2013年6月喀什地區一次強冰雹天氣的成因分析

2014-11-15 05:28:28李圓圓

沙漠與綠洲氣象 2014年2期

李圓圓，支竣，張超

（1.新疆氣象臺，新疆烏魯木齊830002；2.喀什地區氣象局，新疆喀什844000）

喀什地區位于新疆西南部，它三面環山，一面敞開，北部有天山山脈，西部緊挨帕米爾高原，南部為綿亙東西的喀喇昆侖山，東部為一望無垠的塔克拉瑪干大沙漠，地勢從南向東微微傾斜。喀什地區土地總面積1 394.79×104hm2，約占新疆土地總面積的1/12，以農業和牧業為主，由于地形復雜，天氣多變，常出現強對流天氣。隨著農業、林業生產規模和現代化水平的不斷提高，強對流天氣災害的危害日益加劇。近幾年，喀什地區強對流天氣頻次高、范圍廣、危害重，冰雹出現的頻次也較高，據統計，每年5—9月，冰雹災害均會給喀什地區帶來不同的損失，個別年份經濟損失達數億元，冰雹災害已成為夏季危害農業、林果業、設施農業的主要氣象災害。冰雹天氣由于發展迅速、局地性強、生消快、危害重，一直是天氣預報工作的難點。國內不少學者和業務人員對我國的冰雹天氣進行了研究，取得了不少研究成果，龍余良[1]、郭艷[2]、王華[3]、張晰瑩[4]等分別對江西、北京、黑龍江等地的冰雹天氣進行了系統地研究，鄭媛媛[5]、潘玉潔[6]等整理歸納了安徽、福建的超級單體風暴的雷達回波特征。張俊蘭[7-10]通過對阿克蘇地區強對流天氣的研究，分析了阿克蘇地區冰雹天氣的環流形勢、中尺度系統、雷達回波和能量特征等，劉進新[11]和彭江良[12]對南疆阿克蘇的強對流和冰雹天氣的影響系統、動力因子等進行了分析，張云惠等[13]揭示了南疆西部強降雨天氣的多普勒雷達回波特征，王榮梅等[14]對2011年8月喀什一次冰雹天氣做了雷達探測分析，魏勇[15]和王存亮[16]等人也對發生在北疆石河子地區的冰雹天氣進行了研究。這些研究揭示了新疆發生冰雹的物理觸發機制，對冰雹預警有一定的指導意義。本文利用喀什地區各氣象站觀測資料、區域自動站氣象觀測資料和ECWMF（2.5°×2.5°）、T639（1°×1°）細網格資料、喀什新一代多普勒雷達資料，對2013年6月18日發生在新疆喀什地區境內的一次罕見的強冰雹天氣進行了研究分析，以期能為南疆地區冰雹短時和臨近預報、預警提供思路。

1 強冰雹天氣實況

2013年6月18日,喀什地區出現了歷史上罕見的強冰雹天氣，喀什、伽師、岳普湖、莎車、英吉沙、麥蓋提等6個縣市先后遭冰雹侵襲。冰雹主要集中出現在18日下午至傍晚，各地降雹的起止時間（北京時間，下文同）大約為：喀什市17:00—17:25，伽師18:10—18:17、18:33—18:38，岳普湖 19:17—19:45，莎車、麥蓋提、英吉沙等地分別于19:30、20:08、20:08開始降雹，因降雹區地廣人稀，無法確知冰雹的持續時間。此次冰雹共造成經濟損失2.6億元，是近年來喀什地區單次損失最大的冰雹過程。雹災最重的岳普湖縣，冰雹持續時間28 min，最大冰雹直徑6 cm，4個鄉、2個農場出現冰雹，受災農作物總面積4 640.2 hm2，絕收面積1 935.4 hm2；其次為伽師縣，冰雹持續約13 min，最大冰雹直徑2.5 cm，最大積雹厚度4 cm，受災農作物面積3 420.6 hm2。

2 大尺度環流背景

此次強冰雹天氣是在比較穩定的大尺度環流背景下出現的。天氣過程前（15—17日），100 hPa南亞高壓呈雙體型分布，兩個高壓中心分別位于伊朗高原和青藏高原東部，隨著南亞高壓發生東西震蕩，位于中亞地區的副熱帶大槽逐漸南伸至30°N附近，槽前西南氣流在南疆西部長時間維持。500 hPa上，伊朗副高東伸發展，在里咸海附近與歐洲脊疊加，脊前西北氣流不斷引導冷空氣南下，使位于西西伯利亞的低槽南伸并在巴爾喀什湖附近切渦，在下游強烈發展的貝加爾湖脊的阻擋下，移動緩慢，并與減弱東移北收的中亞低值系統和阿拉伯海至印度半島的低槽同位相疊加，使得西西伯利亞—中亞—印度半島間60°～20°N的40個緯距內均為低槽活動區。隨著西太副高西伸北進，18日08時（圖1a），阿拉伯海至印度半島低槽前的西南氣流攜帶阿拉伯海水汽北上青藏高原后繼續進入新疆南疆盆地，中亞低槽與巴爾喀什湖低渦槽匯合，槽前在南疆西部不斷有短波擾動，在喀什至岳普湖之間也有一條中尺度切變線，為喀什地區發生冰雹的主要影響系統。從環流和風場的高低空配置（圖1b）來看，同一時刻在200 hPa高空，低槽位于喀什附近，槽前西南急流最大風速超過50 m/s，槽后風速不足20 m/s，槽前輻散強烈。對應在700 hPa和850 hPa上，南疆盆地東部均有一支偏東氣流，起到墊高作用的同時，也將一部分水汽從東部地區接力輸送至雹區；在喀什到伽師（雹區）附近，700 hPa和850 hPa均存在中尺度切變線，有利于水汽在其附近輻合上升和增加層結的不穩定，為產生冰雹提供了有利的環流背景。

圖1 2013年6月18日08:00環流背景

3 中尺度系統分析

3.1 地面中尺度系統

此次喀什地區的強冰雹天氣主要集中在岳普湖、伽師附近。從地面加密風場疊加氣壓場圖上可以看出，18日02:00，伽師、岳普湖西部出現了中尺度低壓（中心值999.9 hPa），低壓底部為西北—西南的風切變；05:00此低壓東移南壓，略有加強，中心值999.6 hPa；08:00—11:00，低壓減弱，但 11:00 雹區東部東風加強，由4 m/s增為8 m/s；12:00—16:00，雹區的西南部區域氣壓逐漸下降，生成2～3個中尺度低壓系統；17:00—19:00（圖2a、b、c），從地面風場上可以分析出3個持續維持的中尺度低壓環流圈，低壓底部均存在西北—西南（或東北）的風向切變，且3個中尺度低壓的強度較強，自北向南分別為996、995、994 hPa；20:00（圖2d），低壓減弱，僅西部的中尺度低壓還存在，南部僅從風場上可看出存在低壓環流，雹區東部的偏東風也明顯減弱。

圖2 2013年6月18日17:00—20:00區域自動站氣壓（填值+1 000 hPa）和風場分布

從上述分析得知，降雹前，地面中尺度低壓維持時間較長，雹區位于地面中尺度輻合中心北部，雹區西部、西南部提前十幾小時出現了地面中尺度低壓和中尺度切變線的中尺度擾動，強冰雹主要發生在地面中尺度系統的偏北區域。冰雹出現和持續的主要時段內，約有3個中尺度低壓存在，當地面中尺度系統開始減弱時，冰雹天氣也逐漸減弱。中尺度低壓的出現、維持和加強增強了近地面層的輻合抬升，對此次冰雹的產生起到重要作用。

圖3 2013年6月18日08:00 T639（1°×1°）初始場水汽通量（等值線，單位：g/（cm·hPa·s））和風矢量場

3.2 低層中尺度系統

冰雹出現前，18 日 08:00，T639（1°×1°）初始場的低層700～850 hPa風矢量場上，出現了切變線和涌線等中尺度系統。700 hPa（圖3a）上，在雹區的西部和西南部，存在較明顯的西北—西南方向的冷式風切變（雙實線）；850 hPa（圖3b），麥蓋提附近有偏東風與偏西風的暖式風切變（雙實線），且岳普湖和麥蓋提之間出現了同方向（偏東方向）上較強東風區進入較弱東風區的東風涌線，風場為向南疆西部輻合的局勢，出現大冰雹的岳普湖和麥蓋提恰好位于暖式風切變線的北部，即冰雹天氣出現在地面中尺度低壓的北側。地面中尺度低壓、低層切變線、涌線等中尺度系統有利于低層輻合的發展，形成低層輻合區，是啟動、觸發冰雹天氣的重要天氣系統，在中尺度系統的作用下，大氣層結不穩定層附近極易產生冰雹等強對流天氣。

4 物理量診斷分析

4.1 水汽條件

4.1.1 水汽通量

圖4 T639（1°×1°）垂直速度（單位：10-2Pa/s）和相對濕度（單位：%）

強對流天氣的發生發展和維持，必須有豐富的水汽供應。冰雹天氣發生前，對流層中低層要有一定的水汽輸送至雹區上空并聚集。本文中的水汽輸送通過 T639（1°×1°）08 時初始場的水汽通量的水平分布場（圖3的等值線）進行分析判斷，冰雹出現前，來自阿拉伯海的水汽通過較強的西南氣流輸送至南疆地區，并且自低層700 hPa伸展到500 hPa中層，但水汽在冰雹上空的較強輸送主要出現在低層。17日夜間，雹區低層水汽輸送逐漸增大，18日08:00達到最強，700 hPa（圖3a）上主要為西南方向的水汽輸送，伽師、岳普湖東部出現了范圍較大的4 g/（cm·hPa·s）的水汽通量高值區，最大值達到5 g/（cm·hPa·s），水汽通量高值區的西南部配合有西南氣流，對水汽輸送較為有利。850 hPa（圖3b）上出現了偏東路徑的水汽輸送，雹區東部有6 g/（cm·hPa·s）的水汽通量大值中心，并有6～8 m/s的偏東氣流，岳普湖和麥蓋提之間的東風涌線對水汽輸送和輻合也十分有利。

4.1.2 相對濕度

相對濕度指空氣的水汽壓與同一溫度下的飽和水汽壓之比，它的大小表示空氣接近飽和的程度，與大氣中的水汽含量有關，可反映空氣干濕程度。沿雹區附近 77°E、39°N 的點，對 T639（1°×1°）相對濕度作13—20日1 000～200 hPa的時間垂直剖面圖（圖4b）可以看出，16日20:00，600 hPa以下層結的相對濕度開始增大，中高層濕度較小，300 hPa以上的高層濕度增大。相對濕度高值區與上升運動區的高度和層次基本對應，300 hPa、700 hPa附近為相對濕度大值中心，中低層650～850 hPa間為70%以上的高濕區，而此高度間的上升速度（圖4a）相對也最大，說明濕空氣在中低層不斷抬升。18日20:00，500 hPa以下的相對濕度明顯降低，尤其是600～700 hPa間的濕度迅速從接近飽和的90%下降至30%。相對濕度的平面分布也顯示冰雹區附近濕度較大，18日08:00在700 hPa（圖4d）上，雹區附近的相對濕度為80%左右。由此可以看出，冰雹天氣前，雹區中低層的輻合作用增強，上升運動加大，強迫抬升明顯，中低空濕度變大，顯著增濕，特別在700 hPa高度附近上升運動和增濕作用幾乎同時進行，雹區700 hPa的輻合抬升以及濕度增大為冰雹的出現提供了較好的動力、水汽條件。

4.2 上升運動

多數冰雹的形成都與系統性輻合及抬升運動有關，在水汽和穩定度滿足的條件下，有低層的輻合、抬升就能觸發冰雹等對流天氣[16]。對本次冰雹天氣，沿雹區附近 77°E、39°N，使用 T639（1°×1°）模式 08時初始場作6月13—20日垂直速度1 000～200 hPa的時間剖面圖（圖4a）可以看出，16日20:00，中低層600～1 000 hPa的垂直運動為負值，說明雹區上空在中低層出現了上升運動；17日 20:00，600～850 hPa、高層250～200 hPa也存在上升運動；18日20:00，中低層有弱的上升速度，高層的上升運動區消失。冰雹出現前，雹區中低層和高層存在較明顯的上升運動，起到了動力抬升作用，冰雹出現后，其上空的上升運動迅速減弱或消失。從18日08:00的700 hPa垂直速度分布場（圖4c）上可看出，麥蓋提附近為上升運動負值中心，中心值-12×10-2Pa/s，伽師、岳普湖的上升速度為-8×10-2Pa/s左右，負速度中心較好的指示了雹區的位置。

5 大氣層結穩定度

表1中11個表征大氣穩定度的探空特征物理量，在近幾年南疆的冰雹預警中具有較好的指示意義。選用冰雹天氣出現前后喀什探空站的探空物理量參數，17日20:00—18日20:00的3個時次中，除SI指數、500 hPa和850 hPa的T-Td 3項指標外，其余8項探空參數均于18日08:00出現單峰最大值，較為明顯的是CAPE對流有效位能達到117.7 J/kg。對流有效位能CAPE不是單層的指數，屬垂直積分穩定度參數，是研究強對流天氣過程能量變化最有效最為常用的物理量。從表1中可看出，6月18日08：00 時，SI指數為-2.04、TT 總指數為 52、BLI最大抬升指數為2.0、IQ整層比濕積分為 1630.0、EHI能量螺旋度指數為22.1。比較3個時次的探空物理量，18 日 08:00，K 指數、CAPE、BLI、TT、SSI、SWEAT、IQ、EHI等8個參數值更大、SI指數更低，非常有利于強對流天氣的發生。通過500 hPa和850 hPa的T-Td對比中層和低層的濕度情況，17日20:00為中干低濕，18日08:00，仍為中干低濕，但中層和低層濕度均在增大，850 hPa增濕更為明顯，TTd降為6℃，20:00變為中濕低干。

每個物理參數只有達到一定的值域時，才會對對流天氣的出現有貢獻，上述探空特征物理量參數在18日08:00出現最大或最小值，大氣不穩定條件較有利于強對流天氣的產生，出現較強冰雹的概率較大。

表1 6月17—18日喀什探空物理量參數

6 雷達回波特征

本文所用資料為新疆喀什CINRAD-CC多普勒雷達每6 min一次的體掃資料。此次冰雹天氣中，喀什新一代天氣雷達監測追蹤了2013年6月18日17:00—20:00造成伽師、岳普湖兩地冰雹的2個強回波的發生發展，繪制了組合反射率因子（圖5），通過反射率因子強回波核心的反射率因子垂直剖面結構（圖6）以及液態水含量密度的垂直剖面（圖7）。

A單體主要造成了伽師縣境內的大冰雹。該單體從18日16:48開始在伽師縣北部約60 km處發展，17:05（圖5a）開始增強，最大回波強度達到55 dBz，回波頂高伸展到約11 km，大于50 dBz的回波頂高伸展至3 km（圖6a），液態水含量在垂直方向上最大達到4 g/m3（圖7a）。17:34（圖5b）到18:02（圖5c）為該回波發展的最強時段，其中17:34，A單體在入流區（西北方）有明顯的V型缺口（箭頭所指處），最大回波強度達到60 dBz，回波頂高向上伸展至約13 km，說明超級單體中具有非常強的上升運動，大于50 dBz的回波頂高伸展至10 km，大于60 dBz的回波頂高達到8 km，且出現了較明顯的回波懸垂、有界弱回波區的結構（圖6b），已發展為超級單體，同時大于50 dBz的強回波的水平尺度達到8 km左右，整層最大的液態水含量（圖7b）在6 km處約為4 g/m3；18:02（圖5c），超級單體 A 繼續發展，呈橢圓形，大于50 dBz的強回波面積增大，回波底下降，近乎接地，且懸垂結構和有界弱回波區更為明顯（圖6c），對應的液態水含量在垂直方向上最大達到8 g/m3，且從地面向上伸展到8 km以上（圖7c），此時非常有利于出現冰雹（伽師實況冰雹最早起始時間約為 18:10，最大直徑 2.5 cm）。18:31（圖5d），超級單體A的最強回波仍為60 dBz，但密實的橢圓形結構開始松散，大于50 dBz的強回波面積減小，大于60 dBz的回波頂高下降至6 km左右，仍然可以看出較明顯的回波懸垂結構（圖6d），對應的液態水含量雖然最大也達到8 g/m3，但面積有所減小，高度在6 km左右（圖7d），此時仍較有利于冰雹的發生（實況伽師境內18:33又出現冰雹）。19:05（圖5e），A減弱為普通單體，強度減弱，面積減小，回波頂高降低，懸垂結構消失，液態水含量下降，此時冰雹天氣已經結束。

圖5 6月18日喀什多普勒雷達組合反射率因子圖（單位：dBz）

圖6 圖5中通過反射率因子強回波核心的反射率因子垂直剖面（單位：dBz）

圖7 圖5中通過反射率因子核心的液態水含量密度的垂直剖面（單位：g/m3）

B單體和C單體均造成了岳普湖境內的冰雹。17:17，B單體在伽師東北方約40 km處生成，強度為 30 dBz。17:34（圖5b）—18:02（圖5c），B 單體強度增強，面積增大，最大回波強度由50 dBz增至55 dBz，回波頂高發展到13 km左右，出現了穹窿狀的懸垂結構（圖6e），成為超級單體，＞4 g/m3的垂直液水含量的頂高突破8 km，底部接地，4 km左右出出現了6 g/m3的液水含量高值中心（圖7e）；18:31（圖5d）—19:05（圖5e），為超級單體發展最為旺盛的時段，此階段回波強度持續增強，最大組合反射率因子由60 dBz增至65 dBz，回波頂高也由13 km伸展到14 km左右，回波范圍也有所增大，50 dBz和60 dBz的回波核頂高分別由11 km伸至12 km、7 km伸至10 km（圖6f），垂直液水含量最大8 g/m3，伸展高度在8 km 左右（圖7f），19:05，65 dBz的回波頂高達 8 km，底部延伸至6 km（圖6g），垂直液水含量開始下降（圖7g）；19:33（圖5f），超級單體 B 仍發展強盛，強回波范圍仍較大，但已經東南移至莎車境內，此時回波頂高仍在14 km左右，50 dBz和60 dBz的回波核頂高分別位于11 km、8 km，強回波底部不接地（圖6h），垂直液水含量在4～10 km之間均達8 g/m3（圖7h），此時莎車境內開始降雹。

C單體于18：02開始發展，19:05最強回波達60 dBz，回波頂高 12 km，50、55、60 dBz的回波頂高分別達到10 km、9 km、3 km，且超過55 dBz的強回波底部已接地，垂直結構上有弱回波區，垂直液水含量上升至8 g/m3；同一時刻，在C單體左側岳普湖境內又生成一個單體D，并不斷發展。19:33，C、D單體之間又生成多個小的對流單體，形成了線狀多單體結構，與超極單體B共同造成了岳普湖境內的冰雹。

以上分析顯示，造成此次冰雹的回波單體A和B具備超級單體的顯著特征，A單體為影響伽師縣直徑2.5 cm冰雹的超級單體，B單體強度更強，最強回波達到65 dBz，并維持了7個體掃（約40 min），回波頂高達到14 km，50 dBz和60 dBz的回波頂高分別為12 km和10 km，垂直液水含量最大達8 g/m3，其弱回波區的懸垂結構持續時間較長（18:02—19:39），為影響喀什境內冰雹的最強超級單體，此超級單體造成了岳普湖縣境內直徑6 cm的大冰雹。超級單體強度越強、維持時間越長，造成的冰雹直徑越大、持續時間更長、雹災更重。

7 小結

（1）此次冰雹天氣是在有利的大尺度環流背景下產生的，影響系統為巴爾喀什湖低渦和中亞低槽，低渦南部的中低層到地面存在中尺度切變線、涌線、中尺度低壓等多個中尺度系統；雹區位于地面中尺度切變線、中低壓的北部，地面中低壓較冰雹提前十幾小時出現；中尺度系統的出現、維持和加強對此次冰雹的產生起到重要作用。

（2）11個探空物理量參數在此次冰雹出現前（18日08:00）的變化對冰雹預警具有一定指示意義。8個參數達到最大值、1個出現最小值，這些參數的突然增大和減小，對冰雹等強對流天氣的發生具有一定的警示作用，此時需高度關注雷達回波演變，及時發布冰雹預警。

（3）造成此次強冰雹天氣的新一代天氣雷達回波具備顯著的超級單體回波特征，最強超級單體（超級單體B）的回波頂高達14 km，50 dBz和60 dBz的回波頂高也升到了12 km和10 km，其弱回波區的懸垂結構持續時間約一個半小時。對比分析得出，超級單體強度越強，維持時間越長，造成的冰雹持續時間更長、直徑更大、雹災更重。

（4）在南疆冰雹天氣分析的基礎上，通過分析此次冰雹天氣，得出冰雹天氣預報預警的主要思路是：首先具備有利的大尺度天氣背景，其次分析是否存在觸發對流天氣的中尺度系統，再分析大氣穩定度判斷是否存在不穩定能量，并分析水汽、動力等條件；臨近預警時重點監測雷達回波的反射率因子、徑向速度、垂直液態水含量等數據產品的水平分布、垂直結構演變，使短時預報和臨近預警有效結合，提高冰雹監測、預警的水平和能力。

（5）新疆是冰雹災害的多發區，喀什地區近幾年雹災損失有加劇的趨勢，在分析冰雹短時預報、臨近預警指標的同時，應加大人工影響天氣的力度，重點研究人工防雹聯合作業體系建設，加強行政區域之間的聯防協作，增加固定和流動防雹作業點，擴大防雹作業區域，減輕雹災損失。

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