桃仙機場2005—2021年冰雹情況統計分析

張 玉，王程昱

遼寧省民航東北地區空中交通管理局氣象中心，遼寧沈陽 110069

冰雹天氣對民航業影響重大。在飛機飛行時，一旦進入冰雹區域，那么冰雹和飛機撞擊就會對飛機造成巨大的損傷。而在地面的飛行器、監測設備等也會受到冰雹的影響，造成一定損失[1]。因此，對冰雹天氣的觀測和預報有著重大的意義。通過2005—2021年桃仙機場地面觀測簿中記錄的冰雹天氣，利用歐洲中心小時再分析數據，統計分析了這17年的冰雹天氣，試圖從中找到一定規律，為日后冰雹天氣的預報、預警提供一定依據。

1 地面數據分析

2005—2021年間，桃仙機場共出現26次冰雹天氣，平均每年出現日數1.53次，而在1990—2015年桃仙機場氣候志中記載，冰雹年出現平均日數為1.1次，即近17年冰雹日數是有所增加的。從月統計情況看，桃仙機場冰雹主要出現4—6月和8—10月，這也是桃仙機場雷暴天氣主要出現的月份（圖1）。7月并未出現冰雹，歷史平均也僅有0.1次，但7月雷暴平均日數達到6.4次（1990—2015年），說明7月是對流發展頻繁的月份，只是發展并不旺盛，且溫度相對較高（平均溫度24.4℃，為各月最高），冷空氣不足以至于零度層溫度較高，不利形成冰雹[2]。4月、8月、9月和10月次數較少，均在3次或3次以下，從1990—2015年平均來看，也都住在0.2次以下，與往年基本相符。5月和6月出現次數較多，從歷年平均（1990—2015年）來看，5月平均0.2次，6月平均0.4次，而計算到2017年，5月和6月應該分別累計出現3.4次和6.8次，但實際上5月共出現11次，6月共出現6次，說明6月與此前冰雹水平基本一致，5月則是遠遠超出了此前26年（1990—2015年）的平局水平。比較溫度情況發現，2005年以來，歷年5月平均溫度呈現逐漸走高的趨勢。由于冰雹是一種強對流天氣的表現形式，需要溫度層結達到一定高度和大量的能量累積，因而5月溫度的適當升高，尤其是冰雹發生前，有利于強對流天氣和冰雹的發生[3]。

圖1 2005—2021年冰雹日數累計分析

通過對比各次冰雹發生時間，冰雹發生的時間大部分集中在02:00～12:00（UTC，以下均是），即夏日能量累積升溫的最大可能時段（圖2）。冰雹發生的平均時間在08:24，在去除23:59和17:06兩個偏離較大的極值后，平均時間為07:23，與夏日午后雷暴高發的情況相符，也說明白天的日照升溫與能量累積具有加深對流的作用。再看持續時間，從圖2中看出，大部分冰雹過程持續時間較短，時間最長為2005年4月24日，時間長達22 min；最短的則持續不到1 min，且多次發生。將持續時間不足1 min的按照0.5 min計算，得出平均持續時間約為6.15 min，去除極大值和極小值，平均時間在5 min?？梢钥闯觯⑵毡槌掷m時間較短，平均為5～6 min，極值情況也在30 min以下，大部分發生在午后至傍晚。

圖2 冰雹起止時間對比

比較冰雹發生前后的溫度變化，取冰雹發生前、發生時（最接近的整點）以及發生后的整點數據，得到圖3。從中可以看出，幾乎每次冰雹發生都伴有明顯的降溫過程，平均每次過程降溫4.2℃，最大降溫達到8.9℃，發生在2020年10月21日。這表明冰雹過程往往伴有冷空氣的入侵，隨著溫度降低，場面氣壓有所升高，這些也在地面實況中有所體現。結合冰雹時間分析，降溫幅度小于2℃的過程，其持續時間均小于3 min，共發生7次，其中伴隨天氣小雨3次，中雨4次，未出現大雨。而整個26次冰雹過程，伴隨天氣大雨4次，中雨15次，小雨7次，說明無論持續時間長短，伴隨中或大的降水的可能性較大，達到73.1%，而降溫不明顯的冰雹過程，出現中雨的概率則有所降低。所有7次伴隨小雨的冰雹過程，除了2005年4月24日長達22 min，2005年5月21日持續12 min，但是伴隨出現中等強度冰雹，也可歸在中等降水范疇，其他5次持續時間均小于4 min，其中2次不大1 min。這說明雨強小，冰雹的持續時間也會相應較小。

圖3 冰雹前后溫度對比

比較每次冰雹過程的地面風的變化，可以得出在這26次過程中，發生轉風（風向變化大于60°）情況19次，未明顯轉風7次。在轉風的過程中，6次最后轉向了東北風，1次西北風，7次東南風，2次西南風，1次西風，2次風向不定。由此可知，冰雹過后，風向主要在東北風或東南風，也有系統由西向東經過本場的主要環流形勢相符。從風速看，12次過程有風速轉大，8次轉小，6次無明顯變化。且在冰雹發生時的整點數據顯示，冰雹發生時風速較大，其中5次達到8 m/s或以上的風速，平均風速為5.1 m/s，大于冰雹發生前（4.3 m/s）和發生后（3.8 m/s）的平均風速。說明冰雹發生時，大部分情況會出現風向的轉變，轉后以東南風或東北風為主，冰雹發生時風速較大，對流最強。

2 再分析資料分析

利用歐洲中心1 h再分析資料，取冰雹發生時最接近時刻的整點數據，在41.3°N，110°～130°E位置做剖面（桃仙機場位置41°N、123°E），顯示風、溫度、濕度數據，由于圖片較多，選取其中較為有代表性的幾次過程展示（圖4）。

從26次剖面圖中來看，除2014年6月12日過程外，其余25次過程在剖面圖的中低層均顯示出明顯的南北風切變，說明大部分過程都是有槽脊配合的深厚過程，中低層復合線的建立為雷暴冰雹過程提供了觸發機制[4]。分析26次過程的溫度線，發現零度線的位置18次集中在700～800 hPa，7次在650 hPa附近，1次過程由于發生在10月30日，零度線降至900 hPa附近。而無論溫度線層結如何分布，在南北風切變區域，800 hPa附近的溫度線都會有明顯向下的波動，即使沒有切變的過程，800 hPa附近的10℃線也有弱波動，說明溫度的突然降低，與冰雹的產生有著較大相關性[5]。原因可能是冰雹過程本身是冰（冰雹）、水（降雨）同時發生，系統內部伴有強烈的對流，而上升氣流無法承托冰雹，則會在下落過程中融化一部分，而融化過程是吸熱過程，因而會造成溫度下降。而冰雹過程短暫且范圍不大，因而在剖面上表現為很窄一段溫度下降帶，而這一融化降溫過程，主要發生在600 hPa以下，且在800 hPa表現較明顯，因而800hPa附近溫度的變化可以作為冰雹發生的判斷依據之一。

繼續對這26次冰雹過程做渦度剖面，取2005年6月21日12:00和2018年4月10日為例展示，如圖5所示：

圖5 冰雹過程剖面圖

從這26次冰雹過程的渦度剖面圖可以看出，每次冰雹過程中，在200～400 hPa的 高 層 附 近 均 存在正的渦度極值中心，中心極值在0.00015～0.0003 s-1，個別情況極值區在500 hPa附近，極值大小亦有波動，但大部分都符合此規律。而一般在正渦度極值區東側低層，存在負渦度極值區，中心值在-0.0001～-0.0002 s-1，高度在800～900 hPa，此高度正是溫度線突然向下波動區域，說明高層強烈輻合，卷吸大量水汽至高層凝結，在不斷的上下對流過程中，冰晶增大至無法承托，墜向地面，部分融化降溫，其余繼續向下沖擊，并伴隨大量氣流向下輔散，進而形成如此形勢[6]。強烈的對流，合適的溫度層結，都是冰雹產生的重要因子。

3 總結

（1）在2005—2021年近17年中，冰雹主要出現在5月、6月，其中5月最多，冰雹發生在07:00～08:00之間（UTC），持續時間平均為5～6 min。

（2）冰雹過程平均降溫4.2℃，降溫小于2℃，則持續時間小于3 min；冰雹往往伴隨中到大雨，但雨強小，持續時間小于4 min。

（3）冰雹發生時，大部分情況會出現風向的轉變，轉后以東南風或東北風為主，冰雹發生時風速較大，對流最強。

（4）零度線的位置主要集中在700～800 hPa，800 hPa附近溫度線有溫度突然向下波動。

（5）在200～400 hPa的高層附近，均存在正的渦度極值中心，其東側低層，存在負渦度極值區，高度在800～900 hPa。渦度和溫度變化統一，與系統垂直結構有關。