陳 軍，李小蘭，黎 榮，萬雪麗，李習瑾，胡 萍，方 標

（1.銅仁市氣象局，貴州 銅仁554300；2.玉屏縣氣象局，貴州 玉屏554000；3.德江縣氣象局，貴州 德江565200；4.貴州省氣象臺，貴州 貴陽550000）

冰雹一般由較強雷暴產(chǎn)生，而雷暴泛指深厚的濕對流（DMC）現(xiàn)象，常伴有冰雹、龍卷、雷暴大風、短時強降水等強對流天氣[1]。文獻[2]把雷暴分為地面發(fā)展雷暴（surface based thunderstorms）和高架雷暴（elevated thunderstorms），二者均可產(chǎn)生冰雹，因此可分為地面發(fā)展雷暴降雹和高架雷暴降雹，也可稱為鋒前降雹和鋒后降雹，前者較為常見，相關研究較多，而后者目前仍是強對流預報方面的難題之一。俞小鼎等[3]對后者高架雷暴做出了定義：近地層為穩(wěn)定的冷空氣（冷墊），有明顯的逆溫層，西南暖濕氣流沿冷墊之上爬升，雷暴是在大氣邊界層以上被觸發(fā)的，當發(fā)展較強時往往產(chǎn)生冰雹。中國冰雹等強對流天氣發(fā)生的概率分布具有明顯的地理和日變化差異[4]，而我國南方多冰雹帶位于云貴至中南地區(qū)的湖南、江西，并向北、向東南逐步遞減，最大值出現(xiàn)在貴州興仁[5]。隨著探測技術的提高，衛(wèi)星和雷達被廣泛應用于業(yè)務工作，而資料的高時空分辨率更為研究一些中小尺度天氣系統(tǒng)提供了幫助，基于此，不少學者對冰雹的形成機制進行了大量研究。比如通過分析多普勒雷達回波產(chǎn)品VIL 值的變化可以預測冰雹云的發(fā)展[6]；研究[7]表明當中氣旋最強切變中心突降時將產(chǎn)生大風或冰雹等強對流天氣；也有不少學者從濕斜壓渦度發(fā)展、雹譜分布特征等方面對冰雹的形成做了分析[8-9]。盡管如此，冰雹等強對流天氣的臨近預報仍然最具挑戰(zhàn)性[3]，Anderson 等[10]研究指出數(shù)值預報對“高架雷暴”預報不足，因為模式的參數(shù)化方案主要集中考慮在近地面對流初始發(fā)展，而不能反映邊界層上的對流發(fā)展。從以上研究總體來看，研究者對鋒前降雹研究較多，而對鋒后降雹的研究相對較少，把兩者產(chǎn)生的冰雹天氣過程進行對比分析也少見；另外，冰雹是貴州省銅仁市春季的主要災害性天氣之一，每年因冰雹天氣會給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和人民生命財產(chǎn)等造成嚴重的經(jīng)濟損失，文章把兩次大范圍冰雹過程進行對比，特別是強回波高度無論是在同一次過程中不同的站點還是兩次過程中都明顯不同，分析得到的指標為地方人影高炮、火箭消雹作業(yè)提供了一定的參考。

1 降雹實況

2016 年4 月2 日20—23 時（北京時，下同），貴州省銅仁市石阡縣、思南縣、江口縣、碧江區(qū)（國家站）、玉屏縣5 個區(qū)縣10 幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度的出現(xiàn)冰雹、雷暴大風和短時強降水等強對流天氣（圖1a），冰雹直徑普遍10～20 mm，個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)冰雹直徑達45 mm[11]；2016 年4 月15 日21—23 時，銅仁市思南縣、德江縣、印江縣（國家站）及松桃縣4 個縣10 幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度的出現(xiàn)冰雹、雷暴大風和短時強降水等強對流天氣（圖1b），冰雹直徑普遍5～15 mm，個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)冰雹直徑達40 mm，持續(xù)時間3～8 min，最大小時雨量達36.8 mm[12]。從兩次冰雹落區(qū)分布來看，降雹的范圍均較大，4 月2 日夜間冰雹過程落區(qū)較15 日偏南。

2 環(huán)流背景分析

4 月2 日20 時，500 hPa 中高緯為兩槽一脊形勢，貝加爾湖東側為一低槽，低緯南支槽位于105°E左右，貴州省銅仁市處于南支槽前西南氣流里，副高588 dagpm 線位于沿海一帶；700 hPa 上14 m/s 的西南急流位于貴州省南部，切變線位于四川—重慶北部；850 hPa 上12 m/s 的西南急流位于貴州省東部邊緣，切變線位于貴州北部—湖南北部；地面上，貴州省為熱低壓控制，其中心位于畢節(jié)市中部，中心值為1005 hPa，地面中尺度輻合線位于安順—貴陽—銅仁南部一帶，地面冷鋒位于河套南部，銅仁市位于冷鋒前暖區(qū)里。

4 月15 日20 時，500 hPa 中高緯為兩槽一脊形勢，貝加爾湖南側為一低槽，槽線向南延伸至川北，槽后冷空氣南下影響貴州，副高588 dagpm 線位于沿海一帶；低緯南支槽位于100°E 左右，銅仁市處于南支槽前西南氣流里；700 hPa 西南急流位于貴州省南部邊緣，西南風速達20 m/s，切變線位于四川中部—重慶北部一帶；850 hPa 急流位于貴州省廣西東部—湖南中部一帶，銅仁市處于西南急流左前側，西南風速14 m/s，切變線位于貴州省中部偏北一帶；地面上，地面冷鋒已壓過貴州省東北部，銅仁市受鋒后偏北冷空氣影響。

由上分析可知，兩次過程的影響系統(tǒng)均有高空槽、低層切變線和低空急流，2 日冰雹過程受地面中尺度輻合線影響，無冷空氣參與，為鋒前暖區(qū)降雹[11]，而15 日冰雹過程受地面冷鋒影響，為鋒后冷區(qū)降雹[12]。

3 降雹成因對比分析

3.1 低層對流觸發(fā)條件

4 月2 日強對流發(fā)生前，地面場上貴州省受熱低壓控制，銅仁市位于熱低壓東北部偏南氣流中，貴州省中部一線存在一條地面中尺度輻合線。18 時至夜間，隨著高空槽的靠近，低空切變線南壓，高低層系統(tǒng)耦合性增強，在地面中尺度輻合線附近觸發(fā)強對流產(chǎn)生，強對流沿著輻合線不斷東移，使得銅仁市石阡、思南、江口、碧江等區(qū)縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后出現(xiàn)了冰雹等強對流天氣。4 月15 日強對流發(fā)生前，地面氣壓場上貴州省南部受熱低壓控制，銅仁市位于熱低壓東北部邊沿偏北氣流中。由于地面冷鋒靠近熱低壓，使得氣壓梯度增大，在變壓風和地面摩擦力的作用下，銅仁地面吹偏北風，地面氣溫相對較低，形成較冷的下墊面。20—23 時，隨著高空槽的東移，低空切變線南壓，在鋒后冷墊之上850 hPa 切變線附近觸發(fā)強對流產(chǎn)生，對流風暴沿著850 hPa 切變線東移發(fā)展。隨著地面冷鋒南壓，銅仁市德江、思南、印江及松桃縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后出現(xiàn)了冰雹等強對流天氣。

圖1 4 月2 日20—23 時（a）和15 日21—23 時（b）貴州省銅仁市降水分布與冰雹落區(qū)

以上分析可知，兩次冰雹過程觸發(fā)機制明顯不同，前者在地面中尺度輻合線附近觸發(fā)，后者在850 hPa 切變線附近觸發(fā)。

3.2 中高層干侵入

干侵入指來源于對流層附近的氣流入侵到低層的現(xiàn)象[13]，不少學者從相對濕度、位渦及假相當位溫等方面對干侵入做了研究[14-15]。對2 日和15 日2 次冰雹過程分別沿著冰雹發(fā)生區(qū)域108°E 作θse剖面。從圖2 a 可知，在28°～30°N 之間只在邊界層存在一弱的鋒區(qū)結構（θse密集區(qū)，以下均指鋒區(qū)），該弱鋒區(qū)以南為暖濕空氣，可以看出有個中心值為344 K的暖濕中心。圖中θse低值區(qū)即為干空氣主體，位于27°N 附近銅仁上空650~400 hPa 附近，表明中高層有干冷空氣侵入，低中心值為328 K，這種上干冷、下暖濕的層結利于強對流天氣的產(chǎn)生；從垂直運動場來看，冰雹區(qū)附近從低層到高層均為上升運動，最強上升運動中心出現(xiàn)在800~350 hPa，垂直運動速度為60×10-2Pa·s-1，在26°N、28°N 附近為2 個較強的下沉運動，與上升運動構成兩個次級環(huán)流，使得上升運動更強，而冰雹出現(xiàn)在強上升運動區(qū)偏北側的地面偏北風里。

圖3b 為4 月15 日冰雹過程，可以看出在27°~28°N 邊界層存在明顯的鋒區(qū)結構，該鋒區(qū)以南為暖濕空氣，以北為北風，并逐漸轉西北風，與地面冷鋒一致；等溫線在冰雹區(qū)（三角位置）突然接地，表明近地面受冷空氣入侵，形成明顯的冷墊，地面冷鋒由27°N 附近近地面延伸至700 hPa 附近；干空氣主體位于27°N、30°N 附近上空650~400 hPa 附近，表明中高層有干冷空氣侵入；從垂直運動場來看，冰雹區(qū)附近從低層到750 hPa 為下沉運動，700~250 hPa 位傾斜上升運動，且上升運動強中心集中在550~300 hPa，最強上升運動中心垂直運動速度達180×10-2Pa·s-1，在26°N 低層、28°N 附近中低層為2 個較強的下沉運動，與上升運動構成兩個次級環(huán)流，使得上升運動更強；干空氣的前沿就是θse暖脊的頂端，二者之間的鋒區(qū)是梯度最大濕斜壓鋒區(qū)，θse隨高度減小，氣層表現(xiàn)為對流性不穩(wěn)定層結，隨著冷鋒南壓，濕斜壓鋒區(qū)鋒前暖濕氣流沿著冷墊抬升，在對流層中層與干冷空氣相遇激發(fā)了強烈的對流運動[16]，冰雹產(chǎn)生在強上升運動區(qū)偏北側、地面冷墊之上。

綜上可知，兩次冰雹過程中均有上干冷、下暖濕的層結，利于強對流產(chǎn)生；2 日過程地面無冷空氣影響，強上升運動維持高度較高，出現(xiàn)在800~350 hPa，而15 日冰雹過程地面有冷空氣侵入，對流產(chǎn)生在邊界層頂以上，強上升運動區(qū)出現(xiàn)在550~300 hPa，中心值比2 日冰雹過程更大。

4 物理條件對比分析

4.1 水汽條件和熱力不穩(wěn)定條件

水汽條件、抬升觸發(fā)條件和不穩(wěn)定層結是形成雷暴的3 要素，由于2 次冰雹過程貴州省銅仁市均處于低空急流左側，低層水汽充足，因此主要分析不穩(wěn)定層結條件差異。朱乾根等[17]研究指出SI 指數(shù)及K 指數(shù)等能反映一個測站上空的不穩(wěn)定層結，這些指數(shù)在實際業(yè)務工作中常被使用。SI 指數(shù)反映了大氣的不穩(wěn)定度，其值越小越有利于雷暴的產(chǎn)生；K 指數(shù)能反映大氣的不穩(wěn)定情況，K 指數(shù)越大，層結越不穩(wěn)定。

圖2 4 月2 日20 時（a）、15 日20 時（b）沿108°E 假相當位溫、溫度和垂直速度剖面

表1 是貴陽探空站（銅仁上游）和懷化探空站（銅仁下游）4 月2 日、15 日08 時和20 時幾種不穩(wěn)定指數(shù)分布情況。由表1 可知，2 日強對流發(fā)生前懷化探空站的SI 指數(shù)明顯減小，20 時為-4.55，K 指數(shù)達35 ℃。0 ℃層和-20 ℃層高度是業(yè)務工作中識別冰雹云特征的主要參數(shù)[18]，0 ℃層高度越高，則雹塊下落時經(jīng)過暖層越厚，易融化成雨滴，不利于出現(xiàn)大冰雹，一般0 ℃層高度在600 hPa 上下；-20 ℃層高度表示中高層冷空氣入侵，高度一般在400 hPa 左右時有利于冰雹生成。廖曉龍等[19]分析指出當0 ℃層與-20 ℃層之間的厚度較小時，說明中層不穩(wěn)定，更利于冰雹形成。銅仁南部強對流發(fā)生前，懷化站0 ℃層高度在4500 m 左右，-20 ℃層高度在7000 m左右，0 ℃層與-20 ℃層之間的厚度較小，有利于冰雹產(chǎn)生。

15 日強對流發(fā)生前貴陽和懷化探空站的K 指數(shù)都明顯增加，20 時懷化K 指數(shù)達38 ℃，有利于成片雷暴產(chǎn)生；銅仁強對流發(fā)生前懷化SI 指數(shù)較小，20 時為-4.31 ℃，有發(fā)生強雷暴的可能；強對流發(fā)生前，貴陽和懷化站08—20 時0 ℃層高度升高，說明低層暖層變厚，能量積累增多，0 ℃層高度均在4500 m左右；而-20 ℃層高度08—20 時降低，說明高層冷層加深，-20 ℃層高度在7500 m 左右，0 ℃層與-20 ℃層之間的厚度變小，中層不穩(wěn)定增強，更有利于冰雹形成。

由以上分析可知，2 日過程SI 指數(shù)較4 月15日過程更有利，于冰雹形成0 ℃層厚度比-20 ℃層的厚度更淺，中層不穩(wěn)定更強。

4.2 CAPE 值與垂直風切變

在深厚的濕對流環(huán)境中，對流有效位能（CAPE）是一個與環(huán)境聯(lián)系最為密切的熱力學變量，已被廣大學者使用。CAPE 值是一個潛在的能量，當有觸發(fā)條件時，其能量才會釋放出來，才有利于對流的發(fā)展。從懷化20 時探空圖（圖3a）可知，2 日當銅仁西部對流發(fā)生前，懷化的CAPE 值為1 382.5 J·kg-1，潛在的不穩(wěn)定能量非常大，同時干層較厚，高層300~550 hPa、500~750 hPa 均為干層，而濕層相對較淺，只出現(xiàn)在850 hPa 附近，“上干下濕”的不穩(wěn)定層結有利于強對流的產(chǎn)生。垂直風切變是強對流維持發(fā)展的重要條件，陳關清等[20]分析得出銅仁區(qū)域冰雹發(fā)生時垂直風切變在4×10-3s-1以上，計算可知銅仁區(qū)域垂直風切變＞8×10-3s-1，最大達到8.5×10-3s-1[11]。

表1 2016 年4 月2 日、15 日08 時及20 時貴陽和懷化探空站各項指數(shù)

圖3 2016 年4 月2 日（a）、15 日20 時（b）懷化探空圖（單位：s-1）

15 日當銅仁西部對流發(fā)生前，懷化的CAPE 值為22.6 J·kg-1（圖3b），潛在的不穩(wěn)定能量非常小。由于雷暴是在邊界層頂觸發(fā)，假設抬升點從850 hPa開始，通過訂正后懷化探空資料顯示CAPE 值為932.1 J·kg-1（圖中網(wǎng)格狀面積），對流有效位能明顯比未訂正過的大很多，這說明強對流發(fā)生前仍具有較大的對流有效位能。邊界層925 hPa 附近為東北風，地面有冷空氣影響，即為高架雷暴產(chǎn)生的冷墊。此外，中層500 hPa 附近較干，低層濕層較厚，“上干下濕”的不穩(wěn)定層結有利于強對流的產(chǎn)生。地面至6 km 高度的垂直風切變非常大，計算得出銅仁區(qū)域垂直風切變＞9×10-3s-1，南部最大達到11×10-3s-1[12]。

對比兩次冰雹過程可知，相同點是：“上干下濕”不穩(wěn)定層結為兩次冰雹提供了有利的環(huán)境，2 日冰雹過程干層更深厚，15 日冰雹過程垂直風切變更大；不同點是：兩次過程的能量條件不同，2 日冰雹過程的CAPE 值達1 382.5 J·kg-1，而15 日冰雹過程從逆溫層頂訂正后CAPE 值為932.1 J·kg-1，仍然具有較大的不穩(wěn)定能量。

5 雷達回波特征分析

4 月2 日19 時40 分，貴州省銅仁市西部石阡縣境內(nèi)已形成南北帶狀回波，存在2 個＞50 dBZ 的強中心，未來將發(fā)展東移；19 時56 分，2 個強回波之間一個新的對流單體生成并加強發(fā)展；20 時17 分3個對流單體風暴側向排列形成完整的弓形回波（圖4a），且南端的對流單體回波強度達55 dBZ，徑向方向出現(xiàn)了弱的“三體散射長釘”特征[11]。強回波沿途經(jīng)過江口縣和銅仁城區(qū)（圖4c），導致多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹。圖4b 為沿圖4a 中南部的強對流單體徑向組合反射率因子垂直剖面，可以明顯看出，有界弱回波區(qū)特征明顯，＞50 dBZ 的強回波頂高度延伸至10 km左右，在-20 ℃層之上，＞60 dBZ 的強回波質(zhì)心在4 km 左右，強回波發(fā)展深厚，有利于冰雹的形成。

圖4 4 月2 日20 時17 分銅仁雷達組合反射率（a）、強回波中心剖面（b）、弓形回波移動方向（d）及4 月15日20 時39 分銅仁雷達組合反射率（d）、其強回波中心剖面（e）、21 時05 分（f）組合反射率（單位：dBZ）

4 月15 日20 時24 分，貴州省銅仁市西部思南境有團狀回波形成，強中心值超過50 dBZ。團狀回波在其東移過程中不斷有新的對流單體生成、發(fā)展、消亡，形成有組織的多單體風暴。團狀回波從西部思南縣境內(nèi)加強發(fā)展東移，沿途經(jīng)過印江縣（縣城）和松桃縣，導致多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后出現(xiàn)冰雹[12]。圖4d 為20時39 分思南縣鸚鵡溪鎮(zhèn)降雹區(qū)組合反射率因子，可以明顯看出，團狀回波由3 個強回波橫向排列組成，中心值＞55 dBZ，對其強中心做剖面（圖4e）可知，3塊強回波依次排列，懸在4 km 高度之上，最后側的強回波質(zhì)心較高，有界弱回波區(qū)特征明顯，前側的回波質(zhì)心逐步降低，形成有組織的多單體風暴，使強對流得以維持；圖4f 是印江郎溪鄉(xiāng)鎮(zhèn)的降雹區(qū)回波垂直剖面，可以看出超過50 dBZ 的強回波頂高度都延伸至8 km 以上，超過-20 ℃層，超過55 dBZ 的強回波質(zhì)心在6 km 左右，對流回波柱密實而深厚，而超過50 dBZ 強回波底高度在2 km 左右。

綜上可知，2 日冰雹過程由多個對流單體組成弓形回波，每個對流單體強度大；強對流回波從近地面發(fā)展至10 km 左右高度；“三體散射長釘”和有界弱回波區(qū)等特征明顯。而4 月15 日冰雹過程多個對流單體橫向排列形成有組織的多單體風暴，回波質(zhì)心較高，有界弱回波區(qū)特征明顯；對流回波柱密實而深厚，大于50 dBZ 強回波底高度在2 km 左右，具有高架對流的特征。

6 結論

文章選用貴州銅仁兩次大范圍的冰雹天氣過程，從降雹的雷暴種類、環(huán)流形勢、觸發(fā)機制、物理量、雷達回波特征等方面進行了對比分析，得出結論如下。

（1）對比分析2 次冰雹過程可知，4 月2 日過程主要影響系統(tǒng)為高空槽、低層切變線、低空急流和地面中尺度輻合線，而4 月15 日為高空槽、低層切變線、低空急流和地面冷鋒；兩次降雹天氣觸發(fā)條件不同，2 日冰雹過程由地面中尺度輻合線觸發(fā)對流，而15 日過程在850 hPa 切變線附近觸發(fā)。

（2）2 次冰雹過程均由中高層干冷氣流疊加于低層的暖濕氣流之上，形成“上干下濕”的不穩(wěn)定層結，利于激發(fā)強烈的對流運動；2 日過程強上升運動維持高度較高，出現(xiàn)在800～350 hPa，而15 日冰雹過程地面有相對較強的冷空氣侵入，且地面有冷墊形成，強上升運動區(qū)主要出現(xiàn)在中高層550～300 hPa，中心值強度比2 日冰雹過程更大。

（3）對比2 次冰雹過程可知，2 日冰雹過程的CAPE 值達1382.5 J·kg-1，而15 日冰雹過程從逆溫層頂訂正后CAPE 值為932.1 J·kg-1，仍然具有較大的不穩(wěn)定能量；2 日冰雹過程銅仁區(qū)域垂直風切變較大為8×10-3s-1，而15 日冰雹過程達11×10-3s-1。

（4）4 月2 日冰雹過程多個對流單體側向排列形成弓形回波，強對流回波從近地面發(fā)展至10 km左右高度，屬于地面發(fā)展雷暴降雹類型；“三體散射長釘”和有界弱回波區(qū)等特征明顯；而4 月15 日冰雹過程多個對流單體橫向排列形成有組織的多單體風暴，回波質(zhì)心較高，有界弱回波區(qū)特征明顯；對流回波柱密實而深厚，＞50 dBZ 強回波底高度在2 km左右，具有高架對流的特征。這些指標對短臨預報預警工作及人影防雹作業(yè)工作具有一定指導意義。