延安降雹天氣環(huán)流特征及產(chǎn)生條件分析

鄭小陽，雷崇典，楊金海，李冬娟，楊 麗

(陜西省延安市氣象局，陜西延安 716000)

產(chǎn)生降雹的強對流天氣是延安的主要災害性天氣之一，而比較準確的強對流天氣預報可以將災害減少到最低限度，在我國許多氣象工作者和科研人員在不同的角度做出了許多有益的工作，并取得了相當大的進展［1］。我國強對流天氣是指出現(xiàn)短歷時強降水、冰雹、雷雨大風、龍卷、雷電等現(xiàn)象的災害性天氣，其中冰雹天氣一般是指降落于地面的直徑≥5 mm的固體降水過程。幾乎所有的強風暴事件均與深厚濕對流有關，Doswell等研究表明要達到深厚濕對流必須具備水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)、抬升條件3個要素［2－3］。雖然許多預報員對當?shù)乇⒌膹妼α魈鞖忸A報模型和指標進行了有益的研究，但到目前為止尚沒有一套系統(tǒng)的、詳實的、完整的關于冰雹的強對流天氣預報分析方法。筆者在此結(jié)合國家氣象中心的中尺度天氣分析規(guī)范，通過延安13個測站2005～2011年間的117個冰雹個例分析了延安市降雹天氣氣候特征以及降雹天氣出現(xiàn)的環(huán)境場、物理量特征。

1 冰雹天氣的氣候概況

延安市降雹主要出現(xiàn)在4月下旬～10月上旬，歷史上有資料記載的最早降雹出現(xiàn)在3月15日(1963年宜川)，最晚降雹出現(xiàn)在11月21日(1977年洛川)。分析2005～2011年間降雹資料發(fā)現(xiàn)，延安市出現(xiàn)降雹年日數(shù)變化幅度較大，最多年份出現(xiàn)在2006年(32個雹日)，最少年份出現(xiàn)在2009年(9個雹日)。根據(jù)近20年降雹日數(shù)普查和近7年降雹日數(shù)統(tǒng)計分析，延安年平均降雹日數(shù)為17 d左右。延安市降雹有明顯的月變化特征，其變化與大氣環(huán)流的月變化及季風氣候特點相一致［4］，由表1可看出，6月是降雹最頻繁的時期，月平均降雹日為6 d左右，占全年總次數(shù)的34%;7、8月次之，月平均降雹日為3 d左右，10月最少，僅占全年總次數(shù)的4%。

2 降雹天氣環(huán)流分型

通過對2005～2011年的降雹資料及降雹日500 hPa環(huán)流形勢分析，將降雹的500 hPa環(huán)流形勢分為西北氣流型、低渦切變型、蒙古冷渦型和階梯槽型4種類型。

表1 2005～2011年延安市降雹日數(shù)月分布 d

2.1 西北氣流型 西北氣流型是指河套地區(qū)處于槽后脊前，延安及以西為一致性西風或西北氣流控制，溫度槽落后于高度槽，在河套西部有冷平流(圖1a)。此型在冰雹個例中共出現(xiàn)54個雹日，占總?cè)諗?shù)的50%，是產(chǎn)生冰雹的主要環(huán)流形勢。西北氣流型在各月出現(xiàn)頻率也不同，最多出現(xiàn)在6月，其次是5月，在10月出現(xiàn)頻次最少。

2.2 低渦切變型 低渦切變型是指在河套地區(qū)有切變線生成或有低渦發(fā)展(圖1b)。此型在冰雹個例中共出現(xiàn)38個雹日，占總?cè)諗?shù)的35%。低渦切變型在6月出現(xiàn)頻次最多，最少是5月。

2.3 蒙古冷渦型 蒙古冷渦型是指在河套地區(qū)北部蒙古一帶出現(xiàn)冷空氣堆或有閉合冷渦(圖1c)。此型在冰雹個例中共出現(xiàn)11個雹日，占總?cè)諗?shù)的10%。蒙古冷渦型在6月出現(xiàn)頻次最多，其次是7月。

2.4 階梯槽型 階梯槽型指歐亞為一槽兩脊型，河套地區(qū)處于歐亞大槽底部，且西側(cè)有短波槽配合冷空氣下滑(圖1d)。此型在冰雹個例中共出現(xiàn)6個雹日，占總?cè)諗?shù)的5%。階梯槽型最多出現(xiàn)在5月。

3 降雹天氣環(huán)境場及物理量特征

強對流中尺度系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展受環(huán)流形勢和天氣尺度系統(tǒng)所制約，與高、中、低層的流場、溫度場、濕度場等環(huán)境條件密切相關。由于對流活動大部分受低層大氣狀態(tài)即中小尺度系統(tǒng)活動，尤其是邊界層輻合以及能量場配置的影響，所以降雹天氣表現(xiàn)出明顯的物理量特征。通過對2005～2011年的降雹資料及降雹日500 hPa環(huán)流形勢分析，發(fā)現(xiàn)延安出現(xiàn)降雹天氣具有典型的環(huán)境場及物理量特征。

圖1 延安市降雹天氣分型

3.1 適中的水汽條件 上干下濕且濕層厚度超過100 hPa有利于強對流。從08:00高空環(huán)境場和延安測站探空資料可以看出，近地面層有偏南氣流進入河套，一般在邊界層附近有薄的相對濕度≥80%的濕層，中層700～400 hPa相對濕度為35% ～70%，對應850 hPa高度上有一自南向北的假相當位溫高能舌進入河套，延安上空T－Td為4～7℃。此時低空往往有一支≥4 m/s的偏南風和輻合區(qū)。當對流中下層濕層較厚時，且河套上游500 hPa有干冷平流，一般伴有強降水(圖2)。

圖2 延安探空站降雹無強降水日(a)和降雹并伴有強降水日(b)08:00探空資料

3.2 強的不穩(wěn)定層結(jié)或有潛在不穩(wěn)定存在 高層的冷空氣活動和低層的暖濕空氣構(gòu)成強的對流性不穩(wěn)定，是冰雹云形成的重要環(huán)境場條件之一。大氣層結(jié)的不穩(wěn)定常與高空的顯著降溫有關，資料統(tǒng)計表明，對流層中上層冷空氣的入侵容易出現(xiàn)降雹天氣，表現(xiàn)出－20℃層高度較前期非降雹日的高度低，延安出現(xiàn)降雹天氣其上空一般－20℃層高度在8 000～7 000 m，0℃層高度各月表現(xiàn)不一(表2)。在500 hPa銀川與延安的溫差為負，河套西北側(cè)一般表現(xiàn)有較強的冷平流，T銀川－延安≤－2℃。延安測站上空T500－850≤－25℃。通過資料分析，無論是不穩(wěn)定能區(qū)的面積還是沙氏指數(shù)SI的大小分布，降雹日與前期非降雹日有明顯的差別，未來都是在向不穩(wěn)定層結(jié)在轉(zhuǎn)化。一般延安測站上空存在一定的正不穩(wěn)定能區(qū)，沙氏指數(shù)SI為負值。

3.3 垂直風切變 分析08:00延安測站探空資料可見，0℃層高度一般在600 hPa附近，中低層有較強的垂直風切變存在，一般500 hPa以下風速較小(＜8 m/s)。當08:00 700 hPa和850 hPa有切變和輻合存在時，便構(gòu)成了較強的觸發(fā)機制。

4 大范圍區(qū)域性降雹和連續(xù)性降雹的環(huán)境場及物理量特征

4.1 大范圍區(qū)域性降雹 根據(jù)2005～2011年的降雹資料分析，產(chǎn)生區(qū)域性降雹多為西北氣流型和低渦切變型，分別占總降雹日數(shù)的54%和27%，其次為蒙古冷渦型，占15%，而階梯槽型僅占總降雹日數(shù)的4%。延安出現(xiàn)大范圍的區(qū)域性冰雹時一般具有以下特征:①在850 hPa層面上河套區(qū)存在一定面積濕層，水汽通量散度場對應有輻合區(qū)。②500 hPa層面上河套上游有較強干冷空氣侵入河套，一般延安測站處于假相當位溫鋒區(qū)附近，850 hPa層面上河套區(qū)有高能舌配置，延安測站假相當位溫6～9月為50～70℃、5和10月為40～55℃。③500 hPa層面上銀川和延安500 hPa的溫度差T銀川－延安≤－2 ℃。延安測站上空 T500－850≤ －25 ℃，即中層有一定強度的冷平流。

表2 延安氣象觀測站歷史雹日0℃層高度 km

4.2 連續(xù)性降雹 根據(jù)2005～2011年的降雹資料分析，產(chǎn)生連續(xù)性降雹的日數(shù)中有23 d屬于西北氣流型，占總降雹日數(shù)的62%，低渦切變型有8 d，占總降雹日數(shù)的22%，蒙古冷渦型和階梯槽型均占總降雹日數(shù)的8%。從2005～2011年間連續(xù)性降雹過程中的08:00延安探空資料分析出以下特征:①垂直風切變均較低，大多數(shù)在850～700 hPa。②中層500～400 hPa有較明顯的干冷空氣。③低層有逆溫層出現(xiàn)，基本在近地面到850 hPa之間;有時地面伴有鋒面，探空圖上有鋒面逆溫。④0℃層高度在600 hPa及其附近，－20℃高度在6 km附近。⑤一般低層相對濕度＞80%的濕層淺薄，若濕層較深厚，則在降雹時伴有不同程度的降水。⑥不穩(wěn)定層較深厚，一般在850～500 hPa。⑦當?shù)蛯佑心鏈貙哟嬖跁r，SI指數(shù)的參考意義不大，K指數(shù)＞30℃，當K指數(shù)在30℃以上時，降雹的同時伴有強降水產(chǎn)生。⑧在連續(xù)性降雹中垂直風若低層(850～700 hPa)和中層(700～500 hPa)均有風切變存在，則可能出現(xiàn)區(qū)域性冰雹。

5 小結(jié)

(1)延安年平均降雹日數(shù)為17 d左右。延安市降雹有明顯的月變化特征，6月是降雹最頻繁的時期，月平均降雹日為6 d左右，占全年總次數(shù)的34%;7、8月次之，月平均降雹日為3 d左右;10月最少，僅占全年總次數(shù)的4%。

(2)延安降雹日的500 hPa環(huán)流形勢可以分為西北氣流型、低渦切變型、蒙古冷渦型和階梯槽型4種類型。

(3)由08:00高空環(huán)境場和延安測站探空資料得出，近地面層有偏南氣流進入河套，一般在邊界層附近有薄的相對濕度≥80%的濕層，對應850 hPa上有一自南向北的假相當位溫高能舌進入河套。當對流中下層濕層較厚時，且河套上游500 hPa有干冷平流，一般伴有強降水。

(4)對流層中上層冷空氣的入侵容易出現(xiàn)降雹天氣，延安出現(xiàn)降雹天氣其上空一般－20℃層高度在8 000～7 000 m，0℃層高度各月表現(xiàn)不一。在500 hPa銀川與延安的溫差為負，河套西北側(cè)一般表現(xiàn)有較強的冷平流。

(5)中低層有較強的垂直風切變存在，一般500 hPa以下風速較小(＜8 m/s)。當08:00 700 hPa和850 hPa有切變和輻合存在時，便構(gòu)成了較強的觸發(fā)機制。

［1］熊秋芬，章麗娜，王秀明.強天氣預報員培訓手冊［M］.北京:中國氣象局培訓中心，2012:3 －60.

［2］DOSWELL C A Ⅲ，BROOKS H E，MADDOX R A.Flash flood forcasting:An ingredients－ based methodology［J］.Weather and Forcasting，1996，11:560－581.

［3］DOSWELL C A Ⅲ.The distinction between large－scale and mesoscale contribution to severe convection:A case study example［J］.Wea Forecasting，1987，2:4 －16.

［4］雷崇典，張愛麗，吳春青，等.延安市降雹氣候特征及雹云回波移動路徑的考證［J］.陜西氣象，2013(1):11－14.