張 芳 ，虎文珺 ，晁 劍

（1.青海省氣象臺，青海 西寧810001；2.青海省氣象局，青海 西寧810001；3.青海省基礎地理信息中心，青海 西寧810001）

冰雹天氣局地性強、易成災，近年來不同地區(qū)冰雹天氣特征分析研究得出多種分析方法和結果。王培濤等[1]從天氣形勢和物理量特征方面分析冰雹天氣，濮文耀等[2]從環(huán)境物理量、溫度層結等方面入手分析冰雹天氣，趙海軍等[3]利用多普勒雷達資料分析冰雹得出強回波中心最大值及其所在高度和有界弱回波區(qū)的范圍等是判斷降雹潛勢的關鍵指標，黃俊杰等[4]分析得出雹暴過程以負地閃為主，零星正地閃出現在雹暴減弱消亡階段的結論，吳劍坤[5]、嚴紅梅[6]、刁秀廣[7]等使用天氣雷達強回波高度、垂直累積液態(tài)水含量及其他回波特征分析冰雹天氣。青海省東部農業(yè)區(qū)處于青藏高原東北部多雹緯度帶，冰雹天氣頻發(fā)，農作物受災嚴重。趙仕雄[8]、王江山等[9]研究得出青海省東部農業(yè)區(qū)為全省冰雹易發(fā)區(qū)，冰雹形成與產生高原多于盆地，山區(qū)多于河谷，陽坡多于陰坡。段勇等[10]對青海西寧711雷達10 a數字化資料進行分析，通過強對流回波頂高、強中心高度、強度、外形結構特征、回波厚度等因子，結合WSR-88D冰雹算法，在風暴結構基礎上確定了與冰雹云回波相關性較好的7個指標，并編制軟件對指標的預警預報效果進行檢驗。朱平等[11-12]利用新一代天氣雷達PUP產品資料，從回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量、45 dBZ回波高度等方面對較強風暴單體進行分析，得出降雹單體和雷雨單體的不同預警指標，相繼進行了強對流天氣自動預警、冰雹探測算法（HDA）檢驗評估等工作。蘇永玲等[13]利用多種資料診斷分析了2015年青海東北部3次冰雹天氣環(huán)境條件和中尺度系統(tǒng)的演變。張國慶等[14]從冰雹災害方面入手，研究了青海省冰雹成災時空特點、變化規(guī)律及冰雹直徑與成災面積的關系。本文利用地面常規(guī)觀測資料、Micaps資料、多普勒雷達和閃電定位等觀測資料，結合災情資料，統(tǒng)計分析青海東部農業(yè)區(qū)冰雹災害天氣特征。通過對冰雹災害天氣時空分布、高空環(huán)境條件、雷達回波和閃電等特征的分析，以期得出對本地冰雹災害天氣預報預警有參考意義的預警指標。

1 資料和分析方法

1.1 資料

青海省東部農業(yè)區(qū)包括西寧、平安、互助、循化、尖扎等市縣，該區(qū)域共有14個國家級氣象站，1個高空氣象觀測站，1個新一代天氣雷達站和3個閃電定位儀站（圖1）。統(tǒng)計青海省東部農區(qū)14個國家級氣象站2003—2017年的天氣現象、冰雹直徑以及歷年災情公報信息，確定冰雹站次和冰雹直徑。在2003—2017年青海省東部農業(yè)區(qū)發(fā)生的冰雹天氣中選取災情記錄詳實，各類氣象觀測資料完整的20次冰雹災害天氣過程，重點整理這20次過程對應的地面、高空氣象觀測資料，新一代天氣雷達觀測資料和雷電觀測資料。

圖1 2003—2017年青海東部農區(qū)站點分布

1.2 分析方法

統(tǒng)計分析2003—2017年青海省東部農區(qū)14個國家級氣象站天氣現象、冰雹直徑及災情信息，得出冰雹天氣的時空分布特征；針對整理出的20次冰雹災害天氣，使用西寧氣象站地面、高空氣象觀測資料進行對流有效位能、高空垂直風切變、0℃層高度等的統(tǒng)計分析；使用西寧新一代天氣雷達觀測資料進行回波強度、速度、頂高、及垂直累積液態(tài)水含量等的統(tǒng)計分析；使用西寧、門源、民和3站雷電觀測資料進行閃電次數、閃電強度及正閃、負閃次數的統(tǒng)計分析。綜合冰雹時空分布特征和多種統(tǒng)計分析結果得到青海省東部農業(yè)區(qū)冰雹預警指標，并對指標進行歷史回代和預報檢驗。

2 冰雹時空分布

2.1 空間分布特征

張國慶等[14]研究表明，1962—2002年青海省冰雹災害次數自1960年逐漸增多，到1980年達到高峰，之后又逐年下降。2003—2017年青海省東部農業(yè)區(qū)氣象站有觀測記錄的冰雹天氣共計325站次，結合災情資料分析，造成14個縣市216次冰雹災害。2003—2017年在東部農業(yè)區(qū)14個氣象站當中化隆出現冰雹次數最多，為70次；其次為湟源和湟中，分別為50次和34次；偏東的樂都、民和、尖扎和循化最少。湟源雹災次數最多，為42次；其次為化隆和湟中，分別為36次和28次；民和、尖扎和循化雹災次數最少（表1）。

表1 2003—2017年青海東部農業(yè)區(qū)冰雹分布

2.2 時間分布特征

2003—2017年冰雹站次呈現一年多一年少交替出現且逐年減少的趨勢，雹災次數呈現一年多一年少交替出現狀態(tài)（圖2a）。2003年冰雹站次和雹災次數最多，其次是2014年和2007年。冰雹天氣多的年份冰雹災害也較多，2010—2013年為雹災低值區(qū)，表明雹災次數不僅與冰雹頻次相關，還與冰雹直徑和落雹地點等因素相關。2003—2017年冰雹天氣都集中出現在3—10月（圖2b），冰雹出現較多月為5—9月，7月最多，達79次，每年3月前和11月后無冰雹天氣出現，這與文獻[8-9]中的結論一致，青海省東部農區(qū)的冰雹天氣屬于夏季多雹區(qū)類型；冰雹災害集中出現在5—9月，8月最多，達71次，這也表明冰雹次數和雹災次數存在正相關性，但是雹災的發(fā)生還與冰雹直徑、落區(qū)及農作物生長期等因素相關。

3 冰雹天氣高空環(huán)境特征

觀測和研究表明[5-6]，強對流天氣的發(fā)生發(fā)展需要有充足的水汽輸送和動力抬升條件。近年來專家學者研究得出[2，5]，冰雹天氣與凍結層和凍結層距地高度有關。利用西寧高空站08時、20時的探空資料對20次冰雹災害天氣發(fā)生當日對流有效位能，0℃、-20℃、-30℃層高度，垂直風切變進行統(tǒng)計分析。

圖2 2003—2017年青海東部農業(yè)區(qū)冰雹和雹災年際變化（a）和月際變化（b）

3.1 對流有效位能（CAPE）和垂直風切變

統(tǒng)計20次冰雹災害天氣對流有效位能發(fā)現，其中15個雹災日08時 CAPE均為0，08時 CAPE對午后冰雹天氣指示意義不佳；4個雹災日20時CAPE 為 0，其余最大值為 1789.3 J·kg-1，最小值為18.2 J·kg-1，20次冰雹災害天氣均發(fā)生在 14—20時，20時探空資料對午后冰雹天氣預警沒有意義。用冰雹出現當日14時地面氣溫對08時探空資料進行訂正，得到14時 CAPE，雹災日 14時 CAPE均在 100 J·kg-1以上，最大為1 886.7 J·kg-1，最小為158 J·kg-1。20次冰雹災害天氣對應的當日高空資料從500 hPa到地面都存在明顯的風切變，高度集中在4.5~5 km。表明高空垂直風切變比對流有效位能（CAPE）對冰雹災害天氣的預警指示意義更好。

3.2 特殊溫度層高度變化

大多數冰雹粒子的生長發(fā)生在-20~-30℃層高度范圍內[2]，冰雹落地大小還與0℃層至地表間距離密切相關。0℃層距地越高，融化過程就越長，對冰雹的融化作用就越明顯，冰雹直徑就越小。統(tǒng)計20個雹災日08時和20時的0℃層、-20℃層和-30℃層高度（圖3），6—9月出現雹災當日0℃層高度為4~6 km，-20℃層高度為7~9 km，-30℃層高度為8~11 km。20個雹災日中發(fā)生直徑為5~10 cm冰雹的0℃層平均高度為4.6 km，發(fā)生直徑為10~20 cm冰雹的0℃層平均高度為4.7 km，發(fā)生直徑 ＞20 cm冰雹的0℃層平均高度為4.8 km，0℃層以下大氣對冰雹的融化作用在青海東部農業(yè)區(qū)表現不明顯，這與文獻[5]結論不一致，可能是青海東部農業(yè)區(qū)0℃層平均高度和平均氣溫較低造成的。

圖3 20個雹災日0℃層高度與冰雹直徑統(tǒng)計

4 冰雹天氣雷達回波特征

利用強度回波、回波頂高、速度回波、垂直累積液態(tài)水含量等雷達回波產品對20次冰雹災害天氣個例進行分析和統(tǒng)計（圖4）。

4.1 回波形狀與移速

20次冰雹災害天氣中，云系都是由西北向東南方向移動，大多緩慢移動并發(fā)展加強，云系形成組織密實的塊狀結構，當最大回波強度達45 dBZ以上時，云系移速加大，云頂高度迅速升高。并在30~60 min后迅速減弱、消散。20次冰雹災害天氣中有12次是帶狀分布，類似于颮線系統(tǒng)，帶狀回波中有多個強對流單體，造成短時強降水、冰雹、大風等災害性天氣，其余8次為單個對流單體逐步發(fā)展為超級單體后造成冰雹災害并伴有短時大風。

4.2 回波強度和頂高

分析基本反射率各個仰角回波強度（圖4a），20次冰雹中最大回波強度多在50~55 dBZ，也有達到65 dBZ以上的，僅2005年9月6日的冰雹最大回波強度為45 dBZ。為了方便比較各次冰雹天氣的回波高度，統(tǒng)計50、45和30 dBZ回波所處的高度（圖4b，4c），并分別用 H50、H45和 H30表示，統(tǒng)計顯示在降雹時 H50一般＞7 km，最高達 14 km；H45一般＞8 km，最高達 15 km；H30一般＞8 km，最高達 17 km；僅有2005年9月6日冰雹過程回波高度偏低。數據表明，青海東部農業(yè)區(qū)天氣雷達回波強度＞45 dBZ且強回波高度在6.3 km以上時就會降雹，冰雹直徑與回波強度的線性相關強于冰雹直徑與強回波高度的線性相關。

回波頂高（ET）是反射率因子＞18 dBZ回波所處的高度[6]，ET的最大值與反射率因子最大值是不同的概念，但是持續(xù)的高ET值對判斷強對流天氣具有較好的指示意義，且ET容易辨認，實用性較強。分析表明，20次冰雹災害天氣中ET普遍＞10 km（圖4d），最高值達到18 km，所有冰雹災害天氣中僅有2次回波頂高＜10 km。冰雹直徑與ET的線性相關強于冰雹直徑與回波強中心高度（H45、H30、HMax）的線性相關，這與朱平[11]等人的研究結論不一致。

圖4 20次冰雹災害天氣回波強度（a）、強中心高度（b為45 dBZ，c為30 dBZ）、回波頂高（d）與冰雹直徑統(tǒng)計

4.3 徑向速度產品

Witt，et al[15]研究風暴頂輻散（風暴頂正負速度差值）與地面降雹的關系。一般情況下，分析徑向速度產品會在風暴底層尋找正負速度輻合線，并查看是否存在中氣旋或具有陣風鋒特征。但是青海東部農業(yè)區(qū)地形復雜，西寧雷達遮蔽角較大，底層回波受地形遮擋，因此選擇徑向速度的高仰角（6.0°，9.8°，14.6°）回波進行冰雹云頂層輻散分析（圖5）。風暴頂風速輻散區(qū)正負速度差在降雹時平均值為30.4 m·s-1，在降雹前2個體掃時間風暴頂部輻散正負速度差平均值為37.3 m·s-1，降雹前5個體掃時間的風暴頂部輻散正負速度差平均值為35.9 m·s-1，降雹前10~30 min風暴頂輻散正負速度差平均值均大于降雹時風暴頂部輻散正負速度差平均值，具有較好地提前預警作用，但風暴頂部輻散正負速度差值對冰雹直徑指示作用不明顯。

4.4 垂直累積液態(tài)水含量

垂直累積液態(tài)水含量（VIL）在某種意義上是對流單體強度的一種度量[16-17]。20次冰雹災害天氣雹云的 VIL 值普遍很高（圖 6a），通常＞20 kg·m-2，最大達到60 kg·m-2，僅2005年9月6日湟源的冰雹天氣VIL值低。分析20次冰雹災害天氣降雹前2個體掃時間和前5個體掃時間VIL值的變化（圖6b），16次出現比較明顯的VIL值增大，提前5個體掃至冰雹發(fā)生時的VIL值增量普遍超過10 kg·m-2，最大VIL值增量超過35 kg·m-2。降雹直徑較大時無論是VIL值還是VIL值增量都較大。

圖5 降雹時和降雹前2個、前5個體掃風暴頂輻散速度差值分布

5 冰雹天氣閃電特征

隨著閃電定位站點的布設，相關學者通過閃電資料對冰雹天氣進行了大量分析，取得了很多成果[18-21]。統(tǒng)計分析20次冰雹災害天氣降雹時和降雹前1 h的閃電次數、閃電小時次數、小時平均強度、正閃次數、負閃次數等指標（表2）。

5.1 閃電次數

20次冰雹災害天氣中降雹時和降雹前1 h冰雹云造成的正、負閃平均次數為184次，最多出現次數為680次，最少出現次數為10次，不同冰雹云產生的閃電次數差別很大，但雹云生成發(fā)展時均伴有閃電出現，且閃電出現時間比較集中。

2003年7月7日和2005年9月6日的冰雹天氣是局地發(fā)展的對流單體造成的，閃電次數分別為23次和20次；2013年8月10日、2016年8月3日的冰雹天氣是對流云系不斷合并發(fā)展，在同一路徑上不斷移動和生成新的對流單體造成的，閃電次數分別為438次和680次。數據表明，局地發(fā)展的對流單體生消迅速，但造成的閃電次數少；移動發(fā)展的對流云系不斷消亡，又不斷在云系前端產生新的對流單體，整個云系持續(xù)時間長，造成的閃電次數較多。

5.2 小時平均強度

小時平均強度是降雹時和降雹前1 h出現閃電的平均強度，分為正閃平均強度和負閃平均強度。數據分析可知，最大正閃平均強度為80.9 kA，最大負閃平均強度為-42.1 kA；最小正閃平均強度為0 kA，最小負閃平均強度為-3.5 kA。

5.3 正負閃電次數

每塊冰雹云產生閃電的正負極性分布不同。對冰雹云所產生的正、負閃電次數進行統(tǒng)計分析表明，幾乎每次冰雹天氣都產生正、負兩種極性閃電，且冰雹云發(fā)展越旺盛，冰雹直徑越大，則正、負閃次數越多，且負閃明顯多于正閃。但是在負閃次數較多時，在負閃周邊出現正閃次數越多，就越容易產生大冰雹，所以正閃的指示意義更強。

圖6 降雹時和降雹前2個、前5個體掃時VIL值（a）和VIL增量與冰雹直徑（b）

6 冰雹天氣預警指標和檢驗

6.1 預警指標和權重

根據以上結論得出青海東部農業(yè)區(qū)冰雹預警指標（A）和相應的權重（B），預警指標（A）有當前月份、高空風切變、最大回波強度、回波頂高ET、風暴頂部輻散正負速度差值、垂直累積液態(tài)水含量VIL、VIL值增量、負閃次數、正閃次數9項組成，分別用A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9表示。 9 項預警指標具有不同的權重（B）值，分別用 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9表示。

A1：當前月份。（A1=3月則B1=1，A1=4月則B1=2，A1=5 月則 B1=5，A1=6 月則 B1=8，A1=7 月則 B1=10，A1=8 月則 B1=9，A1=9 月則 B1=7，A1=10 月則 B1=4， A1=1、2、11、12 月則 B1=0）。

A2：高空風切變。（存在風切變B2=5，不存在風切變 B2=0）。

A3：最大回波強度。（A3=45 dBZ 則 B3=2，A3每增加 5 dBZ 則 B3加 2）。

A4：回波頂高 ET。（A4=8 km 則 B4=2，A4每增加1 km則 B4加 1）。

A5：風暴頂部輻散正負速度差值。（A5=3 m·s-1則B5=1，A5每增加2倍則B5加1）。

A6：垂直累積液態(tài)水含量 VIL。（A6=3 kg·m-2則B6=1，A6每增加 2 倍則 B6加 1）。

A7：VIL 值增量。（A7=3 kg·m-2則 B7=1，A7每增加1倍則B7加1）。

A8：負閃次數。（A8=10 次則 B8=1，A8每增加 20次則 B8加 1 且B8≤10）。

A9：正閃次數。（A9=1次則B8=5，A9每增加1次則 B9加 1 且 B9≤10）。

權重（B）=B1+B2+B3+B4+B5+B6+B7+B8+B9。由于每年1、2、11、12月無冰雹天氣發(fā)生，所以當B1=0時，B=0。

上述冰雹預警指標是對冰雹天氣進行分析和總結得到的，實際情況是短時強降水天氣同樣會造成強回波和強閃電。為了得出有效的冰雹天氣預警區(qū)間值，隨機選取2003—2017年青海東部農業(yè)區(qū)20次小時降水量≥20 mm的強降水天氣，與文中分析的20次冰雹天氣共同組成強對流天氣個例庫，利用預警指標（A）計算出強對流天氣個例庫中40個天氣個例的權重（B），并分別將20次冰雹天氣的權重（B）和20次短時強降水天氣的權重（B）值按大小順序排列對比（圖7），冰雹天氣的權重（B）值明顯高于強降水天氣的權重（B）值。20次冰雹天氣的權重（B）平均值為55，最大值為82，最小值為27；20次短時強降水天氣的權重（B）平均值為37，最大值為57，最小值為12。

表2 冰雹云閃電特征

強對流天氣個例庫的40例對流天氣中，權重B≤26的對應有3例，均是強降水天氣，冰雹出現概率為0；26＜B≤37的對應有11例，其中出現1例冰雹天氣，冰雹出現概率為9.1%；37＜B≤55的對應有19例，其中出現10例冰雹天氣，冰雹出現概率為52.6%；B＞55的對應有10例，其中出現9例冰雹天氣，冰雹出現概率為90%。由此得出冰雹天氣預警權重（B）值的預警區(qū)間和對應冰雹出現概率：當B≤26時，無冰雹；當26＜B≤37時，冰雹預警，冰雹出現概率低；當37＜B≤55時，冰雹預警，冰雹出現概率中等；當B＞55時，冰雹預警，冰雹出現概率高。

圖7 20次冰雹天氣和20次短時強降水天氣權重（B）值統(tǒng)計

6.2 預警指標歷史回代

使用2015年全年強降水和冰雹天氣共23次，對預警指標進行歷史回代（表3），預警指標的歷史回代擬合率達86.9%，其中歷史回代空報2次，漏報1次。

6.3 預警指標預報檢驗

編寫計算機程序讀取高空、雷達、閃電觀測數據中與預警指標（A）相關的數據，并計算出相應的權重（B）實現對冰雹的預警；對2018年青海東部農業(yè)區(qū)10次強對流天氣進行效果檢驗（表4），結果表明，預警指標（A）和相應的權重（B）能夠對冰雹天氣進行有效預警，預警準確率為80%，冰雹預警提前量為2～5個體掃時間即12～30 min。其中空報1次，漏報1次，兩次錯誤預警的權重值分別為23和28，說明該預警指標會漏報小直徑冰雹，也可能將強降水誤識別為冰雹。

表3 冰雹預警指標歷史回代結果統(tǒng)計

7 結論

（1）2003—2017年在青海東部農業(yè)區(qū)的14個站當中，化隆出現冰雹次數最多，其次為湟源和湟中，其中樂都、民和、循化、尖扎最少；冰雹站次呈現一年多一年少交替出現和逐年減少的趨勢，雹災次數呈現一年多一年少交替出現狀態(tài)；冰雹和雹災出現較多月均為5—9月，冰雹天氣7月最多，冰雹災害8月最多。

（2）高空垂直風切變與冰雹災害天氣的相關性比對流有效位能與冰雹災害天氣的相關性更好，在青海東部地區(qū)，0℃層高度變化對冰雹融化作用不明顯。

（3）冰雹直徑與ET的線性相關最強，其次是冰雹直徑與回波強度的線性相關，冰雹直徑與強回波高度的線性相關最弱；風暴頂部輻散正負速度差值對冰雹預警有意義，但與冰雹直徑無明顯相關性；垂直累積液態(tài)水含量和VIL值增量對冰雹預警有指示意義。

（4）不同冰雹云產生的閃電頻次差別很大，同一塊雹云中正閃次數越多，降雹直徑越大。

（5）預警指標包括高空風切變、最大回波強度、ET、風暴頂部輻散正負速度差值、VIL、VIL值增量、負閃次數、正閃次數共9項。預警權重（B）值的預警區(qū)間為：當B≤26時，無冰雹；當26＜B≤37時，冰雹低概率預警；當37＜B≤55時，冰雹中等概率預警；當B＞55時，冰雹高概率預警。

（6）預警指標歷史回代擬合率達86.9%，預警準確率為80%。預警指標對直徑＜3 mm的冰雹預警能力偏弱，也可能將強降水誤識別為冰雹。各項指標的權重（B）值可以繼續(xù)通過業(yè)務應用和檢驗進行優(yōu)化，以提高預警準確率。