劉曉初+李瀟瀟

摘 要：該文利用常規(guī)觀測資料、天氣雷達資料和災(zāi)情評估資料，對2005—2016年大連地區(qū)的23次冰雹過程進行了分析研究。結(jié)果表明：（1）大連地區(qū)冰雹天氣發(fā)生在6月的比例占61%，發(fā)生在下午到傍晚時段的比例占65%，落區(qū)為北部地區(qū)占79%，強冰雹過程占57%；（2）天氣尺度影響系統(tǒng)中，東北冷渦占57%，西風(fēng)槽占39%；（3）0℃層高度、-20℃層高度、 850hPa與500hPa溫差、700hPa與500hPa溫差、500hPa溫度露點差、850hPa溫度露點差綜合分析能夠較好地指示冰雹天氣；（4）H40dBZ-H0、H40dBZ-H-20、VIL最大值、DVIL等雷達參量特征值能夠作為冰雹識別指標。

關(guān)鍵詞：大連地區(qū)；冰雹過程；強對流天氣預(yù)警

中圖分類號 P457 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）02-03-0088-05

Abstract：This paper examines 23 hail events occurred in Dalian area during 2005—2016 by using conventional observation data，weather radar data and weather-related disaster reports. The results indicate：（1）61% of all cases occurred in June. 65% of all cases occurred during afternoon and dark. 79% of all impact regions are northern area. Severe hail cases account for 57% of all cases.（2）Of all the synoptic systems associated，cold vortex over northeast China accounts for 57%，westerly trough accounts for 39%.（3）0℃ layer height，-20℃ layer height，850hPa and 500hPa temperature difference，700hPa and 500hPa temperature difference，500hPa depression of the dew point，850hPa depression of the dew point are effective indicator of hail when jointly considered.（4）H40dBZ-H0，H40dBZ-H-20，maximum of VIL and DVIL can be used as radar characteristic parameters in indicating hail.

Key words：Dalian area；Hail event；Severe convective weather warning

強對流天氣包括雷電、短時強降雨、冰雹、雷暴大風(fēng)、龍卷等中小尺度的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。其中，冰雹具有突發(fā)性強、空間尺度小、持續(xù)時間短、破壞力強等特點。俞小鼎等[1-2]認為災(zāi)害性強對流天氣中的強冰雹天氣通常指落在地面上的冰雹直徑達到2cm以上。對流風(fēng)暴內(nèi)持續(xù)時間較長的強上升氣流和不宜太高的0℃層高度是大冰雹的必要條件。強對流天氣預(yù)報一般分為潛勢預(yù)報和臨近預(yù)警兩個階段。潛勢預(yù)報主要利用模式輸出和探空等資料對有利于對流風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的中尺度環(huán)境潛勢和落區(qū)進行預(yù)報，從而為臨近預(yù)警提供前瞻性指導(dǎo)。孫繼松等[3]認為，熱力不穩(wěn)定能量釋放是一個迅速的過程，大多數(shù)熱力層結(jié)不穩(wěn)定條件只與對流的初始強度有關(guān)，也就是說，探空分析只在對流發(fā)生前有意義。對流風(fēng)暴成熟階段周圍環(huán)境大氣一般處于中性熱力層結(jié)，對流風(fēng)暴消亡階段，周圍環(huán)境大氣層結(jié)一般趨于穩(wěn)定。另外，俞小鼎等[4]提出，當濕球0℃高度與干球0℃之間或上下一定范圍內(nèi)存在明顯干層時，應(yīng)采用濕球0℃層高度作為冰雹的融化層高度。通常，有利于冰雹產(chǎn)生的探空條件包括[5]：（1）位于-10℃和-30℃等溫線之間的對流有效位能（CAPE值）較大；（2）0～6km垂直風(fēng)切變較大；（3）0℃層高度適宜，但是不同地區(qū)有各自特征。雷蕾等[6]對北京地區(qū)強對流發(fā)生前的探空資料研究后發(fā)現(xiàn)，有利于冰雹的探空特征有：0℃層和-20℃層的高度分別在4km和7.4km左右，較大的低層垂直風(fēng)切變，850hPa和500hPa溫差達到28℃等。張琳娜等[7]發(fā)現(xiàn)北京冰雹日探空資料中存在較大DCAPE值，表明冰雹常伴有雷暴大風(fēng)。強對流天氣的短時臨近預(yù)警在0～2h以內(nèi)，主要依靠天氣雷達、加密自動站等觀測設(shè)資料對對流風(fēng)暴單體本身演變進行探測分析做出精細化的強對流天氣類型、強度和落區(qū)預(yù)警。大量研究[8]將強回波（如45dBZ）頂部高度和0℃層高度之間的差值作為冰雹識別指標之一。許多研究中提到[9，10]，強冰雹發(fā)生時天氣雷達上能夠觀測到相應(yīng)的回波特征：后側(cè)V型缺口、三體散射（TBSS）回波、中高層強回波懸垂、低層弱回波區(qū)（WER）和有界弱回波區(qū)（BWER）等。汪應(yīng)瓊等[11]在研究宜昌一次超級單體風(fēng)暴時發(fā)現(xiàn)DVIL≥3.5g/m3時，出現(xiàn)直徑超過2cm的冰雹可能性較大。周后福等[12]在研究中將DVIL≥4.0g/m3作為皖西南地區(qū)大冰雹預(yù)警指標。

大連地區(qū)，尤其是大連北部地區(qū)，在春夏、夏秋季節(jié)交替時段，冰雹天氣頻繁出現(xiàn)，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了一定的經(jīng)濟損失，對人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成危害。以2014年5月20日發(fā)生在瓦房店冰雹災(zāi)害為例，冰雹直徑最大3cm，個別村屯地面冰雹堆積厚度達2.5cm，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)果樹和蔬菜受災(zāi)，受災(zāi)水果面積1.998萬hm2，按照遼寧省氣象局《冰雹評估等級標準》，屬二級雹災(zāi)。

大連氣象臺曾在2006年編寫成《短時強對流預(yù)報指標》，其中包括了各種強對流天氣的雷達回波指標，但是距離現(xiàn)在較為久遠。近年來，災(zāi)害性強對流過程的雷達回波總結(jié)僅僅停留在個例分析層面上，缺乏對單項強對流天氣的探空資料和雷達回波特征的分析總結(jié)。為此，本文利用常規(guī)觀測資料、天氣雷達資料和災(zāi)情評估資料，分析總結(jié)了近年來大連地區(qū)冰雹天氣的基于探空資料的潛勢預(yù)報指標和基于天氣雷達產(chǎn)品的臨近預(yù)報指標，研究結(jié)果對于提升冰雹的預(yù)報預(yù)警水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 資料與方法

根據(jù)自動站觀測資料、天氣雷達資料和災(zāi)情上報信息綜合判斷，2005—2016年大連地區(qū)共發(fā)生23次冰雹過程。從發(fā)生月份看，5—11月均有可能出現(xiàn)冰雹天氣。其中5、6、7、8、9、10、11月分別發(fā)生3、14、1、1、1、2、1次。值得注意的是，7月僅有的1次冰雹過程，發(fā)生在7月1日，8月僅有的一次冰雹過程，發(fā)生在8月27日。大體上，大連地區(qū)7—8月以短時強降雨過程居多，冰雹過程較少。6月份發(fā)生次數(shù)最多，占61%；從發(fā)生時間段看，以6h為間隔，08：00—14：00，2次；14：00—20：00，15次；20：00—02：00，4次，02：00—08：00，3次。結(jié)果表明，冰雹發(fā)生時間大多集中在下午到傍晚時段，占65%；從冰雹落區(qū)看，23次冰雹過程的縣級單位落區(qū)達到33個。因為1次冰雹過程落區(qū)可能包括多個縣級區(qū)域，如2006年10月13日過程，落區(qū)為金州、普蘭店、瓦房店；2016年11月10日過程，落區(qū)為大連、旅順，其中，大連市內(nèi)2次，旅順2次，金州3次，瓦房店9次，普蘭店12次，莊河5次，北部地區(qū)（瓦房店、普蘭店和莊河）的冰雹落區(qū)次數(shù)占79%。另外，23次冰雹過程中有13次是強冰雹過程，冰雹落地時直徑達到2cm，占全部過程的57%。

2 冰雹發(fā)生前的探空特征

從天氣尺度影響系統(tǒng)劃分看，23次冰雹過程受東北冷渦影響13次，占57%；西風(fēng)槽9次，占39%；蒙古低渦1次，占4%。其中，強冰雹過程受東北冷渦影響的6次，占46%；西風(fēng)槽6次，占46%；蒙古低渦1次，占8%。

選取0℃層高度、-20℃層高度、850hPa與500hPa溫差，700hPa與500hPa溫差，850hPa溫度露點差，500hPa溫度露點差，對流有效位能，地面露點溫度，0～6km垂直風(fēng)切變等參量作為冰雹發(fā)生前的探空指標進行分析。由于部分參量變化范圍過大，為了減少極端值得影響，用中位數(shù)代替平均值。

0℃層高度是暖云和冷云的分界高度。-20℃層高度是大的水凝物粒子由固態(tài)自然變?yōu)橐簯B(tài)的下界。適宜的0℃層高度、-20℃層高度是產(chǎn)生冰雹的重要的環(huán)境參量。23次個例，0℃層高度的變化范圍為1～4.2km，中位數(shù)為3.5km；-20℃層高度變化范圍為4.5～7.4km，中位數(shù)為6.5km。詳細地，5—9月，0℃層高度為3～4.2km，-20℃層高度為6.1～7.4km。10—11月由于冷空氣開始南下，0℃層高度降低為1～2.5km，-20℃層高度降低為4.5～5.1km（表1）。

層結(jié)穩(wěn)定度方面，23次冰雹過程對應(yīng)的850hPa與500hPa溫差范圍為26～36℃，中位數(shù)為28℃，2016年11月10日過程，秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)換，冷空氣活動頻繁，22℃已經(jīng)表示較大層結(jié)不穩(wěn)定。700hPa與500hPa溫差變化范圍為15～23℃，中位數(shù)為18℃。

850hPa溫度露點差變化范圍1～49℃，中位數(shù)值為7℃，500hPa溫度露點差為2～40℃，中位數(shù)為20℃?；灸軌虮碚鞅⑻鞖庑枰吧细上聺瘛钡膶咏Y(jié)特征。值得注意的是，“上冷下暖”、“上干下濕”的概念是相對的，在單獨某一個個例中表征意義更明顯。以2014年5月20日冰雹天氣為例，850hPa和500hPa溫差達到31℃，700hPa和500hPa溫差達到18℃，850hPa溫度露點差6℃，500hPa溫度露點差為42℃，層結(jié)非常不穩(wěn)定，符合“上冷下暖”“上干下濕”特征較為明顯。另外，某一特征層的溫度，濕度狀況不能完全表示整層大氣垂直溫濕分布狀況，單獨個例應(yīng)具體靈活分析。

從對流有效位能（CAPE）看，變化范圍為0～1 356J/kg，23次個例中只有2次的CAPE值大于1 000J/kg。因此值得注意的是，CAPE為1 000J/kg以下時，大連地區(qū)仍然有可能出現(xiàn)冰雹天氣。強對流發(fā)生前的CAPE值大小不能單獨作為隨后幾小時內(nèi)發(fā)生的強對流強弱的指標。DCAPE表示中層相對干冷的空氣侵入對流風(fēng)暴體后，濕絕熱下沉中與負浮力相關(guān)聯(lián)的下沉能量，是指示雷暴大風(fēng)的有效參量。從表2可以看出，大部分個例中伴隨的強對流天氣現(xiàn)象中有雷暴大風(fēng)，但是冰雹前的探空資料均沒有出現(xiàn)DCAPE值，因此，強對流發(fā)生前的探空DCAPE參量不能有效指示大連地區(qū)冰雹過程中可能伴隨產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)。

地面露點溫度變化范圍為0～20℃。冰雹發(fā)生前探空資料上不一定非得對應(yīng)較好的低層水汽條件。垂直風(fēng)切變，23個個例的0～6km垂直風(fēng)切變在2～20m/s變化。但是，較為強烈的冰雹過程如2014年5月20日，0～6km垂直風(fēng)切變?yōu)?6m/s，2016年11月10日0～6km垂直風(fēng)切變?yōu)?1m/s，均達到中等強度。

3 雷達回波特征

對流風(fēng)暴單體的生命史分為初始、發(fā)展、成熟和消亡4個階段。通過實際業(yè)務(wù)分析雷達回波形態(tài)演變過程發(fā)現(xiàn)，初始-發(fā)展階段的雷達回波開始加強發(fā)展，具有明顯回波中心，中心強度達到40～45dBZ；冰雹出現(xiàn)的階段劃為成熟階段；冰雹天氣結(jié)束到回波減弱消散的階段劃為消亡階段。在發(fā)展到成熟階段的雷達回波通常呈現(xiàn)出高懸強回波、低層弱回波區(qū)（或有界弱回波區(qū)）、中氣旋等特征。風(fēng)暴單體的水平尺度為5～40km，人工觀測到的冰雹持續(xù)時間在2～40min不等。從發(fā)展階段識別出冰雹雷達回波特征到成熟階段出現(xiàn)降雹之間發(fā)出落區(qū)準確的預(yù)警，提前時間非常有限。從雷達回波形態(tài)看，23次過程中單體（包括超級單體和多單體）回波過程有19次，占83%。出現(xiàn)超級單體風(fēng)暴過程有3個，占13%，大多數(shù)對流風(fēng)暴單體未發(fā)展到超級單體階段就會消亡，因此，成熟階段的高懸的強回波、低層弱回波區(qū)（WER）或有界弱回波區(qū)（BWER）、中氣旋等特征不十分明顯。

前文提到的0℃層高度和-20℃層高度僅作為指示有利于冰雹產(chǎn)生的探空參量。冰雹強度還要分析能夠產(chǎn)生冰雹的對流風(fēng)暴單體成熟階段時強回波高度分別與0℃層高度和-20℃層高度的差值。大量研究把強回波高度與0℃層高度之間的厚度、強回波高度與-20℃層高度之間的厚度作為地面降雹強度的判據(jù)指標。按照遼寧省氣象局規(guī)定，40dBZ作為強回波的起始強度。23次過程（表3）H40dBZ-H0范圍為2.6～6.6km，中位數(shù)為4km，H40dBZ-H-20為-0.8～3.3km，中位數(shù)為0.9km。組合反射率因子（CR）為45～65dBZ，中位數(shù)為55dBZ；回波頂高（ET）為7～14km，中位數(shù)為12km。

垂直累積液態(tài)水（VIL）產(chǎn)品是判斷冰雹和雷暴大風(fēng)的有效雷達產(chǎn)品指標。

公式（1）中，Z為基本反射率因子值，M為液態(tài)水含量（g/m3）。M是由每個仰角的反射率因子數(shù)值轉(zhuǎn)換成每個4km×4km網(wǎng)格點上的液態(tài)水含量，然后對每個網(wǎng)格點垂直累加得到VIL，單位是kg/m2。由于VIL反映的是單位面積上氣柱的整體強度，VIL值越大，對應(yīng)的高反射率深厚區(qū)域的上升氣流越強。一旦冰雹的VIL臨界值被確定，可用于辨別強風(fēng)暴或大冰雹。另外，快速降低的VIL值與雷暴大風(fēng)也有較強的對應(yīng)關(guān)系。但是，由于雷達站附近的靜錐區(qū)，雷達站附近的VIL值被低估，當對流風(fēng)暴距離雷達站水平距離超過200km，VIL的可信度也較低。上文中提到，大連地區(qū)79%的冰雹落區(qū)出現(xiàn)在北部地區(qū)（瓦房店、普蘭店和莊河），地形以丘陵為主，可能存在遮擋，另外，北部冰雹落區(qū)距離雷達站水平直線距離一般在100km左右，容易造成VIL值偏小。23次過程中，對流風(fēng)暴成熟階段VIL最大值范圍為28～60kg/m2，中位數(shù)為45kg/m2。

VIL密度為VIL除以回波頂高的商，簡稱DVIL。23次過程DVIL為3.2～5g/m3。中位數(shù)為3.6g/m3。其中強冰雹過程，DVIL范圍同樣為3.2～5g/m3，中位數(shù)為3.7g/m3。2013年6月27日過程DVIL為3.2g/m3，小于南方地區(qū)DVIL為3.5g/m3的閾值，同樣出現(xiàn)最大直徑超過20mm的大冰雹。此次過程VIL最大值達到45g/m2達到中位數(shù)，ET達到14km，超過12km的中位數(shù)值，造成DVIL值偏小。因此，DVIL難以單獨用來區(qū)分普通冰雹和強冰雹過程。

遼寧省氣象局對冰雹的預(yù)警信號分為橙色和紅色2個級別。橙色級別預(yù)警的雷達回波特征為：（1）回波組合反射率（CR）≥45dBZ；（2）垂直累積液態(tài)水含量（VIL）≥30kg/m2；（3）強回波主體高度位于2.5～5km，40dBz回波伸展到4km以上。紅色級別預(yù)警對應(yīng)的雷達回波特征為：（1）回波組合反射率（CR）≥55dBZ；（2）垂直累積液態(tài)水含量（VIL）≥40kg/m2；（3）強回波主體高度位于3.5～6.5km，40dBz回波伸展到5.5km以上。大連地區(qū)23個個例的雷達回波特征基本符合以上預(yù)警標準。

4 小結(jié)與討論

本文對2005—2016年大連地區(qū)23次冰雹天氣過程的探空參量特征和雷達回波特征進行分析研究，結(jié)論如下：

（1）大連地區(qū)冰雹天氣出現(xiàn)時段主要集中在午后到傍晚時段，占全部個例的61%。冰雹落區(qū)主要集中在瓦房店、普蘭店和莊河所在的北部地區(qū)，占全部落區(qū)次數(shù)的79%。從月份看，5到11月均有可能出現(xiàn)冰雹天氣。強冰雹個例占57%。

（2）由于季節(jié)不同，0℃層高度為1～4.2km，中位數(shù)為3.5km，-20℃層高度為4.5～7.4km，中位數(shù)為6.5km。層結(jié)穩(wěn)定度方面，850hPa與500hPa溫差中位數(shù)為28℃，700hPa與500hPa溫差中位數(shù)為18℃。大體上，500hPa溫度露點差要明顯大于850hPa溫度露點差。但是，“上冷下暖”、“上干下濕”的概念是相對的，在某一具體過程中指示特征更明顯。對流有效位能（CAPE）、0～6km垂直風(fēng)切變和地面露點溫度對冰雹的指示意義不大。DCAPE不能有效指示冰雹過程中伴隨的雷暴大風(fēng)。

（3）產(chǎn)生冰雹的對流單體的水平尺度為5～40km，人工觀測到的冰雹持續(xù)時間為2～40min。單體（包括超級單體和多單體）回波過程19個占83%。其中超級單體風(fēng)暴3個，因此大部分對流風(fēng)暴成熟階段的高懸的強回波、低層弱回波區(qū)（WER）或有界弱回波區(qū)（BWER）、中氣旋等特征不一定明顯。預(yù)警時間提前量有限。

（4）雷達回波特征方面，H40dBZ-H0中位數(shù)為4km，H40dBZ-H-20中位數(shù)為0.9km。組合反射率因子（CR）為45～65dBZ，中位數(shù)為55dBZ；回波頂高（ET）為7～14km，中位數(shù)為12km。VIL最大值為28～60kg/m2，中位數(shù)為45kg/m2。DVIL為3.2～5g/m3。其中強冰雹過程，DVIL中位數(shù)為3.7g/m3。值得注意的是，這些雷達回波參量達到最小閾值就有可能產(chǎn)生冰雹天氣，單一的參量閾值不能單獨用來判斷冰雹產(chǎn)生與否，多種參量綜合判斷才會取得更好效果。

今后的研究重點應(yīng)放在對流風(fēng)暴單體初始和發(fā)展階段識別出雷達回波中的冰雹特征上，提高預(yù)警時間的提前量和落區(qū)的精細化程度。

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（責(zé)編：張宏民）