蔣雯玉，王占良，王 菲

(1.晉寧區(qū)氣象局，云南 昆明 650600；2.昆明市氣象局，云南 昆明 650501)

0 引言

冰雹災害作為一種具有較強致災性的強對流天氣，長期以來被廣泛并深入開展研究。Johns and Doswell認為長時間的、強的上升運動是支撐冰雹增長為大冰雹的必要條件。以往觀測研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生大冰雹的對流風暴內(nèi)部上升速度可超過40～50(m·s-1)。已有研究表明，冰雹災害事件與深厚對流有關，明確指明了與之相聯(lián)系的局地強風暴發(fā)展初期主要決定于環(huán)境場條件，冰雹災害產(chǎn)生很大程度取決于大氣層結狀態(tài)的配合程度。陳曉燕[1]、李懷宇等[2]分別對黔西南州、廣西的冰雹事件時空分布進行了分析研究。王占良[3]、沈鷹等[4]對云南滇中部分地區(qū)的冰雹災害時空分布、人工防雹對策等進行了分析，盛志軍、鄧超等[5]對江西的冰雹天氣環(huán)境條件和特征進行了研究。

中國大多數(shù)預報員都將干球溫度0℃層作為冰雹融化層高度。當冰雹下落到干球溫度0℃層以下時，由于融化，其表面出現(xiàn)一層水膜，非常類似包裹著濕紗布的酒精玻璃球。大氣凍結層(干球溫度0°層)高度、-20℃層高度對冰雹產(chǎn)生有重要作用。人工增雨和防雹，理論上要考慮零度層的高度，結合水氣條件和云層分布，根據(jù)不同地區(qū)對產(chǎn)生冰雹災害的層結及環(huán)境條件要求不同，最佳作業(yè)角度，效果才能理想。零度層高度的特征和季節(jié)變化，在天氣預報、氣候分析、人工增雨防雹等領域受到廣泛關注，是一個特別重要的參考指標。俞小鼎對冰雹的融化層高度進行了研究[6]，劉曉騎、劉建西等利用探空資料分析大氣層結特征并對冰雹預報方法進行了研究[7]。曾智琳等認為，從對流系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生雹胚、到雹胚增長為大冰雹，大氣的層結狀態(tài)在其中發(fā)揮著重要作用[8]。因此，加深認識冰雹發(fā)生的大氣溫度層結狀態(tài)是成功預報冰雹災害的前提和關鍵。雷蕾等[9]研究表明探空資料是反映本地及鄰近地區(qū)大氣垂直溫濕結構的最重要的手段，也是預報員在短時效內(nèi)確定大冰雹潛勢條件的重要資料。但針對云南低緯高原山地的大氣層結特征及人工防雹應用研究較為缺乏。

本文通過遴選昆明近10年冰雹災害事件，并以2013～2019年5～9月中度以上共209個冰雹災害事件為主要研究對象，結合高空探測資料進行分析，統(tǒng)計出各月零度層高度和負溫區(qū)厚度的變化情況，從環(huán)境條件及層結特征的角度出發(fā)，對冰雹個例進行系統(tǒng)性分析，重點討論冰雹事件的垂直大氣溫濕結構，對各項特征的機理成因進行分析和探討，為指導人工防雹提供重要參考依據(jù)。

1 資料來源及冰雹災害等級劃分

1.1 資料來源

2010～2019年冰雹數(shù)據(jù)由中國人民財產(chǎn)保險公司昆明分公司和昆明市人工影響天氣中心提供；高空氣象探測數(shù)據(jù)為2013～2019年，由昆明國家基準氣候站提供。

1.2 冰雹災害分級

本文以昆明地區(qū)烤煙種植期冰雹事件為研究對象，根據(jù)每一次冰雹過程造成烤煙種植受災面積定義，受災面積<6.7 hm2(100畝)為輕度災害，6.7 hm2(100畝)≤受災面積<33.3 hm2(500畝)為中度災害，受災面積≥33.3 hm2(500畝)為重度災害。

昆明地區(qū)烤煙種植每年4月中下旬移栽，9月下旬采收結束，受冰雹天氣影響易造成災害的季節(jié)為5～9月，6～8月冰雹災害的損失最嚴重，通常稱5～9月為烤煙防雹期，6～8月為防雹關鍵期，本文以5～9月的中度及以上冰雹災害事件進行研究。

2 昆明地區(qū)烤煙種植期冰雹災害特征統(tǒng)計

2.1 5～9月冰雹災害年分布和月分布特征

2010～2019年5～9月，昆明地區(qū)共發(fā)生中度以上冰雹災害273次(圖1)，各月分布極不均勻。6～8月多，5月和9月少。7月份冰雹最多，101次，平均每年10次；其次8月87次，平均每年8.7次；5月和9月最少，平均每年僅1.5次；7～8月占5～9月的68.9%。

圖1 昆明地區(qū)10年內(nèi)5～9月各月冰雹災害個例統(tǒng)計Fig.1 The statistics of hail disasters from May to September in 10 years in Kunming

年分布也極不均勻(圖2)。昆明地區(qū)平均每年5～9月有27.3次冰雹災害天氣，2017年和2013年較多，分別為44次和39次，2014年和2019年較少，僅有17次。

圖2 昆明地區(qū)10年內(nèi)5～9月冰雹個例逐年統(tǒng)計Fig.2 Annual statistics of hail cases from May to September in 10 years in Kunming

2.2 關鍵期6～8月冰雹災害候分布特征

關鍵期6～8月冰雹災害候分布不均勻(圖3)，總體趨勢看，從6月第二候至7月第六候冰雹災害次數(shù)是遞增的，從7月第六候至8月第四候次數(shù)是遞減的。7月第五候至8月第三候較多，7月第六候最多，共31次，平均每年該候出現(xiàn)冰雹災害3.1次，約每兩天就出現(xiàn)一次；其次是8月第三候，共25次，該候平均每年2.5次。所以，每年7月第五候至8月第三候，是昆明地區(qū)冰雹災害重點防御階段。

圖3 昆明地區(qū)10年內(nèi)6～8月冰雹災害個例候統(tǒng)計Fig.3 The statistics of hail disasters from June to August in 10 years in Kunming

3 昆明地區(qū)冰雹災害事件大氣層結特征分析

利用昆明站2013年至2019年08∶00和20∶00的高空探測資料，分析冰雹災害天氣0℃層、-6～-8℃層、-20℃層的高度以及0～-20℃層的厚度，為人工增雨和防雹減災提供重要參考依據(jù)。本文中，0℃層也稱為零度層，0～-20℃層稱為負溫區(qū)，-6～-8℃層稱為最佳催化層。

3.1 零度層高度特征分析

3.1.1 各月零度層高度特征分析

昆明地區(qū)零度層月平均高度分布呈單峰型(圖4)，5～9月較高(月平均值大于3 000 m)，12月至次年3月較低(月平均值小于2 500 m)，月平均值最高出現(xiàn)在6月份(08∶00為3 520 m，20∶00為3 663 m)，月平均值最低出現(xiàn)在1月份(08∶00為1 775 m，20∶00為2 035 m)。極端最高值08∶00為4 219 m(8月)，20∶00為4 333 m(6月)，極端最低值08∶00為70 m(2月)，20∶00為139 m(2月)(圖5)。

圖4 昆明地區(qū)各月零度層平均高度統(tǒng)計Fig.4 Statistics of the average height of 0℃ horizon in each month in Kunming

圖5 昆明地區(qū)各月零度層高度極值統(tǒng)計Fig.5 Statistics of extreme 0℃ layer height in each month in Kunming

零度層高度年平均值08∶00為2 721 m，20∶00為2 870 m，20∶00零度層高度比08∶00零度層高度高149 m，主要是受地面輻射和太陽輻射的影響。

5～9月是烤煙種植冰雹災害重要階段，零度層高度平均在3 000～3 700 m，最低高度大于2 000 m，最高高度小于4 500 m，是積云發(fā)展的有利高度。

3.1.2 5～9月冰雹災害事件零度層高度特征分析

如果一天中有多個地方出現(xiàn)中度以上冰雹災害，只記為一次冰雹災害。因為冰雹災害大多出現(xiàn)在下午到傍晚，本文以冰雹災害出現(xiàn)當天的08∶00高空探測資料進行統(tǒng)計分析。2013～2019年5～9月昆明地區(qū)共出現(xiàn)中度以上冰雹災害209次(圖6)，其中5月14次，6月47次、7月76次、8月61次、9月11次，從左至右按月份依次排列。5～9月冰雹災害當天08∶00零度層高度在2 000～4 000 m；5～6月和9月零度層高度相對分散，7～8月基本上集中在3 000～3 800 m，零度層高度小于2 500 m的只出現(xiàn)在2019年9月下旬的3次，其余均在2 500 m以上。2013～2019年5～9月昆明地區(qū)冰雹災害零度層高度分布如圖6所示：2 000～2 500 m占1.4%，2 500～3 000 m占5.3%，3 000～3 800 m占90.4%，3 800～4 000 m占2.9%。其中2 500～4 000 m占98.6%，這個高度范圍正是積云出現(xiàn)的高度，容易出現(xiàn)冰雹災害。

圖6 昆明地區(qū)5～9月冰雹災害個例零度層高度分布Fig.6 Height distribution of 0℃ layer in hail disaster cases from May to September in Kunming

2013～2019年5～9月，零度層高度月平均值和冰雹災害零度層高度的月平均值見圖7。零度層高度月平均值6月最大、5月最小，月零度層高度的平均值與冰雹災害事件零度層高度的平均值月分布類似。冰雹災害的零度層高度月平均值均在3 000 m以上，6～8月在3 300 m以上。

圖7 昆明地區(qū)5～9月冰雹個例零度層月平均高度 和零度層高度月平均高度Fig.7 Monthly mean height of 0℃ layer and monthly mean height of 0℃ layer for hail cases from May to September in Kunming

3.2 5～9月冰雹災害大氣負溫區(qū)特性分析

冰雹的形成其熱力條件是在大氣對流層中必須有氣溫低于0℃的特定層，而且需要一定的厚度，以方便冰雹在其間增長變大。以0℃～-20℃大氣層厚度來表征冰雹形成發(fā)展的負溫區(qū)特定層，簡稱負溫區(qū)厚度。冰雹云中0℃、-20℃層所在高度和配置關系對冰雹形成也非常重要，具有較低的零度層高度是冰雹發(fā)生的有利條件。但何謂“較低”及如何去做定量化診斷，現(xiàn)有的對冰雹發(fā)生前的層結定量化統(tǒng)計研究仍比較欠缺。例如，0℃層高度過低(暖云層過薄)無法形成大冰雹，而高度太高(暖云過厚)也不利于冰雹的生長，且冰雹在下落過程中也容易被融化。

3.2.1 大氣-6～-8℃層高度分析

大量探測研究表明，冰雹胚胎大多形成于-4～-10℃的環(huán)境中[10]，火箭防雹播撒作業(yè)的播撒區(qū)溫度一般掌握在-6～-15℃為宜[11]，唐林等對人工增雨作業(yè)最佳時機和位置進行了研究[12]。同時雷達探測還發(fā)現(xiàn)，如果對流云云體初始雷達回波出現(xiàn)在-6～-8℃以上高度時，80%以上可能發(fā)展成為降雹。所以人工防雹的高度區(qū)間應在-6℃層以上，播撒層厚度一般為1 000 m，可考慮在溫度-6～-7℃處核化，所以，人工防雹是火箭彈爆炸點高度應該在5 000 m左右。對強單體或超強單體，可以對-8～-12℃及其以上1 000 m的區(qū)域進行催化，同時也對下方-2～-6℃區(qū)進行催化。由于冰晶防雹原理的不同，其播撒高度也可取-3、-9甚至-12℃等不同下限高度。

昆明地區(qū)5～9月-6℃層大氣平均高度為4 535 m(表1)，最大值5 060 m，最小值3 190 m，月平均高度排列順序為7月>8月>9月>6月>5月；-8℃層大氣平均高度為4 904 m，最大值5 430 m，最小值3 650 m，月平均高度排列順序為7月>8月>9月>6月>5月；-6～-8℃層平均厚度369 m，最大值810 m，最小值200 m。故人工防雹火箭彈爆炸點平均高度在4 500～4 900 m為最佳。

表1 昆明地區(qū)5～9月冰雹災害0℃、-6℃、-8℃、-20℃層高度及負溫區(qū)厚度Tab.1 Height of 0℃，-6℃，-8℃ and -20℃ layers and thickness of negative temperature zone of hail disasters from May to September in Kunming m

3.2.2 大氣0～-20℃層負溫區(qū)厚度分析

圖8和圖9為昆明地區(qū)2013～2019年發(fā)生的209次冰雹災害天氣的08∶00高空探測數(shù)據(jù)的0℃層、-6℃層、-20℃層高度和0～-20℃層負溫區(qū)厚度的分布情況，排列順序從左至右依次為5月到9月。其中5月14次，6月47次、7月76次、8月61次、9月11次。從圖中可看出，0℃層月平均高度3 000～3 500 m，6月最大，其次是7月、8月，5月最小，極端最小值為2 210 m(出現(xiàn)在9月)，極端最大值3 898 m(出現(xiàn)在6月)，75%出現(xiàn)在3 200～3 700 m；-6℃層月平均高度3 800～4 500 m，6月最大，其次是7月、8月，5月最小，極端最小值為3 020 m(9月)，極端最大值4 920 m(7月)，78%出現(xiàn)在4 000～4 600 m；-20℃層月平均高度6 300～7 000 m，8月最大，5月最小，最小值為5 600 m(9月)，最大值7 570 m(7月)；5～9月負溫區(qū)厚度8月最大，5月最小，月平均厚度3 300～3 600 m，最小值為2 676 m(5月)，最大值4 415 m(7月)。

圖8 昆明地區(qū)5～9月冰雹災害個例大氣特性層高度統(tǒng)計Fig.8 Height statistics of atmospheric characteristic layer for hail disaster cases from May to September in Kunming

圖9 昆明地區(qū)5～9月冰雹災害個例負溫區(qū)厚度統(tǒng)計Fig.9 Thickness statistics of negative temperature zone of hail disaster cases from May to September in Kunming

4 冰雹災害事件的大氣溫濕層結特征

利用2013～2019年5～9月逐日08∶00探空資料，分析昆明地區(qū)209次冰雹災害事件的垂直大氣溫濕結構特征。

4.1 垂直溫度層結特征

大氣呈“上冷下暖”結構分布代表著大氣層結的不穩(wěn)定，在具體的溫度廓線能反映出這種特征?？紤]到不同季節(jié)溫度廓線的變化，難以直接對比，故選用ΔT85(850 hPa與500 hPa 的溫度差)或ΔT75(700 hPa與500 hPa 的溫度差)作為考量大氣層結“上冷下暖”的特征值，它是表征大氣靜力穩(wěn)定度的參量，是判斷是否有強對流天氣的重要依據(jù)。農(nóng)孟松等[13]統(tǒng)計廣西30年冰雹的概念模型，發(fā)現(xiàn)ΔT85≥24℃即可作為預報閥值，劉曉騎等[14]利用探空資料來進行冰雹預報研究，這些研究表明大冰雹的ΔT85比非大冰雹的ΔT85更大。

昆明地區(qū)屬紅土高原，平均海拔在1 900 m左右，昆明市高空氣象探測站的海拔高度為1 889 m，比850 hPa的平均高度還要高近400 m，故選用500 hPa和700 hPa的溫度和濕度進行比較計算(圖10和圖11)。

圖10 昆明地區(qū)5～9月冰雹事件的ΔT75值Fig.10 The ΔT75 value of hail events from May to September in Kunming

圖11 昆明地區(qū)5～9月冰雹事件的ΔT75和ΔT地5值Fig.11 The ΔT75 and ΔT地5 value of hail events from May to September in Kunming

昆明近5年5～9月冰雹事件的ΔT75(700 hPa與500 hPa溫度差)平均值為14.5℃，最大值為18.4℃、最小值為10.6℃；ΔT地5(地面與500 hPa溫度差)平均值為21.4℃，最大值為25.4℃、最小值為17.4℃。ΔT75月平均值5月最大、6月最小，ΔT地5月平均值5月最大、7月最小。

從圖10中可看出，冰雹事件的ΔT75值位于10℃到19℃之間，主要集中在12℃～17℃，75%介于13℃～16℃，95%介于12℃～17℃。這反映了昆明5～9月的冰雹災害事件“上冷下暖” 的層結特征清晰。

209次冰雹災害事件中，共出現(xiàn)了4次逆溫層現(xiàn)象，其中7月3次、8月1次(2013年2次、2017年2次)，逆溫層厚度均小于1 000 m?？傮w看，冰雹事件發(fā)生時大氣存在明顯的不穩(wěn)定，逆溫現(xiàn)象很少。

4.2 垂直濕度層結特征

當?shù)蛯佑袧窨諝饣驖衿搅?、中高層有干空氣或干平流就可能造成對?位勢)不穩(wěn)定層結，對流層中低層表現(xiàn)出“上干下濕”的條件性不穩(wěn)定層結特征時，冰雹等強對流天氣容易出現(xiàn)。因為露點在等壓過程中是保守量，露點的高低可以反映出該層的干濕程度，為了定量化診斷冰雹事件的“上干下濕”，本文選取ΔTd75(700 hPa與500 hPa的露點差)和ΔTd地5(地面與500 hPa的露點差)表征大氣層結“上干下濕”(圖12和圖13)。

圖12 昆明地區(qū)5～9月冰雹事件的ΔTd75值Fig.12 The ΔTd75 value of hail events from May to September in Kunming

圖13 昆明地區(qū)5～9月冰雹事件的ΔTd地5值Fig.13 The ΔTd地5 value of hail events from May to September in Kunming

從圖12中可以看出，昆明近5年5～9月冰雹事件的ΔTd75(700 hPa與500 hPa露點差)平均值為18.9℃，最大值為52.3℃、最小值為3.5℃，75%在15℃～27℃；ΔT地5(地面與500 hPa露點差)平均值為25.5℃，最大值為60.5℃、最小值為10.3℃，75%在20℃～30℃?？梢姡⑹录吧细上聺瘛钡膶咏Y特征明顯。相關研究表明，對流層中層干空氣卷入是使層結表現(xiàn)出“上干下濕”特征的主要原因，除了環(huán)境溫度“上冷、下暖”的特征，環(huán)境濕度“上干、下濕”的特征同樣能促進熱力不穩(wěn)定增長。因此，這種“上干下濕”的濕度層結很可能也是昆明冰雹事件對流(位勢)不穩(wěn)定的形成的重要原因。

另外，5～9月探空溫濕曲線的溫度露點差T-Td平均值：地面為2.3℃、700 hPa為2.1℃、500 hPa為6.4℃，700 hPaT-Td≤5℃的個例占93.8%，500 hPaT-Td≤5℃的個例占59.3%，冰雹事件的500 hPa溫度露點差表現(xiàn)不太明顯。

5 人工防雹作業(yè)應用

根據(jù)昆明地區(qū)5～9月冰雹災害的時空分布特征，結合上述零度層(凍結層)、-6～-8℃層、-20℃層高度和0～-20℃負溫區(qū)厚度的變化特征，-6℃層平均高度為4 535 m，-8℃層大氣平均高度為4 904 m，-6～-8℃層平均厚度369 m，最大值810 m，最小值200 m。故人工防雹火箭彈爆炸點平均高度在4 500～4 900 m為宜。5～9月-6～-8℃層平均高度排列順序為7月>8月>9月>6月>5月。實際防雹作業(yè)時，應根據(jù)當天高空探測資料和雷達回波防雹層高度、負溫區(qū)厚度以及零度層高度，選擇火箭彈類型和發(fā)射方式進行防雹作業(yè)。

當大氣出現(xiàn)明顯的“上冷下暖”層結特征和“上干下濕”有利環(huán)境條件時，可以根據(jù)當天的ΔT75值和ΔTd75大氣層結特性，再結合雷達回波特征開展作業(yè)準備和有效作業(yè)。另外，中度及以上冰雹災害主要出現(xiàn)在6～8月，故每年7月第五候至8月第三候是冰雹災害重點防御階段。

6 結果與討論

本文通過遴選昆明近10年冰雹災害事件，并基于探空資料對2013～2019年5～9月昆明地區(qū)出現(xiàn)的中度以上共209個冰雹災害事件為研究對象，統(tǒng)計零度層(凍結層)高度和負溫區(qū)厚度的變化特征，從環(huán)境條件及層結特征的角度出發(fā)，對冰雹個例產(chǎn)生的大氣層結特征進行了較為細致的分析，重點討論冰雹事件的垂直大氣溫濕結構，解釋了大氣層結結構特征有利于產(chǎn)生冰雹災害的部分原因，主要結論如下：

(1)昆明5～9月冰雹災害事件的年分布和月分布極不均勻，平均每年5～9月有27.3次，最多年44次(2017年)，最少年17次(2014年和2019年)。7～8月較多，占68.9%。候分布也不均勻，從6月第二候至7月第六候冰雹災害是遞增的，從7月第六候至8月第四候冰雹災害是遞減的，7月第五候至8月第三候較多，是冰雹災害重點防御階段。

(2)零度層月平均高度分布呈單峰型分布，6月份最高(08∶00為3 520 m，20∶00為3 663 m)，1月份最低(08∶00為1 775 m，20∶00為2 035 m)。極端最高值4 333 m，極端最低值70 m。零度層高度年平均值08∶00為2 721 m，20∶00為2 870 m，20∶00零度層高度比08∶00零度層高度高149 m。5～9月零度層高度平均在3 000～3 700 m，最低高度大于2 000 m，最高高度小于4 500 m。5～9月0～-20℃層負溫區(qū)月平均厚度3 515 m，8月最大，5月最小。

(3)5～9月-6℃層大氣平均高度為4 535 m，最大值5 060 m，最小值3 190 m，月平均高度排列順序為7月>8月>9月>6月>5月；-8℃層大氣平均高度為4 904 m，最大值5 430 m，最小值3 650 m，月平均高度排列順序為7月>8月>9月>6月>5月；-6～-8℃層平均厚度369 m，最大值810 m，最小值200 m。故人工防雹火箭彈爆炸點平均高度在4 500～4 900 m為最佳。

(4)冰雹事件的ΔT75值位于10℃到19℃之間，主要集中在12℃～17℃，75%介于13℃～16℃，95%介于12℃～17℃。ΔT地5平均值為21.4℃，最大值為25.4℃、最小值為17.4℃。ΔT75月平均值5月最大、6月最小，ΔT地5月平均值5月最大、7月最小。這反映了昆明5～9月的冰雹災害事件“上冷下暖”的層結特征清晰。

(5)5～9月冰雹事件的ΔTd75平均值為18.9℃，最大值為52.3℃、最小值為3.5℃，75%在15℃～27℃；ΔT地5平均值為25.5℃，最大值為60.5℃、最小值為10.3℃，75%在20℃～30℃。冰雹事件“上干下濕”的層結特征明顯。但是用溫度露點差來表征濕度時，地面為2.3℃、700 hPa為2.1℃、500 hPa為6.4℃，冰雹事件的溫度露點差表現(xiàn)不太明顯。

本文基于探空資料對冰雹災害事件開展的分析研究，因冰雹時空尺度小，用單站點探空資料來分析大氣環(huán)境因素，可能存在誤差，有待后續(xù)進一步研究。