河南省冰雹天氣環(huán)境參量特征分析

鮑向東，王國(guó)安，王 君，王 迪，郭麗梅

(1.河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2. 河南省人工影響天氣辦公室，鄭州 450003；3. 河南省氣象數(shù)據(jù)探測(cè)中心，鄭州 450003；4. 河南省氣象科學(xué)研究所，鄭州 450003；5.河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003；6.平頂山市氣象局，河南平頂山 467099)

冰雹多由發(fā)展旺盛的對(duì)流云產(chǎn)生，具有局地突發(fā)性強(qiáng)、來勢(shì)猛、致災(zāi)重等特點(diǎn)，常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。特別是強(qiáng)冰雹，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和人畜安全會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。針對(duì)河南省冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，省內(nèi)氣象工作者也作了較多分析研究，牛淑貞[1-2]、張一平[3]、武威[4]做了一些有意義的工作。國(guó)內(nèi)氣象工作者也進(jìn)行了相關(guān)研究[5-10]。隨著社會(huì)對(duì)人工防雹要求越來越高，有必要利用較長(zhǎng)時(shí)間序列冰雹資料對(duì)河南冰雹天氣進(jìn)行系統(tǒng)分析，歸納對(duì)河南冰雹預(yù)報(bào)和人工防雹等有參考價(jià)值的預(yù)報(bào)指標(biāo)，增強(qiáng)冰雹預(yù)報(bào)水平與人工防雹作業(yè)能力。

1 冰雹天氣分型

雷暴大風(fēng)、冰雹天氣相伴出現(xiàn)是河南省強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的主要特征之一。本文在確定冰雹天氣過程時(shí)，沒有排除雷暴大風(fēng)等，即冰雹天氣多伴有雷電或雷暴大風(fēng)。實(shí)況資料統(tǒng)計(jì)顯示，2006—2015年5—9月河南省降雹頻次共156站次，共發(fā)生冰雹天氣過程67次。

依據(jù)河南省冰雹天氣發(fā)生時(shí)500 hPa環(huán)流背景，對(duì)上述67次冰雹天氣過程進(jìn)行分型，可分為西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型4種類型。其中：西北氣流型冰雹過程為37次(降雹達(dá)86站次)，占全省冰雹過程總次數(shù)的55.2% (降雹頻次占降雹總頻次的55.1%)；華北低渦型為11次(降雹31站次)，占16.42% (19.9%)；西南氣流型為14次(降雹25站次)，占20.90% (16.0%)；低槽型較少，僅5次(降雹14站次)，占7.46% (9.0%)。

2 河南各型冰雹天氣的環(huán)境參量

2.1 常用環(huán)境參量

按照時(shí)空臨近原則選擇探空站，用所有出現(xiàn)冰雹的自動(dòng)氣象站溫度、露點(diǎn)對(duì)臨(鄰)近探空要素進(jìn)行訂正得到常用環(huán)境參量。表征強(qiáng)對(duì)流天氣熱力不穩(wěn)定條件的環(huán)境參量較多，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)研究，選取對(duì)流有效位能(CAPE)、K指數(shù)、850 hPa與500 hPa溫度差(T850-500)、850 hPa和500 hPa假相當(dāng)位溫差(θse(850-500))、抬升指數(shù)(LI)、14時(shí)地面溫度(T14)等6個(gè)環(huán)境參量，分析各型冰雹天氣的熱力不穩(wěn)定條件。圖1給出2006—2015年5—9月河南西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型冰雹過程及其各型平均的各熱力環(huán)境參量及其箱線圖(箱線最高點(diǎn)為最大值，箱線最低點(diǎn)為最小值，箱體上框線為上四分位值即75%分位數(shù)，箱體下框線為下四分位值即25%分位數(shù)，箱內(nèi)中間線為中位線，小圓點(diǎn)為平均值)?？梢?，各型的環(huán)境參量是有區(qū)別的：CAPE值西南氣流型最大，西北氣流型和低槽型差別不大，華北低渦型最小；K指數(shù)各型相差不大，低槽型、西南氣流型相對(duì)西北氣流型、華北低渦型更集中一些；T850-500是西北氣流型最大、其余三型相對(duì)較低；θse(850-500)差別不大，低槽型集中、華北低渦型分散；抬升指數(shù)各型差異明顯，低槽型最大，西南氣流型最小最集中，而冰雹日的T14華北低渦型最小，其余各型平均值相差不大。

圖1 2006—2015年5—9月河南各型冰雹天氣熱力環(huán)境參量統(tǒng)計(jì)箱線圖(a.CAPE(單位：J/kg)，b.K指數(shù)(單位：℃)，c.T850-500(單位：℃)，d.θse(850-500)(單位：℃)，e.抬升指數(shù)LI(單位：℃)，f.T14(單位：℃)；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型，Total代表各型平均)

冰雹天氣發(fā)生需要一定的水汽和強(qiáng)的動(dòng)力條件。圖2給出2006—2015年5—9月河南西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型冰雹過程及其各型平均的14時(shí)地面露點(diǎn)溫度(Td14)、大氣整層可降水量(PW)和0～6 km垂直風(fēng)切變(Δv)三個(gè)水汽或動(dòng)力參量及其箱線圖。

圖2a顯示，冰雹日14時(shí)地面露點(diǎn)溫度Td14多在16 ℃以上，集中出現(xiàn)在16～22 ℃。西南氣流型的Td14明顯偏高，多在21 ℃以上，集中出現(xiàn)在21～25 ℃；西北氣流型和華北低渦型的Td14相對(duì)較低，多在16～21 ℃。圖2b顯示，冰雹天氣大氣整層可降水量多在2.9～4.0 cm。西南氣流型明顯偏多，集中出現(xiàn)在4.8～5.5 cm，平均在5.0 cm；另外三種類型大氣可降水量相對(duì)較小，在2.6～4.0 cm，平均在3.1～3.8 cm。綜上所述，西南氣流型冰雹天氣發(fā)生在水汽條件非常充沛的環(huán)境條件下，其它三種類型冰雹天氣的水汽條件相對(duì)較差。

由圖2c 可以看出，河南冰雹天氣的0～6 km垂直風(fēng)切變并不很強(qiáng)，多在20 m/s以下，集中在7.2～14.5 m/s之間(弱到中等)。華北冷渦型和西北氣流型相對(duì)較大，75%分位值分別為17 m/s和14.9 m/s (中等以上)，平均值多在9.0 m/s以上；而西南氣流型垂直風(fēng)切變較小，平均在7.7 m/s?？傮w看 0～6 km 垂直風(fēng)切變統(tǒng)計(jì)值偏小，其原因與對(duì)流發(fā)生時(shí)間與高空探測(cè)時(shí)間相距較長(zhǎng)有較大關(guān)系。一般情況下，08時(shí)探空深層垂直風(fēng)切變對(duì)午后到傍晚發(fā)生的冰雹天氣可能會(huì)有一定程度的低估，這點(diǎn)在業(yè)務(wù)中需注意。

圖2 2006—2015年5—9月河南各型冰雹天氣水汽參量和垂直風(fēng)切變統(tǒng)計(jì)箱線圖(a. 14時(shí)地面露點(diǎn)溫度Td14 (單位：℃)，b. 大氣整層可降水量PW(單位：cm)，c. 0～6 km垂直風(fēng)切變(單位：m/s);Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表西北氣流型、華北低渦型、低槽型、西南氣流型，Total代表各型平均)

2.2 常用環(huán)境參量閾值

為了更好地為冰雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供技術(shù)參考和在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中方便實(shí)用，根據(jù)上述常用環(huán)境參量箱線圖的25%～75%分位值，以通用的25%分位值作為各環(huán)境參量閾值指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)出了符合閾值指標(biāo)的降雹頻次占總降雹頻次的比例，即符合率(見表1)。由表1可看出：滿足冰雹天氣環(huán)境參量閾值范圍的符合率在73.1%到87.8%之間，其中Td14和T850-500代表性最好，其符合率分別達(dá)到87.8%和80.8%，即在總降雹樣本中，符合Td14≥16 ℃和T850-500≥27 ℃閾值范圍的分別達(dá)87.8%與80.8%；其它環(huán)境參量符合率均在73.1%～78.8%，也有很好的代表性。可見，表1環(huán)境參量都在閾值以上的冰雹天氣個(gè)例超過70%以上，說明表中各環(huán)境參量具有非常好的代表性和業(yè)務(wù)使用價(jià)值。

表2為河南各型冰雹天氣環(huán)境參量閾值，從中可以看出，不同的天氣類型，其閾值還是有差別的，如各型CAPE、K指數(shù)、θse(850-500)、抬升指數(shù)、T14、Td14等環(huán)境參量閾值差異相對(duì)較大，其它環(huán)境參量T850-500、大氣整層可降水量、0～6 km垂直風(fēng)切變等相對(duì)差異不大。

表1 2006—2015年河南冰雹環(huán)境參量閾值和符合率

注：CAPE、T850-500、θse(850-500)、LI、T14、Td14、PW、Δv分別表示對(duì)流有效位能、850 hPa和500 hPa溫差、850 hPa和500 hPa假相當(dāng)位溫差、抬升指數(shù)、14時(shí)地面溫度、14時(shí)地面露點(diǎn)溫度、大氣整層可降水量、0～6 km垂直風(fēng)切變，下同。

表2 河南冰雹各型環(huán)境參量閾值

3 結(jié)論

(1)河南冰雹天氣的形勢(shì)為西北氣流、華北低渦、低槽和西南氣流四種類型。其中：67個(gè)個(gè)例中西北氣流型最多，達(dá)37次過程(86站次)，占總數(shù)的55.2%(55.1%)；其次是西南氣流型14次過程(25站次)，占20.90%(16.0%)；華北低渦型11次過程(31站次)，占總數(shù)16.42%(19.9%)；低槽型較少，僅5次過程(14站次)，占7.46%(9.0%)。

(2)統(tǒng)計(jì)并對(duì)比分析了不同天氣類型下多種環(huán)境參量特征，歸納出河南冰雹天氣常用環(huán)境參量閾值，主要環(huán)境參量閾值為：對(duì)流有效位能CAPE≥1 137 J/kg，850 hPa與500 hPa溫度差≥27 ℃，850 hPa與500 hPa假相當(dāng)位溫差≥5.5 ℃，抬升指數(shù)≤-4.5 ℃，大氣整層可降水量≥2.9 cm，14時(shí)地面露點(diǎn)溫度≥16 ℃等，可作為河南冰雹天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)依據(jù)。