張?jiān)魄?，陳茜茜，?海

(1.貴州省桐梓縣氣象局，貴州 桐梓 563200；2.貴州省余慶縣氣象局，貴州 余慶 564400；3.貴州省仁懷市氣象局，貴州 仁懷 564500)

1 引言

冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣容易對(duì)社會(huì)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的損失，也常常威脅到了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。而強(qiáng)對(duì)流天氣是在一定大氣環(huán)流背景下，由中小尺度系統(tǒng)觸發(fā)形成[1]，因此預(yù)報(bào)很有難度。冰雹是遵義地區(qū)主要的氣象災(zāi)害之一，根據(jù)肖蕾等[2]對(duì)歷史資料的統(tǒng)計(jì)分析，遵義在4月和5月是冰雹的多發(fā)季節(jié)，降雹頻次最多的是遵義中部和東部地區(qū)。張蕾等[3]也對(duì)遵義降雹天氣系統(tǒng)的垂直配置進(jìn)行了分類，其結(jié)論顯示無(wú)地面鋒面配合的降雹類型是占比最小的。本文中的兩次冰雹天氣過(guò)程都沒(méi)有地面鋒面的配合，因此希望通過(guò)這兩次冰雹過(guò)程的異同點(diǎn)以及降雹雷達(dá)回波特征的分析，為此類型冰雹的預(yù)報(bào)和預(yù)警提供參考依據(jù)。

2 資料的分析與處理

本文收集了2016年4月2日和4月5日貴州省遵義市14個(gè)國(guó)家站、256個(gè)區(qū)域站的觀測(cè)數(shù)據(jù)及冰雹實(shí)況，利用NCEP(1°×1°)再分析資料繪制了無(wú)探空站地區(qū)和無(wú)高空觀測(cè)時(shí)次的TlogP圖，計(jì)算了相關(guān)的物理量數(shù)據(jù)，利用“氣象雷達(dá)產(chǎn)品生成軟件”分析了遵義多普勒天氣雷達(dá)(CD型)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)4月2日和5日遵義兩次冰雹過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)和雷達(dá)回波特征進(jìn)行了綜合分析。

3 天氣實(shí)況與環(huán)流形勢(shì)

3.1 天氣實(shí)況

2016年4月2日天氣過(guò)程(簡(jiǎn)稱“4.02”)降雹范圍較大。降雹時(shí)段為17—21時(shí)，主要出現(xiàn)在仁懷、播州、余慶、鳳岡、湄潭，最大冰雹直徑為余慶構(gòu)皮灘40 mm，最大雨量為湄潭抄樂(lè)47.5 mm。2016年4月5日天氣過(guò)程(簡(jiǎn)稱“4.05”)除降雹外還伴有區(qū)域性暴雨，降雹時(shí)段為19—21時(shí)，主要出現(xiàn)在匯川、紅花崗、綏陽(yáng)、習(xí)水，最大冰雹直徑為綏陽(yáng)縣城15 mm，強(qiáng)降水集中在匯川、紅花崗、湄潭、綏陽(yáng)、道真，其中1鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大暴雨，2縣(區(qū))城13鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨，最大雨量為紅花崗新舟100 mm(最大小時(shí)雨強(qiáng)73.5 mm/h)。

3.2 環(huán)流形勢(shì)

“4.02”冰雹發(fā)生前，500 hPa中高緯度位勢(shì)高度場(chǎng)為2槽1脊型，貴州處于高空槽前，畢節(jié)地區(qū)在500 hPa上有弱冷平流，東北低渦的底部在河北—渤海一帶，位置比較偏北，低層沒(méi)有冷平流影響貴州；2日08時(shí)，200 hPa副熱帶急流軸在廣西—江西—福建一線，850 hPa低空急流軸(最大風(fēng)速16 m/s)在廣西—貴州東南部—湖南一線，貴陽(yáng)站為SSW風(fēng)，風(fēng)速10 m/s，遵義地區(qū)處于急流左前側(cè)的風(fēng)速輻合區(qū)和氣旋性切變區(qū)，畢節(jié)—遵義—重慶萬(wàn)州有一條切變線，切變線較弱，偏北風(fēng)僅為2 m/s；2日20時(shí)，200 hPa急流軸北抬，中心移到湖南中部，且風(fēng)速明顯增強(qiáng)，850 hPa低空急流范圍略擴(kuò)大，貴陽(yáng)站為SSW風(fēng)，風(fēng)速12 m/s，遵義地區(qū)轉(zhuǎn)為西南氣流控制，如圖1a。

圖1 4月2日20時(shí)天氣形勢(shì)圖(a)；4月5日20時(shí)天氣形勢(shì)圖(b)Fig.1 Weather chart at 20∶00 April 2th (a); Weather chart at 20∶00 April 5th(b)

“4.05”冰雹、暴雨發(fā)生前，500 hPa中高緯度位勢(shì)高度場(chǎng)也為2槽1脊型，我國(guó)北方受烏拉爾山東側(cè)高壓脊前的西北氣流控制，貴州處于高空淺槽前部，高低層都為暖平流控制。5日08時(shí)，850 hPa低空急流軸(最大風(fēng)速20 m/s)在廣西西部—湖南西部一線，貴陽(yáng)站為SSW風(fēng)，風(fēng)速14 m/s，遵義地區(qū)處于急流左前側(cè)的風(fēng)速輻合區(qū)和氣旋性切變區(qū)；5日20時(shí)，200 hPa急流軸在廣西—臺(tái)灣一線，850 hPa低空急流范圍略擴(kuò)大，貴陽(yáng)站為SSE風(fēng)，風(fēng)速12 m/s，貴州北部—湖南北部—湖北—安徽有一條暖式切變線，如圖1b。

4 環(huán)境場(chǎng)與物理量

4.1 抬升觸發(fā)機(jī)制

兩次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前地面都為熱低壓控制，受偏南氣流和地形影響，貴州西部有東西向的地面輻合線形成，低層的風(fēng)速輻合、氣旋性切變與地面輻合線共同作用，加劇了中尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)抬升作用，有利于輻合線上出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。

4.2 “上干下濕”的不穩(wěn)定形勢(shì)[4]

定義相對(duì)濕度<60%為干區(qū)[5]，根據(jù)對(duì)NCEP(1°×1°)再分析資料的分析，2日14時(shí)，綏陽(yáng)和思南地區(qū)650 hPa～250 hPa都為干區(qū)，其下都為濕區(qū)，5日14時(shí)，550 hPa～200 hPa都為干區(qū)，其下都為濕區(qū)，因此兩次過(guò)程遵義中部、東部地區(qū)都存在“上干下濕”的不穩(wěn)定形勢(shì)。如圖2。

圖2 綏陽(yáng)縣(107°E，28°N)4月2日14時(shí)T-lnP圖(a)與5日14時(shí)TlogP圖(b)；思南縣(108°E，28°N)4月2日14時(shí)T-lnP圖(c)與5日14時(shí)TlogP圖(d)Fig.2 The TlogP in Suiyang County (107 °E, 28 °N) at 14∶00 April 2th(a) and at 14∶00 April 5th (b); The TlogP in Sinan County (108 °E, 28 °N) at 14∶00 April 2th (c) and at 14∶00 April 5th注：4張TlogP圖是用NCEP(1°×1°)再分析資料繪制，綠線代表相對(duì)濕度，紅線代表狀態(tài)曲線，黑線代表層結(jié)曲線，藍(lán)線代表露點(diǎn)曲線。

4.3 水汽條件

2日08時(shí)赫章—湄潭一線850 hPa水汽通量和比濕都自西向東遞增，水汽通量2～10 g/(s·hPa·cm)，比濕10～12 g/kg(700 hPa為4 g/kg)，遵義地區(qū)水汽通量散度自南向北遞增，為-4～-7g·hPa-1；5日08時(shí)赫章—湄潭一線850 hPa水汽通量自西向東遞增，為7.9～17.1 g/(s·hPa·cm)，比濕12.7 g/kg(700 hPa為8.1～8.9 g/kg)，遵義地區(qū)水汽通量散度自西南向東北遞增，為-23～-33 g·hPa-1；5日20時(shí)850 hPa上遵義地區(qū)有暖式切變線，利于水汽聚集，2日20時(shí)850 hPa上重慶沙坪壩站已轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，遵義為西南氣流控制，不利于水汽聚集。因此“4.05”的本地比濕條件、水汽輸送和輻合條件都明顯優(yōu)于“4.02”，更有利于強(qiáng)降水天氣的發(fā)生。

4.4 物理量特征

不穩(wěn)定層結(jié)是對(duì)流性天氣的3個(gè)基本條件之一，抬升指數(shù)(LI)、對(duì)流有效位能(CAPE)等能夠反映不穩(wěn)定層結(jié)情況，常用于強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中。LI指數(shù)負(fù)值越大，表明層結(jié)越不穩(wěn)定，CAPE值是大氣不穩(wěn)定程度的度量，發(fā)生對(duì)流必須滿足CAPE為正。從表1、表2可知，4月2日遵義東部的對(duì)流有效位能(CAPE)和抬升指數(shù)(LI)明顯比5日更有利于形成強(qiáng)對(duì)流天氣。

表1 基于NCEP(1°×1°)再分析資料計(jì)算的4月2日綏陽(yáng)、開陽(yáng)、思南各項(xiàng)指數(shù)Tab.1 The various indexes were calculated based on the NCEP (1°×1°) reanalysis data on April 2th in Suiyang County, Kaiyang County, Sinan County

表2 基于NCEP(1°×1°)再分析資料計(jì)算的4月5日綏陽(yáng)、開陽(yáng)、思南各項(xiàng)指數(shù)Tab.2 The various indexes were calculated based on the NCEP (1°×1°) reanalysis data on April 5th in Suiyang County, Kaiyang County, Sinan County

注：遵義中部指桐梓、綏陽(yáng)、匯川、紅花崗、播州，遵義東部指湄潭、鳳岡、余慶；受NCEP(1°×1°)再分析資料的分辨率影響，遵義東部的大氣環(huán)境用距離最近的綏陽(yáng)、開陽(yáng)、思南3縣的數(shù)據(jù)綜合分析。

中等到強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于對(duì)流風(fēng)暴有組織地發(fā)展。以地面至500hPa的風(fēng)矢量差表示深層垂直風(fēng)切變，15 m/s≤風(fēng)矢量差<20 m/s，判定為中等以上垂直風(fēng)切變，20 m/s≤風(fēng)矢量差，判定為強(qiáng)垂直風(fēng)切變。從表1、表2可知，2日的垂直風(fēng)切變較強(qiáng)，5日都是中等偏弱的垂直風(fēng)切變，因此4月2日比5日更容易出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)暴。

5 雷達(dá)回波特征對(duì)比

5.1 速度圖和反射率因子剖面特征

“4.02”中，從遵義雷達(dá)0.5°仰角的徑向速度圖可以看出，19時(shí)08分余慶構(gòu)皮灘(圖3a)有強(qiáng)低層輻合，最大入流速度-24 m/s，最大出流速度18 m/s，旋轉(zhuǎn)速度21 m/s，利于形成強(qiáng)上升氣流。從17時(shí)24分播州三合(圖3b)和19時(shí)08分余慶構(gòu)皮灘(圖3c)兩張反射率因子剖面圖可以看出，低層都有弱回波區(qū)和反射率因子高梯度區(qū)，但圖3b的反射率因子強(qiáng)度明顯小于圖3c，且圖3c強(qiáng)回波伸展到8 km以上，遠(yuǎn)高于圖3b和-20 ℃層高度(2日20時(shí)貴陽(yáng)站為7 585 m)，更加有利于大冰雹的形成，實(shí)況為構(gòu)皮灘最大冰雹直徑40 mm遠(yuǎn)大于三合7 mm。

圖3 4月2日19時(shí)08分余慶構(gòu)皮灘0.5°仰角徑向速度圖(單位：m/s)(a)；17時(shí)24分播州三合(b)和19時(shí)08分余慶構(gòu)皮灘(c)反射率因子剖面圖(單位:dBz)Fig.3 The mean radial velocity chart on 0.5 ° elevation at 19∶08 April 2th in Goupitan Town,Yuqing County (unit:m/s) (a);The reflectivity factor profile at 17∶24 in Sanhe Town,Bozhou Distric (b) and at 19∶08 in Goupitan Town,Yuqing County (c) (Unit:dBz)

“4.05”中，匯川團(tuán)澤(圖4b)的反射率因子剖面圖顯示，受雷達(dá)體掃仰角的限制，在距離雷達(dá)較近處存在靜錐區(qū)，雷達(dá)發(fā)射的最高仰角電磁波上方的降水物質(zhì)不能被探測(cè)到，使得風(fēng)暴結(jié)構(gòu)不能完整展現(xiàn)，但從圖中也可看到明顯的低層弱回波區(qū)和中層回波懸垂結(jié)構(gòu)，強(qiáng)回波中心值也超過(guò)了55 dBz。

從表1、表2可以看出，5日20時(shí)綏陽(yáng)的不穩(wěn)定能量相比14時(shí)已下降很多，CAPE值為0，最優(yōu)對(duì)流有效位能(BCAPE)為213 J/kg，低的不穩(wěn)定能量使得上升氣流不夠強(qiáng)，不利于形成強(qiáng)冰雹，有利的降雹條件是具有中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變。從圖4b和圖4c可以看到，對(duì)流系統(tǒng)的強(qiáng)度在向東北方向移動(dòng)和傳播的過(guò)程中已明顯減弱。圖4a顯示，5日20時(shí)54分(綏陽(yáng)縣站20時(shí)57分開始降雹)，綏陽(yáng)縣城有強(qiáng)低層輻合，最大入流速度-24 m/s，最大出流速度12 m/s，旋轉(zhuǎn)速度18 m/s，有利于形成強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)探測(cè)到的強(qiáng)回波(≥45 dBz)最高高度為4.5 km，也是最強(qiáng)回波49 dBz所在處，此高度正好在0 ℃層附近，有降雹的潛勢(shì)，但雷達(dá)回波的各項(xiàng)降雹指標(biāo)已明顯減弱，這也使得冰雹指數(shù)(HI)未能識(shí)別該冰雹云。

圖4 4月5日20時(shí)54分綏陽(yáng)縣城0.5°仰角徑向速度圖(單位：m/s)(a)，19時(shí)53分匯川團(tuán)澤(b)和20時(shí)54分綏陽(yáng)縣城(c)反射率因子剖面圖(單位:dBz)Fig.4 The mean radial velocity chart on 0.5 ° elevation at 20∶54 April 5th in Suiyang County seat(unit:m/s) (a);The reflectivity factor profile at 19∶53 in Tuanze Town,Huichuan Distric (b) and at 20∶54 in Suiyang County seat (c) (Unit:dBZ)

5.2 冰雹指數(shù)(HI)特征

將2日08時(shí)和5日08時(shí)貴陽(yáng)探空站0 ℃和-20 ℃層高度植入冰雹指數(shù)算法里進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果如下：

表3 4月2日與5日兩次冰雹過(guò)程冰雹指數(shù)(HI)識(shí)別情況Tab.3 The identify situation of hail index (HI) in two hail weather events on April 2th and 5th

備注：冰雹發(fā)生的具體時(shí)間不能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，不能判斷降雹為某一個(gè)風(fēng)暴單體所致，因此以風(fēng)暴組為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，風(fēng)暴組之間的區(qū)分以明顯時(shí)間間隔和距離較遠(yuǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)，人為判斷，無(wú)量化指標(biāo)。

根據(jù)郭曉超等[6]對(duì)遵義地區(qū)冰雹指數(shù)的研究，冰雹發(fā)生地距離雷達(dá)22 km內(nèi)受靜錐區(qū)影響，冰雹指數(shù)偏小，這也是“4.05”中匯川、紅花崗冰雹未能識(shí)別的原因之一。冰雹指數(shù)中各項(xiàng)參數(shù)最高的為余慶構(gòu)皮灘(距遵義雷達(dá)76 km)，強(qiáng)冰雹概率、冰雹概率、預(yù)期的最大冰雹尺寸分別為80%、100%和1.98 cm?？傮w來(lái)看，排除靜錐區(qū)和綏陽(yáng)縣雹云外，冰雹指數(shù)對(duì)其他降雹云團(tuán)都進(jìn)行了識(shí)別，對(duì)強(qiáng)冰雹的指示性尤其明顯。

5.3 垂直累積液態(tài)含水量(VIL)變化

表4 4月2日與5日兩次冰雹過(guò)程降雹地區(qū)VIL數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 The identify situation of hail index (HI) in two hail weather events on April 2th and 5th

備注：因?yàn)榧t花崗區(qū)和匯川區(qū)處于遵義雷達(dá)靜錐區(qū)，因此VIL值失真，不參與統(tǒng)計(jì)。

降雹單體在成熟前有明顯的VIL躍增[7]?！?.02”冰雹發(fā)生地中只有湄潭和余慶VIL躍增最明顯，播州、仁懷和鳳岡VIL躍增都較小。其中余慶構(gòu)皮灘VIL一個(gè)體掃增加了7 kg/m2，達(dá)到18 kg/m2，湄潭新南一個(gè)體掃增加了8 kg/m2，達(dá)到15 kg/m2。從實(shí)況來(lái)看，湄潭出現(xiàn)的冰雹范圍最大，最大冰雹直徑(10 mm)也大于播州、仁懷和鳳岡，而余慶則出現(xiàn)了最大直徑的冰雹。因此VIL值越大、躍增越明顯，則出現(xiàn)大冰雹或者大范圍冰雹的可能性越大。

6 小結(jié)與討論

①2016年4月2日和4月5日兩次冰雹過(guò)程都沒(méi)有受到北方來(lái)的冷空氣影響。“4.02”降雹直徑與范圍比“4.05”大，主要是因?yàn)榍罢叽髿鈱咏Y(jié)相對(duì)后者更加不穩(wěn)定，前者的不穩(wěn)定能量和垂直風(fēng)切變更強(qiáng)，有利于形成很強(qiáng)的上升氣流，且上升氣流和下沉氣流能夠長(zhǎng)時(shí)間地共存，使得對(duì)流風(fēng)暴有組織地發(fā)展。

②“4.05”過(guò)程降雨量和降雨強(qiáng)度比“4.02”大，主要是因?yàn)榍罢卟环€(wěn)定能量適中，低空急流強(qiáng)，利于水汽輸送，且遵義地區(qū)5日20時(shí)低層有切變線，2日20時(shí)低層為西南氣流控制，前者有利于水汽大范圍地聚集和輻合，為暴雨提供充足的水汽。

③從兩次過(guò)程的雷達(dá)回波分析來(lái)看，冰雹云低層都有較強(qiáng)的輻合，強(qiáng)上升氣流產(chǎn)生的弱回波區(qū)和中層回波懸垂結(jié)構(gòu)都比較明顯，最大冰雹直徑所在地(構(gòu)皮灘)的強(qiáng)回波中心擴(kuò)展到了-20 ℃以上，有利于出現(xiàn)大冰雹。

④綏陽(yáng)縣城雹云的回波指標(biāo)較弱，冰雹指數(shù)(HI)也未能識(shí)別，但實(shí)況出現(xiàn)了此次過(guò)程最大直徑的冰雹。在出現(xiàn)這種回波結(jié)構(gòu)的情況下，要準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警確實(shí)有困難。

⑤除了靜錐區(qū)和綏陽(yáng)縣的雹云外，冰雹指數(shù)對(duì)其他降雹云團(tuán)都進(jìn)行了識(shí)別，對(duì)強(qiáng)冰雹的指示性尤其明顯。

⑥通過(guò)對(duì)靜錐區(qū)以外的降雹云團(tuán)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)VIL值越大、躍增越明顯，則出現(xiàn)大冰雹或者大范圍冰雹的可能性越大。

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