2014年陽泉市局地風(fēng)雹災(zāi)害的天氣預(yù)報(bào)分析

李潤春　高源　董文曉　艾靜　梁瀟　尉錦昌

摘 要：分析了2014年陽泉市6次（9 d）局地風(fēng)雹災(zāi)害天氣過程，研究了災(zāi)情發(fā)生當(dāng)天的實(shí)況觀測(cè)結(jié)果、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、多普勒雷達(dá)觀測(cè)和雷達(dá)拼圖產(chǎn)品等常用氣象業(yè)務(wù)資料，并總結(jié)了陽泉市該類天氣發(fā)生的天氣學(xué)特征和雷達(dá)觀測(cè)特征。結(jié)果顯示：①陽泉市風(fēng)雹災(zāi)害天氣的環(huán)流形式主要有蒙古冷渦型、脊前橫槽型、西風(fēng)帶冷槽型三類；②有高層干冷、低層暖濕的層結(jié)條件；③08：00 500 hPa天氣圖上有明顯的冷空氣影響陽泉，東勝、呼和浩特、張家口的溫度低于-10 ℃，太原、邢臺(tái)的溫度低于-8 ℃；④低層相對(duì)濕度大于或等于60%；⑤雷達(dá)觀測(cè)45 dBz強(qiáng)回波發(fā)展到-20 ℃層高度（7～8 km）以上；⑥SWAN資料垂直液態(tài)水含量VIL≥15 g/m3。這些可作為經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)雹天氣；局地災(zāi)害；單體風(fēng)暴；災(zāi)情報(bào)告

中圖分類號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.030

山西省陽泉市地處山西省中東部的太行山山區(qū)，年平均降雹日數(shù)為1～3 d，在我國屬于風(fēng)雹偏多地區(qū)。當(dāng)風(fēng)雹災(zāi)害發(fā)生時(shí)，多伴有大風(fēng)災(zāi)害，偶爾伴有強(qiáng)降水天氣，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)、林業(yè)遭受巨大的損失，甚至人畜傷亡。近年來，與風(fēng)雹相關(guān)的研究方向主要有風(fēng)雹的氣候特征、天氣學(xué)分析、數(shù)值模式產(chǎn)品的應(yīng)用、多普勒雷達(dá)資料的應(yīng)用、人工防雹等。風(fēng)雹災(zāi)害具有局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，這增加了天氣預(yù)報(bào)的難度。而多方位的研究，特別是多普勒天氣雷達(dá)在我國的布設(shè)和應(yīng)用大大增強(qiáng)了人們對(duì)風(fēng)雹天氣的綜合認(rèn)識(shí)。風(fēng)雹災(zāi)害與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展有關(guān)，一般由超級(jí)單體風(fēng)暴和較強(qiáng)的多單體風(fēng)暴產(chǎn)生，風(fēng)暴中強(qiáng)烈的上升氣流是其形成的必要條件，較大的對(duì)流有效位能（CAPE）、垂直風(fēng)切變和強(qiáng)對(duì)流上升至0 ℃層，特別是-20 ℃層的等溫線以上是形成風(fēng)雹災(zāi)害的基本環(huán)境。本文利用常用氣象資料對(duì)陽泉市的風(fēng)雹天氣進(jìn)行了預(yù)報(bào)總結(jié)，這對(duì)提高當(dāng)?shù)仫L(fēng)雹災(zāi)害預(yù)報(bào)水平和防御、減輕災(zāi)害有重要意義。

1 研究資料和2014年發(fā)生的風(fēng)雹災(zāi)害

本文采用了常用氣象業(yè)務(wù)資料，主要包括高空和地面觀測(cè)資料、歐洲中心數(shù)值預(yù)報(bào)模式資料、山西省WRF中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式資料、太原多普勒雷達(dá)資料、山西雷達(dá)拼圖產(chǎn)品、強(qiáng)天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)的SWAN資料等。

2014年，陽泉市多次出現(xiàn)局地風(fēng)雹災(zāi)害，發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)為2014-06-16—17日陽泉市郊區(qū)、2014-08-17盂縣（根據(jù)自動(dòng)站雨量、雷達(dá)資料分析訂正為2014-08-16）、2014-08-21平定縣、2014-08-23陽泉市郊區(qū)和平定縣、2014-08-27—2014-08-28盂縣和平定縣、2014-09-01—2014-09-02陽泉市郊區(qū)。此次災(zāi)害主要出現(xiàn)在午后到夜間。風(fēng)雹災(zāi)害對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的破壞，如表1所示。國家級(jí)氣象站記錄的風(fēng)雹災(zāi)害日包括2014-06-16陽泉市、2014-06-17盂縣、2014-07-03盂縣、2014-07-17平定縣、2014-08-23平定縣。其中，2014-07氣象站記錄的風(fēng)雹災(zāi)害日未形成災(zāi)害。因此，氣象站的記錄并不能完全反映境內(nèi)風(fēng)雹災(zāi)害的程度。而依據(jù)災(zāi)情資料研究風(fēng)雹天氣更具有合理性，這樣只存在民政部門災(zāi)情報(bào)告時(shí)間不準(zhǔn)確的問題。

2 2014年陽泉市風(fēng)雹天氣的天氣學(xué)特征

2.1 500 hPa天氣系統(tǒng)

2014年，陽泉市風(fēng)雹天氣可分為3類：①蒙古冷渦型。主要集中在2014-06出現(xiàn)。②脊前橫槽型。該類型的天氣環(huán)流經(jīng)向度大，東北部存在低渦活動(dòng)，渦后脊前有橫槽滑下，是2014年出現(xiàn)最多的風(fēng)雹天氣。③西風(fēng)帶冷槽型。該類型的天氣有較強(qiáng)的冷平流，呈階梯槽或低渦切斷。上述3類天氣具體如圖1所示。

2.2 700 hPa影響系統(tǒng)

如圖2所示，700 hPa影響系統(tǒng)共分為3類：①西北氣流中有風(fēng)向擾動(dòng)（蒙古冷渦型對(duì)應(yīng)的低空系統(tǒng)）；②切變線或西風(fēng)槽輻合（脊前橫槽型、西風(fēng)帶冷槽型對(duì)應(yīng)的低空系統(tǒng)），抬升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)；③槽前暖區(qū)型（西風(fēng)帶冷槽型、脊前橫槽型對(duì)應(yīng)的低空系統(tǒng)）。700 hPa低空有較強(qiáng)的西南風(fēng)大值區(qū)，低層暖平流、高層冷平流提升了天氣的不穩(wěn)定性，類似于西南風(fēng)低空急流對(duì)暴雨的作用，低層一致的西南風(fēng)有時(shí)也具有引發(fā)風(fēng)雹天氣的作用。

2.3 低層至地面的擾動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)700 hPa系統(tǒng)不明顯時(shí)，仍可在850 hPa至地面分析出風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)。比如，2014-08-21T17：00的數(shù)值預(yù)報(bào)資料顯示，850 hPa、10 m風(fēng)場(chǎng)下平定縣附近有東西向的風(fēng)向切變。而平定縣氣象站的實(shí)測(cè)資料顯示，2014-08-21T17：00的地面風(fēng)偏南，2014-08-21T18：00轉(zhuǎn)為北風(fēng)。圖3為地面自動(dòng)站記錄的2014-08-21T17：00—18：00的地面極大風(fēng)速，陽泉市北部存在風(fēng)向切變。

2.4 地面形勢(shì)

大部分個(gè)例08：00海平面氣壓場(chǎng)有致使冷空氣活動(dòng)的冷高壓影響陽泉市的天氣。2014-09-01—02個(gè)例陽泉市處于暖低壓后部，未來轉(zhuǎn)受西北部移來的冷高壓影響。

2.5 熱力和水汽條件

9個(gè)個(gè)例天氣圖上，高空500 hPa有明顯的冷空氣活動(dòng)影響陽泉。08：00東勝、呼和浩特、張家口（站號(hào)分別為53543、53463、54401）的溫度低于-10 ℃，太原、邢臺(tái)（站號(hào)分別為53772、53798）的溫度低于-8 ℃；低層850 hPa相對(duì)濕度較大，均大于或等于60%.分析08：00的T-lnp圖后發(fā)現(xiàn)，太原、邢臺(tái)的上干、下濕層個(gè)例分別占其總數(shù)的6/9和7/8.850 hPa處與500 hPa處溫差T850-T500≥25 ℃的個(gè)例分別占7/9、6/8.這種高層干冷、低層相對(duì)暖濕，且高低層溫差大的分布有利于對(duì)流的不穩(wěn)定。對(duì)流的不穩(wěn)定程度可用T-lnp資料計(jì)算得出的對(duì)流穩(wěn)定度指數(shù)IC 分析，IC=θse500-θse850.當(dāng)IC<0時(shí)，為對(duì)流性不穩(wěn)定。8個(gè)個(gè)例太原對(duì)應(yīng)的IC范圍為-12.2～-5.9 ℃，邢臺(tái)的IC范圍為-12.1～-0.5 ℃；08：00太原或邢臺(tái)的IC>0可作為陽泉當(dāng)日風(fēng)雹災(zāi)害的消空條件。

9個(gè)個(gè)例數(shù)值模式在風(fēng)雹災(zāi)害日14：00沿太行山東部的對(duì)流有效位能（CAPE）值較大，如圖4所示。對(duì)流有效位能易在陽泉市形成這樣的分布，說明陽泉市局地風(fēng)雹災(zāi)害是在一定的環(huán)流形勢(shì)下產(chǎn)生的，與地形有一定的關(guān)系（太行山以東的海拔高度低，夏季低層盛行偏東南氣流，利于低層暖濕能量的積聚）。

2.6 垂直剖面分析

利用山西省WRF數(shù)值預(yù)報(bào)資料中的垂直剖面產(chǎn)品，分析了風(fēng)雹災(zāi)害前一天20：00起報(bào)的陽泉未來12～36 h風(fēng)速、垂直速度、相對(duì)濕度等要素的垂直分布，分析結(jié)果如下：①9個(gè)個(gè)例中有6個(gè)個(gè)例伴有高空槽過境；②7個(gè)個(gè)例有明顯的水平風(fēng)輻合；③陽泉近地面層至高空存在垂直上升運(yùn)動(dòng)的個(gè)例有5個(gè)，災(zāi)害范圍較大的風(fēng)雹災(zāi)害日均有明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)，如圖5所示；④9個(gè)個(gè)例垂直方向上均存在相對(duì)濕度大于等于60%的區(qū)域；⑤垂直風(fēng)切變是生產(chǎn)強(qiáng)雷暴天氣的條件，且隨著高度的增加，7個(gè)個(gè)例的低層為偏南風(fēng)，高層為偏北風(fēng)或偏西風(fēng)。

2.7 T-lnp圖中0 ℃層和-20 ℃層分析

2014年陽泉市風(fēng)雹災(zāi)害日08：00太原T-lnp圖上0 ℃層和-20 ℃層的高度統(tǒng)計(jì)如表2所示。風(fēng)雹災(zāi)害日0 ℃層的高度范圍為601～663 hPa，約4 km；-20 ℃層的高度在408～430 hPa，約7 km；-20 ℃與0 ℃之間的厚度為186～254 hPa，約3 km。

分析太原2014年夏季逐日08：00的0 ℃層和-20 ℃層的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，6月、7月和8月的0 ℃層、-20 ℃層的高度接近表2中的平均值，已滿足0 ℃層高度在600 hPa附近、-20 ℃層高度在400 hPa附近或以下的成雹基本條件。而在7月的大部分時(shí)段，0 ℃層和-20 ℃層的高度明顯較高。

進(jìn)一步分析陽泉市2014-07國家級(jí)氣象站有2 d出現(xiàn)小冰雹，而境內(nèi)沒有出現(xiàn)雹災(zāi)時(shí)的0 ℃、-20 ℃高度。與統(tǒng)計(jì)的風(fēng)雹日相比，2014-07-03，太原0 ℃層高度（604 hPa、4 435 m）適宜，但-20 ℃層高度（380 hPa、7 726 m）較高；2014-07-17，0 ℃、-20 ℃高度（586 hPa、4 842 m與394 hPa、7 679 m）均偏高。由此可見，這2 d冷空氣勢(shì)力弱，0 ℃、-20 ℃層高度不利于成雹。

3 雷達(dá)資料分析

分析發(fā)現(xiàn)，致災(zāi)風(fēng)雹判別中最直接的判斷依據(jù)是反射率因子（即雷達(dá)回波強(qiáng)度）、強(qiáng)回波（45 dBZ）高度和形態(tài)特征等。分析2014-08-16、2014-08-21、2014-08-23、2014-08-27太原多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，4個(gè)個(gè)例回波反射率最高時(shí)達(dá)65 dBZ，低層有入流缺口，且垂直剖面都具有因強(qiáng)上升氣流而形成的懸垂特征。2014-08-16，回波高度最高達(dá)16 km，強(qiáng)回波高度達(dá)8 km；2014-08-21，強(qiáng)回波早期已接地，以強(qiáng)降水為主，只在運(yùn)動(dòng)中短時(shí)間具有低層入流缺口、懸垂等典型風(fēng)雹云特征，回波高度最高達(dá)20 km，強(qiáng)回波高度達(dá)7 km。

上述前兩個(gè)個(gè)例的強(qiáng)回波的長軸最長達(dá)10 km，且速度圖中存在逆風(fēng)區(qū)，可識(shí)別出多單體發(fā)展為強(qiáng)單體；后兩個(gè)個(gè)例在20 min內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)65 dBZ強(qiáng)回波。

30 dBZ回波面積更大，長軸可達(dá)20 km，甚至30 km，且其速度圖中含有氣旋。此外，2014-08-23，單體后部的下沉氣流出現(xiàn)缺口；2014-08-27，徑向方向風(fēng)雹衰減形成“V”形缺口。根據(jù)反射率因子的強(qiáng)度，強(qiáng)回波、高度、面積、持續(xù)時(shí)間和中氣旋分析，2014-08-23和2014-08-27的風(fēng)雹天氣為多單體發(fā)展為的超級(jí)單體。

基于2014年的9個(gè)個(gè)例，并結(jié)合近年來陽泉市氣象臺(tái)對(duì)太原多普勒雷達(dá)資料的分析認(rèn)為，當(dāng)反射率因子達(dá)到65 dBZ、強(qiáng)回波高度達(dá)到8 km，風(fēng)雹災(zāi)害便已經(jīng)發(fā)生；當(dāng)反射率因子達(dá)到45 dBZ、強(qiáng)回波發(fā)展至8 km（個(gè)別達(dá)7 km）以上時(shí)，易發(fā)生風(fēng)雹災(zāi)害。但此結(jié)論的應(yīng)用還需考慮0 ℃層和-20 ℃層的高度。圖6中的a為2014-08-21T16：00風(fēng)雹災(zāi)害發(fā)生時(shí)的PPI、VCS雷達(dá)回波圖，已滿足反射率因子達(dá)到45 dBZ、強(qiáng)回波發(fā)展至8 km以上的條件；圖6中的b為2014-07-17T17：00的PPI、VCS雷達(dá)回波圖，雷達(dá)觀測(cè)到陽泉市東部的對(duì)流云發(fā)展非常強(qiáng)盛，反射率因子為45 dBZ時(shí)的強(qiáng)回波范圍更大、高度更高，但反射率因子未發(fā)展至65 dBZ，且未發(fā)生風(fēng)雹災(zāi)害。

分析2014-07-17高空觀測(cè)資料后發(fā)現(xiàn)，08：00 500 hPa東勝、呼和浩特、張家口的溫度為-10～-8 ℃，太原、邢臺(tái)的溫度為-7～-6 ℃，明顯高于陽泉2014年9個(gè)風(fēng)雹災(zāi)害日的統(tǒng)計(jì)溫度。2014-07-17，太原0 ℃層、-20 ℃層的高度高于上述風(fēng)雹災(zāi)害日的統(tǒng)計(jì)高度，不利于形成大風(fēng)雹。此外，該地區(qū)氣象站的觀測(cè)結(jié)果也證實(shí)了強(qiáng)對(duì)流發(fā)展到-20 ℃層的高度以上時(shí)才有利于大風(fēng)雹產(chǎn)生。

分析常用的山西雷達(dá)拼圖組合反射率后發(fā)現(xiàn)，9個(gè)個(gè)例中有6個(gè)個(gè)例的反射率因子最強(qiáng)可達(dá)60 dBZ及以上，強(qiáng)回波面積長軸長10 km及以上，2014-06-17、2014-09-01、2014-09-02的3個(gè)個(gè)例的回波相對(duì)較弱，最強(qiáng)達(dá)55 dBZ及以上，強(qiáng)回波面積長軸明顯小于10 km。強(qiáng)天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)的SWAN拼圖產(chǎn)品顯示，9個(gè)個(gè)例中8個(gè)個(gè)例回波頂高產(chǎn)品的數(shù)值為15～18 km。此外，9個(gè)個(gè)例的垂直液態(tài)水含量VIL均有所提升，數(shù)值為15～65 g/m3。

4 結(jié)論

綜上所述，筆者總結(jié)了以下6個(gè)預(yù)報(bào)要點(diǎn)，可在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中參考：①500 hPa天氣系統(tǒng)主要包括蒙古冷渦型、脊前橫槽型、西風(fēng)帶冷槽型三類；700 hPa影響系統(tǒng)包括西北氣流中有風(fēng)向擾動(dòng)、切變線或西風(fēng)槽輻合、槽前暖區(qū)三類。當(dāng)700 hPa系統(tǒng)不明顯時(shí)，850 hPa至地面的空間中存在風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)和風(fēng)切變，通過08：00的地面圖可分析得出冷空氣活動(dòng)的高壓。②具備高層干冷、低層暖濕的層結(jié)條件。08：00 500 hPa天氣圖上有明顯的冷空氣活動(dòng)（冷平流），導(dǎo)致陽泉、東勝、呼和浩特、張家口的溫度低于-10 ℃，太原、邢臺(tái)的溫度低于-8 ℃。低層相對(duì)濕度大于或等于60%.③陽泉市出現(xiàn)的風(fēng)雹災(zāi)害天氣與其山地地形有一定的關(guān)系，因此，需分析沿太行山東部因低層較暖濕氣流而形成對(duì)流有效位能的大值區(qū)。④9個(gè)個(gè)例發(fā)生災(zāi)害的時(shí)間為12：00—21：00，陽泉市局地風(fēng)雹災(zāi)害一般發(fā)生在

午后至夜間，這與午后氣流層結(jié)不穩(wěn)定增強(qiáng)有關(guān)。此外，并不是所有風(fēng)雹災(zāi)害都是在系統(tǒng)過境時(shí)發(fā)生的，部分在700 hPa系統(tǒng)過境前發(fā)生，部分在700 hPa系統(tǒng)過境后發(fā)生。⑤一般情況下，每年的6月、7月、8月有降雹形勢(shì)時(shí)，0 ℃層、-20 ℃層的高度大多能滿足基本成雹條件。當(dāng)夏季暖空氣勢(shì)力較強(qiáng)時(shí)，500 hPa陽泉附近鋒區(qū)的溫度較高，且0 ℃層、-20 ℃層的高度較高，即使對(duì)流發(fā)展強(qiáng)盛，也不利于成雹和形成風(fēng)雹災(zāi)害。⑥多普勒雷達(dá)資料中的反射率因子超過65 dBZ，且入流缺口、懸垂等是典型的冰雹云特征，會(huì)造成風(fēng)雹災(zāi)害。在天氣潛勢(shì)條件滿足的前提下，45 dBZ強(qiáng)度回波發(fā)展到7～8 km及以上時(shí)，則考慮該地區(qū)可能發(fā)生風(fēng)雹災(zāi)害。山西雷達(dá)拼圖組合的反射率因子達(dá)到55 dBZ，SWAN資料中的回波頂高大于或等于15 km，垂直液態(tài)水含量VIL≥15 g/m3，也可作為判別本地是否發(fā)生風(fēng)雹災(zāi)害的指標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：李潤春（1967—），女，山西盂縣人，2006年畢業(yè)于蘭州大學(xué)氣象學(xué)專業(yè)，理學(xué)碩士，副研級(jí)高級(jí)工程師。

〔編輯：張思楠〕