一次強冰雹天氣過程的多源資料分析

魏 薇,李 靜

(1.呼和浩特市氣象局，內蒙古 呼和浩特 010000；2.包頭市氣象局，內蒙古 包頭 014000)

近年來，由于氣候環境的影響，呼和浩特地區雹災發生頻率逐年遞減，但2021年春夏以來，呼和浩特地區強對流天氣頻繁發生，降雹天氣過程較多，2021年7月5日呼和浩特市市區南部更是出現罕見的強冰雹天氣，致使當地房屋車輛和農作物等嚴重受損。除傳統氣象觀測資料之外，因為冰雹天氣過程發生發展迅速，且持續時間較短，局地性較強，筆者將新型探測資料應用于強對流天氣的分析和監測中。微波輻射計可以連續觀測強對流天氣時大氣中溫濕度、液態水含量等微物理量的變化，較常規探測來說補全了探測時間間隔較長和探測信息內容不全的問題，從而可以更完整清晰地分析強對流發生發展過程中各種微物理的變化特征。筆者利用地面及高空探測資料、當地微波輻射計資料等，對2021年7月5日呼和浩特市強冰雹天氣的發生環境背景條件、觸發機制、物理量變化特征等方面進行分析；利用新型資料對強對流發生時溫度、濕度、不穩定層結等進行分析，研究新型資料在強對流預警監測中的運用，為呼和浩特市今后冰雹天氣的臨近預報預警相關研究提供參考。

1 資料與方法

考慮到預報員日常工作的實用性及便利性，使用強冰雹發生當日08時MICAPS高空及地面資料，以及SWAN的雷達回波演變過程分析強冰雹天氣過程；利用呼和浩特市MWP967KV型地基微波輻射計觀測資料，MWP967KV型地基多通道微波輻射計在垂直方向的輸出廓線分為58層，地表到0.5 km高度的分辨率為50 m，500 m～2 km的分辨率為100 m，2 km～10 km的分辨率為250 m。該微波輻射計是新型綜合處理設備，可以實現多個通道同時連續探測大氣中微物理狀態的微波輻射，地面到10 km可以實現自動實時計算相對濕度、溫度、云水相態分布等多種大氣參數，同時可以監測地面氣壓、溫濕度、降水情況等基本要素，能夠較好地反映出大氣水汽的變化趨勢及量值的時空分布特征。

不穩定指數可以有效反應不穩定能量的情況，因而常用來判別強對流天氣的發生，筆者利用微波輻射計資料計算了K指數、SI指數兩種不穩定指數，利用微波輻射計反演計算公式如下:

K=T850-T500+Td850-(T700-Td700)

(1)

SI=T500-TS

(2)

2 天氣實況與環流背景

2021年7月5日14時至18時呼和浩特出現了一次強冰雹天氣，并伴有瞬時風力加大、降水出現，各旗縣區7個氣象觀測站中，有3站人工監測到冰雹，為近年罕見。因為該次強降雹天氣在市區持續時間相對較長，強度較大，觀測也更為清晰，所以本文僅分析市區發生的強冰雹天氣。

2021年7月4日20時500 hPa高空圖上，東亞大陸中高緯度為兩槽一脊環流形勢(圖略)，兩槽加深在貝加爾湖以南至蒙古地區及我國東北地區形成低渦，呼和浩特地區位于兩渦之間的脊區中，前期受不斷波動的小槽影響，呼和浩特市有分散性陣雨出現，為后續發生發展的天氣過程積累了一定的基礎濕度條件。2021年7月5日08時500 hPa高空圖上，蒙古冷渦東移減弱高空槽加強，貝加爾湖以南地區形成一個深厚的低槽系統，巴爾喀什湖東北部高壓脊向北經向發展，環流經向度加大，極區冷空氣沿脊前偏北氣流向高空槽中輸送，冷溫度槽落后于低壓槽，不斷有冷空氣沿西北氣流滲透，促使高空槽加強發展。同時受我國東北地區冷渦強度較穩定維持，且移動緩慢；西太平洋副熱帶高壓584線在黃淮一帶穩定維持，持續為呼和浩特市提供水汽。

該次冰雹產生過程中，低空急流也起了關鍵作用，700 hPa冷渦底部有西北風與西南風的切變，850 hPa冷渦底部也存在東北風與西南風的切變，低值系統深厚；呼和浩特位于低渦底部西南急流充沛的水汽中(最大風速13.6 m/s)，西南急流使近地面層增溫增濕，呼和浩特有明顯的暖中心，使大氣層結不穩定性增強。地面圖上，整個河套地區受地面氣旋控制，當日14時至17時呼和浩特市位于氣旋前部，存在明顯的地面輻合線，呼和浩特當天最高氣溫達到28 ℃，高層的干冷空氣疊加在低層暖濕空氣上，大氣層結處于不穩定狀態，這樣的高低空配置為強冰雹天氣的發生提供了有利的熱力和動力條件。

根據2021年7月5日08時探空圖分析，對流有效位能為330.6 J/kg，K指數為36.3 ℃，對流儲存能量較大，層結不穩定明顯，訂正下午14時的探空圖后，能夠看出對流有效位能增大，不穩定能量加強；0～6 km風切變達到2.4×10-2/s、風速差達到22 m/s；3 km風切變達1.2×10-2/s，為對流系統發展創造了條件。以上分析可得，中低層較強的垂直風切變和數值明顯增大的對流不穩定能量構成了該次強冰雹產生的有利環境條件。

3 微波輻射計探測資料演變特征分析

3.1 相對濕度演變特征分析

該次強冰雹發生前從微波輻射計相對濕度圖上(圖1)可以看出，2021年7月5日13:00—15:00，4 km～6 km中層呈現出相對濕度>90%，0～2 km近地層、6 km～10 km高層相對濕度在80%左右，0～10 km整層呈現出“上下干，中間濕”的3層結構；隨著降雹臨近整層相對濕度明顯下降，至16時左右降雹前，整層相對濕度數值又開始逐漸增加，降雹開始時3 km～6 km中層接近100%達到飽和狀態，2 km～3 km相對濕度接近90%，西南風急流帶來的暖濕空氣為低層提供了水汽條件，近地面水汽明顯匯聚；降雹結束后，大氣整層相對濕度明顯減小，仍呈現3層結構，這種形式有利于冰雹的產生，所以后期仍有可能發生冰雹天氣，但由于站點分布稀疏，故只能從雷達圖上監測分析出后期不停新生的強對流云團可能仍伴有冰雹出現。

在整個降雹過程中，大于8 g/m3的水汽密度集中在2 km以下，與2021年7月5日16:00時近地面層相對濕度出現增大的時間較為一致，在降雹前1 km處水汽密度超過12 g/m3，顯示大氣水汽飽和度較高。降雹發生時，2 km以下近地面處水汽密度也接近12 g/m3并且一直維持至結束，這是因為增大的冰晶逐漸下落到融化層時，冰晶融化液態水增加，近地層水汽密度增大。所以降雹結束后，2 km以下的水汽密度在逐漸減小。

圖1 2021年7月5日10時—6日0時微波輻射計相對濕度

3.2 0 ℃以下垂直液態水含量演變特征分析

過冷水含量是否充足可以決定冰雹的成長條件，垂直液態水含量的垂直廓線上顯示該次過程的演變情況：降雹前，2 km～5 km液態水含量在0.8 g/m3左右，2.8 km高度上出現最大值，0～2 km液態水含量在0.3 g/m3左右；降雹的同時伴有降水，大氣中液態水含量有所減小，2 km～5 km液態水含量均在0.7 g/m3左右,而0～2 km液態水含量為0.6 g/m3左右；過程結束后，2 km～6 km液態水含量基本恢復到降雹前的數值,而液態水含量0～2 km則下降到0.1 g/m3以下。大氣垂直液態水含量總體表現為“上下層小，中間層大”的特征。

分析計算-12 ℃～0 ℃層、-20 ℃～0 ℃層、-20 ℃以下層的累積液態水含量演變特征發現，垂直方向上0 ℃以下幾層累計液態水含量的數值大小基本一致，變化趨勢也基本一樣，峰值出現的時間與強冰雹發生的時間也較為一致。

3.3 不穩定指數特征分析

根據微波輻射計監測顯示，在降雹前1 h～2 h，4 km以下出現明顯的增溫，溫度增幅在10 ℃左右，-10 ℃和-20 ℃層也有小幅上升，0 ℃層在4.4 km、-10 ℃層在6.3 km、-20 ℃層在7.8 km左右，合適的0 ℃和-20 ℃層高度有利于雹胎生長；強冰雹發生前氣溫迅速下降，氣壓上升，這可能是由于地面冷空氣的逐漸侵入，導致地面氣壓迅速上升，16:00以后降雹開始，地面氣壓波動較大，而18:00以后地面氣壓趨于平穩。

圖2 2021年7月5日10時—6日0時微波輻射計K指數和SI指數監測

通過微波輻射計資料反演計算得到的K指數，可以指示出層結的不穩定度，本文利用K指數分析此次降雹過程的不穩定層結。由圖2可以看到，2021年7月5日白天開始呼和浩特的K指數就一直維持在30 ℃左右，降雹前14時至16時的K指數波動較頻繁，呈多個波峰波谷結構，出現的第一個明顯峰值超過40℃，表明這次冰雹天氣的大氣層結狀態一直處于不穩定，且變化迅速。在降雹開始的同時，K指數有一個明顯的躍增，達到另一個波峰(約為38 ℃)，之后緩慢遞減，遞減幅度較小，整體一直維持在34 ℃左右，直到降雹結束；結束后K指數迅速波動下降至30 ℃以下，但還是維持一個較高的值，為后期的降雹提供了有利的不穩定條件。

SI<0時，顯示大氣不穩定，負值越大，不穩定程度越大。SI指數的變化趨勢表明，在降雹前出現劇烈且頻繁的波動，但在降雹開始后緩慢下降，但整體態勢趨于平穩，降雹結束后又迅速上升，繼續呈波動幅度大、波動頻繁的情況，這樣的波動狀態為后期出現冰雹提供了有利的不穩定條件，見圖2。該次降雹結束后K指數下降與SI指數又恢復到降雹前的高值區，說明后期仍可能有冰雹產生，但強度較該次降雹可能會減小，結合后續雷達資料顯示，強回波區范圍及強度較前一次確有減弱。

4 結論

通過此次過程分析，該次降雹天氣發生在低層大尺度暖脊之中，對流層中高層高空槽加深加強使冷空氣入侵、低空急流加強等天氣系統的合理配置為觸發突發性冰雹提供了十分有利的天氣尺度背景條件。筆者利用微波輻射計觀測資料反演大氣相對濕度、溫度、液態水以及計算的不穩定指數，分析了2021年7月5日發生在呼和浩特地區的罕見的強冰雹天氣過程，主要有以下結論：

①這次冰雹天氣過程發生在蒙古冷渦減弱并入高空槽，使高空槽加深加強的背景之下，高空槽加深使干冷空氣更好地向河套地區輸送，并疊加在低層大尺度的暖脊上，低渦底部西南急流帶來充沛水汽的同時輸送了大量的暖空氣，使得大氣層結擁有很強的不穩定性。低層以及近地層充足的水汽，也為降雹提供了有利的環境基礎，而0～6 km整層深厚的垂直風切變，清楚的地面中尺度輻合線都為不穩定能量的觸發提供了有利條件。②根據微波輻射計監測顯示呼和浩特降雹臨近時，大氣整層相對濕度一直維持“上下干，中間濕”三層結構，這種結構有利于冰雹的發生；垂直液態水在降雹前中層明顯增長，臨近降雹回落至低值，降雹時近地層則隨著降水和冰晶下落至融化層后融化、蒸發，導致低層相對濕度、水汽密度均比降雹前有所增大，液態水含量也明顯增長，降雹后又迅速回落。同樣原因2 km以下水汽密度在降雹發生時一直維持在較高數值，降雹后明顯回落，這些對預報冰雹天氣的發生與增強均有一定的指示意義。③從微波輻射計反演得到的K指數和SI指數的不穩定演變來看，都可以顯示出該次強冰雹天氣的大氣穩定度變化情況。降雹前K指數波動幅度大頻率快，最高可以達到40 ℃以上，為冰雹的產生提供了有利的不穩定條件，降雹時K指數波動幅度小，但維持在一個較高的數值，說明此時大氣層結處于較不穩定狀態，降雹后K指數迅速下降至30 ℃以下。