基于探空數(shù)據(jù)的貴陽(yáng)市冰雹天氣大氣垂直環(huán)境特征分析*

崔蕾， 朱育雷， 黃鈺， 張小娟 ， 唐辟如

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽(yáng) 550081； 2.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽(yáng) 550002)

冰雹是降落到地面的冰球，是由強(qiáng)對(duì)流天氣引起的一種氣象災(zāi)害，發(fā)生時(shí)間短、來(lái)勢(shì)兇猛且強(qiáng)度大，常伴有狂風(fēng)驟雨等災(zāi)害性天氣發(fā)生[1].貴州省冰雹具有生成發(fā)展快、降雹頻次高、影響范圍廣、局部災(zāi)害重、中部地區(qū)多發(fā)及防范難度大的特點(diǎn)[2]，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食生產(chǎn)等方面帶來(lái)嚴(yán)重威脅.

大氣中各個(gè)高度上的溫度、濕度和氣壓等的垂直分布特征及其變化是大氣水汽、熱力和動(dòng)力特征的反映，對(duì)各類天氣系統(tǒng)的診斷分析及強(qiáng)天氣預(yù)警預(yù)報(bào)都具有十分重要的意義[3].特別是在弱天氣尺度系統(tǒng)影響下，天氣尺度分析不足以判斷強(qiáng)天氣發(fā)生的潛勢(shì)條件[4]，而探空資料能夠反映強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前周圍大氣垂直方向上的溫濕結(jié)構(gòu)和中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的局地垂直環(huán)境場(chǎng)特征，能夠清楚地呈現(xiàn)冷暖平流、干線、濕舌、顯著流線及切變線的位置，這些物理量的差異能夠一定程度上表征特定中尺度環(huán)境下某種強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的概率[1,5]，是強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)預(yù)報(bào)中的重要資料.已有研究表明：影響冰雹天氣發(fā)生的非常重要的因素是中層干空氣和強(qiáng)垂直風(fēng)切變，且在冰雹天氣發(fā)生前，對(duì)流層低層一般為上升運(yùn)動(dòng)，來(lái)自大氣中層和上層的干冷空氣及其伴隨的下沉氣流有利于不穩(wěn)定層結(jié)的增強(qiáng)[6-7]；6 km以下過(guò)冷水滴與冰粒子消耗和貝吉隆過(guò)程等交替出現(xiàn)，產(chǎn)生相對(duì)濕度低于80%的區(qū)域，這是冰雹生長(zhǎng)的有利環(huán)境，冰雹粒子群會(huì)快速累積[8].劉曉初等[9]利用探空資料對(duì)16個(gè)雷暴大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行研究后表明：冰雹天氣相較于短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣而言，其0 ℃層和-20 ℃層更低；樊李苗等[10]對(duì)探空數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：不同強(qiáng)對(duì)流天氣溫濕廓線形態(tài)、關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)、靜力穩(wěn)定度、不穩(wěn)定能量以及垂直風(fēng)切變均有不同程度差異；李金輝等[11]對(duì)延安寶塔區(qū)冰雹云內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)研究，揭示了冰雹云內(nèi)部溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)及垂直氣流的變化特征；李永[12]對(duì)南京2007-2014年強(qiáng)對(duì)流過(guò)程探空資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有些探空資料具有明顯的溫度跳變特征，溫度連線出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象或呈鋸齒狀，并具有一定的連續(xù)性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)極端劇烈的跳變現(xiàn)象均出現(xiàn)在0 ℃層附近；雷蕾等[5]在利用探空資料對(duì)2007-2008年北京地區(qū)夏季強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行分類時(shí)發(fā)現(xiàn)，0 ℃層高度、-20 ℃層高度、500 hPa與850 hPa溫差、逆溫層高度及低空風(fēng)切變等可較為顯著地區(qū)分冰雹和暴雨天氣.

以往對(duì)貴陽(yáng)市冰雹天氣過(guò)程的研究多針對(duì)單次個(gè)例的天氣過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)冰雹天氣大氣垂直結(jié)構(gòu)變化特征研究較少，本文將基于貴陽(yáng)市探空站及人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)相關(guān)資料，對(duì)冰雹天氣大氣垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，以期為冰雹等災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警以及垂直探測(cè)雷達(dá)的數(shù)據(jù)適用性研究提供科學(xué)參考.

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

氣象觀測(cè)資料是2017-2020年貴州省貴陽(yáng)市探空站(57816)的逐日兩次(北京時(shí)間08:00和20:00)探空資料.該探空站位于貴州省貴陽(yáng)市東山山頂，地理位置為106.72°E，26.58°N，海拔為1 074 m.所用貴陽(yáng)市降雹資料為人工影響天氣作業(yè)站點(diǎn)記錄資料，貴陽(yáng)市共計(jì)有51個(gè)人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)，各作業(yè)點(diǎn)記錄了降雹起止時(shí)間、冰雹粒徑及降雹密度.

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)應(yīng)貴陽(yáng)市作業(yè)點(diǎn)降雹時(shí)刻，以最小時(shí)間差原則匹配最為臨近的探空資料，共挑選出21個(gè)探空文件，其中19個(gè)為當(dāng)日20:00的探空資料，2個(gè)為當(dāng)日08:00的探空資料.為保證分析資料在大氣整體性質(zhì)上的相對(duì)統(tǒng)一，僅對(duì)20:00的探空資料進(jìn)行分析，下文簡(jiǎn)稱為“降雹探空”.另選取降雹探空前一日和后一日對(duì)應(yīng)時(shí)刻探空資料作為對(duì)比，若出現(xiàn)多日傍晚連續(xù)降雹，則挑選降雹時(shí)段首末日期對(duì)應(yīng)時(shí)刻探空作為對(duì)比(例如降雹探空為2017年4月5日20:00的探空資料，則對(duì)比探空為2017年4月4日20:00和2017年4月6日20:00的探空資料；如連續(xù)降雹探空時(shí)段為2019年4月17日至19日20:00的探空資料，則對(duì)比探空為2019年4月16日20:00和2019年4月20日20:00的探空資料)，按此方法共計(jì)篩選出32個(gè)探空文件，下文簡(jiǎn)稱為“對(duì)比探空”.

由于探空資料的觀測(cè)高度并不統(tǒng)一，為便于分析，將不同觀測(cè)高度的氣象要素插值到統(tǒng)一的高度.使用的插值方法是線性插值[13-14]，即將與插值高度相鄰的上下兩個(gè)觀測(cè)高度上的氣象要素值線性擬合至插值高度.

2 降雹探空與對(duì)比探空垂直特征分析

2.1 能量條件分析

對(duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時(shí)的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，是大氣對(duì)流發(fā)生潛勢(shì)和潛在強(qiáng)度的重要指標(biāo)[15].將降雹探空與對(duì)比探空的CAPE值進(jìn)行比較，降雹探空平均CAPE值為776 J/kg，對(duì)比探空的平均CAPE值為646 J/kg，同時(shí)結(jié)合圖1可見(jiàn)，降雹探空與對(duì)比探空的CAPE中值分別為633 J/kg和539 J/kg，75百分位數(shù)值分別為160 J/kg和238 J/kg；整體看來(lái)，降雹探空較對(duì)比探空而言，大氣對(duì)流發(fā)生潛勢(shì)更高.

此外，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前期，逆溫層的存在有利于不穩(wěn)定能量的聚集[5]，且對(duì)于貴州而言，逆溫層在地面至700 hPa，一旦熱力或動(dòng)力的抬升條件沖破逆溫，則有利于冰雹的發(fā)生，故對(duì)降雹探空對(duì)應(yīng)日期當(dāng)日08:00探空出現(xiàn)逆溫的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖2.由圖2可見(jiàn)，近地層至3 km高度存在逆溫的次數(shù)有11次，占比58%，逆溫層厚度在500 m至1.5 km之間，且逆溫層上下兩層溫差小，主要為等溫或弱逆溫，溫差范圍在0～2 ℃之間.說(shuō)明近地層至700 hPa高度存在溫差小且厚度不大的淺薄逆溫有利于貴陽(yáng)市冰雹天氣的形成.

2.2 不穩(wěn)定層結(jié)構(gòu)分析

對(duì)降雹探空和對(duì)比探空的部分參數(shù)的平均值進(jìn)行分析得到表1.由表1可見(jiàn)，對(duì)于凍結(jié)層平均高度而言，降雹探空0 ℃層、-5 ℃層、-15 ℃層和-20 ℃層高度均低于對(duì)比探空對(duì)應(yīng)溫度層高度，且降雹探空0 ℃層至-20 ℃層厚度為2 809 m，較對(duì)比探空對(duì)應(yīng)層厚度薄227 m.一方面較小的凍結(jié)層厚度意味著該厚度區(qū)間內(nèi)的溫度垂直遞減率大，即降雹探空較對(duì)比探空垂直溫度遞減率更大，條件不穩(wěn)定性越大；另一方面降雹探空較對(duì)比探空的垂直條件而言，冰球到地面的融化高度更低，發(fā)生冰雹或大冰雹的可能性更大[16-18].同時(shí)， 降雹探空700 hPa 與500 hPa 溫差、850 hPa 與500 hPa 溫差也較對(duì)比探空更大，二者差值分別為1 ℃和0.4 ℃.此外，降雹探空1.5 km高度露點(diǎn)溫度較對(duì)比探空的對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度高1.1 ℃，且降雹探空1.5 km高度上溫度露點(diǎn)差較對(duì)比探空低2.2 ℃，說(shuō)明降雹探空在低層濕度更大.

表1 降雹探空與對(duì)比探空部分參數(shù)統(tǒng)計(jì)

K指數(shù)是特殊層結(jié)溫度、水汽含量和大氣相對(duì)濕度的綜合表征，一般而言，K指數(shù)越大，代表對(duì)流潛勢(shì)越大[15].結(jié)合圖3可見(jiàn)，降雹探空與對(duì)比探空的K指數(shù)平均值分別為36.4 ℃和30.7 ℃，中值分別為37 ℃和33 ℃，75百分位數(shù)值分別為33 ℃和25.8 ℃.由此可見(jiàn)，降雹探空K指數(shù)整體上大于對(duì)比探空對(duì)應(yīng)值，降雹探空0 ℃層至-20 ℃層大氣層結(jié)溫度垂直變化較對(duì)比探空更大，且邊界層大氣層結(jié)濕度也更大，說(shuō)明降雹探空所對(duì)應(yīng)的大氣層結(jié)較對(duì)比探空具有低層濕度更大且溫度垂直遞減變化更劇烈的特征.

進(jìn)一步計(jì)算降雹探空和對(duì)比探空中相同氣壓高度的平均氣溫、平均露點(diǎn)溫度差、相應(yīng)要素最大值、最小值以及平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.大氣層結(jié)溫度方面(圖4),貴陽(yáng)市降雹探空近地層(850 hPa以下)平均溫度為19.5 ℃，低層(850 hPa至700 hPa)平均溫度為13.95 ℃，中層(700 hPa至500 hPa)平均溫度為0.5 ℃，高層(500 hPa以上)平均溫度為-36.6 ℃；對(duì)比探空對(duì)應(yīng)層平均溫度分別為17.1、13.3、0.6 ℃和-36.6 ℃，可見(jiàn)降雹探空中低層溫度(700 hPa以下)較對(duì)比探空溫度更高，高層以上溫度差異不大.此外，由圖4可見(jiàn)，對(duì)比廓線溫度最大值、最小值在邊界層高度變化范圍更廣，后隨高度升高呈現(xiàn)出變化范圍逐漸“縮緊”的變化規(guī)律，而降雹廓線在中低層變化范圍不大，在600 hPa至400 hPa高度變化范圍突增后，隨高度升高呈現(xiàn)出變化范圍平穩(wěn)“縮緊”的變化規(guī)律.

a和b分別為降雹探空和對(duì)比探空.

大氣露點(diǎn)溫度差見(jiàn)圖5，降雹探空(圖5a)近地層、低層、中層和高層的平均露點(diǎn)溫度差分別為5.1、3.7、6.4 ℃和16.1 ℃，對(duì)比探空(圖5b)對(duì)應(yīng)層平均露點(diǎn)溫度差分別為5.5、6.1、10.1 ℃和14.8 ℃.此外，降雹探空的平均露點(diǎn)溫度差在500 hPa-400 hPa間存在一個(gè)突增的走勢(shì)，較對(duì)比探空突增程度更大，降雹探空上層干、下層濕的層結(jié)特征更為明顯.此外，降雹探空最大值、最小值和平均值±標(biāo)準(zhǔn)差隨高度變化表現(xiàn)為地面至750 hPa高度呈現(xiàn)“縮緊”特征，750 hPa至500 hPa最大值和最小值變化范圍擴(kuò)大，至550 hPa高度達(dá)到變化范圍最大后隨高度升高“縮緊”；而對(duì)比探空在850 hPa至500 hPa高度上，溫度露點(diǎn)差最大值和最小值均保持在一個(gè)波動(dòng)范圍較大的水平.

綜合看來(lái)，底層溫度較高，對(duì)應(yīng)有暖平流，同時(shí)配合中高層干空氣的大氣垂直結(jié)構(gòu)更有利于冰雹天氣的形成[19]，這也與黃鈺[20]的研究結(jié)果一致.

2.3 垂直風(fēng)切變分析

深層垂直風(fēng)切變指 6 km高度和地面之間風(fēng)矢量差的絕對(duì)值，其大小往往和形成對(duì)流的強(qiáng)度密切相關(guān)，一般而言，垂直風(fēng)切變的強(qiáng)度增強(qiáng)有利于上升氣流和下沉氣流長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)共存，從而促進(jìn)中層干冷空氣的吸入和低層暖濕氣流強(qiáng)烈地上升，有利于對(duì)流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的發(fā)展[14-15].對(duì)降雹探空0-6 km垂直風(fēng)切變進(jìn)行分析得到圖6.由圖6a可見(jiàn)，降雹探空與對(duì)比探空0-6 km垂直風(fēng)切變分別為10.8 m/s和11.1 m/s，平均風(fēng)速分別為10.08 m/s和9.68 m/s，中值分別為10.73 m/s和9.70 m/s，75百分位數(shù)值分別為8.68 m/s和7.53 m/s；進(jìn)一步分析二者3-6 km和0-3 km相關(guān)數(shù)據(jù)得到圖6b和6c，降雹探空和對(duì)比探空3-6 km垂直風(fēng)切變分別為2.9 m/s和5.4 m/s，平均風(fēng)速分別為11.76 m/s和11.72 m/s，中值分別為11.71 m/s和11.69 m/s，75百分位數(shù)值分別為11.16 m/s和10.67 m/s；降雹探空和對(duì)比探空0-3 km垂直風(fēng)切變?yōu)?.3 m/s和5 m/s，平均風(fēng)速分別為8.22 m/s和7.41 m/s，中值分別為8.68 m/s和7.53 m/s，75百分位數(shù)值分別為7.57 m/s和7.13 m/s.綜合看來(lái)，降雹探空0-3 km垂直風(fēng)切變及平均風(fēng)速明顯大于對(duì)比探空，有利于對(duì)流強(qiáng)風(fēng)暴的生成[16].

a、b和c分別為0-6 km、3-6 km和0-3 km垂直風(fēng)切變.

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)2017年至2020年貴陽(yáng)市降雹探空與對(duì)比探空進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)果:

(1)能量條件方面，降雹探空CAPE值較對(duì)比探空更大，大氣對(duì)流發(fā)生潛勢(shì)更高.且降雹發(fā)生前，近地層至3 km高度存在逆溫的次數(shù)占比58%，逆溫層上下兩層溫差小，主要為等溫或弱逆溫.

(2)不穩(wěn)定層結(jié)結(jié)構(gòu)方面，降雹探空0 ℃層、-5 ℃層、-15 ℃層和-20 ℃層高度均低于對(duì)比探空對(duì)應(yīng)溫度層高度，且降雹探空凍結(jié)層厚度為2 809 m，較對(duì)比探空對(duì)應(yīng)層厚度薄227 m，這一方面說(shuō)明，降雹探空凍結(jié)層區(qū)間溫度垂直遞減率大，條件不穩(wěn)定性大；另一方面說(shuō)明，降雹探空較對(duì)比探空的垂直條件而言，冰球到地面的融化高度更低，發(fā)生冰雹或大冰雹的可能性更大.同時(shí)，降雹探空“上干下濕”的層結(jié)結(jié)構(gòu)特征更為明顯.

(3)垂直風(fēng)切變方面，降雹探空與對(duì)比探空0-3 km垂直風(fēng)切變分別為7.3 m/s和5 m/s，平均風(fēng)速分別為8.22 m/s和7.41 m/s，降雹探空兩項(xiàng)指標(biāo)均明顯大于對(duì)比探空，說(shuō)明降雹探空中低層垂直風(fēng)切變強(qiáng)于對(duì)比探空，更有利于對(duì)流風(fēng)暴的生成.