2016年5月新疆第一師三團一次強冰雹天氣成因分析

羅 繼，曲良璐，穆熱扎·吾守爾

(1.新疆自治區阿克蘇地區氣象臺，新疆 阿克蘇 843000；2.新疆自治區阿克蘇市氣象局，新疆 阿克蘇 843000 )

2016年5月新疆第一師三團一次強冰雹天氣成因分析

羅 繼1，曲良璐1，穆熱扎·吾守爾2

(1.新疆自治區阿克蘇地區氣象臺，新疆 阿克蘇 843000；2.新疆自治區阿克蘇市氣象局，新疆 阿克蘇 843000 )

利用FY-2F/G云圖、CINRAD/CC雷達、NCEP以及ECWMF、T639細網格資料和阿克蘇自動站資料對2016年5月5日兵團1師3團強冰雹天氣進行分析。結果表明：天氣發生前阿克蘇地區形成“上冷下暖、上干下濕”的不穩定層結，中高層干冷空氣侵入與地面中尺度輻合線是觸發冰雹天氣的主要系統；短波槽自身攜帶水汽和低層東風輸送水汽為冰雹天氣提供水汽來源，低層東西風輻合與地形抬升作用為對流發展提供初始動力條件。對流云在東移南下的過程中合并加強形成對流復合體，頭部有穿透性云頂凸起，尾部有長達250 km卷云砧，TBB<-50 ℃冷云區面積達750 km2，云體南側有明顯的“弧狀云線”。對流單體生命史長達2 h，組織結構完整、有明顯的懸垂結構、高懸強回波核、弱回波區和回波墻，風暴頂有類似三體散射的“假象”回波，具有明顯的強風暴回波特征。

冰雹;中分析;云圖;雷達回波特征

Abstract：By using the FY-2F/G products,CINRAD/CC data,NCEP data,ECWMF data,T639 data and regional meteorological automatism station data in Aksu,this paper analyzed a strong hail weather in Three Corps of Xinjiang on May 5th.The results show that:The Central Asian short wave trough with transit groove top dry cold air intrusion had triggered this hail weather.Water vapor source was the water vapor carried by the short wave trough itself and the lower layer of the East wind.While the growing convective clouds moved toward to the Southeast it had merged to a convective complex.The head of convective cluster had been penetrating top and tail about length of 250 km cirrus plume.The TBB under -50℃of cold cloud area were more than 750 km2.The front of the convective clouds had appeared a obvious arc cloud line.The Convective development maturity had strong storm echo features，obvious overhanging structure,weak echo region,high strong echo nucleus and storm top appear false echo.

Keywords：hail; mesoscale analysis; cloud chart; characteristics of radar echo

1 引言

阿克蘇地區地處天山南麓，冰雹是地區主要的氣象災害，每年冰雹給當地農業生產造成的經濟損失上億元。春季4—5月冷暖空氣活動頻繁，冰雹災害時有發生，5月尤為明顯。近年來，阿克蘇地區柯坪縣、阿瓦提縣、沙雅縣等地5月出現多次嚴重雹災，2016年5月5日兵團一師三團再次出現嚴重雹災。為進一步總結阿克蘇地區5月冰雹天氣發生背景和演變規律，提高阿克蘇地區西南部柯坪縣、沙井子墾區(1-3團)等冰雹災害易發區的分析預警能力，本文利用阿克蘇區域自動站氣象站、FY-2F/G云圖、阿克蘇CINRAD/CC雷達資料、NECP(1°×1°)、ECWMF(0.25°×0.25°)、T639(0.28°×0.28°)細網格資料對3團此次強冰雹天氣進行了分析研究。在此之前，有不少學者對阿克蘇地區及南疆冰雹天氣開展了相關研究，張振憲[1]、張俊蘭[2]、熱蘇力·阿布拉[3]等先后對阿克蘇冰雹天氣的環流形勢分型開展研究，總結出冰雹天氣環流系統有中亞低渦(槽)型、巴爾喀什湖低渦(槽)型、西西伯利亞低渦(槽)型、鋒區短波槽型、南北槽匯合型等。同時，張俊蘭對阿克蘇冰雹氣候特征[2]以及雷達產品與探空物理量在冰雹預警方面的應用開展相關研究[4-5]，得出了阿克蘇冰雹發生頻次時空分布特征，總結出阿克蘇雷達VIL、ET產品和探空CAPE、K、SI指數等冰雹預警指標。張磊[6]對2009年7月27日烏什強冰雹天氣的環流配置和雷達回波特征進行分析研究，李圓圓[7]對2013年6月喀什地區一次強冰雹天氣成因進行分析，張云慧[8]、李如琦[9]等對中亞低渦背景下南疆西部冰雹、暴雨天氣進行分析研究。上述專家以及其他學者[10-20]的相關研究工作，為進一步分析阿克蘇地區冰雹天氣的環流背景、形成機理及演變規律提供了較大幫助。

2 冰雹天氣實況及災情

2016年5月5日19時20分—20時20分兵團一師三團出現強冰雹天氣，強降雨夾雜高密度冰雹，最大冰雹直徑1～1.5 mm，累計降雹時間近1 h，三團自動氣象站(降雹區外圍)監測雨量12.5 mm。從雹云的移動路徑可以看出，對流云團由烏什縣南山發展而來，翻越南山后沿西北路徑一路東移南下，途經柯枰縣啟浪鄉、一團、二團，最終在三團集中爆發形成降雹。冰雹造成1-3連、8連、10連、13連、22連、科技連等8個農業單位3 565 hm2棉花和林果受災，其中2 220 hm2棉花絕收，經濟總損失3 096萬元。

3 環境場特征分析

3.1 大尺度環流背景

5月3日20時亞歐范圍維持緯向型環流，副熱帶鋒區壓在40°～50°N，鋒區上多擾動。鋒區以北、烏拉爾山以西的低渦穩定少動，里咸海處于低渦底部槽區，新疆仍維持西風氣流。4日20時，里海北部低渦緩慢東移南下并在咸海減弱成槽，同時部分冷空氣快速東移南下至塔什干地區形成低槽(國境線西部)。5日08時(圖1a)短波槽快速東移至阿克蘇地區，同時殘留冷空氣南落至伊朗東部切渦，低渦前部西南風與短波槽前西南風連接打通形成水汽通道，將阿拉伯海水汽向輸送至南疆盆地，和田、阿克蘇及庫爾勒500 hPa T-Td僅1～2 ℃，水汽接近飽和。短波槽的快速東移增加了大氣層結不穩定度，有利于對流天氣的發生發展。

圖1 2016年5月5日08時500 hPa高度場(a)與中尺度分析圖(b)Fig.1 500 hPa height field (a) and medium analysis (b) at 08∶00 on May 5,2016

3.2 中尺度分析

從5月5日08時中尺度分析(圖1b)可以看出：高層200 hPa副熱帶西風急流橫穿南疆盆地，增強了垂直風切變強度。高空急流右側的下方必然強迫產生輻合運動，為低空氣塊提供了抬升機制，有利于觸發對流不穩定能量的釋放[11]。中層500 hPa槽線過境，槽前為暖濕西南氣流(阿克蘇10 m·s-1，T-Td<2 ℃)，槽后為干冷西北氣流(喀什12 m·s-1，T-Td=22 ℃)，冷暖平流導致斜壓鋒生和強烈輻合抬升形成的動力強迫有利于對流的發生。700 hPa地區西部存在T-Td<4 ℃近飽和濕區，阿克蘇與喀什存在冷式切變(NW 6 m·s-1與SW 6 m·s-1)，中低層切變線常常誘發中尺度天氣系統[11]。850 hPa南疆盆地存在氣旋式環流，阿克蘇與喀什、和田地區存在冷式切變(NW 8 m·s-1與NE 10 m·s-1)；若羌偏東急流(16 m·s-1)的存在有利于熱力不穩定增長、水汽輸送和低空垂直切變的維持。高空急流、500 hPa槽線、中低層切變線與高濕區都高度重疊在阿克蘇地區西部，導致該區域對流潛勢更加明顯，發生對流性天氣機率極大。

4 層結穩定度及觸發機制

4.1 不穩定層結

層結穩定度與溫度、濕度的垂直分布差異有關，靜力穩定度是由溫度垂直梯度的演變造成的[9]。5日08時500 hPa槽線疊加在850 hPa暖脊上，△T850-500≥30 ℃，形成上冷下暖的熱力不穩定層結。假相當位溫θse是反映溫度、氣壓、濕度的綜合物理量，θse隨高度減小表明有不穩定層結[8]。從5日14時假相當位溫θse與比濕q沿41°N垂直剖面(圖2a)可以看出：地區中西部地面至500 hPa 呈位勢不穩定層結，700～600 hPa等位溫線密集，存在不穩定能量鋒區，比濕也呈現“上干下濕”的垂直分布結構特征，有利于對流天氣的發生發展。地區西部烏什縣處于高能高濕的狀態，θse850-500=10 ℃、q=7～8g·kg-1，其上游喀什—克州地區850～600hPa有干冷空氣向下傳導至阿合奇縣近地面，而后東移進入烏什縣境內觸發對流發展。14時NCEP不穩定能量參數也表明地區西部存在CAPE值為200～400 J·kg-1的不穩定能量區(圖2b)，烏什縣CAPE最大值>400 J·kg-1。

圖2 2016年5月5日14時θse與q沿41°N剖面(a.實線為θse，單位：℃；色斑為比濕，單位：g·kg-1；▲為冰雹落區)和CAPE空間分布(b.單位:J·kg-1)Fig.2 θse and Q along 41°N profile at 14∶00 on May 5,2016 (a.Solid line isθse,unit:℃;color spot is wet,unit:g·kg-1; ▲ is hail drop area) and Cape Space distribution (b.Units:J·kg-1)

4.2 垂直風切變

動力不穩定是對流能夠發展和維持的關鍵因素，大氣水平與垂直風切變是造成動力不穩定的重要原因[11]。低層偏東風、中層西南風與高層偏西急流形成了有利產生垂直上升運動的“三支氣流”，高低空急流、中低層風切變與地面輻合線的存在，加強了低層的輻合抬升與垂直風切變強度，動力不穩條件增強。5日08時阿克蘇探空站850～700 hPa存在明顯的垂直風切變(SW/NE)，風向差達180°(對頭風)，風速切變值達16 m·s-1。0～3km風切變達10.6 m·s-1，0～6 km風切變為14.8 m·s-1。至20時850～700 hPa仍存在南風(4 m·s-1)與東南風(10 m·s-1)切變，0～3 km風切變維持10.1 m·s-1、0～6 km風切變增強至21.8 m·s-1。一般而言，0～6 km垂直風切變達15～20 m·s-1為中等強度風切變[11]。

中低層中等強度垂直風切變的長時間維持，不僅有利于雷暴的發生發展，同時垂直渦度與風切變相互作用產生向上垂直氣壓梯度力會進一步增加上升氣流強度，更加有利于冰雹天氣的產生。此外，08—20時850～700 hPa暖平流(風向隨高度順轉)與500～200 hPa冷平流疊加(風向隨高度逆轉)造成的垂直差動平流也加劇了大氣層結的靜力不穩定，有利于產生對流性天氣。

4.3 觸發機制

5月5日3團冰雹是在中亞短波槽快速東移的環流背景下產生的，短波槽前伴有系統性的抬升運動，冷暖平流差異造成層結不穩定增長，有利于對流天氣的產生。分析14時溫度平流、風場與相對濕度沿41°N垂直剖面(圖3a)發現：500～300 hPa對流層中高層隨槽后西北氣流有明顯干冷空氣侵入，且中高層冷平流強勁、350 hPa變溫中心幅度達-20 ℃；同時部分冷空氣已侵入低層影響阿圖什市、阿合奇縣(76°～78°E)。阿克蘇地區低層850～700 hPa維持弱的暖平流，低層東南暖濕氣流與中高層干冷西北氣流在700～600 hPa附近交匯，形成一條水汽輻合帶，為冰雹天氣的發生起到了提供、聚集水汽的作用。從高低空冷暖平流強度判斷，此次天氣是中高層干冷氣流發揮主導作用，屬高空冷平流強迫引發的對流天氣。

圖3 2016年5月5日14時垂直速度剖面與溫度平流剖面(a.風羽為各層次風場；等值線為溫度平流等溫線，單位：℃，其中>0 ℃為黑實線，≤0 ℃為紅色虛線；色斑圖為相對濕度，單位：%)與19時地面圖(b.黑色點叉線為地面輻合線)Fig.3 *Vertical velocity profile and temperature advection profile at 14∶00 on May 5,2016l (a.Wind plume for all levels of wind field; The isoline is the temperature advection isotherm,Unit:℃,which >0 ℃ is black solid line,≤0 ℃ is red dotted line;The color pattern is relative humidity,unit:%)and ground chart at 19∶00(b.Black Point fork Line is ground convergence line)

地面輻合線是造成對流天氣的主要影響系統，對中小尺度對流云團的產生與維持起到重要作用。分析19時地面加密觀測資料(圖3b)發現：阿克蘇市與阿瓦提縣為大面積的偏東風，起到了一定的整層墊高抬升作用；偏東風與對流云團翻山西北大風在1-3團附近交匯形成一條東北—西南向的中尺度輻合線，輻合線的強迫抬升作用觸發了3團強中小尺度對流(冰雹)天氣的發生。

5 水汽與動力條件

5.1 水汽條件

5日14時500 hPa水汽通量顯示：短波槽自身攜帶4～6g·cm-1·hPa-1·s-1水汽經過阿克蘇地區，并與孟加拉灣至和田地區西南風輸送的水汽在地區西南部聚集(圖4a)。低層850 hPa也有一支明顯水汽(圖4b)隨著偏東風輸送至阿克蘇地區，水汽輸送時間從5日02—14時持續12 h，最大水汽通量達8～10 g·cm-1·hPa-1·s-1。中、低層水汽在阿克蘇地區水汽西部匯聚，為此次冰雹天氣提供水汽來源。

5.2 動力條件

對流天氣除了需要高能高濕的環境外，還需要一定初始抬升條件將氣塊強迫抬升至自由對流高度才能產生對流天氣。分析5日08時垂直速度與流場沿41°N剖面(圖5a)發現：低層850～700 hPa區域性偏東風已伸至阿克蘇市及3團附近(80°E)，并隨地形強迫抬升。上游喀什、克州地區500 hPa冷空氣隨西北氣流向下傳導至地面，西北氣流與偏東氣流在阿克蘇附近強烈輻合，在地區形成尺度為200 km的輻合上升區，最大垂直上升速度-9 m·s-1，東西風的輻合為上升運動發展與水汽聚集起到了積極作用。14時沿80°E剖面(圖5b)表明：低層偏南氣流與中層偏北氣流形成閉合垂直環流圈，垂直環流的存在有利于產生持續的上升運動。因天山山脈阻擋，低層偏南氣流強迫抬升，在烏什及溫宿北部山區形成較強的上升運動區，最大垂直上升速度-9m·s-1，為烏什對流云團發生發展提供初始動力條件。

圖4 2016年5月5日14時500 hPa(a)、850 hPa(b)水汽通量(單位：10-6 g·cm-1·hPa-1·s-1)Fig.4 500 hPa (a),850 hPa (b) Water vapor fluxes at 14∶00 on May 5,2016 (unit:10-6 g·cm-1·hPa-1·s-1)

圖5 2016年5月5日08時沿41°N剖面(a)與14時沿80°E剖面(b)(▲為冰雹落區；灰色陰影區為地形；箭頭線為流線；色斑為垂直速度，單位：m·s-1)Fig.5 May 5,2016 08 o'clock along the 41°N profile at 08∶00 (a) and along the 80°E section at 14∶00 on May 5,2016 (b)(▲ is hail drop area; Gray shaded area is terrain; the arrow line is streamline; the color spot is vertical speed,unit:m·s-1)

6 云圖與雷達演變特征分析

6.1 云圖演變特征

由于下墊面加熱差異和地形抬升的作用，可見光云圖(圖6)15時阿合奇縣、烏什縣山區開始有中γ尺度積云發展。16時積云A、B、C發展為中β尺度積雨云，云頂出現褶皺和暗影區，TBB中心強度-36 ℃(圖略)，阿合奇縣西南部淡積云D也開始發展。17時積雨云A、B、C合并形成長約130 km、寬約40 km的對流復合體E，西側上風方向云頂有褶皺和凸起，存在穿透性對流云頂，TBB中心強度-46 ℃，下風方向云體尾部出現薄霧狀卷云羽，云體組織結構趨于完整。18時對流復合體E面積繼續擴大，與D接近。D與E“頭部”褶皺(上升云頂)更為明顯，TBB中心強度達-49 ℃，云體發展成熟。E南側出現東西向弧狀云線(柯坪縣啟浪鄉、1-3團至阿瓦提北部)，表明對流復合體南側存在強烈的下沉氣流形成陣風鋒，地面啟浪溝、啟浪鄉出現17.1～21.8 m·s-1西北大風。陣風鋒也觸發對流天氣，柯枰啟浪鄉18時左右出現降水并伴有冰雹，持續時間約20min，最大冰雹直徑1 cm，啟浪溝17時51分—18時10 min雨量達8.5 mm。

圖6 2016年5月5日可見光云圖Fig.6 Visible cloud on May 5,2016

19時積雨云D與對流復合體E合并加強，云體“頭部”出現明顯的穿透性對流云頂凸起、上升運動強烈，TBB中心強度增致-51 ℃，TBB<-50 ℃冷云面積達150 km2。E南側的陣風鋒觸發出新的積云且沒有遠離母體，表明對流云仍處于維持或加強趨勢。19時13分—19時30分三團1-3連、8連、22連、13連相繼出現降雹。20時對流復合體E達到最強階段、結構完整，頭部有氣旋性彎曲的跡象，凸起和褶皺明顯，TBB中心強度-53 ℃，TBB<-50 ℃冷云面積繼續增大至750km2；南側有明顯的暗影區，云體發展高度較高；云體尾部有纖維狀卷云，表明高空風強勁，地面至高空的垂直風切變也較大，地面19時47分—20時三團3連、13連和科技連出現降雹，至20時20分左右降水基本結束。

6.2 反射率因子演變特征

18時22分對流單體在啟浪鄉降雹后最大回波強度衰減至40 dBz(圖7a1)，2.4°仰角速度圖上(圖7b1)對流層中層存在輻合式旋轉，出(入)流速度12 m·s-1(10 m·s-1)，這有利于對流單體的維持與增強。對流單體前側入流明顯，弱回波區和懸垂結構仍然維持(圖7c1)。18時45分對流單體經過2團水庫，水汽得到迅速補充，回波強度迅速增強至53 dBz(圖7a2)；速度圖中層氣旋式輻合仍然存在。對流單體具有典型的弱回波區和懸垂結構特征(圖7c2)，弱回波區左側有近乎垂直的強大回波墻，強回波中心對應的風暴頂部有凸起，表明前側入流強勁、垂直風切變強、上升運動劇烈，對流單體發展旺盛。強回波中心“接地”表明地面出現降雹。18時45分—19時36分對流單體經歷了多次“降雹衰減→再增強→再降雹”的過程(圖略)，3團1～3連、8連相繼出現冰雹。19時47分對流單體進入科技連范圍，強回波中心再次增強(圖7a3)，前側出現“V”型缺口，強回波核面積明顯增大(圖7c3)，高度3～6 km，并且出現類似三體散射的“假象回波”，此時科技6連也出現冰雹。20時10分回波減弱(圖7a4)，≥50 dBz強回波消失，對流單體垂直結構處于消亡階段(圖7c4)，至20時30分降水結束，3團氣象站2 h累計降水量12 mm。

圖7 雷達組合反射率與垂直剖面圖Fig.7 The combination of radar reflectivity and vertical section

7 結論

①中亞短波槽快速東移破壞了大氣層結的靜力不穩定，系統性的抬升運動、較強的垂直風切變與差異性冷暖平流使阿克蘇地區形成“上冷下暖、上干下濕”的不穩定層結，高空急流、槽線、中低層切變線與地面輻合線在三團附近疊加形成高能、高濕的不穩定能量區，為對流天氣的發生發展提供了有利的環境條件。

②槽后干冷空氣侵入與地面中尺度輻合線是觸發冰雹天氣的主要影響系統。地形強迫抬升為對流云團初生、發展提供了初始動力條件，低層暖濕偏東氣流與中高層干冷西北氣流在阿克蘇地區的強烈輻合為對流天氣的發展提供了充足的動力條件，同時起到聚集水汽的作用。而垂直風切變的長時間維持會增加上升氣流強度，更加有利于風暴進一步加強和發展。

③對流云發展成熟時有典型的雹暴云團特征：紅外云圖上呈橢圓形、色調明亮，TBB<-50 ℃冷云區面積達750 km2，TBB中心強度達-53 ℃。可見光云圖上出現穿透性云頂區(風暴核)，云團上風方邊界光滑、下風方有卷云砧，表明對流云體非常旺盛、發展高度很高，有利于冰雹天氣的產生，而云體移動前側(南側)由陣風鋒引起的“弧狀云線”不斷觸發新的雷暴單體融入母體，使雹暴云團得以加強和維持。

④雷達回波顯示對流單體是沿西北路徑移動并影響三團，經歷多次“增強→降雹衰減→再增強→再降雹”過程，風暴生命史長達2 h。對流單體反射率因子強度≥50 dBz，前側有"V"型缺口；垂直剖面有明顯懸垂結構和弱回波墻，回波頂高8～10 km，19時47分出現類似三體散射的“假象”回波，表明對流云中上部有直徑較大冰雹粒子存在，這與地面降雹時間也十分吻合。速度圖上對流層中層氣旋式輻合的存在有利于對流單體維持和加強，并保持完整的組織結構。

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ThecauseanalysisofastronghailqeatheroccurredinthreecorpsofXinjianginMay2016

LUO Ji1,QU Lianglu1,MirZA·A shur2

(1.The Metrological Observatory of Aksu Prefecture,Xinjiang,Aksu 843000,China;2.The Meteorological Bureau of Aksu Prefecture,Xinjiang,Aksu 843000,China)

P458.1+21.2

B

1003-6598(2017)04-0045-07

2016-12-13

羅繼(1982-)，男，工程師，主要從事天氣預報與氣候預測工作，Email:lj2002aaa@163.com。

中國沙漠氣象科學研究基金(Sqj2015006) 新疆氣象局青年骨干人才培養計劃。