巴彥淖爾市五原縣一次冰雹天氣診斷分析

甄雅鑫

（巴彥淖爾市五原縣氣象局，內蒙古巴彥淖爾 015100）

五原縣地處內蒙古河套平原腹地，黃河“幾”字灣最北端，是典型的農業(yè)大縣。冰雹作為影響農業(yè)生產的主要氣象災害之一，具有突發(fā)性強、破環(huán)性大、區(qū)域性明顯的特征，同時伴有雷電大風、短時強降水，對五原縣的農業(yè)生產、國民經濟增長和人民的生命財產帶來嚴重的危害。郭玉鳳、方曉紅等[1—2]對巴彥淖爾市冰雹天氣的氣候特征、移動路徑和預報指標等進行研究與分析，認為沙氏指數(shù)SI≤1.0，K指數(shù)≥40，A 指數(shù)≥10 是判斷五原縣層結不穩(wěn)定的指標；李一平等[3—4]通過內蒙古中西部降雹的指標及一些物理量對冰雹的形成和影響進行研究，但是對五原縣的研究不多。本文通過2016 年巴彥淖爾市五原縣發(fā)生的一次典型冰雹天氣過程分析，對冰雹天氣有更清楚的認識，為災害性天氣的預報、預警與服務提供依據。

1 天氣實況及災情

2016 年6 月3 日下午，受蒙古冷渦影響，五原縣自西向東遭受冰雹、短時強降水、雷暴大風等強對流天氣，小時最大降水量為22.7 mm/h，極大風速達21.5 m/s，均出現(xiàn)在3 日15：00 隆興昌。降雹最大持續(xù)時間8 min。強降雹造成五原縣隆興昌、和勝、套海、勝豐、復興、塔爾湖、銀定圖、新公中、天吉泰等9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，49 個自然村，220 個社、73 150 人受災，成災面積35 068 hm2，絕收面積5 866.67 hm2，受災農作物主要有玉米、葫蘆、葵花、甜瓜、小麥、番茄、小菜籽，直接經濟損失18 021.08 萬元。

2 環(huán)流背景分析

該次降雹過程環(huán)流形勢比較典型。從高空環(huán)流形勢（圖1）可知，6 月3 日08：00 500 hPa 亞歐大陸為兩槽一脊環(huán)流形勢。中高緯度影響五原縣降雹的天氣系統(tǒng)是蒙古低渦底部低槽，伴隨著冷槽的東移進入五原縣境內，低渦底部的氣旋式切變影響五原縣，造成輻合上升運動；同時，低渦內部及降雹區(qū)的濕度較大，為冰雹的形成提供了足夠的水汽條件。700 hPa 高空圖（圖2）上，五原縣同樣受冷槽底部偏西氣流影響，700 hPa 槽線落后于500 hPa 槽線，形成前傾槽結構。850 hPa 高空圖（圖3）上，在五原縣上游有切變線，配合有12℃暖舌向內蒙古中部伸去，五原縣的東部有渤海偏南的暖濕水汽輸送。由圖4 可知，五原縣受地面倒槽影響。這樣的高低空形勢配置，造成上冷下暖的溫度差動平流，加大了層結的不穩(wěn)定性，配合地面倒槽的抬升，為該次冰雹天氣的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的條件。

圖1 五原縣2016 年6 月3 日08：00 500 hPa 高空圖

圖2 五原縣2016 年6 月3 日08：00 700 hPa 高空圖

圖3 五原縣2016 年6 月3 日08：00 850 hPa 高空圖

圖4 五原縣2016 年6 月3 日08：00 地面海平面氣壓場

3 物理量診斷分析

3.1 動力條件

分析6 月3 日08：00 的散度場（圖5a）可知，從低層到高層，矢量散度場出現(xiàn)了整層輻合，850 hPa大負值中心恰好位于套區(qū)東北部，有利于對流發(fā)展。對形成冰雹的渦度場而言，500，700，850 hPa 都為正渦度區(qū)（圖5b～5d），且渦度值隨高度的增加而增大，有上升運動。正渦度值的高低層配置，非常有利于強對流天氣的發(fā)展。

3.2 水汽條件

水汽不僅是對流云形成的原料，而且它的垂直分布是影響氣層穩(wěn)定度的重要因子。6 月3 日08：00，五原縣上空（N41°05’20”、E108°28’15”）850，700，500 hPa 比濕分別為10，7，1.5 g/kg（圖6）。隨著高度的遞增比濕逐漸減小，500 hPa 相對濕度場（圖7）僅為60%，700，850 hPa 迅速增加為90%，100%。分析其他濕度參量可以得到類似的結果，說明五原縣上空上干下濕的配置很明顯，有利于不穩(wěn)定能量的形成。由水汽通量散度場的垂直結構（圖8）分析表明，08：00 冰雹落區(qū)850 hPa 為水汽輻合區(qū)，中心強度為-3.6×10-4g/（hPa·cm2·s），為冰雹的生成提供了充足的水源。

3.3 穩(wěn)定度條件

大氣對流是有效能量之間的相互轉換和釋放。對流有效位能CAPE 為可以轉換成氣塊運動動能的能量。對流抑制能量是氣塊獲得對流必須超越的能量臨界值。這2 個值已經成為強對流天氣分析預報中的常用參數(shù)，得到了廣泛的應用[5—6]。分析08：00臨河站的探空資料（圖9）發(fā)現(xiàn)，CAPE 值為83 J/kg，能量值較低，說明08：00 的不穩(wěn)定能量條件較差，而20：00 的CAPE 值明顯增大，為下午的冰雹提供了不穩(wěn)定能量；而20：00 的CIN 值較08：00 相比明顯減小，促進了冰雹的發(fā)生（圖10）。

08：00 冰雹發(fā)生前，套區(qū)大部分地區(qū)處于不穩(wěn)定區(qū)，臨河站850 hPa 和500 hPa 的假相當位溫的差值在10 ℃以上，且假相當位溫的值隨高度的增加而減小，沙氏指數(shù)SI=-1.4℃，表明大氣呈對流不穩(wěn)定狀態(tài)。

大量文獻表明，K 指數(shù)主要用作對流性天氣的一個熱力指標。它既能考慮垂直溫度梯度，又考慮了低層水汽條件，還間接表示了濕層的厚度[7]。臨河站08：00 的K 指數(shù)為33.6℃，表明氣層很不穩(wěn)定且低層為暖濕，具有發(fā)生強雷暴的可能性。

3.4 0℃和-20℃層高度

深厚的負溫區(qū)有利于冰雹尤其是強冰雹生成，即-20℃～0℃的區(qū)域，也稱過冷水累積區(qū)，其厚度越小越有利于降雹[8]。0℃和-20℃層高度分別是云中冷暖云分界線和大水滴自然冰化區(qū)的下界，是判斷環(huán)境大氣是否有利于冰雹云生成的重要參數(shù)。劉曉輝[9]研究表明，0℃層的高度在600 hPa 上下，-20℃高度層在400 hPa 附近時有利于冰雹的生成。由圖9 可知，0℃層的高度為3 654 m，在600 hPa 附近；-20℃層高度為6 987 m，在400 hPa 附近，都滿足冰雹產生的條件。

圖5 2016 年6 月3 日08：00 五原縣850 hPa 散度場和不同高度渦度場分布圖

圖6 2016 年6 月3 日08：00 不同高度層比濕場分布圖

3.5 垂直風切變

垂直風切變是指水平風隨高度的變化。大量文獻[10—11]指出，在一定的熱力條件下，風場的強垂直切變對雷暴的發(fā)生、發(fā)展產生重要的影響。由圖9 分析表明，中下層500 hPa 以下風向隨高度順轉顯著，為暖平流；對流層中層（500～300 hPa）風向隨高度逆轉，有冷平流侵入，風向的高低空配置有利于不穩(wěn)定的加強，而且風速隨高度明顯增加，垂直切變加大有利于上升氣流和下沉氣流在相當長的時間里共存發(fā)展，有利于中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展。

圖7 2016 年6 月3 日08：00 不同高度層相對濕度場分布圖

3.6 強天氣威脅指標

美國天氣預報員提出強天氣威脅指標SWEAT,朱乾根等[11]研究表明，河套地區(qū)發(fā)生強對流的可能性極大。郭玉鳳等[1]得出，在巴彥淖爾發(fā)生強對流天氣的SWEAT 值一般在180 左右。查看當天08：00探空圖可知，降雹區(qū)附近的臨河站SWEAT 為219，超過了當?shù)氐慕涷炛?。?0：00 臨河站SWEAT 值明顯減小到187，有利于強天氣的產生。

圖8 2016 年6 月3 日08：00 不同高度層水汽通量散度場分布圖

4 雷達產品分析

從13：58 開始，對流回波進入五原縣并自西向東移動，直至16：29 逐漸減弱消散。通過對臨河C波段新一代天氣雷達產品的分析發(fā)現(xiàn)，該次有多個對流單體生成，共同構成一個中尺度對流系統(tǒng)影響五原縣發(fā)生降雹天氣，現(xiàn)就強度最強及最典型的G7單體進行分析，見圖11。

圖9 2016 年6 月3 日08：00 臨河探空圖

G7 于14：46 生成于黃河沿岸，自西南向東北方向移動。生成后迅速加強，于第2 個體掃，雷達回波最大反射率因子由45 dBZ 躍升到60 dBZ，VIL 值也出現(xiàn)躍增，由不足5 kg/m2上升為39 kg/m2，降雹概率和強降雹概率分別為100%和90%；回波頂高由3 km 躍增到7 km，強天氣概率為75%。隨著時間推移，云體逐漸發(fā)展壯大，且東移北抬，說明此時云體上部處于西南偏西風的環(huán)境場中，與此時引導氣流為西南風的高空風保持一致。單體趨勢產品顯示，反射率因子、回波頂高、質心高度、VIL、冰雹及強冰雹指數(shù)的數(shù)值都非常大，預期最大的冰雹尺寸達7.6 cm（3 英寸），強天氣概率為99%。

圖10 2016 年6 月3 日20：00 臨河探空圖

圖11 G7 單體趨勢圖

從徑向速度圖上看（圖12），單體北部有中氣旋結構生成，周圍還有龍卷式渦旋配合，同時其邊緣0.5°，1.5°，2.4°，3.4°每個仰角都存在逆風區(qū)，在向陽村存在明顯的輻合區(qū)，說明此處風向發(fā)生了劇烈的變化，產生了強烈的風切變和輻合，而另一側的輻散區(qū)有利于水汽的垂直輸送和降水粒子的降落。陳鮑發(fā)等[13—15]研究也表明，“逆風區(qū)”范圍內回波發(fā)展更加強盛，強度增強，可作為發(fā)生強對流天氣的重要指標之一。15：10，G7 南側不斷有新的回波單體產生，并與之合并持續(xù)發(fā)展加強為弓形回波。15：34 合并后的體掃產品顯示，單體又一次加強，對流最旺盛，VIL 值又一次躍增為50 kg/m2，且強冰雹概率為100%。劉治國等[16]將垂直累積液態(tài)水的這種變化稱為爆發(fā)式增長現(xiàn)象，對冰雹的預警有很好的指示意義。

由此時的不同仰角反射率因子剖面圖（圖13）可知，在垂直高度上，低層的弱回波區(qū)對應著中高層強回波，說明中高層存在著懸垂回波，單體風暴云有傾斜和強烈的旋轉，存在明顯的強上升運動。對應的徑向速度圖上有17 m/s 的大風區(qū)，即風暴的最大上升氣流區(qū)。15：52 雷達回波頂高、冰雹及強冰雹概率、垂直累積液態(tài)水含量分別降為5 km、70%和20 kg/m2，單體逐漸開始減弱。

Amburn 和Wolf[17]定義VIL 與風暴高度之比為VIL 密度，并做了大量研究，表明幾乎所有VIL 密度值超過4 g/m3的風暴都會產生直徑超過2 cm 的大冰雹。計算此單體的VIL 密度值發(fā)現(xiàn)，從單體生成的第1 個體掃開始到15：59 單體開始減弱消亡，期間的VIL 密度值始終都高于4 g/m3，而且冰雹是在3 個體掃即18 min 后降落的，說明VIL 密度值對于這種局地突發(fā)性冰雹的預警具有很好的指示意義，這與丁建芳[18]的研究結論一致。冰雹指數(shù)產品是對每個被識別的風暴單體，提供其風暴單體結構，對是否有助于冰雹形成具有較好的指示意義[19]。對比單體的冰雹指數(shù)產品，從第2 個體掃開始至冰雹成熟結束，持續(xù)出現(xiàn)“POS”報警，說明此時應該警惕強對流的發(fā)生。該次冰雹指數(shù)算法有較好的指示意義。

圖12 15：34 五原縣不同仰角的徑向速度圖

圖13 15：34 五原不同仰角的反射率因子

5 結論

（1）蒙古冷渦、低層切變線、地面倒槽的抬升，配合上高冷、下暖濕的不穩(wěn)定配置環(huán)境場，為該次冰雹的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的動力條件和觸發(fā)機制。

（2）從物理量條件來看，正渦度場、大片輻合區(qū)、不穩(wěn)定能量、風的強垂直切變、合適的濕球溫度0℃和-20℃層高度等條件都可以作為冰雹預報的著眼點。

（3）回波頂高≥7 km、垂直累積液態(tài)水含量及其密度≥4 g/m3、最大反射率因子≥55 dBZ、中氣旋、逆風區(qū)、低層的弱回波區(qū)、中高層存在著懸垂回波、弓形回波、強天氣威脅指標≥180 等對冰雹天氣的監(jiān)測、識別和預警有很好的指示意義。