地中海地区一次强烈冰雹过程的观测分析： GPM核心观测站的应用外文翻译资料

 2022-12-20 21:22:21

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地中海地区一次强烈冰雹过程的观测分析：

GPM核心观测站的应用

A.C. Marra a, F. Porcugrave; b, L. Baldini a, M. Petracca c,d, D. Casella a,1, S. Dietrich a, A. Mugnai a,

P. Sanograve; a, G. Vulpiani c, G. Panegrossi a,*

  1. Institute of Atmospheric Sciences and Climate (ISAC), Italian National Research Council (CNR), 00133 Rome, Italy
  2. Department of Physics and Astronomy, University of Bologna, 40127 Bologna, Italy
  3. Civil Protection Department (DPC), Presidency of the Council of Ministers, 00189 Rome, Italy
  4. Department of Physics and Earth Science, University of Ferrara, 40122 Ferrara, Italy

摘要：2015年9月5日，一场猛烈的冰雹袭击了墨西哥湾和意大利那不勒斯市。风暴起源于第勒尼安海，沿途降下直径7-10厘米的冰雹。在其成熟阶段，8:47 UTC，冰雹被全球降水测量任务核心天文台（GPM-CO）的一个观测器捕获，观测器上搭载GPM微波成像仪（GMI）和Ka/Ku波段双频降水雷达（DPR）。本文结合其他星载雷达和地面测量，对GMI和DPR的观测进行了深入分析，以说明GPM-CO如何将现有的观测工具整合在监测、理解和表征恶劣天气方面。快速扫描MSG SEVIRI图像表明其发展极为迅速，10.8mu;m云顶温度在40分钟内由65 K下降到198 K。当地基偏振雷达和DPR支持存在大霰/冰雹颗粒时，闪电网络在5小时内记录了超过37000次雷击，在其再生阶段，云内正雷电击增加，存在大型软雹或冰雹颗粒。DPR Ku 40 dBZ和20 dBZ的回波顶部高度分别为14 km和16 km，表明上升气流和上冲云顶过高。GMI极低亮度温度（TBs）对于对流核心（158、97、67和87K，18.7、36.5、89和166 GHz）的响应，与大体积冰粒子的存在是相容的。在两年的GPM全球观测中，风暴的最小值分别为36.5和18.7GHz（V-POL）TBs，分布位列第四和第一。这项研究说明了GPM-CO传感技术在描述这种严重冰雹结构方面的性能良好，可提供全球和地中海地区强烈和罕见的观测证据。

关键词：GPM，地中海，雹暴，极端事件，遥感，闪电

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  1. 引言

地中海有着独特的气象环境，对于预报该地区的天气是个挑战，被公认为世界上主要的气候热点之一（Giorgi,2006）。在地中海地区有着不同性质的严重天气事件，如深对流系统（Manzatoet al.），中尺度天气系统（Romeroet al., 2015; Panegrossiet al., 2016），切断低压（Kotroniet al., 2006; Porcugrave;et al., 2007），强温带（Tripoliet al., 2005; Flaounaset al., 2015）和热带气旋（Reale and Atlas，2001; Emanuel，2005; Migliettaet al., 2013; Cavicchiaet al., 2014）。这些天气过程往往起源于相对温暖的海洋，并发展到沿海地区，那里含有丰富的资产和密集的人口，往往会造成重大损失和人员伤亡（Porcugrave;et al., 2003; Llasatet al., 2013）。

最近大量的研究一直致力于在地中海地区灾害性天气事件，无论是从观测（Di Paolaet al., 2014; Bechet al., 2015; Vulpianiet al., 2015; Robertoet al., 2016; Panegrossiet al., 2016） 还是从数值模拟（Cohuetet al., 2011; Buzziet al., 2014; Cassolaet al., 2015）的观点出发，都强调了它们对地面的影响（Silvestroet al., 2015）。在过去的几十年间，几个国际气象组织一起致力于观测和预报地中海地区的灾害性天气：欧洲项目有EURAINSAT（Levizzaniet al., 2007），MEDEX（Jansaet al., 2014)） RiskMed（Bartzokaset al., 2010），FLASH（Priceet al., 2011）或像HyMeX （Drobinskiet al., 2014; Ferrettiet al., 2014）这样的实验，以及专门的一系列关于地中海风暴-欧洲地质科学联盟的Plinius会议（http://www.egu.eu/meetings/conferenceseries/plinius-topical-conferences/）,这些项目已经逐渐改善了预测地中海区域的知识和预报技能。

地中海沿岸地区复杂的地形，以及在其海边发展期间监测严重事件的需要，使得使用传统的地面仪器（如雨量计和天气雷达网络）不足以提供在时间、地点和强度方面的监测和预测所需的观测细节（Panegrossiet al., 2016）。另一方面，闪电数据可以帮助监测和分析对流风暴的演变，特别是它们最剧烈的阶段。过去的许多研究都是为了将闪电的发生和极性与恶劣天气联系起来而进行的，通常都没有结论性和对比性的结果( Schultzet al., 2011 and references therein）。此外，卫星测量可作为进一步研究海上和大部分沿海地区严重事件的工具。文献中报告的大多数研究都集中在遥感器估计降水量的能力上，这是与恶劣天气的发展有关的主要环境问题之一，但很少有人致力于增加对此类云系统结构和动力学的认识。

近十年来，地球静止尺度上的可见近红外（VIS-NIR-IR）传感器具有较高的时间采样（15分钟及以下）和地面分辨率（在最低点3至5公里），并不断提高辐射测量能力，为研究云高层结构和动力学提供了前所未有的数据。通过使用光谱的可见光-近红外部分的反射，可以估计云光学厚度和云顶粒子有效半径（Nakajima and Nakajima，1995），并将这些属性与云垂直结构联系起来（Rosenfeld and Lenski，1998）。这些信息有助于对云顶特征进行详细研究，如烟流（Levizzani and Setvak, 1996; Melaniet al., 2003）、斑点和U/V形状（Setvaacute;ket al., 2007）。系统的使用地球静止红外亮度温度（Mecikalskiet al., 2010a）和VIS-NIR反射温度（Mecikalskiet al., 2010b）的线性组合和时间属性来估计不断增长的对流云特性。

Mugnaiet al. (1990), Smithet al. (1994); Kummerowet al. (1996), Panegrossiet al. (1998)基于联合云分辨模型和辐射传输模拟的早期研究所示：虽然可见光/红外频率不适合获取降水和云垂直结构的信息，但由于上升流辐射对云和云前的响应，低地球轨道卫星上的被动微波（PMW）辐射计已被大量用于提取降水和大块云结构的定量信息。然而，由于无法通过低轨卫星持续监测云的演变，以及被动微波测量的范围以及信号强度受到限制，此类传感器无法充分了解云结构特性。在热带降雨测量任务（TRMM, Kummerowet al., 2000）上搭载的第一个降水雷达为研究热带云结构提供了新的可能性，特别在降水预测（Jianget al., 2011）及其气候空间分布（ Nesbittet al., 2000; Cecilet al., 2005）具有相当的优势，该计划特别关注深对流（ Liu and Zipser, 2005; Zipseret al., 2006）。2006年发射的CloudSat任务的云廓线雷达（CPR）（Stephenset al., 2008）旨在评估准全球尺度的云丰度、分布、结构和辐射特性，以了解云在气候中的作用。考虑到其对小云粒的显著敏感性（以及高含水量的强衰减），它已被用于研究非降水云（Leeet al., 2010)）和估计降雪率（Kulie and Bennartz, 2009）。

随着NASA/JAXA全球降水测量（GPM）任务的到来（Houet al., 2014），从太空开始进行云研究和降水监测的新时代已经开始。该卫星于2014年2月成功启动，由GPM核心天文台（GPM-CO）组成，携带被动微波辐射计，确保3小时全球覆盖。GPM-CO是主要的雨水测量卫星，上面配备了两个仪器：双降水雷达（DPR）、双频Ku/Ka波段雷达和GPM微波成像仪（GMI）：一个高分辨率、圆锥扫描的多通道被动微波辐射计。GMI和DPR是用于检索降水和云微物理结构的参考卫星仪器，在68°S和68°N之间的所有纬度范围内进行观测。除了GPM-CO外，其他星座卫星还配备了带有适当的降水感应通道组。Panegrossiet al.发现了使用GPM卫星监测地中海地区的强降水事件（2016）的例子。GPM-CO的第一年观测结果被用来绘制一幅真正的全球最大、最深和最强烈降水系统的地图（Liu and Zipser，2015）。

在这项研究中，对于在第勒尼安海上发展并于2015年9月5日袭击海湾和意大利那不勒斯市的暴力冰雹的GPM-CO观测结果（以下简称那不勒斯冰雹）进行了彻底的分析和讨论。与其他卫星和地面测量。GPM-CO卫星展示了前所未有的能力，它可以描述这场异常严重风暴的结构。结果表明，GMI和DPR的测量结果与其他传感器的测量结果相结合，提供了那不勒斯冰雹极为罕见的特征的观测证据，同时证明了GPM-CO的潜力，通过对降水的三维结构进行独特的星载测量，增强对这些严重对流系统的理解。这项工作的目的是表明，使用先进的交叉观测工具，结合不同平台的数据，对于定期破坏地中海沿岸地区的严重和快速发展的对流系统的特征化至关重要，并记录GPM如何集成了已建立的观测地面和卫星传播工具，用于监测，理解和描述恶劣天气。

  1. 观测数据描述

2015年9月5日那不勒斯的冰雹是由一股急流向南俯冲而来，急流冲入西欧，造成意大利半岛上空的扰动。这种不稳定，伴随着高海表温度（SST）和低层对流，激起了一场令人印象深刻的强雷暴。随着强烈的闪电活动和强风，在6:00 UTC之前开始在那不勒斯海岸附近的第勒尼安海上空发展，到6:37 UTC达到成熟，在9:00 UTC左右袭击海岸。然后向内陆移动，直到12:00 UTC左右完全消散。这场风暴异常猛烈，沿着它的传播路径落下了直径7-10厘米的冰雹（见图1）。

    1. MSG,闪电和地面雷达

在这项研究中，Meteosat第二代（MSG）旋转增强可见光和红外成像仪（SEVIRI）数据（Schmetz et al., 2002）主要被用于两个目的：利用快速扫描服务（RSS）5分钟采集，研究云顶结构并分析云生命第一阶段的增长。SEVIRI在12个光谱通道中观测地球：我们分析了高分辨率可见光（HRV）和10.8mu;m（IR）通道，分别在最低点分辨率为1times;1和3times;3 km。

此外，来自地面低频（VLF / LF）Lighting 网络（LINET）的闪电数据用于分析冰雹的演变。LINET系统覆盖从大约30°N 10°W到65°N 35°E的广泛区域并检测总闪电，但它也能够区分云对地（CG）和云内（IC）的极性（正IC 和CG ，负IC-和CG-）（Betz et al., 2004;Betz et al., 2009）。当传感器基线不超过200 km时，3D辨别方法是可靠的（位置精度为150 m）。此外，LINET允许估算IC发射高度，尽管至少需要4个传感器才能可靠地确定IC高度（Betzet al., 2004;Houml;ller et al., 2009）。在这项研究中，LINET提供的信息得到了充分利用；具体地说，时间（时间分辨率约为512毫秒），VLF源的水平和垂直位置，以及IC和CG云的极性。

图1.一艘船离海岸2公里，在普罗奇达岛北部（北纬40.78°，东经14.02°），大约09:00 UTC（左图）观察到的冰雹爆炸事件。棒球大小的冰雹（右图）。http://www.youreporter.it/video_Eccezionale_tempesta_di_grandine_nel_golfo_di_Napoli （Rosario Chiocca提供）和https://www.youtube.com/watc

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