吉林省兩次區(qū)域性冰雹過程對比分析

馬洪波 趙新宇 曹 前

（1.吉林省氣象臺(tái)，吉林長春 130051；2.通化市氣象局，吉林通化 134001；3.延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林延吉 133001）

1 引言

吉林省位于中緯度歐亞大陸東部，我國東北地區(qū)中部，在全國氣候區(qū)中，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候[1]。吉林省地形復(fù)雜，東部主要是中低山區(qū)和低山丘陵區(qū)，中西部為臺(tái)地平原區(qū)和沙丘覆蓋沖積平原區(qū)，平原區(qū)占全省面積的40%，農(nóng)業(yè)非常發(fā)達(dá)。吉林省的氣候特征和地形特征導(dǎo)致冰雹成為吉林省的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。

2014—2016年，吉林省冰雹日數(shù)為62d，共87站次。根據(jù)87站次冰雹天氣發(fā)生前物理參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，參考各參數(shù)的取值范圍和參數(shù)之間的互補(bǔ)性以及個(gè)別參數(shù)的極值，總結(jié)了產(chǎn)生冰雹天氣的定量化環(huán)境條件和冰雹天氣的雷達(dá)定量指標(biāo)。上述個(gè)例中，絕大多數(shù)冰雹過程都是局地冰雹，影響范圍小；僅有3次過程是區(qū)域性冰雹，影響范圍廣，造成的災(zāi)害比較嚴(yán)重，下面選取這3次過程中的2次比較典型的過程進(jìn)行詳細(xì)對比分析。

2 資料來源

冰雹日歷資料采用災(zāi)害性天氣年鑒中冰雹災(zāi)害記錄和吉林省55個(gè)觀測站點(diǎn)的冰雹觀測報(bào)文；天氣形勢和物理量計(jì)算數(shù)據(jù)均使用NCEP 0.25°×0.25°再分析資料；雷達(dá)資料采用吉林省5個(gè)雷達(dá)站的體積掃描基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 具體過程分析

3.1 2014年7月23日冰雹過程

3.1.1 災(zāi)情實(shí)況

2014年7月23日午后，長春市九臺(tái)區(qū)、德惠市、吉林市、舒蘭市等多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受冰雹襲擊。23日12時(shí)56分—16時(shí)20分，長春市九臺(tái)區(qū)大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受不同程度的冰雹和大風(fēng)災(zāi)害影響；23日13時(shí)05分—13時(shí)30分德惠市布海鎮(zhèn)、惠發(fā)街道出現(xiàn)冰雹，持續(xù)25min；23日13時(shí)32分—14時(shí)35分，舒蘭市法特鎮(zhèn)、溪河鎮(zhèn)、新安鄉(xiāng)、開原鎮(zhèn)出現(xiàn)局地冰雹、大風(fēng)天氣；吉林市高新區(qū)、龍?zhí)秴^(qū)缸窯鎮(zhèn)、船營區(qū)大綏河鎮(zhèn)、搜登站鎮(zhèn)、越北鎮(zhèn)等6個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、街）32個(gè)行政村遭受風(fēng)雹災(zāi)害，冰雹最大直徑10mm，瞬間風(fēng)力達(dá)7級(jí)。

3.1.2 天氣形勢

2014年7月21日，吉林省受冷渦底部平直西風(fēng)氣流控制，冷渦中心比較偏北，位于黑龍江省以北，冷渦主體對吉林省影響較小。22日開始，冷渦后部一股冷空氣南下，500hPa高度場上表現(xiàn)為橫槽下擺。到23日08時(shí)（圖1a，圖中藍(lán)色陰影為大風(fēng)速區(qū)，下同），高空槽經(jīng)向度較大，槽線南沿已伸至遼寧省北部，吉林省處于槽前偏西氣流控制，風(fēng)速達(dá)到22m/s，高層冷平流較強(qiáng)。槽后有冷槽配合，在正熱成風(fēng)渦度平流的作用下，高空槽進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)。到23日14時(shí)（圖1b），高空槽緩慢東移，槽前偏西氣流和高層冷平流進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖1 2014年7月23日08時(shí)（a）和14時(shí)（b）500 hPa高度場（單位：10gpm）、溫度場（單位：℃）和風(fēng)場（單位：風(fēng)向桿）

從中低層形勢看，23日14時(shí)，700hPa有明顯的高度槽與500hPa相對應(yīng)，槽前有明顯的溫度鋒區(qū)。850hPa冷切變位于吉林省中部偏北，切變右側(cè)有明顯西南氣流，最大值達(dá)到12m/s，切變線左側(cè)的西北氣流較強(qiáng)，最大值達(dá)到10m/s，切變線位置對應(yīng)有明顯的溫度鋒區(qū)。

11時(shí)的地面形勢場上，吉林西部至遼寧南部為東北—西南走向的冷鋒；到14時(shí)冷鋒移至吉林省中部，并且鋒后西北風(fēng)有所加大。地面冷鋒為此次過程的觸發(fā)機(jī)制。從高低層的環(huán)流配置來看，此次過程高低層配置具有明顯斜壓性特征。

3.1.3 環(huán)境條件

在高層冷平流與低層暖平流的作用下，吉林省中部不穩(wěn)定層結(jié)條件逐漸加強(qiáng)，到7月23日14時(shí)，吉林省中部CAPE值達(dá)到500J/kg以上，K指數(shù)達(dá)到32℃；LI指數(shù)中部地區(qū)都小于-1℃，中北部有小值中心，舒蘭達(dá)到-6℃。中東部850hPa和500hPa溫差大于28℃，中北部有30℃大值中心；整個(gè)吉林省0—6km垂直風(fēng)切變件較好，均超過14m/s。

根據(jù)NCEP再分析資料計(jì)算了各自動(dòng)站冰雹天氣發(fā)生前的物理量數(shù)值（表1）。各站的CAPE值均超過500J/kg，K指數(shù)為32℃，抬升指數(shù)均小于-4℃，850hPa和500hPa溫差為30℃，各參數(shù)值都比較顯著，不穩(wěn)定條件較好，只要滿足觸發(fā)條件，就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。另外，各站的0℃層高度均在4 000m左右，-20℃層高度為7 000m左右，這樣的高度為降雹提供了可能。從垂直風(fēng)切變看，各站切變值都達(dá)到24m/s，有利于對流云的組織性和持續(xù)性。

表1 2014年7月23日08時(shí)各站物理量參數(shù)

3.1.4 雷達(dá)回波分析

利用長春多普勒天氣雷達(dá)資料，分析了此次冰雹過程的回波演變特征。此次天氣系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制是地面冷鋒，對流云主要在地面冷鋒前部發(fā)展起來。

7月23日12時(shí)38分（圖2a），長春雷達(dá)站西北部60km處可以觀測到積云線，積云線東側(cè)農(nóng)安和德惠境內(nèi)有對流單體開始發(fā)展，其中有3個(gè)單體中心強(qiáng)度均超過45dBz。對這3個(gè)單體做剖面分析發(fā)現(xiàn)，45dBz頂高均沒有超過7km，沒有達(dá)到-20℃層高度，沒有達(dá)到冰雹判別標(biāo)準(zhǔn)。到12時(shí)59分（圖2b），積云線東側(cè)對流單體迅速發(fā)展加強(qiáng)，并向偏東方向移動(dòng)，與500hPa引導(dǎo)氣流方向一致。同時(shí)又有新的單體發(fā)展加入，這些單體主要位于長春以北，對流云呈現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展，單體個(gè)數(shù)和強(qiáng)度都有明顯增強(qiáng)。這些對流單體呈東北—西南走向，但沒有連成帶狀，走向與地面冷鋒走向基本一致。通過剖面分析，其中3個(gè)單體45dBz頂高超過7km，達(dá)到-20℃層高度，回波VIL值也持續(xù)增大達(dá)到最大值53kg/m2，此時(shí)VIL密度為4.5g/m3，達(dá)到降雹標(biāo)準(zhǔn)，但此時(shí)沒有產(chǎn)生冰雹天氣。隨后VIL值略有下降，但始終保持在45kg/m2左右。12時(shí)56分，九臺(tái)開始降雹；13時(shí)05分，德惠開始降雹。VIL達(dá)到最大值的時(shí)間約提前降雹開始時(shí)間2～8min。隨后隨著這些單體強(qiáng)度穩(wěn)定維持，并緩慢東移，影響德惠、九臺(tái)、舒蘭多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

圖2 2014年7月23日12時(shí)38分（a）和12時(shí)59分（b）長春雷達(dá)1.5°仰角回波強(qiáng)度

23日15時(shí)00分（圖3a），前文的單體基本移出雷達(dá)探測范圍，長春東部和東南部又有新單體生成發(fā)展，強(qiáng)中心超過50dBz，這些單體較之前的單體位置稍偏南，向偏東方向移動(dòng)。這時(shí)單體處于新生發(fā)展階段，剖面分析顯示，45dBz頂高均沒有超過6km，沒有達(dá)到降雹標(biāo)準(zhǔn)。到15時(shí)05分（圖3b），新生單體迅速發(fā)展加強(qiáng)，北側(cè)更靠近不穩(wěn)定中心的單體發(fā)展最快，回波面積擴(kuò)大，45dBz頂高迅速發(fā)展到8km，但中心強(qiáng)度沒有繼續(xù)增加，此時(shí)VIL值達(dá)到最大值48kg/m2，VIL密度達(dá)4g/m3，達(dá)到降雹標(biāo)準(zhǔn)，但此時(shí)沒有冰雹下落；其他新生單體強(qiáng)度和高度沒有大幅增加，沒有達(dá)到降雹標(biāo)準(zhǔn)。隨后回波在東移過程中，強(qiáng)度穩(wěn)定維持，VIL值始終保持在40kg/m2以上，并在2個(gè)體掃后影響吉林大部，產(chǎn)生最大直徑10mm的冰雹。從VIL達(dá)到最大值開始下降到冰雹的產(chǎn)生，為1～2個(gè)體掃時(shí)間，即6～12min。

圖3 2014年7月23日15時(shí)00分（a）和15時(shí)05分（b）長春雷達(dá)1.5°仰角回波強(qiáng)度

從本次風(fēng)暴的演變過程中風(fēng)暴的強(qiáng)度變化和VIL值變化與冰雹產(chǎn)生的時(shí)間來看，此次冰雹過程由地面冷鋒系統(tǒng)觸發(fā)，冰雹的產(chǎn)生均來自快速發(fā)展并穩(wěn)定維持的強(qiáng)對流單體。對流觸發(fā)后，對流單體均快速發(fā)展加強(qiáng)，相對應(yīng)的VIL值也快速增加。從對流單體的強(qiáng)度對比來看，越靠近不穩(wěn)定中心的單體對流發(fā)展越旺盛，強(qiáng)度也越強(qiáng)。達(dá)到冰雹預(yù)警指標(biāo)并且VIL值達(dá)到最大時(shí)刻，到觀測到冰雹的時(shí)間約為1～2個(gè)體掃。單體的移動(dòng)方向主要是沿500hPa引導(dǎo)氣流方向。

3.2 2016年8月16日冰雹過程

3.2.1 災(zāi)情實(shí)況

2016年8月16日午后，吉林省西部大安、通榆、乾安、農(nóng)安等多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹天氣。16日15時(shí)50分左右大安市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水伴有雷雨大風(fēng)、冰雹等天氣；16日18時(shí)20分，通榆縣鴻興鎮(zhèn)、八面鄉(xiāng)、瞻榆鎮(zhèn)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的聚福村、問牛村、東升村等7個(gè)行政村11個(gè)自然屯遭受風(fēng)雹災(zāi)害，冰雹歷時(shí)23min，最大直徑15mm；16日18時(shí)10分—18時(shí)40分許，農(nóng)安縣高家店鎮(zhèn)玍家村、萬金塔鄉(xiāng)五里卜子村等2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的5個(gè)行政村遭受冰雹、大風(fēng)天氣，強(qiáng)降雨持續(xù)約30min，降水量達(dá)30mm，冰雹直徑最大達(dá)10mm左右；16日18時(shí)10分左右，乾安縣讓字鎮(zhèn)的海字村、號(hào)字村、藏字村、淡字村、河字村、小賢村、遐字村和大咸村出現(xiàn)雷雨大風(fēng)和冰雹，冰雹持續(xù)時(shí)間30min，瞬間風(fēng)力達(dá)7級(jí)。

3.2.2 環(huán)流形勢

2016年8月16日08時(shí)（圖4a），吉林省中西部受高空冷渦底部槽后西北氣流控制，冷渦中心位于黑龍江省以北，對吉林省影響較小，槽后西北氣流強(qiáng)度較大，最大值達(dá)到20m/s，高層冷平流比較明顯。到14時(shí)（圖4b），白城西北部可以看到-15℃冷中心，風(fēng)場與溫度場交角接近90°，高層冷平流進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖4 2016年8月16日08時(shí)（a）和14時(shí)（b）500 hPa高度場（單位：10gpm）、溫度場（單位：℃）和風(fēng)場（單位：風(fēng)向桿）

從中低層形勢看，23日14時(shí)，700hPa吉林省中西部受西北氣流控制，溫度場與風(fēng)場的交角也接近90°，700hPa冷平流也比較明顯，最大風(fēng)速達(dá)到8m/s。850hPa吉林省西部處于溫度暖脊前部，偏西風(fēng)風(fēng)速較小，有弱暖平流。

14時(shí)的地面形勢場上，吉林省受地面均壓場控制，白城境內(nèi)有2條地面輻合線；到17時(shí)，地面氣壓系統(tǒng)略有增強(qiáng)，地面出現(xiàn)多條輻合線，白城西部出現(xiàn)南北走向西北風(fēng)與西南風(fēng)輻合線，類似冷鋒結(jié)構(gòu)，但尺度很小。地面輻合線為此次冰雹過程的觸發(fā)機(jī)制。從高低層的環(huán)流配置來看，此次過程不穩(wěn)定層結(jié)建立的主導(dǎo)因素是中上層的冷平流，低層暖平流不明顯，地面無明顯氣壓系統(tǒng)。

3.2.3 環(huán)境條件

8月16日14時(shí)，吉林省中西部CAPE值200J/kg左右，梯度小，范圍廣。K指數(shù)吉林省中西部均超過32℃；LI指數(shù)分布與CAPE類似，中西部都在-2～0℃，梯度較小。全省大部850hPa和500hPa溫差大于26℃，大值中心位于西部，達(dá)到30℃；整個(gè)吉林省0—6km垂直風(fēng)切變條件較好，均達(dá)到12m/s。

根據(jù)NCEP再分析資料計(jì)算了各自動(dòng)站冰雹天氣發(fā)生前的物理量數(shù)值（表2）。各站的CAPE值均超過200J/kg，其中長嶺超過500J/kg，CAPE值有一定指示，但強(qiáng)度較小。K指數(shù)均達(dá)到34℃，比較顯著，和CAPE值有互補(bǔ)性，抬升指數(shù)均小于-1℃，850hPa和500hPa溫差為28℃，各參數(shù)值都滿足降雹指標(biāo)，具有一定不穩(wěn)定條件。另外，各站的0℃層高度均在4 000m左右，-20℃層高度為7 000 m左右，與上個(gè)例子比較相近，這樣的高度為降雹提供了可能。從垂直風(fēng)切變看，各站切變值都達(dá)到12m/s，達(dá)到中等強(qiáng)度，有利于冰雹云的發(fā)展。

表2 2016年8月16日14時(shí)各站物理量參數(shù)

3.2.4 雷達(dá)回波分析

利用白城多普勒天氣雷達(dá)資料，分析了此次冰雹過程的回波演變特征。此次天氣系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制是地面輻合線，對流云主要在地面輻合線附近發(fā)展起來。

8月16日13時(shí)59分（圖5a），白城北部的鎮(zhèn)賚和大安境內(nèi)有對流單體發(fā)展，位置與14時(shí)地面圖上的輻合線位置非常吻合，回波中心強(qiáng)度達(dá)到50dBz，但是面積較小，剖面分析發(fā)現(xiàn)，45dBz頂高6km，沒有達(dá)到-20℃層高度。同時(shí)在白城西北部100km處有東北—西南向帶狀回波生成，中心強(qiáng)度在45dBz以下。隨后在2條輻合線附近始終有對流單體生成并沿500hPa引導(dǎo)氣流方向緩慢向東南偏東方向移動(dòng)，但始終沒有達(dá)到降雹標(biāo)準(zhǔn)，以降雨為主。15時(shí)38分（圖5b），大安北部回波強(qiáng)度加強(qiáng)，中心強(qiáng)度超過55dBz，45dBz頂高達(dá)到8km，超過-20℃層高度，符合降雹標(biāo)準(zhǔn)，VIL值也明顯增大，中心強(qiáng)度達(dá)到45kg/m2，此時(shí)地面沒有降雹。同時(shí)，白城雷達(dá)站西北側(cè)的帶狀回波快速移近，強(qiáng)度增強(qiáng)，面積擴(kuò)大，中心強(qiáng)度超50dBz，但發(fā)展的高度不高，45dBz頂高在6km左右，沒有達(dá)到降雹標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 2016年8月16日13時(shí)59分（a）和15時(shí)38分（b）白城雷達(dá)1.5°仰角回波強(qiáng)度

15時(shí)49分（圖6a），回波強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)到60dBz，高度達(dá)到4.5km，超過0℃層高度，45dBz頂高達(dá)到9km，VIL值達(dá)到最大值60kg/m2，VIL密度值5.0g/m3?；夭ㄐ螒B(tài)具有明顯V型缺口特征，冰雹特征非常明顯，大安北部開始出現(xiàn)冰雹，隨后此對流單體強(qiáng)度穩(wěn)定維持，向東南偏東方向移動(dòng)，并于18時(shí)10分左右影響乾安，造成乾安多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹天氣。另外，白城站西北部帶狀回波繼續(xù)向東南偏東方向快速移動(dòng)發(fā)展，并逐漸發(fā)展成東北—西南走向的颮線，颮線形成前期，主要是以降雨和大風(fēng)為主，沒有達(dá)到冰雹的標(biāo)準(zhǔn)。到18時(shí)16分（圖6b），颮線移至通榆東部，颮線前沿鑲嵌多個(gè)強(qiáng)核，大部分中心強(qiáng)度超過50dBz。剖面分析發(fā)現(xiàn)，大部分回波的45dBz頂高沒有達(dá)到7km，沒有達(dá)到降雹標(biāo)準(zhǔn)，以降雨為主。颮線最北側(cè)的一個(gè)單體強(qiáng)烈發(fā)展，中心強(qiáng)度達(dá)到60dBz，中心伸展高度達(dá)到5km，45dBz頂高達(dá)到7km，VIL達(dá)到最大值55kg/m2，達(dá)到降雹標(biāo)準(zhǔn)。18時(shí)20分，通榆北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)生冰雹。VIL達(dá)到最大值的時(shí)間提前降雹開始時(shí)間約4min。同時(shí)，在農(nóng)安北部，受地面輻合線的觸發(fā)，有對流單體發(fā)展加強(qiáng)，與大安冰雹云風(fēng)暴類似，在冰雹發(fā)生前1個(gè)體掃，對流單體強(qiáng)度和高度達(dá)到冰雹標(biāo)準(zhǔn)，并且VIL值達(dá)到最大。VIL值達(dá)到最大的時(shí)間提前降雹時(shí)間約6min。

圖6 2016年8月16日15時(shí)49分（a）和18時(shí)16分（b）白城雷達(dá)1.5°仰角回波強(qiáng)度

從本次風(fēng)暴的演變過程中風(fēng)暴的強(qiáng)度變化和VIL值變化與冰雹產(chǎn)生的時(shí)間來看，此次冰雹過程由地面輻合線觸發(fā)，通榆冰雹的產(chǎn)生來自颮線中的強(qiáng)單體；其他地方的冰雹均來自快速發(fā)展并穩(wěn)定維持的強(qiáng)對流單體。冰雹發(fā)生前，對流單體均處于快速發(fā)展加強(qiáng)的過程，相對應(yīng)的VIL值也快速增加。從達(dá)到冰雹預(yù)警指標(biāo)并且VIL值達(dá)到最大的時(shí)刻，到觀測到冰雹的時(shí)間為1～2個(gè)體掃。風(fēng)暴的移動(dòng)方向主要是沿500hPa引導(dǎo)氣流方向。

4 結(jié)語

（1）災(zāi)害天氣的類型和強(qiáng)度與大尺度環(huán)流背景和環(huán)境條件密切相關(guān)。2014年7月23日過程屬于斜壓鋒生類，高層冷平流和低層暖平流均較強(qiáng)，水汽輸送條件較好，風(fēng)切變較強(qiáng)，不穩(wěn)定條件更加充分，對流風(fēng)暴的強(qiáng)度和組織性更強(qiáng)，對流單體的維持時(shí)間也更長，從災(zāi)害類型看主要是冰雹和強(qiáng)降水；2016年8月16日過程屬于強(qiáng)冷平流強(qiáng)迫類，700hPa以上為干冷平流，850hPa平流較弱，水汽輸送較弱，風(fēng)切變中等強(qiáng)度，不穩(wěn)定條件也較前一過程明顯偏弱，從災(zāi)害類型看主要是冰雹和大風(fēng)。

（2）從冰雹的落區(qū)來看，2014年7月23日過程強(qiáng)對流的觸發(fā)機(jī)制是地面冷鋒，冰雹云主要在冷鋒前側(cè)發(fā)展起來，并在不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)穩(wěn)定維持；2016年8月16日過程強(qiáng)對流的觸發(fā)機(jī)制為地面輻合線，冰雹云主要在地面輻合線附近發(fā)展加強(qiáng)。兩次過程的觸發(fā)系統(tǒng)均為地面中尺度輻合系統(tǒng)。對流云的移動(dòng)方向兩次比較一致，主要沿500hPa引導(dǎo)氣流方向移動(dòng)。

（3）從冰雹發(fā)生的時(shí)間來看，兩次過程都發(fā)生在中午至傍晚時(shí)段內(nèi)，這可能與太陽輻射對下墊面不斷加熱，使不穩(wěn)定條件進(jìn)一步加強(qiáng)有關(guān)。冰雹發(fā)生前，冰雹云均有快速增強(qiáng)的過程，強(qiáng)度加大，高度更高，且相對應(yīng)VIL值也會(huì)迅速增強(qiáng)，達(dá)到冰雹預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)后，VIL值達(dá)到最大值的時(shí)間約提前冰雹發(fā)生時(shí)間1～2個(gè)體掃。