一次強冰雹天氣成因分析

許慶娥，李改琴，王春玲，董建設，王 聰

(濮陽市氣象局,河南濮陽 457000)

冰雹天氣是濮陽地區(qū)夏季的主要災害性天氣之一，因其具有破壞力大、局地性強的特點，常給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生命財產(chǎn)帶來嚴重危害。近年來，不少專家和學者對冰雹天氣預報預警做了大量的分析研究。王華等[1]通過對北京兩次強冰雹天氣的對比分析，認為兩次過程中雹云的發(fā)展演變、冰雹的落區(qū)與地面中尺度系統(tǒng)都有較好的對應；蘇愛芳等[2]對豫北一次局地雹暴天氣的預警特征和觸發(fā)機制分析表明，局地強對流天氣是在東北冷渦背景下產(chǎn)生的，高低層中尺度影響系統(tǒng)交匯處右側(cè)為強對流發(fā)生潛勢區(qū)；張霞[3]從冰雹形成所需具備的三個條件入手，對500 hPa 上存在東北冷渦并南壓形勢下出現(xiàn)在河南的一次強冰雹災害天氣分析，結(jié)果表明，水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)、外部抬升力等條件同時滿足，易導致強對流性天氣，適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度及大的環(huán)境風垂直切變有利于雹粒增長；牛淑貞等[4]分析了強對流風暴的雷達產(chǎn)品特征，認為雷雨大風伴隨局部冰雹和短時強降水的強對流天氣，強中心基本反射率在53～65 dBz，回波頂高度11～16 km，對應垂直累積液態(tài)水含量在48～63 kg/m2；袁鵬飛等[5]對一次大冰雹天氣的新一代天氣雷達回波分析，認為強度>55 dBz的回波高度高于-20 ℃層高度，VIL值>60 kg/m2，回波頂高>12 km，有中氣旋出現(xiàn)等，是降雹的可靠信號；張一平等[6]對東北低渦槽后型河南強對流過程的天氣學特征分析，總結(jié)出SI、LI值均為負值，K指數(shù)≥20 ℃，Δθse(850-500)≥5 ℃，CAPE值≥1 500 J/kg，SWEAT指數(shù)≥180，0～6 km 水平風垂直切變≥15 m/s，大氣可降水量≥2 cm，可作為發(fā)生災害性強對流天氣的參考指標。由于直接造成強對流天氣的中小尺度系統(tǒng)發(fā)生突然、發(fā)展迅速,致使強對流天氣預報預警難度較大。因此，結(jié)合新一代天氣雷達產(chǎn)品的應用，加強對強對流天氣中小尺度的分析研判，提高此類天氣的預報準確率及預警時效。

利用常規(guī)觀測資料，河南鄭州、濮陽和商丘新一代天氣雷達產(chǎn)品，加密自動站及邢臺探空資料等，對造成濮陽東部地區(qū)降雹的環(huán)境場條件和中尺度天氣系統(tǒng)進行分析，揭示冰雹天氣的成因，為今后中小尺度災害性天氣的預報、預警提供參考。

1 天氣實況和災情

2016年6月13日15：00—18：00，河南濮陽地區(qū)東部的范縣、臺前縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)自西向東出現(xiàn)了雷陣雨、短時大風、強冰雹和局地短時強降水天氣，冰雹最大直徑為2～4 cm，臺前縣夾河鄉(xiāng)恒發(fā)(四要素站)17：00—18：00出現(xiàn)短時強降水天氣，小時降水量達40.5 mm。強天氣影響時段，極大瞬時風速達17.8 m/s，18:00以后強系統(tǒng)移入山東境內(nèi)。

這次強對流天氣突發(fā)性強、強度大，主要以風雹天氣為主，波及范縣、臺前兩縣十多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，據(jù)當?shù)孛裾块T統(tǒng)計，此次災害天氣共造成2 580 hm2的蓮藕、西瓜和葡萄受災，并有100余座農(nóng)業(yè)大棚受損，造成直接經(jīng)濟損失兩千余萬元。

2 環(huán)境條件分析

冰雹是由對流風暴產(chǎn)生的，因此產(chǎn)生對流風暴的三個必要條件(垂直層結(jié)不穩(wěn)定、水汽和抬升機制)也是產(chǎn)生冰雹的必要條件[7]。由高空綜合形勢分析圖(圖1，見第5頁)可知，2016年6月13日08時，200 hPa天氣圖上有一風速≥40 m/s的高空急流穿過河南，高空急流的抽吸作用，有利于上升氣流的維持和加強；豫北的濮陽地區(qū)位于高空急流出口區(qū)左側(cè)，此處有利于產(chǎn)生上升氣流，形成強對流天氣。500 hPa東北地區(qū)有一冷渦，高空槽位于伊春、通化、丹東到濟南一線，其后有一冷槽配合，濮陽地區(qū)受冷渦后部西北氣流控制，高空冷平流明顯；700 hPa，冷槽位置與500 hPa相同，邢臺與濟南之間有西北風與西南風的切變，未來東移影響濮陽東部地區(qū)；850 hPa上有溫度脊伸向濮陽地區(qū)，且該區(qū)域 850 hPa與500 hPa溫度差≥28 ℃，較大垂直溫度梯度說明濮陽上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定，為此次過程提供了對流不穩(wěn)定條件。850 hPa與700 hPa切變線基本一致，925 hPa上有一東北風與東南風切變線 ，925 hPa與850 hPa切變線幾乎重合，濮陽東部的范縣、臺前縣位于切變線東南側(cè)的暖濕氣流中，三層切變線的疊加為此次強天氣提供了強烈的動力抬升條件。850 hPa濕舌(比濕≥8 g/kg)覆蓋濮陽上空，為此次過程提供了水汽條件。13日20時(圖略)，500 hPa高空槽東移入海，強冰雹天氣發(fā)生在高空槽東移南壓過程中。以上分析表明，高空急流和中低層切變線的存在、上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)及高空冷平流共同作用，產(chǎn)生了這次強對流天氣。

13日08:00地面圖上，閉合暖低壓位于河套地區(qū)西部，華北有弱冷空氣擴散南下，河北中部的滄州到石家莊有一輻合線，濮陽位于暖低壓前部、地面輻合線下游的均壓場中。14：00暖低壓東移發(fā)展加強，低壓中心值達到995.0 hPa，輻合線在南壓過程中斷開，其中西段位于冀州到邢臺一線，由于暖低壓發(fā)展(阻擋作用)，西段輻合線在原地維持；東段輻合線沿暖低壓東北邊界向東南方向移動，在河北冀州市和棗強縣出現(xiàn)西北風與西南風的輻合，兩地出現(xiàn)雷陣雨和冰雹天氣。東段在南壓過程中形成了多個小尺度低壓和輻合線，濮陽位于暖低壓帶和輻合線東南側(cè)的暖濕氣流中。17：00暖低壓繼續(xù)發(fā)展加強，濮陽地區(qū)處于中心值為997.5 hPa的低壓帶中，濮陽地區(qū)14：00—17：00 3 h變壓達-2.7～-3.1 hPa，變壓風輻合明顯加強。濮陽東部范縣、臺前縣位于黃河沿岸，濕度較大，隨著地面輻合線和弱冷空氣東移南壓，導致了這次強冰雹天氣。由此可見,地面輻合線是這次強冰雹天氣的觸發(fā)機制。

圖1 2016-06-13T08高空綜合形勢分析圖

圖2 2016-06-13T08 邢臺(a)和利用范縣14時溫度露點訂正后的邢臺(b)探空圖

3 探空分析

對流風暴中強烈的上升氣流是產(chǎn)生大冰雹的必要條件。大的對流有效位能(CAPE)和較大的垂直風切變是產(chǎn)生大冰雹的有利條件。通過分析離濮陽最近且位于濮陽上游的邢臺站探空資料(圖2a，見第5頁)發(fā)現(xiàn)，13日08時邢臺對流有效位能CAPE為233.2 J/kg，K指數(shù)為34 ℃，SI指數(shù)為0.89 ℃，抬升指數(shù)(LI)為-1.27 ℃，0～6 km垂直風切變?yōu)?0.0 m/s，0 ℃層高度為3.9 km、-20 ℃層高度在7.1 km附近。隨著地面太陽短波輻射增溫和暖低壓的加強，14時范縣地面溫度達32.5 ℃、露點溫度升至20.1 ℃，用此溫度露點訂正邢臺探空資料后(圖2b)，訂正后的CAPE高達3 353 J/kg、K指數(shù)也增大到36.3 ℃、SI指數(shù)為-0.3 ℃，抬升指數(shù)(LI)也變?yōu)?8.7 ℃，0～6 km垂直風切變增大到12.9 m/s。參考河南省大風冰雹類強對流天氣物理量閾值[7]，CAPE值≥1 700 J/kg、SI值≤0 ℃、LI值≤-5.5 ℃、K指數(shù)≥29 ℃、0～6 km垂直風切變≥12.0 m/s，出現(xiàn)冰雹的0 ℃層高度在4.0～4.5 km、-20 ℃層高度在7.5 km左右。由此可見，較大的對流有效位能、中等強度的垂直風切變、合適的0 ℃層和-20 ℃層高度等都有利于強冰雹天氣的發(fā)生。

從訂正后的探空曲線可見，大氣層結(jié)很不穩(wěn)定，存在較大的不穩(wěn)定能量，且近地面層(1 000～925 hPa)較暖、中層(700～520 hPa)較濕(t-td≤3 ℃)、高層(400 hPa以上)干冷的不穩(wěn)定層結(jié)和中低層(925～500 hPa)弱冷空氣侵入，混合對流特征明顯。同時1 000～925 hPa風隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，925～500 hPa風隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流，400～250 hPa是一致的西北風，再往上逆轉(zhuǎn)為西風，且風速增加明顯，200 hPa及以上為>20 m/s高空強風速帶，強輻散有利于低層輻合上升[8]。這種上干冷、中層較濕、近地面層較暖的大氣層結(jié)，及中低層弱冷空氣的侵入和高空強風速帶的存在，為強冰雹天氣提供了有利的環(huán)境條件。

4 雷達回波分析

強冰雹天氣是中小尺度系統(tǒng)，常在雷達產(chǎn)品圖上有較好的反映，利用濮陽、鄭州、商丘三地的雷達產(chǎn)品對該次過程進行分析，探討強冰雹天氣的雷達回波特征。

4.1 基本反射率特征

圖3為2016年6月13日鄭州多普勒雷達基本反射率回波圖。從1.5°仰角的基本反射率圖上可以看出，15:26沿地面輻合線在范縣王樓—山東莘縣一線存在東北西南向排列的塊狀回波，回波頂高為14 km；15:32，位于王樓的回波在向東南移動的過程中發(fā)展加強，強回波中心強度為63 dBz；15:38，回波范圍擴展到濮城鎮(zhèn)、楊集鄉(xiāng)和白衣閣鄉(xiāng)；15:44，強回波繼續(xù)向東南方向移動，并持續(xù)增強，最強回波達65 dBz，受其影響，附近的自動站出現(xiàn)6級以上的西西北風,并出現(xiàn)雷陣雨天氣。從沿雷達最強反射率因子核心所做的垂直剖面(圖3e)來看，大于60 dBz的強回波伸展高度達到9 km以上，遠在-20 ℃層等溫線高度(7.1 km)之上，出現(xiàn)強降雹的可能性很大[9]。15:38，塊狀對流回波分裂為兩個對流單體，隨著強回波東移南壓，一個對流單體向東南方向移動，影響范縣的白衣閣鄉(xiāng)、龍王莊鎮(zhèn)、陳莊鄉(xiāng)、楊集鄉(xiāng)、陸集鄉(xiāng)，16:20左右發(fā)展成超級單體，造成范縣南部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)強冰雹天氣，16:36之后移入山東境內(nèi)。另一個對流單體16:13—16:40東移影響臺前縣侯廟鄉(xiāng)、馬樓鄉(xiāng)和孫口鄉(xiāng)，先后出現(xiàn)冰雹天氣，17:18左右移出臺前縣。

圖3 2016-06-13雷達1.5°仰角基本反射率(鄭州:a-c；商丘：d；每圈距離為50 km)及對應時刻沿雷達最強反射率因子核心(細黃線)的垂直剖面(鄭州: e-g ；商丘：h；)

由于雷達探測距離的局限，17：00以后影響臺前縣東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的回波用商丘雷達產(chǎn)品進行分析。從1.5°仰角基本反射率圖可以看到，在地面輻合線上，15:54在山東聊城—莘縣一線有東北西南向?qū)α鲉误w形成的回波帶，該回波帶沿地面輻合線向東南方向移動，位于莘縣的對流單體16:37移至陽谷東北部時發(fā)展加強，最強回波達65 dBz，且呈現(xiàn)回波懸垂特征(剖面上)。17:14，該單體移至臺前縣打漁陳鄉(xiāng)境內(nèi)時回波減弱，17:20再次發(fā)展加強，強回波中心強度為63 dBz，17:32回波范圍變大，影響臺前恒發(fā)站，17:39達最強(圖3d)，從沿雷達最強反射率因子核心的垂直剖面圖(圖3h)來看，大于60 dBz強回波伸展高度達7.5 km以上，有利于降雹。在強回波影響時段(17:20—17:45)，臺前縣打漁陳鄉(xiāng)、恒發(fā)站出現(xiàn)冰雹天氣。17:45回波強度減弱到55 dBz， 17:51回波繼續(xù)減弱至50 dBz，17:45—17:51大于50 dBz強回波中心下移，伸展高度降至6.5 km以下，此時段冰雹天氣逐漸結(jié)束，主要以強降水為主，恒發(fā)站17：00—18：00出現(xiàn)短時強降水(40.5 mm)天氣，并伴有17.8 m/s(17:45)西北風。18:00左右，回波移出臺前縣境內(nèi)，影響臺前縣的強對流天氣結(jié)束。

4.2 徑向速度演變特征

濮陽多普勒雷達2.4°仰角徑向速度圖上，15:52，在范縣的白衣閣、龍王莊附近有小尺度輻合性氣旋存在(圖4a)；16:05，該系統(tǒng)東移南壓到范縣的高碼頭、陳莊附近；16:23，氣旋在范縣陳莊、楊集東南部加強為中氣旋(圖4b)，中氣旋轉(zhuǎn)動速度達15.5 m/s，中氣旋風速輻合區(qū)內(nèi)(范縣南部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn))出現(xiàn)了直徑為2～4 cm的大冰雹；16:29以后，該中氣旋移入山東境內(nèi),造成山東菏澤和濟寧的部分縣區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣；17:24，臺前的打漁陳鄉(xiāng)也監(jiān)測到中氣旋(圖4c)，說明此地有明顯的輻合上升運動，持續(xù)一個體掃后稍有減弱，此地也出現(xiàn)冰雹天氣，并伴有17.8 m/s的西北風。速度圖上，出現(xiàn)了多個小尺度氣旋和中氣旋，說明在中低壓內(nèi)，特別是在中氣旋內(nèi)，輻合上升運動特別強烈[10]。速度圖上中氣旋、大風區(qū)和輻合系統(tǒng)的出現(xiàn)為監(jiān)測預警強風暴天氣提供可靠依據(jù)。

每圈距離為50 km，黃色圓圈是中氣旋位置。圖4 2016-06-13濮陽雷達2.4°仰角(a-c)和1.5°仰角(d)徑向速度圖

16:42，在濮陽多普勒雷達1.5°仰角徑向速度圖(圖4d)上，臺前縣孫口鄉(xiāng)東部3.1 km上空出現(xiàn)速度差值為34 m/s的中層徑向輻合(MARC)，與700 hPa切變線移動路徑相對應，對MARC的研究表明，利用MARC預報地面大風的提前時間大約為10～30 min[11]，對照此次過程實況，下游的恒發(fā)站在16:56出現(xiàn)了7級左右的大風,從識別出MARC到大風出現(xiàn)有14 min的提前量。

4.3 垂直累積液態(tài)水含量(VIL)與冰雹指數(shù)(HI)

美國對400多個冰雹事件統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，冰雹直徑隨VIL的增大而增大，45 kg/m2以上的VIL一般產(chǎn)生1.9 cm以上的冰雹，55 kg/m2以上的VIL一般產(chǎn)生3 cm以上的冰雹[12]。

圖5是鄭州雷達的垂直累積液態(tài)水含量(VIL)。15:32，范縣南部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)VIL最大值為48 kg/m2；15:44(圖5a)，躍增至68 kg/m2；15:50(圖5b)，達到最大值70 kg/m2。較大的VIL值(>65 kg/m2)維持兩個體掃開始降雹，降雹期間VIL一直維持在55 kg/m2以上(圖5c)，降雹結(jié)束后范縣境內(nèi)的VIL降至13 kg/m2(圖5g)，較大的VIL中心移入山東境內(nèi)。對照降雹時段可以看出，這次過程中大冰雹落區(qū)與VIL大值區(qū)有較好的對應關系。

圖5 2016-06-13鄭州雷達垂直累積液態(tài)水含量VIL(單位為kg/m2)

從鄭州雷達冰雹指數(shù)(HI)疊加風暴屬性表(圖略)可見，15:26，在范縣西南部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)識別有冰雹指數(shù)，風暴代號為E0，大冰雹發(fā)生概率為20%，15:32為70%，15:38為80%，15:44為100%?？山底畲蟊⒅睆綇?2.7 mm逐漸增大到63.5 mm。大冰雹發(fā)生概率達100%維持兩個體掃后開始降雹，降雹后大冰雹發(fā)生概率稍有減小，但都在70%之上，冰雹發(fā)生概率一直在100%，而可降最大冰雹直徑為38～50 mm。雖然冰雹指數(shù)虛警率較高，但當冰雹發(fā)生概率為100%，且可降最大冰雹直徑在10 mm以上，并呈增大趨勢時，對出現(xiàn)冰雹甚至出現(xiàn)大冰雹有預警意義。

5 結(jié)論

(1)該次濮陽東部地區(qū)的強冰雹天氣是東北冷渦后部西北氣流攜帶冷空氣東移南壓過程中造成的；高空急流和中低層切變線的存在、上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)及高空冷平流作用導致了本次強對流天氣的發(fā)生；強冰雹天氣出現(xiàn)在暖低壓與冷空氣交匯的區(qū)域，地面輻合線是這次強冰雹天氣的觸發(fā)機制。

(2)較大的對流有效位能、中等強度垂直風切變、合適的0 ℃層和-20 ℃層高度等等都有利于強冰雹天氣的發(fā)生。

(3)強冰雹天氣是由對流單體發(fā)展為超級單體時發(fā)生的，徑向速度圖上，中氣旋、大風區(qū)和輻合系統(tǒng)的出現(xiàn)，為監(jiān)測預警強風暴天氣提供可靠依據(jù)；較大的VIL出現(xiàn)與維持預示有出現(xiàn)大冰雹的潛勢，大冰雹落區(qū)與垂直累積液態(tài)水含量大值區(qū)有較好的對應關系；當冰雹發(fā)生概率為100%時，且可降最大冰雹直徑在10 mm以上，并呈增大趨勢，對出現(xiàn)冰雹甚至出現(xiàn)大冰雹有預警意義。

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