2017年貴州中西部冰雹流型識別和物理量特征檢驗

吳哲紅,胡秋紅,蒙 軍,符鳳平，王興菊

(貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000)

1 引言

冰雹等強對流天氣是貴州常見的災害性天氣，貴州中西部海拔高度適宜，處于下坡地形，是冰雹多發區，每年均造成不同程度的災害，對于冰雹天氣，國內外多位學者開展了研究，藍渝等[2]基于地面加密觀測資料、衛星云圖資料和NCEP1°×1°資料，對華北區域冰雹開展了天氣分型和云系特征分析；張一平等[3]利用常規高空、地面觀測資料和探空、雷達資料，對河南區域的強對流天氣發生發展的環境條件進行了中尺度綜合分析和物理量要素分析，中央氣象臺將大范圍的降雹過程按高空天氣形勢分為高空冷槽型、高空西北氣流型、南支槽型等[4]，此后多位學者對冰雹過程開展了天氣形勢分型研究[5-8]：對于冰雹的研究取得很多進展，揭示了雷雨大風、冰雹及大風冰雹三類強對流天氣的特征和規律；但由于冰雹局地性強，各地冰雹天氣環流特征各有特點，使得原有的天氣學環流分型不夠適用，近年流型識別和“配料法”被認為是一項很有用的預報技術[9]，貴州的學者也對冰雹天氣研究做了持續的努力，對流型識別和物理量閾值方法開展了探索[10]：利用貴州近13 a(2000—2012年)春季的氣象資料，依據強對流天氣發生的動力條件和層結穩定情況，萬雪麗等[1]將貴州春季強冰雹事件進行不同類型的分類研究，給出貴州強冰雹天氣發生的有利環流形勢類型為: 西北氣流型、高空槽型、鋒前降雹型和高架雷暴型，高架雷暴又分為靜止鋒后高架雷暴型和冷鋒后高架雷暴型，對4種流型均給出了概念模型及物理量閾值。

通過以上研究可以發現，冰雹的環流分型和關鍵物理量分析是預報冰雹的有效方法，但由于各地天氣特征不同，環流分型和關鍵物理量均需要多次檢驗才能有效。

2017年2—7月，貴州中西部共發生了7次冰雹過程，并分別伴有雷暴大風、短時強降水等，本文應用中尺度分析方法和天氣學診斷方法，基于文獻[1]的冰雹天氣概念模型，對2017年冰雹過程進行流型劃分和物理量診斷分析，研究冰雹潛勢預報的中尺度流型劃分和關鍵物理量因子，以區分各次過程的流型特征和物理量特征，檢驗貴州省冰雹潛勢預報中尺度分型特征和關鍵物理量因子在貴州中西部的應用情況。

2 2017年冰雹過程實況

萬雪麗等[10]的統計表明貴州冰雹多發生于傍晚到前半夜，2017年2月下旬—7月下旬貴州中西部共發生了7次冰雹過程(表1)，發生時間均在傍晚到前半夜，以發生月日作為過程編號；其中有2次發生在傍晚(0224和0730)，其余的過程主要發生時間均在前半夜，最大冰雹直徑發生在0522過程為15～20 mm，天氣現象除一次過程(0224)外，其余的均伴有短時強降水，2次過程伴有大風(0405和0730) 。

3 過程環流分型

萬雪麗等[1]將貴州春季強冰雹事件進行不同類型的分類研究，給出貴州強冰雹天氣發生的有利環流形勢類型為:西北氣流型、高空槽型、鋒前降雹型和高架雷暴型，高架雷暴又分為靜止鋒后高架雷暴型和冷鋒后高架雷暴型，對4種流型均給出了概念模型，以下將對2017年7次冰雹過程進行中尺度分析，并與文獻[1]給出的概念模型對比，進行流型劃分。

表1 2017年2—7月冰雹過程實況表Tab.1 Hail process occurred on February to July, 2017

3.1 西北氣流型

按照標準，此型500 hPa高空槽已移至貴州中東部，青藏高原—貴州為西北氣流控制，700 hPa西南氣流影響，冰雹發生前貴州區域往往有溫度脊發展，850 hPa偏南或東南氣流；大氣層結上干冷，下層暖濕氣流發展，加強層結不穩定性，利于冰雹發生。

此型2017年出現1次(5月22日)，08—20時貴州西部處于槽后，受西北氣流影響，500 hPa從高原有干冷空氣侵入貴州，從高原到四川有階梯槽東移，使得貴州西部越來越干冷，加大不穩定的程度，冷鋒在河套附近，云南東部有低槽切變，中低層在云南西南部—貴州中部有切變，廣西—貴州有暖濕氣流輸送。貴州中西部處于下濕上干的區域，地面有一條中尺度輻合線，從廣東有暖濕舌向北伸展，存在干濕分界的露點鋒區。強對流天氣出現在地面輻合線附近。

3.2 高空槽型

青藏高原東部及云南中東部有高空槽東移影響，溫度槽落后于高度槽；700 hPa西南氣流，在云南南部—廣西北部通常有低空急流，850 hPa為偏東氣流或東北氣流。

此型2017年出現3次：

①4月5日在秦嶺以南到高原東側有高原槽，云南南部有南支槽，地面貴州中西部維持一中尺度輻合線，大風冰雹天氣出現在850 hPa濕區和700 hPa干區疊加的區域，低空急流左側，沿地面輻合線一帶。

②4月30日500 hPa從河套西部—四川盆地—貴州有階梯槽，地面貴州中部有中尺度輻合線，強對流天氣出現在地面輻合線南側，低層濕舌和高層干舌疊加的區域。

③7月30,在臺灣—福建附近臺風海棠正在登陸，其西部的偏東風已經開始影響貴州東部地區，從500～850 hPa都有低槽切變配合溫度槽，地面貴州中西部存在東風和西北風的中尺度輻合線，干冷空氣從北部南下，與東部的臺風外圍暖濕氣流在貴州交匯，由于貴州特殊的西高東低、北高南低的地形，使得大氣層結下暖濕，上干冷，不穩定性增加，在午后—傍晚造成了雷暴冰雹大風天氣，強對流天氣大致出現在地面干濕鋒區附近。

3.3 鋒前降雹型

高原東部及云南中東部有高空槽東移，溫度槽落后于高度槽；700 hPa切變線位于重慶—湖北東部一線，云貴地區為西南氣流，850 hPa切變線壓至江南，處于冷鋒或靜止鋒前。此型鋒前暖濕區對應高層干冷區，不穩定能量釋放易造成冰雹。

此型出現2次：

①4月20日08—20時冷鋒沿四川中部從正北路徑南壓到貴州，地面貴州中南部存在露點鋒區，貴州南部上干下濕，層結不穩定，由于冷鋒及高空槽、低層切變的抬升，在貴州南部造成大風冰雹等強對流天氣，落區在高空干舌和低層濕度疊加的區域，地面冷鋒附近。

②5月5日，四川北部的冷鋒自北向南影響貴州，冷鋒前有地面輻合線在貴州中部，地面貴州西南部存在露點鋒區，貴州南部處于低層暖濕、高層干冷的區域，強對流天氣發生在冷鋒到低層切變附近，上干下濕的區域。

3.4 高架雷暴型

此型高原南側有南支槽緩慢東移，河套地區有短波槽，700 hPa切變線位于黃淮—川東，云貴—湖南低空急流≥20 m/s,850 hPa切變線和地面靜止鋒或冷鋒已南壓，貴州處于鋒后，如果鋒面以上中高層存在不穩定層結，在鋒面以上不穩定能量釋放容易造成冰雹。

此型2017年發生一次，為2月26日低溫背景下的靜止鋒后高架雷暴型：2月22—24日冷空氣南壓已經在云貴之間形成靜止鋒，24日貴州處于靜止鋒鋒后冷區，700 hPa有西南急流，西南急流核最大風速達到24 m/s，低層在貴州北部有北風和西南風的切變，貴州中部處于切變南側和西南急流核左側，靜止鋒鋒面以上的不穩定層結抬升在貴州中部產生了冰雹。

表2 發生冰雹前各型的物理量及與標準指標比較(黑色粗體字是符合標準的)Tab.2 Comparison of physical quantity characteristics and indicators of various types before hail occurrence (Black bold font showed consistent with the standard indicator)

可見2017年全部冰雹過程可以用4種分型包括，初步檢驗表明劃分方法適用于貴州中西部的冰雹天氣，概念模型同時給出了各型的幾種物理量指標，如0 ℃層、-20 ℃層高度，大氣層結上下層溫差等，進一步對2017年幾次過程根據探空資料分析了發生冰雹前的大氣層結及物理量指標，并與概念模型進行比較：其中有符合的也有不近符合的，同時本研究還給出了另外幾種物理量，試圖補充完善概念模型中物理量閾值。

根據表2，0 ℃層高度和-20 ℃層高度基本與概念模型符合，但2月24日的高架雷暴高度明顯不符，CAPE、上下層溫差也基本符合，但垂直風切變基本都比標準偏小，此外統計了幾次冰雹過程的抬升指數、K指數、SI指數等，有以下共同特征：抬升指數基本為負值或小于1(除高架雷暴外),K指數≥36(除高架雷暴外),CIN和DCAPE有一定數值并明顯小于CAPE。

4 環境潛勢物理量特征

根據文獻[1]，貴州冰雹的發生時間分布具有午后和前半夜的特征，2017年貴州中西部冰雹過程有2次發生在午后(2月24日和7月30日)，其它過程都發生在前半夜，而有效的探空觀測目前還只有08時和20時，對于發生在傍晚的冰雹探空不能較好體現層結特征，加之貴州僅有2個探空站，對于發生在貴州中西部的冰雹過程，不一定能較好體現動力和水汽特征，因此采用NCEP1°×1°再分析資料，選取0～6 km垂直風切變、抬升指數、相對濕度垂直分布、CAPE、CIN等動力、熱力不穩定物理量，分析冰雹發生前最近時次大氣的動力和水汽及不穩定特征(對于發生在午后的冰雹，分析14時的，對于發生于前半夜的冰雹，分析20時的)，按照環流分型對每一類型進行分型，結合產生天氣的不同，盡量找出每一類型的共性及與其他類型的不同，以便在今后的強對流潛勢預報中找到關鍵物理量因子。

4.1 垂直風切變

垂直風切變，尤其是大氣低層的垂直風切變是影響對流發展強度和結構的重要因素，是強對流天氣中有利于冰雹增長的有效條件。以下將利用NCEP再分析資料的0～6 km垂直風切變分析各型典型過程的垂直風切變特征(圖1)。

西北氣流型(0522)垂直風切變不大，貴州中部為-7×10-3/s的中心,從貴州東部到西部，垂直風切變從負值轉為正值，說明高低空水平風切變也較大，貴州中西部為垂直風切變由負值轉正的區域。

高空槽型有3次個例，以0405為例，垂直風切變中等強度，整個貴州區域垂直風切變都為中等到較大的負值，貴州區域垂直風切變達到-10×10-3/s,較大的垂直風切變使得4月5日出現了冰雹外，還有大風。

2次鋒前降雹過程，4月20日在西北部為中心4～6×10-3/s 的正垂直風切變，西南部為大致相當的負值垂直風切變(圖略)，5月5日垂直切變較大，在貴州西部有-6～-8×10-3/s的垂直風切變，北部有較小的正值，反映了鋒區前后的水平風切變，5月5日出現了較大的冰雹。

高架雷暴型(0224)垂直風切變絕對值最大，在貴州南部有一大值中心，中心達到-12～-14×10-3/s，從貴州南部到中西部數值迅速降低，冰雹出現在垂直風切變梯度最大的地方?？梢娸^大的垂直風切變有利于加強對流性天氣的強度。

4.2 抬升指數

抬升指數反映了自由對流高度以上不穩定能量的大小，負值越大，發生強對流的可能性越大。

以下分析各典型個例的抬升指數特征(圖2)：

西北氣流型，貴州中南部抬升指數為-2～-2.5 ℃，貴州西部為抬升指數梯度大值區。

高空槽型3次個例，抬升指數負值并不太大，但在貴州中部一線為正負值過渡區，反映的地面中尺度氣溫梯度。

鋒前過程(0420、0505)抬升指數在貴州西部或西南部為負值，中心絕對值大小為2～3 ℃，貴州西部到南部為抬升指數梯度區，強對流天氣發生區域在抬升指數梯度大值區。

高架雷暴型(0224)抬升指數為正值，由于此次過程發生在冬季，地面溫度僅為0～2 ℃，溫濕能量較小，地面熱力抬升的可能較小。

抬升指數體現了熱對流發生的可能，冷季發生熱對流的可能性低，暖季對流性天氣發生在抬升指數負值絕對值較大的區域或梯度大值區。

4.3 CAPE和CIN

用來衡量熱力不穩定大小的最佳參量是對流有效位能(CAPE)。CAPE是氣塊在給定環境中絕熱上升時的正浮力所產生的能量的垂直積分，是風暴潛在強度的一個重要指標，而對流抑制能量CIN表示了對流產生需要克服的能量，適當的對流抑制能量CIN使得對流有效位能CAPE持續積累并處于高值狀態，是雷雨大風天氣持續發生的重要原因；分析4種類型的CAPE和CIN，試圖通過分析CAPE和CIN的分布配置，找出對流天氣發生的強度、種類的特征(圖3)：

圖1 4種類型的垂直風切變分布(a:西北氣流型：0522，b：高空槽型：0405，c：鋒前降雹型：0505，d：高架雷暴型：0224，單位：10-3/s)Fig.1 Vertical wind shear of four patterns(a:Pattern Northwest airflow:0522;b:Pattern Trough:0405;c:Pattern Before the cold wind:0505;d：Pattern Elevated thunderstorm：0224，unit：10-3/s)

圖2 4種類型的抬升指數(a:西北氣流型：0522，b：高空槽型：0405，c：鋒前降雹型：0505，d：高架雷暴型：0224，單位：℃)Fig.2 Lift Index of four patterns(a:Pattern Northwest airflow:0522;b:Pattern Trough:0405;c:Pattern Before the cold wind:0505; d：Pattern Elevated thunderstorm：0224，unit：℃)

西北氣流型(0522)CAPE最大，在貴州西南部達到1 400 J/kg,CIN在貴州西南部也有負值大值中心為-40 J/kg，強對流天氣發生在CAPE正值和CIN負值區疊加區域附近。

高空槽型(0405和0430、0730)CAPE不太大，對流性天氣也是發生在CAPE和CIN大值區疊加的區域，這種類型除冰雹外短時強降水特征也很明顯， 4月5日在貴州西部CAPE為500～600 J/kg，貴州中南部有-100 J/kg的對流抑制能量，對流克服了較大的CIN數值，產生的對流性天氣除冰雹外還有大風。

鋒前降雹型(0420和0505)CAPE并不大，在貴州西部有300～600 J/kg的CAPE值大值中心和對流抑制能量CIN負值中心，負值達到-40～-50 J/kg，冰雹發生在CAPE正中心和CIN負中心配合的區域。

高架雷暴型(0224)CAPE和CIN在貴州都為0，可見過程發生在冷季，熱力條件不夠。

CAPE和CIN體現了對流性可以達到的強度， 暖季強對流天氣發生在CAPE正值區和CIN負值區疊加的區域，較大的CIN下產生的對流表明了對流達到較大的強度，利于產生大冰雹。

圖3 4種類型的CAPE和CIN配置(實線為CAPE,虛線為CIN;a:西北氣流型：0522，b：高空槽型：0405，c：鋒前降雹型：0505，d：高架雷暴型：0224，單位：J /kg)Fig.3 Lift Index of four patterns(a: Pattern Northwest airflow:0522; b:Pattern Trough:0405;c: Pattern Before the cold wind:0505; d： Pattern Elevated thunderstorm：0224，unit：J /kg)

4.4 相對濕度垂直分布

西北氣流型相對濕度在700～600 hPa接近飽和，向上濕度降低，在400 hPa左右有一干層。

高空槽型濕度大值區在中層低空急流附近，向上伸展濕度降低到60%，整層濕度不是太低，這種類型除伴有冰雹外，短時強降水特征也很明顯。

鋒前降雹型飽和層從底層一直伸展到達500 hPa左右，但再往上濕度迅速降低，5月5日在500 hPa以上至450 hPa相對濕度迅速降低到10%，說明中高層有干冷空氣侵入，大氣層結極不穩定，產生了大冰雹。

高架雷暴型在貴州中西部地區中低層有寬廣的伸展到500 hPa的濕層，為低空急流造成，向上到400 hPa濕度迅速降低到10%左右(圖4)。

對相對濕度的分析表明強對流天氣的濕度垂直分布特點為下濕上干，4種類型均有此特點，但濕層飽和的區域和濕度降低的速度、相對干層的相對濕度等的配置不同造成強對流的特點和強度不同。

5 結論和討論

本文對2017年貴州中西部發生的冰雹天氣進行了環流劃分和特征物理量分析，結果表明：

①文獻[1]的環流劃分方法基本適用于貴州中西部的冰雹天氣，利用探空資料分析發現冰雹發生前的大氣層結背景如0 ℃層、-20 ℃層高度，層結溫差,CAPE等與標準有一致的地方，也有不一致的地方，說明物理量閾值有可改進的地方。

圖4 4種類型的相對濕度沿25.5°N分布(a:西北氣流型0522，b：高空槽型0405，c：鋒前降雹型，0505，d：高架雷暴型：0224，單位：%)Fig.4 Relative humidity along 25.5°N of four patterns(a: Pattern Northwest airflow:0522; b:Pattern Trough:0405;c: Pattern Before the cold wind:0505; d： Pattern Elevated thunderstorm：0224，unit：%)

②通過NCEP再分析資料對冰雹發生最近時刻的環境潛勢物理量的分析發現，各型對流性天氣物理量特征有著共同的特征，且物理量的強度、配置等對于產生對流性天氣的強度、種類有一定的指示作用：較大的垂直風切變有利于加強對流性天氣的強度；暖季對流性天氣發生在抬升指數負值絕對值較大的區域或梯度大值區。暖季強對流天氣發生在CAPE正值區和CIN負值區疊加的區域，較大的CIN下產生的對流表明了對流達到較大的強度，利于產生大冰雹。強對流天氣的濕度垂直分布特點為下濕上干，4種類型均有此特點，但濕層飽和的區域和濕度降低的速度、相對干層濕度等的配置不同造成強對流的特點和強度不同。

③本文僅分析了2017年的個例，對流型劃分和物理量的檢驗需要繼續做大量的個例分析檢驗。