对流，其位置也与降雹区相对应。此次冰雹天气过程主要影响系统为短波槽、中低空急流、低层切变线、静止锋以及冷空气，地面辐合线是触发机制。

3 物理量分析

3.1 水汽特征

水汽是强对流天气得以维持和发展的必要条件^[10]。此次冰雹天气过程有中低空急流稳定维持，整个过程中700 hPa贵州受西南风控制，在贵州和湖南一带形成一条明显的水汽输送带，水汽通量输送中心位于贵州中部，中低层的水汽输送为对流发展提供了良好的水汽条件。降雹前14时（图3a）在降雹区（106°~107°E）近地层至800 hPa附近有弱的水汽辐合，中心为-3×10^-5 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，中低层800 ~700 hPa为水汽辐散区；20时（图3b）水汽通量散度低层辐合带沿东西向发展延伸，中心增强为-6×10^-5 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，700 hPa附近有一个辐散中心，形成低层辐合、中层辐散的水汽分布结构，在850 hPa切变线的动力强迫下，促进中尺度对流系统发展。

3.2 温湿特征

假相当位温既能表征大气温度、压力、湿度的综合特征，又能反映大气不稳定能量的分布^[19]，定义相对湿度＜60%为干区^[20]。由图4a可知，在降雹区（106°~107°E），由于低层水汽的辐合，呈明显的“上干下湿”特征，近地面的水汽接近饱和，降雹区位于地面锋区（107°~110°E假相当位温线密集区）后部，800 hPa有一条东西向的高能高湿带，直到700 hPa附近，假相当位温随高度减小（\partial {\theta }_{\mathrm{s}\mathrm{e}}/\partial P>\mathrm{0}），表明降雹区存在强的对流不稳定，从地面到400 hPa有上升气流，带动低层暖湿空气向上抬升凝结，有利于冰雹的形成。由图4b可知，2日20时来自南侧的暖空气和北侧的干冷空气在降雹区（25.5°~26°N）上空交汇，地面至700 hPa有明显的次级环流，暖空气沿锋面抬升、冷空气下沉，次级环流的上升支正好位于降雹区，有利于强对流天气的发生。

3.3 不稳定能量

对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）反映大气的整体不稳定度，是表征对流风暴潜在强度的重要指标，被广泛应用于强对流天气的诊断分析^[21]。3月2日14时，贵州省大部CAPE超过500 J/kg，强中心位于安顺市和黔西南州一带，中心值超过800 J/kg，冰雹过程开始前大气具有较高的不稳定能量，层结极不稳定。结合图5可知，整个冰雹天气过程中降雹区的CPAE值递减，表明降雹区有不稳定能量释放，特别是在2日17—23时 CAPE值锐减，从709 J/kg减小到320 J/kg，该时段与此次过程冰雹云的生成发展阶段和降雹阶段一致，说明不稳定能量没有被抑制，持续的能量释放为对流的形成提供了较好的能量条件。

3.4 动力特征

图6为降雹区域（25.5°~26°N，106°~107°E）平均的涡度、散度和垂直速度的时间—高度剖面分布。涡度场由低到高呈“正—负—正”的垂直分布特征（图6a）。过程发生前（14—18时），降雹区低层的正涡度区强度较弱；强对流发展阶段（19—23时），正涡度区的强度明显增强，800 hPa附近形成了正涡度中心，强度达12×10^-5 s^-1。散度场上（图6b），过程发生前低层为弱的辐合区，对流主要发生阶段低层辐合明显加强，中心强度达-16×10^-5 s^-1，并且在800~650 hPa形成了一个强度为4×10^-5 s^-1的辐散区，低层辐合、中层辐散的配置有利于对流的发展。在强对流的发展阶段，低层气旋式涡度配合辐合区的作用，降雹区从地面至300 hPa均为上升运动，垂直速度最强可达-0.9 Pa/s（图6c）。由20时沿25.7°N涡度、散度和垂直速度的纬向—高度分布可知，降雹区（106°~107°E）中低层有明显的气旋式涡度，700~300 hPa为负涡度；散度场在垂直方向上地面至750 hPa为辐合，750~500 hPa为辐散，降雹区西侧（104°~105°E）地面至700 hPa为辐合，辐散层从700 hPa向上延伸至200 hPa；降雹区上升气流发展旺盛，地面至700 hPa为垂直上升气流，700~400 hPa上升气流向东倾斜，倾斜上升气流有利于冰雹循环增长^[22]。综上，强对流发展阶段降雹区存在明显的气旋式涡度，低层辐合、中高层辐散的散度垂直结构，有利于强对流维持并大气抽吸作用加强，为降雹区水汽持续上升运动提供强烈的动力条件。

4 非绝热加热作用对降雹过程的影响

视热源Q₁ 表示单位时间内单位质量空气的增温率，视水汽汇Q₂ 表示单位时间内单位质量水汽凝结释放热量引起的增温率，大气的非绝热加热是天气系统发展的主要热力强迫因子，可用Q₁ 和Q₂ 分析非绝热加热在对流天气系统中的作用^[23]。Q₁ 和Q₂ 在P坐标系的计算公式如下：

Q_{\mathrm{1}}=C_p\left[\frac{\partial T}{\partial t}+\stackrel{⃑}{V}•\nabla T+{\left(\frac{p}{p_{\mathrm{0}}}\right)}^{\left(R/C_p\right)}\omega \left(\frac{\partial \theta }{\partial p}\right)\right]，（1）

Q_{\mathrm{2}}=-L\left(\frac{\partial q}{\partial t}+\nabla •q\stackrel{⃑}{V}+\frac{\partial q\omega }{\partial p}\right)。（2）

式中：C_p 表示定压比热，q为比湿，θ表示位温，L为凝结潜热比，公式（1）和（2)右侧三项依次代表局地变化项（A₁）、水平平流项（A₂）和垂直输送项（A₃）。为了直观地反映此次冰雹天气过程降雹区域大气温度的变化情况，本文以Q₁ /C_p 和Q₂ /C_p 代表视热源和视水汽汇，单位为K/h，计算范围为25.5°~26°N、106°~107°E（降雹区域）。

由图7可知，强对流发生前（14—18时），降雹区上空视热源Q₁ 虽然为正值，但强度较弱；视水汽汇Q₂ 呈现正负交替的垂直分布，此时大气的加热作用不明显。冰雹过程的主要发生阶段（19—23时），视热源Q₁ 和视水汽汇Q₂ 强度明显增强，整层为正值，850~700 hPa存在明显的加热中心，但二者中心强度和高度略有差异，视热源Q₁ 中心强度为2.5 K/h，高度位于800 hPa，视水汽汇Q₂ 中心强度为3 K/h、高度位于750 hPa，视热源Q₁ 在高空200 hPa还存在一个加热中心。结合垂直速度的分布（图6c）可知，垂直速度的负值中心与视热源Q₁ 和视水汽汇Q₂ 的加热中心相对应，变化趋势基本同步，表明大气的加热作用与垂直上升运动关系密切，在降雹期间水汽凝结潜热在对流层低层起主要作用，强上升运动将低层的潜热加热向上输送，形成热源中心；视热源Q₁ 和视水汽汇Q₂ 的垂直分布和峰值高度有差异，大气热源主要来自降雹过程中产生的凝结潜热。

降雹区域平均的垂直速度、视热源Q₁ 、视水汽汇Q₂ 及其各分量时段平均（3月2日19—23时）的垂直廓线如图8所示。由图8a可知，冰雹主要发生时段，降雹区的视热源Q₁ 在850 hPa以上为正值，最大加热中心位于800 hPa，强度为1.8 K/h，次加热中心位于500 hPa，强度为0.6 K/h，垂直方向上呈双峰结构。视水汽汇Q₂ 由近地层至500 hPa附近为正值，500 hPa以上基本为0，垂直方向上为单峰结构，加热中心位于750 hPa，略高于视热源Q₁ 的最大加热中心高度；垂直速度的分布与视热源相似，降雹区整层为负值，800 hPa最大上升速度为-30 hPa/h，与加热中心对应。视热源Q₁ 与视水汽汇Q₂ 的垂直分布存在一定差异，说明此次冰雹过程的对流性特征显著，主要加热中心位于对流层低层，加热低层大气，使上升运动加强，促进低空辐合补偿大量湿空气，同时加热区的热量向上输送，使中高层气流辐散得到加强，有利于对流系统的发展和持续。结合图8b、c可知，整个过程降雹区的视热源Q₁ 局地变化项和水平平流项基本为负贡献，抑制视热源Q₁ 的发展，视水汽汇Q₂ 局地变化项和水平平流项在近地层为正值，中层为负值，400 hPa以上与零度线重合，表明水汽的局地和水平变化在低层对视水汽汇加热有促进，在中层起抑制作用；垂直输送项是视热源和视水汽汇加热的主要贡献项，整层为正值，且变化趋势与视热源Q₁ 和视水汽汇Q₂ 基本一致，表明水汽凝结潜热释放是此次冰雹过程大气非绝热加热的主要贡献因子。

5 卫星云图和雷达回波特征

云顶黑体亮温（TBB）可以反映对流云团发展的强弱程度，TBB 值越低，对流云发展越强盛，降雹常出现在TBB梯度密集处^[24]。由图9a可知，3月2日19时，安顺市中部和黔南州西部一带有云团生成，中心TBB值为-15 ℃，随后向东南方向移动发展。20时（图9b）云团发展增强为对流云，云层加厚且中心不断发展扩大，云团中心TBB值增强至-42 ℃。21时（图9c）云团进一步发展，中心面积显著扩大，呈西南—东北向，云团中心TBB达-55 ℃。受此云团影响，20:28—21:35安顺市紫云县、黔南州惠水县和长顺县先后降雹，最大冰雹直径为13 mm，并且降雹点位于对流云团西南侧的TBB等值线密集处。22时（图9d）对流云团发展旺盛，冷中心也明显增大，其长轴发展到300 km，为典型的中尺度对流云团（MCS），22:01—22:30黔南州的惠水县、平塘县和罗甸县多点降雹，其中“FAST”台址于22:14降雹，降雹点集中分布在云团西南侧边缘的TBB梯度最大处，并非云团中心；23时以后云团继续向东移出主要影响区。结合对流云团的演变可知，冰雹云生成于安顺市的紫云县，自西北向东南影响“FAST”区域，属于影响“FAST”冰雹云路径中典型的西北路径^[25]。

结合雷达组合反射率分布（图10）可知，影响“FAST”区域的冰雹云单体20:31在安顺市紫云县生成，最大回波强度为45 dBZ，云顶高度达9 km，随后向东南方向移动发展。21:36（图10a）冰雹云单体主体移入惠水县、长顺县和罗甸县3县交界处，45 dBZ回波面积进一步扩大，并且65 dBZ回波高度超过-20 ℃层，云顶高度超过14 km，发展为超级单体，在移动方向前部形成明显的回波悬垂（图10c），此时惠水县的雅水村出现降雹（该对流单体首次降雹），冰雹直径为5 mm，21:00—21:36垂直累积液态水含量（VIL）出现了从30 kg/m²至45 kg/m²的跃增，这一特征对于识别冰雹具有重要意义。22:06（图10b）冰雹云单体继续向“FAST”区域移动增强，最大回波强度达70 dBZ，垂直方向上（图10d）整个云体向东南方向倾斜，在云体前方回波悬垂特征更加显著，并伴有弱回波区，云体中对流发展强烈。受此单体影响，位于平塘县的“FAST”台址及其周边的光明、塘泥、航龙等人影作业站点先后降雹，最大直径超过10 mm。

6 结论与讨论

本文选取发生在中国天眼“FAST”区域的一次冰雹天气过程，从天气实况、环流形势，水汽、动力、热力环境物理量条件，以及卫星TBB和雷达回波特征等方面进行诊断分析，得出如下结论：

（1）此次“FAST”区域的冰雹天气过程发生在500 hPa短波槽、700 hPa中低空西南急流、850 hPa切变线以及地面静止锋和辐合线的有利大气环流背景下，中低空西南急流和切变线分别为冰雹的形成提供了水汽条件和动力条件，地面辐合线触发了对流。

（2）降雹区位于地面锋区后部的对流不稳定区域，冷、暖空气交汇在其上空形成的次级环流加剧了层结不稳定。低层水汽辐合在降雹区形成了适于冰雹形成的“上干下湿”的层结分布。气旋式涡度配合风场的低层辐合—中高层辐散加强了大气的抽吸作用，形成倾斜上升气流，为降雹区水汽的抬升和冰雹循环增长提供了动力条件。不稳定能量的持续释放，为对流的形成提供了良好的能量条件。

（3）视热源Q₁ 和视水汽汇Q₂ 的垂直输送作用是加热的主要贡献项。冰雹发生的主要时段，水汽凝结潜热使低层大气以2 K/h的速率持续加热，在中层形成热源中心，加强上升运动，有利于对流的发展和持续。

（4）此次冰雹过程由中尺度对流云团（MCS）所致，降雹阶段冰雹云团中心TBB达-55 ℃，降雹出现在云团西南侧的TBB梯度大值区。65 dBZ的回波高度超过-20 ℃层、云顶高度>14 km、回波悬垂结构以及VIL 跃增等特征对于“FAST”区域冰雹天气的识别和预警具有很好的指示意义。

本文研究内容可加强对中国天眼“FAST”区域冰雹天气形成过程的热力、动力和水汽等特征的认识，对“FAST”区域的冰雹潜势预报具有一定意义。但由于只选取了一次个例，存在一定的局限性，在后续的研究工作中，将加强数值模式和双偏振雷达资料的应用，分析更多个例，加强冰雹形成的微物理机制研究，进一步完善“FAST”区域的冰雹预报模型。

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基金资助

贵州省科技计划项目（黔科合支撑［2023］一般194

黔科合支撑［2022］一般206

黔科合基础-ZK［2022］一般246

黔科合基础-ZK［2023］一般200