2014年夏季喀什一次強冰雹過程分析

2016-06-07 10:57:42瑪依熱艾海提亞森江買買提希熱娜依提力瓦爾地

陜西氣象 2016年3期

瑪依熱·艾海提，亞森江·買買提，希熱娜依·提力瓦爾地

(1.喀什地區氣象臺，新疆喀什　844000；2.葉城縣氣象局，新疆葉城　844900)

2014年夏季喀什一次強冰雹過程分析

瑪依熱·艾海提1，亞森江·買買提2，希熱娜依·提力瓦爾地1

(1.喀什地區氣象臺，新疆喀什844000；2.葉城縣氣象局，新疆葉城844900)

摘要：利用區域自動站逐小時資料、高空實況資料、探空資料、T639物理量初始場、NCEP1°×1°再分析資料以及多普勒雷達資料，對2014年6月23日傍晚出現在新疆喀什地區疏勒、伽師縣的一場強冰雹天氣進行分析。結果表明：南疆西部短波槽東移和巴湖低渦前部分裂東南下的冷空氣疊加，共同造成這次冰雹天氣過程。巴湖冷空氣的注入與盆地東風的輻合是這次過程的加強機制，也是產生冰雹的重要原因；上干下濕，濕層淺薄，強的垂直溫度遞減率，中低層垂直風切變等有利于對流的發展；徑向速度上西北氣流躍增，同時出現偏東氣流與其輻合，使得強回波單體快速發展成為超級單體；組合反射率上表現為人字形回波，低層有弱回波區、懸垂回波、中氣旋、VIL密度>3 g/m3、50 dBz強回波延伸高度超過8 km，這些指標對強對流天氣預警有較好的指示意義。

關鍵詞：冰雹；水汽通量散度；中氣旋；超級單體回波；多普勒雷達

喀什地區位于新疆西南部，東臨塔克拉瑪干沙漠，南依喀喇昆侖山，與西藏阿里地區為鄰，西靠帕米爾高原，西、南、北三面環山，由西南向東北傾斜。因為地形復雜，自然條件差，每年春、夏季冰雹、短時強降水等強對流天氣誘發的氣象災害給喀什的農業生產和人民的生命財產造成極大損失。強對流一直是氣象學者的關注重點，特別對冰雹天氣的形成和發展機制進行許多研究。張騰飛等[1]認為高層輻散和低層輻合流場配置形成的大氣強烈不穩定，具有較強的垂直風切邊和大氣抽吸作用。李江波[2]應用多種資料分析了華北冷渦降雹天氣過程的分布特征及形成原因。張俊蘭[3]對2011年5月南疆一次強冰雹天氣進行了綜合分析，指出中尺度切變線和中尺度低壓是冰雹天氣的關鍵系統。張云惠等[4]揭示了南疆西部強降雨天氣的多普勒雷達回波特征。張俊蘭[3，5-7]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。這些研究和總結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，對冰雹預警有一定的指導意義。但是由于每個地區的地形及氣候特征不同，其強對流風暴表現特征也有差異，所以做好本地新一代天氣雷達產品的分析應用十分必要。2014年6月23日喀什地區疏勒、伽師縣出現一場強冰雹天氣過程，此次冰雹天氣強度強，災害嚴重，在南疆西部較為罕見。分析此次強冰雹天氣的成因對于提高冰雹實時監測和短時臨近預報預警具有重要的參考價值。

1資料與方法

1.1冰雹實況及災情

2014年6月23日20至21時，疏勒縣英阿瓦提鄉、庫木西歷克鄉、阿拉力鄉、阿拉普鄉，伽師縣米夏鄉等地出現冰雹。冰雹最大直徑20～30 mm，出現在疏勒縣。降雹同時伴有短時強降水、大風、雷電等天氣現象。造成2縣12鄉鎮37 009人受災，農作物受災總面積達5 483.5 hm2，經濟損失高達1.3億元。

1.2資料與方法

利用22—23日MICAPS逐層實況場資料分析高空環流形勢及中尺度系統，喀什區域自動站23日20、21時風場觀測資料分析冰雹出現前后地面風場；NECP 1°×1°再分析資料、T639比濕初始場分析這次過程的動力、水汽條件；結合喀什站23日08時和20時探空資料分析大氣不穩定能量；利用多普勒雷達資料分析2014年6月23日19:30—22:00雷達回波演變特征。

2環流背景分析

22日08時500 hPa高空場，歐亞中高緯度呈兩槽一脊的環流形勢，烏拉爾山到咸海以南地區為高壓脊區，脊前北風帶延伸至中亞偏南地區，西西伯利亞地區維持一低渦，南疆西部也存在一弱低渦。22—23日，南疆西部低渦減弱成短波槽。位于烏拉爾山到咸海以南的高壓脊持續向東北方向發展，脊前冷空氣南下(圖1a)。23日08時，西西伯利亞低渦分裂一股冷空氣，隨著高壓脊前東北氣流西退南壓，在巴爾喀什湖以北形成切渦，巴湖以北低渦與南疆西部的低槽形成階梯槽(圖1b)。23日08時至24日08時，巴湖以北低渦南壓，部分冷空氣翻越天山，注入南疆西部低槽，使其加強東移，共同影響喀什，造成23日傍晚喀什大部短時強降水及疏勒和伽師的強冰雹天氣。

圖1　2014-06-21—23 500 hPa高度場(單位為dagpm；a 21日20時，b 23日08時)

23日08時的中尺度系統分析(圖略)顯示，700 hPa塔里木盆地至喀什東部有風切變，850 hPa喀什東部有明顯的風向輻合，東疆至喀什東部有偏東氣流，低層有冷空氣從東疆灌入南疆西部，增加了層結不穩定。850 hPa南疆西部至盆地中部的溫度露點差≤6 ℃，700 hPa喀什站溫度露點差為11 ℃，500 hPa天山以南站點溫度露點差均<6 ℃，可見水汽主要集中在低層。喀什上空，溫度垂直遞減率t(850-500)≥28 ℃、t(700-500)≥20 ℃，說明層結處于熱力不穩定狀態，有利于強雷暴的發生。

23日區域自動站風場上，冰雹出現前20時及冰雹出現時的21時，盆地至喀什東部存在一致的偏東風，天山南脈到喀什、英吉沙一帶為西北風，風向輻合區在疏勒至伽師一帶，與冰雹落區相吻合。

3物理量診斷分析

3.1水汽

風暴云內部含有大量水汽，其水汽是由上升氣流從大氣低層向上輸送，因此風暴的發展要求低層有足夠的水汽供應，風暴常形成于低層有濕舌或強水汽輻合的地區。據統計，超級單體和多單體風暴的形成要求比普通單體風暴有更大的低層水汽含量[3]。

23日20時，T639數值預報產品850 hPa比濕初始場(圖2a)，南疆西部至塔里木盆地中部比濕均大于8 g/kg，比濕中心在麥蓋提達11 g/kg，喀什、伽師的比濕為9 g/kg左右；700 hPa喀什到伽師比濕為6 g/kg，500 hPa比濕為3 g/kg。說明中低層水汽條件較好，高層干燥。

圖2　2014-06-23T20 T639初始場 850 hPa比濕場(a 單位為g/kg)和水汽通量散度場(b 單位為g/(cm2·hPa·s))

23日20時，T639數值預報產品850 hPa水汽通量散度初始場(圖2b)上，喀什至和田為水汽輻合區，輻合中心位于英吉沙至疏勒縣，中心值達-2.6×10-7g/(cm2·hPa·s)，說明冰雹發生地低層水汽輻合較強。疏勒、伽師700 hPa水汽通亮散度為1.6×10-7g/(cm2·hPa·s)、500 hPa為-0.9×10-7g/(cm2·hPa·s),可見中層水汽輻散、高層水汽輸送不明顯。綜上，低層比濕大值中心配合低層較大水汽輻合，說明這次天氣過程的水汽主要來源于低層。

3.2垂直速度分析

強對流天氣發生發展要具備一定的大氣動力條件。從23日08時南疆西部垂直速度分布來看，低層到高空均為下沉氣流。從23日20時沿39°N 垂直速度的剖面圖(圖3a)分析得出，冰雹發生地疏勒至伽師上空850～400 hPa高度上均為明顯的上升運動區，具備了一定的動力條件。從 23日20時 850 hPa垂直速度分布(圖3b)上看，南疆西部地區疏勒至伽師位于上升運動大值區，垂直速度中心為-15×10-2Pa/s，受明顯的上升運動控制。上升速度中心較好地指示了雹區的位置。

圖3　2014-06-23T20 沿39°N垂直速度剖面圖(a)和850 hPa垂直速度場(b)(單位為10-2 Pa/s)

4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，此次天氣過程的中尺度系統顯示喀什上空有強垂直溫度梯度，說明層結處于上干冷下暖濕的熱力不穩定層結狀態。從喀什站6月23日探空資料可以看出，08時近地層為2 m/s西南偏西風，高空6 km為6 m/s西北偏北風；20時近地層轉成4 m/s東南偏東風，高空6 km處轉成西北風、風速增大到10 m/s。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進一步加強和發展。23日20時300 hPa以上西北風增強，200 hPa等壓面上風速已達26 m/s，形成高空急流，有利于高空抽吸作用，加強中低層上升運動，為午后強對流發生提供了熱力和動力不穩定條件。

強冰雹天氣發生前的能量指數可反映出熱力不穩定狀況，彭志班等[8]研究提出，對流有效位能CAPE屬垂直積分穩定度參數，不是單層指數，對于研究強對流天氣過程的能量變化情況反映最為有效。然而，CAPE并非唯一影響對流風暴上升運動的因子。在強風切變的環境中，動力效應實質上加強了上升氣流的強度，因此強烈上升運動也能夠在中等甚至較小強度的CAPE中得以發展[9]。23日08時CAPE值為160 J·kg-1,20時增大到335 J·kg-1，對流有效位能增大；與此同時CIN值由258.7 J·kg-1減少到0 J·kg-1，對流抑制能量消失，這些條件都對傍晚前后強對流天氣的形成有利。20時沙氏指數由08時的-1.45 ℃升高到-0.16 ℃，K指數由28 ℃降低至24 ℃。說明08時已有明顯的對流不穩定特征，20時前觀測站點已有短時對流天氣出現，K指數和沙氏指數有所下降。

23日20時，0 ℃層高度在4 435 m、氣壓為600 hPa，這樣的高度使對流云可向更高處發展，使低層的水汽通過強烈的上升運動達到該高度，為冰雹生成提供了豐沛的水汽條件，且當雹粒增長到足夠大而下落時，不至于因暖層過厚而被融化[10]。-20 ℃層高度則是7 154 m，在400 hPa以下，與0 ℃層間厚度為2 919 m，云頂高度高于-20 ℃層高度，有利于成雹。該結論與與王榮梅等[11]得出的冰雹生成所需適宜的特征層高度很接近，可作為南疆西部降雹指標。

5雷達回波演變

由雷達組合反射率因子圖可以看出，19：32(圖4a，圖見第11頁，下同)喀什西北淺山區出現多單體回波，其中，最強回波單體位于托云牧場，回波強度為45 dBz、高度達8 km，并向雷達方向移動。之后該單體移到喀什西北方45 km處，發展加強并向東南方向移動，其周邊不斷有新回波單體生成并與之合并，強度達60 dBz，高度伸展到10 km，回波尺度加大，20：00左右(圖4b)形成塊狀回波。20：30后單體移動方向前側新生成小塊回波單體，三個體掃后明顯加強，中心強度達60 dBz。20:56(圖4c)至21:32，喀什西北方45 km處的較強回波單體向東南移動，到達喀什東北方10 km處，并開始向南移動，強度明顯加強，尺度加大形成回波帶，移到喀什東部25 km處。徑向速度圖上(圖略)發現，剛開始回波一直在喀什西北方向向著本站移動，20：40開始，喀什東北方向20 km處出現偏東氣流，在喀什以北與西北氣流匯合。與此同時，20:46，喀什西北處徑向速度迅速增強,兩個體掃速度便達-33 m/s，此時疏勒縣木什鄉自動站觀測到9級西北大風，20:46—21:15經過六個體掃,強徑向速度減小，西北氣流加強的同時偏東氣流出現，使強回波改變移動方向，向南移動。21：15(圖4d)喀什東北方25 km處的回波帶形成“人”字形回波，該時次強對流發展最旺盛，“人”字形回波南側回波發展較快。最強中心超過65 dBz，回波頂高12 km，VIL密度>3 g/m3，結構密實，回波梯度加大。呈現出典型的超級單體結構。超級單位成熟階段的典型特征維持到21：54(圖4e)，并且經過疏勒、伽師西部。超級單體風暴釋放能量后開始消散，22：06減弱為較為分散的帶狀降水回波，回波強度減弱，范圍擴大。22：23(圖4f)，回波強度明顯減弱，面積減小，回波頂高度降低，垂直液態水含量下降，回波不斷南下并移出雷達探測范圍，強對流天氣結束。

從21：15疏勒縣境內中氣旋形成時刻的徑向速度圖(圖5a)可看出，該中氣旋核區直徑[12]小于10 km，正、負速度中心相對于雷達對稱，1.5°～3.4°仰角反射率圖上均能被識別，其中1.5°仰角上最為明顯，旋轉速度約為23 m/s,持續兩個體掃時間，屬于弱中氣旋，強回波對應的區域可以發現有風向的輻合。

研究發現，0 ℃等溫線高度上有超過50 dBz的反射率因子才有可能降雹，-20 ℃等溫線高度上有超過50 dBz的反射率因子時，強降雹的可能性極大[13]。21:15，沿入流方向穿過最強回波位置的反射率因子垂直剖面(圖5b)上，可以發現中低層存在明顯弱回波區，50 dBz強回波高度在8 km以上，65 dBz的強回波高度達5 km以上，5 km高度上有懸垂回波，上沖云頂，強回波頂高接近9 km，已超過-20 ℃層高度，中低層強回波中心已接地，可以判斷該地區已經有冰雹出現，與實況疏勒出現冰雹吻合。

6結論與討論

(1)此次天氣過程是一次典型的階梯槽影響南疆西部降雹的天氣過程。槽前西南氣流的維持，為該次冰雹天氣提供了水汽條件。巴湖冷空氣注入到南疆西部的短波槽、塔里木盆地至伽師一帶的輻合線是此次強對流天氣產生的觸發機制。高空風速增大及其產生的強垂直風切變、較大的K指數、較小的沙氏指數，增大的CAPE值，均對此次冰雹有較好的指示意義。

(2)強垂直上升運動提供了強對流天氣出現的動力條件。特殊層高度適宜(0 ℃和-20 ℃溫度分別位于4.4 km和7.1 km)，利于冰雹出現。

(3)此次冰雹過程由超級單體風暴產生。超級單體最大回波強度大于65 dBz，有懸垂回波、明顯的有界弱回波區，并伴有中氣旋。

(4)對流單體后側有西北干冷空氣卷入產生下沉運動，地面出現大風，與其前沿偏東氣流輻

合，對流單體迅速加強，15～25 min后出現冰雹。因此觀測到地面大風且喀什東部巴楚站出現偏東風時，可提前15～25 min發出冰雹預警。

參考文獻：

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