塔里木盆地西緣兩次致災冰雹環境場和雷達特征對比分析

希熱娜依·鐵里瓦爾地，胡素琴*，瑪依熱·艾海提，毛子卿，尼加提江·買買提吐爾遜

（1.喀什地區氣象局，新疆 喀什 844000；2.塔什庫爾干縣氣象局，新疆 塔什庫爾干 845250）

冰雹作為由強風暴系統產生的強對流天氣，具有來勢兇猛、發展速度快、持續時間短、破壞力強等特點[1]，雖然是一種局部災害性天氣，但往往災害較為嚴重。周嵬[2]、劉德祥等[3]對我國西北地區冰雹氣候特征進行分析，給出了西北地區冰雹的時空分布特征，并得出西北地區冰雹呈現出明顯的局地性，這與當地特殊的地形和海拔密切相連。張桂蓮等[4]提出中高層干冷侵入是大氣不穩定性的重要條件，它與低層暖濕氣流疊加觸發對流。陳關清、陳軍等[5-8]對冰雹過程進行研究，發現強天氣前對流指數明顯增大，0 ℃層和-20 ℃層高度適宜，深層風切變加強；雷達徑向速度圖上有逆風區出現并伴有VIL值躍增。新疆不少學者也對南疆的冰雹天氣進行過大量的研究。黃艷等[9-10]對喀什地區冰雹的氣候特征進行分析，得出冰雹多出現在綠洲、戈壁交界處，冰雹出現概率由南向北依次遞增，伽師、英吉沙、岳普湖是春夏季冰雹頻發區，5—7 月為降雹多發季節，其中6月最多，秋冬季極少出現，總結了冰雹的3 類主要天氣分型，給出強冰雹對流參數指標。對比分析兩次強冰雹，指出強的垂直風切變、高懸的強回波、中氣旋等特征可以作為判斷強冰雹的參數。張云惠等[11]分析喀什地區兩次中亞低渦背景下產生的冰雹過程的環流背景、中尺度和物理條件，找出兩次冰雹環境場的異同點，為冰雹落區潛勢預報提供了參考依據。

上述研究主要側重于南疆西部強冰雹的雷達回波特征和環境條件分析，而對中等強度冰雹和小冰雹的形成機理、中小尺度特征的研究較少。據歷年災情直報系統統計發現，南疆西部大部分的中等強度冰雹，雖然直徑小，但持續時間長的情況下也能造成重大災害。故開展這方面的研究，對于提高冰雹短臨預報提前率，從而有效減小冰雹災害有一定的幫助。2018 年春末和盛夏喀什地區出現2 次冰雹天氣，與以往強冰雹過程相比，這兩次冰雹過程中低層風切變及雷達特征各項指標較強冰雹明顯偏弱，冰雹直徑均≤2 cm，屬中等強度冰雹，但由于冰雹持續時間長，且正處農事關鍵期，給當地農業、林果業帶來了嚴重損失。本文通過對這兩次冰雹天氣進行綜合對比分析，找出喀什地區春夏季冰雹產生的環境場及雷達特征的異同點，凝煉出預報指標，以期為今后同類冰雹天氣的短臨預報提供參考。

1 資料和方法

選取南疆西部喀什地區2018 年5 月19 日和7月29 日兩次冰雹天氣過程，利用常規氣象觀測資料、NCEP（1°×1°）再分析資料及雷達資料，從環流形勢、中尺度環境場、物理條件和雷達特征等方面進行對比分析。

2 冰雹實況對比

2018 年5 月19 日（簡稱“5·19”過程）18 時—20 日08 時（北京時，下同），喀什地區大部出現降雨，部分地區伴有雷電、短時強降水、冰雹等強對流天氣，有4 站出現暴雨，25 站出現大雨。19：48—20：13 岳普湖東南部出現冰雹，最大直徑15 mm。這次強對流天氣發生在春季農事關鍵期，導致當地農業、林果業受到嚴重災害，直接經濟損失406.76萬元。

2018 年7 月29 日（簡稱“7·29”過程）17 時—30日08 時，南疆西部出現了強對流天氣。阿圖什市和伽師縣多個鄉鎮先后遭受冰雹暴雨襲擊，共有12 站出現暴雨，22 站出現大雨。冰雹出現時段在19：05—19：57，最大冰雹直徑20 mm，積雹厚度近6～10 cm，這次冰雹天氣受災嚴重，造成農牧業、林果業直接經濟損失2 682 萬元。

兩次冰雹過程前期都有明顯降水，冰雹均在降水過程中出現，并伴有雷暴大風、短時強降水等強對流天氣。“7·29”過程的降雨強度明顯強于“5·19”過程；“7·29”過程冰雹持續時間、強度、冰雹最大直徑、雹災范圍、經濟損失均強于“5·19”過程，且冰雹落區偏北。

3 冰雹天氣環境場分析

3.1 環流形勢對比

“5·19”過程，冰雹發生前，500 hPa 中高緯度以“兩脊一槽”經向環流為主，烏拉爾山脊向東北發展，脊前西西伯利亞低槽受低渦后部偏北氣流南下補充影響分段成南北兩支，北支在東疆穩定維持，南支西退南壓與中亞槽合并成低渦，形成有利于南疆西部大降水的“東西夾攻”環流形勢，低渦前的西南氣流與烏拉爾山南下的冷空氣在塔什庫爾干附近匯合，逐漸東移進入南疆西部，造成岳普湖的冰雹。

“7·29”過程，冰雹發生前，500 hPa 中高緯度為“ 一槽一脊”的環流形勢，烏拉爾山高壓脊向東北發展，西西伯利亞至貝加爾湖為寬廣的低槽區，中亞低渦前部已進入南疆西部，喀什、克州處于槽前明顯的西南氣流中，伊朗副高發展強盛，588 線北伸至里咸海一帶；08—20 時中亞低渦減弱并快速向東北移過南疆西部上空，造成了阿圖什、伽師的冰雹。

3.2 中尺度環境對比

“5·19”過程，19 日08 時（圖1a），700～850 hPa受暖脊控制，500～850 hPa 溫度露點差＜7 ℃，說明中低層濕度條件較好，加上前期降水影響，南疆西部處于高濕環境。700 hPa 南疆西部上空有中尺度切變線。850 hPa 喀什至和田有風向輻合，自盆地中部有明顯偏東氣流吹向喀什，最大風速達12 m/s，有利于冷空氣東灌形成“冷池”。地面場上盆地受熱低壓控制，喀什偏北地區存在一條中尺度輻合線，岳普湖位于氣旋性輻合區內。18—19 時喀什北部為一致的西北風，東部為東風，為水汽的集中輻合提供了有利條件。19 日午后至傍晚，500 hPa 西北氣流攜帶干冷空氣南下到低層暖濕氣流之上，增強了層結不穩定，觸發了岳普湖的冰雹天氣。

“7·29”過程，29 日08 時（圖1b）700 hPa 喀什—和田、喀什—阿克蘇有中尺度切變線，500～850 hPa 溫度露點差＜5 ℃，中低層濕度大，水汽條件好，400 hPa 以上的溫度露點差＞20 ℃，大氣處于上干下濕的不穩定狀態，有利于對流的發展。從冰雹發生前的18—19 時區域自動站風場上可以看到，巴楚—伽師的偏東風與喀什—疏勒—英吉沙的西北風在伽師一帶輻合切變，冰雹出現在風場輻合區。

圖1 中尺度環境分析（a 為2018 年5 月19 日08 時；b為7 月29 日08 時；灰色陰影區為冰雹落區）

綜上，兩次冰雹過程都有切變線、輻合線等中尺度觸發系統，低層濕度條件好。冰雹發生在風場輻合區內。“5·19”冰雹在地面中尺度輻合線附近觸發、500 hPa 有干冷空氣侵入、850 hPa 有偏東急流輸送冷空氣，而“7·29”冰雹是在700 hPa 切變線附近觸發。

4 冰雹發生前物理條件分析

4.1 大氣穩定度和水汽條件對比

T850-500表示對流層中低層環境溫度隨高度的垂直遞減率，差值越大，表示“上干冷、下暖濕”垂直配置越強，大氣層結越不穩定，越有利于強對流的產生。兩次過程08 時T850-500均在28～30 ℃，14 時平原地區氣溫迅速上升，37°～40°N，75°～77°E 區域內T850-500值達30～34 ℃（圖2），其中冰雹落區岳普湖和伽師T850-500分別高達34、32 ℃，大氣熱力不穩定性加強。“5·19”過程T850-500更大，大氣層結更不穩定，更有利于強對流發生。

圖2 850 hPa 與500 hPa 溫度差T850-50（0單位：℃）（▲為冰雹落區，a 為2018 年5 月19 日14 時，b 為7 月29 日14 時）

假相當位溫θse的垂直分布能很好地反映大氣的對流不穩定性。一般來說，大氣層中假相當位溫隨高度降低，表明大氣層結不穩定，有利于強對流發生；而水汽在垂直方向上的分布也是影響大氣層結穩定度的一個重要因素。從兩次冰雹過程假相當位溫θse和比濕q的垂直分布（圖3）可知，兩次過程14時南疆西部平原400 hPa 以下θse隨高度減小，850～600 hPa 存在較強的高能鋒區，θse850-500分別為8、10 ℃，700 ～850 hPa 比 濕 分 別 為6 ～8 g/kg 和10～12 g/kg，說明兩次過程近地層高能高濕，而中層500 hPa 附近有明顯的低能舌伸向南疆西部，比濕在2 g/kg 左右，說明中層為干冷空氣。午后隨著地面溫度的升高，低層高能鋒區抬高，同時中高層的干冷空氣往南擴散，不穩定能量和水汽在θse高能鋒區動力強迫作用下向上輸送，為觸發冰雹天氣提供了較好的動力、不穩定和水汽條件。“7·29”過程在低層高能高濕、高能鋒區等變化上，比“5·19”過程偏強。

圖3 比濕q（實線，單位：g/kg）和假相當位溫θs（e彩色陰影，單位：K）沿77°E 的垂直剖面（灰色陰影為地形，▲為冰雹落區，a 為5 月19 日14 時，b 為7 月29 日14 時）

分析兩次冰雹當日08 時探空及14 時訂正探空對流參數（表1）得到，兩次過程08 和14 時的K指數、CAPE、SWEAT等均有明顯增大，SI指數明顯減小，而上述各項指數在14 時最強，表明午后南疆西部具有明顯的對流潛勢。對流指數在“7·29”過程明顯高于“5·19”過程，“7·29”過程午后對流潛勢更強。“5·19”過程中CAPE由08 時的0 J/kg突增到14 時的1 180 J/kg，“7·29”過程CAPE由08時的255.4 J/kg 突增到14 時的890 J/kg，冰雹發生前的14 時喀什上空有強的對流不穩定能量。另外，兩次過程08 時低層均有明顯的逆溫層，即低層有不穩定能量的累積，14 時后逆溫層破壞，不穩定能量釋放，強對流天氣爆發。“5·19”過程和“7·29”過程冰雹發生前的14 時SWEAT指數分別為269.6 和340，意味著“7·29”過程發生冰雹的可能性更大。

表1 探空對流參數

比較對流指數發現，兩次冰雹前大氣均表現為“上干冷、下暖濕”的不穩定層結，午后K指數、CAPE、SWEAT等強對流天氣參數均明顯增大，SI指數明顯減小。區別是兩次過程能量條件不同，“7·29”過程14 時訂正后的CAPE值比“5·19”過程小，但K指數、SI指數和強天氣指數SWEAT明顯強于“5·19”過程，因而產生的冰雹范圍和冰雹直徑更大。

4.2 特征層高度

0 ℃層和-20 ℃層高度是業務工作中識別冰雹云特征的主要參數，高度分別在600 和400 hPa 附近，且兩個特征層之間的厚度越小時，越有利于成雹[11]。

由表2 可知，“5·19”過程的0 ℃層高度為3 775 m，“7·29”過程為4 280 m，均在600 hPa 左右。兩次過程-20 ℃層高度分別為6 555、7 157 m，均在400 hPa 以下，這樣的高度使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達到該高度，為冰雹生成提供了豐沛的水汽條件[12-18]。7 月底正值盛夏，受副熱帶高壓影響，“7·29”過程的0 ℃層和-20 ℃層高度均比“5·19”過程高，因此產生的冰雹直徑比“5·19”過程的大。雖然“5·19”過程0 ℃層和-20 ℃層高度較低，但兩個特征層之間的厚度較小，表示大氣層結不穩定，仍有利于降雹[14]。兩次冰雹過程0 ℃層和-20 ℃層之間的厚度分別為2 780、2 886 m，均＜3 000 m，符合成雹條件。

表2 兩次冰雹過程當日08 時0 ℃層和-20 ℃層高度 m

4.3 中低層風切變

通過分析沿39°N 的0～6 km 的中低層風切變隨時間的演變，發現“5·19”過程（圖4a）19 日02 時的冰雹發生地岳普湖上空垂直風切變為6 m/s，隨后持續增強，14—17 時達到最強，為13 m/s，是中等強度風切變。由14 時風向的垂直分布（圖5a）可知，低層700～850 hPa 有東北風與偏西風的風向切變，風向順轉，中層700～500 hPa 風向隨高度逆轉，說明低層有暖平流、中層有冷平流，大氣處于上冷下暖的熱力不穩定狀態。特殊層分析顯示700～850 hPa 有不穩定層，因前期喀什地區出現少量降水，低層濕度較好，大氣轉為上層干冷、低層暖濕的狀態，說明此時大氣層結不穩定，有利于強對流的發生。

“7·29”過程（圖4b），08 時冰雹發生地伽師上空垂直風切變＞15 m/s，14 時達到最強，為19 m/s，是中等強度風切變。近地層風由南風轉為西北風（圖5b），順轉幅度不大，說明暖平流不強，700 hPa 以上為冷平流。T-lnP特殊層分析顯示地面到400 hPa 表現為深厚的濕層和不穩定層，而400 hPa 以上為干層，大氣層不穩定，為強對流的發生提供了不穩定條件。

圖4 沿39°N 的垂直風切變剖面（單位：m/s）（a 為5 月18 日20 時—19 日20 時，b 為7 月28 日20 時—29 日20 時）

圖5 5 月19 日14 時（a）與7 月29 日14 時（b）訂正探空資料

5 雷達回波特征對比分析

5.1 回波形態

“5·19”過程的雷達反射率因子圖（圖6a）上，18：03 在岳普湖東部和西南部形成＞45 dBZ 回波單體，周邊不斷有強對流回波單體生成并發展，19：22—19：44 在岳普湖—伽師東部形成由多個強對流單體合并組成的具有高反射率因子梯度的多單體線性強風暴，其中位于岳普湖東南方向的單體發展最強，強度超過55 dBZ，19：56 回波強度達61 dBZ，岳普湖出現冰雹。

“7·29”過程的雷達基本反射率因子圖（圖6b）上，17：52 阿圖什上空及伽師縣北部50 km 處分別出現兩個強回波單體，回波單體不斷發展增強、面積擴大，在阿圖什—伽師東北部形成帶狀回波，19：00—19：52 伽師西北方向的強回波單體繼續發展加強，并在強西北氣流的作用下向東南移至克州與伽師的西北邊界，發展成多單體強風暴，最強回波強度達65 dBZ，此時間段內阿圖什市、格達良鄉及伽師縣夏阿瓦提鄉、克孜勒蘇鄉先后出現冰雹，最大冰雹直徑達20 mm。

圖6 5 月19 日19：56 反射率因子（a）、7 月29 日19：36 反射率因子（b）

5.2 反射率因子剖面特征

“5·19”過程最強回波中心反射率因子的任意方向垂直剖面圖上，呈現出懸垂回波、回波墻、弱回波區等回波結構特征（圖7a），表示風暴具有降雹的潛勢。懸垂回波位于離地面6 km 處，其下為弱回波區。60 和55 dBZ 以上強回波中心高度分別達到4.4、8 km，超過了當日0 ℃層（3 775 m）和-20 ℃層（6 555 m）高度，這種結構有利于冰雹的形成。同時4 km 以下超過60 dBZ 強回波已接地，表示已經降雹。

“7·29”過程回波最強時次的反射率因子垂直剖面圖上，可以看到冰雹云體傾斜結構和懸垂回波、弱回波區等冰雹云特有的特征（圖7b）。弱回波區之上的高懸回波在7 km 高度，懸垂特征比“5·19”過程更明顯，60～65 dBZ 強回波高度接近8 km，遠遠超過當日-20 ℃層（7 157 m）高度。中低層強度超過70 dBZ強回波已接地，伽師出現了直徑20 mm 的冰雹。

圖7 最強回波位置反射率因子的任意方向垂直剖面（a 為5 月19 日19：56，b 為7 月29 日19：36）

5.3 基本徑向速度特征

“5·19”過程，19：56 在1.5°～4.3° 仰角的徑向速度圖上有明顯的中小尺度輻合特征，在2.4°上最明顯（圖8a），雹區附近有正負速度的徑向輻合氣旋，并持續了2 個體掃的時間。該氣旋直徑＜10 km，從1.5°仰角伸展到2.4°仰角，旋轉速度為18 m/s。19：48—20：13 在雹區附近觀察到有風場的氣旋式輻合，有利于上升氣流的維持和增強，為冰雹的增長和持續提供了有利的條件。

“7·29”過程，距離雷達65 km 處1.5°～6.0°仰角的徑向速度圖上，19：05—19：52 有5 個體掃出現具有類似于中氣旋特征的風暴結構，19：36 在1.5°仰角最為明顯（圖8b），此風暴垂直伸展高度為5.4 km，1.5° 仰角旋轉速度為20 m/s，2.4°仰角上旋轉速度為15 m/s，不滿足中氣旋的判別條件，故判定為弱切變。3.4° 仰角上冰雹出現前的5 個體掃清晰地看到有逆風區存在，逆風區附近有正負速度的輻合氣旋。

圖8 5 月19 日19：56 時2.4° 徑向速度（a）和7 月29 日19：36 時1.5° 徑向速度（b）

5.4 垂直累積液態含水量變化

對比分析兩次冰雹過程的VIL的變化，發現兩次過程在冰雹發生前后均出現VIL值躍增和迅速減小等現象，其中“7·29”過程VIL值大小、躍增幅度、峰值持續時間均大于“5·19”過程。

“5·19”過程19：28VIL值為18 kg/m2（圖9a），19：44 達到最大值38 kg/m2，VIL峰值維持了2 個體掃的時間，隨后迅速減小，20：01 降到28 kg/m2，VIL迅速增大和減小期間岳普湖出現冰雹。

“7·29”過程VIL值出現兩次明顯的躍增（圖9b），第一次為19：05—19：10，VIL由18 kg/m2躍增到39 kg/m2，1 個體掃增幅為20 kg/m2，這時阿圖什格達良鄉開始降雹；第二次為19：10—19：16，VIL由39 kg/m2躍增到48 kg/m2，并維持6 個體掃的時間，19：31—19：36 達到峰值為53 kg/m2，大VIL值維持時間段內阿圖什、伽師先后出現了冰雹。

圖9 2018 年5 月19 日19：28—20：07（a）與7 月29 日19：05—19：57（b）VIL的演變

6 結論

利用常規資料、NCEP（1°×1°）資料和雷達資料，對比分析了塔里木盆地西緣兩次致災冰雹的環境場和雷達特征，得出如下結論：

（1）兩次冰雹天氣的中高緯度環流經向度大并有中亞低渦配合，前期出現明顯降水。但中亞低渦的強度和南伸的位置不同，“5·19”過程中亞低渦南伸較明顯，并有東灌冷空氣的配合。“5·19”過程低層觸發系統為地面中尺度輻合線、低層切變線和低空偏東急流，“7·29”觸發系統為700 hPa 切變線。

（2）兩次冰雹過程均由中高層干冷空氣向南擴散疊加在低層暖濕氣流之上，形成不穩定層結；午后中低層環境溫度直減率增大，大氣不穩定性加劇，中低層濕度大，水汽充沛，冰雹均發生在θse高能區附近。“7·29”過程在低層高能高濕、高能鋒區等變化上比“5·19”過程強。中低層環境溫度直減率變化幅度“5·19”過程比“7·29”過程大，“5·19”過程冰雹區14時達34 ℃，這在春季罕見。

（3）兩次過程冰雹發生前各項強對流參數明顯增大，尤其CAPE指數突增明顯，“5·19”過程由0 J/kg突增到1 180 J/kg，不穩定能量明顯比“7·29”過程強，但K、SI、SWEAT等強對流指數“5·19”過程小于“7·29”過程。兩次過程的0 ℃層和-20 ℃層高度差異較大，但兩層之間的厚度相當，有利于形成冰雹。

（4）兩次冰雹均在中等強度垂直風切變條件下產生的小冰雹，跟以往研究不同的是，由于中等強度風切變的長時間維持，使得冰雹持續時間較長，帶來的災害較為嚴重，所以在往后的預報服務中應引起關注。

（5）兩次冰雹均由多單體風暴產生，反射率因子剖面圖上出現弱回波區和懸垂回波，≥50 dBZ 的強回波伸展高度遠超過-20 ℃層高度；徑向速度均有中小尺度輻合特征；VIL值均有躍增，表明雹云內部較大的雹粒已形成，冰雹粒子濃度增加，對冰雹的臨近預報有指示意義。“7·29”過程VIL大值及其維持時間明顯較“5·19”過程偏強，這也是“7·29”冰雹持續時間更長的一個重要原因。