河南省冰雹天氣環境參量特征分析

鮑向東，王國安，王 君，王 迪，郭麗梅

(1.河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室，鄭州 450003；2. 河南省人工影響天氣辦公室，鄭州 450003；3. 河南省氣象數據探測中心，鄭州 450003；4. 河南省氣象科學研究所，鄭州 450003；5.河南省氣象臺，鄭州 450003；6.平頂山市氣象局，河南平頂山 467099)

冰雹多由發展旺盛的對流云產生，具有局地突發性強、來勢猛、致災重等特點，常給農業生產造成重大經濟損失。特別是強冰雹，對基礎設施和人畜安全會產生嚴重威脅。針對河南省冰雹等強對流天氣，省內氣象工作者也作了較多分析研究，牛淑貞[1-2]、張一平[3]、武威[4]做了一些有意義的工作。國內氣象工作者也進行了相關研究[5-10]。隨著社會對人工防雹要求越來越高，有必要利用較長時間序列冰雹資料對河南冰雹天氣進行系統分析，歸納對河南冰雹預報和人工防雹等有參考價值的預報指標，增強冰雹預報水平與人工防雹作業能力。

1 冰雹天氣分型

雷暴大風、冰雹天氣相伴出現是河南省強對流天氣發生的主要特征之一。本文在確定冰雹天氣過程時，沒有排除雷暴大風等，即冰雹天氣多伴有雷電或雷暴大風。實況資料統計顯示，2006—2015年5—9月河南省降雹頻次共156站次，共發生冰雹天氣過程67次。

依據河南省冰雹天氣發生時500 hPa環流背景，對上述67次冰雹天氣過程進行分型，可分為西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型4種類型。其中：西北氣流型冰雹過程為37次(降雹達86站次)，占全省冰雹過程總次數的55.2% (降雹頻次占降雹總頻次的55.1%)；華北低渦型為11次(降雹31站次)，占16.42% (19.9%)；西南氣流型為14次(降雹25站次)，占20.90% (16.0%)；低槽型較少，僅5次(降雹14站次)，占7.46% (9.0%)。

2 河南各型冰雹天氣的環境參量

2.1 常用環境參量

按照時空臨近原則選擇探空站，用所有出現冰雹的自動氣象站溫度、露點對臨(鄰)近探空要素進行訂正得到常用環境參量。表征強對流天氣熱力不穩定條件的環境參量較多，根據業務應用經驗并結合相關研究，選取對流有效位能(CAPE)、K指數、850 hPa與500 hPa溫度差(T850-500)、850 hPa和500 hPa假相當位溫差(θse(850-500))、抬升指數(LI)、14時地面溫度(T14)等6個環境參量，分析各型冰雹天氣的熱力不穩定條件。圖1給出2006—2015年5—9月河南西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型冰雹過程及其各型平均的各熱力環境參量及其箱線圖(箱線最高點為最大值，箱線最低點為最小值，箱體上框線為上四分位值即75%分位數，箱體下框線為下四分位值即25%分位數，箱內中間線為中位線，小圓點為平均值)。可見，各型的環境參量是有區別的：CAPE值西南氣流型最大，西北氣流型和低槽型差別不大，華北低渦型最小；K指數各型相差不大，低槽型、西南氣流型相對西北氣流型、華北低渦型更集中一些；T850-500是西北氣流型最大、其余三型相對較低；θse(850-500)差別不大，低槽型集中、華北低渦型分散；抬升指數各型差異明顯，低槽型最大，西南氣流型最小最集中，而冰雹日的T14華北低渦型最小，其余各型平均值相差不大。

圖1 2006—2015年5—9月河南各型冰雹天氣熱力環境參量統計箱線圖(a.CAPE(單位：J/kg)，b.K指數(單位：℃)，c.T850-500(單位：℃)，d.θse(850-500)(單位：℃)，e.抬升指數LI(單位：℃)，f.T14(單位：℃)；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型，Total代表各型平均)

冰雹天氣發生需要一定的水汽和強的動力條件。圖2給出2006—2015年5—9月河南西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型冰雹過程及其各型平均的14時地面露點溫度(Td14)、大氣整層可降水量(PW)和0～6 km垂直風切變(Δv)三個水汽或動力參量及其箱線圖。

圖2a顯示，冰雹日14時地面露點溫度Td14多在16 ℃以上，集中出現在16～22 ℃。西南氣流型的Td14明顯偏高，多在21 ℃以上，集中出現在21～25 ℃；西北氣流型和華北低渦型的Td14相對較低，多在16～21 ℃。圖2b顯示，冰雹天氣大氣整層可降水量多在2.9～4.0 cm。西南氣流型明顯偏多，集中出現在4.8～5.5 cm，平均在5.0 cm；另外三種類型大氣可降水量相對較小，在2.6～4.0 cm，平均在3.1～3.8 cm。綜上所述，西南氣流型冰雹天氣發生在水汽條件非常充沛的環境條件下，其它三種類型冰雹天氣的水汽條件相對較差。

由圖2c 可以看出，河南冰雹天氣的0～6 km垂直風切變并不很強，多在20 m/s以下，集中在7.2～14.5 m/s之間(弱到中等)。華北冷渦型和西北氣流型相對較大，75%分位值分別為17 m/s和14.9 m/s (中等以上)，平均值多在9.0 m/s以上；而西南氣流型垂直風切變較小，平均在7.7 m/s。總體看 0～6 km 垂直風切變統計值偏小，其原因與對流發生時間與高空探測時間相距較長有較大關系。一般情況下，08時探空深層垂直風切變對午后到傍晚發生的冰雹天氣可能會有一定程度的低估，這點在業務中需注意。

圖2 2006—2015年5—9月河南各型冰雹天氣水汽參量和垂直風切變統計箱線圖(a. 14時地面露點溫度Td14 (單位：℃)，b. 大氣整層可降水量PW(單位：cm)，c. 0～6 km垂直風切變(單位：m/s);Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型，Total代表各型平均)

2.2 常用環境參量閾值

為了更好地為冰雹潛勢預報提供技術參考和在預報業務中方便實用，根據上述常用環境參量箱線圖的25%～75%分位值，以通用的25%分位值作為各環境參量閾值指標，統計出了符合閾值指標的降雹頻次占總降雹頻次的比例，即符合率(見表1)。由表1可看出：滿足冰雹天氣環境參量閾值范圍的符合率在73.1%到87.8%之間，其中Td14和T850-500代表性最好，其符合率分別達到87.8%和80.8%，即在總降雹樣本中，符合Td14≥16 ℃和T850-500≥27 ℃閾值范圍的分別達87.8%與80.8%；其它環境參量符合率均在73.1%～78.8%，也有很好的代表性。可見，表1環境參量都在閾值以上的冰雹天氣個例超過70%以上，說明表中各環境參量具有非常好的代表性和業務使用價值。

表2為河南各型冰雹天氣環境參量閾值，從中可以看出，不同的天氣類型，其閾值還是有差別的，如各型CAPE、K指數、θse(850-500)、抬升指數、T14、Td14等環境參量閾值差異相對較大，其它環境參量T850-500、大氣整層可降水量、0～6 km垂直風切變等相對差異不大。

表1 2006—2015年河南冰雹環境參量閾值和符合率

注：CAPE、T850-500、θse(850-500)、LI、T14、Td14、PW、Δv分別表示對流有效位能、850 hPa和500 hPa溫差、850 hPa和500 hPa假相當位溫差、抬升指數、14時地面溫度、14時地面露點溫度、大氣整層可降水量、0～6 km垂直風切變，下同。

表2 河南冰雹各型環境參量閾值

3 結論

(1)河南冰雹天氣的形勢為西北氣流、華北低渦、低槽和西南氣流四種類型。其中：67個個例中西北氣流型最多，達37次過程(86站次)，占總數的55.2%(55.1%)；其次是西南氣流型14次過程(25站次)，占20.90%(16.0%)；華北低渦型11次過程(31站次)，占總數16.42%(19.9%)；低槽型較少，僅5次過程(14站次)，占7.46%(9.0%)。

(2)統計并對比分析了不同天氣類型下多種環境參量特征，歸納出河南冰雹天氣常用環境參量閾值，主要環境參量閾值為：對流有效位能CAPE≥1 137 J/kg，850 hPa與500 hPa溫度差≥27 ℃，850 hPa與500 hPa假相當位溫差≥5.5 ℃，抬升指數≤-4.5 ℃，大氣整層可降水量≥2.9 cm，14時地面露點溫度≥16 ℃等，可作為河南冰雹天氣潛勢預報依據。