石河子地區三次冰雹天氣過程的綜合分析

魏 勇，雷 微，王存亮，楊建成，王 剛，趙俊榮

（石河子氣象局，新疆 石河子832000）

冰雹是新疆主要災害性天氣之一。由于其具有破壞力大、局地性強的特點，給人民群眾的生命財產和工農業生產帶來嚴重危害。近年來，隨著我國新一代天氣雷達網的建設，目前全國已布設了一百多部多普勒天氣雷達，這些雷達在監測冰雹、雷雨大風及短時強降水等突發性災害天氣過程中發揮著重要作用，各地也根據本地的實況對多普勒天氣雷達資料及其產品的理論和應用進行了較多的研究。如鄭媛媛等[1]對發生在皖北地區的一次典型的超級單體風暴過程進行了詳細的分析，揭示了超級單體的有界弱回波區、“V”字型缺口等結構特征；朱君鑒等[2]對發生在山東東阿附近一次冰雹風暴發生、發展各階段的反射率、平均徑向速度等產品的演變過程以及風暴的中氣旋特征進行了分析；廖玉芳等[3]對在中國首次探測到了三體散射（TBSS）和龍卷式渦旋特征（TVS）的雷達回波特征進行了分析；王笑芳等[4]分析了強對流天氣的短時預報方法，概括出北京地區冰雹落區的概念模式；李云川[5]等利用新一代天氣雷達產品建立了河北省冰雹、大風、強降水識別指標；王華[6]等對2005年北京兩次城區強冰雹天氣進行雷達回波分析發現，兩次冰雹過程分別是由中-γ和中-β對流系統引起。張晰瑩等[7]對弱冰雹云結構特征進行分析表明，雖然弱冰雹云回波強度弱無典型雹云特征，但速度特征明顯，具有明顯的尺度輻合輻散特征等。王存亮等[8]對春季發生在新疆準噶爾盆地南緣的一次強冰雹天氣進行了多普勒雷達特征分析。張俊蘭等[9]對夏季發生在阿克蘇地區的兩次冰雹天氣過程進行了對比分析，揭示夏季冰雹天氣和多普勒雷達回波特征；魏勇等[10]對夏季新疆準噶爾盆地南緣的一次冰雹天氣進行了綜合分析。這些總結和研究為雷達產品在強對流風暴監測和預警服務中的應用提供了寶貴的經驗。但對于每個省的強對流風暴，因其氣候特征、地形特征不同，其表現特征也有一定差異，所以作好本地新一代天氣雷達產品的分析應用是十分必要的。

新疆石河子下野地墾區和莫索灣墾區位于天山北麓，古爾班通古特沙漠南緣，地處準噶爾盆地底部西南部,是全國主要優質棉生產基地，農業是當地的主要經濟支柱，因地處沙漠與綠洲的交界地帶，歷年是冰雹必經之地，對當地的農業經濟造成很大損失。石河子氣象局于2006年4月建立了CINRAD/CC新一代多普勒天氣雷達站，2006年7月正式投入業務運行，提高了石河子地區和相鄰地區聯合防雹能力及對強對流性天氣的監測和預警能力。本文利用MICAPS常規氣象資料和石河子新一代多普勒天氣雷達資料，對自2006年石河子新一代多普勒天氣雷達投入業務運行以來，春季發生在石河子地區沙漠邊緣地帶的3次有完整資料的冰雹天氣進行了綜合的分析，力求尋找春季石河子地區沙漠邊緣地帶冰雹天氣出現前期的環境場特征及雷達產品的特征，為春季石河子地區沙漠邊緣地帶的災害性天氣的預報、預警與服務提供依據。

1 資料選取和研究方法

1.1 資料選取

在新疆石河子的CINRAD/CC新一代多普勒天氣雷達的探測范圍內，選取了石河子新一代多普勒天氣雷達自投入業務運行以來，3次春季發生在石河子地區沙漠邊緣較為典型的冰雹天氣進行對比分析，這3次冰雹天氣的實況見表1。

表1 3次冰雹天氣過程實況

1.2 研究方法

本文主要利用MICAPS常規資料、多普勒天氣雷達資料和自動站資料，應用天氣動力學、雷達氣象學方法，對春季發生在石河子地區沙漠邊緣地帶的3次冰雹天氣進行了綜合的分析，揭示春季石河子地區沙漠邊緣地帶冰雹天氣過程形成的天氣條件及多普勒雷達特征。

2 冰雹天氣形成條件

2.1 冰雹天氣過程的天氣形勢特點

由圖1可以看出，3個過程都表現在500 hPa有高空槽影響，其中“20100502”過程巴爾喀什湖附近有一低槽，沿烏拉爾山偏北風帶不斷有冷空氣南下，南支在新疆西部國境線附近有一支西南氣流，該氣流將阿拉伯海上空的水汽源源不斷的向東北輸送，與烏拉爾脊南下的冷空氣，在巴爾喀什湖附近匯合，逐漸東移進入新疆北疆地區，造成了這次冰雹天氣；“20100523”過程和“20100502”過程十分相似，也是巴爾喀什湖附近有一低槽，北支烏拉爾山南下的冷空氣與南支的阿拉伯海向東北輸送水汽的西南氣流在巴爾喀什湖附近匯合，逐漸東移進入新疆北疆地區，造成了冰雹天氣；“20110501”過程新疆西北邊境線附近有一低槽，高空冷槽逐步東移，地面冷鋒東移過境，兩者共同影響，最終導致了這次冰雹天氣。

2.2 冰雹發生前期物理條件分析

雹暴發生的基本物理條件是：位勢不穩定、觸發機制、水汽、0℃層和-20℃層高度和強的風切變[11]。由于石河子地區氣象局沒有探空站，位于石河子地區沙漠邊緣地帶上游的克拉瑪依站的探空資料對于研究石河子地區沙漠邊緣地帶冰雹發生前期物理條件有著非常重要的參考價值。

2.2.1 大氣穩定度條件分析

冰雹爆發前雹區低層一般都有潛在不穩定能量的累積過程。在外部動力條件具備的條件下，大氣潛在不穩定能量就會爆發從而產生冰雹。通過對3次冰雹天氣發生前期的石河子地區沙漠邊緣地帶上游的克拉瑪依站的探空資料分析，可以得出以下結論：

（1）假相當位溫θse的垂直分布可以很好地反映大氣的對流不穩定性,利用冰雹出現前期處于石河子地區上游的克拉瑪依站850 hPa與500 hPa的θse的差值來判斷大氣的穩定性，通過分析得出（表2）：3次冰雹天氣發生前期的克拉瑪依站 θse（850-500）＞5℃，θse/Z<0，說明假相當位溫隨高度增加而減小，大氣層的不穩定度增加，大氣處于對流不穩定狀態。

（2）冰雹等強對流天氣的產生還與當時大氣環境垂直溫度分布有關。通過分析得出（表2）：850 hPa和500 hPa溫度差在28～29℃，說明上游地區低層有很強的暖濕空氣的平流，中高層有較強的冷空氣侵入，“上冷下暖”的對流潛勢，加之高空急流的作用，使得對流不斷發展。

（3）K指數和沙氏穩定度指數（SI）是表示局地大氣層結穩定度的參數，一般用于局地對流天氣的預報。K指數是反映氣團屬性的物理量，它既考慮了垂直溫度梯度,又考慮了低層水汽,還間接表示了濕層的厚度,一般K值越大表示層結越不穩定。通過分析得出（表2）：3次冰雹天氣發生前期K指數均達到28℃，最大為29℃，說明發生降雹前本地大氣層結不穩定。SI指數指標在這3次冰雹天氣中表現得不是很好，3次冰雹天氣前期0＜SI＜3，但是根據北美K指數和沙氏穩定度指數（SI）與雷雨天氣關系的統計[12]，0＜SI＜3 只有發生陣雨的可能。

2.2.2 水汽條件分析

要形成高大的雹云，必須具備較大的不穩定能量或對流性不穩定層結，水汽的垂直分布與溫度的垂直分布一樣，都是影響氣層穩定度的重要原因。利用克拉瑪依站的探空資料分析3次冰雹天氣過程發現，降雹前低層都具備良好的水汽條件，而中高層水汽條件則較差，形成下濕上干的水汽垂直分布。春季的3次降雹過程降雹區850 hPa溫度露點差均低于7℃，而500 hPa以上是溫度露點差大于13.0℃的干層，這種下濕上干的水汽垂直分布對冰雹的發生發展及形成十分有利。同時發現這3次冰雹天氣發生前期的克拉瑪依站700 hPa的溫度露點差≤2℃（如表2所示），表明大氣處于飽和狀態，且水汽充沛，為雹粒增長提供了有利的水汽條件。

2.2.3 垂直風切變

垂直風切變是指水平風（包括大小和方向）隨高度的變化。統計分析表明，環境水平風向、風速的垂直切變的大小往往和形成風暴的強弱密切相關。在給定濕度、不穩定性及抬升的深厚濕對流中，垂直風切變對對流性風暴組織和特征的影響最大。一般來說，在一定的熱力不穩定條件下，垂直風切變的增強將導致風暴的進一步加強和發展[13]。通過對3次冰雹天氣發生前期克拉瑪依站高空資料的分析，得出低層（850 hPa）到高層（200 hPa）切變值都≥3 m·s-1·km-1（表2），從而可以得出3次冰雹天氣的前期都有較強的風垂直切變，有利于增加低空的水汽和啟動抬升機制，促使強對流的發展，為對流風暴的產生和維持提供了條件。

表2 冰雹出現前的物理條件分析

2.2.4 特征層高度分析

0℃層和-20℃層分別是冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區下界，是表示雹云特征的重要參數。根據觀測分析最有利于降雹的0℃層高度約在 3.0～4.5 km(在 700～600 hPa附近)，-20 ℃層高度約在5.5～6.9 km（在500～400 hPa附近）[14]。通過表 2可知，3次冰雹天氣發生前期0℃層高度都低于3 000 m，而-20℃層高度都大于5 500 m，說明春季發生冰雹天氣的0℃層高度較低，-20℃層高度在利于降雹范圍之內。

3 雷達回波特征分析

圖2、3是3次冰雹天氣的對流云雷達強度回波特征結構，從圖中可知，“20100502”和“20100523”都是多單體風暴，“20110501”是超級單體風暴。

3.1 雷達組合反射率因子（CR）和反射率因子剖面（RCS）及回波頂高特征

“20100502”冰雹天氣是在克拉瑪依上游的托里山區新生，在發展東南移的過程中，不斷有小單體生成合并，形成了東西向的回波帶，并移入石河子地區西北面的沙漠中，由于沙漠中的氣溫較高，在移動的過程中回波帶不斷的合并和增強，逐漸形成了一個強度大于50 dBz、中心強度為63 dBz的強回波區（圖2a），且回波頂高在11 km以上，其中63 dBz強中心在3 km左右，50 dBz強回波區接近6 km（圖3a），對應地區出現了最大雹徑為20 mm強冰雹天氣。

“20100523”冰雹天氣起始是在下野地上游的兵團農七師地區不斷有零星對流云發展和東移，傍晚前后，在石河子下野地片區逐漸形成了2個中心強度為63 dBz和58 dBz強對流單體（圖2b），其中較強的強對流單體頂高9 km，大于60 dBz強中心在3 km左右，50 dBz強回波區接近6 km（圖3b），對應地區出現了冰雹天氣。

“20110501”冰雹天氣是在上游的烏蘇山區不斷有對流單體新生，在東移的過程中，對流單體迅速合并和增強，傍晚前后，在石河子安集海片區逐漸形成成熟的超級單體風暴，在組合反射率因子（CR）圖上（圖2c）表現為：強度大于50 dBz，中心強度為63dBz的強回波區；在反射率因子剖面（RCS）圖上（圖3c）表現為：一個由弱回波區、懸掛體和回波墻組成的穹窿結構，同時顯示50 dBz強回波區的高度已達到8 km，60 dBz強回波區的高度已達到4 km，整個回波頂高達11 km，形成了非常成熟的雹云結構，對應地區出現了最大雹徑為30 mm強冰雹天氣。

對春季發生在石河子地區沙漠邊緣地帶的3次冰雹天氣的雷達回波強度分析可知：冰雹出現前回波強度和回波頂的高度迅速增加,可作為強對流天氣的預報指標；強回波中心隨著雷達仰角的增加存在明顯的前傾結構；出現冰雹時,回波強度一般大于60 dBz，回波頂高度大于9 km；冰雹的大小與回波強度、回波頂高度、大于55 dBz的強回波范圍大小成正比。

春季石河子地區沙漠邊緣地帶的0℃層高度3 km左右、雷達強回波區頂部跨入-20℃層的低溫區是形成冰雹的重要條件,參照當日冰雹天氣發生前期的08:00或20：00時0℃層和-20℃層高度,分析得出：冰雹天氣發生時，≥45 dBz的回波中心達到-20℃層的高度,-20℃層的高度上45 dBz以上反射率因子的出現,能夠提前近30 min做出本站將出現強對流天氣的臨近預報。

3.2 基本徑向速度（V）特征

分析春季發生在石河子地區沙漠邊緣地帶的3次冰雹天氣的基本徑向速度（V）圖，“20100502”和“20110501”冰雹天氣在冰雹產生前期，低仰角速度圖上有輻合型速度對出現，對應的高仰角速度圖上可見輻散型速度對；低層輻合是短時對流天氣產生和維持的重要的動力機制，高層輻散使對流加強，雹云處于強烈發展階段，隨后出現冰雹天氣；而“20100523”冰雹天氣在產生冰雹前期，低層出現氣旋輻合，中低層出現了“逆風區”，高層出現了反氣旋輻散，隨后強對流單體中的強回波區進入逆風區后，強烈的輻合上升運動不斷將低層豐沛的暖濕氣流帶往中高層，使得強對流單體內的對流更加旺盛，強度明顯增強，范圍擴大，從而產生了冰雹等強對流天氣。

通過分析得出：正負速度對和“逆風區”的出現預示著強對流天氣的出現，尤其是低仰角的輻合型速度對與高仰角的輻散型速度對配合時，對流單體強烈發展，即將出現冰雹天氣；速度場的變化比基本反射率的變化早15～30 min，故從速度圖上可更早得到對流風暴將發展加強的信息，從而有利于災害性天氣的臨近預警。

3.3 垂直累積液態水含量（VIL）特征

垂直累積液態水含量（VIL）對應于分辨率大的冰雹和風暴，而持續高垂直累積液態水又對應于超級單體回波,利用此特性可以幫助識別更強的回波，從而進一步確定冰雹出現的可能性和肯定性。

通過對春季發生在石河子地區沙漠邊緣地帶的3次冰雹天氣的垂直累積液態水含量（VIL）分析（圖4），3次冰雹天氣過程中出現冰雹時垂直累積液態水含量一般大于 28 kg·m-2，最大的是“20110501”冰雹天氣，出現冰雹時垂直累積液態水含量達到了50 kg·m-2，出現了直徑為3 cm的大冰雹。同時將3次冰雹天氣同一時刻的組合反射率因子（圖2）和垂直累積液態水含量（圖4）對比分析發現，雷達反射率因子中心和反射率因子梯度最大值與VIL中心和VIL梯度最大值相對應，使得降雹區域和含水量大的區域在位置上有很好的對應關系。將3次冰雹天氣降雹前1 h到降雹結束后的垂直累積液態水含量（VIL）對比分析發現，在降雹前的10～40 minVIL值有明顯躍增，反映了冰雹粒子在生長區碰并增長的事實，雹云處于醞釀之中；但當上游站已經出現冰雹時,VIL在高值區維持，降雹前期無明顯躍增。當VIL值大于28 kg·m-2，將有冰雹出現的可能；VIL值的大小與冰雹的直徑成正比，其高值區范圍的大小與降水量成正比。

3.4 風暴跟蹤信息（STI）特征

準確的風暴識別和跟蹤是雷達及強天氣預警的基本組成部分。多普勒天氣雷達提供的風暴跟蹤信息產品反映了所探測到的每個風暴單體各種跟蹤信息，包括風暴單體現在的位置、過去1 h中的實況位置和未來1 h每隔15 min的位置以及風暴移動的速度和方向等信息[13]。將3次冰雹天氣即將產生冰雹（未來1 h）預測位置的組合反射率CR和風暴跟蹤信息（STI）迭加（圖5a、5b、5c）和產生冰雹后（過去1 h）的實況位置的組合反射率CR和風暴跟蹤信息（STI）迭加（圖5d、5e、5f）對比分析發現，強對流暴中心的位置與組合反射率CR圖中的強中心有很好的對應關系，圖5a、5b、5c中所預測的風暴單體在未來1 h移動方向和圖5d、5e、5f顯示過去1 h風暴單體實際移動方向基本一致，只是具體位置略有差別。需要注意的是如果在風暴跟蹤信息（STI）圖中出現多個風暴單體，一定要選擇和在雷達反射率因子（Z）圖的強中心所對應的風暴中心進行跟蹤觀測，這樣就可以很好跟蹤強對流風暴的發展。由此可知，風暴跟蹤信息產品對于短時間內的預報強對流天氣移動的速度和方向以及降水落區具有很好的指示作用。

3.5 其它產品特征

中氣旋（M）：“20100502”和“20110501”冰雹天氣過程中都出現了中氣旋，其所經之地,出現了大風、冰雹等強對流天氣，因此中氣旋的出現預示著未來局地的強對流天氣。

冰雹指數（HI）：通過對3次冰雹天氣過程中冰雹指數產品的分析，發現冰雹指數產品對冰雹預報有一定的提示作用，但該產品虛警較多。當出現大的實心冰雹指數時應進行連續觀測。將冰雹指數HI產品結合垂直累積液態含水量VIL產品及組合反射率CR產品綜合使用，將對提高冰雹和局地強降水天氣預報的準確性和時效性具有很大的幫助。需要注意的是：冰雹探測算法HDA需要用戶準確、及時地輸入0℃和-20℃環境溫度層的高度、風暴的移向移速，因為0層高度（H0）和-20 ℃ 層高度（H-20）與成雹關系密切，不正確的輸入或者不能及時更新這些參數會降低算法的性能。

1 h累積降水量（OHP）：通過對3次冰雹天氣過程中1 h累積降水量（OHP）和VIL對比分析發現，1 h累積降水量（OHP）和VIL一樣，對冰雹的出現和落區具有指示意義，OHP的迅速增加與冰雹云的發展對應，其大值區與冰雹落區一致；OHP的大小與冰雹直徑無明顯對應關系，與降水量對應較好；當1 h累積降水量大于28 mm時,有冰雹產生的可能。

通過對3次冰雹天氣過程的統計分析，當有冰雹云發展時,中氣旋、冰雹指數、1 h累積降水量等產品都有一定的反應。但并不是每種產品都能同時對回波發生反應，當某一種產品有較強的反應時，就應該考慮有出現冰雹等強對流天氣的可能。

4 小結

（1）春季石河子地區沙漠邊緣地帶的3次冰雹天氣是發生在典型的高空槽型的冰雹環流背景形勢下，其影響范圍較廣，雹災損失較大。

（2）通過對比分析，總結出下列春季本地冰雹預報指標：①850 hPa與500 hPa的假相當位溫差值θse（850-500）＞5.0 ℃；②T（850-500）≥28 ℃；③K 指數≥28℃；④SI指數≤3℃；⑤850 hPa溫度露點差均小于7℃，500 hPa以上是溫度露點差大于13.0℃的干層，這種下濕上干的水汽垂直分布對冰雹的發生發展及形成十分有利；⑥低層（850 hPa）到高層（200 hPa）切變值≥3m·s-1·km-1；⑦0℃層高度都低于3 000 m，而-20℃層高度都大于5 500 m，說明春季發生冰雹天氣的0℃層高度較低，-20℃層高度在利于降雹范圍之內。

（3）冰雹出現時，回波強度一般大于60 dBz，回波頂高度大于9 km。冰雹的大小和回波強度、回波頂高度及大于55 dBz強回波的范圍成正比。利用-20℃等溫線以上超過45 dBz的反射率因子的出現,也能夠提前近30 min做出本站將出現強對流天氣的臨近預報。

（4）正負速度對和“逆風區”的出現預示著強對流天氣的出現，尤其是低仰角的輻合型速度對與高仰角的輻散型速度對配合時，對流單體強烈發展，即將出現冰雹天氣；速度場的變化比基本反射率的變化早15～30 min左右，故從速度圖上可更早得到對流風暴將發展加強的信息，從而有利于災害性天氣的臨近預警。

（5）垂直累積液態水含量（VIL）在冰雹云發展時期存在急劇增加的現象。VIL值大于28 kg·m-2，將有冰雹出現的可能；VIL值的大小與冰雹的直徑成正比，其高值區范圍的大小與降水量成正比。

（6）風暴跟蹤信息產品（STI）能夠在雷暴和冰雹出現前對風暴單體的移速、移向及降水落區做出預測，在實際的防雹減災工作中具有很好的指導意義。

（7）中氣旋、冰雹指數、1 h累積降水量等產品都能在石河子地區沙漠邊緣地帶出現雷雨大風和冰雹前做出提示，在實際工作中有重要的指導意義。

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