一次大冰雹天氣過程的物理量垂直結(jié)構(gòu)分析

段 榮，李 雪， 趙玉金， 袁洪釗， 范元品， 王戀平

(1.貴州省黔西南州氣象局，貴州興義 562400；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州貴陽 550002)

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一次大冰雹天氣過程的物理量垂直結(jié)構(gòu)分析

段 榮1,2，李 雪1， 趙玉金1， 袁洪釗1， 范元品1， 王戀平1

(1.貴州省黔西南州氣象局，貴州興義 562400；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州貴陽 550002)

利用FNL(NCEP/NCAR)1°×1°經(jīng)緯度網(wǎng)格再分析資料，通過4個時次跟蹤分析了2013 年4 月27日發(fā)生在貴州省西南部的一次大冰雹天氣過程，揭示了冰雹形成、發(fā)展、成熟、消散和大氣物理量垂直結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，冰雹形成前3～8 h,高、低空存在較強的風向、風速垂直切變，構(gòu)成了疊加在基本氣流上的次級環(huán)流，為不穩(wěn)定能量的暴發(fā)提供了很強的外部抬升力；大氣中低層出現(xiàn)較強的水汽短時強輻合區(qū)，水汽通量輻合中心位于700 hPa附近，水汽通量值達-2.5×10-6g/(cm2·hPa·s)；假相當位溫及溫度垂直剖面圖上隨高度增加均存在遞減鋒區(qū)，說明大氣層斜壓不穩(wěn)定增強,為冰雹發(fā)生區(qū)提供大量不穩(wěn)定能量；- 20 ℃層高度與0 ℃層間厚度適宜，有利于生成大雹；大氣中高層先結(jié)束水汽輻合輸送轉(zhuǎn)為水汽輻散，冰雹天氣過程結(jié)束。

冰雹；物理量；垂直結(jié)構(gòu)

冰雹天氣發(fā)生突然、天氣劇烈、破壞力極大，常伴有雷雨大風以及局部強降雨等強烈對流性災(zāi)害天氣[1]。由于破壞性很強，常給人們的生命財產(chǎn)安全帶來嚴重威脅。關(guān)于冰雹天氣的研究，氣象學者分別從天氣形勢、物理量場和雷達回波特征等方面進行了分析，并已取得了一些成果[2-6]。研究表明，影響冰雹天氣的發(fā)生最重要的是中層干空氣和強垂直風切變[2]；最有利于冰雹天氣產(chǎn)生的探空結(jié)構(gòu)為低層暖濕，中高層有干冷空氣，不穩(wěn)定度較大，風垂直切變較大[3]；在冰雹天氣發(fā)生前，對流層低層一般為上升運動，來自大氣中、上層的干冷空氣及其伴隨的下沉氣流有利于不穩(wěn)定層結(jié)的增強[4]。這些研究對冰雹的天氣形勢及物理量特征有了一定的認識，指出了有利于冰雹天氣產(chǎn)生的條件。2013年4月27日貴州西南部出現(xiàn)一次冰雹天氣過程(圖1)，造成興義市3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積為1 354.0 hm2,損壞房屋約760間,經(jīng)濟損失約193萬；安龍縣3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積為2 721.4 hm2,損壞房屋2 910間，直接經(jīng)濟損失約30萬元；興仁縣7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受冰雹襲擊，農(nóng)作物受災(zāi)面積為3 125.9 hm2，因災(zāi)死亡大牲畜15頭，房屋損壞10 728間，直接經(jīng)濟損失1 318.14萬元；晴隆縣4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)作物受災(zāi)面積為421.7 hm2，因災(zāi)死亡家禽350只；受災(zāi)房屋達242棟。由于冰雹的發(fā)生發(fā)展均十分迅速，局地性強，對其預(yù)報預(yù)警一直是氣象服務(wù)中熱點難點。國內(nèi)外學者對冰雹均作過系統(tǒng)的研究[7-10]，但還缺乏對冰雹整個過程進行動態(tài)、連續(xù)、加密地跟蹤分析其物理量空間垂直結(jié)構(gòu)變化特征。筆者利用FNL再分析資料以及GrADS數(shù)據(jù)處理和顯示軟件系統(tǒng)通過4個時次(27日08：00、14：00、20：00、28日02：00)完整、連續(xù)、加密跟蹤分析了這次冰雹天氣過程的物理量場空間垂直結(jié)構(gòu)演變特征，以便提高對此類天氣系統(tǒng)的認識，為預(yù)報該類天氣提供參考。

1 過程分析

4月27日08：00 500 hPa中高緯度基本上為徑向環(huán)流、兩槽一脊的形勢，巴爾克斯湖到貝加爾湖之間為脊控制，在貝加爾湖以西的脊前偏北氣流，引導干冷空氣沿青藏高原東側(cè)南下影響貴州西部，貴州中部有一東北-西南向的切變線，南壓影響貴州西南部，20：00移出貴州。27日08：00 700 hPa溫度槽明顯落后于高度槽，斜壓性較大，位于貴州西北部一低渦發(fā)展加深，從溫度場上看在貴州西部有一個明顯的溫度脊控制，貴州西部處于低渦右前方西南急流中，說明貴州西部中低層為暖濕氣流控制，形成大氣不穩(wěn)定層結(jié)；850 hPa位于四川南部的低渦移至云南東部至貴州西部，發(fā)展加深配合貴州中部的地面輻合線，造成了這次冰雹天氣整個降雹過程，14:00貴州西南部就開始出現(xiàn)雷雨天氣，雷達回波圖上17:00～20:00處于貴州西南部的普安、晴隆北部邊緣有對流單體生成，回波強度超過50 dBz，回波帶狀分布，沿高空引導氣流移動，強回波區(qū)域為冰雹產(chǎn)生區(qū)域，相應(yīng)這個時段在衛(wèi)星紅外云圖上，貴州西南出現(xiàn)明顯的中尺度云團，云頂亮溫達-45～-60 ℃(圖2)，冰雹就出現(xiàn)在17:00～21:00這個時段。

2 物理量場垂直結(jié)構(gòu)特征分析

2.1 渦度垂直結(jié)構(gòu)特征分析渦度垂直剖面圖發(fā)現(xiàn)， 27日08:00冰雹發(fā)生區(qū)，900～1 000 hPa處于弱輻散下沉運動負渦度區(qū)，900～850 hPa有弱輻合上升正渦不穩(wěn)定區(qū)，850～600 hPa為高層輻散下沉運動負渦度區(qū)，說明在大氣中低層有一弱的不穩(wěn)定層生成(圖3a)；27日14:00,冰雹區(qū)900～700 hPa為正渦不穩(wěn)定區(qū)輻合上升區(qū)，還形成一個正渦大值中心6×10-5s-1，說明不穩(wěn)定輻合層開始增強增厚(圖3b)；27日20:00，冰雹區(qū)900～700 hPa為正渦不穩(wěn)定區(qū)輻合上升區(qū)，700～500 hPa處于輻散下沉運動負渦度區(qū)，上升區(qū)、下沉區(qū)強度、面積基本對稱，導致強烈的上升運動，地面在貴州西南部出現(xiàn)了雷雨冰雹天氣(圖3c)；28日02:00，冰雹區(qū)1 000～400 hPa為正渦不穩(wěn)定區(qū)輻合上升區(qū)，在有利于降雹的中高層已無明顯的抽吸效應(yīng)，即不會造成強烈的上升運動，冰雹雷雨天氣結(jié)束(圖3d)。

2.2 垂直風場、垂直速度結(jié)構(gòu)特征分析垂直風場、垂直速度剖面圖發(fā)現(xiàn)，垂直上升速度大值中心與風速大值中心基本重合。27日08:00冰雹發(fā)生區(qū)，1 000～800 hPa大氣處于上升運動不穩(wěn)定區(qū)，800～600 hPa為下沉運動區(qū)，上升垂直速度最大值中心及風速大值中心位于850 hPa附近中心，垂直速度最大值達-2.5×10-3hPa/s，風速最大值達12 m/s，高層輻散、中低層輻合，弱的抽吸效應(yīng)開始形成(圖4a)；27日14:00,冰雹區(qū)1 000～600 hPa大氣處于上升運動不穩(wěn)定區(qū)，上升垂直速度最大值中心及風速大值中心位于700 hPa附近，中心最大值達-3.0×10-3hPa/s，風速最大值達36 m/s，說明上升運動不穩(wěn)定層開始增強增厚，上升垂直速度及風速開始增大，600～200 hPa為下沉運動區(qū)，中低層輻合、高層輻散，一個強盛的抽吸效應(yīng)開始形成(圖4b)； 27日20:00,冰雹區(qū)1 000～450 hPa大氣處于上升運動不穩(wěn)定區(qū)，上升垂直速度最大值中心及風速大值中心上升至650 hPa附近，中心最大值達-5.0×10-3hPa/s，風速最大值達68 m/s，400～200 hPa下沉運動區(qū)，不穩(wěn)定層繼續(xù)增強增厚，低層輻合、高層輻散，一個強盛的抽吸效應(yīng)開始形成，另外冰雹發(fā)生區(qū)相鄰的左右側(cè)有一個強強盛的下沉氣流，構(gòu)成了疊加在基本氣流上的次級環(huán)流，高、低空強的風速垂直切變和強烈上升運動有利于不穩(wěn)定度傾向加大，導致冰雹發(fā)生區(qū)產(chǎn)生強烈的上升運動(圖4c)；28日02:00，上升垂直速度及風速已減小，且大值中心及大風中心下降至800 hPa附近，垂直上升速度最大值減小至-2.5×10-3hPa/s，最大風速值已減小至10 m/s，說明大氣趨于穩(wěn)定，冰雹雷雨天氣結(jié)束(圖4d)。

2.3 水汽通量散度垂直結(jié)構(gòu)特征27日08:00冰雹發(fā)生區(qū)，1 000～850 hPa為弱的水汽通量輻合，850～600 hPa還是水汽輻散區(qū)(圖5a)；27日08：00～14:00僅相差6 h冰雹發(fā)生區(qū)，900～600 hPa就出現(xiàn)了較強的水汽強輻合區(qū) ，為降冰雹提供了充足的水汽，水汽通量輻合中心位于700 hPa附近，水汽通量值達-2.5×10-6g/(cm2·hPa·s)(圖5b)；27日20:00冰雹發(fā)生區(qū)1 000～700 hPa還維持較強的水汽強輻合區(qū)，但較14:00開始減弱，水汽通量輻合中心水汽通量值達-1.5×10-6g/(cm2·hPa·s)，且水汽通量輻合中心下降至900 hPa附近,說明大氣中高層水汽輻合輸送減小(圖5c)；28日02:00冰雹發(fā)生區(qū)，1 000～850 hPa還維持較弱的水汽通量輻合，水汽通量輻合中心水汽通量值減小至-0.5×10-6g/(cm2·hPa·s)，850～700 hPa轉(zhuǎn)為水汽輻散，說明大氣中高層先結(jié)束水汽輻合輸送，冰雹結(jié)束(圖5d)。

2.4 假相當位溫垂直結(jié)構(gòu)特征分析黔西南州27日08:00～28日02：00θse垂直結(jié)構(gòu)變化特征發(fā)現(xiàn)，27日08:00冰雹發(fā)生區(qū)，1 000～700 hPa假相當位溫隨高度的變化遞增，說明700 hPa以下大氣層是穩(wěn)定的(圖6a)；27日14:00冰雹發(fā)生區(qū)，1 000～500 hPa隨高度的增加很快遞減，且在1 000～900 hPa、700～500 hPa分別存在一個遞減鋒區(qū)，說明500 hPa大氣層極不穩(wěn)定(圖6b)；27日20:00冰雹發(fā)生區(qū)，1 000～500 hPa隨高度的變化仍然維持遞減，但遞減鋒區(qū)減弱，說明500 hPa大氣層由極不穩(wěn)定開始轉(zhuǎn)向穩(wěn)定(圖6c)；28日02:00冰雹發(fā)生區(qū)上空(1 000～500 hPa)，隨高度增加已無明顯的遞減鋒區(qū)結(jié)構(gòu)，說明500 hPa大氣層趨于穩(wěn)定(圖6d)。

2.5 濕場垂直結(jié)構(gòu)特征4個時次(27日08:00、14:00、20:00、28日02:00)相對濕度場垂直結(jié)構(gòu)特征(圖7)分析表明，無明顯的深厚濕層，27日20:00和28日02:00只是近地層800 hPa以下有大于>90%的濕層，冰雹天氣是發(fā)生前后8 h均無明顯的深厚濕層背景，800～500 hPa相對濕度維持在40%～70%，說明春季出現(xiàn)冰雹天氣不需要明顯的深厚濕層背景。有冰雹天氣時，水汽會出現(xiàn)短時強輻合，在冰雹出現(xiàn)區(qū)域上空維持短時深厚濕層。

2.6 0 ℃層和-20 ℃層高度溫度場垂直結(jié)構(gòu)特征一般來說,0 ℃等溫線至- 20 ℃等溫線之間的區(qū)域主要由過冷水滴、雪花及冰晶組成,這個區(qū)域是冰雹生成的“雹源區(qū)”[11]。經(jīng)分析,27 日 0 ℃層高度均維持在600 hPa (4 000 m) 左右,這樣的高度使得對流云可向更高處發(fā)展,使低層的水汽通過強烈的上升運動能夠達到該高度,為雷雨、大風、冰雹以及局部強降雨提供了豐富的水汽條件,且當雹粒增長到足夠大而下落時,不至于因暖層過厚而被融化。27 日- 20 ℃層高度均維持在400 hPa (8 000 m)左右,與0 ℃層間厚度適宜,因高空冷空氣進入中層,加劇了層結(jié)的對流不穩(wěn)定性,同時,使得雹胚在過冷水含量豐富的環(huán)境中相互碰撞的機會較多,雹粒增長快,有利于生成大雹[12]。27日08:00冰雹發(fā)生區(qū)，1 000～850 hPa存在溫度隨高度遞減的弱鋒區(qū)，說明850 hPa以下大氣層存在一弱的斜壓不穩(wěn)定(圖8a)；27日14:00冰雹發(fā)生區(qū)，1 000～700 hPa溫度隨高度遞減弱鋒區(qū)增強，說明700 hPa以下大氣層斜壓不穩(wěn)定增強，大氣中低層極不穩(wěn)定(圖8b)；27日20:00，1 000～700 hPa仍然存在溫度隨高度增加出現(xiàn)遞減鋒區(qū)，但鋒區(qū)開始減弱，說明500 hPa大氣層由極不穩(wěn)定開始轉(zhuǎn)向穩(wěn)定(圖8c)；28日02:00溫度隨高度已沒有明顯遞減鋒區(qū)結(jié)構(gòu)，說明500 hPa大氣層趨于穩(wěn)定(圖8d)。

3 小結(jié)

(1)冰雹形成前3～8 h，高、低空存在較強的風向、風速垂直切變，構(gòu)成了疊加在基本氣流上的次級環(huán)流，為不穩(wěn)定能量的暴發(fā)提供了很強的外部抬升力。

(2)冰雹天氣發(fā)生前3 h,900～600 hPa就出現(xiàn)較強的水汽強輻合區(qū)，為降冰雹提供了充足的水汽，水汽通量輻合中心位于700 hPa附近，水汽通量值達-2.5×10-6g/(cm2·hPa·s)；假相當位溫垂直剖面圖上1 000～900、700～500 hPa隨高度增加分別存在一個遞減鋒區(qū)，溫度垂直剖面圖上1 000～700 hPa隨高度增加同樣存在一個遞減強鋒區(qū)，說明700 hPa以下大氣層斜壓不穩(wěn)定增強。

(3)-20 ℃層高度在400 hPa 左右,與0 ℃層間厚度適宜,因高空冷空氣進入中層,加劇了層結(jié)的對流不穩(wěn)定性,同時,使得雹胚在過冷水含量豐富的環(huán)境中相互碰撞的機會較多,雹粒增長快,有利于生成大雹。

(4)冰雹天氣是發(fā)生前后8 h均無明顯的深厚濕層背景，800～500 hPa相對濕度維持在40%～70%，說明春季出現(xiàn)冰雹天氣不需要明顯的深厚的濕層背景。有冰雹天氣時，水汽會出現(xiàn)短時強輻合，在冰雹出現(xiàn)區(qū)域上空維持短時深厚濕層。

(5)地面輻合線的影響,為不穩(wěn)定能量的暴發(fā)提供了很強的外部抬升力；冰雹落區(qū)就出現(xiàn)在水汽短時強輻合區(qū)，大氣中高層先結(jié)束水汽輻合輸送轉(zhuǎn)為水汽輻散，冰雹結(jié)束。

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Physical Vertical Structure Analysis of a Large-hail Process

DUAN Rong1,2,LI Xue1,ZHAO Yu-jin1et al

(1.The Meteorological Bureau of Southwestern Guizhou,Xingyi,Guizhou 562400; 2.Key Laboratory of Mountainous Region Climate and Resources of Guizhou Province,Guiyang,Guizhou 550002)

Using FNL (NCEP / NCAR) 1 ° × 1 °reanalyzed data,through four time tracking analysis of a large-hail process occurred in the southwester Guizhou Province on April 27,2013,the hail formation,development,maturity,dissipation,atmosphere physical vertical structure were revealed.The results showed that:there is a strong vertical wind shear in the high and low altitude before the formation of hail 3-6 hours,constitute the secondary circulation superimposed on the basic flow,to provide a strong external uplift force to the outbreak of instability energy; atmospheric low-middle rise appeared a short-term strong water-vapor convergence zone,the maximum of convergence of moisture flux near 700 hPa,moisture flux value is -2.5 × 10-6g/(cm2·hPa·s); there are diminishing frontal zone with height in the profile of the potential pseudo-equivalent temperature and the temperature,it showed that the atmosphere baroclinic instability enhanced to provide a lot of energy in the hail occurred unstable areas; the thickness between -20 ℃ and 0 ℃ layer height was appropriate and conducive to generate large-hail; end of the first moisture convergence transport to atmospheric moisture divergence in the middle-high level,the hail process is over.

Hail; Quantities; Vertical structure

段榮(1962- )，女，貴州晴隆人，高級工程師，從事短期預(yù)報工作。

2014-11-24

S 427

A

0517-6611(2015)02-215-06