希熱娜依·鐵里瓦爾地，努爾比亞·吐尼牙孜，王建友

(1.中亞大氣科學(xué)研究中心，烏魯木齊 830002；2.喀什地區(qū)氣象局，新疆喀什 844000)

喀什地區(qū)岳普湖縣位于天山南麓、塔里木盆地西緣、蓋孜河下游，氣候干燥，屬于溫帶大陸性干旱氣候區(qū)。地勢西高東低，東北部和西南部為戈壁沙漠，西北部和東南部為沖積平原。由于地處綠洲及沙漠邊緣，每年強對流天氣頻繁出現(xiàn)，尤其5—9月出現(xiàn)冰雹頻次較高，冰雹引發(fā)的氣象災(zāi)害給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失，因此做好冰雹天氣的預(yù)報監(jiān)測及預(yù)警對該地的開展防雹服務(wù)工作有重要指導(dǎo)意義。近年來，新疆氣象工作者對南疆的冰雹特征及災(zāi)害進行了大量研究，得出了不少成果。張俊蘭等[1-2]對阿克蘇地區(qū)的強冰雹超級單體風(fēng)暴的雷達(dá)回波進行了細(xì)致研究，得出了阿克蘇地區(qū)強冰雹發(fā)生時雷達(dá)指標(biāo)和潛勢；張云慧等[3]對南疆西部中亞低渦背景下造成的兩次強冰雹從環(huán)境場和物理機制進行了對比分析，揭示了喀什地區(qū)冰雹和短時強降水的環(huán)境場特征；黃艷[4-6]從喀什冰雹天氣的氣候特征、時空分布特征、環(huán)境背景和強對流指數(shù)等方面進行大量研究，得出了喀什地區(qū)冰雹天氣氣候特征和環(huán)境參數(shù)；李圓圓[7]分析了喀什地區(qū)一次罕見強冰雹天氣的中尺度系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)雹區(qū)附近的低層到地面在冰雹出現(xiàn)前存在中尺度切變線、地面中尺度低壓、涌線等系統(tǒng)，為強冰雹的出現(xiàn)提供了有利的動力條件。前人的上述研究成果為南疆西部冰雹天氣的臨近預(yù)報提供了很好的參考依據(jù)。但目前對南疆西部冰雹的研究更多側(cè)重于強冰雹形成的物理機制和雷達(dá)回波特征的分析研究，而對中等強度冰雹的形成成因和預(yù)報預(yù)測的研究較少。從歷年喀什地區(qū)冰雹災(zāi)情資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在弱垂直風(fēng)切變下造成的冰雹，雖然冰雹直徑小，但冰雹持續(xù)時間長仍然能造成嚴(yán)重災(zāi)害。2018年5月19日喀什地區(qū)岳普湖縣出現(xiàn)了一次持續(xù)時間較長的小冰雹，經(jīng)過災(zāi)情調(diào)查發(fā)現(xiàn)此次冰雹天氣給當(dāng)?shù)亓止麡I(yè)、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重災(zāi)害。本文利用常規(guī)氣象觀測資料、雷達(dá)資料、區(qū)域加密自動站風(fēng)場資料、NCEP再分析資料等，對此次弱垂直風(fēng)切變下的冰雹天氣從環(huán)流背景、中尺度觸發(fā)機制、物理條件和雷達(dá)特征等方面進行了成因分析，以期為本地此類天氣的臨近預(yù)報預(yù)警提供一定的思路。

1 資料選取

選取常規(guī)氣象資料、喀什區(qū)域自動站風(fēng)場資料、NCEP 1°×1°再分析資料及2018年5月19日喀什多普勒雷達(dá)資料等，綜合分析喀什地區(qū)岳普湖縣2018年5月19日在弱垂直風(fēng)切變條件下產(chǎn)生的致災(zāi)冰雹的成因。

2 冰雹概況及災(zāi)情

2018年5月19日08時—20日08時(北京時，下同)，喀什平原大部地區(qū)出現(xiàn)小到中雨以上降水，偏北部分區(qū)域出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時強降水、冰雹等強對流天氣，強降雨和冰雹發(fā)生時段在19日18—21時，其中19：45—20：13岳普湖縣3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后出現(xiàn)冰雹天氣，持續(xù)時間約30 min，冰雹最大直徑15 mm，造成該地農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)直接經(jīng)濟損失406.76萬元。

3 環(huán)流背景及中尺度觸發(fā)機制

過程前期5月18日20時(圖略)500 hPa歐亞區(qū)域中高緯度為兩脊一槽的環(huán)流形勢。烏拉爾山至里海、咸海為穩(wěn)定的高壓脊區(qū)，中亞一帶有低槽活動，西西伯利亞至貝加爾湖受寬廣的低槽影響，南疆西部處于低槽底部。19日08時(圖1a)里海、咸海至烏拉爾山高壓脊持續(xù)向東北方向發(fā)展，脊前偏北氣流不斷引導(dǎo)北方冷空氣南下補充到西伯利亞槽中，使槽分兩段。北段位于北疆到東疆之間，有利于冷空氣沿東疆地勢較低地帶東灌進入南疆盆地；南段西退南壓與中亞低槽合并成低渦，低渦南伸至30°N，南疆西部處在低渦前部的西南氣流中；08—20時中亞低渦東移進入南疆西部與東灌冷空氣共同作用影響喀什地區(qū)，造成19日傍晚喀什地區(qū)岳普湖縣的冰雹天氣。

從中尺度分析來看(圖1b)：700 hPa上喀什到阿克蘇之間存在中尺度冷式切變，850 hPa喀什到和田之間有明顯的風(fēng)場輻合區(qū)；500 hPa南疆西部有顯著濕區(qū)，中層濕度條件較好；850 hPa南疆盆地東部存在12 m/s偏東急流，有利于冷空氣輸送和熱力不穩(wěn)定增加。14時地面上(圖略)，南疆盆地受中心強度為1 000 hPa的熱低壓控制，喀什偏北地區(qū)地面風(fēng)場呈現(xiàn)出氣旋性特征，即存在中尺度地面輻合線。區(qū)域加密自動站風(fēng)場顯示，19時南疆盆地至喀什東部有一致的偏東風(fēng)，而喀什北部一線為西北風(fēng)，伽師縣玉代力克鄉(xiāng)極大風(fēng)速達(dá)21.2 m/s，風(fēng)向輻合區(qū)位于岳普湖境內(nèi)，對應(yīng)時刻岳普湖出現(xiàn)明顯降水，地面增濕。午后地面升溫，近地層儲存不穩(wěn)定能量，隨著高空槽逼近，低層切變線東移，500 hPa上干冷的偏北氣流翻越天山侵入喀什地區(qū)疊加到低層暖濕氣流之上，增強了高低層系統(tǒng)耦合，加劇了大氣層結(jié)不穩(wěn)定性，強對流在地面中尺度輻合線附近觸發(fā)，不穩(wěn)定能量釋放，造成岳普湖的冰雹天氣。

圖1 2018-05-19T08 500 hPa環(huán)流形勢(a，實線為等高線，單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃)和中尺度系統(tǒng)分析(b，灰色陰影區(qū)為冰雹落區(qū))

4 冰雹發(fā)生前物理條件

4.1 不穩(wěn)定層結(jié)和水汽

冰雹爆發(fā)前雹區(qū)低層均存在潛在不穩(wěn)定能量累積過程，在外部動力條件具備時，大氣潛在不穩(wěn)定能量得以釋放，上升運動發(fā)展形成強對流[8-9]。19日08時南疆西部T(850-500)在28～30 ℃，喀什站T(850-500)=30 ℃，說明高低層垂直溫度遞減率強。14時隨著溫度的升高T(850-500)加大，喀什地區(qū)T(850-500)達(dá)33 ℃左右(圖2a)，加劇了上冷下暖的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，為冰雹的發(fā)生提供了熱力不穩(wěn)定條件。假相當(dāng)位溫θse也是表示大氣不穩(wěn)定度的一個重要物理量，隨高度升高而減小可以判斷有不穩(wěn)定層結(jié)。14時沿77°E做假相當(dāng)位溫和比濕的垂直剖面(2b)，可以看到喀什北部39°N～40°N 在400 hPa以下θse隨高度減小，說明大氣層結(jié)不穩(wěn)定。850～700 hPa有θse線密集區(qū)，即有高能鋒區(qū)，332 K高能中心位于850 hPa。400～600 hPa有低能舌伸向南疆西部，θse(850-500)為10 ℃，表明中層有干冷空氣侵入。用溫度露點差和比濕分析此次強對流天氣的水汽條件。降雹當(dāng)日08時喀什偏北地區(qū)700～850 hPa溫度露點差分別為10 ℃、12 ℃，而中高層500～400 hPa溫度露點差分別為1 ℃、2 ℃(圖略)，表明大氣處于上濕下干狀態(tài)，對流層低層空氣飽和度小，濕度條件不好。午后隨著500 hPa中亞低渦加深東移，低渦前西南氣流逐步加強，將低渦本身攜帶的水汽輸送至南疆西部，在冰雹出現(xiàn)前的18—19時喀什偏北的英吉沙、岳普湖區(qū)域出現(xiàn)明顯降水，地面濕度增大，為后期強對流的出現(xiàn)提供了較好的濕度條件。14時比濕的垂直分布存在南北向的濕度梯度，即喀什南部的葉城山區(qū)和淺山區(qū)一帶比濕達(dá)8 g/kg，往北遞減，冰雹發(fā)生地岳普湖比濕在6 g/kg左右，這在干旱半干旱地區(qū)的春季屬于較高值。14—15時葉城淺山區(qū)出現(xiàn)短時強降水，與比濕有較好的對應(yīng)關(guān)系。假相當(dāng)位溫和比濕的垂直分布可以反映出14時大氣層結(jié)已轉(zhuǎn)為中上層干冷、低層暖濕的不穩(wěn)定狀態(tài)，冰雹出現(xiàn)在高能高濕區(qū)附近。

圖2 2018-05-19T14的T(850-500)(a，單位為℃)和沿77°E的比濕q(實線，單位為g/kg)及假相當(dāng)位溫θse(灰色陰影，單位為K)的垂直剖面(b)(▲為冰雹落區(qū)，白色區(qū)域為地形)

4.2 對流指數(shù)

研究表明，K指數(shù)、SI指數(shù)、CAPE(對流有效位能)值能很好地反映測站上空大氣層結(jié)狀態(tài)，CAPE值越大，其能量釋放后形成的上升氣流強度越強，降雹的可能性就越大[10]。因冰雹發(fā)生地岳普湖沒有探空測站，故選用離雹暴發(fā)生地最近的喀什市探空測站的探空資料來分析岳普湖上空的大氣層結(jié)條件。由于雹暴發(fā)生在午后至傍晚，為了能真實反映對流天氣發(fā)生前后的環(huán)境場，采用當(dāng)日14時地面和露點溫度對08時探空資料進行訂正，進而提高探空數(shù)據(jù)對此次冰雹天氣的指示性。從19日喀什探空圖(圖3，圖見第13頁)和對流參數(shù)的變化(表1)可以看出，冰雹發(fā)生前(08時)喀什本站CAPE值為0 J/kg，K指數(shù)為24 ℃，SI指數(shù)為1.41 ℃，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，訂正后(14時)CAPE值突增到1 180 J/kg，不穩(wěn)定能量迅速增長，K指數(shù)升至32.3 ℃，增幅8.3 ℃，SI指數(shù)降到-4.0 ℃，說明14時的大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定，有利于強對流發(fā)生。

圖3 2018-05-19(a 08時)和訂正后(b 14時)喀什站探空資料(文見第11頁)

表1 2018-05-19喀什站探空對流參數(shù)

4.3 特征層高度

黃艷等[4]對2001—2012年喀什地區(qū)發(fā)生的冰雹天氣的0 ℃和-20 ℃高度進行統(tǒng)計分析，得出適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度有利于產(chǎn)生冰雹；兩者之間的厚度越小越有利于產(chǎn)生大雹。通過表1可見，冰雹發(fā)生前(19日08時)0 ℃層高度為3 775 m，在600 hPa附近；-20 ℃層高度為6 555 m，在400 hPa附近，兩個特殊層之間的厚度為2 780 m，0 ℃和-20 ℃層高度適宜，有利于冰雹的生成。

5 雷達(dá)回波特征

5.1 組合反射率、回波頂高、液態(tài)含水量

19日18：03在岳普湖東部和西南部形成兩個回波單體，其中最強回波單體強度為45 dBz，回波高度達(dá)6.2 km，周邊不斷有新的回波單體生成并與之合并；19：16回波繼續(xù)發(fā)展加強，面積擴大,強度達(dá)57 dBz，回波高度伸展到10 km，VIL值為18 kg/m2，這時岳普湖境內(nèi)已經(jīng)開始降水。19：22—19：44岳普湖南部的回波向東北方向移動與偏東的回波單體合并，回波強度明顯增強，在岳普湖南部到伽師總場形成帶狀分布的多單體風(fēng)暴。從冰雹出現(xiàn)時段19：50—20：01的回波特征(圖4，見第13頁)來看，19：50岳普湖境內(nèi)強單體回波繼續(xù)發(fā)展，最強中心超過55 dBz，回波頂高達(dá)12 km，VIL值躍增至39 kg/m2。該時次強回波單體結(jié)構(gòu)密實，回波梯度加大，呈現(xiàn)出典型的強對流單體結(jié)構(gòu)，降水加強，19：48—19：53岳普湖出現(xiàn)了第一時段冰雹，直徑10 mm。19：56—20：01回波繼續(xù)加強，該時次強對流發(fā)展最旺盛，冰雹云回波強度達(dá)61 dBz，回波頂高升至13.7 km，VIL值增到43 kg/m2，19：58—20：05出現(xiàn)了第二時段冰雹，最大冰雹直徑達(dá)15 mm。20：07—20：18冰雹云最強回波強度降到55 dBz，回波頂高降到10 km左右，VIL值減小到33 kg/m2，帶狀回波特征已不明顯，但是仍然有利于小冰雹的出現(xiàn)，20：09—20：13出現(xiàn)了第三時段冰雹。20：24后回波開始東移減弱，強回波面積減小，同時VIL值減小、回波頂高度下降，回波逐漸移出岳普湖境內(nèi)，冰雹結(jié)束。

圖4 2018-05-19T19：44—20：01雷達(dá)組合反射率因子與垂直液態(tài)含水量(文見第12頁)

5.2 反射率因子垂直剖面

對19：56最強回波中心的組合反射率因子做任意方向的垂直剖面(圖5)，圖上呈現(xiàn)出典型的懸垂回波、回波墻、弱回波區(qū)等對判斷冰雹有指示性意義的回波結(jié)構(gòu)特征，表示風(fēng)暴具有降雹的潛勢。6 km高度上有懸垂回波，60 dBz強回波高度伸展到0 ℃層(3.8 km)以上，50 dBz強回波高度超過6 km，接近-20 ℃層高度，這種結(jié)構(gòu)特征有利于冰雹的形成。剖面圖上還可以看出大于60 dBz強回波中心已接地，表征該地區(qū)已開始降雹。

圖5 2018-05-19T19：56組合反射率因子(a)及強回波中心垂直剖面(b)(文見第12頁)

5.3 基本徑向速度

19日19：56在2.4°仰角的徑向速度圖(圖6)上，強回波中心對應(yīng)位置觀察到大片的正速度區(qū)中包含著小范圍的負(fù)速度區(qū)。雹區(qū)位置有明顯的氣旋性輻合型速度對，直徑小于10 km，從1.5°仰角伸展到2.4° 仰角。其中2.4° 仰角上最為明顯，旋轉(zhuǎn)速度為18 m/s(單體離雷達(dá)距離90 km)，垂直延伸厚度小于風(fēng)暴垂直尺度的三分之一，并維持了2個體掃，類似于中氣旋的結(jié)構(gòu)特征，強回波對應(yīng)的區(qū)域有風(fēng)的徑向輻合。以上特征出現(xiàn)的時間、位置與冰雹出現(xiàn)的時間、位置較吻合。風(fēng)場的氣旋式輻合有利于上升氣流的維持和增強，在有利的環(huán)流背景下形成了小冰雹。

圖6 2018-05-19T19：56 2.4°仰角徑向速度

5.4 垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP)

利用垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品分析這次冰雹天氣0～6 km的垂直風(fēng)切變的演變。一般來說垂直風(fēng)切變的大小和形成風(fēng)暴的強弱有密切的關(guān)系。在滿足一定的熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風(fēng)切變的增強將導(dǎo)致風(fēng)暴的進一步加強和發(fā)展[10]。

從冰雹發(fā)生前后時刻的風(fēng)廓線圖(圖7)可以看出，19：34低層有偏東風(fēng)，0～6 km風(fēng)速切變?yōu)? m/s，5.2 km處有偏西氣流。19：39偏西氣流轉(zhuǎn)為西北氣流并厚度增加，高度下降至4.3 km，說明中層有干冷空氣入侵。19：44在4.6～8.5 km為一致的西南風(fēng)，風(fēng)隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)有冷平流；低層0.3～0.6 km存在東風(fēng)與南風(fēng)的風(fēng)向切變，風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)有暖平流；0～6 km風(fēng)速垂直切變增加到10 m/s。這種上冷下暖的垂直差動平流造成的靜力不穩(wěn)定層結(jié)和不斷增強的垂直風(fēng)切變有利于強對流的發(fā)展，是激發(fā)此次冰雹天氣產(chǎn)生的重要環(huán)境條件之一，對應(yīng)的19：48—19：53出現(xiàn)了第一時段冰雹。19：56在0.6～1.2 km之間風(fēng)向順時針旋轉(zhuǎn)切變了180°，風(fēng)速切變達(dá)4 m/s，0～6 km的風(fēng)速切變繼續(xù)增大，達(dá)到了12 m/s，可以判斷此時出現(xiàn)強對流的可能性較大，對應(yīng)的19：58—20：05出現(xiàn)了第二時段冰雹。20：07在0.6～1.2 km之間風(fēng)向切變90°，高低層的風(fēng)速切變減小到10 m/s，20：09—20：13出現(xiàn)了第三時段小冰雹。后期隨著中高層風(fēng)速的減小和垂直風(fēng)切變減弱，對流強度也開始減弱，冰雹結(jié)束。

圖7 2018-05-19冰雹出現(xiàn)前后垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品

垂直風(fēng)切變的演變來看，這次冰雹過程0～6 km的垂直風(fēng)切變最強時達(dá)到了12 m/s，屬于較弱垂直風(fēng)切變，說明動力不穩(wěn)定條件不足，不利于大冰雹的產(chǎn)生，這也是這次冰雹直徑小于2 cm的重要原因。

6 結(jié)論

(1)這次冰雹天氣發(fā)生在中亞低渦和東灌冷空氣的有利環(huán)流背景條件下。700～850 hPa中尺度切變線、中尺度地面輻合線以及對流不穩(wěn)定條件共同促使冰雹天氣過程的發(fā)生發(fā)展。

(2)持續(xù)減小的SI指數(shù)、持續(xù)增大的K指數(shù)表明當(dāng)時大氣層結(jié)變得非常不穩(wěn)定，有利于強對流發(fā)生；強的溫度垂直遞減率、迅速增大的對流有效位能，為此次冰雹的出現(xiàn)提供了大氣不穩(wěn)定條件。適宜的 0 ℃層和-20 ℃層的高度有利于冰粒的增長，從而形成冰雹。

(3)冰雹發(fā)生時雷達(dá)回波表現(xiàn)出冰雹單體反射率強、強回波持續(xù)時間長、回波頂高等特點，冰雹發(fā)生時VIL值發(fā)生躍變，這一變化規(guī)律對判斷冰雹的發(fā)生具有明顯的指示意義。在反射率因子垂直剖面圖上出現(xiàn)回波墻、懸垂回波以及弱回波區(qū)等冰雹特征結(jié)構(gòu)。在徑向速度場中發(fā)現(xiàn)有中小尺度氣旋性流場存在，氣旋性輻合出現(xiàn)的時間、位置與冰雹出現(xiàn)時間、位置有較好的對應(yīng)關(guān)系。

(4)通過對垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品分析可以得出，這次冰雹天氣發(fā)生在較弱的垂直風(fēng)切變的環(huán)境條件下，不利于形成大冰雹，這也是冰雹直徑小于2 cm的原因之一。