畢節(jié)市冰雹天氣環(huán)境參數(shù)特征分析

顧天紅，李 陽，姚 浪

(1.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；2.黔西南州氣象局，貴州 興義562400；3.畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié)551700)

0 引言

畢節(jié)位于貴州西北部，烏蒙山腹地，高原山地為主，受地形影響，天氣復(fù)雜多變，春夏冰雹頻發(fā)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活造成極大影響，嚴重時還會造成極大經(jīng)濟損失和生命財產(chǎn)安全威脅，因此提高對冰雹的的預(yù)報預(yù)警準確率一直以來都是廣大氣象工作者研究的重和難點[1]。周永水[2]利用37 a貴州84個觀測站的實測冰雹資料，深入研究了貴州省冰雹時空分布特征。向淑君等[1]對2018年25個冰雹過程的環(huán)境條件進行分型統(tǒng)計，得出了一些有利于貴州威寧降雹的物理量指標。周庶等[3]基于探空資料對近10 a畢節(jié)20次典型冰雹天氣統(tǒng)計分析，得出畢節(jié)市冰雹時空分布特征及冰雹天氣發(fā)生前的相關(guān)參數(shù)特征。張振秀等[4]對比分析了滇西北7次局地小冰雹過程的環(huán)流背景和雷達回波特征，得出了有利于降雹的熱力、不穩(wěn)定和動力條件。蔣雯玉[5]等對昆明地區(qū)近10 a 5～9月209個冰雹災(zāi)害事件進行時空分布和大氣層結(jié)特性分析，得出昆明地區(qū)利于降雹時0℃～-20℃負溫區(qū)平均厚度、ΔT75、ΔTd75等層結(jié)特性。林雪儀等[6]基于清遠和梧州探空站資料，統(tǒng)計分析了整層比濕積分、沙氏指數(shù)、潛在下沖氣流指數(shù)等8個物理量對清遠地區(qū)前汛期強對流天氣的預(yù)報指示作用。圍繞冰雹時空分布、環(huán)流分型、層結(jié)特征、雷達回波特征等方面，對區(qū)域性典型冰雹天氣的特征分析已經(jīng)做了很多研究工作，而針對畢節(jié)地區(qū)非典型過程的冰雹天氣環(huán)境參數(shù)特征研究較少，本文采用2009～2021年畢節(jié)地區(qū)104個冰雹日的MICAPS 探空資料和冰雹災(zāi)害統(tǒng)計資料，參考雷蕾[7]、龐古乾等[8]的研究，選用沙氏指數(shù)SI、對流不穩(wěn)定能量CAPE、0℃層和-20℃高度等8個物理量進行統(tǒng)計分析，以期為畢節(jié)地區(qū)冰雹預(yù)報提供新思路。

1 資料與方法

挑選了2009～2021年3～7月畢節(jié)市主要的冰雹過程，將08～08時冰雹站次有1站及以上的作為一個冰雹日，共選出104個冰雹日。由于畢節(jié)境內(nèi)僅有威寧探空站(編號56691)，位于畢節(jié)市西部，其境內(nèi)的冰雹落區(qū)均在其下游，故根據(jù)冰雹發(fā)生時間選取在此之前最近時次的威寧探空資料(一天內(nèi)08時和20時)。參考雷蕾[7]、龐古乾等[8]的研究，選取從Micaps4.6 T-logP中直接計算的8種不同探空物理量，分別是700 hPa溫度露點差700 hPa(T-Td)、沙氏指數(shù)SI、對流不穩(wěn)定能量CAPE、700 hPa與500 hPa假相當位溫差Δθse(700 hPa-500 hPa)、自由對流高度FCL、垂直風切變VWS、0℃層高度H0、-20℃層高度H-20。參考高曉梅[9，10]、李力[11]等利用箱形圖分析強對流天氣發(fā)生時環(huán)境參數(shù)最低閾值的方法，本研究也采用物理量參數(shù)箱形圖的25百分位或75百分位來進行閾值分析。

2 2009～2021年畢節(jié)冰雹日時間分布特征

統(tǒng)計2009～2021年畢節(jié)市冰雹發(fā)生頻次月分布如圖1a所示，4月畢節(jié)冰雹發(fā)生頻次最多，5月次之，且多為春季冰雹。而從日變化圖1b可以看出，畢節(jié)市一天之中從13時(12∶00～13∶00)到凌晨2時(01∶00～02∶00)均可能出現(xiàn)冰雹，并且降雹頻次隨著時間呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其中，從15時(14∶00～15∶00)開始降雹頻次明顯增加，18時～19時(17∶00～20∶00)降雹頻次最多，占一天中冰雹發(fā)生頻次的35.2%，而0時以后降雹頻次僅占4.7%。

圖1 2009～2021年畢節(jié)市冰雹月分布(a)和日變化(b)Fig.1 Monthly frequency(a)and daily variation(b)of hail cases in Bijie City from 2009 to 2021

3 環(huán)境場物理量特征分析

3.1 水汽條件參數(shù)

用700 hPa溫度露點差700 hPa(T-Td)來表示大氣中低層空氣濕度狀況，值越大，空氣越干[12]。圖2為700 hPa溫度露點差月分布箱形圖，可以看出，3～7月畢節(jié)市冰雹天氣700 hPa溫度露點差700 hPa(T-Td)平均值為5.8℃，中位數(shù)為5.0℃，從25～75百分位范圍為2.0～8.0℃，那么將700 hPa(T-Td)≤8.0℃作為低層濕度閾值時，可捕捉75%的冰雹日。從逐月分布來看，700 hPa(T-Td)最大值出現(xiàn)在4月，為30.0℃；3月箱體最寬，分布分散，25～75百分位范圍為2.0～11.0℃，而6月箱體最窄，分布最集中，25～75百分位范圍為2.0～4.0℃。以3～5月作為春季，6～7月作為夏季來分析，700 hPa(T-Td)在春季的箱體均較夏季寬，這表明畢節(jié)市冰雹發(fā)生所需水汽條件在夏季較春季更高，與季節(jié)變化關(guān)系較大。

圖2 700 hPa溫度露點差月分布箱形圖Fig.2 Monthly box plots of 700 hPa(T-Td)

3.2 不穩(wěn)定度參數(shù)

沙氏指數(shù)SI是判斷大氣穩(wěn)定度的一種判據(jù)，負值越大，不穩(wěn)定度越大[11]。圖3a為沙氏指數(shù)月分布箱形圖，可以看出，3～7月畢節(jié)市冰雹天氣沙氏指數(shù)平均值為0.92℃，中位數(shù)為0.58℃，從25～75百分位范圍為-0.39～2.40℃，那么將SI≤2.40℃作為閾值時，可捕捉75%的冰雹日。從逐月分布來看，SI最大值出現(xiàn)在3月，為7.53℃，最小值出現(xiàn)在5月，為-5.94℃；3月箱體最寬，分布分散，25～75百分位范圍為0.3～4.58℃，而7月箱體最窄，分布最集中，25～75百分位范圍為0.11～1.49℃。SI在春季的箱體均較夏季寬，這表明畢節(jié)市冰雹發(fā)生所需沙氏指數(shù)在夏季較春季更低，與季節(jié)變化關(guān)系較大。各月SI箱體的平均值(“·”)和中位數(shù)(框內(nèi)橫線)靠近，并呈現(xiàn)3～6月逐漸減小，7月又小幅增加的態(tài)勢。

700～500 hPa假相當位溫差Δθse(700 hPa-500 hPa)反映了大氣熱力不穩(wěn)定，值越大表明大氣越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生對流[2]。圖3b為700～500 hPa假相當位溫差月分布箱形圖，可以看出，3～7月畢節(jié)市冰雹天氣700～500 hPa假相當位溫差Δθse(700 hPa-500 hPa)平均值為6.04℃，中位數(shù)為5.24℃，從25～75百分位范圍為2.5～9.7℃，那么將Δθse(700 hPa-500 hPa)≤9.7℃作為閾值時，可捕捉75%的冰雹日。從逐月分布來看，Δθse(700 hPa-500 hPa)最大值出現(xiàn)在6月，為20.4℃，最小值出現(xiàn)在3月，為-4.6℃；7月箱體最寬，分布分散，25～75百分位范圍為3.3～13.3℃，而4月分布最集中，25～75百分位范圍為2.3～6.1℃。Δθse(700 hPa-500 hPa)各月箱體范圍相差較大，與季節(jié)變化關(guān)系緊密。各月Δθse(700 hPa-500 hPa)平均值(“·”)和中位數(shù)(“框內(nèi)橫線”)靠近，并呈現(xiàn)3～6月逐漸增加，7月小幅減小的態(tài)勢。

圖3 沙氏指數(shù)(a)和 700～500 hPa假相當位溫差(b)月分布箱形圖Fig.3 Monthly box plots of SI(a)and Δθse(700 hPa-500 hPa)(b)

3.3 能量條件參數(shù)

對流有效位能CAPE是反映大氣垂直穩(wěn)定度、對流發(fā)展?jié)搫莸膮?shù)，可表征對流發(fā)生發(fā)展?jié)撛谀芰繌姸萚11]。圖4為對流有效位能月分布箱形圖，可以看出，畢節(jié)市冰雹天氣對流有效位能CAPE平均值為188.0 J·kg-1，中位數(shù)為47.1(J·kg-1)，從25～75百分位范圍為0～225.0(J·kg-1)，那么將CAPE≤225.0(J·kg-1)作為閾值時，可捕捉75%的冰雹日。從逐月分布來看，CAPE最大值出現(xiàn)在5月，為1 339.1(J·kg-1)；5月箱體最寬，分布較分散，25～75百分位范圍為0～282.1(J·kg-1)，而3月箱體最窄，分布最集中，25～75百分位范圍為0～99.8(J·kg-1)。CAPE各月箱體均較窄，與季節(jié)變化不大。

圖4 對流有效位能月分布箱形圖Fig.4 Monthly box plots of CAPE

3.4 抬升條件參數(shù)

自由對流高度FCL表示氣塊溫度與環(huán)境溫度之差由負值轉(zhuǎn)為正值的高度，它是判斷對流現(xiàn)象是否容易發(fā)生的一個重要參數(shù)[9]。圖5a為自由對流高度月分布箱形圖，可以看出，畢節(jié)市冰雹天氣自由對流高度FCL的平均高度為622.0 hPa，中位數(shù)為612.3 hPa，從25～75百分位范圍為552.1～727.4 hPa，那么將FCL≥552.1 hPa作為閾值時，可捕捉75%的冰雹日。從逐月分布來看，F(xiàn)CL最小值出現(xiàn)在5月，為377.8 hPa；5月箱體最寬，分布分散，25～75百分位范圍為520.9～728.1 hPa，而4月箱體最窄，分布最集中，25～75百分位范圍為555.2～681 hPa。FCL逐月變化差異較大。

垂直風切變VWS與強對流的組織結(jié)構(gòu)和特征演變緊密相關(guān)，VWS的增強將導(dǎo)致對流風暴進一步加強和發(fā)展[10]。圖5b為垂直風切變月分布箱形圖，可以看出，畢節(jié)市冰雹天氣垂直風切變平均值為1.37×10-3s-1，中位數(shù)為1.34×10-3s-1，25～75百分位范圍為0.82～1.76×10-3s-1，那么將VWS≤1.76×10-3s-1作為閾值時，可捕捉75%的冰雹日。從逐月分布來看，VWS最大值出現(xiàn)在3月，為3.52×10-3s-1；5月箱體最寬，分布分散，25～75百分位范圍為0.63～1.76×10-3s-1，而4月箱體最窄，分布最集中，25～75百分位范圍為0.76～1.59×10-3s-1。各月VWS平均值(“·”)和中位數(shù)(“框內(nèi)橫線”)靠近，并呈現(xiàn)3～5月VWS逐漸減小，6月、7月又逐漸增加的態(tài)勢。

圖5 自由對流高度(a)和垂直風切變(b)月分布箱形圖Fig.5 Monthly box plots of FCL(a)and VWS(b)

3.5 高度指數(shù)

除了水汽、熱力不穩(wěn)定、抬升條件外，產(chǎn)生冰雹還要求特殊的0℃和-20℃層高度，水滴在0℃和-20℃層負溫區(qū)運動增長形成雹胚[13]。圖6a、6b分別為0℃層和-20℃層高度月分布箱形圖，可以看出，畢節(jié)市冰雹0℃層高度(H0)和-20℃層高度(H-20)的平均值分別為4 732.3 m、7 857.3 m，中位數(shù)分別為4 702 m、7 758.7 m。H0、H-20從25～75百分位范圍分別為4 320.0～5 170.0 m和7 336.4～8 405.4 m，那么將H0≤5 170 m、H-20≤8 405.4 m作為閾值時，可捕捉75%的冰雹日。從逐月分布來看，H0最大值出現(xiàn)在6月，為5 850 m；H-20最大值出現(xiàn)在7月，為9 975.3m。H0和H-20各月箱體大小接近，并且各月平均值(“·”)和中位數(shù)(“箱內(nèi)橫線”)靠近且呈現(xiàn)逐月增加的態(tài)勢。

圖6 0℃層高度(a)和-20℃層高度(b)月分箱形圖Fig.6 Monthly box plots of H0(a)and H-20(b)

4 結(jié)論

通過對2009～2021年畢節(jié)市104次冰雹過程進行研究分析，對其環(huán)境參數(shù)特征進行統(tǒng)計分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)畢節(jié)市4月出現(xiàn)冰雹頻次最多，5月次之，多為春季冰雹。一天之中從12∶00時到02∶00均可能降雹，且降雹頻次隨著時間呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，17∶00～20∶00降雹頻次最多，23∶00～02∶00最少。

(2)將威寧探空站的700 hPa(T-Td)≤8.0℃、SI≤2.40℃、Δθse(700 hPa-500 hPa)≤9.7℃、CAPE≤225.0(J·kg-1)、FCL≥552.1 hPa、VWS≤1.76×10-3s-1、H0≤5 170 m、H-20≤8 405.4 m作為閾值時，可捕捉75%的冰雹日。

(3)一般而言，威寧探空站的700 hPa(T-Td)在2.0～8.0℃、SI在-0.39～2.40℃、Δθse(700 hPa-500 hPa)在2.5～9.7℃、CAPE在0～225.0J·kg-1、FCL在552.1～727.4 hPa、VWS在0.82～1.76×10-3s-1、0℃層高度在4 320～5 170 m、-20℃層高度在7 336.4～8 405.4 m是有利于畢節(jié)市出現(xiàn)冰雹的閾值條件。

(4)700 hPa(T-Td)、Δθse(700 hPa-500 hPa)、FCL、VWS、0℃層高度和-20℃層高度這4個參數(shù)對畢節(jié)市冰雹天氣的影響與季節(jié)變化關(guān)系較大，而SI和CAPE受季節(jié)影響小。

(5)從各月平均值和中位數(shù)來看，700 hPa(T-Td)、SI呈現(xiàn)3～6月逐月減小，7月又小幅增加的態(tài)勢；Δθse(700 hPa-500 hPa)和CAPE呈現(xiàn)3～6月逐月增加，7月又小幅減小的態(tài)勢；FCL逐月變化差異較大；VWS呈現(xiàn)3～5月逐月減小，6、7月又逐月增加的態(tài)勢；0℃層和-20℃層高度呈現(xiàn)逐月增加的態(tài)勢。