天津市北辰地區(qū)冰雹發(fā)生規(guī)律及預(yù)警指標(biāo)初步分析

王 蒙，鄭 煜，齊群生

(天津市北辰區(qū)人工影響天氣辦公室 天津300400)

0 引 言

冰雹是天津市北辰區(qū)的重要災(zāi)害性天氣之一。冰雹發(fā)生季節(jié)性明顯、突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時間短，常常伴隨著閃電雷鳴和短時大風(fēng)等災(zāi)害天氣，不僅給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的損失，還會威脅到交通、通訊及人們的日常生活。因此，開展針對冰雹天氣的時間分布特征和預(yù)警指標(biāo)分析研究，對于防御冰雹災(zāi)害、指導(dǎo)人工防雹作業(yè)具有重要意義。

目前有許多專家和學(xué)者開展了針對不同地區(qū)冰雹天氣時空分布特征和預(yù)報預(yù)警的研究。李紅斌等[1]研究了大連地區(qū)冰雹的分布規(guī)律及氣候特征，并對產(chǎn)生降雹的天氣背景條件及相關(guān)氣象要素進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)；張智等[2]統(tǒng)計分析了寧夏冰雹日數(shù)的空間分布、年際變化、月際變化和持續(xù)時間等時空分布特征；廖向花等[3]研究了重慶冰雹氣候特征及人工防雹對策；宋薇等[4]研究了近年天津地區(qū)冰雹和雷暴天氣特征，分析了天津地區(qū)降雹、雷暴的時空分布特點，并總結(jié)出當(dāng)前雷暴云的移動路徑，以及引發(fā)此類天氣的主要影響系統(tǒng)。

由于目前針對天津北辰地區(qū)冰雹天氣的研究還存在空白，本文對北辰地區(qū)的冰雹預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行研究，利用2008—2017年北辰地區(qū)出現(xiàn)的40次冰雹天氣過程資料，分析了出現(xiàn)冰雹天氣的預(yù)警指標(biāo)和降雹天氣形勢特征，為今后開展冰雹預(yù)報方法研究和人工防雹打下基礎(chǔ)。

1 資料來源

本文冰雹資料選取2008—2017年間北辰區(qū)氣象站地面定時觀測資料、北辰區(qū)農(nóng)業(yè)志和防雹炮站的降雹記錄，內(nèi)容包括冰雹發(fā)生的時間、強(qiáng)度等要素。規(guī)定00:00至23:59，北辰區(qū)境內(nèi)任意地點出現(xiàn)冰雹時，定義該日為一個冰雹日。

2 北辰地區(qū)冰雹的時間分布特征

2.1 冰雹的年際變化

統(tǒng)計 2008—2017年 10年期間北辰地區(qū)出現(xiàn)的40次冰雹天氣過程，冰雹天數(shù)的年際變化呈遞減趨勢。其中2009年冰雹出現(xiàn)最多達(dá)到7次，2017年最少為2次，平均每年出現(xiàn)4次冰雹天氣(圖1)。

圖1 北辰地區(qū)2008—2017年冰雹天數(shù)年際變化Fig.1 Interannual variation of hail days in Beichen District from 2008 to 2017

2.2 冰雹的月際變化

統(tǒng)計 2008—2017年 10年期間北辰地區(qū)出現(xiàn)冰雹的月際變化，冰雹天數(shù)的月際變化呈單峰分布。冰雹天氣基本出現(xiàn)在4～9月，特別是6月份達(dá)18次，占到了全年冰雹天氣的45%。原因是進(jìn)入春末夏初后，大氣環(huán)流不斷調(diào)整，其中6月份北辰地區(qū)低渦天氣比較多，日氣溫升高，導(dǎo)致大氣熱力不穩(wěn)定因子增加，含有大量水汽的熱氣流迅速升向高空，冷卻變?yōu)樗卧僮優(yōu)楸?，在?qiáng)對流天氣中產(chǎn)生了冰雹(圖2)。

2.3 冰雹的日變化

冰雹是一種強(qiáng)對流天氣過程，具有明顯的日變化。統(tǒng)計 2008—2017年 10年期間北辰地區(qū)出現(xiàn)冰雹的日變化，可以看出冰雹大部分出現(xiàn)在13:00到次日凌晨 02:00，占冰雹總?cè)諗?shù)的 90%；其中 15:00～17:00和 23:00～00:00為冰雹高發(fā)時段，發(fā)生頻次分別占冰雹總?cè)諗?shù)的 40%和 20%。是由于熱力條件觸發(fā)產(chǎn)生的，午后隨著氣溫的不斷升高，地面及近地層空氣在太陽輻射下逐漸升溫，地表的氣層不穩(wěn)定性加大，空氣中的水分在地面空氣的擾動下，容易產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣(圖3)。

圖3 北辰地區(qū)2008—2017年降雹時段統(tǒng)計Fig.3 Statistics on hail period in Beichen District from 2008 to 2017

3 冰雹天氣形勢特征

通過對2008—2017年10年期間的統(tǒng)計，分析冰雹出現(xiàn)時，基于08時500hPa環(huán)流形勢，北辰地區(qū)冰雹的天氣形勢可分為高空冷渦型、高空槽型和西北氣流型 3種類型。其中高空冷渦型主要分為東北冷渦和蒙古冷渦，占發(fā)生冰雹的 62.5%，以 6月份出現(xiàn)的最多。高空槽影響占 27.5%，西北氣流影響僅占10.0%。這 3種天氣形勢有利于冷空氣進(jìn)入對流層，產(chǎn)生強(qiáng)烈的對流不穩(wěn)定而形成冰雹(圖4)。

圖4 引發(fā)北辰地區(qū)冰雹天氣的主要天氣系統(tǒng)Fig.4 Main weather systems causing hail weather in Beichen District

4 不穩(wěn)定參數(shù)

在對流產(chǎn)生的主要不穩(wěn)定參數(shù)中，如果出現(xiàn)多個不穩(wěn)定參數(shù)疊加在一起，表明出現(xiàn)冰雹等強(qiáng)對流天氣的概率比較大。北辰地區(qū)冰雹發(fā)生主要受以下 3類不穩(wěn)定參數(shù)影響：對流有效位能 CAPE；0℃層高度和-20℃層高度；850hPa和500hPa的溫差和假相當(dāng)位溫差。高空資料采用北京探空資料，利用降雹發(fā)生前的北辰氣象站整點氣溫對探空地面資料進(jìn)行訂正，可以更好地反映北辰本地特征(表1)。

表1 北辰地區(qū)降雹不穩(wěn)定參數(shù)Tab.1 Unstable parameters of hail dropping in Beichen District

表1所列 40次冰雹過程中，冰雹最大直徑在20mm以上、密度＞1000粒/m2造成災(zāi)害的有4次占10%，其中：4月有 1次，CAPE為 2099J/kg，0℃層高度在 2.4km，-20℃層高度在 5.9km，Δt850-500為28℃，Δθse850-500為 19.6℃；5月有 1次，CAPE 為2375J/kg，0℃層高度在 4.3km，-20℃層高度在7.0km，Δt850-500為 29℃，Δθse850-500為 15.6℃；7月有2 次，CAPE＞2700J/kg，0℃層高度＞4.9km，-20℃層高度＞7.5km 左右，Δt850-500為 28℃，Δθse850-500為13.9℃。冰雹最大直徑在10～20mm之間的有17次，占 42.5%；冰雹最大直徑在 10mm以下的有 19次，占47.5%。

在前面分別分析冰雹天氣形勢特征以及冰雹天氣不穩(wěn)定參數(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出有利于降雹的具體的預(yù)警指標(biāo)。

①500hPa環(huán)流形勢下，北辰地區(qū)受到高空冷渦型、高空槽型或西北氣流型等天氣形勢控制，對流層上層的干冷空氣與下層的暖濕空氣相遇，形成強(qiáng)烈位勢不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣導(dǎo)致冰雹發(fā)生。

②不穩(wěn)定參數(shù) CAPE≥600J/kg；0℃層高度2.4～5.1km，-20℃層高度主要集中在 6.0～8.1km，0～-20℃層厚度一般在 2.7～3.5km，0℃層和-20℃層高度之間厚度越小，越有利于冰雹的產(chǎn)生。Δt850-500≥28℃、Δθse850-500≥5℃時大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。

對北辰地區(qū) 2008—2017年 4月 15日至 10月15日人工防雹作業(yè)期間的天氣進(jìn)行驗證，其中有72個強(qiáng)對流天氣過程，用以上冰雹預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行識別，得到 48個強(qiáng)對流天氣過程出現(xiàn)冰雹，正確率80%，空報率 20%，漏報率 0。出現(xiàn)空報的原因可能是由于 0℃層高度較高(超過 5km)，0℃層與-20℃的厚度較大，天氣比較悶熱，雹塊在下落的過程中因為暖層較厚，融化非常明顯，落地即化形成短時強(qiáng)降水；其次，不穩(wěn)定參數(shù)達(dá)到最小閾值表示有可能出現(xiàn)冰雹天氣，實際業(yè)務(wù)中還需要將不穩(wěn)定參數(shù)結(jié)合雷達(dá)回波資料綜合判斷，才能更好地識別冰雹天氣。冰雹云的雷達(dá)回波特征對流單體明顯，強(qiáng)回波中心回波強(qiáng)度≥45dBZ，回波頂高≥10km，垂直積分液態(tài)水VIL≥30kg/m2，對出現(xiàn)冰雹的強(qiáng)對流天氣進(jìn)行預(yù)警提前量分析，均可以做出預(yù)警，最長時間為 48min，最短為 6min，平均為 10～16min。

5 總 結(jié)

①北辰地區(qū)近 10年來冰雹的時間分布特征：從年際變化上看，冰雹的年際變化有減少的趨勢；從月際變化上看，冰雹的月際變化呈單峰分布，基本出現(xiàn)在 4～9月，特別是 6月份最多，這是由于 6月份北辰地區(qū)低渦天氣比較多，日氣溫升高，導(dǎo)致大氣熱力不穩(wěn)定因子增加，強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生了冰雹。從日變化上看，冰雹大部分出現(xiàn)在午后13:00到次日凌晨。

②北辰地區(qū)產(chǎn)生冰雹主要為高空冷渦型、高空槽型和西北氣流型3種天氣形勢特征，其中以高空冷渦型為主。

③對流有效位能 CAPE在 612～2879J/kg，0℃層高度 2.4～5.3km，-20℃層高度主要集中在 6.7～8.1km，0～-20℃層厚度一般在 2.7～3.5km，Δt850-500≥28℃，Δθse850-500≥5℃。特別是 CAPE＞2000J/kg，0℃層高度 2.4～5.1km 之間，-20℃層高度 6.0～7.9km 之間，Δt850-500≥28 ℃，Δθse850-500≥13.9℃時，容易產(chǎn)生大的冰雹災(zāi)害。綜合冰雹云的雷達(dá)回波特征，對流單體明顯，強(qiáng)回波中心回波強(qiáng)度≥45dBZ，回波頂高≥10km，垂直積分液態(tài)水 VIL≥30kg/m2，可以更好地進(jìn)行冰雹天氣預(yù)警。對于防御冰雹災(zāi)害，指導(dǎo)人工防雹作業(yè)具有重要意義。