北票地區(qū)近40 年冰雹氣候特征與診斷分析

郭 玲 張 燁 姜 超 楊 勇 李天宇

（1、遼寧省北票市氣象局，遼寧 北票122100 2、解放軍31440 部隊，遼寧 沈陽110000）

1 統(tǒng)計標準與使用資料

本文根據(jù)1980-2019 年北票地區(qū)觀測站點冰雹實況記錄，以當日發(fā)生一次或數(shù)次冰雹過程記為一個冰雹日。各類指數(shù)計算使用NCEP2.5*2.5 度（1980-2005 年）和1*1 度（2006-2019年）再分析資料。

2 北票地區(qū)冰雹氣候特征

2.1 年際氣候特征

近40 年北票地區(qū)有記錄觀測冰雹日共計58 天，年平均出現(xiàn)1.45 天。從年際整體分布特征來看，近40 年降雹日呈周期性震蕩波動分布，且經(jīng)歷了3 個冰雹多發(fā)期（1983-1989 年、1993-1999 年、2011-2017 年）和2 個少發(fā)期（1990-1992 年、2000-2010 年），但40 年冰雹日總體趨勢是減小的，3 個多發(fā)期峰值分別為5 天、4 天和3 天，且3 個多發(fā)期出現(xiàn)周期均為7年。在1990 年、1997 年、2000 年和2002-2004 年、2006-2009 年均未觀測到冰雹天氣，其它各年都有出現(xiàn)，一般出現(xiàn)1-2 次，1983、1985、1987 年出現(xiàn)次數(shù)最多，均出現(xiàn)5 次，2018、2019 年已連續(xù)2 年未出現(xiàn)冰雹日，從趨勢發(fā)展可以推測北票地區(qū)目前正經(jīng)歷冰雹的另一個少發(fā)期。

2.2 月際氣候特征

統(tǒng)計分析表明：北票地區(qū)冰雹最早出現(xiàn)在4 月份，最晚出現(xiàn)在10 月份，常見出現(xiàn)在5-9 月份，其中以6-7 月份出現(xiàn)次數(shù)最多，占總冰雹日的58.6%，而6 月份出現(xiàn)的概率較比7 月份高出61.5%。

2.3 日際氣候特征

根據(jù)觀測記錄，北票地區(qū)的冰雹多出現(xiàn)在午后，13 時-17時出現(xiàn)次數(shù)最多，占總次數(shù)的69.0%，其次為09-12 時，占總次數(shù)的20.7%，01-03 時未觀測到有冰雹出現(xiàn)，其它時次共計出現(xiàn)6 次。冰雹特征多數(shù)為小尺度冰雹，即發(fā)生范圍小，冰雹強度弱、持續(xù)時間短，約為2-5 分鐘。其中，降雹最大過程出現(xiàn)在2014年6 月18 日，當日連續(xù)出現(xiàn)兩次降雹，從13 時58 分開始，至14 時14 分結(jié)束，整個過程時間持續(xù)長達16 分鐘。

3 系統(tǒng)分型與特點

通過對北票地區(qū)近40 年冰雹日地面、高空圖資料的分析發(fā)現(xiàn)：冰雹天氣主要出現(xiàn)在東北低壓、東北冷渦、副高后部、高空槽等天氣系統(tǒng)的發(fā)展過程中，其中又以東北冷渦和東北低壓出現(xiàn)的頻率最高。在58 個冰雹日個例中，東北低壓出現(xiàn)了24次，占總次數(shù)的41.4%，東北冷渦天氣系統(tǒng)出現(xiàn)了16 次，占總次數(shù)的27.6%。

3.1 東北低壓型冰雹

進入6 月，當500hpa 歐亞環(huán)流維持穩(wěn)定的長波兩槽一脊時（見圖1，黑色實心五角星為北票位置，下同），受烏拉爾山高壓加強的影響，中低層槽線加深東移南下，大量冷空氣從蒙古不斷入侵我區(qū)，加之在100-125°E，40-55°N 地面氣旋或低壓切變的配合，西南暖濕氣流北上，大氣處于上干冷下暖濕的極不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)，易發(fā)生雷雨、冰雹。此型冰雹多集中在冷鋒附近，常呈帶狀分布，產(chǎn)生時間相當于冷鋒或高空槽迫近時間，且隨冷鋒和高空槽的移動而移動。

3.2 東北冷渦型冰雹

東北冷渦是指在500hpa 高空圖上有一條以上閉合等高線的低中心，并有冷中心或冷槽相配合的天氣系統(tǒng)。影響本區(qū)的冷渦系統(tǒng)主要來自于貝加爾湖-蒙古中部一線，系統(tǒng)在東移南下過程中不斷加強、加深，移入本區(qū)后形成深厚系統(tǒng)，并引起高空不斷降溫，形成一個干冷蓋；在115-125°E，35-45°N 范圍內(nèi)850hpa 高度有來自華北地區(qū)的暖濕空氣，兩者相遇促使低層潛在不穩(wěn)定能量增強，出現(xiàn)潛在不穩(wěn)定能量區(qū)，而冰雹的落區(qū)往往與這些潛在不穩(wěn)定能量區(qū)相吻合。通過資料分析，以北票為中心點，以經(jīng)、緯線為縱、橫坐標的坐標系中，低渦中心在第二象限時，即位于北票西偏北部時，出現(xiàn)冷渦冰雹的頻率最高;在第一、三象限時次之;在第四象限時無冰雹。

圖1 東北低壓型地面氣壓場示意圖

3.3 副高后部型冰雹

副熱帶高壓是夏季影響我區(qū)的最主要高壓系統(tǒng)，當我區(qū)位于副高后部，且前一日東北500hPa 和700hPa 為一低槽區(qū)且低槽往往比較深厚時，常伴隨較強的西南風，暖濕氣流提供了充分的水汽和熱量。當貝加爾湖、蒙古或河套北部有高空槽下滑或自西向東移過遼寧地區(qū)時，產(chǎn)生強烈的動力抬升作用，可造成該區(qū)出現(xiàn)降雹天氣(見圖2)。

3.4 高空槽型冰雹

此型降雹前一日20 時至當日08 時，從雅庫茨克到鄂海皆為高脊或高壓中心，低壓中心在偏東位置，低層850hpa、700hpa存在短波槽線，槽后有明顯的冷中心或冷槽，500hpa 平直偏西風氣流穩(wěn)定（見圖3）。近地面層以偏南或東南風為主，積累大量的不穩(wěn)定能量，在低層短波槽作用下釋放，形成強雷暴降雹，伴隨700hpa 槽線過境，過程結(jié)束。

圖2 副高后部型地面氣壓場示意圖

圖3 高空槽型高空位勢高度場示意圖

4 物理量場診斷分析

4.1 K 指數(shù)

陸漢城[1]指出，強對流天氣的出現(xiàn)，要求在對流層中低層有明顯的對流不穩(wěn)定。而K 指數(shù)作為判斷大氣穩(wěn)定度常用的一種判據(jù)被廣泛適用，K 指數(shù)越大，層結(jié)越不穩(wěn)定。分析表明：北票地區(qū)6-9 月份發(fā)生冰雹時K 指數(shù)均達到了30 以上，5 月份和10月份冰雹日K 指數(shù)較小，在25-30 之間。一般研究認為K≥30可能有雷雨等不穩(wěn)定天氣，但在北票地區(qū)特定季節(jié)（5 月、10 月）K 指數(shù)在25 以上時就可能有強對流天氣發(fā)生。

4.2 抬升指數(shù)

抬升指數(shù)（LI）指氣塊從自由對流高度沿干絕熱線上升，到達凝結(jié)高度后再沿濕絕熱上升至500hpa 時所具有的溫度與500hpa 等壓面環(huán)境溫度的差值。為負值時表示氣塊不穩(wěn)定，負值越大，對應的氣塊不穩(wěn)定能量面積越大。分析表明：北票地區(qū)抬升指數(shù)（LI）在歷年冰雹日中指標意義反映不是很明顯，58 個冰雹日中LI 正值負值各占約50%，5 月份至6 月上旬和9 月下旬至10 月份多數(shù)為正值，其他時間多為負值。

4.3 強天氣威脅指數(shù)

強天氣威脅指數(shù)（SWEAT）是20 世紀70 年代引入的一個指數(shù)，綜合反映了中低層熱力穩(wěn)定度特性及適宜風暴發(fā)生動力環(huán)境對風暴發(fā)生所產(chǎn)生的共同作用，其包含了低高層濕度、溫度及風場信息，而且考慮了環(huán)境風在垂直方向的旋轉(zhuǎn)[2]。統(tǒng)計分析結(jié)果顯示：在北票地區(qū)出現(xiàn)冰雹的過程中，強天氣威脅指數(shù)SWEAT 最小值為107，最大值為453。

4.4 對流有效位能指數(shù)

對流有效位能（CAPE）是現(xiàn)代強對流天氣分析預報的重要參數(shù)，在中小尺度天氣系統(tǒng)研究和強對流天氣的預報中有著廣泛的應用。Doswell 和Rasmussen[3]指出，在深對流可能發(fā)生的環(huán)境中，CAPE 是一個與環(huán)境聯(lián)系最為密切的熱力學能量變量，Cape 的值越大，發(fā)生強對流的可能性越大。統(tǒng)計分析結(jié)果顯示：在北票地區(qū)出現(xiàn)冰雹的過程中，CAPE 最小值為:738，最大值為2836。

4.5 零度（0℃）層高度指數(shù)

0℃溫度所在高度和冰雹的出現(xiàn)密切相關(guān)，研究指出[4]，90%的降雹出現(xiàn)在0℃層高度距地面高度為1524-3658m，當0℃層高度距地高度為2134-3353m 時，最可能出現(xiàn)大雹塊。統(tǒng)計分析結(jié)果顯示在北票地區(qū)出現(xiàn)的冰雹過程中，76%的冰雹個例零度層高度在2720-3370m 米之間，最低1950 米，最高達3670 米。

綜合分析上述5 類指數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：K 指數(shù)、對流有效位能（CAPE）有很好的相關(guān)性，在K 指數(shù)較大時，對流有效位能也較大，表明大氣越不穩(wěn)定，其對流有效位能越大。抬升指數(shù)（LI）在5 月至6 月上旬和9 月下旬至10 月多數(shù)為正值，其大氣的不穩(wěn)定性反應不明顯，但此時強天氣威脅指數(shù)（SWEAT）一般維持在200 以上。據(jù)此，在天氣形勢具備的情況下，預示北票地區(qū)極有可能出現(xiàn)冰雹天氣的物理量場指數(shù)指標可歸納為：一是在高K指數(shù)場（K≥30）、高CAPE 場（CAPE≥700）、低LI 場（LI＜0）結(jié)合低SWEAT 場（SWEAT≥100）中；二是在高K 指數(shù)場（K≥30）、高CAPE 場（CAPE≥700）、高LI 場（LI＞0）結(jié)合高SWEAT場（SWEAT≥200）中。當然，還要再有效結(jié)合適宜的零度層高度（1950-3670 米）即可以預報預測冰雹的發(fā)生；三是在5 月至6月上旬和9 月下旬至10 月的時間，K 指數(shù)沒有達到30，LI 指數(shù)大于0 的情況下，也要綜合考慮其他幾種指數(shù)和天氣形勢，準確作出冰雹等強不穩(wěn)定天氣的預報。