覃 皓，農(nóng)孟松，賴珍權(quán)，翟麗萍

（廣西壯族自治區(qū)氣象臺，南寧 530022）

引言

冰雹是廣西主要的氣象災(zāi)害之一，具有局地性強，持續(xù)時間短，致災(zāi)性大等特點。多年來，氣象工作者從環(huán)流分型以及云圖、雷達特征等方面對大范圍冰雹過程進行了研究，得出了一些具有指示意義的結(jié)論。俞樟孝等［1］指出冷鋒位置、邊界層輻合線、潛在不穩(wěn)定度和對流不穩(wěn)定度這四個因子對于判斷冷鋒前有無大范圍冰雹的發(fā)生具有重要意義［1］。覃柱益［2］對大范圍冰雹的天氣形勢、落區(qū)、預(yù)報起始場以及冰雹產(chǎn)生的定性診斷問題進行了綜合分析。陳見［3］分析環(huán)流特點指出阿拉伯海高壓、西太平洋副高偏強以及高原地區(qū)位勢高度負(fù)距平的配置利于南支波動的產(chǎn)生，進而使華南西部容易激發(fā)中小尺度對流系統(tǒng)，導(dǎo)致冰雹較常年偏多。林開平等［4］指出浮力能量的演變和天氣尺度系統(tǒng)的配合與大范圍冰雹過程密切相關(guān)。農(nóng)孟松等［5］將造成冰雹的環(huán)流形式進行了分型，并指出高原東部低槽型造成冰雹的次數(shù)最多。廖勝石［6］利用多普勒雷達產(chǎn)品結(jié)合天氣圖資料分析了桂西一次大范圍冰雹天氣過程。梁維亮等［7］發(fā)現(xiàn)ω 方程與數(shù)值預(yù)報回報的結(jié)果相結(jié)合對區(qū)域性強對流時間和落區(qū)的總體趨勢有較好的指示作用。翟麗萍等［8］指出在云圖上呈現(xiàn)長橢圓、上風(fēng)方光滑為“V”型并沿下風(fēng)方伸出卷云砧是廣西區(qū)域性冰雹云團的典型特征。

廣西的冰雹天氣主要出現(xiàn)在2-5 月份，占全年總?cè)諗?shù)的90%以上，其中以3、4 月份最多，前人的工作大多也集中于此時間段，而對于出現(xiàn)在1 月份的冰雹天氣研究較少。除此之外，一次強對流過程出現(xiàn)30 站以上的冰雹觀測記錄也極為罕見。利用常規(guī)探空觀測資料、歐洲中心ERA5 再分析資料（分辨率0.25°×0.25°）、多普勒雷達資料、風(fēng)云2G 衛(wèi)星的相當(dāng)黑體溫度資料（TBB，分辨率0.1°×0.1°）對廣西2020年1 月24 日一次罕見的大范圍強對流冰雹天氣進行綜合分析，總結(jié)1 月份出現(xiàn)大范圍冰雹過程的天氣尺度條件及中尺度結(jié)構(gòu)特征，提高對冰雹天氣發(fā)生的認(rèn)識。

1 天氣過程實況

2020 年1 月24 下午14 時至25 日下午16 時，廣西出現(xiàn)了2000 年以來范圍最大的一次冰雹天氣過程。冰雹的落區(qū)主要位于百色、河池、柳州、崇左、南寧、防城港、欽州、玉林8 個市的41 個縣區(qū)，冰雹直徑在3-50mm 之間，其中小冰雹落區(qū)主要位于桂東北，而大冰雹落區(qū)主要位于桂西桂南，其中最大冰雹出現(xiàn)在百色市西林縣，直徑達到50mm。除此之外，此次過程還伴有雷暴大風(fēng)和短時強降水，8 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)17m·s-1以上大風(fēng)，31 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時強降水。

此次冰雹天氣過程的范圍之大，在廣西雷達觀測資料記錄中是少有的。其中1 月24 日14 時至23時左右主要為鋒前暖區(qū)對流，強對流天氣以大冰雹、雷電、短時強降水為主，25 日為冷鋒后的高架對流。在此主要討論24 日的鋒前暖區(qū)對流過程。

圖1 2020 年1 月24 日—25 日冰雹落區(qū)分布

2 天氣形勢分析

2.1 影響天氣系統(tǒng)

1 月24 日08 時，500hPa 上中高緯為兩槽一脊的形勢，副熱帶高壓脊線穩(wěn)定在15°N 到20°N 附近，南支槽位于孟加拉灣與中南半島之間，廣西位于南支槽前正渦度平流區(qū)，具有天氣尺度抬升背景。南支槽較寬，振幅較小，槽線距離對流觸發(fā)的西邊界約為4 個經(jīng)度。槽前等高線密集，存在一支西南風(fēng)急流，急流軸位于桂北，風(fēng)速達到28～32m·s-1（圖2a），是造成深層強垂直風(fēng)切變的原因之一。南支槽附近有冷槽，從四川盆地延伸至云南越南交界，廣西上空異常偏冷，-12℃溫度線南壓至了桂南，全區(qū)處于槽前24 小時負(fù)變溫區(qū)中，其中桂西24 小時負(fù)變溫達到-2℃（圖2b），槽前負(fù)變溫與850hPa 溫度疊加有利于垂直溫度遞減率增大，增強對流不穩(wěn)定［9］。除此之外，從高原南部至云南一帶不斷有干空氣入侵，廣西上空500hPa 均處在干區(qū)之中，相對濕度小于50%（圖略）。而在700hPa 上，南支槽位于孟加拉灣北部，落后于500hPa 槽，在垂直方向上呈現(xiàn)出前傾槽的形勢，也有利于大氣不穩(wěn)定層結(jié)的加強，為槽前暖區(qū)對流發(fā)生提供有利條件。

低層850hPa 上，24 日08 時，切變線位于黔桂交界一帶，東段呈東-西向，西段呈南-北向。在切變兩側(cè)，暖空氣從中南半島向東北方向輸送，冷空氣從湖南、貴州向南輸送（圖2c）。同時，廣西上空850hPa與500hPa 的溫差大部達到了24℃，其中桂西超過了26℃，溫度直減率大（圖2c）。邊界層925hPa 上切變線已經(jīng)南壓至桂中，其南側(cè)的東南風(fēng)從南海源源不斷輸送水汽，桂南比濕達到了12g·kg-1，表明邊界層具有良好的水汽條件。

24 日14 時，廣西上空急流維持，南支槽東移引導(dǎo)切變線南下。此時地面上冷鋒緩慢南壓至桂中，冷鋒前后為較強的東南風(fēng)和東北風(fēng)輻合，同時滇黔桂至廣西越南交界存在東南風(fēng)與西南風(fēng)的輻合線，地面鋒面與輻合線為對流提供了觸發(fā)條件。

圖2 2020 年1 月24 日08 時（a）500hPa 位勢高度（等值線，單位：dgpm）和風(fēng)場（藍線、風(fēng)矢量，≥20m·s－1）；（b）500hPa 溫度場（等值線，單位：℃）和24h 變溫（填色，單位：℃）；（c）850hPa 溫度場（等值線，單位：℃）、850hPa 與500hPa 溫差（填色，單位：℃）以及風(fēng)場（單位：m·s－1）

與歷史同期1 月份氣候態(tài)相比，24 日90°E～110°E，20°N～30°N 上空500hPa 為位勢高度負(fù)距平（圖略），偏低1～4dagpm，印度高壓和西太副高偏強，而高原地區(qū)為負(fù)距平，在這樣的環(huán)流背景下廣西極易激發(fā)中小尺度強對流系統(tǒng)［3］，為此次過程提供了天氣尺度動力背景。溫度場上，廣西上空500hPa 異常偏冷，溫度與歷史同期1 月份相比為負(fù)距平，其中桂西北為距平絕對值大值區(qū)，溫度偏低5～6℃，同時500hPa 與850hPa 的溫差（T500-850）為-10～-7℃的負(fù)距平，距平絕對值大值區(qū)位于桂西南，達到-10℃（圖略），異常偏冷的中層以及大的溫度直減率導(dǎo)致了不穩(wěn)定層結(jié)的建立。

2.2 環(huán)境條件

此次過程主要發(fā)生在廣西西部和南部，因此分別選取百色和南寧探空站為桂西和桂南的代表站。24 日08 時，兩個區(qū)域上空均呈現(xiàn)上干下濕的層結(jié)特征。百色濕層僅有2km 的高度，2km 以下溫度曲線和露點曲線相差很小，溫度露點差在1～2℃左右，而在2km 以上溫度露點差迅速增大，在500hPa 左右達到了25℃左右；而南寧上空濕層更為深厚，向上延展接近3km，3km 以下溫度曲線和露點曲線幾乎重合，而在4km 左右溫度露點差迅速增大。

從能量條件看，08 時南寧的對流有效位能（CAPE）已經(jīng)達到了643.4J·kg-1，自由對流高度（LFC）在700hPa 以下（表1），表明該區(qū)域能量充足，只需中低強度的抬升擾動就能促使不穩(wěn)定能量釋放；而百色的CAPE 值為141J·kg-1，且存在一定的對流抑制，此時對流還未發(fā)展。通過14 時的溫度27.7℃和露點17.3℃對探空進行訂正后，CAPE 值達到了2151.8J·kg-1，表明在對流發(fā)生前已經(jīng)積累了非常可觀的不穩(wěn)定能量。另外，兩個站的K 指數(shù)和沙氏指數(shù)（SI）均指示大氣具有較強的不穩(wěn)定性。14時，百色站K 指數(shù)達到了41℃。

在動力條件上，百色和南寧的探空顯示近地面層為偏東風(fēng)，以上均轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，700hPa 以上存在強的西南急流，0-6km 垂直風(fēng)切變分別為32m·s-1和22m·s-1（表1），均屬于強的深厚垂直風(fēng)切變，利于對流風(fēng)暴的組織化發(fā)展以及水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)化從而促進超級單體的發(fā)展［10，11］。

強冰雹的產(chǎn)生還需要合適的0℃和-20℃層高度［12-14］。百色和南寧的0℃和-20℃層高度均分別在3.6 和6.6km 附近，這樣的高度不僅有利于冰雹的生成，同時還使得降雹過程中的雹塊不會因暖層過厚而在落地前融化。除此之外，0℃和-20℃層的厚度在3km 左右，厚度區(qū)間內(nèi)溫度遞減率較大，表明條件不穩(wěn)定性較大，也有利于大冰雹的生成［15］。

表1 2020 年1 月24 日08 時對流參數(shù)

3 地形作用分析

此次過程的對流系統(tǒng)主要在桂西北和中南半島北部一帶觸發(fā)，并在高層引導(dǎo)氣流的作用向東北移動，在我區(qū)發(fā)展造成降雹。除了地面輻合線的動力抬升外，地形的強迫抬升觸發(fā)在本次過程中同樣重要。24 日12 時，在中南半島北部越南境內(nèi)，低層的偏南風(fēng)與喇叭口地形呈約45°夾角（圖3），地形的抬升有利于對流的觸發(fā)。同時該地區(qū)具有較強的熱力不穩(wěn)定條件（θse850-500大值區(qū)），對流一經(jīng)觸發(fā)就能得到快速發(fā)展。

圖3 2020 年1 月24 日12 時925hPa 風(fēng)場（單位：m·s－1）、θse850－500分布（等值線，≥12，單位：K）和海拔高度（陰影，單位：m）

4 云圖和雷達回波特征

從TBB 和雷達組合反射率分布可以看到，由于地形的作用，24 日12 時已經(jīng)有對流單體在越南東北部發(fā)展（圖4a，圖4d 中強回波A）。14-20 時該對流單體發(fā)展加強為超級單體，在引導(dǎo)氣流作用下向東北方向移動入境我區(qū)，經(jīng)鋒面動力抬升和不穩(wěn)定能量釋放后進一步發(fā)展，云團面積明顯增大，TBB 低至-58℃（圖4b），強回波面積增大，強度超過65dBz（圖4e），且具有后向傳播的特征，造成崇左、防城港、欽州和玉林一帶的降雹，最大直徑達到30mm，于21 時左右減弱出境。

隨著冷鋒的南壓，滇黔桂交界一帶地面輻合線觸發(fā)另一對流云團（圖4e 中強回波B），隨后向東北方向移動并不斷發(fā)展，在強垂直風(fēng)切變作用下向下風(fēng)方向伸展出卷云砧，TBB 最低至-56℃（圖4b），造成百色和河池部分縣市的降雹，其中百色田林在15時40 分左右出現(xiàn)直徑達到50mm 的落地冰雹，于19 時左右減弱消亡（圖4c）。除此之外，16 時左右在百色、河池和南寧交界一帶也有受鋒面抬升原地觸發(fā)的對流云團（圖4b，圖4e 中強回波C 和D），隨后東北移造成河池、南寧和柳州的降雹。

18—22 時，高能舌由越南東北部伸向桂西南的形勢維持，越南北部仍然不斷有地形觸發(fā)的對流云團（圖4c，組合反射率圖4f 上的強回波E、F、G、H），入境后在鋒面及低層切變作用下發(fā)展維持，造成百色、崇左、防城港和欽州多個縣降雹。

此次過程中的冰雹云團在云圖上表現(xiàn)為長橢圓形，上風(fēng)方向呈“V”型并朝下風(fēng)方向伸出很長卷云砧，具有造成廣西區(qū)域性冰雹天氣的典型特征［8］，在預(yù)報預(yù)警時具有一定的指示意義。雷達回波圖像上部分強回波單體具有＞1h 的較長生命史，能夠移動較長距離并在多地降雹。

圖4 2020 年1 月24 日12 時（a）、16 時（b）、20 時（c）的TBB 分布（單位：℃）以及12 時（d）、16 時（e）、20 時（f）的雷達組合反射率（＞30dBz 回波廓線，單位：dBz）

進一步選取造成24 日14∶40 左右崇左寧明縣降雹的對流單體進行分析。14∶34 左右在崇左雷達4.3°仰角可以看到，位于雷達西南角65km 處的寧明縣西南部有一剛?cè)刖硰V西的對流單體，強度達到60dBz，在其后還跟隨著一發(fā)展強盛的對流單體（圖5a）。廣西這個季節(jié)的對流單體反射率因子一旦超過60dBz 就表明該單體具有降雹的可能，此時已可以考慮發(fā)布冰雹預(yù)警。沿對流單體前進方向（圖5a 中白線AB）做剖面可以看到，該對流單體具有明顯的回波懸垂特征，強反射率因子主體隨高度向下風(fēng)方向傾斜，回波頂伸展到14km 左右，大于50dBz 的強回波達到8km 的高度，遠高于-20℃層（6.6km）的高度（圖5b），這對于冰雹的預(yù)警具有指示意義［16］，可以視為預(yù)警信號發(fā)布最佳時機。

圖5 2020 年1 月24 日14：34 崇左雷達4.3°仰角（a）基本反射率及（b）沿AB 垂直剖面（單位：dBz），（c）基本徑向速度，（d）沿CD 雷達徑向剖面以及（e）垂直雷達徑向EF 剖面（單位：m·s－1）

徑向速度圖上，3.4°、4.3°和6.0°仰角上都可以看到該超級單體的中氣旋特征（圖5c），從14∶05 開始持續(xù)7 個體掃。沿209°雷達徑向作如圖白線CD的垂直剖面，可以看到在對流單體內(nèi)部，高層和低層具有明顯的風(fēng)向切變。0-5km 存在徑向速度的輻合，而5-13km 左右轉(zhuǎn)為輻散，高層輻散低層輻合的配置有利于低層水汽向超級單體內(nèi)輸送從而使對流單體強烈發(fā)展［17］。同時輻合輻散區(qū)軸線隨高度向東北方向傾斜（圖5d），利于對流的維持。沿垂直雷達徑向EF 做剖面（雷達在里）可以看到中氣旋的速度對特征從2.5km 向上伸展到了9km 左右（圖5e），達到超級單體垂直尺度的二分之一，旋轉(zhuǎn)速度最大到19m·s-1左右，距離雷達65km，根據(jù)美國國家強風(fēng)暴實驗室的中氣旋判據(jù)屬于中等強度的中氣旋。

此外，該超級單體的垂直液態(tài)水含量（VIL）在14∶22 至14∶34 出現(xiàn)了從50kg·m-2至59kg·m-2的躍增（圖略），表明此時云體內(nèi)冰雹迅速增長，對冰雹的識別具有很好的指示意義［18］。隨后在14∶40 左右開始降雹落地，VIL 快速降低。

5 結(jié)論

（1）2020 年1 月24 日廣西地區(qū)大范圍的強對流冰雹天氣過程具有500hPa 寬槽、高空急流、低層切變、地面冷鋒以及輻合線相配合的有利環(huán)流背景。中高層西南風(fēng)急流的強勁造成較強的風(fēng)垂直切變從而有利于垂直上升運動的發(fā)展，為冰雹天氣提供了動力條件。異常干冷的中層是導(dǎo)致大溫度直減率的主要原因，配合槽前的負(fù)變溫以及低層暖脊大大增強了大氣的不穩(wěn)定性。地面冷鋒南壓以及地形作用為此次強對流過程提供了觸發(fā)條件。

（2）深層強垂直風(fēng)切變、熱力不穩(wěn)定層結(jié)以及適宜的0℃、-20℃層高度為冰雹的產(chǎn)生提供有利的環(huán)境條件。

（3）冰雹云團在云圖上表現(xiàn)為長橢圓形，上風(fēng)方向呈“V”型并朝下風(fēng)方向伸出很長卷云砧，具有造成區(qū)域性冰雹天氣的典型特征。雷達回波圖上超過60dBz 的強反射率因子、回波懸垂結(jié)構(gòu)、VIL 的躍增、持久深厚的中氣旋以及高層輻散低層輻合的速度場配置對于冰雹天氣的識別和預(yù)警具有很好的指示意義。