一次冰雹天氣過程的潛勢條件和中尺度特征分析

李曉霞，李常德，馬國濤，常 臻，馬 真，張婧莉

（1.平涼市氣象局，甘肅 平涼744000；2.固原市氣象局，寧夏 固原756000；3.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

強對流天氣一般是指伴隨雷暴發生的大雹、強風、龍卷風等天氣，在世界范圍內都有廣泛的分布。我國是世界上強對流天氣頻發地區之一[1]。強對流天氣也是我國的主要災害性天氣之一，它的發生發展往往能給人們日常生活、農業、航空等帶來巨大影響，由于尺度小、突發性強、局地性強、生命史短，這類天氣不能用短期天氣預報方法預報，其預報仍是業務工作中的難點。平涼市地處黃土高原，位于甘肅省東部，緊鄰六盤山山系，地形復雜，天氣多變，是甘肅省冰雹天氣的多發地帶，冰雹天氣多發生于夏半年，由于特殊的山谷地形，此類天氣破壞性大，危害嚴重，極易造成巨大的經濟損失和嚴重的人員傷亡。

近些年來有許多氣象學者通過分析中尺度特征來研究強對流天氣的形成發展機制[2-8]，取得一定的研究成果。氣象衛星和多普勒天氣雷達資料被廣泛應用到強對流天氣的預報和研究中[9-12]。有相關學者重點分析了融化層高度對冰雹天氣的影響[13-14]。另外，關于冰雹和對流性天氣的氣候特征和變化趨勢等方面也有不少研究[15-20]。鄭永光等[21]提出了強對流天氣預報的一些基本問題。李聰等[22]探討了新型探測資料在冰雹監測預警中的應用。近年來，圍繞甘肅省隴東地區及平涼市的冰雹強對流天氣一直有不斷的研究，樊曉春等[23]指出冰雹是甘肅省僅次于干旱的一種災害性天氣，是預報服務工作的難點和重點。王若升等[24]指出平涼市冰雹高發區位于六盤山和關山山脈兩側的華亭、莊浪和崆峒區，主要發生在午后至傍晚時分，尤以傍晚時分發生頻率最高。路亞奇等[25]對隴東地區產生冰雹天氣的環流特征、物理量特征、雷達產品特征等進行統計性研究，為冰雹的潛勢預報及臨近預警提供參考。

2018年6月10日傍晚前后發生在甘肅省平涼市的這次冰雹天氣屬于典型的西北氣流型。從引發平涼市冰雹天氣環流形勢的分布概率來看，發生在西北氣流形勢下的冰雹天氣過程較少，而針對西北氣流引發的冰雹天氣的研究也很少，本文在分析環流背景的基礎上，利用衛星、雷達等資料重點分析此次強天氣的中尺度特征及對流觸發機制等，為平涼市冰雹天氣的短時臨近預報、預警提供一些參考。

1 天氣實況和環流背景條件

1.1 天氣實況和災情

2018年6月10日14：00—20：00，甘肅省平涼市出現伴有短時強降水和雷雨大風的強雷電、冰雹天氣。主要冰雹天氣出現在崆峒區、華亭市和靜寧縣（圖1），15：10—16：00，崆峒區峽門鄉和華亭市安口鎮、神峪鄉等多個鄉鎮先后出現冰雹。17：10左右，靜寧縣界石鋪鎮、李店鎮、深溝鄉等11個鄉鎮開始不斷出現冰雹，最強冰雹時段集中在17：30—18：30，冰雹最大直徑為1～2 cm。另外，靜寧縣治平鄉、高界鄉伴有短時強降水，最強降水出現在治平鄉，1 h雨量為39.1 mm，過程雨量達51.2 mm。

圖1 2018年6月10日甘肅省平涼市冰雹落區

據不完全統計，受雷雨大風和冰雹災害影響造成靜寧縣部分鄉鎮直接經濟損失5610萬元，其中農業經濟損失5478萬元，家庭財產損失12萬元，基礎設施經濟損失120萬元。崆峒區寨河、安國、崆峒等鄉鎮部分村，以及華亭市安口、神峪等鄉鎮部分村出現冰雹，受災相對較輕。

1.2 環流背景

引發2018年6月10日甘肅省平涼市冰雹天氣過程的環流形勢為典型的西北氣流型（圖2）。從6月10日08時500 hPa環流場可以看出東亞中高緯度為兩槽一脊型，貝加爾湖附近有一冷渦，中國西北地區受西北氣流控制，新疆東部及河西西部冷槽底部有分裂小槽東移南下，河西西部有溫度槽配合，出現冰雹和短時強降水的甘肅省平涼市地區等溫線和等高線近于平行，溫度平流不明顯。700 hPa甘肅省河西東部到慶陽市西部、臨夏市到甘南州附近各有一切變線；10日20時，500 hPa冷渦略有東移，原來冷渦底部的小槽有所東南壓，河西西部的小槽加強并移至河西東部，平涼區域高空西北風轉為北風，風向與等溫線交角增大，冷平流加強。再分析該時次的綜合圖（圖2b）發現，此時700 hPa切變線位于蒙古南部—寧夏西—甘肅河東中部，平涼市中西部有明顯的輻合抬升條件，另外，平涼市位于T700-500≥20℃的不穩定區域內，500 hPa位于相對濕度≤30%的干區內，表明在對流層中層有干冷空氣存在，上冷下暖、上干下濕的不穩定特征明顯，華亭市、崆峒區南部和靜寧縣南部局部地方位于ki≥28℃的不穩定區域內，靜寧縣及華亭市西部部分地方位于850 hPaθse≥60℃的高能量舌內，從上述物理量場可以看出，此次強冰雹發生區具備較好的不穩定條件和能量條件。

圖2 6月10日20：00BT 500 hPa環流背景場（a）以及高空綜合圖（b）

2 強冰雹發生的潛勢條件分析

2.1 觸發機制

分析地面要素圖發現，14時（圖3a）在青海高原東部有一干冷中心，陜西省南部有一暖濕中心，兩個區域之間分布著寬廣的等溫度和等露點密集帶，同時也是干線、中尺度輻合線和對流云團的分布區。其中慶陽市北部一帶對流云團發展強烈，在青海高原東側和六盤山東側分別伴有-5℃和-4℃的24 h負變溫，間接反映中高層干冷空氣較強。偏北風攜帶干冷空氣南下與東南暖濕氣流交匯，在蘭州—白銀—固原形成一明顯的地面中尺度輻合線；17時（圖3b）地面干冷中心仍位于青海省東側，暖濕中心從陜西省南部向東伸展至與河北省、河南省三省交匯處，其間仍是干線、中尺度輻合線和對流云團的分布區。強對流云團西伸南壓至寧夏省固原市一帶，預示著強對流系統有南壓發展趨勢。在寧夏省南部和甘肅省隴東一帶出現冰雹和陣性降水，六盤山和同心市附近出現12 m/s的地面大風，對應該時段強天氣區的雷雨大風天氣，固原市附近有2.2 hPa的3 h變壓中心，同時，在白銀市南部到定西市形成一地面中尺度輻合線，平涼市靜寧縣位于輻合線附近，具有較好的抬升觸發機制。

圖3 2018年6月10日14時BT（a）和17時BT（b）地面圖

在冰雹研究區的北部有顯著流線從干線的干區一側吹向濕區，預示著該地區將極易發生對流性天氣?？梢姡诖舜芜^程中，冰雹發生區地面輻合線和干線的存在起到觸發對流的作用，高層氣流引導地面輻合線附近生成的對流系統，可以解釋對流云團自北向南移動的實況路徑。

2.2 風暴水平螺旋度

水平螺旋度正值異常增大對應大氣的異常狀態，對預報強對流風暴有一定的預示性[26]。由于水平風場資料較易獲取，國外一般將螺旋度＞150 m2·s-2作為強對流風暴發生發展的臨界值[27]。將該臨界值應用到本文，發現其對此次冰雹天氣過程診斷具有較好的指示意義。

圖4為風暴水平螺旋度的分布，可以看出冰雹發生前14時（圖4a），平涼市位于水平螺旋度的負值區，即螺旋度低值區，中心值在-160～-120 m2·s-2。隨著對流風暴的強烈發展，到20：00（圖4b），冰雹發生區的螺旋度異常增大，中心值達到240～280 m2·s-2，遠遠超過上述臨界值150 m2·s-2。引發此次冰雹天氣的對流風暴具有高螺旋度特征，而且其螺旋度還可從環境場中獲得并在浮力效應下進一步得到增強，使得強對流風暴維持更長的生命史，可以說穩定的強對流風暴常發生在螺旋度值增大的環境場中，而雷達站上空螺旋度的增大也為移入該區域雹暴系統的進一步發展增強提供強有力的環境場。

圖4 6月10日14時BT（a）和20時BT（b）風暴水平螺旋度的變化（單位：m2·s-2）

2.3 垂直風切變

在一定的熱力條件下，環境風場的垂直風切變特征對雷暴的結構、形態、生命史及活動有重要影響，垂直風切變會導致風暴進一步加強和發展，高低空垂直風切變增強，有利于位勢不穩定層結的建立[28]。另外，如果垂直風切變對應風向從低到高順時針旋轉，那么這種微差平流可能導致大氣對流層低層和中層之間溫差加大，溫度遞減率增大，因而條件不穩定增大。

本文應用間隔為6 h的NCEP再分析資料分別計算了6月10日地面到700 hPa和500 hPa的垂直風切變，可以看出，從08—20時（圖5），冰雹發生區的對流層中、低層均維持有較強的垂直風切變。整個對流時段內，對應的垂直風切變值分別在2.0×10-3s-1、1.0×10-3s-1左右。其中，地面～500 hPa深層垂直風切變值達到并超過了甘肅省隴東地區降雹天氣的閾值1.0×10-3s-1[25]。

圖5 6月10日20：00 BT地面與700 hPa（a）和500 hPa（b）的垂直風切變（單位：10-3 s-1）

另外通過對比分析還可發現垂直風切變從低層到高層的增幅也較大，屬于強垂直風切變，而強垂直風切變可促使低層暖濕空氣不穩定能量的釋放，有利于強對流系統的發生發展以及冰雹等天氣的形成。

2.4 濕斜壓作用

濕位渦是能夠反映大氣動力、熱力和水汽作用的綜合物理量。在p坐標系中，濕位渦守恒的表達式為：

本文利用NCEP再分析資料沿35.4°N分別作MPV1和MPV2的緯向垂直剖面，發現在此次冰雹天氣發生前后，研究區內（106°～107°E）MPV1和MPV2的值均發生了較大的變化，都出現了明顯增大、由正值轉為負值的現象。根據上一節分析可知，冰雹天氣發生時，垂直風切變明顯增強，這與MPV2值的明顯變大相對應。

另外，MPV1和MPV2的變化又有所不同，先分析MPV1的 分布情況，10日08時，600 hPa以上MPV1為正值。14時（圖6a），過程剛剛開始，MPV1負值區開始變得深厚，絕對值增大，表明大氣對流不穩定性大大增強。20時（圖6b），主要強天氣趨于結束，MPV1負值區明顯減小，只有600～500 hPa有一弱的負值區，其他層已轉為正值，說明不穩定能量已釋放。再分析MPV2的分布，10日08時700 hPa以上MPV2為負值，對流層中低層為正值。14時（圖6c），MPV2負值區變深厚，從近地層到對流層中高層均為負值，大氣斜壓性加強。20時（圖6d），MPV2仍維持深厚的負值區，而且到對流層中高層其絕對值還有所加強。直到次日02時，其值才減弱，并逐漸轉為正值，可見MPV2的轉變要比MPV1更遲一些。

可以看出，對流不穩定、濕斜壓作用和垂直風切變對此次強冰雹天氣的發生發展均起了很重要的作用，而后兩者的持續作用要更久。

2.5 大冰雹生成條件

0℃層和-20℃高度是否適宜是判斷冰雹發生的一個重要條件。因為0℃等溫線和-20℃等溫線之間的區域主要由過冷水滴、冰晶、雪花組成，這個區域是冰雹生成的“雹源區”。分析圖7發現，14時和20時，冰雹發生區（106°～107°E）0℃層高度均在600 hPa（4000 m）左右。這樣的高度使得對流云可向更高處發展，使低層的水汽通過強烈的上升運動能夠到達該高度，為雷雨、大風、冰雹及局部強降雨提供了豐富的水汽條件。且當雹粒增長到足夠大而下落時，不至于因暖層過厚而被融化。-20℃層高度均維持在400 hPa（8000 m）左右。另外，14時和20時強對流發生區-20℃層和0℃層的高度差也適宜，從崆峒區20時探空資料可以看到其高度差為2745 m，表明過冷水所在的負溫區厚度適宜，使得雹胚在過冷水含量豐富的環境中相互碰撞的機會較多，雹粒增長快，有利于形成大冰雹。

圖6 6月10日沿35.4 °N MPV1 14時BT（a）、20時BT（b）和MPV2 14時BT（c）、20時BT（d）的緯向剖面（單位：10-6 m2·K·s-1·kg-1）

圖7 6月10日14時BT（a）和20時BT（b）沿35.4°N的溫度剖面（單位：℃）

3 天氣雷達回波特征分析

3.1 反射率因子特征

3.1.1 反射率因子

利用固原市C波段多普勒雷達研究平涼市此次冰雹過程前后的雷達反射率因子特征，發現12時前后，在固原市西北部和南部均有回波發展，13時后，多個小范圍的對流單體出現在六盤山東側，形成西北—東南移向的強回波區，并逐漸影響平涼市崆峒區，到14：24崆峒區境內回波強度達最盛，中心強度為55 dBZ左右。15時前后多個對流單體出現在六盤山區域及其西側，位置接近14時地面輻合線的位置。華亭市境內存在一單一對流單體，此對流單體實質上為崆峒區對流系統的不連續傳播造成。根據天氣實況，崆峒區和華亭市的冰雹出現在該區域對流單體強盛時段。17時前后靜寧縣北部開始出現強回波，最強中心達55～60 dBZ，之后強回波緩慢南壓逐漸影響靜寧全縣。18時左右，在靜寧縣中部偏西地區出現鉤狀回波和弱回波區，鉤狀回波的出現，表明雷暴云已經發展得非常強盛，往往會造成冰雹等災害性天氣，這與該時段出現在靜寧縣的強冰雹、雷雨大風和短時強降水天氣特別吻合。

因靜寧縣為此次冰雹過程的主要落區點和受災區，所以著重分析了影響靜寧縣的組合反射率因子的演變情況（圖8）。16：36已有強單體位于靜寧縣以北的地區（圖8a），最大回波中心強度為55～60 dBZ，對流單體范圍和強度均大于前期影響崆峒區和華亭市的單體。17：24開始從靜寧縣中東部自北向南移動（圖8b），造成靜寧縣境內的強冰雹、雷雨等天氣。到19：06回波中心強度開始減弱（圖8f），基本移出靜寧縣，整個冰雹天氣也逐漸結束。

靜寧縣境內的強冰雹基本出現在強回波單體附近，足以說明在此次過程中組合反射率因子對冰雹落區的預報具有很好的指示性（圖8）。

圖8 平涼市靜寧縣組合反射率因子的演變特征（單位：dBZ）

3.1.2 反射率因子剖面

對影響崆峒區的對流單體沿回波反射率大值中心西側西北—東南向作垂直剖面，可以看到明顯的回波墻、回波懸垂和弱回波區特征。且強回波大值中心及地，最大反射率因子達50 dBZ左右，回波由西北向東南向伸展；再沿反射率大值中心附近西北—東南向做垂直剖面（圖9a）發現基本與前述回波特征一致，只是強回波大值中心及地特征更加明顯。而回波反射率大值中心及地特征意味著強對流天氣，如冰雹、強降水已經在對應區域發生。由分析可知，弱回波區位于大值中心偏西南位置，強對流單體的繼續向南傳播造成了華亭市一帶的冰雹天氣。

對靜寧縣的強對流單體選取其反射率大值中心偏西南位置作西北—東南向剖面，根據冰雹出現時間選取了具有代表意義的3個時間點進行分析。17：06可見明顯的強反射率因子中心（圖9b），高度較低，配合弱回波區和較14：42更明顯的回波懸垂，此時靜寧縣以北固原市已有冰雹出現。18—19時治平鄉附近區域出現冰雹，治平站出現39.1mm/h的短時強降水，對應三維反射率剖面上有回波及地和前伸強回波特征。

圖9 6月10日14：42 BT（a）和17：06 BT（b）反射率因子垂直剖面（單位：dBZ）

通過反射率因子剖面分析還可發現，實況冰雹出現位置和強回波及地位置以及回波懸垂位置對應較好，回波懸垂位置基本位于強回波中心以西附近。

3.2 徑向速度特征

4.3°仰角徑向速度圖上顯示，17：00—18：30在靜寧縣東北部、中東部先后出現了中層徑向輻合MARC，它的存在表明下沉氣流較強。其中，18：16，MARC疊加有12 m/s左右的風暴移動速度（圖10a），使得下沉氣流以更快更強的速度下沉到地面，這與六盤山及其西側靜寧縣境內的雷雨大風天氣相對應。從6.0°仰角徑向速度圖上還可看到18時前后六盤山西側及靜寧縣東部地區存在一定的風暴頂輻散（圖10b），雷暴云的這種風場結構有利于對流系統的維持和發展。

另外，14：13前后在平涼市崆峒區南部的對流風暴中形成了中氣旋，持續3個體掃，1.5°仰角（圖10c）和2.4°仰角對應旋轉速度分別在23.5 m/s和15.5 m/s左右，屬于強中氣旋和弱中氣旋。14：47開始華亭市東部出現強度較弱的中氣旋，持續時間略為1 h。18時左右從不同仰角上可觀察到靜寧縣自北向南有多個強度不等的中氣旋出現，其中，最強中氣旋的旋轉速度達23.5 m/s左右（圖10d）。中氣旋是強對流風暴的上升氣流和后側下沉氣流緊密相連的小尺度渦旋，它的形成將預示著強烈天氣（災害性大風、冰雹、暴洪等）的出現[29]，由本次冰雹天氣分析可以看出，中氣旋的出現具有很好的指示意義。

3.3 垂直累積液態水含量VIL和回波頂高ET

圖10 2018年6月10日固原多普勒雷達徑向速度（單位：m/s）

與強回波中心對應的垂直累積液態水含量VIL（下同）大值中心也與強對流單體移動方向一致。出現短時強降水的靜寧縣界石鋪鎮、治平鄉基本位于VIL大值中心的移動路徑上。而出現冰雹天氣的靜寧縣界石鋪鎮、李店鎮、深溝鄉、治平鄉、新店鄉、甘溝鎮、紅寺鄉、細巷鎮等地，位于VIL大值中心及其略偏西位置。另外，此次強對流天氣過程中VIL值達到了隴東地區降雹前12～18 min垂直累積液態水含量＞31 kg/m2的標準[25]，最大達35 kg/m2以上。

另外，崆峒區、華亭市、靜寧縣的回波單體均發展旺盛，回波頂高達15 km以上，大于隴東地區回波頂高的降雹標準12 km[25]。靜寧縣強對流單體發展明顯高于崆峒區和華亭市，對應造成的冰雹天氣也是強于崆峒區和華亭市。對流單體反射率強中心高度可達8 km左右，符合產生冰雹天氣的高度條件，并遠遠超過了隴東地區降雹時強中心高度在2 km以上的高度條件[25]。

4 結論

本文應用多種氣象資料對發生在甘肅省平涼市的一次典型強冰雹天氣過程進行了中尺度診斷分析，得到如下結論：

（1）此次冰雹天氣過程發生在西北氣流環流背景之下，上游有冷槽分裂南壓，使得冰雹發生區出現冷平流加強特征。另外有700 hPa切變線、地面輻合線以及高層氣流引導地面輻合線附近生成的中尺度對流系統MCS配合，形成此次強天氣的主要影響系統。從研究區的物理量場來看，強對流期間，具有較強的大氣不穩定層結特征和高溫高濕高能量的環境場條件。

（2）冰雹發生區東西走向地面輻合線的存在利于觸發對流，也可以解釋對流云團自北向南移動的實況路徑，配合干線為此次冰雹天氣的發生發展提供了較好的觸發機制。引發此次冰雹天氣的對流風暴具有高螺旋度特征，而高螺旋度對強對流單體的維持有重要作用，螺旋度的異常增大和為雹暴系統的發展增強提供了強有力的環境場條件。從不同高度垂直風切變大小的變化可以看出，在冰雹過程期間，高低空垂直風切變有明顯增強趨勢，而較強垂直風切變可導致風暴進一步加強和發展，促使低層暖濕空氣的不穩定能量釋放并形成冰雹等天氣。對流不穩定、濕斜壓作用和垂直風切變是促使MCS發生發展的有利條件。另外，冰雹發生區0℃層和-20℃層高度以及二者之間的厚度均有利于大冰雹的形成。

（3）多普勒雷達資料顯示，引發此次冰雹天氣的回波單體附近，懸垂回波、弱回波區、鉤狀回波等特征明顯。對應徑向速度圖有明顯的中氣旋、中層徑向輻合及風暴頂輻散等特征配合，對此次冰雹天氣有很好的指示作用。另外，此次冰雹天氣過程中，回波強度、回波頂高、垂直累積液態水含量等都達到或超過隴東地區降雹前或降雹時的統計標準。