新疆石河子地區(qū)冰雹天氣的預(yù)警指標(biāo)初探

魏 勇，劉 輝，魯學(xué)浩

（石河子氣象局，新疆 石河子 832000）

石河子墾區(qū)南依天山山脈，北鄰古爾班通古特沙漠，地處新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的腹心位置，是全國(guó)主要優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，是新疆的特色果蔬、花卉基地，是新疆精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和節(jié)水滴灌農(nóng)業(yè)的示范區(qū)，農(nóng)業(yè)是石河子墾區(qū)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。由于地理?xiàng)l件特殊，容易形成不穩(wěn)定的下墊面，產(chǎn)生冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，造成冰雹災(zāi)害。由于冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣又具有局地性和突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此歸納石河子地區(qū)冰雹天氣的主要背景和物理場(chǎng)特征，對(duì)石河子墾區(qū)冰雹天氣的預(yù)警和防雹減災(zāi)工作有著重要的意義。

本文利用新疆石河子墾區(qū)2005—2017年37 次冰雹天氣的NCAR/GFS 的再分析資料、探空資料、自動(dòng)站資料和石河子墾區(qū)冰雹統(tǒng)計(jì)資料，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、天氣學(xué)和中尺度天氣學(xué)，分析總結(jié)了石河子墾區(qū)冰雹天氣的5 種天氣背景和物理量場(chǎng)主要參數(shù)特征，旨在為新疆石河子墾區(qū)冰雹天氣預(yù)警及防雹減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 新疆石河子墾區(qū)冰雹天氣的背景特征

冰雹天氣是中小尺度天氣系統(tǒng)，但其發(fā)生首先要具備一定的大尺度環(huán)流背景。冰雹天氣一般是在大尺度環(huán)流背景下的對(duì)流風(fēng)暴中發(fā)生、發(fā)展，對(duì)流風(fēng)暴為冰雹天氣制造了大氣層結(jié)的不穩(wěn)定條件，提供了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)條件和充沛的水汽，觸發(fā)了冰雹天氣的產(chǎn)生。因此，研究冰雹天氣發(fā)生前的天氣背景特征對(duì)冰雹天氣的預(yù)警有著重要的指導(dǎo)意義。本文通過(guò)對(duì)新疆石河子墾區(qū)2005—2017年37 次冰雹天氣的NCAR/GFS 的再分析資料，對(duì)冰雹天氣發(fā)生前的500 hPa 環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行了分析和歸納總結(jié)，得出產(chǎn)生冰雹的5 種天氣背景，即烏拉爾山東部低槽型、橫槽型、前傾槽型、過(guò)境槽型和北高南低型。

1.1 烏拉爾山東部低槽型

圖1 低槽型

烏拉爾山東部低槽型分為低槽型和低渦型，在500 hPa 環(huán)流場(chǎng)上表現(xiàn)（圖1）為：前期歐洲大陸受高壓脊控制，在烏拉爾山東部（45°～60°N，60°～80°E）范圍內(nèi)有低槽或低渦形成，隨著烏拉爾山東部低槽（或低渦）不斷東移南下發(fā)展；在北至西伯利亞，南至帕米爾高原的區(qū)域中形成低槽（或低渦），東南移影響新疆西北部地區(qū)，產(chǎn)生降水天氣，形成冰雹災(zāi)害。此類冰雹天氣背景，一般發(fā)生在5月中旬至7月下旬，在午后至傍晚期間，形成的冰雹災(zāi)害較重，出現(xiàn)的頻率約占53%左右。

1.2 橫槽型

圖2 橫槽型

橫槽型在500 hPa 環(huán)流場(chǎng)上表現(xiàn)（圖2）為：在歐洲東部和蒙古至新疆北部為深厚的低值系統(tǒng)控制，烏拉爾山附近為明顯的高壓脊區(qū)，脊區(qū)前部受偏北氣流控制，蒙古東部至新疆西北部為一橫槽（45°～60°N，70°～110°E），隨著橫槽的南壓，在新疆西北部形成降水，產(chǎn)生冰雹天氣。此類型冰雹天氣背景，一般發(fā)生在6月上旬至8月中旬，一般在傍晚前后出現(xiàn)，造成的冰雹災(zāi)害較為嚴(yán)重，出現(xiàn)的頻率約占12%。

1.3 前傾槽型

圖3 前傾槽型

前傾槽型在500 hPa 環(huán)流場(chǎng)上表現(xiàn)（圖3）為：在新疆的西北部為明顯的前傾低值系統(tǒng)控制，前傾槽區(qū)有明顯的風(fēng)向切變和強(qiáng)的輻合，風(fēng)向切變和強(qiáng)的輻合使上升氣流隨高度前傾，將低層的暖濕氣流強(qiáng)烈抬升，增加大氣的不穩(wěn)定度和提供充沛的水汽供應(yīng)，從而在前傾的輻合區(qū)形成降水天氣，產(chǎn)生冰雹災(zāi)害。此類型冰雹天氣背景，出現(xiàn)的頻率占17%左右，但形成的災(zāi)害較為嚴(yán)重。

1.4 過(guò)境槽型

過(guò)境槽型在500 hPa 環(huán)流場(chǎng)上表現(xiàn)（圖4）為西伯利亞西部至新疆北部帶是較為深厚的低值系統(tǒng)區(qū)（45°～55°N，80°～100°E）。在700 hPa 和850 hPa 上的溫度槽與500 hPa 低槽位置大致相當(dāng)。在700 hPa和850 hPa 上新疆南部為暖區(qū)。降雹區(qū)位于冷鋒后方，新疆西北部的鋒面和降雹區(qū)前冷鋒形成階梯型，且有先兆性降水出現(xiàn)。此類型冰雹天氣背景，出現(xiàn)的頻率占13%左右。

圖4 過(guò)境槽型

1.5 北高南低型

過(guò)境槽型在500 hPa 環(huán)流場(chǎng)上表現(xiàn)為： 前期北支鋒區(qū)特別偏北，副熱帶高壓較偏南，中亞一帶多短波活動(dòng)。在西西伯利亞至新疆北部國(guó)境線附近為寬廣的高壓脊控制，在中亞有低值系統(tǒng)產(chǎn)生，低值中心位于新疆西部邊境線附近。在850 hPa 上西西伯利亞南部為暖脊控制，新疆北部為冷槽活動(dòng)區(qū)，這種天氣形勢(shì)場(chǎng)上的不穩(wěn)定配置，增強(qiáng)了新疆北部的大氣不穩(wěn)定性，為冰雹天氣的形成提供了條件。當(dāng)?shù)椭迪到y(tǒng)東移時(shí)，在新疆北部形成降水天氣，產(chǎn)生冰雹災(zāi)害。此類型冰雹天氣背景，出現(xiàn)的頻率占8%左右。

2 新疆石河子墾區(qū)冰雹天氣的物理場(chǎng)特征

強(qiáng)對(duì)流天氣是在特定的大氣環(huán)流背景下，符合一定的物理量場(chǎng)條件，從而觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。雹暴發(fā)生的基本物理?xiàng)l件是： 位勢(shì)不穩(wěn)定、觸發(fā)機(jī)制、水汽、0℃層和-20℃層高度和強(qiáng)的風(fēng)切變[1]。

2.1 大氣穩(wěn)定度條件分析

假相當(dāng)位溫θse 的垂直分布情況反映大氣的對(duì)流不穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)石河子墾區(qū)37 次冰雹天氣的θse（850～500）值進(jìn)行對(duì)比分析，出現(xiàn)θse（850～500）＞0℃，θse/Z ＜0 情況的強(qiáng)對(duì)流天氣造成的冰雹災(zāi)害較重，且冰雹的直徑大。石河子冰雹天氣的θse（850～500）值的范圍是：10.17℃≥θse（850～500） ≥-6.59℃，平均在0.68℃左右。

K 指數(shù)和沙氏穩(wěn)定度指數(shù)（SI）是冰雹天氣不穩(wěn)定層結(jié)的重要指征參數(shù)之一，對(duì)石河子墾區(qū)37 次冰雹天氣K 指數(shù)和沙氏穩(wěn)定度指數(shù)（SI）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出：K 指數(shù)最小值≥18℃，沙氏穩(wěn)定度指數(shù)（SI）最大值≤5.62℃，且K 指數(shù)越小，沙氏穩(wěn)定度指數(shù)（SI）越大，造成的冰雹災(zāi)害相對(duì)越重。

局地大氣上冷下暖的垂直層結(jié)溫度條件，可使局地的大氣不穩(wěn)定度增加，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生，對(duì)石河子墾區(qū)37 次冰雹天氣850 hPa 和500 hPa 溫度差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，T（850～500）在27～36℃，平均在31℃左右。

2.2 水汽條件分析

水汽是任何降水天氣的基本條件，通過(guò)對(duì)石河子墾區(qū)37 次冰雹天氣水汽條件進(jìn)行分析得出：（1）92%以上冰雹天氣都有先兆性降水出現(xiàn)；（2） 水汽源地主要是石河子上游的托里山區(qū)、烏蘇和奎屯南部山區(qū)；（3）700 hPa 水汽通量＞40×10-1g·cm-1·hPa-1·s-1、850 hPa 水汽通量＞20×10-1g·cm-1·hPa-1·s-1，且2個(gè)高度水汽通量散度＜0 g·kg-1·s-1。

先兆性降水和上游充沛的水汽供應(yīng)為局地冰雹天氣提供了很好的水汽條件。

2.3 垂直風(fēng)切變

垂直風(fēng)切變大小是指風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化情況。通過(guò)對(duì)石河子墾區(qū)37 次冰雹天氣發(fā)生前期低層（850 hPa）到高層（200 hPa）垂直風(fēng)切變值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，垂直風(fēng)切變值最小值為1.1 m·s-1km-1，其中17 次較強(qiáng)的風(fēng)垂直切變冰雹天氣，形成的冰雹災(zāi)害普遍較重。強(qiáng)的垂直風(fēng)切變?cè)黾恿藢?duì)流天氣強(qiáng)度和風(fēng)暴維持時(shí)間，有利于冰雹天氣的形成。

2.4 特征層高度分析

0℃層和-20℃層分別是冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區(qū)下界，是表示雹云特征的重要參數(shù)。根據(jù)觀測(cè)分析，最有利于降雹的0℃層高度在3.0～4.5 km （700～600 hPa 附近），-20℃層高度在5.5～6.9 km（500～400 hPa 附近）[2]。對(duì)37 次冰雹天氣特征層高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出石河子冰雹天氣的特征高度：春季為0℃層高度2 699 m，20℃層高度5 327 m； 夏季為0℃層高度3 644 m，20℃層高度6 485 m。

3 小結(jié)

（1）石河子冰雹天氣背景主要有以下5 種：烏拉爾山東部低槽型、橫槽型、前傾槽型、過(guò)境槽型和北高南低型。（2）石河子冰雹天氣大氣穩(wěn)定度條件：10.17℃≥θse（850～500） ≥-6.59℃，平均在0.68℃左右；K 指數(shù)最小值≥18℃，沙氏穩(wěn)定度指數(shù)（SI） 最大值≤5.62℃；T（850～500）值在27～36℃，平均在31℃左右。（3）水汽源地主要是石河子上游的托里山區(qū)、烏蘇和奎屯南部山區(qū)，充沛的水汽供應(yīng)為冰雹天氣的產(chǎn)生提供了條件。（4） 低層（850 hPa）到高層（200 hPa）垂直風(fēng)切變值都≥1.1 m·s-1km-1，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，有利冰雹天氣的發(fā)展和維持。（5）石河子冰雹天氣的特征高度，春季：0℃層高度2 699 m，20℃層高度5 327 m； 夏季：0℃層高度3 644 m，20℃層高度6 485 m。