華北區(qū)域冰雹天氣分型及云系特征

藍(lán) 渝鄭永光毛冬艷林隱靜朱文劍方 翀

1）（中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）2）（中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

3）（國家氣象中心，北京100081）

華北區(qū)域冰雹天氣分型及云系特征

藍(lán) 渝1）2）3）*鄭永光3）毛冬艷3）林隱靜3）朱文劍3）方 翀3）

1）（中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）2）（中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

3）（國家氣象中心，北京100081）

基于地面加密觀測資料、FY-2E靜止氣象衛(wèi)星觀測資料和NCEP分析資料，選取2010—2012年華北區(qū)域內(nèi)27次冰雹過程，按大氣環(huán)流背景、主要影響系統(tǒng)和云系的云型特征等將其分為冷渦云系尾部型、低渦槽前型和偏北氣流控制型3種類型。分析結(jié)果表明：3種天氣型下冰雹對流云系特征存在差異，但90%以上的冰雹過程發(fā)生在對流云團(tuán)的快速發(fā)展階段中，降雹集中出現(xiàn)于準(zhǔn)圓形或橢圓形對流云團(tuán)邊緣或帶狀對流云系的傳播前沿區(qū)域，對應(yīng)于云頂亮溫梯度的大值區(qū)。在掌握背景環(huán)境的前提下，綜合分析紅外圖像中對流系統(tǒng)的發(fā)展演變、水汽圖像暗帶和暗區(qū)變化等信息，對冰雹的監(jiān)測和預(yù)警有一定的參考價值。定量統(tǒng)計分析表明，大的亮溫梯度值（不低于8℃／0.05°）是輔助判斷冰雹能否發(fā)生的重要參量，而當(dāng)冰雹云同時具備低云頂亮溫和大亮溫梯度的情況下，更有利于大于10 mm大冰雹的發(fā)生。

冰雹；對流云系；靜止氣象衛(wèi)星；紅外圖像；水汽圖像

引 言

冰雹天氣是強(qiáng)對流天氣的一類，導(dǎo)致降雹的對流系統(tǒng)具備空間尺度小、發(fā)展速度快、生命史短、危害性強(qiáng)等特點。受時間頻次和空間分布限制，常規(guī)地面和探空觀測不足以全面揭示產(chǎn)生冰雹的中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和演變特征［1］，對冰雹的預(yù)報和預(yù)警仍是現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)中的難點。

隨著氣象衛(wèi)星、多普勒天氣雷達(dá)、閃電定位系統(tǒng)等探測技術(shù)手段的快速發(fā)展，非常規(guī)觀測資料在冰雹等強(qiáng)對流天氣的短時臨近預(yù)報中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量基于雷達(dá)觀測資料的冰雹云識別技術(shù)和方法研究［2-6］，有效提高了臨近時段內(nèi)冰雹預(yù)警預(yù)報能力。但單純的雷達(dá)資料難以反映關(guān)注地區(qū)所具備的大尺度環(huán)境場特征［7］，而這正是判斷初生對流單體是否能夠發(fā)展成為強(qiáng)對流系統(tǒng)的重要依據(jù)。

衛(wèi)星觀測資料是監(jiān)測和研究中小尺度天氣系統(tǒng)最有效的工具之一［8-9］。靜止氣象衛(wèi)星觀測具有時空分辨率高、覆蓋范圍廣等特點，衛(wèi)星云圖提供的大尺度云系輪廓、形態(tài)和分布等信息，在一定程度上反映了大氣的環(huán)流配置、溫濕狀態(tài)和動力特征。同時對于中小尺度云系，衛(wèi)星資料提供的云型結(jié)構(gòu)、范圍大小、邊界形狀、色調(diào)紋理等特征，也為分析對流系統(tǒng)的發(fā)展演變提供了豐富信息［10］。20世紀(jì)70年代起，國外學(xué)者已開始運(yùn)用衛(wèi)星云圖資料研究冰雹云系特征［11-12］。對于我國的冰雹天氣系統(tǒng)特征，國內(nèi)氣象學(xué)者從氣候統(tǒng)計、環(huán)流形勢、物理量診斷以及雷達(dá)、閃電特征等方面進(jìn)行了大量研究［13-17］，但在冰雹云系的衛(wèi)星云圖特征研究方面有所不足，已有的研究工作也多以個例過程分析為主［18-21］?？傊o止氣象衛(wèi)星資料在一定程度上能夠彌補(bǔ)雷達(dá)觀測資料在探測冰雹方面的不足，但目前國內(nèi)在應(yīng)用靜止氣象衛(wèi)星觀測資料進(jìn)行冰雹對流云系的特征研究工作還比較少，尤其在云圖特征的定量化統(tǒng)計分析研究方面報道相對較少。

本研究重點運(yùn)用FY-2E靜止氣象衛(wèi)星提供的多通道數(shù)據(jù)資料，基于27次典型個例，對華北區(qū)域冰雹天氣過程進(jìn)行系統(tǒng)的分型和云系特征總結(jié)，并運(yùn)用定量分析方法，總結(jié)了冰雹發(fā)生時刻的對流云亮溫特征，以期為該地區(qū)冰雹客觀預(yù)報和預(yù)警提供參考。

1 資料與處理

本文使用的資料主要包括地面觀測資料、FY-2E靜止氣象衛(wèi)星資料以及2010—2012年NCEP FNL資料（1°×1°）等。

1.1 冰雹天氣過程個例

利用常規(guī)地面觀測資料、重要天氣報告（WS報）資料，對華北區(qū)域（35°～45°N，110°～120°E）冰雹天氣歷史實況數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。規(guī)定對流云系3 h內(nèi)在所影響區(qū)域造成3個以上站點有冰雹記錄時，方選取為1次個例過程。通過普查冰雹實況記錄，共選取2010—2012年中27次冰雹天氣過程進(jìn)行分析（表1）。

表1 冰雹天氣過程資料提取信息表Table 1 Hail convective storm cases in North China

從時間分布上看，初夏和盛夏（6—7月）為我國華北地區(qū)冰雹過程的高發(fā)季節(jié)（占92.3%），且大部分冰雹發(fā)生在午后至傍晚時段，其季節(jié)分布和日變化特征與楊貴名等［14］的研究結(jié)果相符。

1.2 靜止氣象衛(wèi)星資料

本研究中27例冰雹過程的定性和定量分析均只采用FY-2E靜止氣象衛(wèi)星的等經(jīng)緯度資料，包括窗區(qū)紅外通道（10.3～11.3μm）、水汽通道（6.7μm）和可見光通道亮溫資料，其中窗區(qū)紅外通道和水汽通道資料水平分辨率為5 km，可見光通道資料水平分辨率為1.25 km。

1.3 衛(wèi)星資料定量分析

為滿足定量分析需求，在確保冰雹觀測的發(fā)生時間、冰雹直徑以及30 min間隔衛(wèi)星資料無缺測前提下，由27例冰雹個例中共挑選136站冰雹數(shù)據(jù)作為定量分析數(shù)據(jù)集。

依據(jù)冰雹出現(xiàn)的時間記錄，將該時刻前后的兩個觀測時次作為提取衛(wèi)星資料的時間范圍（間隔為30 min）；以出現(xiàn)冰雹的站點經(jīng)緯度格點為中心網(wǎng)格點，選取7×7（0.35°×0.35°）的網(wǎng)格作為提取衛(wèi)星資料的空間范圍。分析冰雹天氣出現(xiàn)時刻前后、出現(xiàn)站點附近區(qū)域內(nèi)的窗區(qū)紅外通道亮溫、水汽通道亮溫及相應(yīng)梯度特征，總結(jié)冰雹云系在衛(wèi)星圖像上的量化表現(xiàn)。

2 冰雹天氣云系分型

有利于對流系統(tǒng)發(fā)展的大尺度環(huán)流形勢和環(huán)境場條件是造成強(qiáng)對流天氣發(fā)生的基礎(chǔ)，綜合分析大氣環(huán)流背景、主要影響系統(tǒng)和冰雹天氣云系的云型特征，將華北地區(qū)典型冰雹過程分為冷渦云系尾部型、低渦槽前型和偏北氣流控制型3種類型。本文研究個例中，冷渦云系尾部型為10例（占37.0%），低渦槽前型為6例（占22.2%），偏北氣流控制型為11例（占40.8%）。在3種類型冰雹天氣過程中，偏北氣流控制型強(qiáng)對流過程主要造成冰雹和雷暴大風(fēng)等災(zāi)害天氣，而冷渦云系尾部型和低渦槽前型對流過程在造成風(fēng)雹災(zāi)害的同時，常伴隨有明顯短時強(qiáng)降水（小時降水量超過20 mm）天氣發(fā)生。

2.1 冷渦云系尾部型

華北區(qū)域冷渦云系尾部型降雹天氣過程的環(huán)境場配置如圖1所示。在環(huán)流形勢上，500 hPa在中高緯度地區(qū)呈明顯的經(jīng)向型特征，通常為兩脊一槽配置；在蒙古國東部或內(nèi)蒙古東北部地區(qū)存在冷渦系統(tǒng)，系統(tǒng)中心多位于45°～55°N，110°～125°E范圍內(nèi)，冷渦發(fā)展深厚，地面有低壓中心配合；冷渦系統(tǒng)東部至鄂霍次克海一帶存在阻高系統(tǒng)，呈穩(wěn)定的東亞阻塞形勢。華北地區(qū)處于冷渦系統(tǒng)南側(cè)，中層高空槽過境攜帶干冷空氣東移南下，配合低層從西北地區(qū)東部向華北方向伸展的暖脊，形成大尺度的不穩(wěn)定環(huán)境。主要的降雹區(qū)域位于冷渦南側(cè)500 hPa或700 hPa高空槽底部，對應(yīng)于地面鋒面尾部位置。

地面鋒面、露點鋒等邊界層輻合線為對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供了抬升的觸發(fā)機(jī)制。高空中層偏西急流攜帶的干冷空氣疊加在南部低層暖濕氣流之上，配合下墊面的不均勻加熱作用，在局地形成強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對流系統(tǒng)的發(fā)展增強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)呈前傾結(jié)構(gòu)特征時，更有利于觸發(fā)大范圍的風(fēng)雹類災(zāi)害天氣。

圖1 華北地區(qū)冷渦云系尾部型降雹天氣環(huán)境條件場Fig.1 The conceptual pattern of hail convective storm at the rear of cold vortex system in North China

多數(shù)情況下，該類型對流系統(tǒng)在其快速發(fā)展至成熟階段期間，在高空槽底部附近可觀測到由對流云上空的偽卷云區(qū)與鋒面云帶相互聯(lián)結(jié)所組成的中尺度帶狀密蔽云區(qū)，其北部與冷渦螺旋云系相連，主要降雹區(qū)域位于對流云帶的尾部附近。2012年6月25日華北北部的大范圍降雹過程為該類型降雹天氣的典型個例（圖2a），20：00（北京時，下同）華北北部位于冷渦南側(cè)槽底附近，受高空槽過境影響?？梢姽庠茍D（圖2b）中，蒙古國東部至華北北部可以清晰觀測到南北向冷渦帶狀對流云系，云系尾部的對流云團(tuán)中存在上沖云頂和暗影等特征。

圖3為2012年6月25日個例中對流云不同發(fā)展階段的連續(xù)變化圖像。由14：00的FY-2E氣象衛(wèi)星窗區(qū)紅外通道圖像（圖3a）可見，華北北部大部分地區(qū)為晴空區(qū)，在冷渦南側(cè)地面鋒面附近有多個小尺度新生對流單體發(fā)展。同時刻水汽通道圖像（圖3b）中，山西北部、河北北部以及內(nèi)蒙古中部為明顯的暗區(qū)，其與天氣圖中的高空干冷區(qū)相對應(yīng)。上述地區(qū)受午后地表熱力作用影響，在暗區(qū)內(nèi)發(fā)展的對流云團(tuán)處于不斷加強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)中，有利于系統(tǒng)的快速發(fā)展。17：00對流系統(tǒng)處于快速的發(fā)展階段（圖3c），前期獨立的對流單體迅速加強(qiáng)，逐漸形成連續(xù)的帶狀對流云系，其北部與冷渦系統(tǒng)的螺旋云系相連。此階段中，對流云系尾部區(qū)域有多個相對獨立的橢圓塊狀云團(tuán)迅速發(fā)展（云團(tuán)A～E），并產(chǎn)生降雹天氣。在20：00窗區(qū)紅外通道圖像（圖3d）中，對流系統(tǒng)進(jìn)入成熟階段，對流云系頂部發(fā)展為東北—西南向密蔽卷云帶，并隨高空槽東移向偏東方向移動。這一階段中對流系統(tǒng)的發(fā)展最為旺盛，最低紅外云頂亮溫達(dá)到－62℃以下，但期間主要產(chǎn)生以強(qiáng)降水為主的對流性天氣，測站并未出現(xiàn)冰雹記錄。對流系統(tǒng)最終于次日凌晨（約04：00）消亡，生命史長達(dá)14 h。

圖2 2012年6月25日降雹過程 （a）20：00 500 hPa高度（等值線，單位：dagpm）和18：00窗區(qū)紅外通道圖像，（b）18：00可見光云圖Fig.2 The case on 25 June 2012（a）500 hPa geopotential height（contour，unit：dagpm）at 2000 BT and infrared image at 1800 BT，（b）visible image at 1800 BT

圖3 2012年6月25日降雹過程圖像（a）14：00窗區(qū)紅外通道圖像，（b）14：00水汽通道圖像，（c）17：00窗區(qū)紅外通道圖像，（d）20：00窗區(qū)紅外通道圖像Fig.3 The case on 25 June 2012 （a）infrared image at 1400 BT，（b）water vapor image at 1400 BT，（c）infrared image at 1700 BT，（d）infrared image at 2000 BT

總體上看，在冷渦云系尾部型對流過程中，冰雹多出現(xiàn)在午后冷渦云系尾部區(qū)域內(nèi)新生對流云團(tuán)的快速發(fā)展時期，降雹的對流云呈長寬比約為2：1的橢圓塊狀云團(tuán)，冰雹出現(xiàn)的位置均集中在云團(tuán)的南側(cè)邊緣一帶。當(dāng)對流系統(tǒng)進(jìn)入成熟階段后降雹明顯減少或基本結(jié)束。在水汽通道圖像中，暗帶的東移南壓表明對流層中高層有干冷空氣南下，冰雹云團(tuán)通常新生于水汽暗帶邊緣或暗區(qū)之中。實際業(yè)務(wù)中，通過觀測水汽通道圖像中暗帶、暗區(qū)的位置及發(fā)展變化，能夠?qū)τ谶@類型降雹對流天氣的短臨預(yù)警能夠提供一些幫助。

需要指出，該類型冰雹過程在少數(shù)情況下，冷渦云系主體并未發(fā)展為明顯的帶狀密蔽云區(qū)，對流云系未與北部冷渦螺旋云系相連，如2012年6月1日的過程中，冰雹同樣出現(xiàn)在高空槽底附近的準(zhǔn)圓或橢圓塊狀對流云團(tuán)中，但在對流系統(tǒng)的發(fā)展、成熟和消亡中，降雹云北側(cè)始終保持為孤立的對流云團(tuán)狀態(tài)。相對而言，這類情況下的冰雹云生命史較短（4～8 h），產(chǎn)生冰雹時對流云云頂發(fā)展較低，預(yù)報的難度較大。

2.2 低渦槽前型

低渦槽前型降雹天氣中，對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展與低渦的東移南掉密切相關(guān)，具體的環(huán)境條件場如圖4所示。在內(nèi)蒙古中部至華北北部上空500 hPa存在深厚的低渦系統(tǒng)，中心位置位于30°～35°N，110°～120°E區(qū)域，系統(tǒng)位置偏南；低渦系統(tǒng)東側(cè)無明顯阻塞高壓形勢，系統(tǒng)主體向偏東方向快速移動；低層有低壓中心配合，且700 hPa以上的大氣中層存在明顯的冷中心或冷槽。由圖4可知，華北地區(qū)受低渦系統(tǒng)的直接影響，中層為冷槽控制，低層850 hPa以下槽前有暖脊發(fā)展，形成自南向北的暖濕平流，構(gòu)成有利于大尺度不穩(wěn)定的層結(jié)配置。降雹落區(qū)分為兩個部分，主要的降雹對流云團(tuán)出現(xiàn)在低渦東南象限的低層槽前區(qū)域，低渦位置越偏南，對華北地區(qū)的影響范圍越大。

在中尺度對流環(huán)境場中，降雹發(fā)生區(qū)域內(nèi)往往呈現(xiàn)明顯的前傾結(jié)構(gòu)，即700 hPa或以上對流層中層存在強(qiáng)的降溫區(qū)，而在低層850 h Pa假相當(dāng)位溫（θse）場中則處于由南向北延伸的高能舌頂端，下暖濕上干冷的強(qiáng)熱力不穩(wěn)定層結(jié)促使小尺度對流系統(tǒng)形成后快速加強(qiáng)，并造成強(qiáng)對流天氣。由于該類型中的對流云系多發(fā)展于低層槽前暖區(qū)一側(cè)，水汽輸送充沛，因此在產(chǎn)生風(fēng)、雹類天氣的同時常伴有明顯的短時強(qiáng)降水。

圖4 華北地區(qū)低渦槽前型降雹天氣環(huán)境場條件Fig.4 The conceptual pattern of hail convective storm ahead of the cold vortex in North China

在靜止衛(wèi)星圖像上，這類天氣型下對流云團(tuán)多新生于低渦東南部的螺旋云帶中，對應(yīng)于低層的槽前暖區(qū)一側(cè)。對流云團(tuán)生成后快速發(fā)展，并最終形成鋒面帶狀對流云系向偏東方向傳播，其生命史較長，一般達(dá)10～16 h。由2010年6月17日河北、北京、天津等地的大范圍冰雹天氣過程（圖5a）可見，低渦系統(tǒng)的位置偏南，中心位于內(nèi)蒙古、河北交界地區(qū)。華北中北部大部地區(qū)處于中層冷溫度槽控制下，500 h Pa，700 hPa偏西急流攜帶干冷空氣疊加在低層槽前暖濕氣流之上，形成強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)，并支持了對流系統(tǒng)的快速發(fā)展和長時間維持。對流系統(tǒng)自上午時段開始發(fā)展，迅速加強(qiáng)后伴隨低渦系統(tǒng)東移過境，直至第2天后半夜減弱、結(jié)束，生命史長達(dá)16 h。圖5b為6月17日09：00的水汽通道圖像，低渦南部為東北—西南向帶狀晴空區(qū)域，對應(yīng)于500 hPa急流軸位置。華北北部處于晴空區(qū)頂端，其區(qū)域內(nèi)新生對流系統(tǒng)表現(xiàn)為螺旋云系中的塊狀小尺度對流云團(tuán)（暗區(qū)之中），中層干冷空氣的影響，有利于對流云團(tuán)的快速發(fā)展加強(qiáng)。至中午時段（13：00），對流系統(tǒng)已逐步發(fā)展為東北—西南向鋒面對流云系，并形成颮線系統(tǒng)，其云頂表現(xiàn)為帶狀的密閉云區(qū)（圖5c）。之后帶狀云系向東偏南方向傳播，強(qiáng)度維持。由17：00窗區(qū)紅外圖像（圖5d）可見，在帶狀對流云系前沿不斷有新生對流云團(tuán)發(fā)展（云團(tuán)A～D），其位置對應(yīng)于冰雹等強(qiáng)對流天氣集中發(fā)生地區(qū)。入夜后對流云系強(qiáng)度逐漸減弱（圖略），降雹過程結(jié)束，但系統(tǒng)造成的短時強(qiáng)降水一直持續(xù)至后半夜。

圖5 2010年6月17日降雹過程衛(wèi)星圖像（a）20：00的500 hPa高度（等值線，單位：dagpm）和17：00窗區(qū)紅外通道圖像，（b）09：00水汽通道圖像，（c）13：00窗區(qū)紅外通道圖像，（d）17：00窗區(qū)紅外通道圖像Fig.5 The case on 17 June 2010（a）500 hPa geopotential height（contour，unit：dagpm）at 2000 BT and infrared image at 1700 BT，（b）water vapor image at 0900 BT，（c）infrared image at 1300 BT，（d）infrared image at 1700 BT

在低渦槽前型降雹天氣過程中，初期獨立的塊狀對流云團(tuán)中可能出現(xiàn)降雹，而隨著對流系統(tǒng)發(fā)展成為連續(xù)的帶狀對流云系，在其傳播方向前沿位置不斷有新的對流云團(tuán)產(chǎn)生、發(fā)展，從而持續(xù)造成冰雹天氣。因此，該類降雹天氣過程中的對流云系具有降雹持續(xù)時間長，災(zāi)害影響范圍廣，且伴隨明顯的強(qiáng)降水天氣等特點。水汽通道圖像中，可關(guān)注低渦東南象限內(nèi)的暗帶位置，當(dāng)暗帶頂端附近區(qū)域出現(xiàn)對流云團(tuán)，且位置處于高空急流軸區(qū)域時，需重點關(guān)注對流系統(tǒng)的快速演變和傳播，并在其下游地區(qū)進(jìn)行強(qiáng)對流天氣的預(yù)警和防護(hù)工作。

2.3 偏北氣流控制型

偏北氣流控制型降雹天氣過程中，在500 hPa上冷渦系統(tǒng)位置偏東，中心通常位于45°N以北、120°E以東的鄂霍次克海附近，在我國新疆東部至蒙古國東部地區(qū)存在一個大尺度高壓脊，高壓脊前部不斷有短波槽攜帶補(bǔ)充冷空氣沿脊前偏北氣流下滑影響下游地區(qū)，環(huán)境場條件如圖6所示，其形勢特征與史海平等［22］研究中介紹的西北氣流型以及鄭媛媛等［23］提出的冷渦槽后型對流天氣類似。華北地區(qū)位于冷渦系統(tǒng)主槽槽后、高壓脊前，受槽后冷氣團(tuán)或變性冷氣團(tuán)控制，高空為西北或偏北氣流，溫度較低，水汽條件較差，大尺度環(huán)境場呈較穩(wěn)定的層結(jié)結(jié)構(gòu)。

圖6 華北地區(qū)偏北氣流控制型降雹天氣環(huán)境場條件Fig.6 The conceptual pattern of hail convective storm within northerly flow in North China

對流條件分析表明：華北地區(qū)中高層受偏北冷平流控制，但低層850 h Pa以下受中小尺度范圍的暖空氣團(tuán)及日變化影響，午后局地?zé)崃l件有所改善，呈相對暖而干的狀態(tài)，實現(xiàn)了不穩(wěn)定能量的累積。另一方面，中層高壓脊前存在短波槽及補(bǔ)充冷空氣下滑，在提供了動力抬升條件的同時，加強(qiáng)了上冷下暖的不穩(wěn)定大氣層結(jié)，支持了降雹對流云團(tuán)的發(fā)展。但在水汽條件方面，由于缺乏大尺度的水汽輸送，導(dǎo)致對流區(qū)域內(nèi)整層濕度較低，不利于對流系統(tǒng)強(qiáng)度的長時間維持，對流生命史較短。總體上，在這種溫濕配置下，下墊面的不均勻加熱作用為對流觸發(fā)提供了低層熱力條件，而中層短波槽前的上升氣流、正渦度平流引起的次級環(huán)流等動力觸發(fā)條件也是形成中小尺度強(qiáng)對流云團(tuán)的關(guān)鍵因子。在短波槽過境地區(qū)及其下游區(qū)域中，對流有效位能相對較高、中尺度層結(jié)條件相對有利的地區(qū)是冰雹或?qū)α餍源箫L(fēng)等災(zāi)害天氣的易發(fā)區(qū)域。

以2011年6月24日降雹過程為例，由08：00的500 hPa位勢高度和09：00窗區(qū)紅外通道圖像（圖7a）可見，由于冷空氣主體已隨主鋒面南下，江南地區(qū)有大尺度的鋒面或切變云系，其東端與東側(cè)的冷渦云系相連，華北地區(qū)主要為晴空區(qū)。在內(nèi)蒙古中部地區(qū)有一橫槽系統(tǒng)嵌在高壓脊上，并沿脊前偏北氣流下滑。山西、河北等地位于短波槽下游，高空受西北氣流控制。15：00短波系統(tǒng)移動至河北、山西中部地區(qū)（圖7b），在橫槽附近區(qū)域出現(xiàn)分散（斑點狀）小型對流云團(tuán)（云團(tuán)A～D），云型呈準(zhǔn)圓或橢圓形，冰雹集中發(fā)生在對流云團(tuán)的新生發(fā)展階段（15：00—16：00）。至17：00對流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展增強(qiáng)，最低云頂亮溫達(dá)到－44℃，但未合并成為較強(qiáng)的中尺度對流系統(tǒng)，測站上也未出現(xiàn)冰雹記錄。該對流過程共造成山西、河北南部地區(qū)出現(xiàn)5站次冰雹和4站次雷暴大風(fēng)天氣，最大冰雹直徑為15 mm，但過程降水量較小，云團(tuán)整個生命史約6 h。

總體上，這類降雹云系在衛(wèi)星云圖上多顯示為孤立對流云團(tuán)的發(fā)展和消亡，對流云頂高度相對較低，生命史較短（3～8 h），系統(tǒng)所造成的過程降水量較小，但易產(chǎn)生突發(fā)性局地強(qiáng)風(fēng)雹類天氣。少數(shù)情況下，當(dāng)對流系統(tǒng)生成后可能移入局地有利的層結(jié)環(huán)境中，進(jìn)一步支持對流云團(tuán)不斷發(fā)展合并，形成快速移動的線狀對流云系，甚至颮線系統(tǒng)［7］，其致災(zāi)性更強(qiáng)。數(shù)值模式對此類型強(qiáng)對流系統(tǒng)預(yù)報能力較差，在實際業(yè)務(wù)中，關(guān)注短波槽附近和下游地區(qū)中尺度環(huán)境層結(jié)條件，在發(fā)現(xiàn)對流云團(tuán)生成后，利用連續(xù)時次的衛(wèi)星圖像進(jìn)行云團(tuán)追蹤外推是可行的臨近預(yù)警預(yù)報方法。

2.4 各降雹天氣型特征異同

就冰雹發(fā)生時段而言，冷渦云系尾部型和偏北氣流控制型對流天氣中，降雹主要出現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)展成熟前相對孤立的對流云團(tuán)中，當(dāng)對流云團(tuán)加強(qiáng)合并或進(jìn)入成熟階段后，降雹觀測記錄明顯減少或基本結(jié)束；而在低渦槽前型中，由于在對流云團(tuán)產(chǎn)生、發(fā)展直至帶狀對流云系維持的過程中，系統(tǒng)傳播前沿區(qū)域不斷有新生的對流云團(tuán)發(fā)展，從而持續(xù)產(chǎn)生降雹，因此其降雹的持續(xù)時間和影響范圍均大于其他兩類降雹過程。3種降雹天氣型的主要特點及其異同見表2。

圖7 2011年6月24日降雹過程衛(wèi)星圖像（a）08：00 500 hPa高度（等值線，單位：dagpm）和09：00窗區(qū)紅外通道圖像，（b）15：00窗區(qū)紅外通道圖像Fig.7 The case on 24 June 2011（a）500 hPa geopotential height（contour，unit：dagpm）at 0800 BT and infrared image at 0900 BT，（b）infrared image at 1500 BT

表2 華北地區(qū)3種降雹天氣型主要特征Table 2 Characteristics of three-pattern hail convective storms in North China

在各通道的衛(wèi)星圖像中，不同天氣型下的冰雹對流云系形態(tài)雖具備其各自的特征差異，但存在以下共同特征：90%以上冰雹發(fā)生于對流云團(tuán)的快速發(fā)展階段，表現(xiàn)為冰雹云云頂亮溫的迅速降低或云砧的快速發(fā)展。產(chǎn)生降雹的孤立對流云團(tuán)或?qū)α飨到y(tǒng)中的中小尺度對流云團(tuán)多呈現(xiàn)準(zhǔn)圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)，其長寬比小于2：1；對流系統(tǒng)進(jìn)入成熟階段后，其云型長寬比逐漸增大，降雹較少發(fā)生，這一特點在冷渦云系尾部型和偏北氣流控制型降雹云系中尤為明顯。冰雹集中出現(xiàn)位置多位于對流云團(tuán)的南側(cè)邊緣地區(qū)，136個站中出現(xiàn)117個站（占86%），在紅外通道圖像中對應(yīng)于云團(tuán)偏南側(cè)的云頂亮溫梯度大值區(qū)域，而非云頂亮溫的低值中心區(qū)域。關(guān)注水汽通道圖像中對流云團(tuán)與水汽暗帶和暗區(qū)相互位置，是輔助判斷對流云是否可能發(fā)展成為降雹云系的有效預(yù)警指標(biāo)。

3 冰雹云窗區(qū)紅外通道圖像特征量統(tǒng)計

3.1 冰雹云亮溫極值及亮溫梯度極值特征

窗區(qū)紅外通道的云頂亮溫（TBB）是指示對流發(fā)展強(qiáng)弱的重要參考指標(biāo)，TBB越低表征云頂高度越高，對流活動越強(qiáng)，云團(tuán)產(chǎn)生降雹的可能性越大。從136個站冰雹數(shù)據(jù)中選用冰雹發(fā)生前后時刻7×7格點范圍內(nèi)TBB極小值作為分析對象，分析冰雹發(fā)生時刻附近區(qū)域內(nèi)對流云頂亮溫情況。圖8a為不同天氣類型下的降雹云TBB極值分布箱須圖。由圖8a可見，3類降雹天氣型中，冰雹云紅外亮溫極值的中值均分布在－45℃左右，在136個站冰雹記錄中僅約26%的冰雹發(fā)生時TBB＜－50℃，而低于－60℃ 的冰雹個例約占8%。其中，偏北氣流控制型降雹云頂亮溫極值大小的分布情況明顯高于冷渦云系尾部型和低渦槽前型，TBB≥－50℃情況下出現(xiàn)冰雹的比例近80%。造成這一現(xiàn)象的原因與偏北氣流控制型降雹天氣發(fā)生時華北地區(qū)受冷空氣團(tuán)控制，大氣環(huán)境溫度相對較低有關(guān)。由于在云頂發(fā)展較低的對流云團(tuán)中可能出現(xiàn)冰雹天氣，這增加了偏北氣流控制型冰雹過程的實時監(jiān)測和預(yù)警難度。

定量分析表明，50%以上的冰雹在出現(xiàn)時云頂亮溫為－50～－35℃，因此在快速發(fā)展的對流系統(tǒng)中，較高的對流云頂（或低云頂亮溫）并不是冰雹出現(xiàn)的必要條件。

在冰雹云TBB梯度極值的計算中，對逐時次7×7格點數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，針對去除邊緣各點后的25個格點數(shù)據(jù)，逐一計算其與周圍8個格點的亮溫差值及格點距離，取得該格點上的最大亮溫梯度絕對值，之后取25個格點最大亮溫梯度值中的極大值作為定量分析對象，不同天氣類型下的降雹云TBB梯度極值分布如圖8b所示。3類降雹天氣型下的降雹云中，在冰雹發(fā)生時刻均具備TBB梯度極值較大的特點，其中值大于9℃／0.05°。其中，在冷渦云系尾部型降雹云中TBB梯度極值達(dá)到10℃／0.05°以上的站占70%以上，明顯高于另外兩種類型（分別占48.6%和54.7%）。

在對流云系中，這類TBB梯度極值大值區(qū)域多分布于對流云團(tuán)邊緣或?qū)α飨到y(tǒng)傳播的前沿區(qū)域，在可見光云圖中顯示云頂?shù)膭×移鸱?，表征對流發(fā)展活躍，對流云團(tuán)快速增長，與2.4節(jié)中冰雹集中發(fā)生區(qū)域的位置關(guān)系以及云圖特征相一致。相對而言，對流云邊緣地區(qū)是否具備大的TBB梯度值可做為輔助判斷冰雹天氣能否出現(xiàn)的重要參量。

圖8 不同天氣類型下的降雹云TBB極值（a），TBB梯度極值（b）（＋表示奇異點）Fig.8 Box-and-whiskers plots of the extremeTBB（a）and of the extreme gradientTBB（b）（＋denotes outlier）

3.2 亮溫極值與亮溫梯度極值分布

冰雹直徑的大小直接影響其造成災(zāi)害的強(qiáng)度，同時也間接反映降雹對流云的對流發(fā)展強(qiáng)弱程度。許晨海等［24］通過研究9次內(nèi)蒙古地區(qū)發(fā)生的冰雹云TBB變化特征指出，云頂溫度不小于－30℃且水平梯度不低于50℃／50 km，是產(chǎn)生重雹災(zāi)的特征。本研究中，將136個站冰雹記錄按冰雹直徑小于10 mm和不小于10 mm分為兩類，其冰雹發(fā)生時刻對應(yīng)的紅外通道冰雹云TBB極值與TBB梯度極值散點分布情況如圖9所示?？傮w上看，當(dāng)同時出現(xiàn)對流云頂亮溫較低且亮溫梯度較大的情況下，更利于出現(xiàn)直徑超過10 mm的較大冰雹。

圖9 冰雹云亮溫極值與亮溫梯度極值分布Fig.9 Scatters beween extremeTBBand extreme gradientTBBfor all hail convective storms in North China

4 小結(jié)與討論

本文通過對華北地區(qū)2010—2012年共27例大范圍典型冰雹天氣過程進(jìn)行分型，并針對冰雹云在衛(wèi)星云圖中的表現(xiàn)特征進(jìn)行定性和定量分析，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)大氣環(huán)流背景、主要影響系統(tǒng)以及冰雹云系云型特征等因素，華北地區(qū)降雹天氣可分為3種類型：冷渦云系尾部型、低渦槽前型和偏北氣流控制型。

2）3類天氣型下的冰雹云圖表現(xiàn)具備一定的共同特征：90%以上的冰雹發(fā)生于對流云團(tuán)的快速發(fā)展階段，冰雹集中出現(xiàn)在準(zhǔn)圓形或橢圓形中、小尺度對流云團(tuán)邊緣或帶狀對流云系的傳播前沿位置，對應(yīng)于衛(wèi)星紅外通道中云頂亮溫梯度大值區(qū)域。

3）定量分析表明：較高的對流云頂并非冰雹出現(xiàn)的必要條件，50%以上冰雹在其發(fā)生時刻的附近區(qū)域內(nèi)降雹云紅外亮溫為－50～－35℃。另一方面，80%冰雹出現(xiàn)時，在紅外圖像中具備較大的冰雹云TBB梯度（不小于8℃／0.05°）。降雹云同時具備低云頂亮溫和大亮溫梯度的情況下，更有利于出現(xiàn)直徑10 mm以上的大冰雹。

由定量分析結(jié)果可見，相對于紅外亮溫的低值區(qū)，在對流云團(tuán)中TBB梯度的大值區(qū)域與冰雹發(fā)生位置有較好的時空對應(yīng)關(guān)系。國內(nèi)外研究表明，云頂亮溫梯度大小與云內(nèi)上升氣流是否強(qiáng)盛關(guān)系密切，TBB梯度可間接反映云團(tuán)內(nèi)部對流的活躍程度。在產(chǎn)生降雹的對流云團(tuán)中，來自低層的暖濕上升氣流不僅給冰雹云輸送了充分的水汽，還支撐了冰雹粒子在云中停留和持續(xù)增長，因此云內(nèi)強(qiáng)烈的上升氣流（或者斜升氣流）是對流云團(tuán)發(fā)展增強(qiáng)的重要特征，也是支持冰雹形成和生長的必要條件［12］。在紅外云圖中，云內(nèi)上升氣流的發(fā)展和增強(qiáng)會在其附近區(qū)域造成TBB梯度快速增大、TBB迅速下降等現(xiàn)象，因此，具備這類特征的區(qū)域在一定程度上可指示冰雹的高發(fā)概率區(qū)域。另一方面，在多數(shù)的強(qiáng)雷暴結(jié)構(gòu)中，由于主要的強(qiáng)上升氣流區(qū)域位于風(fēng)暴移動或傳播的前側(cè)，因此在對流系統(tǒng)傳播的前沿位置快速發(fā)展的云團(tuán)中，其物理條件更有利于冰雹特別是大冰雹天氣產(chǎn)生，這一點與前文中的觀測相一致。

本研究基于30 min間隔的靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展，在下一步工作中，運(yùn)用高時空分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合物理量綜合參數(shù)診斷以及雷達(dá)、探空、閃電等多源觀測資料，將更有利于進(jìn)一步揭示致雹對流云的連續(xù)發(fā)展演變特征，加深對于強(qiáng)對流系統(tǒng)發(fā)展的認(rèn)識。

致 謝：特別感謝國家衛(wèi)星中心方宗義研究員對本文工作的悉心指導(dǎo)和建議。

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Classification and Satellite Nephogram Features of Hail Weather in North China

Lan Yu1）2）3）Zheng Yongguang3）Mao Dongyan3）Lin Yinjing3）Zhu Wenjian3）Fang Chong3）

1）（Chinese Academy of Meteorological Scienes，Beijing100081）
2）（University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049）
3）（National Meteorological Center，Beijing100081）

Based on conventional observations，automatic weather station data，geostationary satellite data and NCEP FNL data，meso-scale features of 27 hail processes occurred over Northern China during 2010－2012 are analyzed.According to synoptic circulation and cloud characteristics，these hail processes are divided into three types.

The first type of hail convective storm is often embedded in the westerly trough of cold vortex system.The place where the severe convective storms initiated is frequently on the rear of the cloud band corresponding to the synoptic system.The cold front provides a strong lifting for convective initiation，while the anticyclone dry air intrusion triggers the intensive development of the hail storm.Whenever the water vapor content is plenty，heavy rainfall can also occur.

The hail shooting zone of the second type convective storm is in the front of the cold vortex.The range of affected area is highly related to the southward movement of the cold vortex system.The front system often presents a forward-tilting structure，which is the main characteristic of this type of hail convective storm.The middle layer cold air mass become superimposed above 850 hPa warm ridge，which causes a wide range of potential instability，and also a continuous hail shooting weather，accompany with heavy rainfall in North China.The life span of the convective system is as long as 10 to 16 hours.The third type of hail convective storm generally occurs in a stable synoptic background，which is different from the other two.The hail storm initiates within the cold air mass，while the northerly air stream dominates the upper layer.Due to the poor moisture condition，the main disaster is hail and wind gale rather than shortduring heavy rainfall.The short-wave trough at 500 h Pa and the weak convective instability in the afternoon locally may be the cause for this kind of convective storm，and it is still difficult to forecast.

On satellite-based（infrared and water vapor）images，over 90%of hail events produce hail when the convective storm growing rapidly.The main hail shooting zone is near the edge of a storm propagation frontal side，corresponding to a large gradient ofTBBarea in infrared image.The convective storm with both the lowTBB（≤－40℃）and large gradient ofTBB（≥8℃／0.05°）features seems an important threshold for short-range forecasting a bigger hail stone.

hail；convective cloud；geostationary meteorological satellite；infrared image；water vapor image

藍(lán)渝，鄭永光，毛冬艷，等.華北區(qū)域冰雹天氣分型及云系特征.應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（5）：538-549.

2014-01-06收到，2014-05-20收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201206003，GYHY201206004），國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2013CB430106）

*email：lanyu＠cma.gov.cn