連續兩次冰雹天氣過程的多源資料分析

李麗麗,鄒書平，曾 勇,3，羅喜平，黃 鈺,3

(1.貴州省山地環境氣候研究所,貴州 貴陽 550002;2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081; 3.貴州省氣象災害防御技術中心,貴州 貴陽 550081)

0 引言

2018年貴州省冰雹災害發生時間主要集中在3月份，僅3月中旬就有5次冰雹天氣過程，主要落區均位于省中部、西部和西南部地區，災害具有密度大、持續時間長的特點，造成油菜、蔬菜、茶葉、水果等農作物受損嚴重。3月份貴州全省平均溫度較歷年平均值偏高3 ℃，降水偏多74.5%，均為近50 a內的第二高值。全省有7個市(州)30個縣(市、區)134個鄉(鎮)局地遭受風雹災害，大風、雷雨中夾降冰雹，其中有兩次冰雹過程連續發生在3月12—13日期間，共10縣市不同程度遭受風雹災害，災害致51 643人受災，直接經濟損失7 223.91萬元，本文以這兩次連續冰雹天氣過程為例做深入分析。

目前冰雹災害的預報預警方法主要根據多年強冰雹天氣個例對環流形勢分型建立潛勢預報模型[1-2]，臨近預警則主要依靠多普勒天氣雷達監測對流單體的發展，根據回波單體的形態、結構和風場等特征，結合多項量化的回波參數作為判別冰雹云的指標[3-9]，回波核的高度所在位置處于環境場0～-20 ℃溫度層高度的相對位置是判別是否能形成冰雹和能否形成大冰雹的重要判別條件[10-11]；根據冰雹云發展過程中的雷達回波參數不同的演變特征劃分其躍增方式[12]，從而更準確的把握冰雹云的生命史。應用微波輻射計全天候探測得到的溫濕度場演變廓線能夠很大程度上彌補傳統探空資料時空分辨率的不足[13]，有利于提高冰雹天氣過程臨近預報水平。

1 資料及方法

本文以2018年3月12—13日午后至晚間發生在貴州省中西部地區的連續兩次冰雹天氣過程為研究對象，利用全省區域站點雨量資料和降雹資料、貴陽L波段探空雷達資料、微波輻射計資料、貴陽多普勒天氣雷達資料和美國環境預報中心及國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)制作的逐6 h再分析資料，對這兩次連續冰雹天氣過程的大氣環流場、環境物理量、冰雹云結構演變特征等做分析。

本文使用的微波輻射計資料是安裝在貴陽市觀山湖區的德國RPG地基多通道微波輻射計HATPRO-G4(42×14)，儀器每6 min完成一次全天空掃描，利用神經網絡方法反演得到天頂方向上地面至10 km高度共58層的溫度、濕度、水汽和液態水含量的廓線數據。微波輻射計主要用于探測中小尺度天氣現象，如暴風雨、閃電、強降雨、霧、冰凍及邊界層紊流等，本文應用微波輻射計探測資料分析降雹天氣當日的溫濕度層結特征。

2 實況和天氣形勢

2.1 災害實況

根據貴州省氣象臺重要氣象災情軟件(SMIS)統計的兩次冰雹天氣過程實況如下：

個例1：3月12日18—22時，畢節地區產生最初的對流單體，并沿西北—東南向移去，移動過程中不斷的增強發展為一個超級單體，引起沿途大方、納雍、貴陽等20多站降雹和多地短時強降水天氣，最大降雹直徑為14 mm(清鎮市的新店和暗流兩地)。

個例2：3月13日15—20時，對流單體自西部的六盤水和畢節等地形成，東移過程中不斷合并增強，造成沿途貴陽南部、安順北部、畢節、六盤水北部、黔南北部等多地發生降雹災害，共有58個鄉鎮出現冰雹，最大冰雹直徑為16 mm(貴陽、啊噶、蟠龍)。

2.2 天氣形勢

貴州省西部邊緣低渦發展東移是引發省內春夏季強對流天氣的重要天氣系統。3月12—13日， 500 hPa中高緯位勢高度場上為“一槽一脊”形勢，中低緯青藏高原南支槽活躍，全省受南支槽前西南氣流影響，有利于貴州省西部邊緣低渦的形成和發展，如圖1a。川北—重慶—貴州西北部有低槽東移，槽后有冷空氣南下影響省中西部。從圖1b中可以看出，相比所在緯度帶平均位勢高度場的距平值來看，3月12—14日研究范圍上空持續呈負距平，表明氣壓場受低值系統控制，且控制范圍隨著時間的推移不斷向南擴展，強度加強。700 hPa(圖略)低渦切變位于川貴渝三省交界地區，省的南部受西南急流影響；地面輻合線(圖略)位于中部偏西一線。因此，這兩日環流場上具備生成強對流的熱力和動力背景條件。

3 不穩定條件分析

3.1 物理量分析

利用貴陽L波段探空雷達對兩次冰雹天氣的環境場做分析，如表1。從溫度層結來看，兩次冰雹天氣的0 ℃層位于650～680 hPa之間，約為3.2 km左右高度，-20 ℃層位于450～480 hPa之間，約為6.0 km左右高度，0～-20 ℃層的厚度均在2.8 km左右。從層結穩定度方面來看，兩次個例的不穩定能量CAPE并不算大，但兩次個例08時低層濕度較大，500 hPa以上為干層，溫度露點曲線呈現“喇叭口”分布，層結具有條件不穩定，從環境風場來看，兩個個例700 hPa以下均有風向隨高度順時針旋轉，表明低層有暖平流，個例1中0～6 km垂直風切變08時達到25 m/s以上，個例2的3～4.3 km的垂直風切變也達到17 m/s，K指數在下午均達到30 ℃以上，SI指數為負值，說明環境場存在較強的風切變和條件不穩定能量。

圖1 2018年3月13日14時500 hPa位勢高度場(a)，3月10—14日500 hPa位勢高度場106°E 距平分析(與75～110°N緯度帶的距平值)(b)，北京時，單位：10 gpmFig.1 (a)Synoptic pattern of 500 hPa geopotential height at 14∶00 13 May 2018,(b)Spatial distribution of anomaly 500 hPa geopotential height in 106°E during 10-14 May 2018(75°N～110°N)，BT ,unit:10 gpm

表1 2018年3月12—13日探空物理量參數變化Tab.1 Changes of physical quantities between 08∶00 12 May to 20∶00 13 May 2018

3.2 冰雹過程前的“干侵入”過程

強對流過程前的“干侵入”現象是指高位勢渦度的干空氣向下層流入。利用NCEP資料中相對濕度要素值繪制貴陽上空相對濕度和溫度平流隨時間的變化情況，如圖2。對比兩個降雹時段的相對濕度和溫度平流的垂直分布情況，可以明顯的看出：冰雹過程中空氣層結濕層深厚，向上發展至300 hPa左右高度，結合溫度平流的分布，兩次冰雹過程前期都存在“干侵入”特征。表明研究區域上空有干冷空氣伴隨較強的下沉運動，這可能成為冰雹的觸發條件，同時促使對流系統發展并加強。

圖2 2018年3月11—14日貴陽(26°N，106°E)上空(a)相對濕度(單位：%) 和(b)溫度平流(單位：10e-4)的垂直剖面隨時間變化圖Fig.2 Time series of(a)relative humidity (unit:%)and temperature advection(unit: 10e-4) the vertical section over Guiyang Station(26°N，106°E)during 11 to 14 May 2018

3.3 水汽和穩定度指數

微波輻射計在強對流過程前后的探測數據能夠細致的刻畫空氣濕度和層結穩定度隨時間變化的情況，如圖3。12日，對流系統移入貴陽上空前，綜合水汽含量(IWV)從17時開始波動增長，至21時左右達到峰值65 kg/m2，之后迅速下降，與強對流天氣過境的時間一致，從起始波動時間來看具有一定的預報提前量，積分液態水含量(LWP)同樣在對流系統過程中達到峰值(3 400 kg/m2)，且前期也表現出波動特征。K指數在兩次個例前期都有明顯的波動增長，并且在降水發生期間達到35 ℃以上，SI指數則與之呈現反相關，表明系統過境時水汽充沛和層結條件不穩定能量迅速增強。

圖3 2018年3月12日08時—14日08時期間的微波輻射計天頂方向上的水汽指標(綜合水汽含量IWV和積分液態 水含量LWP，單位：kg·m-2)隨時間的變化圖(a)；層結穩定度指數(K指數，SI沙氏指數，單位：℃)隨時間的變化圖(b)Fig.3 Time series of(a)water vapor index(integrated water vapor，IWV for short，liquid water content ，LWP for short, unit：kg·m-2,(b)stratification stability index (K index and SI index,unit:℃)along the vertical section of microwave radiometer between 08∶00 12 May to 08∶00 14 May 2018

3.4 垂直速度分析

由于這兩次連續冰雹天氣過程影響范圍較廣(104～107°E)，冰雹云能夠在移動過程中持續發展，與環境場中的垂直運動有密切聯系。選取兩次冰雹發生前兩個時次NCEP/NCAR FNL(1°×1°)資料，沿著冰雹云移動方向(26°N)對垂直速度做垂直剖面，如圖4。可以明顯的看出垂直速度場上在貴州西部104～106°E一線低層有較弱的輻合上升運動，中層存在正速度區，隨著系統的發展，高層也有弱的輻合，研究區域的上升運動加強，省西部主要在700～600 hPa高度層，突破了0 ℃溫度層高度，省中部的中高層均為較強的上升運動，有利于過冷層中的水汽聚集，為雹胚的形成提供必要的動力條件。

圖4 2018年3月12日14時和20時(a)、3月13日14時和20時(b)垂直速度沿26°N緯向剖面(冰雹發生范圍為：104～107°E)Fig.4 Cross-sections of vertical velocity along 26°N at (a)12 May 14∶00 and 20∶00、(b)13 May 14∶00 and 20∶00( BT ，afflicted area is range from 104°E to 107°E)

4 對流系統演變特征

4.1 冰雹云形態和演變特征

個例1：2018年3月12日的冰雹天氣是由一個強對流單體過境引起的。18時30分雷達回波移入織金境內，回波結構密實，雷達徑向方向上有“V”型缺口和三體長釘形態，雷達回波中心達到63 dBz，且高度超過-20 ℃層高度(6.5 km)，回波沿西北—東南方向移動并不斷增強，中心強度達到73 dBz，回波頂高達到11.4 km，徑向速度圖上可以看出，回波中心自18時00分開始在低層出現較明顯的輻合運動，18時30分左右轉為氣旋式輻合，19時38分移至黔西、清鎮和織金三縣交接處(距離雷達70 km)，對應低層有氣旋式輻合加強(圖5b)，從1 km向上至3 km左右逐漸減弱，在7 km高度的對應位置有較強的風暴頂輻散，風場配置有利于西部低渦系統的發展。如圖5c，對流單體于20時36分移動至清鎮地區，整體呈現鉤狀回波形態，中心強度64 dBz，回波頂高9.2 km，強中心位置下移，回波水平方向上傾斜角度增大，有界弱回波區范圍和傾斜角度都很大(圖5d)，地面有大冰雹(16 mm)降落，強對流系統能量釋放后逐漸減弱。

圖5 2018年3月12日貴陽雷達站的雷暴單體回波在19時38分的基本反射率因子(a.仰角2.4°)和徑向速度圖(b.仰角0.5°)以及20時36分的反射率因子(c.仰角3.4°)、紅色箭頭方向上的垂直剖面(d)(單位： dBz ，m·s-1)Fig.5 The base reflectivity and vertical profile of base reflectivity along the direction of movements at different times of BT March 12,2018(a.b. 18∶30,c.d. 20∶36,Guiyang Radar,BT,unit:dBz)

個例2：2018年3月13日，此次過程是多個在省西北部生成的對流單體在東移過程中逐漸合并成一條帶狀的對流系統(MCs)，造成沿途多處不同強度的降雹天氣，如圖6a。雹云單體發展階段(16時52分)，3個對流單體的低層對應有明顯輻合風場，如圖6b，對流單體于18時11分合并后仍然不斷地發展增強，中層有輻合線持續存在，輻合線呈東北—西南向，19時08分隨著系統移入貴陽境內，貴陽地區上空的風場輻合加強，垂直方向上風切變加強，引起貴陽部分地區降雹，20時17分對流系統前端的地面和低層輻散變強，中層輻合風場依然明顯，說明雹云單體前端的有界弱回波區(BWER)有較強的下沉運動，造成地面冰雹和大風災害。

4.2 冰雹云回波特征參數演變

如圖7，分別是兩次個例中冰雹云最大強度(CR)和回波頂高(ET)隨時間的變化情況。個例1中對流單體的強度和頂高參數在17時00分左右經過一次躍增后發展成為冰雹云，在環境場的有利條件下穩定維持并增強，ET在潛能釋放過程中不斷下降，CR則維持在60 dBz以上。個例2中對流系統的特征參數存在兩次增長，第一次是對流單體獨立增長的階段，第二次是3個對流單體在16時45左分右合并后的增強階段，CR最強達到70.5 dBz，ET最高達到11.6 km，CR和ET的演變趨勢一致，合并后形成了“人字”型的對流系統，在移動過程中逐漸增強，造成沿途多地短時強降水天氣。

圖6 2018年3月13日貴陽雷達站雷暴單體回波的組合反射率因子(a)和徑向速度演變特征(b)Fig.6 The composite reflectivity (a)and radial velocity(16∶52 at 0.5°elevation angle 18∶11 at 2.4°elevation angle, 19∶08 at 2.4°,unit：m/s) of Guiyang Radar at key period (black line is the convergence area)

圖7 貴陽雷達站雷達回波中心強度和回波頂高(18 dBz)變化情況(a.2018年3月12日，b.2018年3月13日)Fig.7 Time series of the echo intensity and echo top height(18 dBz) in the key periods(a.2018.3.12，b.2018.3.13)

5 總結

運用多源探測設備資料，對這兩次連續冰雹天氣過程的大氣環流場、環境物理量、風場、雷達回波特征等做了綜合分析，得到以下結論：

在南支槽槽前西南氣流的引導下，貴州中西部上空水汽條件較好，貴州省西部地區容易產生午后熱對流，西部邊緣低渦較為活躍，地面輻合線和低層暖平流為對流單體的發展維持提供動力條件，冰雹前期中高空存在明顯的“干侵入”特征，垂直方向上有輻合上升運動，雷達回波強度達到60 dBz以上和頂高都達到11 km以上，強度≥45 dBz回波躍過-20 ℃高度，對流單體合并后的二次發展也易造成災害性天氣。