一次强冰雹天气环境场及卫星云参数特征分析

Analysis of the Environmental Field and Satellite Cloud Parameter Characteristics of a Severe Hailstorm

摘要

运用高空和地面逐小时常规观测数据以及FY-4A卫星产品，对2023年6月26日延安一次强冰雹过程环境场和云参数演变特征进行分析。结果表明：（1）此次强对流过程为高空冷平流强迫类，大气层结“上干冷、下暖湿”，地面辐合线触发不稳定产生大范围雷暴；（2）此次过程受高度组织化的中β尺度对流系统影响，TBB值的陡降能够提前20 min以上预警冰雹。TBB降至-32 ℃以下时降雹开始，TBB降至-70 ℃以下大概率预示有大冰雹；（3）成熟阶段的雷暴云团前沿云顶高度梯度大值区与100或200 hPa云区上风方气压梯度大值区对应着降雹区，云顶高度达到10 km以上则是降雹开始的重要条件；（4）成熟的雷暴云主体为冰云，上风方有卷云、混合云和过冷水云的过渡区，下风方为多层云；（5）对流初生产品能提前识别出雷暴云的初生位置，并预示其增强过程。

Abstract

Using hourly high-altitude and ground conventional observation data, as well as FY-4A satellite products, we analyzed the characteristics of the environmental field and cloud parameter evolution associated with a severe hailstorm in Yan'an. The results show that: (1) The strong convective process was characterized as a cold advection forcing type at high altitude, with the atmospheric stratification described as "dry and cold aloft, warm and humid below", and the ground convergence line triggered instability, leading to widespread thunderstorms. (2) The process was influenced by a highly organized medium-β scale convective system, and the steep drop in TBB values provided an early warning for hail occurrence more than 20 minutes in advance. Hailfall began when the TBB dropped below -32 ℃, and values below -70 ℃ were likely indicative of a hailstorm. (3) The high value area of cloud top height gradient at the front of the mature thunderstorm cloud cluster and the high value area of pressure gradient on the upwind side of the 100 or 200 hPa cloud area correspond to the hail area. The cloud top height exceeding 10 km was an important condition for hailfall onset. (4) The main body of mature thunderstorm cloud was composed of ice clouds. On the upwind side, a transition zone of cirrus, mixed and supercooled water cloudswas observed, and multi-layered cloud structures on the downwind side. (5) The convective initiation product can identify the incipient location of thunderstorm clouds in advance to some extent and predict the enhancement process of these clouds.

Graphical abstract

关键词

冰雹 / FY-4A / 云顶亮温 / 云顶高度 / 云顶气压 / 云类型 / 对流初生

Key words

hail / FY-4A / TBB / CTH / CTP / CLT / CIX

冰雹是陕西地区暖季最易发生的灾害性天气之一，具有局地性强、持续时间短等特点，常常威胁到人民生命财产安全。陕西冰雹高频发生区位于榆林、延安和宝鸡西北部等地，降雹与海拔高度关系密切，冰雹频次由南向北逐渐递增^[1-3]。近年，围绕陕西冰雹天气的研究多集中在冰雹发生的天气条件和雷达回波特征分析等方面。有学者^[4-6]认为冷暖平流、干线、湿舌、显著流线及切变线位置是判断冰雹发生的有利条件，适宜的0 ℃和-20 ℃层高度有利于雹粒的增长。姚静等^[7-8]总结出三体散射长钉、高悬强回波、“V”型缺口、中等强度涡旋、风暴顶强辐散及垂直液态水含量的骤增是陕北和关中北部冰雹的临近预警指标。受地形和探测距离等因素影响，一些冰雹过程不在雷达有效探测范围内，造成冰雹临近预警的盲区。卫星资料覆盖面广、时空分辨率高、不受自然条件和地域限制，有利于冰雹云的早期识别和预警^[9-10]，目前成为强对流天气监测的重要手段。

国内外许多学者利用卫星探测资料开展了冰雹云特征研究，如TBB值下降至-32 ℃以下预示着对流的发生，其梯度大小反映中尺度对流云团内上升气流的发展强度，降雹区域常出现在TBB梯度大值区，在TBB梯度较大并且TBB值较小时，更容易出现大冰雹天气^[11]。还有研究发现冰雹尺寸和云参数之间具有一定的相关性，Ni等^[12]应用TRMM卫星微波亮温和测雨雷达反射率因子建立＞19 mm冰雹的探测标准，即-22 ℃和44 dBZ的阈值，结果显著优于仅使用雷达的方法。红外亮温数据及其随时间的变化，可以综合识别初生对流^[13-14]，比雷达回波识别提前10~30 min^[15]。有学者利用双层回归反向传播神经网络（BPNN）建立了冰雹最大直径和云参数之间的回归模型^[16]，取得了良好的应用效果。也有研究基于卫星云特性参数和冰雹云之间的相关性建立了冰雹云识别指标^[17-18]，表现出较高的准确率，以上研究均表明卫星资料在冰雹监测和预警方面能够弥补雷达观测资料的不足。

FY-4A卫星是中国2016年发射的新一代静止气象卫星，实时提供了云和大气产品等32种定量产品，在天气监测和预报预警中发挥着重要作用。牛宁等^[19]对一次暴雨过程分析发现FY-4A卫星云顶高度、云顶气压和云类型等产品能够很好地反映暴雨加强发展时的环境场分布特征。郭巍等^[20]对FY-4A卫星对流初生产品和中尺度数值预报进行了综合应用，并在上海地区强对流天气监测预报预警中取得了良好的效果。还有学者^[21]利用FY-4A卫星云顶亮温、云类型和云顶高度等产品对暴雨云系不同阶段宏微观特征进行分析，发现强降水阶段云类型以云顶高度14 km以上的冰云为主。FY-4A产品已被广泛应用于暴雨和强对流等灾害性天气的监测和预警中，并取得了良好的应用效果。本文以2023年6月26日延安的一次强冰雹天气为例，对FY-4A卫星L2级产品中黑体亮度温度（TBB）、云顶高度（CTH）、云顶气压（CTP）、云类型（CLT）和对流初生（CIX）等产品在冰雹天气中的云特性参数进行分析，探索可能作为降雹事件和降雹落区预警的云参数指标，为业务中冰雹临近预警提供更多参考依据。

1 资料方法

利用2023年6月26日高空和地面逐小时常规观测资料以及延安市146个自动气象站极大风速、极大风向与1 h降水量等资料，降雹信息来自国家气象站观测及乡镇防雹作业指挥人员记录。卫星产品来自FY-4A静止气象卫星AGRI仪器载荷的L2级产品中黑体亮度温度（TBB）、云顶高度（CTH）、云顶气压（CTP）、云类型（CLT）和对流初生产品（CIX）等资料，其中TBB采用NOM Channel12（中心波长10.8 \mathrm{\mu }\mathrm{m}）的数据，产品空间水平分辨率为4 km，全圆盘成像仪观测为每15 min一次，中国区域观测为每5 min一次。

2 天气概述

2023年6月26日午后至傍晚延安市出现大范围强雷暴天气，14:17—18:50志丹县、子长市、富县、黄陵县、宝塔区和宜川县依次出现冰雹，最长持续时间22 min。15:00前以5 mm以下的小冰雹为主，15:00后对流旺盛发展，冰雹尺寸迅速增长，有7个降雹点出现2 cm以上大冰雹，18:16—18:36宝塔区最大降雹直径达5 cm。降雹期间，14站出现6级以上大风，其中延长县出现23.8 m/s（8级）雷暴大风，仅1站出现短时强降水（小时雨强≥20 mm）（图1）。

3 环境场分析

3.1 高低空配置

26日8时（图2），200 hPa高空急流的分流辐散区影响甘肃、宁夏和陕西等地。500 hPa渤海及山东半岛地区的高空冷涡正在酝酿发展，陕西上空为西北风强风速带，最大风速达26 m/s。此外，内蒙古中部有冷温槽发展并向东移动，冷温槽影响内蒙古中部、陕西西部至四川中部地区，表明中层存在较强的干冷平流。700 hPa河套地区至陕南西侧有切变线存在，切变线前部强上升运动提供了良好的天气尺度动力条件。低层850 hPa受偏南暖湿气流影响，延安比湿达9 g/kg，四川至关中东部存在暖脊，与高空冷平流叠置有利于对流不稳定快速增长，产生强烈的位势不稳定层结。此次强对流天气配置属于高空冷平流强迫类，500~700 hPa均有冷平流沿西北气流下滑影响延安地区，午后受延安北部地面辐合线抬升触发不稳定能量，13时左右生成孤立雷暴，之后逐渐加强为雷暴群，16时再次受到地面辐合线触发加强，造成多地冰雹和雷暴大风等强对流天气。

3.2 热力和不稳定条件

26日8时延安站探空显示，整层大气湿度条件较好，随着中层干冷空气侵入，600 hPa以上逐渐转为干层，20时表现为上干冷、下暖湿的“喇叭口”形态。稳定度参数（表1）显示，26日8时850和500 hPa温度差（T_850~500）达到27 ℃，订正后CAPE达1 325 J/kg，K指数较大，SI指数较小，表明大气存在较强的潜在不稳定。8时0~6 km垂直风切变达到中等强度（14.8 m/s）。据以往研究^[5,8,22]，延安站降雹前环境参量均满足陕西中北部6月冰雹环境阈值，环境条件极有利于冰雹天气发生。延安站20时探空CAPE值、T_850~500和K指数分别增加至1 447 J/kg、4.2 ℃和9.4 ℃，SI指数降至-2.67 ℃，0~6 km发展为强垂直风切变（23.6 m/s），表明过程期间潜在不稳定和能量条件的加强对中尺度对流风暴的组织发展起着重要作用。

0 ℃层高度位于600 hPa附近（4.4 km），-20 ℃层高度位于400 hPa附近（7.4 km），0 ℃和-20 ℃层高度差为3.0 km，该厚度有利于冰雹的增长，湿球0 ℃层高度（WBZ）较0 ℃层高度低0.3 km，适宜的融化层高度有利于冰雹降落至地面的下降过程中不会融化。

4 <bold>FY-4A</bold>卫星云参数演变特征

4.1 中尺度对流系统及<bold>TBB</bold>变化特点

26日白天延安地区在高空强冷平流作用下，大气对流不稳定迅速发展，13时地面气温升至30 ℃左右，CAPE不断增大，在延安西北部地面辐合线触发下产生了大范围雷暴云团。13:23延安西北部有中γ尺度对流云团局地生成，伴随着上升运动发展，云顶温度迅速降低，云区范围逐渐扩大。14:44（图3a）发展为中β尺度对流云团A，云顶亮温达到-42 ℃以下，在对流层中层强西风作用下，云团A逐渐向东南方向移动，在此过程中志丹境内出现1 min左右零星降雹，冰雹直径小于1 cm。15:24（图3b）云团上风方亮温梯度增大，最低亮温达-62 ℃左右，同时在延安北部生成一孤立的新生对流云团B，在20 min内迅速发展。15:47（图3c）云团A上风方出现穿透云顶区，为风暴核位置，伴随着云顶亮温进一步下降，最冷云顶位于雷暴云母体的上风一侧，边界为最强亮温梯度，表明对流区存在较强的垂直风切变，下风方出现长的卷云砧，该阶段对流组织化程度进一步增强。云团B受中层风影响，具有明显的东—西向长轴，逐渐发展为中β尺度，在西侧上风方出现穿透云顶，最低亮温达-72 ℃左右，该阶段的云团A和B分别造成了富县和子长市两地降雹，最大冰雹直径约3 cm。16:47（图3d）云团A进入对流发展最为旺盛的成熟阶段，且不断向南移动，在富县、黄陵县多地造成了持续15 min以上的强降雹天气，最大冰雹直径达3~4 cm，该时段为云团A影响下的最强降雹时段，而云团B则进入消亡阶段。17:39（图3e），云团A云顶亮温开始升高，上升气流减弱，但在西部边界仍有较明显的亮温梯度，该时段富县和黄陵县出现了小范围降雹，但较上一时次持续时间缩短，最大冰雹直径为2~3 cm。此外，已逐渐消亡的云团B在16时地面辐合线（图2）触发下再次加强，发展为中β尺度云团C，该云团具有明显的上冲云顶，云顶最低亮温位于云团西侧，达-72 ℃左右，该时段在宜川县多地形成降雹，冰雹直径达3~5 cm。18:24（图3f）云团A和C云顶亮温梯度逐渐均匀，边缘变得模糊，层云范围扩大，降雹过程结束。

延安西北部和西南部降雹主要影响系统为中β尺度对流云团A，延安北部和东部降雹则主要受中β尺度云团B以及二次加强后形成的中尺度云团C影响，TBB降至-70 ℃以下和大冰雹（直径≥2 cm）的出现具有较好的对应关系。云团生命史持续4~5 h，为高度组织化的雷暴群，在平流和传播共同作用下，造成延安多地降雹。

选取富县北道德（降雹时段为16:10—16:32）、富县寺仙（降雹时段为16:40—17:03）和黄陵田庄（降雹时段为17:40—17:50）作为代表站分析TBB演变特征（图4），北道德15:49开始出现TBB陡降，16:30达到极小值（-55.6 ℃）；寺仙从16:00至降雹TBB由1.6 ℃下降至-47.9 ℃；田庄17:00开始TBB迅速下降，17:49达到极小值（-53.3 ℃）。3地在降雹前20~40 min均出现了TBB的陡降，平均下降速率达-50 ℃/h，并在降雹期间达到TBB极小值，降雹结束后TBB迅速升高。本次过程中有72%降雹点降雹开始时TBB达-32 ℃以下，56%达-42 ℃以下，最低约为-62 ℃。因此，TBB的陡降预示出现冰雹，提前量为20 min以上，TBB降至-32 ℃以下大概率对应着降雹的开始。

4.2 云顶高度

一般对流云发展越旺盛，云顶高度越高。对比云顶高度和云团TBB变化，在雷暴云团初始阶段，云团A主体发展高度达7 km（-20 ℃层高度）以上，为冰雹增长提供了必要的环境条件，同时在云团西部上风方出现了上冲云顶，但上冲云顶范围较小，云顶高度为13~14 km，该阶段降雹点较为分散，与上冲云顶不能完全匹配。16:30（图5a）雷暴云团A的上冲云顶范围扩大2~3倍，并出现向东延伸的卷云砧，云顶高度达到15 km以上，为对流发展最旺盛的时段，降雹点位于上冲云顶的上风方处，即云顶高度梯度大值区。17:15（图5b）云团A降雹区域附近维持15 km以上较高的云顶高度，较高的云顶逐渐向东发展，表明雷暴云顶逐渐以平流运动为主，上升运动开始减弱，但仍在云团西侧云顶高度梯度大值区出现了强降雹。与此同时，在地面辐合线触发下，消亡的云团B加强为新生云团C，在上风方出现局地降雹。18:30（图5c）云团A云顶高度下降，中心东移，此时已不再降雹，而延安东北部的新生对流云团C强烈发展，但尺度较小，其西部上风方出现了密集降雹，之后云顶高度迅速降低，两处雷暴云团均逐渐消亡。

16—18时为降雹持续时间最长且冰雹较大的时段，成熟阶段的雷暴云中心云顶高度均高于15 km，并在强垂直风切变作用下其上风方一侧存在云顶高度梯度大值区，对应着降雹点位置，此特征可作为冰雹落区临近预警的依据之一。

由北道德、寺仙和田庄3站降雹前后的云顶高度变化（图6）可知，北道德云顶高度降雹前1 h一直维持在8~10 km，降雹时上升至12 km左右，16:30达到极大值（14.5 km）；寺仙云顶高度在降雹前30 min迅速升高3 km，并在降雹结束后云顶高度继续升高10 min左右，达到11.8 km；田庄在降雹前40 min云顶高度陡升4.6 km，17:49达到极大值（14.2 km）。降雹结束后，3站云顶高度均迅速下降。降雹时间和云顶高度的陡升具有较好的对应关系，但陡升时段与降雹开始时间无明显的相关性，可能由不同环境下冰雹增长方式不同导致^[23]。本次过程中所有降雹点开始降雹时的云顶高度均为10 km以上，61%的降雹点云顶高度在11 km以上，最高达到15 km。因此，云顶高度的陡升能够预示某地降雹的产生，云顶高度达到10 km以上是降雹开始的重要条件之一。

4.3 云顶气压

云顶气压指云层顶处的压强，一定程度上反映对流云顶的发展高度。由云顶气压和云团TBB变化可知，在延安西北部中尺度对流云团A的初始发展阶段，云顶中心气压值为200 hPa，雷暴云团周围中低云区气压值为300~1 000 hPa，边缘逐渐接近海平面气压，中低云和晴空区过渡十分清晰。16:30（图7a），云团A南移至延安西南部，与云顶高度产品对比可知，200 hPa云区云顶高度约在10 km以上，100 hPa云区云顶高度约在15 km以上，并在云团西侧上风方存在云顶气压梯度大值区，该位置为主要降雹区域。17:15（图7b），云团A逐渐向东发展，100 hPa云区扩大，在其西侧仍有密集降雹，同时云团C中心逐渐发展为连续的低压区，气压值为100~200 hPa，此时在其上风方有局地降雹。18:30（图7c），随着云团A逐渐减弱，100 hPa云区西侧气压梯度也逐渐减弱，降雹结束，云团C中心100 hPa云区发展至成熟阶段，但与成熟阶段的云团A相比，其西侧气压梯度较小，100 hPa云区位于云团中心位置，降雹区位于200 hPa云区西侧气压梯度大值区。

由以上云顶气压产品分析发现，100 hPa以下云区和雷暴云团主体对应较好，降雹区则主要位于100或200 hPa云区上风方气压梯度大值区。

4.4 云类型

在延安西北部雷暴云的初生阶段，云顶高度位于10 km以下，云类型产品显示该单体主要由卷云、冰云、混合云和过冷水云构成，四周为大范围的暖水云，同一时刻云团中心TBB刚达到-42 ℃，范围远小于云类型产品中的对流云体，且没有明显的云体特征，因此云类型产品相较红外云图而言能够更早地获取雷暴云结构信息。在对流发展最旺盛的阶段，云团云顶高度在10 km以上，云类型产品显示雷暴云团主体为大范围的冰云，上风边缘存在卷云、混合云和过冷水云的过渡区，云团的下风方存在多层云，降雹区域对应着冰云区，也是云体温度最低的区域，不同的云类型分布反映了风暴顶的结构特征。

4.5 对流初生产品

对流初生产品为地基天气雷达回波首次达到35 dBZ时气象卫星探测到的对流。对比对流初生产品和云团TBB变化发现，13:38对流初生产品在延安西北部识别出“疑似初生对流”区，该时刻早于红外云图发现对流云团A约10 min。14:53在延安北部识别出局地“初生对流”区，而红外云图在15:02才监测到对流云团出现。16:00在延安东部存在小范围“疑似初生对流”区，对比红外云图发现，云团B经过该区域附近时出现了二次加强，但对于影响富县和黄陵县降雹的云团A，该产品未能够进行识别。因此，对流初生产品在一定程度上能够提前识别雷暴云的初生位置，并预示雷暴云的增强过程，但对于识别雷暴云的初生和发展状态还有待进一步探究。

5 结论与讨论

以2023年6月26日延安地区的一次强降雹天气为例，对过程环境场和FY-4A卫星云参数特征进行分析，得出以下结论：

（1）此次强冰雹天气过程为高空冷平流强迫类形势配置，中高层强西北气流利于0 ℃层和-20 ℃层高度的下降以及深层垂直风切变的增强，大气层结“上干冷、下暖湿”，在地面辐合线触发下产生高度组织化的强雷暴天气。

（2）此次冰雹天气受高度组织化的中β尺度对流系统影响，TBB值的陡降能够提前20 min以上预示冰雹的出现，当TBB降至-32 ℃以下时降雹开始，TBB降至-70 ℃以下大概率预示着有大冰雹。成熟阶段的雷暴云团前沿云顶高度梯度大值区与100或200 hPa云区上风方气压梯度大值区对应着降雹区，云顶高度达到10 km以上是降雹开始的重要条件。

（3）云类型产品较红外云图能够更早地获取雷暴云结构信息，成熟的雷暴云主体为冰云，上风方有卷云、混合云和过冷水云的过渡区，下风方为多层云。对流初生产品一定程度能提前识别出雷暴云的初生位置，并预示其增强过程。

本文仅针对一次冰雹过程的FY-4A卫星的5种L2级产品进行冰雹天气中的云参数特征研究，而FY-4A提供了32种定量产品，在冰雹天气监测预警中更深的应用价值仍需不断深挖。

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基金资助

陕西省自然科学基础研究计划青年课题(2023-JC-QN-0311)

中国气象局2024年复盘总结专项(FPZJ2024-135)