陜西4月冰雹天氣學(xué)特征及對流潛勢指標(biāo)分析

彭 力,趙 強,陳小婷，徐浩天

(1.銅川市氣象局，陜西銅川 727000；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；3.陜西省氣象臺，西安 710014)

陜西冰雹天氣有明顯的季節(jié)變化和空間分布差異，冰雹一般出現(xiàn)在4—9月，冰雹災(zāi)害主要集中分布在關(guān)中平原及以北的地區(qū)[1-2]。強對流天氣的發(fā)生需要不穩(wěn)定層結(jié)、垂直風(fēng)切變、初始的抬升觸發(fā)機制和適當(dāng)?shù)乃a充條件。孫繼松等[3]從預(yù)報實踐的角度討論了與強對流有關(guān)的一些基本概念、基礎(chǔ)理論；俞小鼎等[4]總結(jié)了不同類型強對流天氣發(fā)展的環(huán)境條件、中尺度結(jié)構(gòu)特征等；王秀明等[5]研究了大氣層結(jié)不穩(wěn)定與對流，雷暴觸發(fā)機制與抬升作用及天氣系統(tǒng)的關(guān)系等問題。在此基礎(chǔ)上，許愛華等[6]對中國中東部強對流天氣的天氣形勢進行了分類，總結(jié)了各類強對流天氣的基本要素配置；路亞奇等[7]建立了隴東強對流天氣概念模型，歸納了兩種強對流天氣的物理量閾值；對于冰雹天氣發(fā)生時的天氣學(xué)特征和多普勒天氣雷達特點，許慶娥等[8-11]進行過詳細的分析研究；鮑向東等[12]還對河南冰雹天氣的環(huán)流形勢進行了分型，統(tǒng)計了冰雹天氣發(fā)生前的環(huán)境參量；此外，許新田等[13]對陜西初夏冰雹氣候特點和降雹同期的環(huán)流背景進行了分析，指出了地面影響系統(tǒng)對降雹的指示意義；趙強等[14]對商洛市初夏和盛夏冰雹天氣形勢進行了分析，統(tǒng)計了與商洛冰雹天氣關(guān)系密切的11個物理量指標(biāo)；姚靜等[15]統(tǒng)計分析了陜西雷暴、冰雹等對流性天氣的氣候特征，探討了強對流天氣發(fā)生時的物理量指標(biāo)。近年來，陜西四月多次出現(xiàn)了冰雹天氣，由于4月并非陜西強對流天氣的多發(fā)時段，加之在汛期值班之前，冰雹的預(yù)報常常容易被忽視。以往對陜西4月強對流天氣過程的總結(jié)較少，本文從潛勢預(yù)報及短臨預(yù)報角度分析和探討在汛前陜西冰雹天氣預(yù)報需要關(guān)注的重點，總結(jié)陜西4月冰雹天氣發(fā)生的天氣形勢特征，凝練冰雹天氣潛勢預(yù)報指標(biāo)，從而為陜西4月冰雹天氣預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 資料及方法介紹

以陜西省內(nèi)99個國家自動氣象站2015—2020年4月的地面觀測資料、地面危險報、災(zāi)情報告為研究對象，統(tǒng)計陜西近6 a內(nèi)4月冰雹天氣的典型個例。國家自動氣象站1站以上有冰雹記錄或冰雹災(zāi)情記錄記為一次冰雹過程。國家自動氣象站1站以上1 h降水量≥20 mm記為一次短時強降水過程。共統(tǒng)計4月冰雹過程8次，其中冰雹并伴有短時強降水過程有1次。利用常規(guī)氣象觀測資料、衛(wèi)星、雷達資料等，在考慮熱力、動力、水汽條件的基礎(chǔ)上，對典型相似冰雹個例的高低空系統(tǒng)配置進行分型，總結(jié)出陜西4月冰雹天氣的概念模型。統(tǒng)計陜西探空站點08時探空資料中的物理量，篩選具有指示意義的熱力不穩(wěn)定層結(jié)、能量、水汽、垂直風(fēng)切變等環(huán)境參數(shù)，凝練陜西4月冰雹潛勢預(yù)報的指標(biāo)。

2 冰雹天氣特點及天氣學(xué)特征

對2015—2020年陜西4月冰雹個例進行統(tǒng)計(表1)發(fā)現(xiàn)，陜西4月雹發(fā)生的主要時段在午后至傍晚(12—20時)。從降雹地域分布來看，陜北、關(guān)中、陜南均有冰雹出現(xiàn)，其中陜北南部、關(guān)中降雹次數(shù)較多,為4月陜西降雹的高頻區(qū)。8次降雹過程僅有1站次冰雹伴有短時強降水(2020年4月9日)，出現(xiàn)在陜南。

表1 2015—2020年陜西4月典型冰雹天氣過程統(tǒng)計

由于降雹的主要時段在午后至傍晚，因此利用降雹日08時的高低空氣象觀測資料對陜西4月冰雹個例的天氣學(xué)特征進行分析。按環(huán)流形勢和影響系統(tǒng)將4月冰雹天氣類型分為槽后西北氣流型和冷槽型2種。統(tǒng)計(表1)發(fā)現(xiàn)，槽后西北氣流型在4月降雹過程中最為常見，占比達到62.5%；冷槽型占比為37.5%。分別針對槽后西北氣流型和冷槽型冰雹天氣過程選取典型個例，在高低空系統(tǒng)配置及環(huán)境場對比分析的基礎(chǔ)上凝煉出陜西4月冰雹天氣的概念模型。

2016年4月27日08時陜北南部、關(guān)中的冰雹天氣類型為槽后西北氣流型，其概念模型圖(圖1a)：500 hPa天氣圖上在110°E以東有低槽東移，槽后有冷溫度槽配合，溫度槽冷中心小于-20 ℃；陜西上空盛行西北氣流，陜西中部存在風(fēng)速超過20 m/s的西北風(fēng)急流，500 hPa西北風(fēng)急流給陜西中部帶來明顯的干冷空氣；陜西上空700 hPa以西北氣流為主，850 hPa處于濕區(qū)中；地面圖上陜西為氣壓場的低值區(qū)。500 hPa西北風(fēng)急流帶來強的干冷空氣疊加在低層暖濕區(qū)之上，形成上冷下暖強的位勢不穩(wěn)定層結(jié)，陜北南部、關(guān)中t(850-500)達到30 ℃以上。隨著午后地面輻射增溫，大氣不穩(wěn)定度進一步加大，在地面中尺度系統(tǒng)(輻合線、干線)觸發(fā)下，產(chǎn)生對流，新生對流沿500 hPa西北氣流引導(dǎo)，向東南方向移動并不斷增強，在關(guān)中北部產(chǎn)生降雹。槽后西北氣流型冰雹天氣的特點主要表現(xiàn)為中層強的干冷空氣侵入，造成強熱力不穩(wěn)定層結(jié)。

圖1 陜西4月冰雹天氣典型概念模型(a 槽后西北氣流型；b 冷槽型)

2015年4月26日08時陜北南部、關(guān)中的冰雹天氣類型為冷槽型，其概念模型圖(圖1b)：500 hPa天氣圖上陜西上空有冷槽東移，冷槽后部冷中心強度小于-16 ℃，槽后冷空氣侵入陜西中部上空；700、850 hPa陜西中部上空有切變線配合，陜北南部、關(guān)中位于切變線右側(cè)偏南氣流中；850 hPa華北至陜北南部存在溫度脊，陜北南部—陜南為濕區(qū)；500 hPa槽后冷空氣疊加低層暖濕中心，形成上暖下冷的位勢不穩(wěn)定層結(jié)，陜北南部、關(guān)中t(850-500)達到30 ℃以上，在地面輻合線觸發(fā)下，易產(chǎn)生對流，高空槽前正渦度平流配合低層切變線附近的動力抬升，對流快速發(fā)展。高層冷空氣疊加低層暖濕氣流，配合低層天氣尺度動力抬升是冷槽型冰雹天氣產(chǎn)生的主要原因。

3 冰雹天氣潛勢指標(biāo)

冰雹產(chǎn)生的環(huán)境條件包括大氣熱力不穩(wěn)定層結(jié)、水汽分布、觸發(fā)機制和適宜的0 ℃、-20 ℃層高度。熱力不穩(wěn)定層結(jié)決定了產(chǎn)生對流風(fēng)暴的強度和類型，對流能量決定了對流上升氣流的強度和對流發(fā)展的程度，因此分析大氣熱力不穩(wěn)定層結(jié)、對流能量、水汽、0 ℃和-20 ℃層高度可以為冰雹潛勢預(yù)報提供有效指標(biāo)。陜西4月冰雹天氣主要出現(xiàn)在午后至傍晚(12—20時)。選取08時陜西探空站為研究對象，分別對延安(53845)、涇河(57131)、漢中(57127)、安康(57245)(其中延安站代表陜北，涇河站代表關(guān)中，漢中、安康站代表陜南)的探空資料進行統(tǒng)計分析，共篩選出了11個指標(biāo)(表2)在陜西4月冰雹天氣潛勢預(yù)報中有較好的指示意義，這些指標(biāo)代表了產(chǎn)生冰雹天氣的熱力不穩(wěn)定層結(jié)、能量、水汽、垂直風(fēng)切變等環(huán)境條件。

表2 陜西4月冰雹天氣潛勢預(yù)報指標(biāo)

3.1 水汽條件

用850 hPa露點溫度(td850)表示低層大氣的水汽條件。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)陜北、關(guān)中降雹日td850的平均值在1～3 ℃左右，陜南降雹日td850平均值達到了15 ℃，陜南降雹前低層水汽條件優(yōu)于陜北、關(guān)中。對比4月td850的氣候平均值，陜北、關(guān)中降雹日的td850偏高3～5 ℃，陜南偏高達10 ℃，這表明降雹之前，大氣低層水汽有明顯增加；陜南緯度偏南，同時由于秦嶺山脈地形的阻擋作用，陜南大氣低層的水汽很難輸送到關(guān)中、陜北，造成了秦嶺兩側(cè)降雹前低層水汽明顯的差異。

3.2 不穩(wěn)定條件

分析降雹日850 hPa與500 hPa溫度差(t(850-500))。降雹日陜北t(850-500)達到30 ℃以上，關(guān)中t(850-500)在28 ℃左右，陜南為25～26 ℃。與4月氣候平均值相比較，陜北、關(guān)中降雹日t(850-500)偏高4～5 ℃，陜南偏高2～3 ℃， 表明陜北、關(guān)中大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定。分析降雹日850 hPa溫度與4月氣候平均值差異，陜北、關(guān)中偏高1～2 ℃，陜南偏高6 ℃。4月大氣低層溫度較低，當(dāng)高層有較強冷空氣自北向南侵入時，容易形成上冷下暖的熱力不穩(wěn)定層結(jié)；高空冷空氣強度自陜北向陜南逐漸減弱，低層溫度自陜北向陜南逐漸增加，大氣上下溫差自北向南減小，陜北—關(guān)中高低層溫度遞減率較陜南更大，更易形成強的熱力不穩(wěn)定層結(jié)。

K指數(shù)、總指數(shù)與大氣溫度遞減率和低層水汽條件密切相關(guān)。統(tǒng)計結(jié)果表明，降雹前陜北K指數(shù)達到了22 ℃，總指數(shù)達到50 ℃；關(guān)中K指數(shù)達到19 ℃，總指數(shù)達到47 ℃；陜南K指數(shù)達到28～31 ℃，總指數(shù)達到49 ℃以上。對比4月K指數(shù)、總指數(shù)的氣候平均值，陜北降雹日的K指數(shù)偏高15 ℃，關(guān)中偏高8 ℃，陜南偏高10～14 ℃；陜北降雹日的總指數(shù)偏高14 ℃左右，關(guān)中、陜南偏高10 ℃左右。由于陜北溫度遞減率更大，陜南低層水汽條件更好，陜北及陜南K指數(shù)、總指數(shù)均大于關(guān)中。分析SI指數(shù)表明，陜北降雹日SI指數(shù)為1 ℃，關(guān)中在2 ℃左右，陜南SI指數(shù)<-3 ℃時降雹可能性大。計算對流穩(wěn)定度指數(shù)，陜北、關(guān)中降雹日對流穩(wěn)定度指數(shù)在-1 ℃左右，陜南為-18～-16 ℃。

冰雹的發(fā)展主要取決于強的上升氣流，而強的上升氣流則由環(huán)境熱浮力(對流不穩(wěn)定能量CAPE)轉(zhuǎn)化而來。不同的季節(jié)，CAPE作用不同。統(tǒng)計CAPE分析發(fā)現(xiàn)，4月降雹前，08時代表探空站的CAPE值均較小，因此不能直接用來判斷大氣不穩(wěn)定能量的大小。CAPE較小，主要由于低層溫度較低影響，午后隨著輻射增溫，CAPE明顯增大。利用午后14時地面溫度和露點溫度對降雹地代表探空站進行訂正，訂正后的CAPE達到500～1 500 J/kg，因此，4月將CAPE在強對流天氣潛勢預(yù)報中應(yīng)用時必須要經(jīng)過探空訂正。

強天氣威脅指數(shù)(SWEAT)、瑞士第一雷暴指數(shù)(SWISS00)、瑞士第二雷暴指數(shù)(SWISS12)是表征大氣水汽條件、不穩(wěn)定條件、垂直風(fēng)切變的綜合指數(shù)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)這幾種指數(shù)在冰雹天氣出現(xiàn)前有較好的指示意義。降雹日陜北SWEAT在120左右，關(guān)中在80左右，陜南在200～220，陜北、陜南較氣候平均值明顯偏多。SWISS00、SWISS12陜北為4左右，關(guān)中為6～7左右時，容易出現(xiàn)冰雹，陜南出現(xiàn)冰雹時SWISS00在0左右，SWISS12在2～5。

3.3 0 ℃、-20 ℃層高度

降水強回波擴展到0 ℃等溫層以上，才會對降雹潛勢有較大貢獻，積云伸展到-20 ℃層以上有利于大冰雹產(chǎn)生，適宜的0 ℃、-20 ℃層高度是冰雹產(chǎn)生的重要參數(shù)[16]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)4月降雹日陜北0 ℃層高2.9 km，-20 ℃層高5.7 km；關(guān)中0 ℃層高3.4 km，-20 ℃層高6.4 km；陜南0 ℃層高4.2～4.4 km,-20 ℃層高7.3 km。對比4月0 ℃、-20 ℃層高度氣候平均值，陜北降雹日0 ℃、-20 ℃層高度明顯偏低，陜南降雹日0 ℃、-20 ℃層高度明顯偏高，這是由于陜北受高層強冷空氣影響，陜南受低層暖濕空氣影響所致。陜西6—9月冰雹天氣發(fā)生當(dāng)日的0 ℃、-20 ℃層高度分別在4 km左右和7 km左右[15]。相比而言，4月陜北、關(guān)中0 ℃、-20 ℃層高度較6—9月明顯偏低，這主要是冷空氣活動較頻繁所致，較低的0 ℃、-20 ℃層高配合4月午后陜北、關(guān)中較強的不穩(wěn)定層結(jié)，利于冰雹雹胚的生長。

4 冰雹天氣觸發(fā)機制及雷達回波特征

從4月冰雹天氣的雷達回波來看，造成冰雹天氣的對流云團大多數(shù)在降雹地上游地區(qū)被觸發(fā)，隨后向下游移動不斷增強，造成降雹。槽后西北氣流型冰雹天氣，雷達回波較為分散，局地性更強，持續(xù)時間較短；冷槽型冰雹天氣由于低層天氣尺度動力抬升配合，雷達回波范圍更廣，持續(xù)時間更長。分析對流云團的觸發(fā)機制，對流云團均為地面中尺度系統(tǒng)(輻合線、干線、鋒面)觸發(fā)(表1)，對流云團被觸發(fā)后，常移出初生地并不斷增強，在移動過程中重新觸發(fā)新生對流。從產(chǎn)生降雹對流云團形態(tài)來看，降雹主要由普通單體風(fēng)暴、多單體風(fēng)暴、線風(fēng)暴造成，其中以多單體風(fēng)暴為主。多單體風(fēng)暴及線風(fēng)暴中降雹對流單體最大反射率因子強度達到60 dBz以上，單體中大于50 dBz的強回波擴展到-20 ℃層高度以上，垂直累積液態(tài)水含量達到30 kg/m2以上。以2015年4月26日午后冷槽型冰雹天氣過程發(fā)展為例，強對流天氣發(fā)生前，高層冷空氣疊加在低層暖濕空氣上，中層有切變線配合，大氣層結(jié)具有明顯的位勢不穩(wěn)定。08時地面天氣圖上，陜西位于海上高壓后部，風(fēng)場上延安中南部存在地面輻合線，受太陽輻射增溫影響，大氣不穩(wěn)定度增加，11時地面風(fēng)場上輻合線(圖2a)依然存在，11：46左右地面輻合線附近(延安西北部及南部)有對流回波被觸發(fā)(圖2b)，對流單體在切變線輻合抬升作用下迅速發(fā)展，多個單體合并,沿500 hPa引導(dǎo)氣流向東移動，逐漸加強為多單體風(fēng)暴及線風(fēng)暴。

圖2 2015年4月26日11時地面風(fēng)場(a 風(fēng)羽，單位為m/s，黑色實線為地面輻合線)和11：46延安多普勒天氣雷達組合反射率因子(b 單位為dBz)

5 結(jié)論

對2015—2020年陜西省4月冰雹天氣發(fā)生的天氣學(xué)特征、對流潛勢指標(biāo)及雷達回波特征進行統(tǒng)計分析，得出以下幾點結(jié)論。

(1)陜西4月冰雹天氣多發(fā)生在午后至傍晚(12—20時)，降雹相對高頻區(qū)位于陜北南部和關(guān)中。

(2)按典型個例環(huán)流形勢將冰雹天氣分為槽后西北氣流型和冷槽型，槽后西北氣流型的主要特征表現(xiàn)在中層強的干冷空氣侵入造成強熱力不穩(wěn)定層結(jié)，冷槽型冰雹天氣產(chǎn)生的主要原因為高層冷空氣疊加低層暖濕氣流造成強的位勢不穩(wěn)定，天氣尺度抬升促進對流進一步發(fā)展。

(3)共篩選出11個指標(biāo)為陜西4月冰雹天氣潛勢預(yù)報提供參考，這些指標(biāo)代表了大氣的熱力不穩(wěn)定層結(jié)、能量、水汽、垂直風(fēng)切變等環(huán)境條件，實際業(yè)務(wù)應(yīng)用中可重點分析相比氣候平均值差異較大的K指數(shù)、總指數(shù)、對流穩(wěn)定度指數(shù)，作為冰雹天氣潛勢預(yù)報中不穩(wěn)定層結(jié)及低層水汽條件的判別指標(biāo)，同時需注意其他指標(biāo)的配合使用；CAPE在強對流天氣潛勢預(yù)報中應(yīng)用，必須要經(jīng)過探空訂正。

(4)降雹云團受地面中尺度系統(tǒng)觸發(fā)，降雹單體中最大反射率因子達到60 dBz以上，大于50 dBz的強回波擴展到-20 ℃層高度以上；槽后西北氣流型冰雹的雷達回波分散、局地性強、持續(xù)時間短，冷槽型冰雹的雷達回波范圍廣、持續(xù)時間長。