北票地區(qū)近40 年冰雹氣候特征與診斷分析

郭 玲 張 燁 姜 超 楊 勇 李天宇

（1、遼寧省北票市氣象局，遼寧 北票122100 2、解放軍31440 部隊(duì)，遼寧 沈陽110000）

1 統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與使用資料

本文根據(jù)1980-2019 年北票地區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)冰雹實(shí)況記錄，以當(dāng)日發(fā)生一次或數(shù)次冰雹過程記為一個(gè)冰雹日。各類指數(shù)計(jì)算使用NCEP2.5*2.5 度（1980-2005 年）和1*1 度（2006-2019年）再分析資料。

2 北票地區(qū)冰雹氣候特征

2.1 年際氣候特征

近40 年北票地區(qū)有記錄觀測(cè)冰雹日共計(jì)58 天，年平均出現(xiàn)1.45 天。從年際整體分布特征來看，近40 年降雹日呈周期性震蕩波動(dòng)分布，且經(jīng)歷了3 個(gè)冰雹多發(fā)期（1983-1989 年、1993-1999 年、2011-2017 年）和2 個(gè)少發(fā)期（1990-1992 年、2000-2010 年），但40 年冰雹日總體趨勢(shì)是減小的，3 個(gè)多發(fā)期峰值分別為5 天、4 天和3 天，且3 個(gè)多發(fā)期出現(xiàn)周期均為7年。在1990 年、1997 年、2000 年和2002-2004 年、2006-2009 年均未觀測(cè)到冰雹天氣，其它各年都有出現(xiàn)，一般出現(xiàn)1-2 次，1983、1985、1987 年出現(xiàn)次數(shù)最多，均出現(xiàn)5 次，2018、2019 年已連續(xù)2 年未出現(xiàn)冰雹日，從趨勢(shì)發(fā)展可以推測(cè)北票地區(qū)目前正經(jīng)歷冰雹的另一個(gè)少發(fā)期。

2.2 月際氣候特征

統(tǒng)計(jì)分析表明：北票地區(qū)冰雹最早出現(xiàn)在4 月份，最晚出現(xiàn)在10 月份，常見出現(xiàn)在5-9 月份，其中以6-7 月份出現(xiàn)次數(shù)最多，占總冰雹日的58.6%，而6 月份出現(xiàn)的概率較比7 月份高出61.5%。

2.3 日際氣候特征

根據(jù)觀測(cè)記錄，北票地區(qū)的冰雹多出現(xiàn)在午后，13 時(shí)-17時(shí)出現(xiàn)次數(shù)最多，占總次數(shù)的69.0%，其次為09-12 時(shí)，占總次數(shù)的20.7%，01-03 時(shí)未觀測(cè)到有冰雹出現(xiàn)，其它時(shí)次共計(jì)出現(xiàn)6 次。冰雹特征多數(shù)為小尺度冰雹，即發(fā)生范圍小，冰雹強(qiáng)度弱、持續(xù)時(shí)間短，約為2-5 分鐘。其中，降雹最大過程出現(xiàn)在2014年6 月18 日，當(dāng)日連續(xù)出現(xiàn)兩次降雹，從13 時(shí)58 分開始，至14 時(shí)14 分結(jié)束，整個(gè)過程時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)達(dá)16 分鐘。

3 系統(tǒng)分型與特點(diǎn)

通過對(duì)北票地區(qū)近40 年冰雹日地面、高空?qǐng)D資料的分析發(fā)現(xiàn)：冰雹天氣主要出現(xiàn)在東北低壓、東北冷渦、副高后部、高空槽等天氣系統(tǒng)的發(fā)展過程中，其中又以東北冷渦和東北低壓出現(xiàn)的頻率最高。在58 個(gè)冰雹日個(gè)例中，東北低壓出現(xiàn)了24次，占總次數(shù)的41.4%，東北冷渦天氣系統(tǒng)出現(xiàn)了16 次，占總次數(shù)的27.6%。

3.1 東北低壓型冰雹

進(jìn)入6 月，當(dāng)500hpa 歐亞環(huán)流維持穩(wěn)定的長(zhǎng)波兩槽一脊時(shí)（見圖1，黑色實(shí)心五角星為北票位置，下同），受烏拉爾山高壓加強(qiáng)的影響，中低層槽線加深東移南下，大量冷空氣從蒙古不斷入侵我區(qū)，加之在100-125°E，40-55°N 地面氣旋或低壓切變的配合，西南暖濕氣流北上，大氣處于上干冷下暖濕的極不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)，易發(fā)生雷雨、冰雹。此型冰雹多集中在冷鋒附近，常呈帶狀分布，產(chǎn)生時(shí)間相當(dāng)于冷鋒或高空槽迫近時(shí)間，且隨冷鋒和高空槽的移動(dòng)而移動(dòng)。

3.2 東北冷渦型冰雹

東北冷渦是指在500hpa 高空?qǐng)D上有一條以上閉合等高線的低中心，并有冷中心或冷槽相配合的天氣系統(tǒng)。影響本區(qū)的冷渦系統(tǒng)主要來自于貝加爾湖-蒙古中部一線，系統(tǒng)在東移南下過程中不斷加強(qiáng)、加深，移入本區(qū)后形成深厚系統(tǒng)，并引起高空不斷降溫，形成一個(gè)干冷蓋；在115-125°E，35-45°N 范圍內(nèi)850hpa 高度有來自華北地區(qū)的暖濕空氣，兩者相遇促使低層潛在不穩(wěn)定能量增強(qiáng)，出現(xiàn)潛在不穩(wěn)定能量區(qū)，而冰雹的落區(qū)往往與這些潛在不穩(wěn)定能量區(qū)相吻合。通過資料分析，以北票為中心點(diǎn)，以經(jīng)、緯線為縱、橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，低渦中心在第二象限時(shí)，即位于北票西偏北部時(shí)，出現(xiàn)冷渦冰雹的頻率最高;在第一、三象限時(shí)次之;在第四象限時(shí)無冰雹。

圖1 東北低壓型地面氣壓場(chǎng)示意圖

3.3 副高后部型冰雹

副熱帶高壓是夏季影響我區(qū)的最主要高壓系統(tǒng)，當(dāng)我區(qū)位于副高后部，且前一日東北500hPa 和700hPa 為一低槽區(qū)且低槽往往比較深厚時(shí)，常伴隨較強(qiáng)的西南風(fēng)，暖濕氣流提供了充分的水汽和熱量。當(dāng)貝加爾湖、蒙古或河套北部有高空槽下滑或自西向東移過遼寧地區(qū)時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)力抬升作用，可造成該區(qū)出現(xiàn)降雹天氣(見圖2)。

3.4 高空槽型冰雹

此型降雹前一日20 時(shí)至當(dāng)日08 時(shí)，從雅庫茨克到鄂海皆為高脊或高壓中心，低壓中心在偏東位置，低層850hpa、700hpa存在短波槽線，槽后有明顯的冷中心或冷槽，500hpa 平直偏西風(fēng)氣流穩(wěn)定（見圖3）。近地面層以偏南或東南風(fēng)為主，積累大量的不穩(wěn)定能量，在低層短波槽作用下釋放，形成強(qiáng)雷暴降雹，伴隨700hpa 槽線過境，過程結(jié)束。

圖2 副高后部型地面氣壓場(chǎng)示意圖

圖3 高空槽型高空位勢(shì)高度場(chǎng)示意圖

4 物理量場(chǎng)診斷分析

4.1 K 指數(shù)

陸漢城[1]指出，強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)，要求在對(duì)流層中低層有明顯的對(duì)流不穩(wěn)定。而K 指數(shù)作為判斷大氣穩(wěn)定度常用的一種判據(jù)被廣泛適用，K 指數(shù)越大，層結(jié)越不穩(wěn)定。分析表明：北票地區(qū)6-9 月份發(fā)生冰雹時(shí)K 指數(shù)均達(dá)到了30 以上，5 月份和10月份冰雹日K 指數(shù)較小，在25-30 之間。一般研究認(rèn)為K≥30可能有雷雨等不穩(wěn)定天氣，但在北票地區(qū)特定季節(jié)（5 月、10 月）K 指數(shù)在25 以上時(shí)就可能有強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。

4.2 抬升指數(shù)

抬升指數(shù)（LI）指氣塊從自由對(duì)流高度沿干絕熱線上升，到達(dá)凝結(jié)高度后再沿濕絕熱上升至500hpa 時(shí)所具有的溫度與500hpa 等壓面環(huán)境溫度的差值。為負(fù)值時(shí)表示氣塊不穩(wěn)定，負(fù)值越大，對(duì)應(yīng)的氣塊不穩(wěn)定能量面積越大。分析表明：北票地區(qū)抬升指數(shù)（LI）在歷年冰雹日中指標(biāo)意義反映不是很明顯，58 個(gè)冰雹日中LI 正值負(fù)值各占約50%，5 月份至6 月上旬和9 月下旬至10 月份多數(shù)為正值，其他時(shí)間多為負(fù)值。

4.3 強(qiáng)天氣威脅指數(shù)

強(qiáng)天氣威脅指數(shù)（SWEAT）是20 世紀(jì)70 年代引入的一個(gè)指數(shù)，綜合反映了中低層熱力穩(wěn)定度特性及適宜風(fēng)暴發(fā)生動(dòng)力環(huán)境對(duì)風(fēng)暴發(fā)生所產(chǎn)生的共同作用，其包含了低高層濕度、溫度及風(fēng)場(chǎng)信息，而且考慮了環(huán)境風(fēng)在垂直方向的旋轉(zhuǎn)[2]。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示：在北票地區(qū)出現(xiàn)冰雹的過程中，強(qiáng)天氣威脅指數(shù)SWEAT 最小值為107，最大值為453。

4.4 對(duì)流有效位能指數(shù)

對(duì)流有效位能（CAPE）是現(xiàn)代強(qiáng)對(duì)流天氣分析預(yù)報(bào)的重要參數(shù)，在中小尺度天氣系統(tǒng)研究和強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)中有著廣泛的應(yīng)用。Doswell 和Rasmussen[3]指出，在深對(duì)流可能發(fā)生的環(huán)境中，CAPE 是一個(gè)與環(huán)境聯(lián)系最為密切的熱力學(xué)能量變量，Cape 的值越大，發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的可能性越大。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示：在北票地區(qū)出現(xiàn)冰雹的過程中，CAPE 最小值為:738，最大值為2836。

4.5 零度（0℃）層高度指數(shù)

0℃溫度所在高度和冰雹的出現(xiàn)密切相關(guān)，研究指出[4]，90%的降雹出現(xiàn)在0℃層高度距地面高度為1524-3658m，當(dāng)0℃層高度距地高度為2134-3353m 時(shí)，最可能出現(xiàn)大雹塊。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示在北票地區(qū)出現(xiàn)的冰雹過程中，76%的冰雹個(gè)例零度層高度在2720-3370m 米之間，最低1950 米，最高達(dá)3670 米。

綜合分析上述5 類指數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：K 指數(shù)、對(duì)流有效位能（CAPE）有很好的相關(guān)性，在K 指數(shù)較大時(shí)，對(duì)流有效位能也較大，表明大氣越不穩(wěn)定，其對(duì)流有效位能越大。抬升指數(shù)（LI）在5 月至6 月上旬和9 月下旬至10 月多數(shù)為正值，其大氣的不穩(wěn)定性反應(yīng)不明顯，但此時(shí)強(qiáng)天氣威脅指數(shù)（SWEAT）一般維持在200 以上。據(jù)此，在天氣形勢(shì)具備的情況下，預(yù)示北票地區(qū)極有可能出現(xiàn)冰雹天氣的物理量場(chǎng)指數(shù)指標(biāo)可歸納為：一是在高K指數(shù)場(chǎng)（K≥30）、高CAPE 場(chǎng)（CAPE≥700）、低LI 場(chǎng)（LI＜0）結(jié)合低SWEAT 場(chǎng)（SWEAT≥100）中；二是在高K 指數(shù)場(chǎng)（K≥30）、高CAPE 場(chǎng)（CAPE≥700）、高LI 場(chǎng)（LI＞0）結(jié)合高SWEAT場(chǎng)（SWEAT≥200）中。當(dāng)然，還要再有效結(jié)合適宜的零度層高度（1950-3670 米）即可以預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)冰雹的發(fā)生；三是在5 月至6月上旬和9 月下旬至10 月的時(shí)間，K 指數(shù)沒有達(dá)到30，LI 指數(shù)大于0 的情況下，也要綜合考慮其他幾種指數(shù)和天氣形勢(shì)，準(zhǔn)確作出冰雹等強(qiáng)不穩(wěn)定天氣的預(yù)報(bào)。