黔南州冰雹天氣物理量特征分析

趙 杰,羅喜平,莫乙冬,黃麟媛,羅 雄

(1.貴州省黔南苗族侗族自治州氣象局,貴州 都勻 558000;2.貴州省人工影響天氣辦公室,貴州 貴陽 550081)

0 引言

冰雹是常見的災害性天氣之一,常常伴隨著狂風、暴雨等其他天氣過程,給各行各業以及人民生命財產帶來巨大損失。冰雹的防御,提前預報預警很重要。冰雹的短時臨近預報主要依賴于雷達、衛星等觀測手段,但由于雷達、衛星等觀測資料臨近外推預報時效性的限制,冰雹預報仍然要依賴于環境條件的識別。針對冰雹預報問題,不同的學者對相應地區的冰雹物理量特征進行了研究[1-6]。貴州也有大量學者對冰雹的氣候特征進行了分析[7-10]。也有學者圍繞冰雹的雷達特征[11-13]、探空資料的應用[14]等開展了研究。目前黔南州的冰雹研究多為個例的研究[15-17]以及對農業的影響分析[18],對于冰雹預報預警的物理量指標研究鮮有涉及。黔南州作為“中國天眼”FAST所在地,冰雹的提前預報預警以及防御工作尤為重要。曹艷察等[19]將中國海拔<3 km的地區以1 km為界,分為一級階梯(<1 km)和二級階梯(1～3 km),并得出一級階梯冰雹出現在具有更不穩定的層結結構、更多不穩定能量、更多水汽含量以及更強的垂直風切變環境中。黔南州地處云貴高原東南部向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,地勢北高南低,海拔最高1961 m,最低242 m,橫跨2個階梯,很有必要開展物理量特征研究。本文利用1999—2021年貴州黔南州冰雹資料進行分析,旨在找出黔南州冰雹天氣的物理量閾值,為黔南州冰雹天氣的潛勢預報提供科學參考,并為冰雹預報準確率的提高奠定基礎。

1 資料與方法

1.1 資料

普查1999—2021年黔南州12個氣象站(都勻、甕安、福泉、貴定、龍里、惠水、長順、羅甸、平塘、獨山、荔波、三都)冰雹觀測資料,規定:1 d中(20—20時,北京時,下同)州內有1個氣象站出現冰雹定為1個冰雹日。23 a黔南州共計發生了121個冰雹日,本文選取其中探空資料完整的115個冰雹日開展物理量特征分析,其逐月分布如表1。對于白天(08—20時)發生的冰雹,選取當天08時的探空資料,對于夜間(20時—次日08時)發生的冰雹,選取20時的探空資料。由于CAPE日變化大,故需對08時探空資料中的CAPE值采用當天14時的地面溫度和露點溫度進行訂正。結合黔南冰雹路徑分析[20],冰雹云均自西向東影響黔南州,故本文采用冰雹云上游的貴陽探空站進行統計,提取影響黔南州冰雹天氣的物理量。

表1 黔南州1999—2021年115個冰雹日逐月分布

1.2 方法

日常業務中預報員通常使用MICAPS軟件分析高低空資料制作冰雹預報,故本文也采用MICAPS中能及時獲取的19個探空物理量資料進行統計分析。其中選取沙氏指數(SI)、抬升指數(LI)、K指數(K)、850 hPa與500 hPa溫差(△T850-500)、700 hPa與500 hPa溫差(△T700-500)5個物理量分析層結穩定度特征值,選取0～3 km風矢量差(SHR3)、0～6 km風矢量差(SHR6)、對流有效位能(CAPE)、對流抑制能量(CIN)、地面2 m溫度(T2m)、強天氣威脅指數(SWEAT)6個物理量分析熱力與動力條件,選取850 hPa比濕(q850)、700 hPa比濕(q700)、整層可降水量(PW)、850 hPa溫度露點差(T850-Td850)、700 hPa溫度露點差(T700-Td700)5個物理量分析水汽特征值,另外對0 ℃層高度(H0℃)、-20 ℃層高度(H-20℃)及-20 ℃與0 ℃層的高度差(△H-20℃-0℃)等3個特征高度層進行統計分析。

本文采用Python對數據進行處理,并繪制相關的分布圖,主要利用箱線圖[21]來分析各物理量的總體特征,箱形上部框線為75%上四分位值,下部框線為25%下四分位值,箱中黑橫線為中位數,黑三角形為平均值,箱外黑點為異常值。箱線圖能直觀反映數據變化趨勢,判斷異常值的標準以四分位數和四分位距為基礎,四分位數具有一定耐抗性,識別結果更加客觀[22]。

2 物理量特征分析

水汽、不穩定和抬升條件通常被稱為雷暴生成三要素,即對流發生的必要條件和充分條件[23],本文從以上冰雹發生的三要素入手,分析冰雹發生前各物理量特征。

2.1 物理量總體趨勢

2.1.1 層結穩定度 沙氏指數(SI)與抬升指數(LI)是指氣塊絕熱上升至500 hPa時,氣塊的溫度與環境溫度的差值,表明了大氣層結的穩定性,其值為負則表明不穩定;K指數反應中低層溫濕分布對穩定度的影響[23];△T850-500與△T700-500表示大氣的靜力穩定度狀況,是預報強對流天氣常用的物理量[24],其值越大,代表條件不穩定性越強[25]。從貴陽站層結穩定度各物理量箱線圖(圖1a)可以看出,黔南發生冰雹前貴陽探空SI基本在-2.25～4.75 ℃,中位數為-0.37 ℃;LI基本在-2.46～3.67 ℃,中位數為-0.58 ℃;K指數基本在23～37 ℃,中位數為33 ℃;△T700-500基本在15～18.5 ℃,中位數為17.2 ℃;△T850-500基本在21～27 ℃,中位數為24.2 ℃。由此可以看出,SI在-2.25～4.75 ℃、LI在-2.46～3.67 ℃時較容易發生冰雹,但二者中位數均為負,表明黔南州冰雹發生前其值多為負值,負值更利于冰雹的產生。K指數在23～37 ℃,△T700-500在15～18.5 ℃,△T850-500在21～27 ℃時黔南州發生冰雹的可能性較大,其中當K指數、△T700-500、△T850-500分別超過33 ℃、17.2 ℃、24.2 ℃時更有利于冰雹的產生。

圖1 貴陽站各物理量箱線圖:層結穩定度(a)、動力與熱力(b,c)、水汽(d)、特殊高度層(e)

2.1.2 熱力、動力條件分析 對流有效位能(CAPE)可以恰當地表示出對流發展的潛勢和可能達到的強度,它與對流抑制能量(CIN)一起是深厚濕對流發生潛勢和潛在強度的一個重要指標[25];中低層垂直風切變的大小與形成風暴的強弱密切相關;強天氣威脅指數(SWEAT)反映了不穩定能量、風向風速垂直切變對風暴強度的綜合作用;地面溫度(T2m)通常與不穩定能量的聚集及觸發有關。熱力與動力條件箱線圖(圖1b～1c)反映了黔南州冰雹天氣過程的這些物理量的變化特征。SHR3基本在11.1～19.1 m·s-1,中位數14.7 m·s-1;SHR6基本在17.3～28.8 m·s-1,中位數23.1 m·s-1;T2m基本在12.1 ～20.5 ℃,中位數16.9 ℃;SWEAT基本在150～337,中位數為233.8;CAPE基本在8～1436 J·kg-1,中位數565.8 J·kg-1;CIN基本為0 J·kg-1,中位數為0 J·kg-1。由此可見SHR3在11.1～19.1 m·s-1,SHR6在17.3～28.8 m·s-1,T2m在12.1～20.5 ℃,SWEAT在150～337時較利于冰雹的出現,當它們分別達到14.7 m·s-1、23.1 m·s-1、16.9 ℃、233.8時,更有利于冰雹的出現。CAPE較低時,依然能產生冰雹,但是超過566 J·kg-1更有利于冰雹的出現。CIN無箱體,表明出現CIN的次數較少,發生冰雹前大多無對流抑制能量的出現。

2.1.3 水汽條件 水汽條件中,比濕(q)表示單位質量濕空氣內的水汽質量,溫度露點差反映空氣的飽和程度,整層可降水量(PW)是表征大氣中水汽含量的重要指標[26]。從水汽條件箱線圖(圖1d)可見,q700基本在5.3～8.4 g·kg-1,中位數為6.8 g·kg-1;q850基本在7.4～13.2 g·kg-1,中位數為10.6 g·kg-1;PW基本在19.7～31.0 mm,中位數25.1 mm;T850-Td850基本在1.1～4.4 ℃,中位數2.0 ℃;T700-Td700基本在1.9～6 ℃,中位數3.5 ℃。由此可見q700在5.3～8.4 g·kg-1,q850在7.4～13.2 g·kg-1,PW在19.7～31.0 mm時,黔南州發生冰雹的可能性較大。當它們的值分別上升至6.8 g·kg-1、10.6 g·kg-1、25.1 mm時,更有利于冰雹的出現。從溫度露點差可以看到,冰雹發生前850 hPa基本為濕層,700 hPa干層或濕層都能出現冰雹,但多為濕層,表明冰雹發生前對水汽條件要求不是很高,低層有充足的水汽就可以產生冰雹,當850 hPa與700 hPa的溫度露點差分別低于2.0 ℃、3.5 ℃時更有利于冰雹的出現。

2.1.4 特征高度層 冰雹發生在0 ℃層和-20 ℃層高度適宜的情況下,因為0 ℃等溫線和-20 ℃等溫線之間的區域主要由過冷水滴、雪花及冰晶組成,這個區域是冰雹生成的雹源區[27]。本文分析了0 ℃層、-20 ℃層及兩者的高度差(圖1e),冰雹發生前H-20℃基本在6854～7866 m,中位數為7288.9 m;H0℃基本在3858～4789 m,中位數為4272.7 m;△H-20℃-0℃基本處在2881～3264.6 m,中位數為3074.5 m。由此可見H-20℃在6800～7900 m,H0℃在3800～4800 m,△H-20℃-0℃在2800～3300 m時,黔南州出現冰雹的可能性較大,其值分別在7288.9 m、4272.7 m、3074.5 m附近時,更有利于冰雹的發生。

2.2 物理量逐月特征

通過分析不同物理量逐月箱線圖可以發現,隨著季節的變化,氣溫隨之發生變化,物理量參數也會有明顯的調整,大部分物理量的月變化較大,因此在得到總體特征的基礎上進一步對逐月的物理量特征進行分析,對黔南州的冰雹潛勢預報提供更有意義的參考。

2.2.1 層結穩定度 由SI與LI的定義可知,SI(圖2a)與LI(圖2b)具有近乎相同的變化趨勢,SI與LI在1—5月呈現下降趨勢,7—9月基本穩定在0 ℃以下,11月開始上升,觀察2種指數的中位數變化發現,11月、1—2月中位數明顯在0 ℃以上,3月下降至0 ℃附近,4—9月中位數均在0 ℃以下,秋冬季節2種指數的中位數在0 ℃以上,可能因為在此期間貴州多受靜止鋒影響,鋒面逆溫的出現導致SI與LI無意義[28]且正值居多;K指數(圖2c)在1—3月基本穩定,4月、5月開始明顯上升,7—9月基本穩定在36～42 ℃之間,11月開始下降,結合K指數公式(1)分析其原因,可能是因為低層水汽含量秋冬季節比春夏季節低、氣溫也較低;△T700-500(圖2d)主要在14～20 ℃之間;△T850-500溫差(圖2e)1—2月稍低在15～24 ℃之間,2月后總體穩定在21～27 ℃之間?？偟膩砜创杭镜拇髿鈱咏Y穩定度逐漸趨于不穩定,夏季維持,秋冬季節層結逐漸趨于穩定。

圖2 貴陽站SI(a)、LI(b)、K(c)、△T700-500(d)、△T850-500(e)逐月箱線圖

2.2.2 動力、熱力條件 對黔南冰雹日的天氣影響系統進行分析,黔南發生冰雹天氣前,500 hPa多為高空槽前西南氣流,即中層主要為偏南急流,低層在冬季易受冷空氣影響偏北風較多,表現在箱線圖上為SHR3(圖3a)與SHR6(圖3b)在1—9月基本呈現下降趨勢,11月略有上升;T2m(圖3c)分布較為分散,但是整體呈現出春夏季溫度較高,秋冬季較低的特點;2—4月及11月CAPE值(圖3d)在400 J·kg-1以下的次數較多,表明春秋季能量較低時仍然有較大概率出現冰雹,但是總體大部均在400 J·kg-1以上,表明能量高有利于冰雹的出現;CIN(圖3e)基本無箱體,且出現對流抑制的個例較少,表明大部分冰雹過程無對流抑制能量的出現,3—5月出現對流抑制能量次數較多,但主要集中在140 J·kg-1以下,表明冰雹發生前有一定的對流抑制,在觸發條件足夠時仍然能出現冰雹天氣;SWEAT(圖3f)在1—5月基本呈現出上升趨勢,11月明顯下降,從公式(2)上分析原因為層結越不穩定,低層南風風速越大時SWEAT越大,春夏季節隨著溫度的升高,不穩定能量增加,南風增強,因此箱線圖上出現了先升后降的趨勢?？偟膩砜?春夏季節動力條件呈現減弱趨勢,秋冬季節有所加強,熱力條件春夏季節呈現上升趨勢,秋冬季節有所減弱。

圖3 貴陽站SHR3(a)、SHR6(b)、T2m(c)、CAPE(d)、CIN(e)、SWEAT(f)逐月箱線圖

2.2.3 水汽條件 比濕(圖4a～4b)與整層可降水量(圖4c)的變化趨勢基本一致,1—8月基本呈上升趨勢,850 hPa比濕從4 g·kg-1左右升至15 g·kg-1左右,700 hPa比濕從4 g·kg-1左右升至9 g·kg-1左右,整層可降水量從16 mm左右升至45 mm左右,11月均明顯下降,這可能與季風北抬,偏南風建立,北部灣水汽輸送通道建立有關;因為冰雹發生前低層需要有豐富的水汽,所以溫度露點差(圖4d～4e)的逐月變化不是很大,850 hPa和700 hPa多數處于飽和狀態,但春季700 hPa為干層的次數相對較多,表明其他季節黔南發生冰雹時對700 hPa的飽和程度要求較高?？偟膩砜?春夏季節大氣絕對濕度逐漸增加,秋季明顯下降,冬季較為穩定,相對濕度總體較為穩定。

圖4 貴陽站q850(a)、q700(b)、PW(c)、T850-Td850(d)、T700-Td700(e)逐月箱線圖

2.2.4 特殊高度層 1—7月,隨著溫度的升高,H-20℃(圖5a)與H0℃(圖5b)呈現出逐漸增高的趨勢,H-20℃從6200 m逐漸升至8600 m,H-0℃從3000 m逐漸升至5000 m,8—11月開始呈現出下降的趨勢,-20 ℃層從8600 m降至6200 m,0 ℃層從5000 m降至3500 m,兩者之間的高度差(圖5c)較為穩定,基本集中在2800～3600 m之間,但是降雹最多的3—4月高度差最小。總的來說,春夏季節特殊高度層的高度逐漸上升,秋冬季節有所降低,但二者之間的高度基本穩定。

圖5 貴陽站H-20℃(a)、 H0℃(b)、 H-20℃-0℃(c)逐月箱線圖

3 物理量閾值研究

3.1 逆溫層對各參數的影響

根據黔南州冰雹天氣環流分型的研究,高架雷暴型及冷鋒低槽(切變)型為主要的環流型,期間中低層有鋒面逆溫影響,受干冷空氣影響,中低層大氣溫度及地面溫度(T2m)將明顯下降,特殊高度層(H0℃、H-20℃)也會下降,且溫度垂直遞減率(T850-T500)明顯減小,低層相對濕度降低,低層形成穩定層結[11]使得CAPE對整層的不穩定能量反映偏低。朱乾根等[28]研究表明中低層存在鋒面或逆溫層時,則SI無意義,LI與SI僅為抬升層不同,同樣LI也將無意義, 同時K指數見公式(1)中第1、第2項受逆溫層影響明顯,SWEAT見公式(2)、總指數見公式(3)受溫度垂直遞減率影響較大。由此可見,中低層逆溫會對某些物理量產生較大的影響,本文重點研究850～700 hPa之間的逆溫層對物理量的影響。

K=(T850-T500)+Td850-(T-Td)700

(1)

SWEAT=12×Td850+20×(TT-49)+2f850+f500+125×(S+0.2)

(2)

式中:TT=T850-T500+Td850-T500

(3)

黔南州冰雹天氣過程2—5月在10～37次,其余月份均在5次及以下(表1),樣本數較小,其統計結果代表性較差,故本文對黔南州2—5月的冰雹天氣中存在中低層逆溫以及無逆溫的情況進行逐月統計(表2),其中中低層存在逆溫的過程共47次,無逆溫的過程共34次,二者數據量相當,有對比意義。

表2 黔南冰雹天氣中低層有無逆溫逐月分布(單位:次)

由于SI與LI、H0℃與H-20℃變化規律基本一致,故略去有無逆溫時LI、H-20℃的箱線對比圖。當黔南州冰雹天氣發生前有逆溫時會使得SI(圖6a)與LI(圖略)在2—4月明顯上升,K指數(圖6b)、△T850-500(圖6c)、T2m(圖6d)、SWEAT(圖6e)、CAPE(圖6f)、T850-Td850(圖6g)、q850(圖6h)、H0℃(圖6i)、H-20℃(圖略)等物理量有較為明顯的下降,可見逆溫層的出現會使SI與LI的數值偏大,其余物理量的數值偏小。

圖6 貴陽站2—5月逆溫過程與無逆溫過程物理量對比(a:SI; b:K; c:△T850-500;d:T2m; e:SWEAT; f:CAPE; g:T850-Td850; h:q850; i:H0℃)

3.2 黔南冰雹天氣物理量閾值

由表1可見,黔南州冰雹過程主要出現在2—5月,故對黔南州2—5月的冰雹天氣過程物理量進行閾值分析,其中逆溫層的存在對SI、LI、K、△T850-500、SWEAT、T2m、CAPE、q850、T850-Td850、H0℃、H-20℃等11個物理量的影響較大,因此這11個物理量的閾值分有逆溫與無逆溫2種情況考慮。SI、LI、CIN、T-Td等4個物理量數值越小,其環境條件越有利于冰雹的產生,故取上四分位值為閾值,而特殊高度層需要在特定的范圍內才利于冰雹的產生和降落,故取其中位數作為閾值,其余9個物理量取下四分位為閾值[23]。最后得出黔南天氣冰雹物理量閾值,詳見表3、表4,可為黔南冰雹潛勢預報提供參考。

表3 黔南州冰雹天氣部分物理量指標

表4 黔南州冰雹天氣受逆溫影響的物理量指標(有逆溫與無逆溫個例)

4 結論與討論

通過對黔南州發生冰雹前貴陽探空站的物理量進行分析,發現黔南州發生冰雹大體有適宜的物理量范圍,但是各物理量存在著一定的逐月變化。本文按照中低層有無逆溫層給出物理量的閾值范圍,可對黔南州冰雹天氣預報提供科學的指標。

(1)黔南州出現冰雹天氣時,各物理量范圍分別是SI在-2.25～4.75 ℃、LI在-2.46～3.67 ℃、K在23～37 ℃、△T700-500在15～18.5 ℃、△T850-500在21～27 ℃、SHR3在11.1～19.1 m·s-1、SHR6在17.3～28.8 m·s-1、T2 m在12.1～20.5 ℃、SWEAT在150～337、CAPE超過566 J·kg-1、無CIN、q700在5.3～8.4 g·kg-1,q850在7.4～13.2 g·kg-1、PW在19.7～31.0 mm、T850-Td850在1.1～4.4 ℃、T700-Td700在1.9～6 ℃、H-20℃在6800～7900 m、H0℃在3800～4800 m、△H-20℃-0℃在2800～3300 m。

(2)各物理量存在明顯的季節變化特征,層結穩定度條件上,春季逐漸趨于不穩定,夏季維持,秋冬季節層結穩定;動力條件春夏季節呈現減弱趨勢,秋冬季節有所加強,熱力條件春夏季節呈現上升趨勢,秋冬季節有所減弱;水汽條件上,春夏季節大氣絕對濕度逐漸增加,秋季明顯下降,冬季較為穩定,相對濕度總體相對較為穩定;特殊高度層,-20 ℃層高度與0 ℃層高度春夏季節逐漸上升,秋冬季節有所降低,但二者之間的高度差基本穩定。

(3)逆溫層的出現意味著低層有干冷空氣的入侵,會對氣團的溫濕屬性產生影響,進而影響物理量的閾值,具體表現為:SI與LI有明顯的上升,SWEAT、K指數、850 hPa與500 hPa溫差、地面溫度、850 hPa比濕、850 hPa溫度露點差、對流有效位能、0 ℃與-20 ℃層高度均有較明顯的下降。