2020 年“1·24”廣西大范圍冰雹天氣過程分析

覃 皓，農(nóng)孟松，賴珍權(quán)，翟麗萍

（廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022）

引言

冰雹是廣西主要的氣象災(zāi)害之一，具有局地性強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間短，致災(zāi)性大等特點(diǎn)。多年來，氣象工作者從環(huán)流分型以及云圖、雷達(dá)特征等方面對(duì)大范圍冰雹過程進(jìn)行了研究，得出了一些具有指示意義的結(jié)論。俞樟孝等［1］指出冷鋒位置、邊界層輻合線、潛在不穩(wěn)定度和對(duì)流不穩(wěn)定度這四個(gè)因子對(duì)于判斷冷鋒前有無大范圍冰雹的發(fā)生具有重要意義［1］。覃柱益［2］對(duì)大范圍冰雹的天氣形勢(shì)、落區(qū)、預(yù)報(bào)起始場(chǎng)以及冰雹產(chǎn)生的定性診斷問題進(jìn)行了綜合分析。陳見［3］分析環(huán)流特點(diǎn)指出阿拉伯海高壓、西太平洋副高偏強(qiáng)以及高原地區(qū)位勢(shì)高度負(fù)距平的配置利于南支波動(dòng)的產(chǎn)生，進(jìn)而使華南西部容易激發(fā)中小尺度對(duì)流系統(tǒng)，導(dǎo)致冰雹較常年偏多。林開平等［4］指出浮力能量的演變和天氣尺度系統(tǒng)的配合與大范圍冰雹過程密切相關(guān)。農(nóng)孟松等［5］將造成冰雹的環(huán)流形式進(jìn)行了分型，并指出高原東部低槽型造成冰雹的次數(shù)最多。廖勝石［6］利用多普勒雷達(dá)產(chǎn)品結(jié)合天氣圖資料分析了桂西一次大范圍冰雹天氣過程。梁維亮等［7］發(fā)現(xiàn)ω 方程與數(shù)值預(yù)報(bào)回報(bào)的結(jié)果相結(jié)合對(duì)區(qū)域性強(qiáng)對(duì)流時(shí)間和落區(qū)的總體趨勢(shì)有較好的指示作用。翟麗萍等［8］指出在云圖上呈現(xiàn)長(zhǎng)橢圓、上風(fēng)方光滑為“V”型并沿下風(fēng)方伸出卷云砧是廣西區(qū)域性冰雹云團(tuán)的典型特征。

廣西的冰雹天氣主要出現(xiàn)在2-5 月份，占全年總?cè)諗?shù)的90%以上，其中以3、4 月份最多，前人的工作大多也集中于此時(shí)間段，而對(duì)于出現(xiàn)在1 月份的冰雹天氣研究較少。除此之外，一次強(qiáng)對(duì)流過程出現(xiàn)30 站以上的冰雹觀測(cè)記錄也極為罕見。利用常規(guī)探空觀測(cè)資料、歐洲中心ERA5 再分析資料（分辨率0.25°×0.25°）、多普勒雷達(dá)資料、風(fēng)云2G 衛(wèi)星的相當(dāng)黑體溫度資料（TBB，分辨率0.1°×0.1°）對(duì)廣西2020年1 月24 日一次罕見的大范圍強(qiáng)對(duì)流冰雹天氣進(jìn)行綜合分析，總結(jié)1 月份出現(xiàn)大范圍冰雹過程的天氣尺度條件及中尺度結(jié)構(gòu)特征，提高對(duì)冰雹天氣發(fā)生的認(rèn)識(shí)。

1 天氣過程實(shí)況

2020 年1 月24 下午14 時(shí)至25 日下午16 時(shí)，廣西出現(xiàn)了2000 年以來范圍最大的一次冰雹天氣過程。冰雹的落區(qū)主要位于百色、河池、柳州、崇左、南寧、防城港、欽州、玉林8 個(gè)市的41 個(gè)縣區(qū)，冰雹直徑在3-50mm 之間，其中小冰雹落區(qū)主要位于桂東北，而大冰雹落區(qū)主要位于桂西桂南，其中最大冰雹出現(xiàn)在百色市西林縣，直徑達(dá)到50mm。除此之外，此次過程還伴有雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水，8 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)17m·s-1以上大風(fēng)，31 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。

此次冰雹天氣過程的范圍之大，在廣西雷達(dá)觀測(cè)資料記錄中是少有的。其中1 月24 日14 時(shí)至23時(shí)左右主要為鋒前暖區(qū)對(duì)流，強(qiáng)對(duì)流天氣以大冰雹、雷電、短時(shí)強(qiáng)降水為主，25 日為冷鋒后的高架對(duì)流。在此主要討論24 日的鋒前暖區(qū)對(duì)流過程。

圖1 2020 年1 月24 日—25 日冰雹落區(qū)分布

2 天氣形勢(shì)分析

2.1 影響天氣系統(tǒng)

1 月24 日08 時(shí)，500hPa 上中高緯為兩槽一脊的形勢(shì)，副熱帶高壓脊線穩(wěn)定在15°N 到20°N 附近，南支槽位于孟加拉灣與中南半島之間，廣西位于南支槽前正渦度平流區(qū)，具有天氣尺度抬升背景。南支槽較寬，振幅較小，槽線距離對(duì)流觸發(fā)的西邊界約為4 個(gè)經(jīng)度。槽前等高線密集，存在一支西南風(fēng)急流，急流軸位于桂北，風(fēng)速達(dá)到28～32m·s-1（圖2a），是造成深層強(qiáng)垂直風(fēng)切變的原因之一。南支槽附近有冷槽，從四川盆地延伸至云南越南交界，廣西上空異常偏冷，-12℃溫度線南壓至了桂南，全區(qū)處于槽前24 小時(shí)負(fù)變溫區(qū)中，其中桂西24 小時(shí)負(fù)變溫達(dá)到-2℃（圖2b），槽前負(fù)變溫與850hPa 溫度疊加有利于垂直溫度遞減率增大，增強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定［9］。除此之外，從高原南部至云南一帶不斷有干空氣入侵，廣西上空500hPa 均處在干區(qū)之中，相對(duì)濕度小于50%（圖略）。而在700hPa 上，南支槽位于孟加拉灣北部，落后于500hPa 槽，在垂直方向上呈現(xiàn)出前傾槽的形勢(shì)，也有利于大氣不穩(wěn)定層結(jié)的加強(qiáng)，為槽前暖區(qū)對(duì)流發(fā)生提供有利條件。

低層850hPa 上，24 日08 時(shí)，切變線位于黔桂交界一帶，東段呈東-西向，西段呈南-北向。在切變兩側(cè)，暖空氣從中南半島向東北方向輸送，冷空氣從湖南、貴州向南輸送（圖2c）。同時(shí)，廣西上空850hPa與500hPa 的溫差大部達(dá)到了24℃，其中桂西超過了26℃，溫度直減率大（圖2c）。邊界層925hPa 上切變線已經(jīng)南壓至桂中，其南側(cè)的東南風(fēng)從南海源源不斷輸送水汽，桂南比濕達(dá)到了12g·kg-1，表明邊界層具有良好的水汽條件。

24 日14 時(shí)，廣西上空急流維持，南支槽東移引導(dǎo)切變線南下。此時(shí)地面上冷鋒緩慢南壓至桂中，冷鋒前后為較強(qiáng)的東南風(fēng)和東北風(fēng)輻合，同時(shí)滇黔桂至廣西越南交界存在東南風(fēng)與西南風(fēng)的輻合線，地面鋒面與輻合線為對(duì)流提供了觸發(fā)條件。

圖2 2020 年1 月24 日08 時(shí)（a）500hPa 位勢(shì)高度（等值線，單位：dgpm）和風(fēng)場(chǎng)（藍(lán)線、風(fēng)矢量，≥20m·s－1）；（b）500hPa 溫度場(chǎng)（等值線，單位：℃）和24h 變溫（填色，單位：℃）；（c）850hPa 溫度場(chǎng)（等值線，單位：℃）、850hPa 與500hPa 溫差（填色，單位：℃）以及風(fēng)場(chǎng)（單位：m·s－1）

與歷史同期1 月份氣候態(tài)相比，24 日90°E～110°E，20°N～30°N 上空500hPa 為位勢(shì)高度負(fù)距平（圖略），偏低1～4dagpm，印度高壓和西太副高偏強(qiáng)，而高原地區(qū)為負(fù)距平，在這樣的環(huán)流背景下廣西極易激發(fā)中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)［3］，為此次過程提供了天氣尺度動(dòng)力背景。溫度場(chǎng)上，廣西上空500hPa 異常偏冷，溫度與歷史同期1 月份相比為負(fù)距平，其中桂西北為距平絕對(duì)值大值區(qū)，溫度偏低5～6℃，同時(shí)500hPa 與850hPa 的溫差（T500-850）為-10～-7℃的負(fù)距平，距平絕對(duì)值大值區(qū)位于桂西南，達(dá)到-10℃（圖略），異常偏冷的中層以及大的溫度直減率導(dǎo)致了不穩(wěn)定層結(jié)的建立。

2.2 環(huán)境條件

此次過程主要發(fā)生在廣西西部和南部，因此分別選取百色和南寧探空站為桂西和桂南的代表站。24 日08 時(shí)，兩個(gè)區(qū)域上空均呈現(xiàn)上干下濕的層結(jié)特征。百色濕層僅有2km 的高度，2km 以下溫度曲線和露點(diǎn)曲線相差很小，溫度露點(diǎn)差在1～2℃左右，而在2km 以上溫度露點(diǎn)差迅速增大，在500hPa 左右達(dá)到了25℃左右；而南寧上空濕層更為深厚，向上延展接近3km，3km 以下溫度曲線和露點(diǎn)曲線幾乎重合，而在4km 左右溫度露點(diǎn)差迅速增大。

從能量條件看，08 時(shí)南寧的對(duì)流有效位能（CAPE）已經(jīng)達(dá)到了643.4J·kg-1，自由對(duì)流高度（LFC）在700hPa 以下（表1），表明該區(qū)域能量充足，只需中低強(qiáng)度的抬升擾動(dòng)就能促使不穩(wěn)定能量釋放；而百色的CAPE 值為141J·kg-1，且存在一定的對(duì)流抑制，此時(shí)對(duì)流還未發(fā)展。通過14 時(shí)的溫度27.7℃和露點(diǎn)17.3℃對(duì)探空進(jìn)行訂正后，CAPE 值達(dá)到了2151.8J·kg-1，表明在對(duì)流發(fā)生前已經(jīng)積累了非?？捎^的不穩(wěn)定能量。另外，兩個(gè)站的K 指數(shù)和沙氏指數(shù)（SI）均指示大氣具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定性。14時(shí)，百色站K 指數(shù)達(dá)到了41℃。

在動(dòng)力條件上，百色和南寧的探空顯示近地面層為偏東風(fēng)，以上均轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，700hPa 以上存在強(qiáng)的西南急流，0-6km 垂直風(fēng)切變分別為32m·s-1和22m·s-1（表1），均屬于強(qiáng)的深厚垂直風(fēng)切變，利于對(duì)流風(fēng)暴的組織化發(fā)展以及水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)化從而促進(jìn)超級(jí)單體的發(fā)展［10，11］。

強(qiáng)冰雹的產(chǎn)生還需要合適的0℃和-20℃層高度［12-14］。百色和南寧的0℃和-20℃層高度均分別在3.6 和6.6km 附近，這樣的高度不僅有利于冰雹的生成，同時(shí)還使得降雹過程中的雹塊不會(huì)因暖層過厚而在落地前融化。除此之外，0℃和-20℃層的厚度在3km 左右，厚度區(qū)間內(nèi)溫度遞減率較大，表明條件不穩(wěn)定性較大，也有利于大冰雹的生成［15］。

表1 2020 年1 月24 日08 時(shí)對(duì)流參數(shù)

3 地形作用分析

此次過程的對(duì)流系統(tǒng)主要在桂西北和中南半島北部一帶觸發(fā)，并在高層引導(dǎo)氣流的作用向東北移動(dòng)，在我區(qū)發(fā)展造成降雹。除了地面輻合線的動(dòng)力抬升外，地形的強(qiáng)迫抬升觸發(fā)在本次過程中同樣重要。24 日12 時(shí)，在中南半島北部越南境內(nèi)，低層的偏南風(fēng)與喇叭口地形呈約45°夾角（圖3），地形的抬升有利于對(duì)流的觸發(fā)。同時(shí)該地區(qū)具有較強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定條件（θse850-500大值區(qū)），對(duì)流一經(jīng)觸發(fā)就能得到快速發(fā)展。

圖3 2020 年1 月24 日12 時(shí)925hPa 風(fēng)場(chǎng)（單位：m·s－1）、θse850－500分布（等值線，≥12，單位：K）和海拔高度（陰影，單位：m）

4 云圖和雷達(dá)回波特征

從TBB 和雷達(dá)組合反射率分布可以看到，由于地形的作用，24 日12 時(shí)已經(jīng)有對(duì)流單體在越南東北部發(fā)展（圖4a，圖4d 中強(qiáng)回波A）。14-20 時(shí)該對(duì)流單體發(fā)展加強(qiáng)為超級(jí)單體，在引導(dǎo)氣流作用下向東北方向移動(dòng)入境我區(qū)，經(jīng)鋒面動(dòng)力抬升和不穩(wěn)定能量釋放后進(jìn)一步發(fā)展，云團(tuán)面積明顯增大，TBB 低至-58℃（圖4b），強(qiáng)回波面積增大，強(qiáng)度超過65dBz（圖4e），且具有后向傳播的特征，造成崇左、防城港、欽州和玉林一帶的降雹，最大直徑達(dá)到30mm，于21 時(shí)左右減弱出境。

隨著冷鋒的南壓，滇黔桂交界一帶地面輻合線觸發(fā)另一對(duì)流云團(tuán)（圖4e 中強(qiáng)回波B），隨后向東北方向移動(dòng)并不斷發(fā)展，在強(qiáng)垂直風(fēng)切變作用下向下風(fēng)方向伸展出卷云砧，TBB 最低至-56℃（圖4b），造成百色和河池部分縣市的降雹，其中百色田林在15時(shí)40 分左右出現(xiàn)直徑達(dá)到50mm 的落地冰雹，于19 時(shí)左右減弱消亡（圖4c）。除此之外，16 時(shí)左右在百色、河池和南寧交界一帶也有受鋒面抬升原地觸發(fā)的對(duì)流云團(tuán)（圖4b，圖4e 中強(qiáng)回波C 和D），隨后東北移造成河池、南寧和柳州的降雹。

18—22 時(shí)，高能舌由越南東北部伸向桂西南的形勢(shì)維持，越南北部仍然不斷有地形觸發(fā)的對(duì)流云團(tuán)（圖4c，組合反射率圖4f 上的強(qiáng)回波E、F、G、H），入境后在鋒面及低層切變作用下發(fā)展維持，造成百色、崇左、防城港和欽州多個(gè)縣降雹。

此次過程中的冰雹云團(tuán)在云圖上表現(xiàn)為長(zhǎng)橢圓形，上風(fēng)方向呈“V”型并朝下風(fēng)方向伸出很長(zhǎng)卷云砧，具有造成廣西區(qū)域性冰雹天氣的典型特征［8］，在預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)具有一定的指示意義。雷達(dá)回波圖像上部分強(qiáng)回波單體具有＞1h 的較長(zhǎng)生命史，能夠移動(dòng)較長(zhǎng)距離并在多地降雹。

圖4 2020 年1 月24 日12 時(shí)（a）、16 時(shí)（b）、20 時(shí)（c）的TBB 分布（單位：℃）以及12 時(shí)（d）、16 時(shí)（e）、20 時(shí)（f）的雷達(dá)組合反射率（＞30dBz 回波廓線，單位：dBz）

進(jìn)一步選取造成24 日14∶40 左右崇左寧明縣降雹的對(duì)流單體進(jìn)行分析。14∶34 左右在崇左雷達(dá)4.3°仰角可以看到，位于雷達(dá)西南角65km 處的寧明縣西南部有一剛?cè)刖硰V西的對(duì)流單體，強(qiáng)度達(dá)到60dBz，在其后還跟隨著一發(fā)展強(qiáng)盛的對(duì)流單體（圖5a）。廣西這個(gè)季節(jié)的對(duì)流單體反射率因子一旦超過60dBz 就表明該單體具有降雹的可能，此時(shí)已可以考慮發(fā)布冰雹預(yù)警。沿對(duì)流單體前進(jìn)方向（圖5a 中白線AB）做剖面可以看到，該對(duì)流單體具有明顯的回波懸垂特征，強(qiáng)反射率因子主體隨高度向下風(fēng)方向傾斜，回波頂伸展到14km 左右，大于50dBz 的強(qiáng)回波達(dá)到8km 的高度，遠(yuǎn)高于-20℃層（6.6km）的高度（圖5b），這對(duì)于冰雹的預(yù)警具有指示意義［16］，可以視為預(yù)警信號(hào)發(fā)布最佳時(shí)機(jī)。

圖5 2020 年1 月24 日14：34 崇左雷達(dá)4.3°仰角（a）基本反射率及（b）沿AB 垂直剖面（單位：dBz），（c）基本徑向速度，（d）沿CD 雷達(dá)徑向剖面以及（e）垂直雷達(dá)徑向EF 剖面（單位：m·s－1）

徑向速度圖上，3.4°、4.3°和6.0°仰角上都可以看到該超級(jí)單體的中氣旋特征（圖5c），從14∶05 開始持續(xù)7 個(gè)體掃。沿209°雷達(dá)徑向作如圖白線CD的垂直剖面，可以看到在對(duì)流單體內(nèi)部，高層和低層具有明顯的風(fēng)向切變。0-5km 存在徑向速度的輻合，而5-13km 左右轉(zhuǎn)為輻散，高層輻散低層輻合的配置有利于低層水汽向超級(jí)單體內(nèi)輸送從而使對(duì)流單體強(qiáng)烈發(fā)展［17］。同時(shí)輻合輻散區(qū)軸線隨高度向東北方向傾斜（圖5d），利于對(duì)流的維持。沿垂直雷達(dá)徑向EF 做剖面（雷達(dá)在里）可以看到中氣旋的速度對(duì)特征從2.5km 向上伸展到了9km 左右（圖5e），達(dá)到超級(jí)單體垂直尺度的二分之一，旋轉(zhuǎn)速度最大到19m·s-1左右，距離雷達(dá)65km，根據(jù)美國(guó)國(guó)家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室的中氣旋判據(jù)屬于中等強(qiáng)度的中氣旋。

此外，該超級(jí)單體的垂直液態(tài)水含量（VIL）在14∶22 至14∶34 出現(xiàn)了從50kg·m-2至59kg·m-2的躍增（圖略），表明此時(shí)云體內(nèi)冰雹迅速增長(zhǎng)，對(duì)冰雹的識(shí)別具有很好的指示意義［18］。隨后在14∶40 左右開始降雹落地，VIL 快速降低。

5 結(jié)論

（1）2020 年1 月24 日廣西地區(qū)大范圍的強(qiáng)對(duì)流冰雹天氣過程具有500hPa 寬槽、高空急流、低層切變、地面冷鋒以及輻合線相配合的有利環(huán)流背景。中高層西南風(fēng)急流的強(qiáng)勁造成較強(qiáng)的風(fēng)垂直切變從而有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，為冰雹天氣提供了動(dòng)力條件。異常干冷的中層是導(dǎo)致大溫度直減率的主要原因，配合槽前的負(fù)變溫以及低層暖脊大大增強(qiáng)了大氣的不穩(wěn)定性。地面冷鋒南壓以及地形作用為此次強(qiáng)對(duì)流過程提供了觸發(fā)條件。

（2）深層強(qiáng)垂直風(fēng)切變、熱力不穩(wěn)定層結(jié)以及適宜的0℃、-20℃層高度為冰雹的產(chǎn)生提供有利的環(huán)境條件。

（3）冰雹云團(tuán)在云圖上表現(xiàn)為長(zhǎng)橢圓形，上風(fēng)方向呈“V”型并朝下風(fēng)方向伸出很長(zhǎng)卷云砧，具有造成區(qū)域性冰雹天氣的典型特征。雷達(dá)回波圖上超過60dBz 的強(qiáng)反射率因子、回波懸垂結(jié)構(gòu)、VIL 的躍增、持久深厚的中氣旋以及高層輻散低層輻合的速度場(chǎng)配置對(duì)于冰雹天氣的識(shí)別和預(yù)警具有很好的指示意義。