2017年7月昭通冰雹天氣綜合分析

秦 瑞，曾清川

(云南省昭通市氣象局，云南 昭通 657000)

1 引言

冰雹是一種由強(qiáng)對流系統(tǒng)所引發(fā)的劇烈天氣現(xiàn)象，局地性強(qiáng)、生命史短、突發(fā)性強(qiáng)，常伴隨狂風(fēng)、強(qiáng)降水、急劇降溫等陣發(fā)性災(zāi)害天氣，給農(nóng)業(yè)、林業(yè)及人民生命財產(chǎn)安全等造成嚴(yán)重的損失。昭通地處云貴川三省結(jié)合處，金沙江下游沿岸，坐落在四川盆地向云貴高原抬升的過渡地帶，地勢南高北低，最低海拔267 m，最高海拔4 040 m，境內(nèi)地貌復(fù)雜多樣，高山交錯，特殊的地理特征導(dǎo)致局部地區(qū)容易形成強(qiáng)烈的上升氣流，為冰雹天氣的形成發(fā)展提供有利的條件。經(jīng)氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)統(tǒng)計，2017年昭通共出現(xiàn)15次冰雹災(zāi)害，受災(zāi)人口135 825人，造成經(jīng)濟(jì)損失8 502.59萬元，其中14次出現(xiàn)在7月，為了更多的了解昭通冰雹災(zāi)害的天氣特征，加強(qiáng)昭通冰雹天氣的短時和臨近預(yù)報能力，本文利用NCEP再分析資料、宜賓和威寧探空資料、昭通多普勒天氣雷達(dá)觀測資料對7月14次冰雹天氣的天氣形勢背景、環(huán)境場、雷達(dá)回波參數(shù)特征等進(jìn)行詳細(xì)探討。

2 冰雹災(zāi)害分布

2017年7月昭通冰雹災(zāi)害發(fā)生在南部昭陽區(qū)、魯?shù)榭h、巧家縣和東部鎮(zhèn)雄縣、彝良縣、威信縣，六個縣區(qū)在7月都發(fā)生了2～3次冰雹災(zāi)害，冰雹災(zāi)害發(fā)生時間段為15—21時，其中主要集中在15—18時(10次)。

圖1 2017年7月昭通冰雹災(zāi)害時空分布圖Fig.1 Spatial and temporal distribution of hailstorm disaster in Zhaotong in July 2017

3 天氣形勢背景

2017年7月昭通冰雹除30日發(fā)生在20時以后，其余的都發(fā)生在14—20時之間，為了更好的了解冰雹發(fā)生的形勢背景，運(yùn)用NCEP再分析資料分析30日20時和其余冰雹日14時的高低空環(huán)流平均形勢場(圖2)，可以看出500 hPa平均高度場上588線西伸到川渝交界處附近，青藏高壓控制整個青藏高原，昭通處在青藏高壓和西太平洋副熱帶高壓形成的輻合區(qū)，青藏高壓和西太平洋副熱帶高壓兩個大尺度天氣系統(tǒng)在熱帶大氣和中高緯度大氣的熱量和能量交換中起橋梁作用，它們之間形成的輻合區(qū)是熱量和動量交換的通道，是大氣活動最為激烈的地區(qū)，兩高輻合為昭通冰雹的發(fā)生提供了熱量和動量條件，700 hPa平均流場上熱帶低壓外圍的東南氣流將南海的水汽帶至昭通上空，為昭通冰雹的發(fā)生提供了水汽條件。分析2017年7月昭通冰雹日單日的天氣形勢背景發(fā)現(xiàn)昭通冰雹的發(fā)生與西太平洋副熱帶高壓和青藏高壓有緊密的聯(lián)系，冰雹天氣的影響系統(tǒng)主要有3種類型(表1)：一是500 hPa副高和青藏高壓形成的兩高輻合配合700 hPa的切變線，二是500 hPa和700 hPa都處在副高控制的邊緣，三是500 hPa副高或者青藏高壓附近的切變線配合700 hPa的切變線或低層輻合。

圖2 2017年7月昭通冰雹日500 hPa平均高度場(a)(單位： hPa)和700 hPa平均流場(b)(單位：m/s)Fig.2 Average height field of 500 hPa in July 2017 Zhaotong hailstorm (a) (unit:hPa) and 700 hPa (b) (unit: m/s)

4 冰雹發(fā)生前的環(huán)境場特征

通過探空資料和NCEP再分析資料分析冰雹發(fā)生前的環(huán)境場，因為昭通未設(shè)有探空站，所以采用鄰近的宜賓和威寧的探空資料來分析昭通上空的大氣層結(jié)狀況，2017年7月昭通冰雹除30日發(fā)生在20時以后，其余的都發(fā)生在14—20時之間，因此探空資料主要使用30日20時和其余冰雹日08時的資料來分析昭通冰雹發(fā)生前的環(huán)境場特征。

4.1 0 ℃、-20 ℃層高度特征

0 ℃和-20 ℃層分別是云中冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區(qū)下界，冰雹是一種直徑>0.5 cm的冰相降水粒子，多數(shù)為橢圓形、球形和錐形，在強(qiáng)對流云體中上部的上升氣流中反復(fù)增長形成冰雹，最后在降落過程中穿過0 ℃層高度后，部分融化。冰雹形成除0 ℃凍結(jié)層高度適當(dāng)外，還要有一定的負(fù)溫區(qū)供雹胚運(yùn)動增長，水滴一般在-20 ℃凝結(jié)成冰，因此，-20 ℃層高度也是判斷是否有利于冰雹形成的重要參數(shù)。各地的0 ℃、-20 ℃層有所不同，段鶴等[1]研究發(fā)現(xiàn)滇南降雹天氣過程對應(yīng)的0 ℃、-20 ℃高度為2.8～5.5 km、7.1～8.9 km，仇娟娟等[2]分析發(fā)現(xiàn)蘇浙滬冰雹天氣-20 ℃、0 ℃層高度在5.6～7.6 km、2.8～4.1 km之間。

表1 冰雹發(fā)生的時間地點和中低空影響系統(tǒng)Tab.1 Time and place of hail occurrence and low and medium altitude impact system

統(tǒng)計分析冰雹日宜賓站和威寧站08時和20時的0 ℃和-20 ℃層的高度資料分析發(fā)現(xiàn)(圖3)宜賓站和威寧站的0 ℃層高度日變化平均值分別為0.2 km、0.15 km，-20 ℃層高度的日變化平均值分別0.11 km、0.15 km；宜賓站和威寧站的0 ℃層高度分別為5.1～5.7 km、5.0～5.6 km，平均高度分別為5.4 km和5.3 km；宜賓站和威寧站的-20 ℃層高度均為8.3～8.8 km，平均高度都是8.6 km。

通過綜合分析宜賓和威寧兩站的0 ℃和-20 ℃層高度特征可以推斷出昭通冰雹日的0 ℃和-20 ℃層高度主要有以下特征：0 ℃和-20 ℃層高度的日變化平均值≤0.2 km；0 ℃層高度為5.0～5.7 km，平均高度為5.3 km；-20 ℃層高度為8.3～8.8 km，平均高度8.6 km。

圖3 2017年7月冰雹日0 ℃層、-20 ℃層高度Fig.3 July 2017 hail day 0 ℃ and 20 ℃ layer height

4.2 層結(jié)條件

溫度垂直遞減率和假相當(dāng)位溫的垂直遞減率可反映大氣的穩(wěn)定狀態(tài)，常用850 hPa與500 hPa高度上的溫度差T850-T500和假相當(dāng)位溫差θse850-θse500來表征大氣的層結(jié)穩(wěn)定度，T850-T500愈大愈不穩(wěn)定，θse850-θse500>0時對應(yīng)不穩(wěn)定，且θse850-θse500值愈大愈不穩(wěn)定。統(tǒng)計分析宜賓站30日20時和其余冰雹日08時的T850-T500和θse850-θse500(表2)發(fā)現(xiàn)：昭通冰雹日宜賓站850 hPa與500 hPa高度上的溫度差T850-T500為22～29 ℃，平均值為25.4 ℃，除19日外其余冰雹日T850-T500都在24 ℃以上；850 hPa與500 hPa高度上的假相當(dāng)位溫差θse850-θse500雖為1.3～31.8 ℃，但9個冰雹日中有7日的θse850-θse500都14 ℃以上，說明冰雹發(fā)生前大氣層結(jié)極不穩(wěn)定。

4.3 水汽條件

溫度露點差可以表征水汽條件，溫度露點差越小，表征水汽條件越好，當(dāng)溫度露點差≤5 ℃時，視為濕區(qū)。統(tǒng)計分析宜賓站30日20時和其余冰雹日08時的850 hPa和500 hPa的溫度露點差T850-Td850和T500-Td500發(fā)現(xiàn)昭通冰雹日的干濕層分布有3種情況，并非都是上干下濕的配置(圖4)：一是850 hPa和500 hPa溫度露點差都較大(>5 ℃)，中低層都為干層的干入侵型，如11日和30日，其中11日的850 hPa和500 hPa溫度露點差都達(dá)到了20 ℃以上；二是850 hPa溫度露點差較小(≤5 ℃)、500 hPa溫度露點差較大(>5 ℃)，即低層為濕區(qū)中層為干區(qū)的上干下濕型，如18日、23日、27日、28日；三是850 hPa和500 hPa溫度露點差都較小(≤5 ℃)中低層都為濕區(qū)的濕層深厚型，如19日、24日、25日。

表2 宜賓站T850-T500和θse850-θse500(單位：℃)Tab.2 Yibin station T850-T500 and theta se850- theta se500(unit: ℃)

圖4 宜賓站T850-Td850和T500-Td500(單位：℃)Fig.4 Yibin stand T850-Td850 and T500-Td500(unit: ℃)

4.4 能量條件

統(tǒng)計分析宜賓站和威寧站30日20時和其余冰雹日08時氣團(tuán)指標(biāo)(K)、沙氏指數(shù)(SI)、對流有效位能(CAPE)等指標(biāo)參數(shù)(表3)，尋找其與昭通冰雹之間的關(guān)系。

氣團(tuán)指標(biāo)K指數(shù)是一個經(jīng)驗指標(biāo)，能同時反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度和中低層的水汽條件，K值越大，潛能越大，大氣越不穩(wěn)定。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)冰雹日宜賓站的K值為16～46 ℃，但除11日中低層水汽條件非常差K值僅為16 ℃外，其余冰雹日的K值都在34 ℃以上。

沙氏指數(shù)(SI)本質(zhì)是指850 hPa處的“保守”氣塊被抬升到500 hPa時，與環(huán)境溫度的差異，可以用來判斷對流層中層是否存在熱力不穩(wěn)定層結(jié)，SI指數(shù)受日變化影響較小，如SI>0，則表示穩(wěn)定，反之，SI<0，則表示不穩(wěn)定。據(jù)國外研究，當(dāng)0 ℃

對流有效位能(CAPE)是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，是一種浮力能，可轉(zhuǎn)化為對流上升運(yùn)動的能量，一般來說，對流有效位能越大，雷暴出現(xiàn)后其內(nèi)部的上升氣流也越強(qiáng)，出現(xiàn)冰雹天氣的可能性也越大。運(yùn)用14時的氣壓、溫度、露點資料通過修正抬升點的方法，將除30日以外的冰雹日的宜賓站和威寧站CAPE值訂正到午后14時(圖5a、5b)，可以看出訂正后兩站的CAPE值都非常大，宜賓站最大的CAPE值高達(dá)4 533.6 J·kg-1，最小的CAPE值也接近1 000 J·kg-1，絕大多數(shù)都在2 500 J·kg-1以上，威寧站的CAPE值絕大多數(shù)也在1 300 J·kg-1以上。同時通過訂正還發(fā)現(xiàn)，14時的CAPE值較08時普遍都增大了1 000 J·kg-1以上，說明上午的熱力不穩(wěn)定性出現(xiàn)明顯增大，有利于對流的發(fā)展；30日宜賓站和威寧站的CAPE值也從08時808.9 J·kg-1、308.9 J·kg-1增長到了20時1 419 J·kg-1、1 052.3 J·kg-1，增大幅度也在600 J·kg-1以上。

綜合分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)宜賓站K>34 ℃，宜賓站SI<-1 ℃，威寧站SI<3 ℃時，昭通便有出現(xiàn)冰雹的可能，分析還發(fā)現(xiàn)宜賓和威寧站08時的CAPE值對昭通冰雹天氣指示作用較弱，但將其訂正到14時后的CAPE值對昭通冰雹天氣指示作用明顯，冰雹日訂正后的CAPE值宜賓站在2 500 J·kg-1以上，威寧站在1 300 J·kg-1以上，訂正后14時的CAPE值較08時增長達(dá)到1 000 J·kg-1以上。

表3 宜賓和威寧探空站環(huán)境參數(shù)Tab.3 Environmental parameters of Yibin And Weining sonde stations

圖5 宜賓站(a)、威寧站(b)CAPE變化圖Fig.5 CAPE variability of Yibin station(a) and Weining station(b)

4.5 動力條件

垂直速度表征大氣的垂直運(yùn)動，大氣層結(jié)不穩(wěn)定能量須在一定的上升運(yùn)動條件下才能釋放出來，從而形成對流天氣。大氣中的能量轉(zhuǎn)換主要也是通過垂直運(yùn)動才得以實現(xiàn)，因此，垂直速度也是天氣分析和預(yù)報中最常用的物理量之一，在P坐標(biāo)系中當(dāng)垂直速度ω<0時為上升運(yùn)動，ω值愈小上升運(yùn)動愈強(qiáng)烈，反之為下沉運(yùn)動。運(yùn)用NCEP再分析資料分析30日20時和其余冰雹日14時昭通境內(nèi)的P坐標(biāo)垂直速度(表4)發(fā)現(xiàn)昭通冰雹日的垂直速度主要表現(xiàn)出以下特征：昭通冰雹日850 hPa、700 hPa、500 hPa的垂直速度都為負(fù)值，表明昭通境內(nèi)上升運(yùn)動強(qiáng)烈，上升運(yùn)動從低層一直延伸到了500 hPa以上，850 hPa的垂直速度<-15×10-2Pa/s，700 hPa的垂直速度<-5×10-2Pa/s，500 hPa的垂直速度<-5×10-2Pa/s。

表4 冰雹日昭通境內(nèi)850 hPa、700 hPa、500 hPa垂直速度(單位：10e-2·Pa·s-1)Tab.4 Vertical speed of 850 hPa, 700 hPa and 500 hPa in Zhaotong on hail day (unit:10e-2·Pa·s-1)

5 冰雹云雷達(dá)回波參數(shù)特征

多普勒天氣雷達(dá)是監(jiān)測和預(yù)警冰雹等強(qiáng)對流天氣的重要工具之一，運(yùn)用昭通多普勒天氣雷達(dá)資料分析冰雹出現(xiàn)時冰雹云的回波參數(shù)特征。昭通多普勒天氣雷達(dá)位于昭通市昭陽區(qū)境內(nèi)，為C波段天氣雷達(dá)。因為受到探測距離和昭通地形的影響，雷達(dá)在威信縣和鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)出現(xiàn)了探測盲區(qū)，不能有效探測兩縣區(qū)域內(nèi)的天氣情況，所以只能分析昭陽區(qū)、魯?shù)榭h、巧家縣、彝良縣4個縣區(qū)冰雹出現(xiàn)時冰雹云的雷達(dá)回波參數(shù)特征。昭陽區(qū)因境內(nèi)降雹點距離雷達(dá)的直線距離只有20～30 km，彝良縣因涼風(fēng)臺山脈的遮擋，只有高仰角才有回波顯示，所以在分析昭陽和彝良的雷達(dá)回波強(qiáng)度特征時均分析的是4.3°仰角，其余分析的為2.4°仰角。

5.1 冰雹云的雷達(dá)回波強(qiáng)度特征

冰雹云是強(qiáng)風(fēng)暴的產(chǎn)物，根據(jù)微波散射理論，冰雹的尺度比較大，其回波強(qiáng)度特別強(qiáng)，根據(jù)多普勒雷達(dá)多年的實地觀測事實，冰雹云最大回波強(qiáng)度，也就是降雹過程中在冰雹云體所觀測到的最大基本反射率值達(dá)到了55 dBz以上(李玉林等，2001)，對流發(fā)展旺盛的冰雹云回波強(qiáng)度可達(dá)65～70 dBz。統(tǒng)計分析7月冰雹日的冰雹云最大回波強(qiáng)度(表5)，可以發(fā)現(xiàn)冰雹云的最大回波強(qiáng)度都在55 dBz以上，其中最小值為55.2 dBz，最大值達(dá)到67.9 dBz，且9次過程中有6次的最大回波強(qiáng)度都在60 dBz以上。

5.2 冰雹云回波高度特征

冰雹云的回波頂高度反映了風(fēng)暴發(fā)展的強(qiáng)烈程度，分析發(fā)現(xiàn)7月冰雹日冰雹云回波頂高都在10 km以上。SCIT算法中規(guī)定風(fēng)暴單體的30 dBz回波的最大高度和最小高度分別為風(fēng)暴頂高和風(fēng)暴底高，風(fēng)雹頂高比回波頂高度低，分布與回波高度分布基本一致，分析7月冰雹日的冰雹云風(fēng)暴頂高(30 dBz回波頂高)發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴頂高均超過回波頂高的70%(表5)。

5.3 冰雹云VIL特征

垂直液態(tài)含水量VIL在計算中被定義為單位面積上空氣柱液態(tài)水混合比的垂直積分(單位kg/m2)，VIL的大小反映了風(fēng)暴發(fā)展的強(qiáng)弱，最大單體VIL值為該次降雹過程中雷達(dá)探測到的單體VIL值的極大值，分析發(fā)現(xiàn)7月冰雹日冰雹云的最大單體VIL值都在14 kg/m2以上，最大單體VIL值的最大值達(dá)到了27.3 kg/m2(表5)。

表5 冰雹云雷達(dá)回波參數(shù)Tab.5 Radar echo parameters of hail cloud

6 結(jié)論

通過對2017年7月昭通的14次冰雹天氣發(fā)生的天氣形勢背景、環(huán)境場、雷達(dá)回波參數(shù)特征等進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)昭通發(fā)生的冰雹天氣具有以下幾個主要特征：

①冰雹的發(fā)生與西太平洋副熱帶高壓、青藏高壓有緊密的聯(lián)系，西太平洋副熱帶高壓、青藏高壓之間的輻合配合700 hPa切變線是產(chǎn)生冰雹天氣的主要影響系統(tǒng)。

②0 ℃和-20 ℃層的高度為5.0～5.7 km、8.3～8.8 km。

③冰雹發(fā)生前層結(jié)極不穩(wěn)定。

④干濕層分布并非都是上干下濕的配置，在干入侵、上干下濕、濕層深厚這3種中低層配置下昭通都有可能出現(xiàn)冰雹天氣。

⑤宜賓和威寧站08時的CAPE值對昭通冰雹天氣指示作用較弱，但將其訂正到14時后CAPE值對昭通冰雹天氣指示作用明顯。

⑥冰雹發(fā)生前上升運(yùn)動強(qiáng)烈，上升運(yùn)動從低層一直延伸到了500 hPa以上。

⑦昭通冰雹天氣雷達(dá)回波最大回波強(qiáng)度在55 dBz以上，回波頂高達(dá)到10 km以上，風(fēng)暴頂高超過回波頂高的70%，最大單體VIL值在14 kg/m2以上。