天山南麓一次弱垂直風(fēng)切變條件下的致災(zāi)冰雹成因分析

希熱娜依·鐵里瓦爾地，努爾比亞·吐尼牙孜，王建友

(1.中亞大氣科學(xué)研究中心，烏魯木齊 830002；2.喀什地區(qū)氣象局，新疆喀什 844000)

喀什地區(qū)岳普湖縣位于天山南麓、塔里木盆地西緣、蓋孜河下游，氣候干燥，屬于溫帶大陸性干旱氣候區(qū)。地勢(shì)西高東低，東北部和西南部為戈壁沙漠，西北部和東南部為沖積平原。由于地處綠洲及沙漠邊緣，每年強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁出現(xiàn)，尤其5—9月出現(xiàn)冰雹頻次較高，冰雹引發(fā)的氣象災(zāi)害給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失，因此做好冰雹天氣的預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)及預(yù)警對(duì)該地的開展防雹服務(wù)工作有重要指導(dǎo)意義。近年來，新疆氣象工作者對(duì)南疆的冰雹特征及災(zāi)害進(jìn)行了大量研究，得出了不少成果。張俊蘭等[1-2]對(duì)阿克蘇地區(qū)的強(qiáng)冰雹超級(jí)單體風(fēng)暴的雷達(dá)回波進(jìn)行了細(xì)致研究，得出了阿克蘇地區(qū)強(qiáng)冰雹發(fā)生時(shí)雷達(dá)指標(biāo)和潛勢(shì)；張?jiān)苹鄣萚3]對(duì)南疆西部中亞低渦背景下造成的兩次強(qiáng)冰雹從環(huán)境場(chǎng)和物理機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比分析，揭示了喀什地區(qū)冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水的環(huán)境場(chǎng)特征；黃艷[4-6]從喀什冰雹天氣的氣候特征、時(shí)空分布特征、環(huán)境背景和強(qiáng)對(duì)流指數(shù)等方面進(jìn)行大量研究，得出了喀什地區(qū)冰雹天氣氣候特征和環(huán)境參數(shù)；李圓圓[7]分析了喀什地區(qū)一次罕見強(qiáng)冰雹天氣的中尺度系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)雹區(qū)附近的低層到地面在冰雹出現(xiàn)前存在中尺度切變線、地面中尺度低壓、涌線等系統(tǒng)，為強(qiáng)冰雹的出現(xiàn)提供了有利的動(dòng)力條件。前人的上述研究成果為南疆西部冰雹天氣的臨近預(yù)報(bào)提供了很好的參考依據(jù)。但目前對(duì)南疆西部冰雹的研究更多側(cè)重于強(qiáng)冰雹形成的物理機(jī)制和雷達(dá)回波特征的分析研究，而對(duì)中等強(qiáng)度冰雹的形成成因和預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的研究較少。從歷年喀什地區(qū)冰雹災(zāi)情資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在弱垂直風(fēng)切變下造成的冰雹，雖然冰雹直徑小，但冰雹持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)仍然能造成嚴(yán)重災(zāi)害。2018年5月19日喀什地區(qū)岳普湖縣出現(xiàn)了一次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的小冰雹，經(jīng)過災(zāi)情調(diào)查發(fā)現(xiàn)此次冰雹天氣給當(dāng)?shù)亓止麡I(yè)、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重災(zāi)害。本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、雷達(dá)資料、區(qū)域加密自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)資料、NCEP再分析資料等，對(duì)此次弱垂直風(fēng)切變下的冰雹天氣從環(huán)流背景、中尺度觸發(fā)機(jī)制、物理?xiàng)l件和雷達(dá)特征等方面進(jìn)行了成因分析，以期為本地此類天氣的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警提供一定的思路。

1 資料選取

選取常規(guī)氣象資料、喀什區(qū)域自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)資料、NCEP 1°×1°再分析資料及2018年5月19日喀什多普勒雷達(dá)資料等，綜合分析喀什地區(qū)岳普湖縣2018年5月19日在弱垂直風(fēng)切變條件下產(chǎn)生的致災(zāi)冰雹的成因。

2 冰雹概況及災(zāi)情

2018年5月19日08時(shí)—20日08時(shí)(北京時(shí)，下同)，喀什平原大部地區(qū)出現(xiàn)小到中雨以上降水，偏北部分區(qū)域出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，強(qiáng)降雨和冰雹發(fā)生時(shí)段在19日18—21時(shí)，其中19：45—20：13岳普湖縣3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后出現(xiàn)冰雹天氣，持續(xù)時(shí)間約30 min，冰雹最大直徑15 mm，造成該地農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)直接經(jīng)濟(jì)損失406.76萬元。

3 環(huán)流背景及中尺度觸發(fā)機(jī)制

過程前期5月18日20時(shí)(圖略)500 hPa歐亞區(qū)域中高緯度為兩脊一槽的環(huán)流形勢(shì)。烏拉爾山至里海、咸海為穩(wěn)定的高壓脊區(qū)，中亞一帶有低槽活動(dòng)，西西伯利亞至貝加爾湖受寬廣的低槽影響，南疆西部處于低槽底部。19日08時(shí)(圖1a)里海、咸海至烏拉爾山高壓脊持續(xù)向東北方向發(fā)展，脊前偏北氣流不斷引導(dǎo)北方冷空氣南下補(bǔ)充到西伯利亞槽中，使槽分兩段。北段位于北疆到東疆之間，有利于冷空氣沿東疆地勢(shì)較低地帶東灌進(jìn)入南疆盆地；南段西退南壓與中亞低槽合并成低渦，低渦南伸至30°N，南疆西部處在低渦前部的西南氣流中；08—20時(shí)中亞低渦東移進(jìn)入南疆西部與東灌冷空氣共同作用影響喀什地區(qū)，造成19日傍晚喀什地區(qū)岳普湖縣的冰雹天氣。

從中尺度分析來看(圖1b)：700 hPa上喀什到阿克蘇之間存在中尺度冷式切變，850 hPa喀什到和田之間有明顯的風(fēng)場(chǎng)輻合區(qū)；500 hPa南疆西部有顯著濕區(qū)，中層濕度條件較好；850 hPa南疆盆地東部存在12 m/s偏東急流，有利于冷空氣輸送和熱力不穩(wěn)定增加。14時(shí)地面上(圖略)，南疆盆地受中心強(qiáng)度為1 000 hPa的熱低壓控制，喀什偏北地區(qū)地面風(fēng)場(chǎng)呈現(xiàn)出氣旋性特征，即存在中尺度地面輻合線。區(qū)域加密自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)顯示，19時(shí)南疆盆地至喀什東部有一致的偏東風(fēng)，而喀什北部一線為西北風(fēng)，伽師縣玉代力克鄉(xiāng)極大風(fēng)速達(dá)21.2 m/s，風(fēng)向輻合區(qū)位于岳普湖境內(nèi)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻岳普湖出現(xiàn)明顯降水，地面增濕。午后地面升溫，近地層儲(chǔ)存不穩(wěn)定能量，隨著高空槽逼近，低層切變線東移，500 hPa上干冷的偏北氣流翻越天山侵入喀什地區(qū)疊加到低層暖濕氣流之上，增強(qiáng)了高低層系統(tǒng)耦合，加劇了大氣層結(jié)不穩(wěn)定性，強(qiáng)對(duì)流在地面中尺度輻合線附近觸發(fā)，不穩(wěn)定能量釋放，造成岳普湖的冰雹天氣。

圖1 2018-05-19T08 500 hPa環(huán)流形勢(shì)(a，實(shí)線為等高線，單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃)和中尺度系統(tǒng)分析(b，灰色陰影區(qū)為冰雹落區(qū))

4 冰雹發(fā)生前物理?xiàng)l件

4.1 不穩(wěn)定層結(jié)和水汽

冰雹爆發(fā)前雹區(qū)低層均存在潛在不穩(wěn)定能量累積過程，在外部動(dòng)力條件具備時(shí)，大氣潛在不穩(wěn)定能量得以釋放，上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展形成強(qiáng)對(duì)流[8-9]。19日08時(shí)南疆西部T(850-500)在28～30 ℃，喀什站T(850-500)=30 ℃，說明高低層垂直溫度遞減率強(qiáng)。14時(shí)隨著溫度的升高T(850-500)加大，喀什地區(qū)T(850-500)達(dá)33 ℃左右(圖2a)，加劇了上冷下暖的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，為冰雹的發(fā)生提供了熱力不穩(wěn)定條件。假相當(dāng)位溫θse也是表示大氣不穩(wěn)定度的一個(gè)重要物理量，隨高度升高而減小可以判斷有不穩(wěn)定層結(jié)。14時(shí)沿77°E做假相當(dāng)位溫和比濕的垂直剖面(2b)，可以看到喀什北部39°N～40°N 在400 hPa以下θse隨高度減小，說明大氣層結(jié)不穩(wěn)定。850～700 hPa有θse線密集區(qū)，即有高能鋒區(qū)，332 K高能中心位于850 hPa。400～600 hPa有低能舌伸向南疆西部，θse(850-500)為10 ℃，表明中層有干冷空氣侵入。用溫度露點(diǎn)差和比濕分析此次強(qiáng)對(duì)流天氣的水汽條件。降雹當(dāng)日08時(shí)喀什偏北地區(qū)700～850 hPa溫度露點(diǎn)差分別為10 ℃、12 ℃，而中高層500～400 hPa溫度露點(diǎn)差分別為1 ℃、2 ℃(圖略)，表明大氣處于上濕下干狀態(tài)，對(duì)流層低層空氣飽和度小，濕度條件不好。午后隨著500 hPa中亞低渦加深東移，低渦前西南氣流逐步加強(qiáng)，將低渦本身攜帶的水汽輸送至南疆西部，在冰雹出現(xiàn)前的18—19時(shí)喀什偏北的英吉沙、岳普湖區(qū)域出現(xiàn)明顯降水，地面濕度增大，為后期強(qiáng)對(duì)流的出現(xiàn)提供了較好的濕度條件。14時(shí)比濕的垂直分布存在南北向的濕度梯度，即喀什南部的葉城山區(qū)和淺山區(qū)一帶比濕達(dá)8 g/kg，往北遞減，冰雹發(fā)生地岳普湖比濕在6 g/kg左右，這在干旱半干旱地區(qū)的春季屬于較高值。14—15時(shí)葉城淺山區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，與比濕有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。假相當(dāng)位溫和比濕的垂直分布可以反映出14時(shí)大氣層結(jié)已轉(zhuǎn)為中上層干冷、低層暖濕的不穩(wěn)定狀態(tài)，冰雹出現(xiàn)在高能高濕區(qū)附近。

圖2 2018-05-19T14的T(850-500)(a，單位為℃)和沿77°E的比濕q(實(shí)線，單位為g/kg)及假相當(dāng)位溫θse(灰色陰影，單位為K)的垂直剖面(b)(▲為冰雹落區(qū)，白色區(qū)域?yàn)榈匦?

4.2 對(duì)流指數(shù)

研究表明，K指數(shù)、SI指數(shù)、CAPE(對(duì)流有效位能)值能很好地反映測(cè)站上空大氣層結(jié)狀態(tài)，CAPE值越大，其能量釋放后形成的上升氣流強(qiáng)度越強(qiáng)，降雹的可能性就越大[10]。因冰雹發(fā)生地岳普湖沒有探空測(cè)站，故選用離雹暴發(fā)生地最近的喀什市探空測(cè)站的探空資料來分析岳普湖上空的大氣層結(jié)條件。由于雹暴發(fā)生在午后至傍晚，為了能真實(shí)反映對(duì)流天氣發(fā)生前后的環(huán)境場(chǎng)，采用當(dāng)日14時(shí)地面和露點(diǎn)溫度對(duì)08時(shí)探空資料進(jìn)行訂正，進(jìn)而提高探空數(shù)據(jù)對(duì)此次冰雹天氣的指示性。從19日喀什探空?qǐng)D(圖3，圖見第13頁)和對(duì)流參數(shù)的變化(表1)可以看出，冰雹發(fā)生前(08時(shí))喀什本站CAPE值為0 J/kg，K指數(shù)為24 ℃，SI指數(shù)為1.41 ℃，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，訂正后(14時(shí))CAPE值突增到1 180 J/kg，不穩(wěn)定能量迅速增長(zhǎng)，K指數(shù)升至32.3 ℃，增幅8.3 ℃，SI指數(shù)降到-4.0 ℃，說明14時(shí)的大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生。

圖3 2018-05-19(a 08時(shí))和訂正后(b 14時(shí))喀什站探空資料(文見第11頁)

表1 2018-05-19喀什站探空對(duì)流參數(shù)

4.3 特征層高度

黃艷等[4]對(duì)2001—2012年喀什地區(qū)發(fā)生的冰雹天氣的0 ℃和-20 ℃高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度有利于產(chǎn)生冰雹；兩者之間的厚度越小越有利于產(chǎn)生大雹。通過表1可見，冰雹發(fā)生前(19日08時(shí))0 ℃層高度為3 775 m，在600 hPa附近；-20 ℃層高度為6 555 m，在400 hPa附近，兩個(gè)特殊層之間的厚度為2 780 m，0 ℃和-20 ℃層高度適宜，有利于冰雹的生成。

5 雷達(dá)回波特征

5.1 組合反射率、回波頂高、液態(tài)含水量

19日18：03在岳普湖東部和西南部形成兩個(gè)回波單體，其中最強(qiáng)回波單體強(qiáng)度為45 dBz，回波高度達(dá)6.2 km，周邊不斷有新的回波單體生成并與之合并；19：16回波繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，面積擴(kuò)大,強(qiáng)度達(dá)57 dBz，回波高度伸展到10 km，VIL值為18 kg/m2，這時(shí)岳普湖境內(nèi)已經(jīng)開始降水。19：22—19：44岳普湖南部的回波向東北方向移動(dòng)與偏東的回波單體合并，回波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，在岳普湖南部到伽師總場(chǎng)形成帶狀分布的多單體風(fēng)暴。從冰雹出現(xiàn)時(shí)段19：50—20：01的回波特征(圖4，見第13頁)來看，19：50岳普湖境內(nèi)強(qiáng)單體回波繼續(xù)發(fā)展，最強(qiáng)中心超過55 dBz，回波頂高達(dá)12 km，VIL值躍增至39 kg/m2。該時(shí)次強(qiáng)回波單體結(jié)構(gòu)密實(shí)，回波梯度加大，呈現(xiàn)出典型的強(qiáng)對(duì)流單體結(jié)構(gòu)，降水加強(qiáng)，19：48—19：53岳普湖出現(xiàn)了第一時(shí)段冰雹，直徑10 mm。19：56—20：01回波繼續(xù)加強(qiáng)，該時(shí)次強(qiáng)對(duì)流發(fā)展最旺盛，冰雹云回波強(qiáng)度達(dá)61 dBz，回波頂高升至13.7 km，VIL值增到43 kg/m2，19：58—20：05出現(xiàn)了第二時(shí)段冰雹，最大冰雹直徑達(dá)15 mm。20：07—20：18冰雹云最強(qiáng)回波強(qiáng)度降到55 dBz，回波頂高降到10 km左右，VIL值減小到33 kg/m2，帶狀回波特征已不明顯，但是仍然有利于小冰雹的出現(xiàn)，20：09—20：13出現(xiàn)了第三時(shí)段冰雹。20：24后回波開始東移減弱，強(qiáng)回波面積減小，同時(shí)VIL值減小、回波頂高度下降，回波逐漸移出岳普湖境內(nèi)，冰雹結(jié)束。

圖4 2018-05-19T19：44—20：01雷達(dá)組合反射率因子與垂直液態(tài)含水量(文見第12頁)

5.2 反射率因子垂直剖面

對(duì)19：56最強(qiáng)回波中心的組合反射率因子做任意方向的垂直剖面(圖5)，圖上呈現(xiàn)出典型的懸垂回波、回波墻、弱回波區(qū)等對(duì)判斷冰雹有指示性意義的回波結(jié)構(gòu)特征，表示風(fēng)暴具有降雹的潛勢(shì)。6 km高度上有懸垂回波，60 dBz強(qiáng)回波高度伸展到0 ℃層(3.8 km)以上，50 dBz強(qiáng)回波高度超過6 km，接近-20 ℃層高度，這種結(jié)構(gòu)特征有利于冰雹的形成。剖面圖上還可以看出大于60 dBz強(qiáng)回波中心已接地，表征該地區(qū)已開始降雹。

圖5 2018-05-19T19：56組合反射率因子(a)及強(qiáng)回波中心垂直剖面(b)(文見第12頁)

5.3 基本徑向速度

19日19：56在2.4°仰角的徑向速度圖(圖6)上，強(qiáng)回波中心對(duì)應(yīng)位置觀察到大片的正速度區(qū)中包含著小范圍的負(fù)速度區(qū)。雹區(qū)位置有明顯的氣旋性輻合型速度對(duì)，直徑小于10 km，從1.5°仰角伸展到2.4° 仰角。其中2.4° 仰角上最為明顯，旋轉(zhuǎn)速度為18 m/s(單體離雷達(dá)距離90 km)，垂直延伸厚度小于風(fēng)暴垂直尺度的三分之一，并維持了2個(gè)體掃，類似于中氣旋的結(jié)構(gòu)特征，強(qiáng)回波對(duì)應(yīng)的區(qū)域有風(fēng)的徑向輻合。以上特征出現(xiàn)的時(shí)間、位置與冰雹出現(xiàn)的時(shí)間、位置較吻合。風(fēng)場(chǎng)的氣旋式輻合有利于上升氣流的維持和增強(qiáng)，在有利的環(huán)流背景下形成了小冰雹。

圖6 2018-05-19T19：56 2.4°仰角徑向速度

5.4 垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP)

利用垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品分析這次冰雹天氣0～6 km的垂直風(fēng)切變的演變。一般來說垂直風(fēng)切變的大小和形成風(fēng)暴的強(qiáng)弱有密切的關(guān)系。在滿足一定的熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)將導(dǎo)致風(fēng)暴的進(jìn)一步加強(qiáng)和發(fā)展[10]。

從冰雹發(fā)生前后時(shí)刻的風(fēng)廓線圖(圖7)可以看出，19：34低層有偏東風(fēng)，0～6 km風(fēng)速切變?yōu)? m/s，5.2 km處有偏西氣流。19：39偏西氣流轉(zhuǎn)為西北氣流并厚度增加，高度下降至4.3 km，說明中層有干冷空氣入侵。19：44在4.6～8.5 km為一致的西南風(fēng)，風(fēng)隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)有冷平流；低層0.3～0.6 km存在東風(fēng)與南風(fēng)的風(fēng)向切變，風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)有暖平流；0～6 km風(fēng)速垂直切變?cè)黾拥?0 m/s。這種上冷下暖的垂直差動(dòng)平流造成的靜力不穩(wěn)定層結(jié)和不斷增強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展，是激發(fā)此次冰雹天氣產(chǎn)生的重要環(huán)境條件之一，對(duì)應(yīng)的19：48—19：53出現(xiàn)了第一時(shí)段冰雹。19：56在0.6～1.2 km之間風(fēng)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)切變了180°，風(fēng)速切變達(dá)4 m/s，0～6 km的風(fēng)速切變繼續(xù)增大，達(dá)到了12 m/s，可以判斷此時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流的可能性較大，對(duì)應(yīng)的19：58—20：05出現(xiàn)了第二時(shí)段冰雹。20：07在0.6～1.2 km之間風(fēng)向切變90°，高低層的風(fēng)速切變減小到10 m/s，20：09—20：13出現(xiàn)了第三時(shí)段小冰雹。后期隨著中高層風(fēng)速的減小和垂直風(fēng)切變減弱，對(duì)流強(qiáng)度也開始減弱，冰雹結(jié)束。

圖7 2018-05-19冰雹出現(xiàn)前后垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品

垂直風(fēng)切變的演變來看，這次冰雹過程0～6 km的垂直風(fēng)切變最強(qiáng)時(shí)達(dá)到了12 m/s，屬于較弱垂直風(fēng)切變，說明動(dòng)力不穩(wěn)定條件不足，不利于大冰雹的產(chǎn)生，這也是這次冰雹直徑小于2 cm的重要原因。

6 結(jié)論

(1)這次冰雹天氣發(fā)生在中亞低渦和東灌冷空氣的有利環(huán)流背景條件下。700～850 hPa中尺度切變線、中尺度地面輻合線以及對(duì)流不穩(wěn)定條件共同促使冰雹天氣過程的發(fā)生發(fā)展。

(2)持續(xù)減小的SI指數(shù)、持續(xù)增大的K指數(shù)表明當(dāng)時(shí)大氣層結(jié)變得非常不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生；強(qiáng)的溫度垂直遞減率、迅速增大的對(duì)流有效位能，為此次冰雹的出現(xiàn)提供了大氣不穩(wěn)定條件。適宜的 0 ℃層和-20 ℃層的高度有利于冰粒的增長(zhǎng)，從而形成冰雹。

(3)冰雹發(fā)生時(shí)雷達(dá)回波表現(xiàn)出冰雹單體反射率強(qiáng)、強(qiáng)回波持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、回波頂高等特點(diǎn)，冰雹發(fā)生時(shí)VIL值發(fā)生躍變，這一變化規(guī)律對(duì)判斷冰雹的發(fā)生具有明顯的指示意義。在反射率因子垂直剖面圖上出現(xiàn)回波墻、懸垂回波以及弱回波區(qū)等冰雹特征結(jié)構(gòu)。在徑向速度場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)有中小尺度氣旋性流場(chǎng)存在，氣旋性輻合出現(xiàn)的時(shí)間、位置與冰雹出現(xiàn)時(shí)間、位置有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(4)通過對(duì)垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品分析可以得出，這次冰雹天氣發(fā)生在較弱的垂直風(fēng)切變的環(huán)境條件下，不利于形成大冰雹，這也是冰雹直徑小于2 cm的原因之一。