浙西地區春季和盛夏兩次冰雹過程的對比分析

藍俊倩 李娜 王健疆 廖君鈺

(衢州市氣象局，浙江 衢州 324000)

0 引 言

冰雹是強對流天氣所伴隨的破壞力較大的天氣現象之一。雹災在我國分布甚廣，且危害較大，特別是中高緯地區內陸的山地、丘陵地區是雹災的多發頻發區。通過對冰雹天氣的統計分析可以有效地了解某個地區冰雹天氣的時空分布特征[1-2]。從業務預報和診斷方面，孫瑩等[3]從動力診斷方面得出中低層風切變的增加可促進了高低層能量的交換，觸發強對流的爆發。劉一瑋等[4]發現熱力不均勻分布造成的次級環流和上升運動可觸發冰雹的發生。陳曉紅等[5]指出CAPE(對流有效位能)、NCAPE(歸一化對流有效位能)、SSI(風暴強度指數)和SHR(密度加權平均垂直風切變)等參數較好地反映出強風雹天氣過程的出現。隨著全國多普勒雷達站點布局的完善，雷達資料在短時臨近分析中的運用越來越為廣泛[6]，利用雷達資料分析和研究強降雹過程不僅可以監測和跟蹤強回波區域的發展移動還可以更好地了解冰雹云的垂直結構特征，通過對冰雹云回波特征的研究分析還可以找到能夠指示強降雹發生可能性的重要指標[7-12]，為日常業務工作提供有益的指導。同時利用中尺度數值模式對冰雹過程進行模擬分析，可以更好地了解冰雹產生的機制以及雹云的物理結構特征[13]。

1 兩次冰雹過程概況

浙西地區由于其特殊的地形和氣候特征，強對流天氣常伴有短歷時強降水、強雷電和短時大風等天氣現象，冰雹出現的概率相對較小。2015年4月5日晚20:00—23:00和7月29日傍晚17:00—17:30浙西衢州地區各出現了一次冰雹天氣過程，這種過程實屬罕見。兩次過程一次發生在春季，另一次發生在盛夏，前一次過程影響范圍較大且冰雹強度較強，系統自西向東影響衢州地區時間約3 h左右，開化東南部、衢州中部一線自常山-柯城-衢江-龍游一線均有冰雹出現(圖1a)，最大強度出現在市本級及附近區域，最大冰雹直徑達5 cm左右，這次過程對衢州城區以及20余個鄉鎮造成影響，農業蔬菜大棚、農村房屋頂棚均出現不同程度的損毀情況，衢州主城區車輛被冰雹砸出很多凹陷更有甚者擋風玻璃被砸碎，冰雹發生后不到24 h，僅人保衢州分公司就受理了1600余起冰雹導致車損的案件，所幸這次過程并沒有造成人員傷亡；后一次過程降雹主要集中在衢州市區和衢江區沈家附近(圖1b)，系統影響時間約30 min左右，最大冰雹直徑約為2 cm左右，由于范圍和強度均比前一次過程明顯偏弱，未造成顯著的災害。

圖1 冰雹落區分布圖

2 環流形勢比較

4月5日20時的環流場顯示(圖2)500 hPa(圖2a)和700 hPa(圖2b)高空圖上浙西地區均為南支槽前西南氣流控制，低層850 hPa(圖2c)在安徽湖北交界處有低壓環流中心，與其配合的暖式切變線和冷式切變線分別位于江蘇中部和湖北東部上空，浙江中部至江西東北部一線有干線的存在，浙西地區位于低渦東南部的干線附近，925 hPa(圖d)在浙中至贛東北有風場輻合線。7月29日08時至20時(圖略)，500 hPa高緯地區有淺槽下滑東移，低緯地區華南沿海有低壓系統北抬，因此海上副高588線迅速減弱東撤，至20時在浙南至閩北有一條風場的輻合線生成，700 hPa一直為偏南氣流控制，850 hPa由偏西氣流轉偏南氣流。

(a)500 hPa (b)700 hPa (c)850 hPa(黑實線為切變線，黑虛線為干線) (d)925 hPa(雙實線為風場輻合線)圖2 2015年4月5日20時環流形勢(陰影區相對濕區>80%，高度場等值線(10gpm))

從環流形勢的對比來看，前一次過程主要是由中高層南支槽前強盛的西南氣流提供不穩定能量，配合低層有低渦切變和干線的輻合抬升觸發條件而產生冰雹天氣，大尺度天氣系統對冰雹過程的加強和維持起到了重要作用；后一次過程由于副高減弱東退，低壓環流北抬生成輻合線，中低層偏南氣流提供水汽和不穩定能量，午后局地熱力抬升從而觸發對流性天氣產生冰雹。前一次過程的天氣系統比后一次過程強，且天氣尺度的輻合上升條件也有利于強冰雹的形成和維持。

3 探空資料的對比分析

對比兩次過程冰雹發生前衢州站的探空圖發現，4月5日20時(圖3a)和7月29日14時(圖3b)本站均有很強的對流不穩定能量且后一次CAPE值更大；從風速的垂直切變來看，4月5日過程0～6 km風速垂直切變達到22 m/s，而7月29日過程在下午14時中低層沒有明顯的垂直風切變，從垂直風切變對強對流的發展來看前一次過程更有利；從風速的垂直分布來看，春季冰雹過程500 hPa以下風速的垂直切變很大，而盛夏冰雹過程風速的垂直切變在400 hPa以上很大，400 hPa以下風速及其垂直切變均很小，結合風矢端圖分析，春季冰雹過程在500 hPa以下表現為基本單一方向的風切變而盛夏冰雹過程則表現為環境風隨高度的無序分布，從這一特點可以看出春季冰雹過程為多單體風暴的影響而盛夏冰雹環境風的垂直變化特征更傾向于產生普通單體風暴，結合實況來7月29日14時還沒有對流風暴的產生，可見3 h后的降雹應該是其后不穩定能量的觸發引發的對流過程所產生。

圖3 衢州站探空資料圖

對比這兩個時次主要對流參數和特征高度(表1)，從K指數和SI指數來看兩個時次均有較強的大氣不穩定層結存在，對流有效位能CAPE值均很大但盛夏冰雹過程更明顯，這或許是盛夏過程后期熱對流發展旺盛進一步產生冰雹的原因；從風暴相對螺旋度(SRH)來看，春季過程明顯大于夏季過程，其可以反映一定氣層厚度內環境風場的旋轉程度和輸入到對流體內環境渦度的多少，可以用以估算垂直風切變環境中風暴運動所產生的旋轉潛勢，這說明春季過程的風暴旋轉潛勢較大，而夏季過程在對流單體獲得發展以前環境風場的旋轉潛勢很弱。

從降雹的物理條件來看，適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度對冰雹的產生有重要的作用，一般來說0 ℃層高度在600 hPa上下、-20 ℃層高度在400 hPa附近最有利于冰雹的生成，這兩次過程0 ℃層和-20 ℃層高度都在適宜的高度層附近。目前我們在業務中所使用的0 ℃層和-20 ℃層均為干球溫度所在高度，俞小鼎在對冰雹的融化層高度研究中[14]指出濕球溫度0 ℃層高度更接近于冰雹的融化層高度，通過計算得出春季和夏季降雹前的濕球溫度0 ℃層高度分別在625 hPa和650 hPa附近均低于干球溫度0 ℃層高度(600 hPa附近)，因此不太高的融化層高度有利于冰雹的產生，特別是夏季出現650 hPa的融化層高度實屬罕見，從而在盛夏出現了此次冰雹過程。

表1 兩次冰雹過程前的對流指數和特征高度

4 觸發條件的對比

4.1 垂直速度和散度分析

這兩次降雹過程，在冰雹出現前溫度都較高，因而會有深厚的不穩定能量的堆積，抬升力條件的強弱對不穩定能量的釋放和對流發展的強度具有重要作用。

對兩次過程冰雹產生前的時次分別沿29°N進行剖面分析，4月5日20時(圖4a)118°～119°E(即浙西地區)700 hPa以下有明顯的輻合存在，同時該區域600 hPa以下均有上升速度配合，可見抬升力條件非常好。7月29日14時(圖4b)118°～119°E(即浙西地區)中低層輻合輻散均較弱，119°E上700 hPa附近有一個弱的輻合中心存在，垂直速度在該范圍內均較弱。可見4月5日對流發展有很好的抬升觸發條件，高低層天氣系統對抬升力條件的貢獻不可忽視，而7月29日14時的抬升觸發條件很一般，此次過程應以局地熱力抬升觸發為主。

圖4 沿29°N散度(陰影)和垂直速度(等值線)的垂直剖面(散度單位：10-5s-1；垂直速度單位：Pa·s-1)

4.2 冷暖平流的影響

將兩次過程發生前的溫度平流沿119°E進行剖面分析，對比發現4月5日20時(圖5a)28°～31°N之間850 hPa以下有顯著的冷平流侵入，這種低層強冷平流的侵入使得暖空氣被強迫抬升而觸發強對流；而7月29日14時的溫度平流剖面上(圖5b)28°～31°N之間只在500 ～600 hPa之間有弱暖平流的影響，其它區域溫度平流均不明顯。可見4月5日過程低層冷空氣的侵入影響進一步加劇了其對流發展的強度。

圖5 溫度平流沿119°E的垂直剖面(單位：10-5K·s-1)

5 雷達組合反射率特征的對比分析

4月5日組合反射率20:05(圖略)在衢州西北側的安徽祁門至江西婺源-萬年一線已有對流性回波發展，其后回波東北向移動進入開化并進一步發展，至21:12在開化縣城北部地區有塊狀強回波出現，最大反射率因子達到69 dBz，而該區域正好與開化的降雹區域相吻合。隨后在常山西側的回波也加強發展并與開化地區的回波合并向偏東方向移動，至22:00在強回波帶南部有反射率因子達63 dBz的紫色區域，此后其一路向東移動并于22:18加強發展至最大強度達72 dBz，位置正好處于衢州城區上空，實況與其相對應，此時衢州城區出現強降雹，最大冰雹直徑達5 cm。對比強冰雹出現的時間和落區與最強反射率回波的區域和移向極為吻合，在實際短臨分析預報業務中可直接用組合反射率因子的最強區域指示冰雹落區。

7月29日組合反射率15:31衢州地區在雷達站的東北部有回波開始發展，同時在衢州東南側的麗水地區和西南側的江西玉山地區回波發展旺盛，其后雷達站東北部的回波迅速發展，同時玉山地區的回波加強發展進入衢州常山，開化地區也有回波開始發展，這說明整個衢州區域的熱對流條件較好，在周圍對流系統的不斷發展下，衢州地區對流也得以觸發發展。16:13衢州市區有小塊回波出現，此后該塊回波迅速發展且位置穩定少動，16:55有60 dBz以上的回波出現，冰雹開始出現，17:07最大回波強度達70 dBz，降雹明顯且降雹區域擴大。

對兩次衢州市區出現冰雹的時段內的強回波分別沿強回波的移動方向進行垂直剖面，對比分析可以發現，兩次過程均有明顯的回波墻存在，且回波均伸長到9 km以上高度，說明兩次過程對流發展均很旺盛。4月5日過程低層有明顯的弱回波區存在同時回波墻呈現略微傾斜狀，對比垂直剖面時刻1.5°仰角的速度場圖發現，與強回波帶相對應的位置速度場上有一條不連續的逆風區存在，而7月29日過程則沒有發現弱回波區和對應逆風區，這說明4月5日過程的對流風暴存在明顯的入流和出流特征，對流風暴的結構和穩定性均比7月29日過程要好，這也是前一次過程持續時間長、強度大的重要原因。

6 結 語

通過對2015年春季和盛夏發生在浙西地區兩次較為罕見冰雹過程的對比分析，得到了以下結論。

1)兩次冰雹過程分別產生于春季和盛夏，春季過程低層有渦切、干線和風場輻合線配合，天氣系統影響明顯，而盛夏過程主要是由午后的熱對流產生。

2)兩次降雹過程發生前的探空資料顯示，兩次過程對流指數條件均較好并有很強的對流不穩定能量，且0 ℃和-20 ℃層高度均在適宜范圍。春季過程500 hPa以下的風速垂直切變和相對風暴螺旋度均大于盛夏過程，表明春季過程更有利于強風暴的形成。風矢端圖顯示春季過程的環境風場有利于多單體風暴的生成，盛夏過程則比較有利于普通單體風暴的形成。

3)低層的輻合上升和冷空氣侵入為春季降雹過程提供了較好的動力觸發條件，而盛夏降雹過程則以熱力觸發為主。

4)兩次冰雹過程的強度和落區與最強回波強度和超過60 dBz強回波區域的移向一致。春季降雹過程對應的雷達回波有弱回波區，速度場上強對流帶位置對應有逆風區存在，表明對流風暴有強入流和出流特征；春季降雹風暴的組織結構性較盛夏降雹風暴強是春季冰雹過程持續時間長、強度大的重要原因。