魏 薇,李 靜

(1.呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.包頭市氣象局，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

近年來(lái)，由于氣候環(huán)境的影響，呼和浩特地區(qū)雹災(zāi)發(fā)生頻率逐年遞減，但2021年春夏以來(lái)，呼和浩特地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁發(fā)生，降雹天氣過(guò)程較多，2021年7月5日呼和浩特市市區(qū)南部更是出現(xiàn)罕見(jiàn)的強(qiáng)冰雹天氣，致使當(dāng)?shù)胤课蒈?chē)輛和農(nóng)作物等嚴(yán)重受損。除傳統(tǒng)氣象觀測(cè)資料之外，因?yàn)楸⑻鞖膺^(guò)程發(fā)生發(fā)展迅速，且持續(xù)時(shí)間較短，局地性較強(qiáng)，筆者將新型探測(cè)資料應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流天氣的分析和監(jiān)測(cè)中。微波輻射計(jì)可以連續(xù)觀測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)大氣中溫濕度、液態(tài)水含量等微物理量的變化，較常規(guī)探測(cè)來(lái)說(shuō)補(bǔ)全了探測(cè)時(shí)間間隔較長(zhǎng)和探測(cè)信息內(nèi)容不全的問(wèn)題，從而可以更完整清晰地分析強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展過(guò)程中各種微物理的變化特征。筆者利用地面及高空探測(cè)資料、當(dāng)?shù)匚⒉ㄝ椛溆?jì)資料等，對(duì)2021年7月5日呼和浩特市強(qiáng)冰雹天氣的發(fā)生環(huán)境背景條件、觸發(fā)機(jī)制、物理量變化特征等方面進(jìn)行分析；利用新型資料對(duì)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)溫度、濕度、不穩(wěn)定層結(jié)等進(jìn)行分析，研究新型資料在強(qiáng)對(duì)流預(yù)警監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用，為呼和浩特市今后冰雹天氣的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警相關(guān)研究提供參考。

1 資料與方法

考慮到預(yù)報(bào)員日常工作的實(shí)用性及便利性，使用強(qiáng)冰雹發(fā)生當(dāng)日08時(shí)MICAPS高空及地面資料，以及SWAN的雷達(dá)回波演變過(guò)程分析強(qiáng)冰雹天氣過(guò)程；利用呼和浩特市MWP967KV型地基微波輻射計(jì)觀測(cè)資料，MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)在垂直方向的輸出廓線分為58層，地表到0.5 km高度的分辨率為50 m，500 m～2 km的分辨率為100 m，2 km～10 km的分辨率為250 m。該微波輻射計(jì)是新型綜合處理設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道同時(shí)連續(xù)探測(cè)大氣中微物理狀態(tài)的微波輻射，地面到10 km可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算相對(duì)濕度、溫度、云水相態(tài)分布等多種大氣參數(shù)，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)地面氣壓、溫濕度、降水情況等基本要素，能夠較好地反映出大氣水汽的變化趨勢(shì)及量值的時(shí)空分布特征。

不穩(wěn)定指數(shù)可以有效反應(yīng)不穩(wěn)定能量的情況，因而常用來(lái)判別強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生，筆者利用微波輻射計(jì)資料計(jì)算了K指數(shù)、SI指數(shù)兩種不穩(wěn)定指數(shù)，利用微波輻射計(jì)反演計(jì)算公式如下:

K=T850-T500+Td850-(T700-Td700)

(1)

SI=T500-TS

(2)

2 天氣實(shí)況與環(huán)流背景

2021年7月5日14時(shí)至18時(shí)呼和浩特出現(xiàn)了一次強(qiáng)冰雹天氣，并伴有瞬時(shí)風(fēng)力加大、降水出現(xiàn)，各旗縣區(qū)7個(gè)氣象觀測(cè)站中，有3站人工監(jiān)測(cè)到冰雹，為近年罕見(jiàn)。因?yàn)樵摯螐?qiáng)降雹天氣在市區(qū)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，強(qiáng)度較大，觀測(cè)也更為清晰，所以本文僅分析市區(qū)發(fā)生的強(qiáng)冰雹天氣。

2021年7月4日20時(shí)500 hPa高空?qǐng)D上，東亞大陸中高緯度為兩槽一脊環(huán)流形勢(shì)(圖略)，兩槽加深在貝加爾湖以南至蒙古地區(qū)及我國(guó)東北地區(qū)形成低渦，呼和浩特地區(qū)位于兩渦之間的脊區(qū)中，前期受不斷波動(dòng)的小槽影響，呼和浩特市有分散性陣雨出現(xiàn)，為后續(xù)發(fā)生發(fā)展的天氣過(guò)程積累了一定的基礎(chǔ)濕度條件。2021年7月5日08時(shí)500 hPa高空?qǐng)D上，蒙古冷渦東移減弱高空槽加強(qiáng)，貝加爾湖以南地區(qū)形成一個(gè)深厚的低槽系統(tǒng)，巴爾喀什湖東北部高壓脊向北經(jīng)向發(fā)展，環(huán)流經(jīng)向度加大，極區(qū)冷空氣沿脊前偏北氣流向高空槽中輸送，冷溫度槽落后于低壓槽，不斷有冷空氣沿西北氣流滲透，促使高空槽加強(qiáng)發(fā)展。同時(shí)受我國(guó)東北地區(qū)冷渦強(qiáng)度較穩(wěn)定維持，且移動(dòng)緩慢；西太平洋副熱帶高壓584線在黃淮一帶穩(wěn)定維持，持續(xù)為呼和浩特市提供水汽。

該次冰雹產(chǎn)生過(guò)程中，低空急流也起了關(guān)鍵作用，700 hPa冷渦底部有西北風(fēng)與西南風(fēng)的切變，850 hPa冷渦底部也存在東北風(fēng)與西南風(fēng)的切變，低值系統(tǒng)深厚；呼和浩特位于低渦底部西南急流充沛的水汽中(最大風(fēng)速13.6 m/s)，西南急流使近地面層增溫增濕，呼和浩特有明顯的暖中心，使大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增強(qiáng)。地面圖上，整個(gè)河套地區(qū)受地面氣旋控制，當(dāng)日14時(shí)至17時(shí)呼和浩特市位于氣旋前部，存在明顯的地面輻合線，呼和浩特當(dāng)天最高氣溫達(dá)到28 ℃，高層的干冷空氣疊加在低層暖濕空氣上，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的高低空配置為強(qiáng)冰雹天氣的發(fā)生提供了有利的熱力和動(dòng)力條件。

根據(jù)2021年7月5日08時(shí)探空?qǐng)D分析，對(duì)流有效位能為330.6 J/kg，K指數(shù)為36.3 ℃，對(duì)流儲(chǔ)存能量較大，層結(jié)不穩(wěn)定明顯，訂正下午14時(shí)的探空?qǐng)D后，能夠看出對(duì)流有效位能增大，不穩(wěn)定能量加強(qiáng)；0～6 km風(fēng)切變達(dá)到2.4×10-2/s、風(fēng)速差達(dá)到22 m/s；3 km風(fēng)切變達(dá)1.2×10-2/s，為對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展創(chuàng)造了條件。以上分析可得，中低層較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變和數(shù)值明顯增大的對(duì)流不穩(wěn)定能量構(gòu)成了該次強(qiáng)冰雹產(chǎn)生的有利環(huán)境條件。

3 微波輻射計(jì)探測(cè)資料演變特征分析

3.1 相對(duì)濕度演變特征分析

該次強(qiáng)冰雹發(fā)生前從微波輻射計(jì)相對(duì)濕度圖上(圖1)可以看出，2021年7月5日13:00—15:00，4 km～6 km中層呈現(xiàn)出相對(duì)濕度>90%，0～2 km近地層、6 km～10 km高層相對(duì)濕度在80%左右，0～10 km整層呈現(xiàn)出“上下干，中間濕”的3層結(jié)構(gòu)；隨著降雹臨近整層相對(duì)濕度明顯下降，至16時(shí)左右降雹前，整層相對(duì)濕度數(shù)值又開(kāi)始逐漸增加，降雹開(kāi)始時(shí)3 km～6 km中層接近100%達(dá)到飽和狀態(tài)，2 km～3 km相對(duì)濕度接近90%，西南風(fēng)急流帶來(lái)的暖濕空氣為低層提供了水汽條件，近地面水汽明顯匯聚；降雹結(jié)束后，大氣整層相對(duì)濕度明顯減小，仍呈現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)，這種形式有利于冰雹的產(chǎn)生，所以后期仍有可能發(fā)生冰雹天氣，但由于站點(diǎn)分布稀疏，故只能從雷達(dá)圖上監(jiān)測(cè)分析出后期不停新生的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)可能仍伴有冰雹出現(xiàn)。

在整個(gè)降雹過(guò)程中，大于8 g/m3的水汽密度集中在2 km以下，與2021年7月5日16:00時(shí)近地面層相對(duì)濕度出現(xiàn)增大的時(shí)間較為一致，在降雹前1 km處水汽密度超過(guò)12 g/m3，顯示大氣水汽飽和度較高。降雹發(fā)生時(shí)，2 km以下近地面處水汽密度也接近12 g/m3并且一直維持至結(jié)束，這是因?yàn)樵龃蟮谋е饾u下落到融化層時(shí)，冰晶融化液態(tài)水增加，近地層水汽密度增大。所以降雹結(jié)束后，2 km以下的水汽密度在逐漸減小。

圖1 2021年7月5日10時(shí)—6日0時(shí)微波輻射計(jì)相對(duì)濕度

3.2 0 ℃以下垂直液態(tài)水含量演變特征分析

過(guò)冷水含量是否充足可以決定冰雹的成長(zhǎng)條件，垂直液態(tài)水含量的垂直廓線上顯示該次過(guò)程的演變情況：降雹前，2 km～5 km液態(tài)水含量在0.8 g/m3左右，2.8 km高度上出現(xiàn)最大值，0～2 km液態(tài)水含量在0.3 g/m3左右；降雹的同時(shí)伴有降水，大氣中液態(tài)水含量有所減小，2 km～5 km液態(tài)水含量均在0.7 g/m3左右,而0～2 km液態(tài)水含量為0.6 g/m3左右；過(guò)程結(jié)束后，2 km～6 km液態(tài)水含量基本恢復(fù)到降雹前的數(shù)值,而液態(tài)水含量0～2 km則下降到0.1 g/m3以下。大氣垂直液態(tài)水含量總體表現(xiàn)為“上下層小，中間層大”的特征。

分析計(jì)算-12 ℃～0 ℃層、-20 ℃～0 ℃層、-20 ℃以下層的累積液態(tài)水含量演變特征發(fā)現(xiàn)，垂直方向上0 ℃以下幾層累計(jì)液態(tài)水含量的數(shù)值大小基本一致，變化趨勢(shì)也基本一樣，峰值出現(xiàn)的時(shí)間與強(qiáng)冰雹發(fā)生的時(shí)間也較為一致。

3.3 不穩(wěn)定指數(shù)特征分析

根據(jù)微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)顯示，在降雹前1 h～2 h，4 km以下出現(xiàn)明顯的增溫，溫度增幅在10 ℃左右，-10 ℃和-20 ℃層也有小幅上升，0 ℃層在4.4 km、-10 ℃層在6.3 km、-20 ℃層在7.8 km左右，合適的0 ℃和-20 ℃層高度有利于雹胎生長(zhǎng)；強(qiáng)冰雹發(fā)生前氣溫迅速下降，氣壓上升，這可能是由于地面冷空氣的逐漸侵入，導(dǎo)致地面氣壓迅速上升，16:00以后降雹開(kāi)始，地面氣壓波動(dòng)較大，而18:00以后地面氣壓趨于平穩(wěn)。

圖2 2021年7月5日10時(shí)—6日0時(shí)微波輻射計(jì)K指數(shù)和SI指數(shù)監(jiān)測(cè)

通過(guò)微波輻射計(jì)資料反演計(jì)算得到的K指數(shù)，可以指示出層結(jié)的不穩(wěn)定度，本文利用K指數(shù)分析此次降雹過(guò)程的不穩(wěn)定層結(jié)。由圖2可以看到，2021年7月5日白天開(kāi)始呼和浩特的K指數(shù)就一直維持在30 ℃左右，降雹前14時(shí)至16時(shí)的K指數(shù)波動(dòng)較頻繁，呈多個(gè)波峰波谷結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)的第一個(gè)明顯峰值超過(guò)40℃，表明這次冰雹天氣的大氣層結(jié)狀態(tài)一直處于不穩(wěn)定，且變化迅速。在降雹開(kāi)始的同時(shí)，K指數(shù)有一個(gè)明顯的躍增，達(dá)到另一個(gè)波峰(約為38 ℃)，之后緩慢遞減，遞減幅度較小，整體一直維持在34 ℃左右，直到降雹結(jié)束；結(jié)束后K指數(shù)迅速波動(dòng)下降至30 ℃以下，但還是維持一個(gè)較高的值，為后期的降雹提供了有利的不穩(wěn)定條件。

SI<0時(shí)，顯示大氣不穩(wěn)定，負(fù)值越大，不穩(wěn)定程度越大。SI指數(shù)的變化趨勢(shì)表明，在降雹前出現(xiàn)劇烈且頻繁的波動(dòng)，但在降雹開(kāi)始后緩慢下降，但整體態(tài)勢(shì)趨于平穩(wěn)，降雹結(jié)束后又迅速上升，繼續(xù)呈波動(dòng)幅度大、波動(dòng)頻繁的情況，這樣的波動(dòng)狀態(tài)為后期出現(xiàn)冰雹提供了有利的不穩(wěn)定條件，見(jiàn)圖2。該次降雹結(jié)束后K指數(shù)下降與SI指數(shù)又恢復(fù)到降雹前的高值區(qū)，說(shuō)明后期仍可能有冰雹產(chǎn)生，但強(qiáng)度較該次降雹可能會(huì)減小，結(jié)合后續(xù)雷達(dá)資料顯示，強(qiáng)回波區(qū)范圍及強(qiáng)度較前一次確有減弱。

4 結(jié)論

通過(guò)此次過(guò)程分析，該次降雹天氣發(fā)生在低層大尺度暖脊之中，對(duì)流層中高層高空槽加深加強(qiáng)使冷空氣入侵、低空急流加強(qiáng)等天氣系統(tǒng)的合理配置為觸發(fā)突發(fā)性冰雹提供了十分有利的天氣尺度背景條件。筆者利用微波輻射計(jì)觀測(cè)資料反演大氣相對(duì)濕度、溫度、液態(tài)水以及計(jì)算的不穩(wěn)定指數(shù)，分析了2021年7月5日發(fā)生在呼和浩特地區(qū)的罕見(jiàn)的強(qiáng)冰雹天氣過(guò)程，主要有以下結(jié)論：

①這次冰雹天氣過(guò)程發(fā)生在蒙古冷渦減弱并入高空槽，使高空槽加深加強(qiáng)的背景之下，高空槽加深使干冷空氣更好地向河套地區(qū)輸送，并疊加在低層大尺度的暖脊上，低渦底部西南急流帶來(lái)充沛水汽的同時(shí)輸送了大量的暖空氣，使得大氣層結(jié)擁有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性。低層以及近地層充足的水汽，也為降雹提供了有利的環(huán)境基礎(chǔ)，而0～6 km整層深厚的垂直風(fēng)切變，清楚的地面中尺度輻合線都為不穩(wěn)定能量的觸發(fā)提供了有利條件。②根據(jù)微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)顯示呼和浩特降雹臨近時(shí)，大氣整層相對(duì)濕度一直維持“上下干，中間濕”三層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于冰雹的發(fā)生；垂直液態(tài)水在降雹前中層明顯增長(zhǎng)，臨近降雹回落至低值，降雹時(shí)近地層則隨著降水和冰晶下落至融化層后融化、蒸發(fā)，導(dǎo)致低層相對(duì)濕度、水汽密度均比降雹前有所增大，液態(tài)水含量也明顯增長(zhǎng)，降雹后又迅速回落。同樣原因2 km以下水汽密度在降雹發(fā)生時(shí)一直維持在較高數(shù)值，降雹后明顯回落，這些對(duì)預(yù)報(bào)冰雹天氣的發(fā)生與增強(qiáng)均有一定的指示意義。③從微波輻射計(jì)反演得到的K指數(shù)和SI指數(shù)的不穩(wěn)定演變來(lái)看，都可以顯示出該次強(qiáng)冰雹天氣的大氣穩(wěn)定度變化情況。降雹前K指數(shù)波動(dòng)幅度大頻率快，最高可以達(dá)到40 ℃以上，為冰雹的產(chǎn)生提供了有利的不穩(wěn)定條件，降雹時(shí)K指數(shù)波動(dòng)幅度小，但維持在一個(gè)較高的數(shù)值，說(shuō)明此時(shí)大氣層結(jié)處于較不穩(wěn)定狀態(tài)，降雹后K指數(shù)迅速下降至30 ℃以下。