黔東南一次大范圍弱冰雹天氣過程分析

滕 林，賀德軍，陳 軍，李小蘭，文 成

(1.貴州省劍河縣氣象局，貴州 劍河 556400；2.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；3.貴州省玉屏縣氣象局，貴州 玉屏 554000；4.貴州省雷山縣氣象局，貴州 雷山 557100)

黔東南一次大范圍弱冰雹天氣過程分析

滕 林1，賀德軍1，陳 軍2，李小蘭3，文 成4

(1.貴州省劍河縣氣象局，貴州 劍河 556400；2.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；3.貴州省玉屏縣氣象局，貴州 玉屏 554000；4.貴州省雷山縣氣象局，貴州 雷山 557100)

利用黔東南州氣象資料、三穗C波段多普勒天氣雷達資料及FNL再分析資料對2016年4月3日發(fā)生在貴州省黔東南州的一次大范圍弱冰雹天氣過程進行診斷分析。結果表明：此次冰雹過程環(huán)流形勢是典型的“前傾槽”結構，輻合線和冷鋒共同觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，降雹前地面氣溫較高，冰雹在下降過程中融化較快，使黔東南州大范圍性降弱雹；對流發(fā)生前垂直風切變較大，SI、K指數(shù)滿足強雷暴條件，0 ℃層和-20 ℃層高度適宜，但CAPE值能量有限，不利于大冰雹的形成；對流發(fā)生時低空維持高濕狀態(tài)，切變線兩側風速風向的輻合為對流的發(fā)生提供了充足的動力條件；雷達資料顯示冰雹發(fā)生時，在0 ℃等溫線高度上有50 dBz以上的反射率因子結構，低層輻合、高層輻散，風隨高度的變化是中低層順轉，高層逆轉，這種上冷下暖的結構有助于空氣層結的不穩(wěn)定，利于對流的發(fā)生。

前傾槽；高濕狀態(tài)；高度適宜；垂直風切變；上冷下暖

1 引言

冰雹一直是貴州省黔東南州春季常發(fā)生的災害性天氣之一，由于這類災害性天氣具有突發(fā)性和劇烈性，往往會給黔東南的農業(yè)生產(chǎn)及人民生命財產(chǎn)等造成損失。分析黔東南冰雹的特征，有助于做好它的臨近預報，提前發(fā)布冰雹預警，及時開展防雹人影作業(yè)，通知相關人員提前防范，能使經(jīng)濟損失降到最低。近年來，已有氣象工作者從雷達的回波特征、形成機制、環(huán)境條件對冰雹進行了研究。比如[1-2]分析表明三體散射現(xiàn)象是大冰雹預警的一個指標。唐明暉等[3]、陳軍等[4]分析指出冰雹發(fā)生前，在雷達回波速度圖上，有低層輻合，風暴頂?shù)妮椛?。趙俊榮等[5]分析指出，強冰雹有有界弱回波區(qū)、垂直累積液態(tài)水含量大值區(qū)等特征。強冰雹發(fā)生前，對流層存在暖干蓋[6]。鄭艷等[7]分析指出，發(fā)生對流的有利條件為中層干冷氣流疊加在低層暖濕氣流上。也有學者[8-12]等研究表明，強垂直風切變有利于強對流有組織的發(fā)展和維持，對冰雹的產(chǎn)生起到至關重要的作用。雖然對冰雹天氣的研究已有很多，但對黔東南州冰雹的研究卻很少，目前只有[13-15]等對黔東南典型的大冰雹過程進行研究，冰雹特征明顯易判定，但對一些弱冰雹天氣過程，雷達回波特征不明顯，往往在發(fā)布預警信號時漏發(fā)，因此找出弱冰雹過程一些獨有特征及預警指標很有必要。本文將利用2016年4月2日08時—4日08時常規(guī)觀測資料、地面加密自動站降水資料、FNL再分析資料(1°×1°)以及黔東南三穗C波段多普勒天氣雷達資料，對2016年4月3日發(fā)生在黔東南州一次大范圍弱冰雹天氣過程進行分析，期待為黔東南每隔3 h的短臨預報提供一種思路，對以后工作中遇到類似弱冰雹過程要不要提前發(fā)布冰雹預警信號提供參考。

2 天氣實況及環(huán)流分析

2.1 天氣實況

2016年4月2日20時—3日20時黔東南州出現(xiàn)雷電、冰雹和暴雨天氣過程，雷電影響范圍涉及全州16縣市，其中降雨及冰雹主要集中在3日14時—19時發(fā)生，劍河、黃平、施秉、三穗、丹寨、錦屏、雷山、岑鞏、天柱共9縣15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了冰雹天氣，冰雹最大地區(qū)為施秉城區(qū)(直徑為15 mm)，出現(xiàn)時間為14時20分—14時27分；天柱注溪在14—15時出現(xiàn)75.3 mm的短時強降水，累計降雨量為196.4 mm(大暴雨)；11站暴雨(劍河久仰86 mm、加禾68.6 mm、久丟52.6 mm、久順50.7 mm、敏洞53 mm，岑鞏安山村89.4 mm、客樓88.2 mm、水尾69.4 mm，黃平苗隴58.6 mm、谷隴52.7 mm，三穗滾馬52.3 mm)，43鄉(xiāng)鎮(zhèn)68站大雨，暴雨出現(xiàn)在天柱、劍河、岑鞏、黃平、三穗5縣境內(圖1)。此次過程降雨較弱，但局部短時強降雨強，雷電、弱冰雹范圍大，凱里市爐山鎮(zhèn)紫荊村在4月3日下午15時33分遭遇雷擊，出現(xiàn)人員傷亡事故，天柱縣注溪鄉(xiāng)在4月3日下午14—17時的大暴雨造成鄉(xiāng)內40余處不同程度塌方，緊急轉移40人，受災300人，供電中斷。

圖1 2016年4月2日20時—3日20時貴州省黔東南州降水(實線，單位：mm)分布與冰雹落區(qū)(▲為冰雹落區(qū))Fig.1 Spatial distribution of precipitation(Solid line,Unit:mm) and hail on 3 April 2016 in Tongren of Guizhou(▲ for hail area)

2.2 環(huán)流形勢分析

2016年4月3日08時，500 hPa圖上(圖2a)，中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”型，巴湖以北及東北至華北北部為低槽區(qū)，東北至華北北部的大槽未來往東南移動，引導地面冷空氣南下。由08時中尺度環(huán)境場可知(圖2b)，500 hPa青藏高原的短波槽已東移至貴州西部，溫度槽超前于高度槽，700 hPa川渝有一低渦，低渦切變的南段已影響貴州西北部，急流位于廣西至湖南中部，黔東南處于西南急流的左側，T-Td>4 ℃，為顯著的干區(qū)；850 hPa，急流軸位于廣西北部—黔東南的東南部—湖南中部，急流軸上最大風速為26 m·s-1，江淮切變線的西段已移至貴州中部以北，黔東南地區(qū)T-Td≤2 ℃為明顯的飽合區(qū)，黔東南為暖脊區(qū)，有暖平流，分析(圖2b)可知，700～500 hPa為典型的“前傾槽”，850～700 hPa 之間為“上干下濕”的層結狀態(tài)，500 hPa冷槽(冷舍)疊加于低層暖脊(暖舌)上，有利于大氣的對流不穩(wěn)定，這種環(huán)流形勢有利于產(chǎn)生比較強的對流性天氣[16]。通過以上分析可知，此次過程700～500 hPa屬于典型的“前傾槽”結構，大氣層結為強烈的不穩(wěn)定。

圖2 2016年4月3日08時500 hPa形勢場(a)、中尺度環(huán)境場(b)(藍色實線為高度場，單位：dagpm；紅色虛線為溫度場，單位：℃；風矢為風場，單位：m·s-1)Fig.2 The circulation situation field on 500 hPa (a)、 meso-scale environmental field analysis (b) at 08∶00 BST on 3 April 2016(The blue solid line for height field,Unit: dagpm,the red dotted line for temperature field,Unit:℃,the wind arrow for wind field,Unit: m·s-1)

2.3 地面場分析

1日23時—3日05時地面(圖略)，貴州主要受熱低壓控制。在3日08時(圖3a)，地面冷鋒越過長江，已位于浙江北部—江西北部—湖南北部，熱低壓在貴州中部。11時(圖3b)熱低壓在冷鋒推動下減弱填塞向西南方向收縮，地面輻合線在貴州省中部。到14時(圖3c)地面冷鋒西段已南移至湘西中部—湖南中部，黔東南在熱低壓控制下，大部分縣(市)最高氣溫已升至24～28 ℃(其中天柱28 ℃，劍河26.8 ℃，黃平24.7 ℃，臺江28.9 ℃，施秉26 ℃，錦屏27.6 ℃，雷山26.6 ℃，岑鞏27.8 ℃)，為對流積累了較大的不穩(wěn)定能量，地面輻合線在黔東南中部以北，14—16時北方冷空氣滲透并與地面輻合線共同作用而鋒生，使鋒生加強，邊界層弱冷空氣觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放[17]，使黔東南降雹主要集中在州北部。在17時(圖3d)熱低壓已經(jīng)完全填塞，冷鋒西段已移至黔東南北部，17—18時，冷鋒進一步南壓，黔東南州中部縣市由于鋒面抬升而降雹，根據(jù)[18]對冰雹的劃分，此時的降雹主要為冷鋒鋒前降雹。通過以上分析可知，此次過程是輻合線和冷鋒共同觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，但由于降雹前期，地面在熱低壓控制下氣溫較高，冰雹在下降過程中融化較快，使黔東南州大范圍性降弱雹。

3 影響對流風暴結構和類型的環(huán)境因子分析

3.1 熱力不穩(wěn)定和動力不穩(wěn)定條件

俞小鼎等[19]指出影響對流風暴結構及類型主要取決于環(huán)境的熱力不穩(wěn)定、風的垂直切變和水汽的垂直分布，2.2的分析已表明大氣層結為強烈的不穩(wěn)定。劉健文[20]等研究指出SI指數(shù)能反映了大氣的不穩(wěn)定性，其值越小越有利于雷暴的發(fā)生，當-6 ℃35 ℃時會出現(xiàn)成片的雷暴。但在實際工作中判斷有無冰雹往往看0 ℃層和-20 ℃層的高度[18]，冰雹發(fā)生日0 ℃層3—5月平均高度在4.2 km左右，-20℃層3—5月平均高度為7.4 km。分析貴陽2016年4月3日08時和20時探空資料(表2)可知，08—20時，貴陽探空站的SI指數(shù)<-4 ℃，K=37滿足強雷暴的條件，0 ℃、-20 ℃層高度分別在4.2 km、 7.4 km左右，有利于冰雹生成，但08時CAPE值為871.8 J·kg-1變?yōu)?0時636.3 J·kg-1，CAPE值釋放不是很大且CAPE值能量有限，不易形成大冰雹。

圖3 2016年4月3日08時(a)、11時(b)、14時(c)、17時(d)地面實況圖Fig.3 April 3,2016 at 08(a)、11(b)、14(c),、17(d) when the ground truth map

時間SI/℃CAPE/J·kg-1K/℃0℃層高度/m﹣20℃層高度/m08時-42871837427257480020時-4086363374203573164

3.2 垂直風切變

強垂直風切變有利于強對流有組織的發(fā)展和維持，對冰雹的產(chǎn)生起到至關重要的作用[8-12]。俞小鼎等[22]劃分了垂直風切變的強度，指出在暖季0～6 km高度之間的風矢量差的絕對值，若≥15m/s且<20m/s則屬于中等以上強度的垂直風切變。壽紹文等[23]也指出強雷暴0～6 Km一般都有較強的風速垂直切變環(huán)境，其值通常為2.5×10-3～4.6×10-3s-1。當垂直風切變環(huán)境值達到3.3×10-3s-1以上時，發(fā)生強對流天氣的可能性更大[24]。通過對黔東南州上空垂直風切變環(huán)境(圖4)進行分析，可知黔東南州發(fā)生冰雹前，垂直風切變環(huán)境值較大，黔東南中部以北垂直風切變環(huán)境值為2.5×10-3～3.3×10-3s-1，為中等強度的垂直風切變。另外從垂直風切變環(huán)境圖上可知黔東南中部以南垂直風切變環(huán)境大于北部，這樣有助于在黔東南中部以北產(chǎn)生氣旋性的旋轉。綜上，中等強度的垂直風切變極易發(fā)生強雷暴天氣，大氣在降雹前極不穩(wěn)定，但由于切變環(huán)境不是很強，不易形成大冰雹。

圖4 NCEP fnl 2016年4月3日14時0～6 Km垂直風切變環(huán)境分布(單位：10-3 s-1)Fig.4 The NCEP fnl distribution of vertical wind shear (Unit: 10-3 s-1) at 14∶00 BST on 3 April 2016

4 水汽條件

3日08時，850 hPa環(huán)流場顯示南?！獜V西—貴州東南部一帶存在一支較大的水汽輸送通道(圖5a)，水汽通量中心值達50 g·hPa-1·cm-1·s-1，黔東南的黎平、從江、榕江縣為西南急流核位置，急流核的最大風速為18 m/s，黔東南位于水汽通道上，水汽輻合不明顯，但水汽通量大，切變線主要存在銅仁—遵義。3日14時(圖5b)切變線南壓至黔東南東北部天柱縣—貴陽，水汽輸送減弱，但是水汽在黔東南北部輻合，從而產(chǎn)生上升運動；地面比濕場上，黔東南北部比濕達13～14 g·kg-1。由此可見，黔東南在發(fā)生強對流之前，低空維持高濕狀態(tài)，在發(fā)生對流性天氣時，切變線兩側風速風向的輻合為對流提供了充足的動力條件。

圖5 2016年4月3日08時(a)、14時(b)850 hPa水汽通量(實線，單位：g·hPa-1·cm-1·s-1)疊加地面比濕(虛線，單位：g·kg-1)Fig.5 Distribution of water vapor flux (the solid lines,Unit: g·hPa-1·cm-1·s-1) and specific humidity (the dotted lines,Unit: g·kg-1) on 850 hPa at 08∶00 BST(a)and at 14∶00 BST(b)on 3 April 2016

5 雷達回波特征

5.1 反射率回波分析

分析4月3日組合反射率因子圖(CR38)可知13時59分(圖略)，黔東南中部及以北已有回波生成，且回波向東南方向移動至施秉城關鎮(zhèn)與黃平新州的交界處，最強回波組合反射率因子≥50 dBz。14時15分(圖略)，回波東移到施秉城關鎮(zhèn)的西部，最大組合反射率因子≥55 dBz。到14時21分(圖6a)回波已東移至施秉城區(qū)，在施秉與黃平的交界處有3個較強的回波，最大組合反射率因子所在位置為施秉城區(qū)，達到60 dBz。14時26分(圖6b)回波繼續(xù)往東移動并發(fā)展，最強回波組合反射率因子在施秉城區(qū)達到了62 dBz，14時31分(圖略)最強回波已減弱至55 dBz。據(jù)觀測，施秉城關鎮(zhèn)在14時20分—14時27分之間降冰雹，冰雹最大直徑為15mm。通過對施秉城區(qū)及黃平所在位置進行“橫”剖，發(fā)現(xiàn)14時21分(圖6c)施秉城區(qū)回波超過50 dBz的反射率因子伸展高度約為5 km，對14時26分施秉城區(qū)沿雷達徑向進行剖面分析(圖6d)，發(fā)現(xiàn)回波超過50 dBz的反射率因子伸展高度約為6 km。俞小鼎[25]指出當0℃等溫線高度上如果有超過50 dBz的反射率因子結構才有機會可能降雹。表2已從探空資料分析了4月3日08時、20時貴陽，0 ℃等溫線高度在4.2 km左右，-20℃的等溫線高度7.3 km左右，從組合反射率因子垂直剖面(圖6c、圖6d)顯示，14時21分—14時26分在5 km高度以上有超過50 dBz的反射率因子結構，因此可以判斷該單體風暴有可能降雹，但由于回波發(fā)展不是很強，回波伸展的高度沒有超過-20 ℃等溫線高度，不易形成大冰雹。另外從組合反射率因子垂直剖面還知道施秉城區(qū)雷達回波低層存在有界弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波特征。通過以上分析知，黔東南弱冰雹過程低層存在有界弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波特征，反射率因子最強回波≥55 dBz，且在0 ℃等溫線高度上有超過50 dBz的反射率因子結構。

5.2 低層輻合高層輻散

圖7給出4月3日14時26分黔東南發(fā)生強對流天氣時的不同仰角的徑向速度，可以看出2.4°仰角上施秉城關區(qū)(圖7a)低層有較大的正負速度對，風向對“吹”，有中小尺度系統(tǒng)的輻合。在9.8°仰角上(圖7b)，在施秉城區(qū)的西邊徑向風速約為8 m·s-1，東邊徑向風速約為-8 m·s-1，表明高層風向為輻散。綜上，這種低層輻合、高層輻散結構有利于對流風暴的發(fā)展和維持，從而使施秉城區(qū)降了15 mm的冰雹。

圖6 2016年4月3日黔東南多普勒雷達14時21分(a)、14時26分(b)組合反射率及14時21分(c)、14時26分(d)反射率剖面(組合反射率與反射率單位：dBz)Fig.6 April 3,2016 Qiandongnan 14∶21(a)、14∶26(b)Doppler radar reflectivity、14∶21(c)、14∶26 (d) reflectance profile reflectance profile,(composite reflectivity and reflectivity units: dBz,radial velocity unit: m·s-1)

圖7 2016年4月3日14時26分黔東南多普勒雷達2.4°(a)、9.8°(b)仰角徑向速度圖(單位：m·s-1)(橢圓區(qū)為輻合輻散區(qū))Fig.7 The radial velocity on 2.4° (a) and 9.8°(b) elevation of Doppler radar in Qiandongnan station of Guizhou(Unit: m·s-1)(The ellipse area for convergence and divergence area)

5.3 風廓線資料分析

文獻[19]規(guī)定了風隨高度的變化為順時針旋轉時，為暖平流，反之為冷平流。分廓線(VWP48)可以反映雷達一定距離內范圍的風場垂直分布情況。黔東南雷達位于三穗縣，距離地面774.4 m，4月3日14—15時主要為對流性天氣發(fā)生時段。從14—15時風廓線(圖8)可知，其中“ND”為該時刻缺測，無相應的風速風向資料，在14時10分—14時37分風在4.6 km以下風隨高度順時針旋轉為暖平流，在4.6 km之上風基本是隨高度逆時針旋轉，為冷平流，這種上冷下暖的結構有助于空氣層的不穩(wěn)定，有利于對流的發(fā)生。從分廓線圖上還可以看出0.9～10.7 km風速隨高度的變化，在14時存在中等強度的垂直風切變。

圖8 2016年4月3日14時10分—15時03分黔東南多普勒雷達風廓線Fig.8 14∶10—15∶03 on April 3,2016 Doppler radar wind profile in Qiandongnan

6 結論

①黔東南此次大范圍冰雹過程環(huán)流形勢是典型的“前傾槽”結構，大氣層結為強烈的不穩(wěn)定，輻合線和冷鋒共同觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，但由于地面在熱低壓控制下，氣溫較高，冰雹在下降過程中融化較快，使黔東南州大范圍性降弱雹。

②冰雹發(fā)生期間，SI指數(shù)<﹣4 ℃、K指數(shù)>35，各項熱力指數(shù)較好，0 ℃層和﹣20 ℃層分別在4.2 km和7.3 km左右，高度適宜，為冰雹生長提供了有利的環(huán)境，但整個過程中CAPE值釋放不是很大且CAPE值能量有限，再加上黔東南垂直風切變?yōu)橹械葟姸?，不易形成大冰雹?/p>

③黔東南在發(fā)生強對流之前，低空維持高濕狀態(tài)，在發(fā)生對流性天氣時，切變線兩側風速風向的輻合為對流提供了充足的動力條件。

④雷達資料分析表明，低層存在有界弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波特征，組合反射率因子最強回波≥55 dBz，且在0℃等溫線高度上有超過50 dBz的反射率因子結構，高層輻散，低層輻合結構有利于對流風暴的發(fā)展和維持。風隨高度的變化是中低層順轉，高層逆轉，上冷下暖的結構有助于空氣層的不穩(wěn)定，利于對流的發(fā)生，這些可作為以后弱冰雹天氣過程的雷達回波判據(jù)。

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AnalysisofaWideRangeofWeakHailWeatherProcessinQiandongnan

TENG Lin1,HE Dejun1,CHEN Jun2,LI Xiaolan3,WEN Cheng3

(1.Jianhe Meteorological Bureau of Guizhou Province,Jianhe 556400,China ; 2.Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province,Tongren 554300,China;3.Yuping Meteorological Bureau of Guizhou Province,Yuping 554000,China;4.Leishan Meteorological Station of Guizhou Province,Leishan 557100,China)

The reanalysis data in a wide range of Guizhou Prefecture of Qiandongnan Province,the Weak Hail Weather Process on April 3,2016 was analyzed using Qiandongnan meteorological data,Sansui C band Doppler weather radar data and FNL.The results show that the hail circulation process is a typical "forward" structure,strong stratification instability,convergence line and cold front to trigger the release of unstable energy; the occurrence of hail in Qiandongnan over the large vertical wind shear,low maintenance and high humidity; in the convection occurs,SI index,K index well,0 C C layer and -20 layer height is appropriate,convergence in the low-level shear line on both sides of the wind provides dynamic conditions sufficient for convection; the radar data showed the hail occurs at 0 C isotherm height above 50dBZ reflection factor structure,the radial velocity is low level convergence and upper level divergence,the wind change with height is lower clockwise,top reversal,the cold and warm air layer structure contributes to the instability in favor of convection.

forward trough; high humidity condition; high degree of suitability; vertical wind shear; upper and lower warm

1003-6598(2017)05-0039-07

2017-04-01

滕林(1990-)，男，助工，主要從事預報測報工作，Email：1016914016@qq.com。

P458.1+21.2

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