貴州省中西部一次冰雹天氣過程的渦度收支分析

羅 雄，羅喜平，曾 勇,2，黃 鈺,2，崔 蕾

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；2.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

冰雹是貴州省春夏季主要的災(zāi)害性天氣之一，尤其是在3—5月，是冰雹天氣主要的發(fā)生時間，約占全年的61.8%[1]。貴州省地處云貴高原，由于特殊的地形特征和亞熱帶季風(fēng)氣候等因素，冰雹天氣具有生成發(fā)展快、降雹頻次高、影響范圍廣、局部災(zāi)害重、防范難度大的特點[2]。近年來，隨著理論知識的完善以及探測和數(shù)值模擬等技術(shù)的提高，在冰雹天氣的形成和發(fā)展機制方面取得很多研究成果。Dessens[3]研究表明，冰雹多發(fā)生在低層暖濕、垂直風(fēng)切變強、具有較大不穩(wěn)定能量的背景環(huán)境中，并且強對流天氣系統(tǒng)觸發(fā)釋放的不穩(wěn)定能量對于強冰雹天氣的發(fā)生是十分有利的。700 hPa切變線的發(fā)展東移，配合地面輻合線，往往會形成有利于強對流云發(fā)展的天氣背景[4]。蔣瑛等[5]認(rèn)為再生冰雹云發(fā)展的動力條件是在降雹區(qū)兩側(cè)形成較強的輻合上升運動。雖然對于冰雹的預(yù)報具有較大難度，但是結(jié)合雷達(dá)資料和衛(wèi)星云圖，做出較準(zhǔn)確的短時預(yù)報是可能的[6]。

本文針對2018年3月13日貴州省中西部地區(qū)出現(xiàn)的一次大范圍降雹天氣過程，分析其TBB演變特征和環(huán)境場特征，并結(jié)合渦度收支方程來分析冰雹云發(fā)生時渦度收支的變化情況。

1 資料

本文所用資料包括：①常規(guī)氣象觀測資料；②NCEP-FNL分析資料(時、空分辨率分別為6 h和1°×1°)；③FY-2F氣象衛(wèi)星反演的黑體亮溫資料(TBB，時、空分辨率分別為1 h和0.1°×0.1°)。

2 冰雹天氣概況

2018年3月13日08時—3月14日08時(北京時，下同)，受500 hPa南支槽和高空槽、中低層切變線、中低空急流以及地面輻合線的影響，貴州省中西部出現(xiàn)大范圍冰雹天氣，此次過程持續(xù)時間長，影響范圍廣。根據(jù)貴州省氣象觀測站記錄，降雹發(fā)生的起止時刻分別為3月13日13時41分和3月14日00時33分，主要降雹時段在3月13日17—20時。受此次過程影響，貴州省畢節(jié)市、六盤水市、黔西南州、黔南州、貴陽市、安順市6個市州的21個縣46個鄉(xiāng)鎮(zhèn)觀測到冰雹，其中降雹直徑D<5 mm的有14個站點，5 mm≤D<20 mm的有47個站點，最大降雹直徑為16 mm(圖1)。

3 云頂亮溫

利用氣象衛(wèi)星反演的高時空分辨率的TBB資料，不僅能夠觀測到中尺度云系的分布[7]，還可以直接展現(xiàn)中小尺度對流發(fā)展的旺盛程度，推斷云團發(fā)展的強度及所在階段[6]。3月13日14時以前貴州省大部基本為晴空區(qū)(圖略)，14時(圖2a)開始在畢節(jié)地區(qū)有對流云團A生成并向東移動發(fā)展，云團中心TBB大約為-24 ℃；15時(圖2b)A云團發(fā)展增強，TBB值降低為-42 ℃，受此云團影響，大方縣、水城縣、納雍縣等地降雹，與此同時在黔西南州西部有新的對流云團B生成；16時(圖2c)云團A繼續(xù)發(fā)展東移，云團強中心TBB為-46 ℃，16時01分—16時50分赫章縣、大方縣、織金縣先后降雹，云團B也進一步發(fā)展；17—20時(圖2d～2g)云團A發(fā)展為東—西向的帶狀云團，其長軸約為400 km，云團B中心TBB降低至-46 ℃，貴州省中西部被大片對流云團所覆蓋，19時(圖2f)A、B兩個云團連接、合并，且存在兩個強中心，其中心最強TBB值于達(dá)到-53 ℃，受A、B兩個對流云團影響，17—20時貴州省共計有45點降雹；21時(圖2h)云團中心移至26°N、107°E附近，雖然中心范圍有所減小，但是其中心值為-51 ℃，受此云團影響21時06分—21時54分惠水縣和平塘縣仍依次出現(xiàn)降雹；22時(圖2i)云團主體中心分裂減弱東移，并于次日移出貴州省境內(nèi)(圖略)。

綜上所述，TBB的變化特征能夠很好地反映出此次冰雹天氣過程的云團演變特征。此次過程降雹發(fā)生的主要時段是在云團的生成到發(fā)展期，在云團發(fā)展初期，降雹時對應(yīng)的TBB值約為-42 ℃，而在降雹主要時段TBB中心值在約為-46～-53 ℃之間。

4 降雹的物理條件分析

4.1 0 ℃層和-20 ℃層高度

0 ℃層和-20 ℃層高度是表征冰雹云特征的重要參數(shù)，其分別代表云中冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區(qū)下界[8]。從表1可知，3月13日08時和20時，貴陽站和威寧站的0 ℃層高度維持在3 500～3 800 m上下，-20 ℃層高度基本維持在6 500 m左右，這樣的高度可以使對流云在往高處發(fā)展的過程中雹粒不會因暖層過厚而被消融；此外，由表1可知3月18日08時，貴陽站和威寧站0 ℃層和-20 ℃層厚度分別為2 888 m和2 943 m，均在3 000 m以下，表明在垂直方向上大氣存在強的溫度梯度，并且存在不穩(wěn)定層結(jié)，這樣的環(huán)境溫度條件對于冰雹的產(chǎn)生是有利的。

表1 貴陽和威寧探空站0 ℃和-20 ℃高度參數(shù)(單位：m)

4.2 不穩(wěn)定條件

4.2.1 熱力不穩(wěn)定 溫度平流可以使大氣層結(jié)變得不穩(wěn)定，產(chǎn)生垂直上升運動[9]。圖3是3月13日14時沿106°E溫度平流的經(jīng)向剖面圖，由圖可知，在降雹區(qū)(25～27°N)由低層至高層依次分布著暖平流、冷平流和暖平流，其中700 hPa以下為暖平流，中心值為10×10-5K·s-1，700～550 hPa存在一個-5×10-5K·s-1冷平流中心，高層550～200 hPa主要為暖平流，300 hPa中心值可達(dá)30×10-5K·s-1。這樣的分布使得低層的暖平流造成大氣升溫使層結(jié)趨于不穩(wěn)定，有利于暖空氣產(chǎn)生上升運動，而在中層冷平流使大氣降溫，形成強烈的熱力不穩(wěn)定，有利于觸發(fā)對流天氣，為冰雹的發(fā)生、發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

圖3 3月13日14時沿106°E溫度平流的經(jīng)向—高度剖面(單位：×10-5K·s-1)

4.2.2 動力不穩(wěn)定 強垂直風(fēng)切變對于風(fēng)暴強度的維持和發(fā)展具有重要作用，并且在強對流天氣的預(yù)報中常把垂直風(fēng)切變作為判斷環(huán)境場動力不穩(wěn)定的因子[8，10]。圖4給出了降雹區(qū)中心點風(fēng)場在垂直方向上隨時間的變化，由圖可知，3月13日08時，對流層中低層風(fēng)速隨高度明顯增強，500～850 hPa風(fēng)速差為7.76 m·s-1，并且從850～500 hPa風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，說明中低層有暖平流。14時，500 hPa和850 hPa的風(fēng)速差增強為13.22 m·s-1，此時對流云團開始生成并發(fā)展，20時以后中低層的垂直風(fēng)切變開始減弱。由于此次過程降雹主要集中在17—20時，說明中低層的垂直風(fēng)切變在一定程度上為此次冰雹天氣的發(fā)生提供了動力不穩(wěn)定條件。

圖4 3月13日沿(26°N，106°E)風(fēng)速風(fēng)向的時間—高度剖面(單位：m·s-1)

5 渦度收支分析

渦度收支方程具有顯著的動力學(xué)特征，其可以描述流體在運動過程中的渦度、散度變化情況，被廣泛應(yīng)用于天氣學(xué)理論研究中[11]。本文采用不考慮摩擦耗散項的渦度方程[12]：

(1)

(2)

(3)

水平輻合輻散項C=-(f+ζ)▽·V

(4)

(5)

其中p為等壓面氣壓，β=?f/?y，f為科氏參數(shù)。本文通過計算降雹區(qū)(25～27°N，104～107°E)渦度方程各分量來分析冰雹云發(fā)生過程中渦度收支的變化。

圖5為3月13日14時降雹區(qū)渦度收支及其各分量區(qū)域平均的垂直分布，由圖可知，渦度的局地變化項在850～650 hPa為正值，600～300 hPa為負(fù)值，表明中低層局地渦度增加，輻合加強，有利于垂直上升運動的加強，其中渦度的水平輻合輻散項(C)在650 hPa以下為主要貢獻(xiàn)因子，表明低層渦度的輻合有利于局地渦度的增加，使輻合增強；在低層扭轉(zhuǎn)項(D)為負(fù)值，在中高層(700～400 hPa)扭轉(zhuǎn)項為正值，表明扭轉(zhuǎn)作用使低層的局地渦度減小，中高層局地渦度增大。此外，渦度的垂直輸送項(B)在整層基本為負(fù)值，對渦度局地變化起著負(fù)貢獻(xiàn)，表明隨著上升運動的發(fā)展，垂直輸送將低層的渦度向高層輸送，使得低層局地渦度減??；在中高層雖然渦度的水平輻合輻散項(C)為主要負(fù)貢獻(xiàn)項，但是較強的正渦度的水平輸送使得渦度收支依然為正值。從渦度方程各收支項垂直分布變化情況可見，渦度平流和水平輻合輻散是此次冰雹發(fā)生的主要動力條件。

圖5 3月13日14時降雹區(qū)(25～27°N，104～107°E)渦度收支(E)及其各分量區(qū)域平均的垂直分布(單位：×10-9s-2)

6 結(jié)論

①TBB的變化特征能夠很好地反映出此次冰雹天氣過程的云團演變特征。此次過程降雹發(fā)生的主要時段是在云團的生成到發(fā)展期，在云團發(fā)展初期，降雹時對應(yīng)的TBB值約為-42 ℃，而在降雹主要時段TBB中心值在約為-46～-53 ℃之間。

②適宜的溫度環(huán)境條件有利于冰雹的發(fā)展；低層暖、中層冷、高層暖的溫度平流分布，以及中低層的垂直風(fēng)切變?yōu)榇舜伪⑻鞖獾陌l(fā)生、發(fā)展創(chuàng)造了熱力和動力不穩(wěn)定條件。

③渦度方程各項收支表明，影響渦度的局地變化的主要因子是渦度平流和水平輻合輻散項，但是二者的作用相反；在冰雹云發(fā)展初期，局地渦度中低層為正，高層為負(fù)，說明中低層輻合加強，有利于垂直上升運動的加強。