連續(xù)兩次冰雹天氣過(guò)程的多源資料分析

李麗麗,鄒書(shū)平，曾 勇,3，羅喜平，黃 鈺,3

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽(yáng) 550081; 3.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

2018年貴州省冰雹災(zāi)害發(fā)生時(shí)間主要集中在3月份，僅3月中旬就有5次冰雹天氣過(guò)程，主要落區(qū)均位于省中部、西部和西南部地區(qū)，災(zāi)害具有密度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，造成油菜、蔬菜、茶葉、水果等農(nóng)作物受損嚴(yán)重。3月份貴州全省平均溫度較歷年平均值偏高3 ℃，降水偏多74.5%，均為近50 a內(nèi)的第二高值。全省有7個(gè)市(州)30個(gè)縣(市、區(qū))134個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))局地遭受風(fēng)雹災(zāi)害，大風(fēng)、雷雨中夾降冰雹，其中有兩次冰雹過(guò)程連續(xù)發(fā)生在3月12—13日期間，共10縣市不同程度遭受風(fēng)雹災(zāi)害，災(zāi)害致51 643人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失7 223.91萬(wàn)元，本文以這兩次連續(xù)冰雹天氣過(guò)程為例做深入分析。

目前冰雹災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警方法主要根據(jù)多年強(qiáng)冰雹天氣個(gè)例對(duì)環(huán)流形勢(shì)分型建立潛勢(shì)預(yù)報(bào)模型[1-2]，臨近預(yù)警則主要依靠多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)對(duì)流單體的發(fā)展，根據(jù)回波單體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和風(fēng)場(chǎng)等特征，結(jié)合多項(xiàng)量化的回波參數(shù)作為判別冰雹云的指標(biāo)[3-9]，回波核的高度所在位置處于環(huán)境場(chǎng)0～-20 ℃溫度層高度的相對(duì)位置是判別是否能形成冰雹和能否形成大冰雹的重要判別條件[10-11]；根據(jù)冰雹云發(fā)展過(guò)程中的雷達(dá)回波參數(shù)不同的演變特征劃分其躍增方式[12]，從而更準(zhǔn)確的把握冰雹云的生命史。應(yīng)用微波輻射計(jì)全天候探測(cè)得到的溫濕度場(chǎng)演變廓線能夠很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)探空資料時(shí)空分辨率的不足[13]，有利于提高冰雹天氣過(guò)程臨近預(yù)報(bào)水平。

1 資料及方法

本文以2018年3月12—13日午后至晚間發(fā)生在貴州省中西部地區(qū)的連續(xù)兩次冰雹天氣過(guò)程為研究對(duì)象，利用全省區(qū)域站點(diǎn)雨量資料和降雹資料、貴陽(yáng)L波段探空雷達(dá)資料、微波輻射計(jì)資料、貴陽(yáng)多普勒天氣雷達(dá)資料和美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心及國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)制作的逐6 h再分析資料，對(duì)這兩次連續(xù)冰雹天氣過(guò)程的大氣環(huán)流場(chǎng)、環(huán)境物理量、冰雹云結(jié)構(gòu)演變特征等做分析。

本文使用的微波輻射計(jì)資料是安裝在貴陽(yáng)市觀山湖區(qū)的德國(guó)RPG地基多通道微波輻射計(jì)HATPRO-G4(42×14)，儀器每6 min完成一次全天空掃描，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法反演得到天頂方向上地面至10 km高度共58層的溫度、濕度、水汽和液態(tài)水含量的廓線數(shù)據(jù)。微波輻射計(jì)主要用于探測(cè)中小尺度天氣現(xiàn)象，如暴風(fēng)雨、閃電、強(qiáng)降雨、霧、冰凍及邊界層紊流等，本文應(yīng)用微波輻射計(jì)探測(cè)資料分析降雹天氣當(dāng)日的溫濕度層結(jié)特征。

2 實(shí)況和天氣形勢(shì)

2.1 災(zāi)害實(shí)況

根據(jù)貴州省氣象臺(tái)重要?dú)庀鬄?zāi)情軟件(SMIS)統(tǒng)計(jì)的兩次冰雹天氣過(guò)程實(shí)況如下：

個(gè)例1：3月12日18—22時(shí)，畢節(jié)地區(qū)產(chǎn)生最初的對(duì)流單體，并沿西北—東南向移去，移動(dòng)過(guò)程中不斷的增強(qiáng)發(fā)展為一個(gè)超級(jí)單體，引起沿途大方、納雍、貴陽(yáng)等20多站降雹和多地短時(shí)強(qiáng)降水天氣，最大降雹直徑為14 mm(清鎮(zhèn)市的新店和暗流兩地)。

個(gè)例2：3月13日15—20時(shí)，對(duì)流單體自西部的六盤(pán)水和畢節(jié)等地形成，東移過(guò)程中不斷合并增強(qiáng)，造成沿途貴陽(yáng)南部、安順北部、畢節(jié)、六盤(pán)水北部、黔南北部等多地發(fā)生降雹災(zāi)害，共有58個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，最大冰雹直徑為16 mm(貴陽(yáng)、啊噶、蟠龍)。

2.2 天氣形勢(shì)

貴州省西部邊緣低渦發(fā)展東移是引發(fā)省內(nèi)春夏季強(qiáng)對(duì)流天氣的重要天氣系統(tǒng)。3月12—13日， 500 hPa中高緯位勢(shì)高度場(chǎng)上為“一槽一脊”形勢(shì)，中低緯青藏高原南支槽活躍，全省受南支槽前西南氣流影響，有利于貴州省西部邊緣低渦的形成和發(fā)展，如圖1a。川北—重慶—貴州西北部有低槽東移，槽后有冷空氣南下影響省中西部。從圖1b中可以看出，相比所在緯度帶平均位勢(shì)高度場(chǎng)的距平值來(lái)看，3月12—14日研究范圍上空持續(xù)呈負(fù)距平，表明氣壓場(chǎng)受低值系統(tǒng)控制，且控制范圍隨著時(shí)間的推移不斷向南擴(kuò)展，強(qiáng)度加強(qiáng)。700 hPa(圖略)低渦切變位于川貴渝三省交界地區(qū)，省的南部受西南急流影響；地面輻合線(圖略)位于中部偏西一線。因此，這兩日環(huán)流場(chǎng)上具備生成強(qiáng)對(duì)流的熱力和動(dòng)力背景條件。

3 不穩(wěn)定條件分析

3.1 物理量分析

利用貴陽(yáng)L波段探空雷達(dá)對(duì)兩次冰雹天氣的環(huán)境場(chǎng)做分析，如表1。從溫度層結(jié)來(lái)看，兩次冰雹天氣的0 ℃層位于650～680 hPa之間，約為3.2 km左右高度，-20 ℃層位于450～480 hPa之間，約為6.0 km左右高度，0～-20 ℃層的厚度均在2.8 km左右。從層結(jié)穩(wěn)定度方面來(lái)看，兩次個(gè)例的不穩(wěn)定能量CAPE并不算大，但兩次個(gè)例08時(shí)低層濕度較大，500 hPa以上為干層，溫度露點(diǎn)曲線呈現(xiàn)“喇叭口”分布，層結(jié)具有條件不穩(wěn)定，從環(huán)境風(fēng)場(chǎng)來(lái)看，兩個(gè)個(gè)例700 hPa以下均有風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明低層有暖平流，個(gè)例1中0～6 km垂直風(fēng)切變08時(shí)達(dá)到25 m/s以上，個(gè)例2的3～4.3 km的垂直風(fēng)切變也達(dá)到17 m/s，K指數(shù)在下午均達(dá)到30 ℃以上，SI指數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明環(huán)境場(chǎng)存在較強(qiáng)的風(fēng)切變和條件不穩(wěn)定能量。

圖1 2018年3月13日14時(shí)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(a)，3月10—14日500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)106°E 距平分析(與75～110°N緯度帶的距平值)(b)，北京時(shí)，單位：10 gpmFig.1 (a)Synoptic pattern of 500 hPa geopotential height at 14∶00 13 May 2018,(b)Spatial distribution of anomaly 500 hPa geopotential height in 106°E during 10-14 May 2018(75°N～110°N)，BT ,unit:10 gpm

表1 2018年3月12—13日探空物理量參數(shù)變化Tab.1 Changes of physical quantities between 08∶00 12 May to 20∶00 13 May 2018

3.2 冰雹過(guò)程前的“干侵入”過(guò)程

強(qiáng)對(duì)流過(guò)程前的“干侵入”現(xiàn)象是指高位勢(shì)渦度的干空氣向下層流入。利用NCEP資料中相對(duì)濕度要素值繪制貴陽(yáng)上空相對(duì)濕度和溫度平流隨時(shí)間的變化情況，如圖2。對(duì)比兩個(gè)降雹時(shí)段的相對(duì)濕度和溫度平流的垂直分布情況，可以明顯的看出：冰雹過(guò)程中空氣層結(jié)濕層深厚，向上發(fā)展至300 hPa左右高度，結(jié)合溫度平流的分布，兩次冰雹過(guò)程前期都存在“干侵入”特征。表明研究區(qū)域上空有干冷空氣伴隨較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，這可能成為冰雹的觸發(fā)條件，同時(shí)促使對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展并加強(qiáng)。

圖2 2018年3月11—14日貴陽(yáng)(26°N，106°E)上空(a)相對(duì)濕度(單位：%) 和(b)溫度平流(單位：10e-4)的垂直剖面隨時(shí)間變化圖Fig.2 Time series of(a)relative humidity (unit:%)and temperature advection(unit: 10e-4) the vertical section over Guiyang Station(26°N，106°E)during 11 to 14 May 2018

3.3 水汽和穩(wěn)定度指數(shù)

微波輻射計(jì)在強(qiáng)對(duì)流過(guò)程前后的探測(cè)數(shù)據(jù)能夠細(xì)致的刻畫(huà)空氣濕度和層結(jié)穩(wěn)定度隨時(shí)間變化的情況，如圖3。12日，對(duì)流系統(tǒng)移入貴陽(yáng)上空前，綜合水汽含量(IWV)從17時(shí)開(kāi)始波動(dòng)增長(zhǎng)，至21時(shí)左右達(dá)到峰值65 kg/m2，之后迅速下降，與強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)境的時(shí)間一致，從起始波動(dòng)時(shí)間來(lái)看具有一定的預(yù)報(bào)提前量，積分液態(tài)水含量(LWP)同樣在對(duì)流系統(tǒng)過(guò)程中達(dá)到峰值(3 400 kg/m2)，且前期也表現(xiàn)出波動(dòng)特征。K指數(shù)在兩次個(gè)例前期都有明顯的波動(dòng)增長(zhǎng)，并且在降水發(fā)生期間達(dá)到35 ℃以上，SI指數(shù)則與之呈現(xiàn)反相關(guān)，表明系統(tǒng)過(guò)境時(shí)水汽充沛和層結(jié)條件不穩(wěn)定能量迅速增強(qiáng)。

圖3 2018年3月12日08時(shí)—14日08時(shí)期間的微波輻射計(jì)天頂方向上的水汽指標(biāo)(綜合水汽含量IWV和積分液態(tài) 水含量LWP，單位：kg·m-2)隨時(shí)間的變化圖(a)；層結(jié)穩(wěn)定度指數(shù)(K指數(shù)，SI沙氏指數(shù)，單位：℃)隨時(shí)間的變化圖(b)Fig.3 Time series of(a)water vapor index(integrated water vapor，IWV for short，liquid water content ，LWP for short, unit：kg·m-2,(b)stratification stability index (K index and SI index,unit:℃)along the vertical section of microwave radiometer between 08∶00 12 May to 08∶00 14 May 2018

3.4 垂直速度分析

由于這兩次連續(xù)冰雹天氣過(guò)程影響范圍較廣(104～107°E)，冰雹云能夠在移動(dòng)過(guò)程中持續(xù)發(fā)展，與環(huán)境場(chǎng)中的垂直運(yùn)動(dòng)有密切聯(lián)系。選取兩次冰雹發(fā)生前兩個(gè)時(shí)次NCEP/NCAR FNL(1°×1°)資料，沿著冰雹云移動(dòng)方向(26°N)對(duì)垂直速度做垂直剖面，如圖4?？梢悦黠@的看出垂直速度場(chǎng)上在貴州西部104～106°E一線低層有較弱的輻合上升運(yùn)動(dòng)，中層存在正速度區(qū)，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，高層也有弱的輻合，研究區(qū)域的上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，省西部主要在700～600 hPa高度層，突破了0 ℃溫度層高度，省中部的中高層均為較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，有利于過(guò)冷層中的水汽聚集，為雹胚的形成提供必要的動(dòng)力條件。

圖4 2018年3月12日14時(shí)和20時(shí)(a)、3月13日14時(shí)和20時(shí)(b)垂直速度沿26°N緯向剖面(冰雹發(fā)生范圍為：104～107°E)Fig.4 Cross-sections of vertical velocity along 26°N at (a)12 May 14∶00 and 20∶00、(b)13 May 14∶00 and 20∶00( BT ，afflicted area is range from 104°E to 107°E)

4 對(duì)流系統(tǒng)演變特征

4.1 冰雹云形態(tài)和演變特征

個(gè)例1：2018年3月12日的冰雹天氣是由一個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體過(guò)境引起的。18時(shí)30分雷達(dá)回波移入織金境內(nèi)，回波結(jié)構(gòu)密實(shí)，雷達(dá)徑向方向上有“V”型缺口和三體長(zhǎng)釘形態(tài)，雷達(dá)回波中心達(dá)到63 dBz，且高度超過(guò)-20 ℃層高度(6.5 km)，回波沿西北—東南方向移動(dòng)并不斷增強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到73 dBz，回波頂高達(dá)到11.4 km，徑向速度圖上可以看出，回波中心自18時(shí)00分開(kāi)始在低層出現(xiàn)較明顯的輻合運(yùn)動(dòng)，18時(shí)30分左右轉(zhuǎn)為氣旋式輻合，19時(shí)38分移至黔西、清鎮(zhèn)和織金三縣交接處(距離雷達(dá)70 km)，對(duì)應(yīng)低層有氣旋式輻合加強(qiáng)(圖5b)，從1 km向上至3 km左右逐漸減弱，在7 km高度的對(duì)應(yīng)位置有較強(qiáng)的風(fēng)暴頂輻散，風(fēng)場(chǎng)配置有利于西部低渦系統(tǒng)的發(fā)展。如圖5c，對(duì)流單體于20時(shí)36分移動(dòng)至清鎮(zhèn)地區(qū)，整體呈現(xiàn)鉤狀回波形態(tài)，中心強(qiáng)度64 dBz，回波頂高9.2 km，強(qiáng)中心位置下移，回波水平方向上傾斜角度增大，有界弱回波區(qū)范圍和傾斜角度都很大(圖5d)，地面有大冰雹(16 mm)降落，強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)能量釋放后逐漸減弱。

圖5 2018年3月12日貴陽(yáng)雷達(dá)站的雷暴單體回波在19時(shí)38分的基本反射率因子(a.仰角2.4°)和徑向速度圖(b.仰角0.5°)以及20時(shí)36分的反射率因子(c.仰角3.4°)、紅色箭頭方向上的垂直剖面(d)(單位： dBz ，m·s-1)Fig.5 The base reflectivity and vertical profile of base reflectivity along the direction of movements at different times of BT March 12,2018(a.b. 18∶30,c.d. 20∶36,Guiyang Radar,BT,unit:dBz)

個(gè)例2：2018年3月13日，此次過(guò)程是多個(gè)在省西北部生成的對(duì)流單體在東移過(guò)程中逐漸合并成一條帶狀的對(duì)流系統(tǒng)(MCs)，造成沿途多處不同強(qiáng)度的降雹天氣，如圖6a。雹云單體發(fā)展階段(16時(shí)52分)，3個(gè)對(duì)流單體的低層對(duì)應(yīng)有明顯輻合風(fēng)場(chǎng)，如圖6b，對(duì)流單體于18時(shí)11分合并后仍然不斷地發(fā)展增強(qiáng)，中層有輻合線持續(xù)存在，輻合線呈東北—西南向，19時(shí)08分隨著系統(tǒng)移入貴陽(yáng)境內(nèi)，貴陽(yáng)地區(qū)上空的風(fēng)場(chǎng)輻合加強(qiáng)，垂直方向上風(fēng)切變加強(qiáng)，引起貴陽(yáng)部分地區(qū)降雹，20時(shí)17分對(duì)流系統(tǒng)前端的地面和低層輻散變強(qiáng)，中層輻合風(fēng)場(chǎng)依然明顯，說(shuō)明雹云單體前端的有界弱回波區(qū)(BWER)有較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，造成地面冰雹和大風(fēng)災(zāi)害。

4.2 冰雹云回波特征參數(shù)演變

如圖7，分別是兩次個(gè)例中冰雹云最大強(qiáng)度(CR)和回波頂高(ET)隨時(shí)間的變化情況。個(gè)例1中對(duì)流單體的強(qiáng)度和頂高參數(shù)在17時(shí)00分左右經(jīng)過(guò)一次躍增后發(fā)展成為冰雹云，在環(huán)境場(chǎng)的有利條件下穩(wěn)定維持并增強(qiáng)，ET在潛能釋放過(guò)程中不斷下降，CR則維持在60 dBz以上。個(gè)例2中對(duì)流系統(tǒng)的特征參數(shù)存在兩次增長(zhǎng)，第一次是對(duì)流單體獨(dú)立增長(zhǎng)的階段，第二次是3個(gè)對(duì)流單體在16時(shí)45左分右合并后的增強(qiáng)階段，CR最強(qiáng)達(dá)到70.5 dBz，ET最高達(dá)到11.6 km，CR和ET的演變趨勢(shì)一致，合并后形成了“人字”型的對(duì)流系統(tǒng)，在移動(dòng)過(guò)程中逐漸增強(qiáng)，造成沿途多地短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖6 2018年3月13日貴陽(yáng)雷達(dá)站雷暴單體回波的組合反射率因子(a)和徑向速度演變特征(b)Fig.6 The composite reflectivity (a)and radial velocity(16∶52 at 0.5°elevation angle 18∶11 at 2.4°elevation angle, 19∶08 at 2.4°,unit：m/s) of Guiyang Radar at key period (black line is the convergence area)

圖7 貴陽(yáng)雷達(dá)站雷達(dá)回波中心強(qiáng)度和回波頂高(18 dBz)變化情況(a.2018年3月12日，b.2018年3月13日)Fig.7 Time series of the echo intensity and echo top height(18 dBz) in the key periods(a.2018.3.12，b.2018.3.13)

5 總結(jié)

運(yùn)用多源探測(cè)設(shè)備資料，對(duì)這兩次連續(xù)冰雹天氣過(guò)程的大氣環(huán)流場(chǎng)、環(huán)境物理量、風(fēng)場(chǎng)、雷達(dá)回波特征等做了綜合分析，得到以下結(jié)論：

在南支槽槽前西南氣流的引導(dǎo)下，貴州中西部上空水汽條件較好，貴州省西部地區(qū)容易產(chǎn)生午后熱對(duì)流，西部邊緣低渦較為活躍，地面輻合線和低層暖平流為對(duì)流單體的發(fā)展維持提供動(dòng)力條件，冰雹前期中高空存在明顯的“干侵入”特征，垂直方向上有輻合上升運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)回波強(qiáng)度達(dá)到60 dBz以上和頂高都達(dá)到11 km以上，強(qiáng)度≥45 dBz回波躍過(guò)-20 ℃高度，對(duì)流單體合并后的二次發(fā)展也易造成災(zāi)害性天氣。