2017年7月昭通冰雹天氣綜合分析

秦 瑞，曾清川

(云南省昭通市氣象局，云南 昭通 657000)

1 引言

冰雹是一種由強對流系統(tǒng)所引發(fā)的劇烈天氣現(xiàn)象，局地性強、生命史短、突發(fā)性強，常伴隨狂風、強降水、急劇降溫等陣發(fā)性災害天氣，給農業(yè)、林業(yè)及人民生命財產安全等造成嚴重的損失。昭通地處云貴川三省結合處，金沙江下游沿岸，坐落在四川盆地向云貴高原抬升的過渡地帶，地勢南高北低，最低海拔267 m，最高海拔4 040 m，境內地貌復雜多樣，高山交錯，特殊的地理特征導致局部地區(qū)容易形成強烈的上升氣流，為冰雹天氣的形成發(fā)展提供有利的條件。經氣象災害管理系統(tǒng)統(tǒng)計，2017年昭通共出現(xiàn)15次冰雹災害，受災人口135 825人，造成經濟損失8 502.59萬元，其中14次出現(xiàn)在7月，為了更多的了解昭通冰雹災害的天氣特征，加強昭通冰雹天氣的短時和臨近預報能力，本文利用NCEP再分析資料、宜賓和威寧探空資料、昭通多普勒天氣雷達觀測資料對7月14次冰雹天氣的天氣形勢背景、環(huán)境場、雷達回波參數(shù)特征等進行詳細探討。

2 冰雹災害分布

2017年7月昭通冰雹災害發(fā)生在南部昭陽區(qū)、魯?shù)榭h、巧家縣和東部鎮(zhèn)雄縣、彝良縣、威信縣，六個縣區(qū)在7月都發(fā)生了2～3次冰雹災害，冰雹災害發(fā)生時間段為15—21時，其中主要集中在15—18時(10次)。

圖1 2017年7月昭通冰雹災害時空分布圖Fig.1 Spatial and temporal distribution of hailstorm disaster in Zhaotong in July 2017

3 天氣形勢背景

2017年7月昭通冰雹除30日發(fā)生在20時以后，其余的都發(fā)生在14—20時之間，為了更好的了解冰雹發(fā)生的形勢背景，運用NCEP再分析資料分析30日20時和其余冰雹日14時的高低空環(huán)流平均形勢場(圖2)，可以看出500 hPa平均高度場上588線西伸到川渝交界處附近，青藏高壓控制整個青藏高原，昭通處在青藏高壓和西太平洋副熱帶高壓形成的輻合區(qū)，青藏高壓和西太平洋副熱帶高壓兩個大尺度天氣系統(tǒng)在熱帶大氣和中高緯度大氣的熱量和能量交換中起橋梁作用，它們之間形成的輻合區(qū)是熱量和動量交換的通道，是大氣活動最為激烈的地區(qū)，兩高輻合為昭通冰雹的發(fā)生提供了熱量和動量條件，700 hPa平均流場上熱帶低壓外圍的東南氣流將南海的水汽帶至昭通上空，為昭通冰雹的發(fā)生提供了水汽條件。分析2017年7月昭通冰雹日單日的天氣形勢背景發(fā)現(xiàn)昭通冰雹的發(fā)生與西太平洋副熱帶高壓和青藏高壓有緊密的聯(lián)系，冰雹天氣的影響系統(tǒng)主要有3種類型(表1)：一是500 hPa副高和青藏高壓形成的兩高輻合配合700 hPa的切變線，二是500 hPa和700 hPa都處在副高控制的邊緣，三是500 hPa副高或者青藏高壓附近的切變線配合700 hPa的切變線或低層輻合。

圖2 2017年7月昭通冰雹日500 hPa平均高度場(a)(單位： hPa)和700 hPa平均流場(b)(單位：m/s)Fig.2 Average height field of 500 hPa in July 2017 Zhaotong hailstorm (a) (unit:hPa) and 700 hPa (b) (unit: m/s)

4 冰雹發(fā)生前的環(huán)境場特征

通過探空資料和NCEP再分析資料分析冰雹發(fā)生前的環(huán)境場，因為昭通未設有探空站，所以采用鄰近的宜賓和威寧的探空資料來分析昭通上空的大氣層結狀況，2017年7月昭通冰雹除30日發(fā)生在20時以后，其余的都發(fā)生在14—20時之間，因此探空資料主要使用30日20時和其余冰雹日08時的資料來分析昭通冰雹發(fā)生前的環(huán)境場特征。

4.1 0 ℃、-20 ℃層高度特征

0 ℃和-20 ℃層分別是云中冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區(qū)下界，冰雹是一種直徑>0.5 cm的冰相降水粒子，多數(shù)為橢圓形、球形和錐形，在強對流云體中上部的上升氣流中反復增長形成冰雹，最后在降落過程中穿過0 ℃層高度后，部分融化。冰雹形成除0 ℃凍結層高度適當外，還要有一定的負溫區(qū)供雹胚運動增長，水滴一般在-20 ℃凝結成冰，因此，-20 ℃層高度也是判斷是否有利于冰雹形成的重要參數(shù)。各地的0 ℃、-20 ℃層有所不同，段鶴等[1]研究發(fā)現(xiàn)滇南降雹天氣過程對應的0 ℃、-20 ℃高度為2.8～5.5 km、7.1～8.9 km，仇娟娟等[2]分析發(fā)現(xiàn)蘇浙滬冰雹天氣-20 ℃、0 ℃層高度在5.6～7.6 km、2.8～4.1 km之間。

表1 冰雹發(fā)生的時間地點和中低空影響系統(tǒng)Tab.1 Time and place of hail occurrence and low and medium altitude impact system

統(tǒng)計分析冰雹日宜賓站和威寧站08時和20時的0 ℃和-20 ℃層的高度資料分析發(fā)現(xiàn)(圖3)宜賓站和威寧站的0 ℃層高度日變化平均值分別為0.2 km、0.15 km，-20 ℃層高度的日變化平均值分別0.11 km、0.15 km；宜賓站和威寧站的0 ℃層高度分別為5.1～5.7 km、5.0～5.6 km，平均高度分別為5.4 km和5.3 km；宜賓站和威寧站的-20 ℃層高度均為8.3～8.8 km，平均高度都是8.6 km。

通過綜合分析宜賓和威寧兩站的0 ℃和-20 ℃層高度特征可以推斷出昭通冰雹日的0 ℃和-20 ℃層高度主要有以下特征：0 ℃和-20 ℃層高度的日變化平均值≤0.2 km；0 ℃層高度為5.0～5.7 km，平均高度為5.3 km；-20 ℃層高度為8.3～8.8 km，平均高度8.6 km。

圖3 2017年7月冰雹日0 ℃層、-20 ℃層高度Fig.3 July 2017 hail day 0 ℃ and 20 ℃ layer height

4.2 層結條件

溫度垂直遞減率和假相當位溫的垂直遞減率可反映大氣的穩(wěn)定狀態(tài)，常用850 hPa與500 hPa高度上的溫度差T850-T500和假相當位溫差θse850-θse500來表征大氣的層結穩(wěn)定度，T850-T500愈大愈不穩(wěn)定，θse850-θse500>0時對應不穩(wěn)定，且θse850-θse500值愈大愈不穩(wěn)定。統(tǒng)計分析宜賓站30日20時和其余冰雹日08時的T850-T500和θse850-θse500(表2)發(fā)現(xiàn)：昭通冰雹日宜賓站850 hPa與500 hPa高度上的溫度差T850-T500為22～29 ℃，平均值為25.4 ℃，除19日外其余冰雹日T850-T500都在24 ℃以上；850 hPa與500 hPa高度上的假相當位溫差θse850-θse500雖為1.3～31.8 ℃，但9個冰雹日中有7日的θse850-θse500都14 ℃以上，說明冰雹發(fā)生前大氣層結極不穩(wěn)定。

4.3 水汽條件

溫度露點差可以表征水汽條件，溫度露點差越小，表征水汽條件越好，當溫度露點差≤5 ℃時，視為濕區(qū)。統(tǒng)計分析宜賓站30日20時和其余冰雹日08時的850 hPa和500 hPa的溫度露點差T850-Td850和T500-Td500發(fā)現(xiàn)昭通冰雹日的干濕層分布有3種情況，并非都是上干下濕的配置(圖4)：一是850 hPa和500 hPa溫度露點差都較大(>5 ℃)，中低層都為干層的干入侵型，如11日和30日，其中11日的850 hPa和500 hPa溫度露點差都達到了20 ℃以上；二是850 hPa溫度露點差較小(≤5 ℃)、500 hPa溫度露點差較大(>5 ℃)，即低層為濕區(qū)中層為干區(qū)的上干下濕型，如18日、23日、27日、28日；三是850 hPa和500 hPa溫度露點差都較小(≤5 ℃)中低層都為濕區(qū)的濕層深厚型，如19日、24日、25日。

表2 宜賓站T850-T500和θse850-θse500(單位：℃)Tab.2 Yibin station T850-T500 and theta se850- theta se500(unit: ℃)

圖4 宜賓站T850-Td850和T500-Td500(單位：℃)Fig.4 Yibin stand T850-Td850 and T500-Td500(unit: ℃)

4.4 能量條件

統(tǒng)計分析宜賓站和威寧站30日20時和其余冰雹日08時氣團指標(K)、沙氏指數(shù)(SI)、對流有效位能(CAPE)等指標參數(shù)(表3)，尋找其與昭通冰雹之間的關系。

氣團指標K指數(shù)是一個經驗指標，能同時反映大氣層結穩(wěn)定度和中低層的水汽條件，K值越大，潛能越大，大氣越不穩(wěn)定。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)冰雹日宜賓站的K值為16～46 ℃，但除11日中低層水汽條件非常差K值僅為16 ℃外，其余冰雹日的K值都在34 ℃以上。

沙氏指數(shù)(SI)本質是指850 hPa處的“保守”氣塊被抬升到500 hPa時，與環(huán)境溫度的差異，可以用來判斷對流層中層是否存在熱力不穩(wěn)定層結，SI指數(shù)受日變化影響較小，如SI>0，則表示穩(wěn)定，反之，SI<0，則表示不穩(wěn)定。據國外研究，當0 ℃

對流有效位能(CAPE)是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時的正浮力所產生的能量的垂直積分，是一種浮力能，可轉化為對流上升運動的能量，一般來說，對流有效位能越大，雷暴出現(xiàn)后其內部的上升氣流也越強，出現(xiàn)冰雹天氣的可能性也越大。運用14時的氣壓、溫度、露點資料通過修正抬升點的方法，將除30日以外的冰雹日的宜賓站和威寧站CAPE值訂正到午后14時(圖5a、5b)，可以看出訂正后兩站的CAPE值都非常大，宜賓站最大的CAPE值高達4 533.6 J·kg-1，最小的CAPE值也接近1 000 J·kg-1，絕大多數(shù)都在2 500 J·kg-1以上，威寧站的CAPE值絕大多數(shù)也在1 300 J·kg-1以上。同時通過訂正還發(fā)現(xiàn)，14時的CAPE值較08時普遍都增大了1 000 J·kg-1以上，說明上午的熱力不穩(wěn)定性出現(xiàn)明顯增大，有利于對流的發(fā)展；30日宜賓站和威寧站的CAPE值也從08時808.9 J·kg-1、308.9 J·kg-1增長到了20時1 419 J·kg-1、1 052.3 J·kg-1，增大幅度也在600 J·kg-1以上。

綜合分析發(fā)現(xiàn)：當宜賓站K>34 ℃，宜賓站SI<-1 ℃，威寧站SI<3 ℃時，昭通便有出現(xiàn)冰雹的可能，分析還發(fā)現(xiàn)宜賓和威寧站08時的CAPE值對昭通冰雹天氣指示作用較弱，但將其訂正到14時后的CAPE值對昭通冰雹天氣指示作用明顯，冰雹日訂正后的CAPE值宜賓站在2 500 J·kg-1以上，威寧站在1 300 J·kg-1以上，訂正后14時的CAPE值較08時增長達到1 000 J·kg-1以上。

表3 宜賓和威寧探空站環(huán)境參數(shù)Tab.3 Environmental parameters of Yibin And Weining sonde stations

圖5 宜賓站(a)、威寧站(b)CAPE變化圖Fig.5 CAPE variability of Yibin station(a) and Weining station(b)

4.5 動力條件

垂直速度表征大氣的垂直運動，大氣層結不穩(wěn)定能量須在一定的上升運動條件下才能釋放出來，從而形成對流天氣。大氣中的能量轉換主要也是通過垂直運動才得以實現(xiàn)，因此，垂直速度也是天氣分析和預報中最常用的物理量之一，在P坐標系中當垂直速度ω<0時為上升運動，ω值愈小上升運動愈強烈，反之為下沉運動。運用NCEP再分析資料分析30日20時和其余冰雹日14時昭通境內的P坐標垂直速度(表4)發(fā)現(xiàn)昭通冰雹日的垂直速度主要表現(xiàn)出以下特征：昭通冰雹日850 hPa、700 hPa、500 hPa的垂直速度都為負值，表明昭通境內上升運動強烈，上升運動從低層一直延伸到了500 hPa以上，850 hPa的垂直速度<-15×10-2Pa/s，700 hPa的垂直速度<-5×10-2Pa/s，500 hPa的垂直速度<-5×10-2Pa/s。

表4 冰雹日昭通境內850 hPa、700 hPa、500 hPa垂直速度(單位：10e-2·Pa·s-1)Tab.4 Vertical speed of 850 hPa, 700 hPa and 500 hPa in Zhaotong on hail day (unit:10e-2·Pa·s-1)

5 冰雹云雷達回波參數(shù)特征

多普勒天氣雷達是監(jiān)測和預警冰雹等強對流天氣的重要工具之一，運用昭通多普勒天氣雷達資料分析冰雹出現(xiàn)時冰雹云的回波參數(shù)特征。昭通多普勒天氣雷達位于昭通市昭陽區(qū)境內，為C波段天氣雷達。因為受到探測距離和昭通地形的影響，雷達在威信縣和鎮(zhèn)雄縣境內出現(xiàn)了探測盲區(qū)，不能有效探測兩縣區(qū)域內的天氣情況，所以只能分析昭陽區(qū)、魯?shù)榭h、巧家縣、彝良縣4個縣區(qū)冰雹出現(xiàn)時冰雹云的雷達回波參數(shù)特征。昭陽區(qū)因境內降雹點距離雷達的直線距離只有20～30 km，彝良縣因涼風臺山脈的遮擋，只有高仰角才有回波顯示，所以在分析昭陽和彝良的雷達回波強度特征時均分析的是4.3°仰角，其余分析的為2.4°仰角。

5.1 冰雹云的雷達回波強度特征

冰雹云是強風暴的產物，根據微波散射理論，冰雹的尺度比較大，其回波強度特別強，根據多普勒雷達多年的實地觀測事實，冰雹云最大回波強度，也就是降雹過程中在冰雹云體所觀測到的最大基本反射率值達到了55 dBz以上(李玉林等，2001)，對流發(fā)展旺盛的冰雹云回波強度可達65～70 dBz。統(tǒng)計分析7月冰雹日的冰雹云最大回波強度(表5)，可以發(fā)現(xiàn)冰雹云的最大回波強度都在55 dBz以上，其中最小值為55.2 dBz，最大值達到67.9 dBz，且9次過程中有6次的最大回波強度都在60 dBz以上。

5.2 冰雹云回波高度特征

冰雹云的回波頂高度反映了風暴發(fā)展的強烈程度，分析發(fā)現(xiàn)7月冰雹日冰雹云回波頂高都在10 km以上。SCIT算法中規(guī)定風暴單體的30 dBz回波的最大高度和最小高度分別為風暴頂高和風暴底高，風雹頂高比回波頂高度低，分布與回波高度分布基本一致，分析7月冰雹日的冰雹云風暴頂高(30 dBz回波頂高)發(fā)現(xiàn)風暴頂高均超過回波頂高的70%(表5)。

5.3 冰雹云VIL特征

垂直液態(tài)含水量VIL在計算中被定義為單位面積上空氣柱液態(tài)水混合比的垂直積分(單位kg/m2)，VIL的大小反映了風暴發(fā)展的強弱，最大單體VIL值為該次降雹過程中雷達探測到的單體VIL值的極大值，分析發(fā)現(xiàn)7月冰雹日冰雹云的最大單體VIL值都在14 kg/m2以上，最大單體VIL值的最大值達到了27.3 kg/m2(表5)。

表5 冰雹云雷達回波參數(shù)Tab.5 Radar echo parameters of hail cloud

6 結論

通過對2017年7月昭通的14次冰雹天氣發(fā)生的天氣形勢背景、環(huán)境場、雷達回波參數(shù)特征等進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)昭通發(fā)生的冰雹天氣具有以下幾個主要特征：

①冰雹的發(fā)生與西太平洋副熱帶高壓、青藏高壓有緊密的聯(lián)系，西太平洋副熱帶高壓、青藏高壓之間的輻合配合700 hPa切變線是產生冰雹天氣的主要影響系統(tǒng)。

②0 ℃和-20 ℃層的高度為5.0～5.7 km、8.3～8.8 km。

③冰雹發(fā)生前層結極不穩(wěn)定。

④干濕層分布并非都是上干下濕的配置，在干入侵、上干下濕、濕層深厚這3種中低層配置下昭通都有可能出現(xiàn)冰雹天氣。

⑤宜賓和威寧站08時的CAPE值對昭通冰雹天氣指示作用較弱，但將其訂正到14時后CAPE值對昭通冰雹天氣指示作用明顯。

⑥冰雹發(fā)生前上升運動強烈，上升運動從低層一直延伸到了500 hPa以上。

⑦昭通冰雹天氣雷達回波最大回波強度在55 dBz以上，回波頂高達到10 km以上，風暴頂高超過回波頂高的70%，最大單體VIL值在14 kg/m2以上。