阿瓦提縣初夏一次強(qiáng)冰雹天氣成因分析

劉進(jìn)新，譚甜甜，陳 丹,康 娟

1.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆烏魯木齊 830001；2.新疆阿克蘇地區(qū)氣象局，新疆阿克蘇 843000

新疆阿克蘇地區(qū)地處天山山脈南麓，塔里木盆地北部邊緣，地形地貌復(fù)雜，境內(nèi)廣布山脈、平原、戈壁、荒漠和綠洲，生態(tài)環(huán)境脆弱，災(zāi)害性天氣多發(fā)。阿瓦提縣位于阿克蘇地區(qū)西南部，地形復(fù)雜，天氣多變，春夏頻發(fā)的冰雹天氣常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失。隨著南疆氣候日益變暖，強(qiáng)冰雹（冰雹直徑≥20 mm）天氣發(fā)生更加頻繁。國內(nèi)很多科研人員對我國的冰雹天氣進(jìn)行了大量研究。姚靜等[1]對陜西冰雹天氣進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究；李圓圓[2]、瑪依熱·艾海提[3]等、對新疆冰雹天氣形成的大氣環(huán)流及其發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，張磊[4]、劉進(jìn)新[5]等對阿克蘇當(dāng)?shù)貜?qiáng)對流和冰雹天氣的影響系統(tǒng)、動力因子等進(jìn)行了詳細(xì)分析。這些研究揭示了新疆冰雹天氣發(fā)生發(fā)展的物理觸發(fā)機(jī)制，對當(dāng)?shù)乇⑻鞖獾念A(yù)報預(yù)警提供了一定的指導(dǎo)。為了進(jìn)一步加強(qiáng)阿克蘇冰雹天氣的預(yù)報預(yù)警服務(wù)，有必要對本地冰雹天氣形成、發(fā)生發(fā)展物理機(jī)制、觸發(fā)機(jī)制等進(jìn)行深入研究。利用常規(guī)高空、地面觀測資料對2017年6月7日阿瓦提縣強(qiáng)冰雹天氣過程的環(huán)流背景、動力條件、物理量場等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，為增強(qiáng)該地區(qū)冰雹天氣的預(yù)報預(yù)警能力提供參考。

1 天氣實況和環(huán)流背景分析

2017年6月7日下午，阿克蘇地區(qū)南部、東部縣市出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，阿瓦提縣國家站出現(xiàn)大雨（17.0 mm），庫車、沙雅、新和出現(xiàn)中雨（6.7～8.2 mm）[6]，其中阿瓦提站18:00～20:00出現(xiàn)冰雹，冰雹最大直徑為34 mm，最大平均重量為4 g，降雹持續(xù)時間為18 min。該次過程造成棉花、小麥、瓜果、蔬菜等受災(zāi)10 916.4 hm2，農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失0.93億元，降雹尺度之大、持續(xù)時間之長、造成災(zāi)害之重為歷史罕見。

分析2017年6月5—7日500 hPa高空環(huán)流圖可知，5日08:00歐亞大陸中高緯度為一脊兩槽型環(huán)流形勢，新地島以東到新疆西部及伊朗地區(qū)為高壓脊區(qū)，2個長波槽分別位于貝加爾湖西部和烏拉爾山地區(qū)，環(huán)流經(jīng)向度大，阿瓦提處于新疆脊控制下；6日08:00隨著伊朗副熱帶高壓北伸，位于烏拉爾山附近的低槽分裂為南北兩段，北段東移進(jìn)入西伯利亞地區(qū)影響俄羅斯，南段東移南下至巴爾喀什湖地區(qū)，其槽底南壓至40°N以南；7日08:00隨著伊朗副熱帶高壓與位于咸海的高壓脊疊加后向北挺進(jìn)，此時位于巴爾喀什湖附近的低槽加強(qiáng)成低渦，低渦底部分裂短波槽東移影響阿克蘇地區(qū)，觸發(fā)了此次強(qiáng)對流天氣發(fā)生，造成7日午后到夜間阿克蘇地區(qū)多地出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。

2 中尺度分析

從冰雹發(fā)生前6月7日08:00中尺度分析（圖1）來看，500 hPa巴爾喀什湖低槽位于南疆西部，溫度槽落后于高度槽，槽前西南氣流將阿拉伯海和孟加拉灣的水汽向南疆盆地輸送，喀什、和田濕度條件較好。隨著低槽東移，槽后干冷空氣伴隨西北氣流伸入南疆西部至阿克蘇；700 hPa冷平流自北向南輸送至南疆盆地，伊犁河谷至和田T-Td＜4℃，阿克蘇處于T-Td＜4℃飽和濕區(qū)；850 hPa喀什—阿克蘇存在切變線，南疆西部為溫度脊控制，同時有暖平流自南向北輸送至阿克蘇西部地區(qū)，此時阿克蘇地區(qū)T850-T500＞30℃，整層大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生強(qiáng)對流天氣。整層來看，500 hPa干冷平流、700 hPa冷濕平流、850 hPa暖濕平流，進(jìn)一步加強(qiáng)了阿克蘇上空大氣的不穩(wěn)定性，同時，上層干冷、下層暖濕有利于形成冰雹的大氣層結(jié)。配合6月7日14:00地面天氣形勢，阿克蘇西部存在一條地面中尺度輻合線，隨著地面升溫，形成初始抬升力，沿中尺度輻合線對流發(fā)展加強(qiáng)，最終形成影響阿瓦提縣的強(qiáng)對流天氣。

圖1 2017年06月07日08:00中尺度分析圖

3 層結(jié)穩(wěn)定度

阿克蘇氣象臺常用的不穩(wěn)定層結(jié)判據(jù)經(jīng)驗指標(biāo)為，距離阿克蘇市最近的3個探空站:喀什、阿克蘇、庫車3站中，有1站K≥30℃、Δθse（850-500）≥10℃、SI≤-4.0℃，阿克蘇地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣的概率較大，如果以上指標(biāo)均達(dá)到，出現(xiàn)強(qiáng)對流的概率增大[14]。在該次強(qiáng)對流天氣過程中，阿克蘇地區(qū)的2個探空站的穩(wěn)定度參數(shù)從6日08:00開始不穩(wěn)定能量越來越大，距離降雹區(qū)60 km的阿克蘇探空站7日08:00不穩(wěn)定能量達(dá)到峰值，其中K指數(shù)為36℃，SI為-1.29℃，濕對流有效位能為340.6 J/kg，而當(dāng)天20:00阿克蘇地區(qū)東部的庫車縣探空站不穩(wěn)定能量達(dá)到峰值，K指數(shù)為37℃，SI為-3.11℃，濕對流有效位能達(dá)1 046.4 J/kg。當(dāng)天夜間阿克蘇地區(qū)東部也遭受了冰雹襲擊，穩(wěn)定度參數(shù)的突變表明阿克蘇地區(qū)上空7日大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定。

4 水汽條件

充沛的水汽供應(yīng)及其在降雹區(qū)中低層聚集后強(qiáng)烈輻合抬升是強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展并得以維持的重要條件之一。此次冰雹天氣發(fā)生前6日08:00 500 hPa中層就有來自里海和咸海的水汽在西北氣流的引導(dǎo)下翻越帕米爾高原進(jìn)入南疆，此時南疆西部的喀什地區(qū)有一水汽通量大值區(qū)，中心強(qiáng)度為4 g/（cm·hPa·s）。與 此 同 時，700 hPa和850 hPa也有來自阿拉伯海的水汽通過較強(qiáng)的西南氣流輸送至南疆，6日夜間至7日上午，水汽輸送不斷增大，7日20:00水汽通量達(dá)到最大，此時，在降雹區(qū)阿瓦提縣的上空850 hPa上水汽通量中心強(qiáng)度達(dá)12 g/（cm·hPa·s），而且水汽通量大值區(qū)從低層850 hPa、700 hPa一直伸展至中層500 hPa，水汽通量高值區(qū)的西南部配合有西南氣流，這種配置對阿克蘇地區(qū)的水汽輸送非常有利。而且此時850 hPa上出現(xiàn)了偏東路徑的水汽輸送，雹區(qū)東部即巴州南部有12 g/（cm·hPa·s）以上的水汽通量大值中心，并有6～8 m/s 的偏東氣流，偏東氣流與西南氣流在降雹區(qū)匯合后輻合上升，對降雹非常有利。

5 動力條件

5.1 散度

在對流天氣中，散度場的配置和大小決定著對流天氣的強(qiáng)度。從6月7日阿瓦提縣冰雹天氣散度場的緯度—高度剖面圖（圖2a）可以看出，冰雹天氣發(fā)生前期6日08:00，降雹中心的阿瓦提縣500 hPa以下總體上散度為正（輻散），500 hPa以上散度均為負(fù)值（輻合），預(yù)示此時阿瓦提上空為下沉氣流。而降雹當(dāng)天上午7日08:00，降雹中心散度幾乎整層發(fā)展為負(fù)值，中心強(qiáng)度達(dá)到了8 s-1，與此同時100～200 hPa散度已轉(zhuǎn)為正值，此時阿瓦提上空已經(jīng)發(fā)展成中低層輻合、高層輻散，這種散度結(jié)構(gòu)加劇了暖濕空氣的上升運(yùn)動。

5.2 渦度

從降雹中心渦度場的緯度—高度剖面圖（圖2b1）可以看出，降雹前期6日08:00阿瓦提縣上空中高層700 hPa以上為正渦度平流，而低層700 hPa以下為負(fù)渦度平流，而降雹當(dāng)天7日08:00(圖2b2)阿瓦提縣上空幾乎整層已經(jīng)發(fā)展為正渦度平流。正渦度平流的發(fā)展使氣塊旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動持續(xù)發(fā)展并加強(qiáng)，有利于將中低層暖濕空氣抬升。

5.3 垂直速度

從垂直速度的經(jīng)度—高度剖面上可以看出，6日08:00（圖2c1）阿瓦提縣中低層（600～850 hPa）垂直速度為正，下沉氣流，而中高層（100～500 hPa）為上升氣流，7日08:00（圖2c2）

圖2 6日08:00和7日08:00沿降雹中心80°E緯度—高度垂直剖面圖

阿瓦提縣上空整層垂直速度發(fā)展為負(fù)，降雹中心上空已經(jīng)發(fā)展為整層的上升運(yùn)動區(qū)，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動將低層暖濕空氣抬升冷卻凝結(jié)后降落，造成了阿瓦提縣的冰雹天氣。

6 地面中尺度輻合線

地面中尺度輻合線是觸發(fā)雷暴、冰雹等強(qiáng)對流天氣的主要因素之一。分析阿瓦提縣附近區(qū)域自動站數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，冰雹天氣發(fā)生之前的7日17:00地面圖上，阿克蘇市、柯坪、阿瓦提縣為暖低壓控制，氣溫為23℃～25℃，且有6～8 m/s東南風(fēng)。18:00，北方短波槽分裂推動冷空氣南下，阿克蘇市及以南轉(zhuǎn)為5～8 m/s東北風(fēng)，氣溫下降5℃～7℃。阿瓦提縣仍為東南風(fēng)，西部的柯坪縣為西南風(fēng)，東南風(fēng)、東北風(fēng)和東北風(fēng)3支氣流在阿克蘇市南部與阿瓦提縣交界處形成東西向的中尺度地面輻合線，輻合線兩側(cè)溫差達(dá)到9℃～13℃。冷暖空氣交匯輻合為冰雹云的發(fā)生發(fā)展起到了提供、聚集水汽的作用，有利于水汽輻合抬升，從而觸發(fā)了冰雹天氣的發(fā)生。同時在這個時段，雷達(dá)圖上也表現(xiàn)為對流云發(fā)展迅速，18:30，阿瓦提縣北部拜什艾日克鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，降水量為2.8 mm。19:00，地面輻合線繼續(xù)南壓，阿瓦提縣各區(qū)域站均轉(zhuǎn)為8 m/s偏北風(fēng)，其中阿瓦提縣城極大風(fēng)速為15.3 m/s，并伴有3.7 mm降水量。19:45左右阿瓦提站出現(xiàn)降雹，19：00～20:00的降水量為11.6 mm，并伴有16.6 m/s西北風(fēng)，21:00以后降水基本結(jié)束。短波槽前伴有系統(tǒng)性的抬升運(yùn)動，冷暖平流差異造成層結(jié)不穩(wěn)定增長，在阿瓦提北部形成一條地面中尺度輻合線，北方冷空氣推動中尺度輻合線向南移動，促進(jìn)發(fā)生了阿瓦提縣的強(qiáng)對流天氣。

7 小結(jié)

（1）此次強(qiáng)冰雹天氣是在有利的大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的，影響系統(tǒng)為巴爾喀什湖低渦。伊朗副熱帶高壓北抬，與里咸海高壓脊疊加后，在巴爾喀什湖形成切渦，低渦底部分裂短波東移造成7日午后至夜間阿克蘇地區(qū)多地出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。

（2）此次強(qiáng)冰雹天氣的水汽來源主要有3個：阿拉伯海的水汽通過較強(qiáng)的西南氣流輸送至南疆與巴爾什湖切渦帶來的里咸海水汽，在西北氣流的引導(dǎo)下，翻越帕米爾高原進(jìn)入南疆后匯合。

（3）此次強(qiáng)冰雹天氣散度場和渦度場的高低空配置都比較有利于對流云的發(fā)展。正渦度平流的發(fā)展使得偏東氣流與偏西氣流輻合后，在正渦度平流的作用下更有利于將中低層暖濕空氣整體抬升。

（4）在此次冰雹云發(fā)生發(fā)展過程中，地面中尺度輻合線是強(qiáng)對流天氣發(fā)生的主要觸發(fā)因素之一。

（5）高層干冷低層暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)展，強(qiáng)對流天氣就發(fā)生在高層冷空氣與低層暖濕氣流交匯的時段內(nèi)；地面高溫、高濕中心就是發(fā)生強(qiáng)對流天氣的區(qū)域，這對于我們今后的工作中對冰雹天氣的預(yù)報有一定的借鑒意義。