云南德宏 “2016—03—29”冰雹天氣過程初步分析

楊錦超, 李慧芹

(1.云南省德宏州天氣雷達站，云南 德宏 678400;2.云南省德宏州氣象臺，云南 德宏 678400)

1 引言

冰雹天氣是大氣中強烈對流運動發展的結果，范圍小、時間短、強度大、突發性強、危害程度很大，常造成局地農作物減產甚至絕收，是天氣預報業務中的重點和難點之一。

冰雹天氣是由大尺度環流背景下的中小尺度天氣系統造成的，范圍較大降雹過程常與南支槽、冷鋒、低渦切變、急流等天氣系統聯系[1]。強風暴的發生需要三個條件，即對流層明顯的位勢不穩定、上干下濕的水汽垂直空間分布和強的垂直風切變[2],以及降雹天氣需要在-10～-30 ℃之間有大的對流有效位能、深層垂直風切變和較低的0 ℃高度[3]。曹芳等[4]研究表明，影響冰雹天氣的發生最重要的是中層干空氣和強垂直風切變；江玉華等[5]指出高層侵入低層的干冷空氣有利于大氣不穩定結構的維持，是對流發展的重要條件；夏立花等[6]在研究一次強對流天氣時發現高低空急流的配置形成的次級環流，為強對流的發生提供了有利的動力抬升條件。段鶴等[7-10]利用雷達資料對云南冰雹天氣的雷達回波特征進行了個例研究，加深了對云南冰雹天氣的雷達回波強度、速度場和等中小尺度特征的認識。

德宏州位于我國西南邊陲、云南省西部，地處橫斷山脈南部，地形地貌復雜，觀測站網稀疏，加之冰雹等強對流天氣的中小尺度特征尤為復雜，用常規觀測網很難捕捉到，給德宏冰雹天氣的分析和預報帶來了很大困難。近幾年對于強天氣的分析和預報，多基于對雷達資料的分析，或應用統計方法。本文綜合利用ECMWF全球再分析資料、常規氣象觀測資料及多普勒雷達資料對2013年3月29日的一次冰雹天氣的成因進行綜合分析，深入認識德宏冰雹天氣過程的特征，對德宏冰雹天氣的臨近預報和實際人工消雹作業具有重要指示意義。

2 資料來源與分析

本文采用1日4次、0.75°×0.75°的ECMWF全球客觀分析資料；常規氣象觀測資料；德宏多普勒天氣雷達資料(型號：CINRAD/CC，體掃模式：VCP11，位置：98.344°E,24.489°N,海拔高度：2 073 m)。由于冰雹沒有降落在大監站，缺少降雹的具體開始和結束時間以及冰雹的大小，對后續利用雷達資料分析冰雹存在一定的困難。

3 天氣實況與形勢分析

受南支槽前西南暖濕氣流影響，2016年3月29日01—13時，德宏州出現小雨局部中雨天氣，17—23時出現了一次強對流天氣過程，最強時段出現在17—21時，過程以冰雹天氣為主，影響范圍較廣，維持時間較長，局部地區還伴有短時強降水和大風等災害性天氣。此次冰雹天氣過程導致全州3個縣市9個鄉鎮的烤煙和農作物嚴重受災，造成經濟損失共計1 328.94萬元。

圖1為3月29日08時的中尺度分析綜合圖，由圖可見，500 hPa上南支槽為南北兩支，呈階梯槽形式，云南處于階梯槽前，700 hPa高空槽落后于500 hPa高空槽，此階梯槽為前傾槽，有較強的斜壓性，有利于強對流天氣的發生，槽后的干冷空氣疊置于槽前的暖濕氣流上，增加了大氣層結不穩定度。北支槽前傾的程度大于南支，且移速大于南支，至20時北支位置已超越南支。500 hPa和700 hPa上云南為一致的槽前西南急流控制，水汽條件十分有利，200 hPa上高空急流位于滇西北一帶，衛星云圖上可以看到明顯的槽前云系，高低空急流的存在，提供了很好的動力條件。700 hPa上滇西及其以西大部地區溫度露點差在5 ℃以下，水汽條件很好，隨著南支槽東移過境產生強烈的上升運動，德宏產生強對流天氣的條件充分。

圖1 2016年3月29日08時中尺度分析綜合圖Fig. 1 March 29, 2016 08∶00 mesoscale analysis of the comprehensive map

4 成因分析

4.1 合適的0 ℃和-20 ℃高度

0 ℃層到-20 ℃層是冰雹形成的主要區域，因此，0 ℃層高度和-20 ℃層高度是判斷環境大氣是否有利于形成冰雹的重要參數。統計29 a騰沖探空站出現冰雹天氣的0 ℃層和-20 ℃層高度，0 ℃層高度在3.0～5.6 km之間，平均為3.9 km，-20 ℃層高度在5.8～8.3 km之間，平均為6.8 km[1]。分析騰沖探空站的溫度時間剖面圖(圖2)，0 ℃線和-20 ℃線所在高度在29日20時有明顯的下降，且0 ℃線在650 hPa以下，-20 ℃線在400 hPa以下，符合出現冰雹的特殊層高度指標。

圖2 2016年3月28日20時—30日20時騰沖探空溫度垂直分布Fig.2 The vertical distribution of radiosonde temperature in Tengchong from 20∶00 28 to 20∶00 30 March 2016

4.2 干冷空氣入侵

沿98.5°E作θse的垂直剖面，29日08時(圖略)，23～25°N及28～29°N整個地面層基本為高能舌占據，且高能舌從地面延伸到600 hPa為對流不穩定區，包括德宏范圍(23.8～25.6°N)；中層有θse低值區域,低值中心主要位于27～28°N，高度在650 hPa附近。14時(圖3a)，該θse低值中心南移到了26～27°N,且中心高度下降到600 hPa,且從騰沖站20時探空資料相對濕度分析圖上看到400～500 hPa之間存在很明顯的干空氣侵入(圖4a)。20時500 hPa高空等溫線圖上德宏位于冷槽區域內(圖4b)，說明該θse低值區是中高層槽后干冷空氣在向南入侵，且冷空氣由高層向低層傳播，干冷空氣的侵入加劇了大氣層結不穩定。到了20時，θse低值中心已經向南壓到25°N以南(圖3b)，且高度下降到700 hPa附近，德宏中北部上空中高層θse低值中心正好位于低層θse高值中心之上，高層干冷低層暖濕的配置很明顯，為對流的發展積累了大量的不穩定能量。對應實況上德宏中北部出現了強烈的對流性天氣。

圖3 θse沿98°E的垂直剖面圖Fig.3 Vertical section of θse along the latitude 98°E

圖4 29日20時(a)騰沖站相對濕度探空分布圖；(b)500 hPa等溫線分布圖Fig.4 (a) The vertical distribution of relative humidity in Tengchong and (b) The distribution of isotherm at 500 hPa at 20∶00 on 29 March 2016(unit:I)

分析Δθse850-500的分布及演變(圖5)，29日08時大值區主要位于青藏高原東南角，德宏上空的值為8～12；14時大值區域向東南方向移動，德宏上空的值增大為10～14；20時大值區域移到德宏上空，為16～18，位勢不穩定急劇增加，有利于強對流的發生；30日02時迅速減小至10～12，表明位勢不穩定已經減弱，強對流天氣過程結束。可見Δθse850-500大值區的走向與此次對流性天氣過程中中高層干冷空氣的走向一致，對強對流天氣的發生有很好的指示作用。

圖5 2016年3月29日08時—30日02時Δθse850-500分布圖Fig.5 The distribution ofΔθse850-500 (unit:) from 08∶00 29 to 02∶00 30 March 2016

4.3 高空急流

圖6為此次過程水平風速和垂直風速沿98°E的垂直剖面，29日 08時高空急流中心風速大于75 m/s，急流中心位于26.5°～28°N，德宏高空最大風速為50-60 m/s。上升運動主要位于高空急流軸下方，最大上升速度達-1.2Pa/s以上，德宏上空主要為下沉氣流控制；14時高空急流南壓，急流中心風速減弱為70m/s，德宏高空最大風速在55～65 m/s之間，垂直速度最大值也減弱至-0.65Pa/s，最大值區位于德宏上空600 hPa附近，在0 ℃線之上，有利于冰雹的產生；20時急流中心南壓至德宏上空，但急流軸中心風速下降至65m/s，德宏高空最大風速降至50-65 m/s之間，上升運動大值區也減弱并南壓23°N以南，德宏上空中高層出現下沉氣流，對流條件逐步減弱；30日02時，急流軸中心仍然位于上空，中心風速繼續下降至60 m/s。實況上德宏于17時開始出現冰雹、雷暴、大風、等強對流天氣，由于低層風速變化不大，高空風速的增大一方面意味著垂直風切變的加強，高空的大風將云體上方的暖濕空氣帶走，起到通風作用，對流云的發展和維持十分有利；另一方面高空急流的出現導致了強烈的上升運動，有利于強對流天氣的發生發展。

圖6 沿98°E的風場和垂直速度剖面圖Fig.6 Vertical section of the wind(unit:m/s) and vertical velocity (unit:Pa) along98°E

5 多普勒雷達回波特征

運用德宏多普勒天氣雷達資料對此次冰雹天氣過程進行分析。

2016年3月29日17時17分左右在盈江西北部有很強的對流風暴開始進入德宏(圖7)，回波強度60 dBz,回波頂高達14 km(剖面圖上顯示的高度沒有算上雷達的海拔高度，偏低2 km)，且出現了很明顯的虛假旁瓣回波(圖8),其產生與粒子的強散射能力密切相關，反映了云體內強烈的上升運動，一般只能在雹云回波中探測到。隨后對流云團不斷發展并向東南方向移動，17時34分風暴呈現出典型的超級單體鉤狀回波結構和弱回波區特征，剖面圖上可以看到有穹窿和回波懸垂結構，說明存在很強的上升氣流。18時20分出現“人”字形回波,對應速度圖上從低層氣旋性輻合逐漸轉為高層輻散(圖略)，風暴頂輻散的存在，使得強上升氣流得以維持和云中的凝結潛熱及時擴散，有利于冰雹的增長和大冰雹的形成，它的存在是冰雹云發展的一個重要條件。19時10分在1.5°仰角的反射率因子圖上探測到V型缺口，且觀察到比較明顯的三體散射長釘，TBSS是探測大冰雹的指示性指標，它在探測降雹的指示性作用上已得到廣泛應用，三體散射出現10～30 min后往往會產生地面降雹和大風[4]。19時50分在盈江的西南部探測到一典型超級單體鉤狀回波，19時56分結構更加清楚，0.5°仰角的反射率因子圖上有明顯的有界弱回波區，剖面圖上云體傾斜，且有明顯的回波懸垂、回波墻、旁瓣回波以及大片的云砧，超級單體發展十分旺盛，大于50 dBz的強回波區高達8 km,遠在-20 ℃線以上，高空風速逐漸增大，出現速度模糊，這與探空圖上高空急流相對應。超級單體的鉤狀結構維持3個體掃后消失，20時13分反射率因子圖上有界弱回波區消失，剖面圖上回波頂高度下降，內部結構松散,邊緣發毛，超級單體進入消亡階段，過程逐漸減弱結束。

綜上分析，可見此次冰雹天氣過程強回波高度很高，均在7 km以上，且探測到旁瓣回波、TBSS、鉤狀回波、“V”形缺口、有界弱回波區、弱回波區、回波懸垂、風暴頂輻散等特征。這些回波特征對冰雹、雷暴、大風等強對流天氣有很好的指示作用[11]。

6 結語

①此次過程有利的環流形勢是：階梯槽形勢和前傾槽結構有較強的斜壓性，增加了大氣層結不穩定度，槽前西南氣流帶來了充足的水汽，高低空急流的存在提供了強的動力條件。

②騰沖探空站0 ℃線和-20 ℃線高度在冰雹發生時有明顯的下降，且0 ℃線在650 hPa以下，-20 ℃線在400 hPa以下，對降雹十分有利。

③中層存在干冷空氣侵入，高層θse低值中心正好位于低層θse高值中心之上，高層干冷和低層暖濕的配置很明顯，為對流的發展積累了大量的不穩定能量。Δθse850-500大值區的走向與此次對流性天氣過程中高層干冷空氣的走向一致，對干冷空氣的活動區域有指示作用。

④高空急流在減弱南移影響德宏時，德宏上空高空風速的增加，加劇了垂直風切變，產生了強烈的上升運動，有利于對流云的發展和維持。

⑤此次對流冰雹天氣主要是由超級單體風暴產生的，在反射率因子圖上探測到典型的TBSS、鉤狀回波、“V”形缺口、人字形回波、有界弱回波區、弱回波區等特征；在RHI圖上表現出更加典型的冰雹天氣特征，出現了虛假旁瓣回波、穹隆、回波懸垂等特征，強回波高度(>50 dBz)均在7 km以上，在-20 ℃層以上；徑向速度圖上從低層氣旋性輻合逐漸轉為高層輻散，使得強上升氣流得以維持和云中的凝結潛熱及時擴散，有利于冰雹的增長和大冰雹的形成。

圖7 0.5°仰角反射率因子演變圖Fig.7 The evolution of reflectivity on 0.5°elevation

圖8 VCS垂直剖面圖特征Fig.8 VCS vertical profile characteristic

[1] 許美玲,段旭,等.云南省天氣預報員手冊[M].北京：氣象出版社，2011:158-171.

[2] 陶詩言.中國之暴雨[M].北京：氣象出版社，1980:1-12.

[3] 吳劍坤,俞小鼎.強冰雹天氣的多普勒天氣雷達探測與預警技術綜述[J].干旱氣象,2009,27(3):197-205.

[4] 曹芳,李昀英.一次特冰雹過程的中尺度低壓特征及發展因子分析[J].冰雹災害,2011,30(1):28 -35.

[5] 江玉華,劉娟,何躍.一次伴隨冰雹的超級單體風暴特征[J].氣象科技，2011,39(2):172-180.

[6] 夏麗花,馮晉勒,黃美金，等.一次強對流天氣過程的成因分析[J].氣象,2006,32(7):110-114.

[7] 段鶴,嚴華生,王曉君,等. 滇南中小尺度災害天氣的多普勒統計特征及識別研究[J].氣象,2011,39(10):1216-1227.

[8] 李德俊,唐人毛,熊守權,等.強冰雹和短時強降水天氣雷達特征及臨近預警[J].氣象，2011,37(4):474-480.

[9] 張騰飛,段旭,魯亞斌,等.云南一次強對流冰雹過程的環流及雷達回波特征分析[J].高原氣象，2006，25(3):531-538.

[10]馬紅,胡勇,鄭翔飚,等.滇東北一次颮線過程的中尺度結構特征[J].氣象科學,2010,30(6):874-880.

[11]俞小鼎,姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業務應用[M].北京:氣象出版社，2005:90-169.