錦州地區冰雹天氣特征及物理量指標

白雪+紀源+史虹婷

摘要：利用地面觀測資料Micaps常規天氣圖對2006-2015年錦州地區出現的27次冰雹過程從時空分布特征、環流形勢特征及物理量特征3方面進行詳細分析。結果表明，錦州冰雹日數的年際變化總體呈現減少的趨勢，月分布呈雙峰型；冰雹日變化十分明顯，多出現在中午至傍晚；冰雹天氣持續時間短、局地性強，且存在明顯的地域差異。錦州市冰雹的大尺度環流背景場主要分為冷渦槽后類和槽前類。槽后類多受東北冷渦影響，高低空均受西北氣流控制，渦后冷平流觸發強對流天氣；槽前類多受蒙古低渦影響，850 hPa增溫增濕明顯，低槽前的上升運動也為強對流的發生提供了有利條件，短波槽滑過或弱冷空氣入侵觸發不穩定能量釋放。分析不同流型下強對流天氣分析的關鍵內容，確定冰雹落區。選取15項物理量指標從動力、熱力、水氣條件等方面分析冰雹發生時物理量特征，確定錦州發生冰雹天氣的物理量闕值。

關鍵詞：冰雹；時空分布；環流形勢；中尺度；物理量；錦州地區

中圖分類號：P42 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）02-0055-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.02.014

Abstract： Based on the conventional data， the hail processes in Jinzhou during the past 2006-2015 years were analyzed in detail from three aspects， which were the temporal and spatial distribution characteristics， the circulation features and the physical quantity characteristics. The results showed that the interannual variation of hail days in Jinzhou showed a decreasing trend， and the monthly distribution showed bimodal type； The diurnal variation of hail was very obvious， mostly from noon to dusk. Hail duration was short， and local features was strong， and there were obvious regional differences. Large scale circulation background of hail was divided into cold vortex behind trough and ahead of trough. After trough hail more affected by the northeast cold vortex， the high and low air were controlled by the northwest air current， and the cold advection behind the vortex triggers the strong convection weather. The front trough hail was mostly affected by the Mongolia vortex， the increase of temperature and humidity of 850 hPa was obvious， and the ascending motion before the low trough also provided favorable conditions for the occurrence of strong convection， and short wave trough sliding or weak cold air intrusion triggered unstable energy release. The key contents of strong weather analysis of different circulations were analyzed， and the hail fall area was determined. 15 physical indexes were selected to analyze the physical characteristics of hail in terms of power， heat， water vapor and so on， physical value of hail weather in Jinzhou was determined.

Key words： hail； temporal and spatial distribution； circulation situation； mesoscale； physical quantity； Jinzhou

雷雨大風、冰雹、短時強降水等中尺度災害性對流天氣常常給國民經濟和人民生命財產造成嚴重損失，但由于強對流天氣空間尺度小、生命史短、突發性強等特點，強對流天氣的預報和研究一直是氣象工作者關注的重點之一，也是天氣預報業務中的難點。而冰雹又是強對流天氣中造成災害較重，且比較難預報的，猛烈的冰雹會打毀莊稼，損壞房屋，特大的冰雹甚至會致人死亡、毀壞大片農田和樹木、摧毀建筑物和車輛等，具有強大的殺傷力。

隨著探測手段的發展，雷達、衛星、閃電定位等先進儀器的應用使人們對強對流天氣臨近時刻所表現出來的征兆、特征等認識不斷深入，也有很多成熟的研究成果已經應用于短時臨近預報[1-7]。但強對流天氣的大尺度環境背景場、物理量要素等分析對于預報員預報強對流天氣仍有重大作用。張素芬等[8]通過分析河南區域性冰雹天氣過程的大尺度天氣背景和物理量參數等，歸納出區域性冰雹產生的天氣特征。農孟松等[9]將廣西冰雹環流形勢分為華北低槽型、高原東部低槽型和南支槽型，并檢索出數值預報產品有物理意義的預報因子，采用判別分析法和指標疊套法制作廣西冰雹的潛勢預報。鄭媛媛等[10]對2001-2010年安徽省強對流天氣的物理機制和中尺度特征進行分析，得出在不同的大尺度環流背景下各個天氣要素的重要性不同，產生的強對流天氣也不同；彭治班等[11]研究指出，在對流活動中熱力不穩定決定了對流發展的強度，而動力作用對觸發對流起重要作用。孫明生等[12]分析了北京地區冰雹落區與中尺度天氣系統及各種要素場的分布關系。陳傳雷等[13]對遼寧省冰雹、龍卷、雷雨大風和短時強降雨4種強對流性天氣的氣候特征進行統計分析，表明遼寧冰雹沿海少、內陸多，內陸又以東、西部山區為最多；6月和9月為多發期；15：00-16：00出現最多；83.9%的冰雹持續時間為0～10 min。錦州地處遼寧省西南部，地勢特征是西北高，東南低，東北部義縣和北鎮市交界處有醫巫閭山脈，西北部有松嶺山脈，地形復雜，春夏季節易遭受冰雹、雷雨大風等強對流天氣侵襲，但對于錦州地區強對流天氣的研究較少，基于2006-2015年錦州地區冰雹過程的統計分析研究，總結錦州地區冰雹天氣的時空分布、環流形勢、物理量等特征，將為今后冰雹天氣的潛勢預報提供一定參考。endprint

1 資料與樣本

根據2006-2015年錦州地區5個常規觀測站（錦州市區、凌海市、義縣、北鎮、黑山）的地面觀測資料，確定冰雹天氣樣本。由于冰雹局地性較強，出現在觀測站點的冰雹個例不多，選取近10年內所有冰雹個例進行時空分布和環流形勢特征分析。若某日中有≥1個站出現冰雹，則將該日定為冰雹日。在一個冰雹日內有≥3個站出現冰雹，則定義為一次區域性冰雹過程，有≤2個站出現冰雹，則定義為一次局地性冰雹過程。冰雹環流形勢分析選取Micaps常規高空和地面天氣圖進行分析研究。由于高空探測站較少，而冰雹天氣不一定發生在探空本站，所以錦州地區內的冰雹天氣均選取錦州站探空資料代替。另外，探空資料每天只有8：00和20：00兩次，所以一般選取冰雹發生前1 h的探空資料，由于冰雹多發生在白天，所以一般選取8：00探空數據。由于錦州站探空資料的部分缺失，最終挑選出13次冰雹樣本進行物理量統計分析。

2 冰雹時空分布特征

2.1 冰雹時間分布特征

2.1.1 冰雹日數的年際變化 錦州市冰雹日數的年際變化見圖1。從圖1可以看出，錦州冰雹日數的年際變化總體呈現減少的趨勢。冰雹日數最多的為2012年，出現6次冰雹；2008年為次多年，共出現5次；2007年沒有出現冰雹，年平均出現2.7個冰雹日。

2.1.2 冰雹日數的月分布 錦州市冰雹日數的月分布見圖2。從圖2可以看出，冰雹日數的月分布呈雙峰型，1-3月為低值區，4月開始呈明顯上升趨勢，6月達到峰值，之后迅速下降，9月開始再次上升，之后下降。出現冰雹日數最多的月份是6月，2006-2015年共出現8個冰雹日，其次為5月，共出現6個冰雹日，這兩個月出現冰雹的次數占了全年的52%，另一個峰值出現在9月，共出現4個冰雹日。冬季12月至次年2月無冰雹日出現。盛夏7-8月，冰雹出現次數僅為1～2次。從天氣學背景分析，5-6月西南暖濕氣流日趨活躍，遼寧多為東北冷渦控制下的不穩定天氣形勢，冷暖空氣經常交匯對峙，水氣條件、熱力條件和動力條件均較好，大氣不穩定性強，從而易形成局地的冰雹天氣。夏季遼寧多受高空槽和副熱帶高壓影響，易形成穩定的系統性降雨天氣。

2.1.3 冰雹日數的旬分布 錦州市冰雹日數的旬分布見圖3（1.1、1.2、1.3分別表示1月上旬、中旬和下旬，以此類推）。從圖3可以看出，冰雹出現最多的時段是在5月中旬至6月中旬，6月中旬出現日數最多，共5次。其他有冰雹出現的時間段，大概每旬出現1次左右。

2.1.4 冰雹日變化 由冰雹日變化（圖4）可以看出，冰雹日變化十分明顯，多出現在中午至傍晚。12：00-19：00降雹次數占總降雹數的83.9%，其中以12：00-13：00和16：00-17：00出現次數最多，出現頻率均為19.4%。其他時段出現頻率較少。19：00-23：00之間無冰雹出現，夜間出現頻率僅為6.5%（由于冰雹出現在夜間時，觀測不計具體時間，所以在23：00至次日8：00出現的冰雹統一記為夜間）。這主要是由于午后太陽直接輻射加強，地面升溫加快，地面加熱和太陽輻射加熱使近地層空氣溫度較高，若高層有冷空氣活動，便形成了強烈的不穩定層結，配合水氣條件和抬升觸發機制，易導致冰雹發生。

2.1.5 冰雹持續時間 由于冰雹形成的環境條件的差異，造成冰雹云的尺度大小、強度不同，使得冰雹發生時持續時間的長短也不同。對錦州有持續時間記錄的冰雹統計（表1）發現，降雹持續時間為2～5 min的最多，占41.4%；其次為0～2 min，占20.7%。持續時間超過20 min的僅占6.9%。持續時間最長的1次出現在義縣，于2012年6月2日13：36-14：14、14：21-14：27義縣本站降冰雹，冰雹最大直徑10 mm，最大平均重量1 g。13：00-15：00頭道河鄉遭受冰雹襲擊，冰雹持續30～40 min，冰雹最大直徑30 mm，同時伴有強降水，頭道河鄉的頭道河、黑山、張家灣和拉拉屯村767 hm2大田受災，其中33 hm2絕收。

2.1.6 冰雹初、終日 錦州市冰雹初、終日對照見表2。由表2可知，冰雹初日出現在3月下旬至6月上旬，出現最早的時間是3月30日，出現在2008年；冰雹終日一般出現在9月中旬至11月上旬，出現最晚的時間是11月11日，出現在2010年。

2.2 錦州冰雹空間分布特征

2.2.1 冰雹日數空間分布 利用錦州5個常規站2006-2015年地面觀測資料統計分析（圖5）得出，錦州市各站冰雹日數存在地域差異，錦州和凌海出現次數最多，為8次，平均1年出現1次；北鎮最少，僅4次，平均2年出現1次?？傮w呈現出南部多、北部少的特征。

2.2.2 冰雹局地性特征 統計錦州市5個常規觀測站2006-2015年的地面觀測資料，發現在27次冰雹過程中，僅有一次區域性冰雹過程，而在其余26次局地性冰雹過程中，有21次為單站次冰雹，可知冰雹的局地性很強。

3 冰雹環流形勢分析

3.1 冰雹天氣分型

對錦州市2006-2015年10年共27次冰雹過程的大尺度環流背景場分析顯示，從500 hPa形勢場來分主要分為兩種類型，一是冷渦槽后類共出現14次；二是冷渦槽前類共出現13次。

3.2 冰雹環流形勢分析

由圖6可知，冷渦槽后型冰雹500 hPa多在35°-50°N、120°-140°E這一區域內有閉合低渦存在，一般有冷中心或冷槽相配合，冷中心或冷槽通常落后于低渦中心。冷渦在東移南下過程中，脊前冷空氣不斷補充，渦底南北向低槽發展，若低渦位置偏北，錦州地區受渦底槽后西北氣流影響；若低渦位置偏南，低渦中心已經落到40°N以南，錦州地區則直接受冷渦后部偏北或東北氣流影響。有時冷渦后部冷空氣南下，在其后部形成橫槽，冷空氣堆積，錦州地區受橫槽前部偏西氣流影響，橫槽下擺，冷空氣東移南下，則觸發強對流天氣發生。endprint

由圖7可知，渦后橫槽型冰雹500 hPa也受低渦影響，在40°-50°N之間有鋒區存在，渦前后有明顯冷暖平流，錦州地區受渦后冷平流影響。有時冰雹天氣發生在500 hPa脊前西北氣流內，對應低層850 hPa受脊后槽前暖脊控制。冷渦槽后類冰雹對應地面多受蒙古低壓、冷鋒、弱低壓或冷高壓前部影響，冰雹天氣多發生在午后，發生前地面多以晴好天氣為主，由于強烈的太陽輻射地面增溫明顯，不穩定能量累積，高空渦后冷平流觸發強對流天氣。

由圖8可知，冷渦槽前型冰雹500 hPa歐亞大陸中高緯度地區多受寬廣的冷性低值系統控制，冷空氣位置偏北，在蒙古地區或河套地區有低渦存在，錦州地區位于渦底槽前；有時無低渦存在，僅受南北向低槽前部影響。冰雹發生前500、700、850 hPa三層均受渦前西南氣流控制，三層低渦或低槽位置相近或垂直，有時系統前傾，850 hPa遼寧地區多受渦前暖脊控制，地面系統一般為低壓前部或內部、蒙古氣旋冷鋒控制，若高空系統較弱，則地面多受海上高壓后部均壓場或鞍型場控制。此類型雖然高低空均為西南氣流控制，但由于副熱帶高壓偏南，西南急流未建立，水氣條件一般。低層錦州地區受渦前暖平流影響增溫增濕明顯，不穩定能量累積，850 hpa位于假相當位溫高值區，同時低槽前的上升運動也為強對流的發生提供了有利條件，而低渦底部短波槽滑過，或高空槽前弱冷空氣向東伸展，提供了中層干冷空氣入侵條件，觸發不穩定能量釋放，產生強對流天氣。

3.3 中尺度特征

冰雹天氣一般發生在有較強的風切變環境場中，對濕度條件要求較低。冷渦槽前型冰雹500 hPa弱冷空氣與850 hPa暖脊交匯，850 hPa與500 hPa溫度差達到26 ℃以上，大氣層結不穩定，且在冰雹天氣發生前后地面有中尺度切變、中尺度輻合線等生成，可觸發強對流天氣的發生，或強對流風暴移經此處時明顯加強。冰雹落區在槽前500 hPa弱冷空氣與850 hPa暖脊交匯處附近、地面輻合線附近濕區一側（圖9）。槽后型冰雹發生在槽后西北氣流內，中層干冷空氣下沉增溫，疊加在低層濕冷空氣之上，在850 hPa以下形成干暖蓋，其存在可以抑制弱對流的發生，從而有利于不穩定能量的增加和儲存。850 hPa與500 hPa溫度差達到28 ℃以上，大氣層結為條件性不穩定，當有系統性擾動出現時，可觸發強對流天氣。地面伴隨有中尺度切變、中尺度輻合線或干線生成，冰雹落區位于輻合線或干線附近濕區一側（圖10）。

4 冰雹物理量診斷分析

冰雹的產生會對應一定的動力、熱力、水氣條件，詳細分析冰雹發生時各個物理量特征，總結各物理量因子指標，有利于客觀預報冰雹的發生。

4.1 物理量類別

選取大氣溫濕類：A指數、整層比濕積分（IQ）、對流溫度（Tg）、總指數（TT）；層結穩定度類：沙氏指數（SI）、K指數、850 hPa與500 hPa溫差、700 hPa與500 hPa溫差；熱動力綜合類：風暴強度指數（SSI）；能量類：對流有效位能（CAPE）、抑制對流有效位能（CIN）；特殊高度厚度：零度層高度（ZH）、-20 ℃層高度（H）、0 ℃層與-20 ℃層的位勢高度差及動力參數850 hPa與500 hPa風向垂直切變共15項物理量進行統計分析。

4.2 錦州冰雹過程物理量統計

由于Micaps資料和錦州站探空資料的部分缺失，最終只挑選出13次冰雹樣本，將其按上述物理量類別進行統計分析，結果見表3。由表3可知，冰雹發生前期A指數90%以上>0 ℃，約70%在10～20 ℃；對流溫度（Tg）均>10 ℃，約70%在20～40 ℃；整層比濕積分（IQ）在800～4 300 g/kg，約70%小于3 000 g/kg；總指數（TT）在43～60 ℃，70%以上在50～60 ℃；沙氏指數（SI）范圍較大，但約70%小于等于0 ℃，45%以上小于等于-3 ℃；指數（K）約70%在28～38 ℃；850～500 hPa溫差在25～35 ℃，70%以上大于28 ℃；700 hPa與500 hPa溫差在14～22 ℃，70%以上大于等于16 ℃；風暴強度指數（SSI）在196～345，70%以上在250～300；對流有效位能（CAPE）范圍較大，分布在0～4 100 J/kg，70%以上小于1 000 J/kg，與相關冰雹研究得出結論相差較大，可能原因是錦州冰雹多發生在12：00后，與8：00相隔時間較遠，而本研究使用的為未訂正CAPE，與對流發生時CAPE相差較大；抑制對流有效位能（CIN）分布在0～900 J/kg，70%以上小于300 J/kg；0 ℃層高度在1 100～ 4 400 m，70%以上在2 000～4 400 m；-20 ℃層高度在4 200～7 500 m，約70%在5 000～7 000 m；0 ℃與-20 ℃層高度差約70%在2 500～3 500 m；850 hPa與500 hPa風向切變（500 hPa風向角度減去850 hPa風向角度）在-70°～100°，約70%在-40°～40°，當值大于0°時，多為500 hPa已經轉為偏西風或西北風，而850 hPa仍為西南風；當值小于0°時，多為高低空均為西南到偏南風，或高空為西南風，低空已經轉為偏西風。

4.3 錦州冰雹物理量闕值

經過上述物理量統計，將約70%冰雹樣本數值作為錦州發生冰雹天氣的物理量闕值進行統計，結果見表4，可為冰雹預報提供參考。

5 小結與討論

1）2006-2015年錦州冰雹日數的年際變化總體呈現減少的趨勢，年平均出現2.7個冰雹日；春末夏初遼寧多為東北冷渦控制下的不穩定天氣形勢，大氣不穩定性強，易形成局地的冰雹天氣，所以冰雹出現最多的時段是在5月中旬到6月中旬；冰雹日變化十分明顯，多出現在中午至傍晚，其中以12：00-13：00和16：00-17：00出現次數最多；冰雹持續時間短，80%的降雹持續時間在10 min以內；冰雹最早出現在3月底，最晚出現在11月；冰雹的局地性很強，且存在明顯的地域差異，總體呈現出南部多、北部少的特征。endprint

2）錦州市冰雹過程的大尺度環流主要分為兩種類型，一是冷渦槽后型，共出現14次；二是冷渦槽前型，共出現13次。

3）冷渦槽后型環流形勢特點是在500 hPa圖上，多在35-50°N、120-140°E這一區域內有閉合低渦存在，有冷中心或冷槽相配合，高低空均受西北氣流影響。地面多受蒙古低壓、冷鋒、弱低壓或冷高壓前部影響，冰雹天氣多發生在晴朗的午后，太陽輻射使地面增溫明顯，不穩定能量累積，高空渦后冷平流觸發強對流天氣；冷渦槽前型，高低空均受渦前西南氣流控制，三層低渦或低槽位置相近或垂直，低層錦州地區受渦前暖平流影響增溫增濕明顯，同時低槽前的上升運動也為強對流的發生提供了有利條件，而低渦底部短波槽滑過，或高空槽前弱冷空氣向東伸展，提供了中層干冷空氣入侵條件，觸發強對流天氣。

4）冰雹天氣一般發生在有較強的風切變環境場中，對濕度條件要求較低。冷渦槽前型冰雹落區在槽前500 hPa弱冷空氣與850 hPa暖脊交匯處附近、地面輻合線附近濕區一側。槽后型冰雹發生在槽后西北氣流內，中層干冷空氣下沉增溫，疊加在低層濕冷空氣之上，形成干暖蓋，地面有中尺度切變、中尺度輻合線或干線生成，冰雹落區位于干線附近濕區一側。

5）從動力、熱力、水氣條件等方面分析冰雹發生時物理量特征，確定錦州發生冰雹天氣的物理量闕值。A指數在10～20 ℃；對流溫度（Tg）在20～40 ℃；整層比濕積分（IQ）小于3 000 g/kg；總指數（TT）在50～60 ℃；SI小于0；K指數在28～38 ℃；850 hPa與500 hPa溫差大于28 ℃；700 hPa與500 hPa溫差大于16 ℃；風暴強度指數（SSI）在250～300；對流有效位能（CAPE）小于1 000 J/kg；抑制對流有效位能（CIN）小于300 J/kg；0 ℃層高度在2 000～4 400 m； -20 ℃層高度在5 000～7 000 m；0 ℃與-20 ℃層高度差在2 500～3 500 m；850 hPa與500 hPa風向切變在-40°～40°。

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