龐晶，袁凱，張麗，李武階

（武漢市氣象局，武漢 430040）

冰雹是指由于對流所造成的直徑≥5 mm的固態(tài)降水，是湖北省主要的災(zāi)害性天氣類型之一［1］，多發(fā)于春季3—4月，對春播秧苗的成長尤為不利［2］，在湖北省內(nèi)有三大高發(fā)中心：鄂西南和江漢平原西部、鄂西北的保康和隨州一帶以及沔陽-孝感-武漢地區(qū)［3，4］，給湖北省造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。1986年8月7日恩施建始茅田鄉(xiāng)遭受強(qiáng)冰雹襲擊，共造成3人死亡，11人受傷［5］。1997年5月29日下午到傍晚，襄陽下轄7個縣區(qū)遭受冰雹襲擊，冰雹大似核桃，小如蠶豆，共造成7.5萬hm2農(nóng)作物受災(zāi)，損失小麥超2.75萬t［3］；2015年4月3日夜間蘄春遭受冰雹襲擊，降雹時間持續(xù)15 min以上，共造成15 323人受災(zāi)，直接損失1 833萬元。

研究表明，冰雹危害農(nóng)業(yè)，主要是對農(nóng)作物枝葉、莖稈、果實產(chǎn)生機(jī)械損傷，從而引起各種生理障礙和誘發(fā)病蟲害，造成農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收［6］，其致災(zāi)輕重取決于降雹強(qiáng)度、降雹時間、雹粒大小、作物種類和生育期［7］因素。果樹遭冰雹襲擊嚴(yán)重時會出現(xiàn)落葉、落果，影響樹勢和產(chǎn)量，易引起病蟲害的發(fā)生和蔓延［8］。一般雹粒越大，降雹時間越長，所造成的農(nóng)業(yè)損失也就越大［9］，而降落到地面雹粒的大小取決于開始融化時冰雹的尺寸和融化層的高度［10］，一般認(rèn)為這個融化層接近于濕球0℃層（Wet blub zero，WBZ）高度，而不是干球0℃層（Dry blub zero，DBZ）的高度，當(dāng)WBZ和DBZ之間和上下一定范圍內(nèi)存在明顯的干空氣時，WBZ的高度明顯低于DBZ高度［1］，此時若再將DBZ作為冰雹開始融化的高度，將影響預(yù)報員對雹粒大小的判斷，甚至可能直接決定冰雹預(yù)報的成功與否［11］。

湖北省地處青藏高原東側(cè)的長江中游地區(qū)，屬典型的副熱帶季風(fēng)氣候，是中國南北氣候的過渡區(qū)，東西跨度約8個經(jīng)度，南北跨度約4個緯度，西部多高山和丘陵，中東部為平原，冰雹天氣多發(fā)頻發(fā)，因此本研究利用近17年的實況探空資料，分別選取鄂西北、鄂西南和鄂東的代表站點，對比分析不同地區(qū)之間WBZ季節(jié)變化特征的異同點，并結(jié)合具體的冰雹個例進(jìn)行討論，為精準(zhǔn)的冰雹預(yù)警預(yù)報和人工防雹作業(yè)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

針對湖北省內(nèi)3個冰雹高發(fā)地區(qū)，即鄂西南、鄂西北、鄂東，分別選取代表站點，由于湖北省西北部沒有高空探空觀測站點，距離較近的站點為河南南陽站和陜西安康站，考慮到湖北西北部特殊的地形以及與探空站點的實際距離，本研究選取安康、恩施和武漢（表1，圖1）分別作為鄂西北、鄂西南和鄂東的代表站點，使用3個代表站每日8、20時（北京時間）的高空探空數(shù)據(jù)，資料起止時間為2005年1月1日—2021年12月31日。

圖1 各代表站點位置

表1 各代表站點的基本屬性

1.2 方法

本研究按照以下步驟計算濕球0℃層的高度，首先，基于Bakhshaii等［12］提出的氣溫變化方程，利用微分法計算出整層大氣溫度的分布，然后基于迭代法求出某一氣壓層對應(yīng)的抬升凝結(jié)高度（簡稱LCL），接著基于該氣壓層對應(yīng)的LCL高度，計算出濕絕熱遞減率，再利用諾曼德原則［13］，求得該氣壓層對應(yīng)的濕球溫度；其次，對所有氣壓層循環(huán)上述過程，得到不同氣壓層的濕球溫度；最后，將不同氣壓層求得的濕球溫度結(jié)果進(jìn)行差值，從而得到濕球0℃高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)特征分析

表2是湖北省不同地區(qū)各季節(jié)平均的WBZ高度以及DBZ和WBZ高度差，整體規(guī)律為WBZ高度隨季節(jié)變化較大，夏季最高，均超過4 000 m，秋季次之，春季再次之，冬季最低，僅1 274.1?1 651.7 m，這可能與整個湖北省大氣溫度和濕度的季節(jié)變化有關(guān)，即氣溫越高，WBZ高度越高，而在相同的溫度條件下，濕度越大，WBZ高度越高。而DBZ和WBZ高度差隨季節(jié)的變幅則遠(yuǎn)小于WBZ高度，且湖北不同地區(qū)之間表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：鄂東地區(qū)秋季最大，冬季次之，春季、夏季最?。欢跷鞅钡貐^(qū)夏季最大，冬季次之，春季、秋季最?。欢跷髂系貐^(qū)夏季最大，秋季次之，春季、冬季最小。

表2 湖北不同地區(qū)各季節(jié)平均的WBZ高度以及DBZ和WBZ高度差 （單位：m）

從WBZ高度的箱線圖可以看出（圖2），除冬季外，各季節(jié)平均的WBZ高度均為恩施最高，鄂西北、鄂西南和鄂東地區(qū)WBZ高度的差異在秋季和夏季最為突出，秋季恩施最高WBZ高度較安康高732.9 m，夏季最高WBZ高度較安康高389 m。此外，從季節(jié)變化來看，冬季湖北省各地區(qū)的WBZ高度較為集中，尤其是鄂西北地區(qū)冬季W(wǎng)BZ高度變幅非常小，這可能與其特有的地形有關(guān)［14］。從DBZ和WBZ高度差的箱線圖來看（圖3），湖北省各地區(qū)季節(jié)變幅均較小，尤其是鄂西北地區(qū)，各季節(jié)間最大差異僅為296.7 m，季節(jié)變化上夏季湖北省各地區(qū)之間DBZ和WBZ高度差最小，均值僅為77.8 m。

圖2 湖北省不同地區(qū)各季節(jié)平均WBZ高度箱線

圖3 湖北省不同地區(qū)各季節(jié)平均的DBZ和WBZ高度差箱線

2.2 各季節(jié)的統(tǒng)計特征

圖4是湖北省不同地區(qū)各季節(jié)WBZ高度的發(fā)生頻率，春季和秋季W(wǎng)BZ高度出現(xiàn)概率最大的高度均為2 500?3 500 m，概率分別為36.5%?42.3%和32.1%?37.2%，其次出現(xiàn)的高度為3 500?4 500 m。夏季由于地面氣溫較高，WBZ高度明顯高于其他季節(jié)，基本都在2 500 m以上，超過4 500 m的概率最高，為44.1%?58.1%。而冬季W(wǎng)BZ高度基本都在3 500 m以下，概率最大高度則為500?1 500 m，概率超過50%，其次為1 500?2 000 m，概率為20.2%? 34.7%。從湖北省各地區(qū)的對比來看，春季500 m以下僅鄂東地區(qū)出現(xiàn)過26次（占比0.9%），而秋、冬季除鄂西南外，其余地區(qū)WBZ均出現(xiàn)過低于500 m的情況，尤其是冬季，鄂東出現(xiàn)364次，占比超過15%。

圖4 湖北省不同地區(qū)各季節(jié)WBZ高度的發(fā)生概率對比

從各季節(jié)DBZ和WBZ高度差的概率分布（圖5）看，隨著高度的升高，各季節(jié)的概率呈下降趨勢。按各季節(jié)低于1 000 m的概率計算，鄂西南和鄂西北地區(qū)均超過70%，鄂東略低，為57.8%?71.9%。春季、秋季和冬季DBZ和WBZ高度差出現(xiàn)的最大概率高度均為500 m以下，尤其是秋季概率達(dá)到34.8%? 54.8%。此外，各季節(jié)DBZ和WBZ高度差低于500 m的概率均為鄂西南最大，鄂西北次之，鄂東最小；而高于2 000 m的概率在春季、夏季和秋季均為鄂東最大。

圖5 湖北省不同地區(qū)各季節(jié)DBZ和WBZ高度差的發(fā)生概率對比

2.3 冰雹過程中的WBZ高度特征分析

為了進(jìn)一步討論實際冰雹發(fā)生過程中WBZ的特征，本研究以常規(guī)地面觀測數(shù)據(jù)、災(zāi)情信息以及新聞網(wǎng)絡(luò)報道為基礎(chǔ)，收集和整理了2005年1月1日—2021年12月31日間分別發(fā)生在鄂西北、鄂西南和鄂東地區(qū)的30、45、30次冰雹天氣過程（表略），并計算了冰雹天氣發(fā)生前的安康站、恩施站、武漢站的WBZ高度、DBZ高度以及DBZ和WBZ高度差（圖6），可以看到當(dāng)有冰雹發(fā)生時WBZ變幅最大的為鄂西南地區(qū)，最大為2018年8月5日的5 082 m，最小為2013年3月10日的2 748 m；平均而言，當(dāng)DBZ高度為4 265 m，WBZ為3 817 m時，最利于該地冰雹天氣的發(fā)生，此時DBZ和WBZ的高度差約為448 m；而對于鄂西北地區(qū)WBZ而言，當(dāng)DBZ高度為4 399 m，WBZ為3 730 m時，最利于該地區(qū)冰雹天氣的發(fā)生，此時DBZ和WBZ的高度差約為669 m；而對于鄂東地區(qū)，冰雹發(fā)生時WBZ平均高度最低，為3 328 m，DBZ和WBZ高度差約為638 m，這與前人研究結(jié)果一致［15］。對比湖北省不同地區(qū)冰雹發(fā)生時平均WBZ高度看，最高為鄂西南，鄂西北和鄂東次之；DBZ和WBZ高度差從大到小依次為鄂西北、鄂東和鄂西南。

圖6 湖北不同地區(qū)冰雹過程時WBZ、DBZ以及DBZ和WBZ高度差的箱線

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

本研 究 利 用2005年1月1日—2021年12月31日間安康、恩施和武漢站高空探空資料及同期湖北省各地區(qū)的地面觀測和災(zāi)情數(shù)據(jù)，分析和討論了湖北省各地區(qū)濕球0℃高度的季節(jié)變化特征，得到以下主要結(jié)論。

1）WBZ高度隨季節(jié)變化較大，夏季最高，均超過4 000 m，秋季次之，春季再次之，冬季最低，僅為1 274.1?1 651.7 m，這可能與整個湖北省大氣溫度和濕度的季節(jié)變化有關(guān)，即氣溫越高，WBZ高度越高，而在相同的溫度條件下，濕度越大，WBZ高度越高。

2）DBZ和WBZ高度差隨季節(jié)的變幅則遠(yuǎn)小于WBZ高度，且湖北省不同地區(qū)之間表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：鄂東地區(qū)秋季最大，冬季次之，春季、夏季最小；鄂西北地區(qū)夏季最大，冬季次之，春季、秋季最?。欢跷髂系貐^(qū)夏季最大，秋季次之，春季、冬季最小。

3）從各季節(jié)WBZ高度發(fā)生頻率看出，春季和秋季W(wǎng)BZ高度出現(xiàn)概率最大的高度均為2 500? 3 500 m，其次為3 500?4 500 m；夏季W(wǎng)BZ高度明顯高于其他季節(jié)，冬季W(wǎng)BZ高度基本都在3 500 m以下。

4）從各季節(jié)DBZ和WBZ高度差的概率來看：隨著高度的升高，各季節(jié)的概率呈下降趨勢，各季節(jié)低于1 000 m的概率鄂西南和鄂西北地區(qū)均超過70%，鄂東略低。春季、秋季和冬季DBZ和WBZ高度差出現(xiàn)的最大概率高度均為500 m以下，尤其是秋季概率最高。

5）湖北省不同地區(qū)主要冰雹天氣過程的合成分析表明，當(dāng)有冰雹發(fā)生時WBZ變幅最大的為鄂西南地區(qū)，最小的為鄂西北地區(qū)，冰雹發(fā)生時平均的WBZ高度最高為鄂西南地區(qū)，鄂西北和鄂東次之；DBZ和WBZ高度差從大到小依次為鄂西北、鄂東和鄂西南。

3.2 討論

首先，需要指出的是，根據(jù)常規(guī)探空數(shù)據(jù)確定的WBZ高度只是冰雹融化層的大致高度，實際冰雹融化層高度與計算得到的WBZ高度存在一定誤差［11］。其次，利用微分法計算整層大氣溫度分布時也存在一定誤差，但檢驗結(jié)果表明，這種誤差在實際大氣中，無論是絕對誤差還是均方誤差都非常小，對最終結(jié)果并不產(chǎn)生較大影響［12］。