2017年貴州中西部冰雹流型識別和物理量特征檢驗

吳哲紅,胡秋紅,蒙 軍,符鳳平，王興菊

(貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000)

1 引言

冰雹等強對流天氣是貴州常見的災(zāi)害性天氣，貴州中西部海拔高度適宜，處于下坡地形，是冰雹多發(fā)區(qū)，每年均造成不同程度的災(zāi)害，對于冰雹天氣，國內(nèi)外多位學(xué)者開展了研究，藍(lán)渝等[2]基于地面加密觀測資料、衛(wèi)星云圖資料和NCEP1°×1°資料，對華北區(qū)域冰雹開展了天氣分型和云系特征分析；張一平等[3]利用常規(guī)高空、地面觀測資料和探空、雷達(dá)資料，對河南區(qū)域的強對流天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件進(jìn)行了中尺度綜合分析和物理量要素分析，中央氣象臺將大范圍的降雹過程按高空天氣形勢分為高空冷槽型、高空西北氣流型、南支槽型等[4]，此后多位學(xué)者對冰雹過程開展了天氣形勢分型研究[5-8]：對于冰雹的研究取得很多進(jìn)展，揭示了雷雨大風(fēng)、冰雹及大風(fēng)冰雹三類強對流天氣的特征和規(guī)律；但由于冰雹局地性強，各地冰雹天氣環(huán)流特征各有特點，使得原有的天氣學(xué)環(huán)流分型不夠適用，近年流型識別和“配料法”被認(rèn)為是一項很有用的預(yù)報技術(shù)[9]，貴州的學(xué)者也對冰雹天氣研究做了持續(xù)的努力，對流型識別和物理量閾值方法開展了探索[10]：利用貴州近13 a(2000—2012年)春季的氣象資料，依據(jù)強對流天氣發(fā)生的動力條件和層結(jié)穩(wěn)定情況，萬雪麗等[1]將貴州春季強冰雹事件進(jìn)行不同類型的分類研究，給出貴州強冰雹天氣發(fā)生的有利環(huán)流形勢類型為: 西北氣流型、高空槽型、鋒前降雹型和高架雷暴型，高架雷暴又分為靜止鋒后高架雷暴型和冷鋒后高架雷暴型，對4種流型均給出了概念模型及物理量閾值。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，冰雹的環(huán)流分型和關(guān)鍵物理量分析是預(yù)報冰雹的有效方法，但由于各地天氣特征不同，環(huán)流分型和關(guān)鍵物理量均需要多次檢驗才能有效。

2017年2—7月，貴州中西部共發(fā)生了7次冰雹過程，并分別伴有雷暴大風(fēng)、短時強降水等，本文應(yīng)用中尺度分析方法和天氣學(xué)診斷方法，基于文獻(xiàn)[1]的冰雹天氣概念模型，對2017年冰雹過程進(jìn)行流型劃分和物理量診斷分析，研究冰雹潛勢預(yù)報的中尺度流型劃分和關(guān)鍵物理量因子，以區(qū)分各次過程的流型特征和物理量特征，檢驗貴州省冰雹潛勢預(yù)報中尺度分型特征和關(guān)鍵物理量因子在貴州中西部的應(yīng)用情況。

2 2017年冰雹過程實況

萬雪麗等[10]的統(tǒng)計表明貴州冰雹多發(fā)生于傍晚到前半夜，2017年2月下旬—7月下旬貴州中西部共發(fā)生了7次冰雹過程(表1)，發(fā)生時間均在傍晚到前半夜，以發(fā)生月日作為過程編號；其中有2次發(fā)生在傍晚(0224和0730)，其余的過程主要發(fā)生時間均在前半夜，最大冰雹直徑發(fā)生在0522過程為15～20 mm，天氣現(xiàn)象除一次過程(0224)外，其余的均伴有短時強降水，2次過程伴有大風(fēng)(0405和0730) 。

3 過程環(huán)流分型

萬雪麗等[1]將貴州春季強冰雹事件進(jìn)行不同類型的分類研究，給出貴州強冰雹天氣發(fā)生的有利環(huán)流形勢類型為:西北氣流型、高空槽型、鋒前降雹型和高架雷暴型，高架雷暴又分為靜止鋒后高架雷暴型和冷鋒后高架雷暴型，對4種流型均給出了概念模型，以下將對2017年7次冰雹過程進(jìn)行中尺度分析，并與文獻(xiàn)[1]給出的概念模型對比，進(jìn)行流型劃分。

表1 2017年2—7月冰雹過程實況表Tab.1 Hail process occurred on February to July, 2017

3.1 西北氣流型

按照標(biāo)準(zhǔn)，此型500 hPa高空槽已移至貴州中東部，青藏高原—貴州為西北氣流控制，700 hPa西南氣流影響，冰雹發(fā)生前貴州區(qū)域往往有溫度脊發(fā)展，850 hPa偏南或東南氣流；大氣層結(jié)上干冷，下層暖濕氣流發(fā)展，加強層結(jié)不穩(wěn)定性，利于冰雹發(fā)生。

此型2017年出現(xiàn)1次(5月22日)，08—20時貴州西部處于槽后，受西北氣流影響，500 hPa從高原有干冷空氣侵入貴州，從高原到四川有階梯槽東移，使得貴州西部越來越干冷，加大不穩(wěn)定的程度，冷鋒在河套附近，云南東部有低槽切變，中低層在云南西南部—貴州中部有切變，廣西—貴州有暖濕氣流輸送。貴州中西部處于下濕上干的區(qū)域，地面有一條中尺度輻合線，從廣東有暖濕舌向北伸展，存在干濕分界的露點鋒區(qū)。強對流天氣出現(xiàn)在地面輻合線附近。

3.2 高空槽型

青藏高原東部及云南中東部有高空槽東移影響，溫度槽落后于高度槽；700 hPa西南氣流，在云南南部—廣西北部通常有低空急流，850 hPa為偏東氣流或東北氣流。

此型2017年出現(xiàn)3次：

①4月5日在秦嶺以南到高原東側(cè)有高原槽，云南南部有南支槽，地面貴州中西部維持一中尺度輻合線，大風(fēng)冰雹天氣出現(xiàn)在850 hPa濕區(qū)和700 hPa干區(qū)疊加的區(qū)域，低空急流左側(cè)，沿地面輻合線一帶。

②4月30日500 hPa從河套西部—四川盆地—貴州有階梯槽，地面貴州中部有中尺度輻合線，強對流天氣出現(xiàn)在地面輻合線南側(cè)，低層濕舌和高層干舌疊加的區(qū)域。

③7月30,在臺灣—福建附近臺風(fēng)海棠正在登陸，其西部的偏東風(fēng)已經(jīng)開始影響貴州東部地區(qū)，從500～850 hPa都有低槽切變配合溫度槽，地面貴州中西部存在東風(fēng)和西北風(fēng)的中尺度輻合線，干冷空氣從北部南下，與東部的臺風(fēng)外圍暖濕氣流在貴州交匯，由于貴州特殊的西高東低、北高南低的地形，使得大氣層結(jié)下暖濕，上干冷，不穩(wěn)定性增加，在午后—傍晚造成了雷暴冰雹大風(fēng)天氣，強對流天氣大致出現(xiàn)在地面干濕鋒區(qū)附近。

3.3 鋒前降雹型

高原東部及云南中東部有高空槽東移，溫度槽落后于高度槽；700 hPa切變線位于重慶—湖北東部一線，云貴地區(qū)為西南氣流，850 hPa切變線壓至江南，處于冷鋒或靜止鋒前。此型鋒前暖濕區(qū)對應(yīng)高層干冷區(qū)，不穩(wěn)定能量釋放易造成冰雹。

此型出現(xiàn)2次：

①4月20日08—20時冷鋒沿四川中部從正北路徑南壓到貴州，地面貴州中南部存在露點鋒區(qū)，貴州南部上干下濕，層結(jié)不穩(wěn)定，由于冷鋒及高空槽、低層切變的抬升，在貴州南部造成大風(fēng)冰雹等強對流天氣，落區(qū)在高空干舌和低層濕度疊加的區(qū)域，地面冷鋒附近。

②5月5日，四川北部的冷鋒自北向南影響貴州，冷鋒前有地面輻合線在貴州中部，地面貴州西南部存在露點鋒區(qū)，貴州南部處于低層暖濕、高層干冷的區(qū)域，強對流天氣發(fā)生在冷鋒到低層切變附近，上干下濕的區(qū)域。

3.4 高架雷暴型

此型高原南側(cè)有南支槽緩慢東移，河套地區(qū)有短波槽，700 hPa切變線位于黃淮—川東，云貴—湖南低空急流≥20 m/s,850 hPa切變線和地面靜止鋒或冷鋒已南壓，貴州處于鋒后，如果鋒面以上中高層存在不穩(wěn)定層結(jié)，在鋒面以上不穩(wěn)定能量釋放容易造成冰雹。

此型2017年發(fā)生一次，為2月26日低溫背景下的靜止鋒后高架雷暴型：2月22—24日冷空氣南壓已經(jīng)在云貴之間形成靜止鋒，24日貴州處于靜止鋒鋒后冷區(qū)，700 hPa有西南急流，西南急流核最大風(fēng)速達(dá)到24 m/s，低層在貴州北部有北風(fēng)和西南風(fēng)的切變，貴州中部處于切變南側(cè)和西南急流核左側(cè)，靜止鋒鋒面以上的不穩(wěn)定層結(jié)抬升在貴州中部產(chǎn)生了冰雹。

表2 發(fā)生冰雹前各型的物理量及與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)比較(黑色粗體字是符合標(biāo)準(zhǔn)的)Tab.2 Comparison of physical quantity characteristics and indicators of various types before hail occurrence (Black bold font showed consistent with the standard indicator)

可見2017年全部冰雹過程可以用4種分型包括，初步檢驗表明劃分方法適用于貴州中西部的冰雹天氣，概念模型同時給出了各型的幾種物理量指標(biāo)，如0 ℃層、-20 ℃層高度，大氣層結(jié)上下層溫差等，進(jìn)一步對2017年幾次過程根據(jù)探空資料分析了發(fā)生冰雹前的大氣層結(jié)及物理量指標(biāo)，并與概念模型進(jìn)行比較：其中有符合的也有不近符合的，同時本研究還給出了另外幾種物理量，試圖補充完善概念模型中物理量閾值。

根據(jù)表2，0 ℃層高度和-20 ℃層高度基本與概念模型符合，但2月24日的高架雷暴高度明顯不符，CAPE、上下層溫差也基本符合，但垂直風(fēng)切變基本都比標(biāo)準(zhǔn)偏小，此外統(tǒng)計了幾次冰雹過程的抬升指數(shù)、K指數(shù)、SI指數(shù)等，有以下共同特征：抬升指數(shù)基本為負(fù)值或小于1(除高架雷暴外),K指數(shù)≥36(除高架雷暴外),CIN和DCAPE有一定數(shù)值并明顯小于CAPE。

4 環(huán)境潛勢物理量特征

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，貴州冰雹的發(fā)生時間分布具有午后和前半夜的特征，2017年貴州中西部冰雹過程有2次發(fā)生在午后(2月24日和7月30日)，其它過程都發(fā)生在前半夜，而有效的探空觀測目前還只有08時和20時，對于發(fā)生在傍晚的冰雹探空不能較好體現(xiàn)層結(jié)特征，加之貴州僅有2個探空站，對于發(fā)生在貴州中西部的冰雹過程，不一定能較好體現(xiàn)動力和水汽特征，因此采用NCEP1°×1°再分析資料，選取0～6 km垂直風(fēng)切變、抬升指數(shù)、相對濕度垂直分布、CAPE、CIN等動力、熱力不穩(wěn)定物理量，分析冰雹發(fā)生前最近時次大氣的動力和水汽及不穩(wěn)定特征(對于發(fā)生在午后的冰雹，分析14時的，對于發(fā)生于前半夜的冰雹，分析20時的)，按照環(huán)流分型對每一類型進(jìn)行分型，結(jié)合產(chǎn)生天氣的不同，盡量找出每一類型的共性及與其他類型的不同，以便在今后的強對流潛勢預(yù)報中找到關(guān)鍵物理量因子。

4.1 垂直風(fēng)切變

垂直風(fēng)切變，尤其是大氣低層的垂直風(fēng)切變是影響對流發(fā)展強度和結(jié)構(gòu)的重要因素，是強對流天氣中有利于冰雹增長的有效條件。以下將利用NCEP再分析資料的0～6 km垂直風(fēng)切變分析各型典型過程的垂直風(fēng)切變特征(圖1)。

西北氣流型(0522)垂直風(fēng)切變不大，貴州中部為-7×10-3/s的中心,從貴州東部到西部，垂直風(fēng)切變從負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，說明高低空水平風(fēng)切變也較大，貴州中西部為垂直風(fēng)切變由負(fù)值轉(zhuǎn)正的區(qū)域。

高空槽型有3次個例，以0405為例，垂直風(fēng)切變中等強度，整個貴州區(qū)域垂直風(fēng)切變都為中等到較大的負(fù)值，貴州區(qū)域垂直風(fēng)切變達(dá)到-10×10-3/s,較大的垂直風(fēng)切變使得4月5日出現(xiàn)了冰雹外，還有大風(fēng)。

2次鋒前降雹過程，4月20日在西北部為中心4～6×10-3/s 的正垂直風(fēng)切變，西南部為大致相當(dāng)?shù)呢?fù)值垂直風(fēng)切變(圖略)，5月5日垂直切變較大，在貴州西部有-6～-8×10-3/s的垂直風(fēng)切變，北部有較小的正值，反映了鋒區(qū)前后的水平風(fēng)切變，5月5日出現(xiàn)了較大的冰雹。

高架雷暴型(0224)垂直風(fēng)切變絕對值最大，在貴州南部有一大值中心，中心達(dá)到-12～-14×10-3/s，從貴州南部到中西部數(shù)值迅速降低，冰雹出現(xiàn)在垂直風(fēng)切變梯度最大的地方?？梢娸^大的垂直風(fēng)切變有利于加強對流性天氣的強度。

4.2 抬升指數(shù)

抬升指數(shù)反映了自由對流高度以上不穩(wěn)定能量的大小，負(fù)值越大，發(fā)生強對流的可能性越大。

以下分析各典型個例的抬升指數(shù)特征(圖2)：

西北氣流型，貴州中南部抬升指數(shù)為-2～-2.5 ℃，貴州西部為抬升指數(shù)梯度大值區(qū)。

高空槽型3次個例，抬升指數(shù)負(fù)值并不太大，但在貴州中部一線為正負(fù)值過渡區(qū)，反映的地面中尺度氣溫梯度。

鋒前過程(0420、0505)抬升指數(shù)在貴州西部或西南部為負(fù)值，中心絕對值大小為2～3 ℃，貴州西部到南部為抬升指數(shù)梯度區(qū)，強對流天氣發(fā)生區(qū)域在抬升指數(shù)梯度大值區(qū)。

高架雷暴型(0224)抬升指數(shù)為正值，由于此次過程發(fā)生在冬季，地面溫度僅為0～2 ℃，溫濕能量較小，地面熱力抬升的可能較小。

抬升指數(shù)體現(xiàn)了熱對流發(fā)生的可能，冷季發(fā)生熱對流的可能性低，暖季對流性天氣發(fā)生在抬升指數(shù)負(fù)值絕對值較大的區(qū)域或梯度大值區(qū)。

4.3 CAPE和CIN

用來衡量熱力不穩(wěn)定大小的最佳參量是對流有效位能(CAPE)。CAPE是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，是風(fēng)暴潛在強度的一個重要指標(biāo)，而對流抑制能量CIN表示了對流產(chǎn)生需要克服的能量，適當(dāng)?shù)膶α饕种颇芰緾IN使得對流有效位能CAPE持續(xù)積累并處于高值狀態(tài)，是雷雨大風(fēng)天氣持續(xù)發(fā)生的重要原因；分析4種類型的CAPE和CIN，試圖通過分析CAPE和CIN的分布配置，找出對流天氣發(fā)生的強度、種類的特征(圖3)：

圖1 4種類型的垂直風(fēng)切變分布(a:西北氣流型：0522，b：高空槽型：0405，c：鋒前降雹型：0505，d：高架雷暴型：0224，單位：10-3/s)Fig.1 Vertical wind shear of four patterns(a:Pattern Northwest airflow:0522;b:Pattern Trough:0405;c:Pattern Before the cold wind:0505;d：Pattern Elevated thunderstorm：0224，unit：10-3/s)

圖2 4種類型的抬升指數(shù)(a:西北氣流型：0522，b：高空槽型：0405，c：鋒前降雹型：0505，d：高架雷暴型：0224，單位：℃)Fig.2 Lift Index of four patterns(a:Pattern Northwest airflow:0522;b:Pattern Trough:0405;c:Pattern Before the cold wind:0505; d：Pattern Elevated thunderstorm：0224，unit：℃)

西北氣流型(0522)CAPE最大，在貴州西南部達(dá)到1 400 J/kg,CIN在貴州西南部也有負(fù)值大值中心為-40 J/kg，強對流天氣發(fā)生在CAPE正值和CIN負(fù)值區(qū)疊加區(qū)域附近。

高空槽型(0405和0430、0730)CAPE不太大，對流性天氣也是發(fā)生在CAPE和CIN大值區(qū)疊加的區(qū)域，這種類型除冰雹外短時強降水特征也很明顯， 4月5日在貴州西部CAPE為500～600 J/kg，貴州中南部有-100 J/kg的對流抑制能量，對流克服了較大的CIN數(shù)值，產(chǎn)生的對流性天氣除冰雹外還有大風(fēng)。

鋒前降雹型(0420和0505)CAPE并不大，在貴州西部有300～600 J/kg的CAPE值大值中心和對流抑制能量CIN負(fù)值中心，負(fù)值達(dá)到-40～-50 J/kg，冰雹發(fā)生在CAPE正中心和CIN負(fù)中心配合的區(qū)域。

高架雷暴型(0224)CAPE和CIN在貴州都為0，可見過程發(fā)生在冷季，熱力條件不夠。

CAPE和CIN體現(xiàn)了對流性可以達(dá)到的強度， 暖季強對流天氣發(fā)生在CAPE正值區(qū)和CIN負(fù)值區(qū)疊加的區(qū)域，較大的CIN下產(chǎn)生的對流表明了對流達(dá)到較大的強度，利于產(chǎn)生大冰雹。

圖3 4種類型的CAPE和CIN配置(實線為CAPE,虛線為CIN;a:西北氣流型：0522，b：高空槽型：0405，c：鋒前降雹型：0505，d：高架雷暴型：0224，單位：J /kg)Fig.3 Lift Index of four patterns(a: Pattern Northwest airflow:0522; b:Pattern Trough:0405;c: Pattern Before the cold wind:0505; d： Pattern Elevated thunderstorm：0224，unit：J /kg)

4.4 相對濕度垂直分布

西北氣流型相對濕度在700～600 hPa接近飽和，向上濕度降低，在400 hPa左右有一干層。

高空槽型濕度大值區(qū)在中層低空急流附近，向上伸展?jié)穸冉档偷?0%，整層濕度不是太低，這種類型除伴有冰雹外，短時強降水特征也很明顯。

鋒前降雹型飽和層從底層一直伸展到達(dá)500 hPa左右，但再往上濕度迅速降低，5月5日在500 hPa以上至450 hPa相對濕度迅速降低到10%，說明中高層有干冷空氣侵入，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，產(chǎn)生了大冰雹。

高架雷暴型在貴州中西部地區(qū)中低層有寬廣的伸展到500 hPa的濕層，為低空急流造成，向上到400 hPa濕度迅速降低到10%左右(圖4)。

對相對濕度的分析表明強對流天氣的濕度垂直分布特點為下濕上干，4種類型均有此特點，但濕層飽和的區(qū)域和濕度降低的速度、相對干層的相對濕度等的配置不同造成強對流的特點和強度不同。

5 結(jié)論和討論

本文對2017年貴州中西部發(fā)生的冰雹天氣進(jìn)行了環(huán)流劃分和特征物理量分析，結(jié)果表明：

①文獻(xiàn)[1]的環(huán)流劃分方法基本適用于貴州中西部的冰雹天氣，利用探空資料分析發(fā)現(xiàn)冰雹發(fā)生前的大氣層結(jié)背景如0 ℃層、-20 ℃層高度，層結(jié)溫差,CAPE等與標(biāo)準(zhǔn)有一致的地方，也有不一致的地方，說明物理量閾值有可改進(jìn)的地方。

圖4 4種類型的相對濕度沿25.5°N分布(a:西北氣流型0522，b：高空槽型0405，c：鋒前降雹型，0505，d：高架雷暴型：0224，單位：%)Fig.4 Relative humidity along 25.5°N of four patterns(a: Pattern Northwest airflow:0522; b:Pattern Trough:0405;c: Pattern Before the cold wind:0505; d： Pattern Elevated thunderstorm：0224，unit：%)

②通過NCEP再分析資料對冰雹發(fā)生最近時刻的環(huán)境潛勢物理量的分析發(fā)現(xiàn)，各型對流性天氣物理量特征有著共同的特征，且物理量的強度、配置等對于產(chǎn)生對流性天氣的強度、種類有一定的指示作用：較大的垂直風(fēng)切變有利于加強對流性天氣的強度；暖季對流性天氣發(fā)生在抬升指數(shù)負(fù)值絕對值較大的區(qū)域或梯度大值區(qū)。暖季強對流天氣發(fā)生在CAPE正值區(qū)和CIN負(fù)值區(qū)疊加的區(qū)域，較大的CIN下產(chǎn)生的對流表明了對流達(dá)到較大的強度，利于產(chǎn)生大冰雹。強對流天氣的濕度垂直分布特點為下濕上干，4種類型均有此特點，但濕層飽和的區(qū)域和濕度降低的速度、相對干層濕度等的配置不同造成強對流的特點和強度不同。

③本文僅分析了2017年的個例，對流型劃分和物理量的檢驗需要繼續(xù)做大量的個例分析檢驗。