張海耀，黃玉霞，吳輝彥，李 霞，穆臘梅，楊蕙寧

（1.甘肅省定西市氣象局，甘肅 定西 743000；2.蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020；3.中國氣象局干部培訓學院甘肅分院，甘肅 蘭州 730020）

引言

甘肅中部地處黃土高原和西秦嶺山地交匯區(qū)，地勢起伏較大，山脈縱橫，屬溫帶半濕潤-半干旱氣候，常年干旱少雨，干旱是該地區(qū)最主要的氣象災害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來很大影響。然而，近年來受全球氣候變暖和特殊地形地貌環(huán)境影響，局地強對流天氣造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失呈上升趨勢［1］，成為該地最主要的氣象災害之一。

預報實踐表明，強對流天氣通常發(fā)生在大氣層結不穩(wěn)定條件下，熱力因子和動力因子的演變與垂直分布特征、不同尺度天氣系統(tǒng)的相互作用等對強對流天氣發(fā)生起到的作用不盡相同［2-4］。中尺度數(shù)值模式和高分辨率數(shù)值模式在強對流分類預報技術中的應用發(fā)展以及強對流潛勢預報中對相關基本物理量的診斷分析和動力不穩(wěn)定、熱力不穩(wěn)定等基本理論的準確應用是強對流天氣預報預警技術顯著提升的關鍵因素［5-11］。對于不同類型強對流天氣的多普勒天氣雷達回波特征和風暴發(fā)展的環(huán)境場及高低空天氣系統(tǒng)配置的研究表明，短時強降水在雷達反射率因子圖像上具有低質(zhì)心、中β尺度的層積狀混合降水回波特征，而雹暴云團表現(xiàn)為高懸的強回波柱及密實的中γ尺度強對流單體特征，環(huán)境場上雹暴云團中層常有干冷空氣侵入并伴隨強熱力不穩(wěn)定［12-16］。

冰雹天氣是由強對流系統(tǒng)引起的一種劇烈天氣現(xiàn)象，在有利的強對流天氣環(huán)境條件下，深厚的垂直風切變和高空干冷空氣侵入更利于冰雹的產(chǎn)生［17-18］。冰雹天氣局地性強、生命史短、突發(fā)性強，所以其監(jiān)測預報預警是短臨預報中的難點，業(yè)務上高對流有效位能（CAPE）和適宜的0℃層高度等指標是冰雹預報的重要依據(jù)［19-24］。隨著探測技術的發(fā)展和地面觀測網(wǎng)絡的建設，閃電定位資料、多普勒天氣雷達和衛(wèi)星資料的應用使得冰雹監(jiān)測預報預警能力有了顯著提升［21-26］。

甘肅中部的通渭地區(qū)地處華家?guī)X山區(qū)，是甘肅省3個冰雹高發(fā)中心之一，當?shù)靥厥獾母呱礁叩氐匦螌Ρ⒌漠a(chǎn)生有重要影響［27］，冰雹天氣常常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人民生活帶來很大危害。2020年5月30、31日該地連續(xù)2 d出現(xiàn)大冰雹天氣，本文利用氣象觀測資料、多普勒天氣雷達資料以及ERA5逐小時再分析資料，對2次過程形成機理、環(huán)境參量指標和中尺度特征等方面進行對比分析，以期為本地冰雹過程的短期預報和臨近分類預警提供參考。

1 資料

天氣實況數(shù)據(jù)來自地面觀測資料、自動氣象站加密資料及民政部門與氣象部門聯(lián)合調(diào)查的災情數(shù)據(jù)。利用常規(guī)探空資料和地面加密資料對環(huán)流形勢進行分析，高空各物理量場由ERA5 0.25°×0.25°的逐小時再分析資料計算得到，用固原及天水雷達站的C波段多普勒雷達資料分析對流風暴的中尺度特征及變化。

文中附圖涉及地圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2016）1570號的中國地圖制作，底圖無修改。

2 天氣實況

2020年5月30、31日甘肅中部連續(xù)2 d出現(xiàn)強對流天氣，其中通渭（具體位置見圖1）本站連續(xù)2 d出現(xiàn)大冰雹（直徑大于等于20 mm）。5月30日（簡稱“5·30”過程）17：00—20：30（北京時，下同），對流云團由榆中進入定西市境內(nèi)，先后在安定、通渭造成大范圍風雹災害，17：16安定本站降雹，最大冰雹直徑7 mm，并伴有31.4 m·s-1的瞬時大風。18：04—18：24通渭本站降雹，最大冰雹直徑20 mm。據(jù)民政部門災情直報信息：此次冰雹過程于20：30結束，最大直徑40 mm，通渭縣城東邊多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及華家?guī)X山區(qū)周邊多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受大風、冰雹災害。5月31日（簡稱“5·31”過程）17：30，對流云團從會寧縣越過華家?guī)X山區(qū)進入通渭，18：15—18：49通渭本站降雹，最大冰雹直徑40 mm。據(jù)民政部門災情直報信息：對流云團在通渭縣境內(nèi)影響時間較長，縣城東南部多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雹，最大冰雹直徑50 mm并伴有局地短時強降水，20：30左右對流云團移出通渭進入天水市，21：00清水縣出現(xiàn)21 m·s-1的雷暴大風。這次連續(xù)性大冰雹天氣共造成通渭縣15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災，農(nóng)作物受災面積29 005 hm2，直接經(jīng)濟損失達29 470萬元人民幣。

圖1 通渭縣地理位置示意圖（填色為海拔高度，單位：m；紅線區(qū)域為通渭縣）Fig.1 Geographical location of Tongwei County（The color shaded is altitude，Unit：m；the area enclosed by the red line is Tongwei County）

“5·31”過程降雹的同時出現(xiàn)了短時強降水和暴雨（1站）；“5·30”過程降水量明顯小于“5·31”過程，只有1站出現(xiàn)大雨，未出現(xiàn)短時強降水（表1）。實況對比可見，2次過程大冰雹落區(qū)基本一致，通渭本站及縣城東側部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)連續(xù)2 d遭受冰雹災害；降雹時段比較接近，均出現(xiàn)在當日的18：00—20：30?！?·30”過程主要以風雹為主，屬于干冰雹過程；而“5·31”過程降雹的同時伴有短時強降水，造成局地暴雨和冰雹災害，屬于混合型對流天氣過程，為濕冰雹過程。

表1 通渭縣“5·30”和“5·31”冰雹過程最大降水站點降水實況Tab.1 Precipitation situation at stations with maximum precipitation during“5·30”and“5·31”hail weather processes in Tongwei County

3 環(huán)流形勢和影響系統(tǒng)

此次連續(xù)2 d大冰雹天氣過程，500 hPa歐亞中高緯均是兩脊一槽的環(huán)流形勢（圖2），都屬于西北氣流型降雹過程，“5·30”過程處在西風槽底部的西北氣流中，而“5·31”過程則在槽后西北氣流中產(chǎn)生。5月30日20：00，500 hPa［圖2（a）］烏拉爾山東側高壓脊和日本海高壓脊向北加強伸展，兩高之間的低槽經(jīng)向度加大；低槽位于貝加爾湖東側—蒙古高原東側—河套平原西側，在100°E—115°E之間。甘肅中部處在西風槽底部正渦度區(qū)，受西北氣流影響，溫度槽與高度槽位置基本重合，貝加爾湖南側有-24℃的冷中心，冷空氣沿槽后西北氣流向槽底輸送東移南下，有利于槽繼續(xù)加深。700 hPa［圖2（c）］降雹區(qū)受切變線控制，暖濕輸送條件并不明顯，500 hPa西北氣流與低層切變線相疊加，有較強的風垂直切變。31日20：00，500 hPa［圖2（b）］低槽移至120°E附近，甘肅中部受槽后西北氣流控制，同時槽后堆積的冷空氣向降雹區(qū)侵入，降雹區(qū)中上層冷平流增強；700 hPa［圖2（d）］降雹區(qū)有中尺度切變線，重慶地區(qū)有中尺度低渦環(huán)流發(fā)展，與江西中尺度低渦環(huán)流之間形成切變線，在切變線北部，一股東南風氣流從華東沿海向降雹區(qū)輸送水汽。溫度場上通渭受暖脊控制，切變線南側有暖平流發(fā)展，與高層冷平流相疊置，有利于層結不穩(wěn)定性增強。雖然2次降雹天氣高空槽影響時間不同，但都是在高層較強的西北氣流影響下，低層配合有切變線。其中“5·31”過程中低層暖濕輸送條件更好，水汽比較充足，更有利于強降水發(fā)生，而“5·30”過程中高低空形勢的配置為強對流提供了更有利的上升運動發(fā)展條件。另外，30日和31日降雹前18：00的地面風場［圖2（e）、圖2（f）］中，通渭境內(nèi)均有中尺度地面輻合線，這是2次強冰雹過程的主要觸發(fā)條件。其中“5·31”過程地面輻合線南側有明顯的東南風大風速帶指向降雹區(qū)，最大風速達12 m·s-1，并伴有風速輻合，促使近地層暖濕氣流輸送和地面輻合作用增強，更有利于對流觸發(fā)和發(fā)展。

4 環(huán)境場

4.1 熱力不穩(wěn)定條件

甘肅中部榆中探空站T-ln P圖上，5月30日20：00［圖3（a）］，呈下濕上干的“喇叭口”形態(tài)，700 hPa與500 hPa溫差（T700-500）為19.4℃，CAPE值為263.3 J·kg-1；31日20：00［圖3（b）］，700 hPa以下層結曲線上有超絕熱現(xiàn)象，600～500 hPa有明顯的干冷空氣侵入，T700-500為22℃，CAPE值為1509 J·kg-1，較30日明顯增大，對流平衡高度達200 hPa?？梢?，2次過程甘肅中部上空的大氣層結均處于強對流不穩(wěn)定狀態(tài)。30日和31日20：00的0℃層高度分別是3993.0和4002.6 m，0～6 km垂 直風 切 變分 別 為27.4和27.7 m·s-1，表明2次過程均有利于冰雹大風天氣發(fā)展，且31日的能量和層結條件更有利于大冰雹出現(xiàn)。

圖3 2020年5月30日（a）和31日（b）20：00榆中探空站T-ln P圖及30日（c、d）、31日（e、f）18：00（c、e）與19：00（d、f）溫度平流（單位：10-4 K·m·s-1）沿35.25°N的緯向剖面（紅色豎線之間為降雹區(qū)域，黑色陰影為地形。下同）Fig.3 The T-ln P diagrams at 20：00 BST May 30（a）and 31（b），2020 at Yuzhong sounding station，and the zonal profiles of temperature advection（Unit：10-4 K·m·s-1）along 35.25°N at 18：00 BST（c，e）and 19：00 BST（d，f）May 30（c，d）and 31（e，f），2020（The hail area is between the red vertical lines，the black shaded is terrain.the same as below）

從沿35.25°N的溫度平流緯向剖面來看，30日18：00［圖3（c）］和19：00［圖3（d）］，通渭上空600～400 hPa有冷平流，600 hPa以下溫度平流不明顯；31日18：00［圖3（e）］和19：00［圖3（f）］，存在典型的高層冷平流、低層暖平流的不穩(wěn)定層結，冷平流強中心均在500～400 hPa，低層暖平流中心較30日更明顯，18：00暖平流中心在近地層，19：00暖平流發(fā)展到700 hPa以上，冷暖平流強度均強于30日?？梢?，“5·31”過程由于500 hPa槽后冷平流較30日20：00明顯加強，中下層及地面風場上的東南氣流和700 hPa低槽前部偏南風的暖濕氣流輸送作用較“5·30”過程更明顯，因此熱力不穩(wěn)定條件強于“5·30”過程。

4.2 對流不穩(wěn)定條件

圖4是5月30日及31日18：00 700 hPa假相當位溫及其緯向剖面?？梢钥闯?，31日18：00有高能舌向通渭地區(qū)伸展，通渭近地層假相當位溫為332～334 K，較30日18：00更大，低層能量輸送條件更好。垂直方向上，2次過程降雹區(qū)上空500 hPa以下θse隨高度遞減，對流層中下層存在對流性不穩(wěn)定，31日18：00通渭上空θse垂直梯度明顯大于30日18：00，表明31日降雹時刻對流性不穩(wěn)定條件和中下層能量條件較30日更有利。

4.3 水汽條件

從通渭站比濕的時間-高度剖面［圖5（a）］看到，5月30日和31日下午降雹前通渭上空絕對水汽含量均維持較高狀態(tài)，6 g·kg-1濕舌均伸展到650 hPa，其中31日下午近地層比濕為8.5 g·kg-1，明顯大于30日的6 g·kg-1。700 hPa水汽通量場上，30日19：00［圖5（b）］通渭地區(qū)受偏北氣流影響，水汽輸送條件較差；31日19：00［圖5（c）］，降雹區(qū)處在水汽通量大值中心區(qū)，甘肅東南部有偏南和東南向的2支水汽輸送帶指向降雹區(qū)，水汽輸送條件好。30日19：00［圖5（d）］，通渭地區(qū)105°E—105.5°E范圍內(nèi)水汽輻合高度從地面延伸至700 hPa，降雹區(qū)水汽通量散度強中心（-5×10-8g·hPa-1·cm-2·s-1）在近地層；31日19：00［圖5（e）］，在105°E—105.5°E范圍內(nèi)水汽輻合高度一直延伸到500 hPa附近，近地面至700 hPa和600～500 hPa有2個水汽輻合大值中心，600～500 hPa處水汽通量散度中心值為-3×10-8g·hPa-1·cm-2·s-1，中上層為弱輻散。

綜上所述，“5·31”過程的水汽輸送條件和絕對水汽含量比“5·30”過程更好。2次過程降雹區(qū)域上空均有水汽輻合中心存在，不同的是“5·31”過程水汽輻合始終集中在中下層，且水汽輻合中心強度遠大于“5·30”過程，更有利于強降水或大冰雹產(chǎn)生。

4.4 上升運動條件

圖5 2020年5月30日08：00至31日20：00通渭站比濕的時間-高度剖面（a，單位：g·kg-1），30日（b、d）及31日（c、e）19：00 700 hPa水汽通量（填色，單位：10-3 g·hPa-1·cm-1·s-1）、風場（矢量，單位：m·s-1）（b、c）及水汽通量散度沿35.25°N的緯向剖面（d、e，單位：10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1）Fig.5 The time-height profile of specific humidity over Tongwei station from 08：00 BST May 30 to 20：00 BST May 31，2020（a），water vapor flux（the color shaded，Unit：10-3 g·hPa-1·cm-1·s-1）and wind field（vectors，Unit：m·s-1）at 700 hPa（b，c）and the zonal profiles of water vapor flux divergence along 35.25°N（d，e，Unit：10-8 g·hPa-1·cm-2·s-1）at 19：00 BST May 30（b，d）and 31（c，e），2020

研究表明，強冰雹天氣發(fā)生時往往伴有強烈的斜升氣流發(fā)展［6］。利用垂直速度、渦度、0～6 km垂直風切變對2次過程中的上升運動條件進行診斷。從圖6（a）看到，30日18：00—19：00，通渭站上空整層以上升運動為主，600 hPa以下上升運動非常明顯，700 hPa附近中心強度為-0.8 Pa·s-1；31日18：00—19：00［圖6（b）］，垂直速度負值區(qū)延伸至200 hPa，650～300 hPa為較強上升運動，400 hPa附近上升速度中心強度達-1.2 Pa·s-1，隨著時間推移中下層逐漸出現(xiàn)下沉運動，這主要由強冰雹下落過程中的拖曳作用和絕熱蒸發(fā)作用引起。從渦度的時間-高度剖面［圖6（c）、圖6（d）］看到，30、31日的18：00—19：00通渭上空都有深厚的正渦度區(qū)，“5·30”過程正渦度伸展高度和強度均大于“5·31”過程，30日20：00前后500 hPa附近有正渦度大值中心（14×10-5s-1），“5·30”過程上升運動的發(fā)生發(fā)展主要是在有利的高低空形勢配置下西風槽底的正渦度區(qū)和中低層切變線相互疊加使得整層出現(xiàn)正渦度。從圖6（e）、圖6（f）2次過程降雹臨近時刻（18：00和19：00）垂直風切變和風廓線分布來看，30日通渭站地面至1、2、3、4、5、6 km的垂直風切變逐漸增大，風向由西北風逐漸轉為 偏西風，0～6 km深層垂 直風切 變由18：00的20 m·s-1增至19：00的25 m·s-1以上；31日18：00和19：00 0～2 km垂直風切變較小，風向以偏南風為主，2 km開始垂直風切變隨高度顯著增大，風向轉為一致的西北風，0～6 km垂直風切變均大于25 m·s-1?？梢姡?次降雹過程臨近時刻不僅有很強的深層垂直風切變，而且中上層均為一致的偏西氣流或西北氣流，從而促使上升氣流在發(fā)展過程中由下到上向偏東方向傾斜，表明2次過程都存在強烈的斜升運動。

圖6 2020年5月30日12：00至31日00：00（a、c）、5月31日12：00至6月1日00：00（b、d）通渭站垂直速度（a、b，單位：Pa·s-1）及渦度（c、d，單位：10-5 s-1）的時間-高度剖面，30日（e）、31日（f）18：00及19：00通渭站垂直風切變及風廓線分布Fig.6 The time-height profiles of vertical velocity（a，b，Unit：Pa·s-1）and vorticity（c，d，Unit：10-5 s-1）from 12：00 BST 30 to 00：00 BST 31（a，c）May 2020 and from 12：00 BST May 31 to 00：00 BST June 1，2020（b，d）over Tongwei station，and distribution of vertical wind shear and wind profile at 18：00 BST and 19：00 BST May 30（e）and 31（f），2020

5 雷達回波特征

“5·30”過程雷達數(shù)據(jù)來自天水新一代天氣雷達基于VCP21降水模式掃描數(shù)據(jù)，雷達型號為CINRAD/CD，站點坐標為105.6°E，34.6°N，天線饋源海拔高度1672.9 m，位于通渭東南方，距雷達中心水平距離約84 km。

從“5·30”過程1.5°仰角基本反射率因子演變（圖7）可以看到，30日17：52通渭境內(nèi)已有多個呈帶狀排列的普通對流單體風暴發(fā)展并緩慢東移；18：04白色箭頭處對流單體突然加強，到18：10中心強度達60 dBZ，回波直徑約10 km。這種具有密實結構、中心強度在55 dBZ以上的中γ尺度強對流單體風暴回波是隴東南地區(qū)冰雹天氣過程中常見的雷達回波，這種特征一直維持到18：21，造成通渭本站持續(xù)20 min的冰雹天氣。

“5·31”過程雷達數(shù)據(jù)來自固原新一代天氣雷達基于VCP21降水模式掃描數(shù)據(jù)，雷達型號為CINRAD/CD，雷達站位于六盤山氣象站（106.2°E，35.7°N），天線饋源海拔高度2853.0 m，位于通渭東北方，距雷達中心水平距離約108.5 km。

由1.5°仰角反射率因子的演變（圖8）可見，31日18：19，通渭境內(nèi)對流風暴突然加強為多個中γ尺度冰雹云團，中心強度為60 dBZ，通渭本站出現(xiàn)冰雹。隨后多單體風暴向東南方移動，c單體在移動過程中發(fā)展為中β尺度的層積混合狀回波，回波最大直徑約30 km，反射率因子最大強度達65 dBZ，對流云團降水效率明顯增大，移速減慢，出現(xiàn)持續(xù)三體散射特征（圖中白框位置），表明有大冰雹產(chǎn)生。另外，c單體在通渭東南方維持近1 h，碧玉鎮(zhèn)出現(xiàn)局地暴雹災害。

圖7 2020年5月30日1.5°仰角雷達基本反射率因子（單位：dBZ）演變（紅色三角代表通渭本站位置，白色箭頭所指為降雹單體回波。下同）Fig.7 Evolution of basic reflectivity factor（Unit：dBZ）on 1.5°elevation on May 30，2020（The red triangle represents the location of Tongwei station，the white arrow refers to the hail monomer echo.the same as below）

圖8 2020年5月31日1.5°仰角基本反射率因子（單位：dBZ）演變Fig.8 Evolution of basic reflectivity factor（Unit：dBZ）on 1.5°elevation on May 31，2020

圖9 2020年5月30日（a）及31日（b）通渭站降雹時刻反射率因子垂直剖面（單位：dBZ）Fig.9 The profiles of reflectivity factor at hail falling time on May 30（a）and 31（b），2020 at Tongwei station（Unit：dBZ）

5月30日18：04［圖9（a）］，反射率因子剖面圖上有高懸的強回波、傾斜結構和弱回波區(qū)，中心強度達60 dBZ，50 dBZ回波發(fā)展高度達9 km，遠超-20℃等溫線高度。5月31日18：19［圖9（b）］，剖面圖上有中心強度達65 dBZ的高懸強回波，傾斜結構不明顯，60 dBZ強回波高度超過9 km，同樣超過當天-20℃等溫線高度，強回波水平方向范圍較30日明顯增大，可見對流天氣發(fā)展非常旺盛。同時，強回波中心有接地特征，表示有強降水發(fā)生。

6 地形作用

復雜地形區(qū)強對流出現(xiàn)的地點、強度除了和天氣因素有關外，還有明顯的地方性特征，山脈附近常為強降水中心［28］，因此在強對流天氣預報中，需考慮地形增幅作用。華家?guī)X山區(qū)位于黃土高原西部，在通渭縣城西北方50 km處，最高海拔2460 m，山坡陡峭，與周圍地區(qū)海拔落差大。從反射率因子圖（圖7、圖8）可以看到2次過程均是對流云團翻越華家?guī)X山區(qū)，在其東南方的山谷地帶快速增強產(chǎn)生，這與迎風坡上輻合、地形強迫抬升有很大關系。

從圖2（e）、圖2（f）可見，在30日、31日18：00地面風場上指向通渭地區(qū)的東南風在華家?guī)X迎風坡一側受山區(qū)阻擋，使得山前通渭站附近出現(xiàn)地面輻合線，對流云團在輻合線上迅速增強，由于陡峭山體阻擋，地面輻合線穩(wěn)定少動，動力抬升作用維持。侯淑梅等［29］和丁一匯［30］的研究中也有類似結論，即特殊地形在天氣系統(tǒng)過境時容易激發(fā)地面輻合線，利于強對流的觸發(fā)、維持，中尺度對流系統(tǒng)的移動和傳播也受地形影響。另外，東南氣流的暖濕輸送在山地阻擋作用下，通渭站附近低層能量和水汽不斷堆積，當對流云團翻越華家?guī)X后其后側冷平流與之疊加使得層結不穩(wěn)定性增強，有利于對流云團快速加強?！?·31”過程中近地層偏南風大風速帶的暖濕輸送更強，最大風速達到10 m·s-1，低層能量和水汽更充足，因此對流天氣更強。

7 結論

利用實況觀測資料和ERA5再分析資料，對比分析2020年5月30日和31日發(fā)生在黃土高原復雜地形區(qū)2次冰雹過程的環(huán)流形勢、物理量、雷達回波等特征，得到以下結論：

（1）2次過程均由同一低槽發(fā)展東移過程中在通渭上空建立不穩(wěn)定層結產(chǎn)生。地面中尺度輻合線是2次冰雹過程的主要觸發(fā)機制。700 hPa影響系統(tǒng)的差異是導致2次過程出現(xiàn)干、濕冰雹的主要原因。

（2）2次過程都有上干下濕的不穩(wěn)定層結特征和明顯的對流有效位能，0℃層高度都在4 km附近，0～6 km垂直風切變均大于27 m·s-1。對多個物理量診斷發(fā)現(xiàn)，2次過程都有強烈的斜升氣流發(fā)展。

（3）“5·31”過程的不穩(wěn)定條件更強，降雹區(qū)的絕對水汽含量更充足、水汽輸送條件更好，水汽在中低層的強烈輻合特征更加明顯。

（4）2次冰雹均有明顯的冰雹云回波特征，其差異主要是“5·31”過程出現(xiàn)強冰雹典型的三體散射特征，且對流風暴的組織性更強，強回波面積較大，強回波中心有接地特征。

（5）華家?guī)X山區(qū)的地形強迫作用對2次過程增幅作用明顯，地形的阻擋也使得地面輻合線得以維持。