渤海灣北部地區冰雹天氣分型及預報方法研究

袁 潮 ，楊文艷 ，易希延 ，于增華 ，沈越婷

（1.盤錦市氣象局，遼寧 盤錦124010；2.成都信息工程大學，四川 成都610225；3.遼寧省氣象災害監測預警中心，遼寧 沈陽110166；4.北京市懷柔區氣象局，北京101400）

冰雹天氣具有時間尺度小、生命史短、突發性強等特點，是最嚴重的自然災害之一。渤海灣北部地區主要包括錦州、盤錦、營口和鞍山等市（圖1中紅色橢圓所框大致區域），地處遼河平原下游，是環渤海經濟區重要組成部分，也是遼寧省冰雹災害的重點防御區[1]。

圖1 渤海灣北部及周邊地區地形

冰雹天氣潛勢預報起初采用以建立天氣學概念模型為主要手段的流型辨別法[2]，各地氣象工作者對此做了大量研究工作[3-5]，李紅斌等[6]統計分析大連地區冰雹天氣分布特征和氣候規律，從天氣形勢場、不穩定能量和衛星云圖3個方面入手建立冰雹天氣預警概念模型。藍渝等[7]結合衛星資料分析云系的云型特征，將華北地區冰雹天氣分為冷渦云系尾部型、低渦槽前型和偏北氣流控制型3種類型，并指出大的亮溫梯度值是輔助判斷冰雹能否發生的重要參量。

隨著探測手段的發展和探空資料的完善，對流參數在冰雹潛勢預報中得到了很好的應用，基于構成要素的預報方法（俗稱配料法）[8-9]在業務應用中日趨成熟。劉玉玲[10]通過對探空資料的統計分析，將CAPE、粗理查森數、螺旋度等對流參數引入冰雹等對流天氣的潛勢預報中，取得了較好的效果。雷蕾[11]等對18種物理參量及其時間變量進行統計分析，結果表明0℃層高度、-20℃層高度、逆溫層高度、500 hPa和850 hPa溫差、大氣整層可降水量及其臨近6 h的變化都對冰雹天氣發生有著較好的指示意義。蘇愛芳等[12]對豫北地區一次局地雹暴天氣進行診斷分析，指出高空“上干下濕”的層結結構、適宜的0℃層高度和-20℃層高度、高低層溫度差動平流對局地強對流潛勢預報有一定指示意義。樊李苗等[13]對比分析了全國范圍內強對流天氣的環境參數的不同特征，利用T-LogP圖直觀地對強對流天氣進行區分。吳迎旭[14]等分析在非典型性天氣系統下黑龍江地區冰雹天氣環境參數特征，發現地形條件及地面局地氣壓變化是影響冰雹天氣的關鍵因子。

基于流型辨別法或“配料法”的冰雹天氣潛勢預報在業務中已得到較好的應用，但傳統的天氣學分型方式難以全面反映不同類型冰雹天氣形成機制的本質差異，且與“配料法”結合度不夠，不同天氣背景、不同地域下對流參數的差異性往往被忽視。建立以季節、區域和天氣型分類為基礎的冰雹預報方法是業務上亟待解決的問題[15]。本文以天氣系統配置所導致的對流條件差異性為著眼點，建立渤海灣北部地區冰雹天氣的概念模型，進而對比分析不同冰雹天氣類型下對流條件及環境參數的差異，選取合適的預報因子，運用指標疊套法進行冰雹潛勢預報研究，以期提高本地區冰雹預報準確率。

圖2 干冷強迫型冰雹天氣形勢概念模型

1 資料和方法

選取渤海灣北部地區2000—2016年共32次冰雹天氣的常規觀測資料和區域自動站資料，分析形勢場的綜合配置和冰雹產生的熱力和動力機制，構建冰雹天氣大氣垂直結構，從而建立冰雹天氣學概念模型。一是以冷渦后部西北氣流為主導的高空干冷氣流強迫型（簡稱“干冷強迫型”），占冰雹個例的57%；二是以低渦或西風槽前部低層冷暖氣流交匯為主導的斜壓鋒生型（簡稱“鋒生型”），占冰雹個例的43%。

遵循鄰近與臨近的探空資料選取標準[16]，時間上選擇冰雹發生前最近時次，探空站選取最接近冰雹發生地探空站（或其上游探空）。剔除距離探空站較遠的冰雹個例，對余下23次冰雹天氣環境參數進行對比分析。統計篩選出合適的環境參數作為預報因子，運用指標疊套法確定不同天氣形勢下冰雹出現概率，從而建立流型識別與“配料法”相融合的冰雹天氣短期潛勢預報方法。

2 兩類冰雹天氣對比分析

2.1 環流背景及天氣形勢配置

干冷強迫型是對流層的中高層干冷空氣為主要觸發機制的一類冰雹天氣（圖2），其天氣尺度環流主要有兩種典型表現形式，一種是東北冷渦主體在35°～50°N、120°～140°E 區域內（圖 2a），溫度場有冷中心與之相配合，冷渦的后部通常有次天氣尺度短波槽，有時溫度平流不明顯，而是表現為干平流。渤海灣北部地區處于低渦的西南部，低層通常有暖中心或暖脊相配合，地面多為熱低壓或均壓場控制；另一種是高空西北冷平流強迫型（圖2b），多出現在10—11月，200 hPa渤海灣北部地區處于高空急流出口區左側，500 hPa貝加爾湖以北存在冷渦，內蒙東部至渤海灣地區受偏西北氣流控制，溫度場存在冷槽和強冷平流，850 hPa風場遼西地區存在南北向的切變線，其東側有西南急流向渤海灣北部地區輸送水汽和能量，地面常有低壓倒槽向東北方向移動。中高層干冷平流加強了大氣熱力不穩定層結，同時高空急流形成強垂直風切變，產生強動力不穩定[17]，熱力和動力不穩定共同作用是觸發干冷強迫型冰雹的物理機制。

高空槽前斜壓鋒生導致地面氣旋強烈發展是鋒生型冰雹的形成機制（圖3）。500 hPa內蒙古東部有低槽東移，溫度槽落后于高度槽，正熱成風渦度平流使低槽加深發展，有時閉合為低渦。200 hPa位于高空急流分流區，有輻散場與之配合。低層700、850 hPa同樣存在低槽，不同高度槽線位置幾乎垂直，槽前西南暖濕氣流。地面鋒面氣旋發展，冰雹天氣出現在冷鋒附近。鋒面輻合抬升形成的動力強迫是這類冰雹天氣發生的重要條件。

圖3 鋒生型冰雹天氣形勢概念模型

2.2 對流條件對比

Doswell[18]總結出深厚對流系統發生發展的3個主要因素，但不同天氣背景下，三者對冰雹發生的貢獻有所差異。

2.2.1 水汽條件

干冷強迫型冰雹主要表現為濕層相對淺薄。探空分析近地面至850 hPa通常會出現T-Td≤2℃的顯著濕區，對流層中層濕度條件迅速轉差，溫度廓線和露點廓線呈現“喇叭口”型，有時甚至只在近地面某一淺薄層出現濕度大值區，到近地面濕度又明顯下降，大氣整層可降水量通常不超過35 mm。

鋒生型冰雹的低層濕度條件較好，西南風風速多超過12 m/s，大氣整層可降水量35 mm以上，地面露點溫度≥12℃。該類型冰雹通常發生在地面冷鋒附近的線狀對流中，伴有強降水、對流性大風天氣。

兩種類型的冰雹天氣發生時對流層中層存在明顯的干層，中層干空氣有利于強風暴的維持和增強[19]。

2.2.2 層結條件

干冷強迫型冰雹中高層冷溫度槽疊加于低層暖溫度脊之上，大氣垂直溫度直減率大，為冰雹產生提供了有利的環境背景。鋒生型冰雹低層700 hPa或850 hPa有較強的西南暖濕氣流，500 hPa對應槽前通常為弱暖平流，有時中層強西風急流可使槽后干冷空氣擴散到槽前而形成弱冷平流。該類型冰雹中低層溫度直減率略低于干冷強迫型，探空圖表現為更加明顯的“上干下濕”的結構特征。

統計發現，83%的冰雹個例前期存在逆溫，多由于對流層中層干空氣絕熱下沉增溫，在低層形成“干暖蓋”。逆溫層通常有阻礙對流發展的作用，而對于冰雹天氣，逆溫層阻止熱量和水汽的垂直交換，大氣湍流運動減弱，有利于不穩定能量的積累，當低層存在較強的抬升作用，逆溫條件被破壞，不穩定能量迅速釋放，觸發強雹暴。

2.2.3 動力條件

干冷強迫型冰雹發生前，上游地區500 hPa冷渦后部通常有橫槽轉豎，或表現為短波槽沿低渦底部快速東移，同時中低層有切變線存在，冰雹天氣一般發生在切變線附近暖區一側。地面圖為熱低壓或均壓場控制，本地處于露點溫度大值區，上游地區存在露點鋒（干線）。圖4為2015年7月29日一次冰雹天氣的地面風場，對流風暴沿地面輻合線發展，并向高溫高濕區移動，冰雹出現在地面β-中尺度低壓中心偏南一側。

圖4 2015年 7月 29日 02時（BT，下同）盤錦市區域自動站地面風場

鋒生型冰雹天氣形勢表現為整層系統接近垂直有時甚至前傾，溫度槽脊的經向度較大，且落后于高度槽脊，高空冷暖平流強，大氣斜壓性強。高空槽前正渦度平流使地面低壓系統強烈發展。850 hPa存在閉合低渦，風場上存在“人”字形切變，鋒面動力強迫是此類冰雹的主要觸發機制。此外，200 hPa高空急流分流區存在較強的高空輻散，抽吸和通風作用使雹暴得以發展和維持。

2.3 差異性分析

2.3.1 環流背景

東北地區地形以及海陸分布形成獨特的地理條件，同時高空兩支鋒區季節性南北擺動，切斷低壓易在東北地區維持（稱之為東北冷渦）。東北冷渦發展期東南部區域、成熟期冷渦中心以及衰減期西南部區域均為冰雹天氣易發區，統計發現本地半數以上降雹與東北冷渦有關，遠多于我國其他地區，這與唐曉玲等[20]研究結果一致。我國西北、華北及中東部降雹亦受東北冷渦影響，不同在于西北地區更關注500hPa冷渦后部東北—西南向高壓脊，脊前冷空氣下滑所產生的冷平流強迫是該地區降雹的主要機制[21]；我國中東部地區冰雹多發生在東北冷渦外圍的西南部區域，常伴隨冷渦后部橫槽下擺和低空西南暖濕氣流輸送。華南地區冰雹多發生于高原槽或南支槽前[4-5]，暖區型降雹以低層暖濕氣流為主導，強暖平流造成靜力不穩定使冰雹發生在暖輸送帶輻合區中，這種冰雹型在本地區并不多見。

2.3.2 環境參數

冰雹環境參數體現出一定的地域差異性。對比水汽條件，我國西北內陸地區冰雹天氣濕度條件最差，偏南風風速一般較小，水汽主要集中在近地面層且濕層淺薄[21]；中東部地區水汽條件好，低層通常有偏南急流且濕層相對深厚[17，22]；渤海灣北部地區冰雹天氣的濕度條件介于兩者之間。

西北地區受下墊面影響，午后太陽輻射增溫更加明顯，低層甚至形成超絕熱層，加之海拔高度高，層結最不穩定，渤海灣北部地區由于直接受到高空冷中心控制，且午后近地面加熱作用強烈，同樣表現出較強的不穩定層結，而中東部地區相比之下不穩定層結最弱。

3 冰雹天氣潛勢預報方法研究

3.1 物理量選取和說明

根據上述對不同類型冰雹天氣發生物理機制的分析，從探空資料中選取16個物理量。按天氣學意義劃分，表示大氣溫濕類物理量包括：A指數、整層比濕積分（IQ）、對流溫度（Tg）、總指數（TT）、400～600 hPa 溫度露點差的最大值（Max（T-Td）h）、1000～850 hPa 溫度露點差的最小值（Min（T-Td）l）。 層結穩定度類物理量包括：沙氏指數（SI）、K指數、850 hPa與 500 hPa溫差（ΔT850-500）、逆溫層高度（IZH）。 大氣能量類物理量包括：對流有效位能（CAPE）、對流抑制（CIN）。大氣動力穩定度的物理量：地面到500 hPa環境大氣深層垂直風切變（SHRL1000-500）。特征層高度包括：干球0℃層高度（DBZ）、濕球0℃層高度（WBZ）、-20℃層高度（-20H）。兩類冰雹天氣下各物理量平均值（Ave）及標準差見表1。

表1 兩類冰雹天氣環境參數平均值及標準差

3.2 預報指標的確定

分析表1可知，兩類冰雹天氣環境參數存在一定的差異性，主要表現為干冷強迫型層結不穩定度和垂直風切變強于鋒生型，水汽和能量條件弱于鋒生型，同時特征層高度也低于鋒生型。

3.2.1 環境參數篩選

通常情況下，對流天氣發生時的抬升指數SI≤0，其值越小則代表強對流發生的可能性越大，而本研究中SI平均值為正值，原因為相當一部分個例中冰雹發生前850 hPa以上存在逆溫層，使得SI失去指示意義；K指數受700 hPa溫度露點差影響較大，本地區冰雹天氣對700 hPa水汽要求不高，同樣不能作為預報指標。

冰雹等強對流天氣發生時通常需要較大的CAPE，但本文應用實況探空所統計冰雹天氣多數個例的對流有效位能較小，有時甚至為0，且CAPE的標準差較大。由于冰雹天氣多發生于午后和傍晚，08時探空與冰雹發生前相差較大，且CAPE對抬升氣團的溫濕狀況敏感[23]。

3.2.2 特征層高度

0℃層是云中水分凍結高度的下限，而-20℃是大水滴自然成冰的溫度，并且0℃層、-20℃層兩層高度差越小，表示大氣層結越不穩定[24]。統計發現（圖5），本地區冰雹天氣干球溫度0℃層（DBZ）在3.2 km附近，-20℃層高度在6 km附近，低于一般意義上冰雹的特征層高度，這可能與統計個例多發生于冷季（非6—8月）有關。有研究指出[25]，濕球溫度0℃層（WBZ）更接近冰雹的融化層高度。渤海灣北部地區冰雹天氣WBZ在2.5 km附近，離散度較DBZ小，可作為本地區冰雹天氣預報因子。圖6為一次冰雹天氣的探空圖。DBZ位于4.4 km附近，根據本地的預報經驗，0℃高度過高不利于冰雹降落到地面，但由于中層存在明顯的干層，WBZ下降至3 km附近，冰雹融化層高度顯著降低。

綜上，基于各環境參數平均值、標準差以及所表征的物理意義，剔除離散度較大環境參數，同時結合遼寧省強對流預報員手冊，篩選出層結穩定度參數（ΔT850-500、Max（T-Td）h、Min（T-Td）l、IZH）、動力穩定度參數SHRL1000-500及特征層高度WBZ，共6個環境參量作為渤海灣北部地區冰雹天氣預報因子（表2）。

圖5 冰雹天氣特征層高度

圖6 2017年7月10日08時錦州站探空

表2 兩類冰雹天氣預報因子統計分布特征

3.3 冰雹預報流程及方法

在天氣學分型的基礎上，采用指標疊套法[26]進行冰雹天氣潛勢預報，利用專家打分設定每個因子權重，ΔT850-500、SHRL1000-500、Max（T-Td）h及 Min（T-Td）l以50百分位以上作為100%權重，25百分位到50百分位作為50%權重，WBZ和IZH以25百分位到75百分位作為100%權重，最小值到25百分位、75百分位到最大值作為50%權重（表3）。將6個預報因子的權重相加，累加值的范圍為0～100，越大代表出現冰雹的概率越高。當累加值≥75，則預報當天有冰雹天氣發生。

3.4 預報檢驗

對2017、2018年5—11月進行逐日檢驗，預報站點半徑30 km作為檢驗范圍，以雷達、氣象信息員和網絡相關信息作為實況輔助手段，得到以下結果：預報出21次冰雹天氣，包含全部7次實際發生的冰雹天氣，預報結果無漏報，TS評分為0.12，高于國家級強對流天氣24 h主觀預報[27]。統計發現，空報多發生于7—8月，可能與該時段冰雹統計資料過少有關。

表3 兩類冰雹天氣預報因子閾值及權重

4 結論與討論

通過對渤海灣北部地區冰雹天氣形勢配置討論分析，從冰雹天氣發生的3個基本條件的表現形式和相對重要性角度對冰雹天氣進行天氣學分型，對比分析不同冰雹類型的環境參數特征，利用指標疊套法進行冰雹天氣的潛勢預報，得到以下主要結論：

（1）干冷強迫型冰雹產生機制為對流層中高層干冷平流強迫，主要觸發機制為中尺度低壓或地面輻合線。鋒生型冰雹天氣多發生于鋒面氣旋的冷鋒附近，鋒前暖區內低空西南急流提供高溫高濕環境，配合中層干冷空氣入侵，形成“上干下濕”的對流性不穩定層結。干冷強迫型較鋒生型主要表現為更強的靜力不穩定層結，更大的風向垂直切變，相對較低的低層濕度和0℃層、-20℃層高度。

（2）渤海灣北部地區降雹多發生于東北冷渦天氣背景之下，濕度條件高于西北地區、低于中東部地區，層結不穩定度高于中東部地區、低于西北地區。

（3）對冰雹天氣環境參數進行統計分析發現：逆溫層的存在，使得SI在冰雹天氣中失去指示意義，K指數受700 hPa溫度露點差影響較大，CAPE受抬升點及冰雹發生前近地面溫濕條件變化的影響，無法直接將08時探空中的上述常用對流指數用于冰雹預報。

（4）WBZ高度在2.6 km附近，比DBZ更好地表征渤海灣北部地區冰雹天氣的融化層高度。相比其他地區冰雹融化層高度較低，這可能與統計個例多發生于冷季有關。

（5）ΔT850-500、WBZ、Max（T-Td）h、Min（T-Td）l、IZH及SHRL1000-500對冰雹天氣發生有著較好的指示意義。利用上述環境參數作為預報因子，采用指標疊套法進行冰雹潛勢預報，對2017、2018年5—11月進行逐日檢驗，實際發生7次冰雹天氣全部報出，TS評分高于國家級強對流天氣24 h主觀預報。