天山南麓一次弱垂直風切變條件下的致災冰雹成因分析

希熱娜依·鐵里瓦爾地，努爾比亞·吐尼牙孜，王建友

(1.中亞大氣科學研究中心，烏魯木齊 830002；2.喀什地區氣象局，新疆喀什 844000)

喀什地區岳普湖縣位于天山南麓、塔里木盆地西緣、蓋孜河下游，氣候干燥，屬于溫帶大陸性干旱氣候區。地勢西高東低，東北部和西南部為戈壁沙漠，西北部和東南部為沖積平原。由于地處綠洲及沙漠邊緣，每年強對流天氣頻繁出現，尤其5—9月出現冰雹頻次較高，冰雹引發的氣象災害給當地農業生產和人民生命財產帶來嚴重損失，因此做好冰雹天氣的預報監測及預警對該地的開展防雹服務工作有重要指導意義。近年來，新疆氣象工作者對南疆的冰雹特征及災害進行了大量研究，得出了不少成果。張俊蘭等[1-2]對阿克蘇地區的強冰雹超級單體風暴的雷達回波進行了細致研究，得出了阿克蘇地區強冰雹發生時雷達指標和潛勢；張云慧等[3]對南疆西部中亞低渦背景下造成的兩次強冰雹從環境場和物理機制進行了對比分析，揭示了喀什地區冰雹和短時強降水的環境場特征；黃艷[4-6]從喀什冰雹天氣的氣候特征、時空分布特征、環境背景和強對流指數等方面進行大量研究，得出了喀什地區冰雹天氣氣候特征和環境參數；李圓圓[7]分析了喀什地區一次罕見強冰雹天氣的中尺度系統，發現雹區附近的低層到地面在冰雹出現前存在中尺度切變線、地面中尺度低壓、涌線等系統，為強冰雹的出現提供了有利的動力條件。前人的上述研究成果為南疆西部冰雹天氣的臨近預報提供了很好的參考依據。但目前對南疆西部冰雹的研究更多側重于強冰雹形成的物理機制和雷達回波特征的分析研究，而對中等強度冰雹的形成成因和預報預測的研究較少。從歷年喀什地區冰雹災情資料統計發現，在弱垂直風切變下造成的冰雹，雖然冰雹直徑小，但冰雹持續時間長仍然能造成嚴重災害。2018年5月19日喀什地區岳普湖縣出現了一次持續時間較長的小冰雹，經過災情調查發現此次冰雹天氣給當地林果業、農牧業生產造成了嚴重災害。本文利用常規氣象觀測資料、雷達資料、區域加密自動站風場資料、NCEP再分析資料等，對此次弱垂直風切變下的冰雹天氣從環流背景、中尺度觸發機制、物理條件和雷達特征等方面進行了成因分析，以期為本地此類天氣的臨近預報預警提供一定的思路。

1 資料選取

選取常規氣象資料、喀什區域自動站風場資料、NCEP 1°×1°再分析資料及2018年5月19日喀什多普勒雷達資料等，綜合分析喀什地區岳普湖縣2018年5月19日在弱垂直風切變條件下產生的致災冰雹的成因。

2 冰雹概況及災情

2018年5月19日08時—20日08時(北京時，下同)，喀什平原大部地區出現小到中雨以上降水，偏北部分區域出現雷暴大風、短時強降水、冰雹等強對流天氣，強降雨和冰雹發生時段在19日18—21時，其中19：45—20：13岳普湖縣3個鄉鎮先后出現冰雹天氣，持續時間約30 min，冰雹最大直徑15 mm，造成該地農牧業生產直接經濟損失406.76萬元。

3 環流背景及中尺度觸發機制

過程前期5月18日20時(圖略)500 hPa歐亞區域中高緯度為兩脊一槽的環流形勢。烏拉爾山至里海、咸海為穩定的高壓脊區，中亞一帶有低槽活動，西西伯利亞至貝加爾湖受寬廣的低槽影響，南疆西部處于低槽底部。19日08時(圖1a)里海、咸海至烏拉爾山高壓脊持續向東北方向發展，脊前偏北氣流不斷引導北方冷空氣南下補充到西伯利亞槽中，使槽分兩段。北段位于北疆到東疆之間，有利于冷空氣沿東疆地勢較低地帶東灌進入南疆盆地；南段西退南壓與中亞低槽合并成低渦，低渦南伸至30°N，南疆西部處在低渦前部的西南氣流中；08—20時中亞低渦東移進入南疆西部與東灌冷空氣共同作用影響喀什地區，造成19日傍晚喀什地區岳普湖縣的冰雹天氣。

從中尺度分析來看(圖1b)：700 hPa上喀什到阿克蘇之間存在中尺度冷式切變，850 hPa喀什到和田之間有明顯的風場輻合區；500 hPa南疆西部有顯著濕區，中層濕度條件較好；850 hPa南疆盆地東部存在12 m/s偏東急流，有利于冷空氣輸送和熱力不穩定增加。14時地面上(圖略)，南疆盆地受中心強度為1 000 hPa的熱低壓控制，喀什偏北地區地面風場呈現出氣旋性特征，即存在中尺度地面輻合線。區域加密自動站風場顯示，19時南疆盆地至喀什東部有一致的偏東風，而喀什北部一線為西北風，伽師縣玉代力克鄉極大風速達21.2 m/s，風向輻合區位于岳普湖境內，對應時刻岳普湖出現明顯降水，地面增濕。午后地面升溫，近地層儲存不穩定能量，隨著高空槽逼近，低層切變線東移，500 hPa上干冷的偏北氣流翻越天山侵入喀什地區疊加到低層暖濕氣流之上，增強了高低層系統耦合，加劇了大氣層結不穩定性，強對流在地面中尺度輻合線附近觸發，不穩定能量釋放，造成岳普湖的冰雹天氣。

圖1 2018-05-19T08 500 hPa環流形勢(a，實線為等高線，單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃)和中尺度系統分析(b，灰色陰影區為冰雹落區)

4 冰雹發生前物理條件

4.1 不穩定層結和水汽

冰雹爆發前雹區低層均存在潛在不穩定能量累積過程，在外部動力條件具備時，大氣潛在不穩定能量得以釋放，上升運動發展形成強對流[8-9]。19日08時南疆西部T(850-500)在28～30 ℃，喀什站T(850-500)=30 ℃，說明高低層垂直溫度遞減率強。14時隨著溫度的升高T(850-500)加大，喀什地區T(850-500)達33 ℃左右(圖2a)，加劇了上冷下暖的熱力不穩定層結，為冰雹的發生提供了熱力不穩定條件。假相當位溫θse也是表示大氣不穩定度的一個重要物理量，隨高度升高而減小可以判斷有不穩定層結。14時沿77°E做假相當位溫和比濕的垂直剖面(2b)，可以看到喀什北部39°N～40°N 在400 hPa以下θse隨高度減小，說明大氣層結不穩定。850～700 hPa有θse線密集區，即有高能鋒區，332 K高能中心位于850 hPa。400～600 hPa有低能舌伸向南疆西部，θse(850-500)為10 ℃，表明中層有干冷空氣侵入。用溫度露點差和比濕分析此次強對流天氣的水汽條件。降雹當日08時喀什偏北地區700～850 hPa溫度露點差分別為10 ℃、12 ℃，而中高層500～400 hPa溫度露點差分別為1 ℃、2 ℃(圖略)，表明大氣處于上濕下干狀態，對流層低層空氣飽和度小，濕度條件不好。午后隨著500 hPa中亞低渦加深東移，低渦前西南氣流逐步加強，將低渦本身攜帶的水汽輸送至南疆西部，在冰雹出現前的18—19時喀什偏北的英吉沙、岳普湖區域出現明顯降水，地面濕度增大，為后期強對流的出現提供了較好的濕度條件。14時比濕的垂直分布存在南北向的濕度梯度，即喀什南部的葉城山區和淺山區一帶比濕達8 g/kg，往北遞減，冰雹發生地岳普湖比濕在6 g/kg左右，這在干旱半干旱地區的春季屬于較高值。14—15時葉城淺山區出現短時強降水，與比濕有較好的對應關系。假相當位溫和比濕的垂直分布可以反映出14時大氣層結已轉為中上層干冷、低層暖濕的不穩定狀態，冰雹出現在高能高濕區附近。

圖2 2018-05-19T14的T(850-500)(a，單位為℃)和沿77°E的比濕q(實線，單位為g/kg)及假相當位溫θse(灰色陰影，單位為K)的垂直剖面(b)(▲為冰雹落區，白色區域為地形)

4.2 對流指數

研究表明，K指數、SI指數、CAPE(對流有效位能)值能很好地反映測站上空大氣層結狀態，CAPE值越大，其能量釋放后形成的上升氣流強度越強，降雹的可能性就越大[10]。因冰雹發生地岳普湖沒有探空測站，故選用離雹暴發生地最近的喀什市探空測站的探空資料來分析岳普湖上空的大氣層結條件。由于雹暴發生在午后至傍晚，為了能真實反映對流天氣發生前后的環境場，采用當日14時地面和露點溫度對08時探空資料進行訂正，進而提高探空數據對此次冰雹天氣的指示性。從19日喀什探空圖(圖3，圖見第13頁)和對流參數的變化(表1)可以看出，冰雹發生前(08時)喀什本站CAPE值為0 J/kg，K指數為24 ℃，SI指數為1.41 ℃，大氣層結較穩定，訂正后(14時)CAPE值突增到1 180 J/kg，不穩定能量迅速增長，K指數升至32.3 ℃，增幅8.3 ℃，SI指數降到-4.0 ℃，說明14時的大氣層結非常不穩定，有利于強對流發生。

圖3 2018-05-19(a 08時)和訂正后(b 14時)喀什站探空資料(文見第11頁)

表1 2018-05-19喀什站探空對流參數

4.3 特征層高度

黃艷等[4]對2001—2012年喀什地區發生的冰雹天氣的0 ℃和-20 ℃高度進行統計分析，得出適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度有利于產生冰雹；兩者之間的厚度越小越有利于產生大雹。通過表1可見，冰雹發生前(19日08時)0 ℃層高度為3 775 m，在600 hPa附近；-20 ℃層高度為6 555 m，在400 hPa附近，兩個特殊層之間的厚度為2 780 m，0 ℃和-20 ℃層高度適宜，有利于冰雹的生成。

5 雷達回波特征

5.1 組合反射率、回波頂高、液態含水量

19日18：03在岳普湖東部和西南部形成兩個回波單體，其中最強回波單體強度為45 dBz，回波高度達6.2 km，周邊不斷有新的回波單體生成并與之合并；19：16回波繼續發展加強，面積擴大,強度達57 dBz，回波高度伸展到10 km，VIL值為18 kg/m2，這時岳普湖境內已經開始降水。19：22—19：44岳普湖南部的回波向東北方向移動與偏東的回波單體合并，回波強度明顯增強，在岳普湖南部到伽師總場形成帶狀分布的多單體風暴。從冰雹出現時段19：50—20：01的回波特征(圖4，見第13頁)來看，19：50岳普湖境內強單體回波繼續發展，最強中心超過55 dBz，回波頂高達12 km，VIL值躍增至39 kg/m2。該時次強回波單體結構密實，回波梯度加大，呈現出典型的強對流單體結構，降水加強，19：48—19：53岳普湖出現了第一時段冰雹，直徑10 mm。19：56—20：01回波繼續加強，該時次強對流發展最旺盛，冰雹云回波強度達61 dBz，回波頂高升至13.7 km，VIL值增到43 kg/m2，19：58—20：05出現了第二時段冰雹，最大冰雹直徑達15 mm。20：07—20：18冰雹云最強回波強度降到55 dBz，回波頂高降到10 km左右，VIL值減小到33 kg/m2，帶狀回波特征已不明顯，但是仍然有利于小冰雹的出現，20：09—20：13出現了第三時段冰雹。20：24后回波開始東移減弱，強回波面積減小，同時VIL值減小、回波頂高度下降，回波逐漸移出岳普湖境內，冰雹結束。

圖4 2018-05-19T19：44—20：01雷達組合反射率因子與垂直液態含水量(文見第12頁)

5.2 反射率因子垂直剖面

對19：56最強回波中心的組合反射率因子做任意方向的垂直剖面(圖5)，圖上呈現出典型的懸垂回波、回波墻、弱回波區等對判斷冰雹有指示性意義的回波結構特征，表示風暴具有降雹的潛勢。6 km高度上有懸垂回波，60 dBz強回波高度伸展到0 ℃層(3.8 km)以上，50 dBz強回波高度超過6 km，接近-20 ℃層高度，這種結構特征有利于冰雹的形成。剖面圖上還可以看出大于60 dBz強回波中心已接地，表征該地區已開始降雹。

圖5 2018-05-19T19：56組合反射率因子(a)及強回波中心垂直剖面(b)(文見第12頁)

5.3 基本徑向速度

19日19：56在2.4°仰角的徑向速度圖(圖6)上，強回波中心對應位置觀察到大片的正速度區中包含著小范圍的負速度區。雹區位置有明顯的氣旋性輻合型速度對，直徑小于10 km，從1.5°仰角伸展到2.4° 仰角。其中2.4° 仰角上最為明顯，旋轉速度為18 m/s(單體離雷達距離90 km)，垂直延伸厚度小于風暴垂直尺度的三分之一，并維持了2個體掃，類似于中氣旋的結構特征，強回波對應的區域有風的徑向輻合。以上特征出現的時間、位置與冰雹出現的時間、位置較吻合。風場的氣旋式輻合有利于上升氣流的維持和增強，在有利的環流背景下形成了小冰雹。

圖6 2018-05-19T19：56 2.4°仰角徑向速度

5.4 垂直風廓線產品(VWP)

利用垂直風廓線產品分析這次冰雹天氣0～6 km的垂直風切變的演變。一般來說垂直風切變的大小和形成風暴的強弱有密切的關系。在滿足一定的熱力不穩定條件下，垂直風切變的增強將導致風暴的進一步加強和發展[10]。

從冰雹發生前后時刻的風廓線圖(圖7)可以看出，19：34低層有偏東風，0～6 km風速切變為6 m/s，5.2 km處有偏西氣流。19：39偏西氣流轉為西北氣流并厚度增加，高度下降至4.3 km，說明中層有干冷空氣入侵。19：44在4.6～8.5 km為一致的西南風，風隨高度逆時針旋轉有冷平流；低層0.3～0.6 km存在東風與南風的風向切變，風向隨高度順時針旋轉有暖平流；0～6 km風速垂直切變增加到10 m/s。這種上冷下暖的垂直差動平流造成的靜力不穩定層結和不斷增強的垂直風切變有利于強對流的發展，是激發此次冰雹天氣產生的重要環境條件之一，對應的19：48—19：53出現了第一時段冰雹。19：56在0.6～1.2 km之間風向順時針旋轉切變了180°，風速切變達4 m/s，0～6 km的風速切變繼續增大，達到了12 m/s，可以判斷此時出現強對流的可能性較大，對應的19：58—20：05出現了第二時段冰雹。20：07在0.6～1.2 km之間風向切變90°，高低層的風速切變減小到10 m/s，20：09—20：13出現了第三時段小冰雹。后期隨著中高層風速的減小和垂直風切變減弱，對流強度也開始減弱，冰雹結束。

圖7 2018-05-19冰雹出現前后垂直風廓線產品

垂直風切變的演變來看，這次冰雹過程0～6 km的垂直風切變最強時達到了12 m/s，屬于較弱垂直風切變，說明動力不穩定條件不足，不利于大冰雹的產生，這也是這次冰雹直徑小于2 cm的重要原因。

6 結論

(1)這次冰雹天氣發生在中亞低渦和東灌冷空氣的有利環流背景條件下。700～850 hPa中尺度切變線、中尺度地面輻合線以及對流不穩定條件共同促使冰雹天氣過程的發生發展。

(2)持續減小的SI指數、持續增大的K指數表明當時大氣層結變得非常不穩定，有利于強對流發生；強的溫度垂直遞減率、迅速增大的對流有效位能，為此次冰雹的出現提供了大氣不穩定條件。適宜的 0 ℃層和-20 ℃層的高度有利于冰粒的增長，從而形成冰雹。

(3)冰雹發生時雷達回波表現出冰雹單體反射率強、強回波持續時間長、回波頂高等特點，冰雹發生時VIL值發生躍變，這一變化規律對判斷冰雹的發生具有明顯的指示意義。在反射率因子垂直剖面圖上出現回波墻、懸垂回波以及弱回波區等冰雹特征結構。在徑向速度場中發現有中小尺度氣旋性流場存在，氣旋性輻合出現的時間、位置與冰雹出現時間、位置有較好的對應關系。

(4)通過對垂直風廓線產品分析可以得出，這次冰雹天氣發生在較弱的垂直風切變的環境條件下，不利于形成大冰雹，這也是冰雹直徑小于2 cm的原因之一。