湖北省濕球溫度0℃層高度的特征分析

龐晶，袁凱，張麗，李武階

（武漢市氣象局，武漢 430040）

冰雹是指由于對(duì)流所造成的直徑≥5 mm的固態(tài)降水，是湖北省主要的災(zāi)害性天氣類型之一［1］，多發(fā)于春季3—4月，對(duì)春播秧苗的成長(zhǎng)尤為不利［2］，在湖北省內(nèi)有三大高發(fā)中心：鄂西南和江漢平原西部、鄂西北的?？岛碗S州一帶以及沔陽(yáng)-孝感-武漢地區(qū)［3，4］，給湖北省造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。1986年8月7日恩施建始茅田鄉(xiāng)遭受強(qiáng)冰雹襲擊，共造成3人死亡，11人受傷［5］。1997年5月29日下午到傍晚，襄陽(yáng)下轄7個(gè)縣區(qū)遭受冰雹襲擊，冰雹大似核桃，小如蠶豆，共造成7.5萬(wàn)hm2農(nóng)作物受災(zāi)，損失小麥超2.75萬(wàn)t［3］；2015年4月3日夜間蘄春遭受冰雹襲擊，降雹時(shí)間持續(xù)15 min以上，共造成15 323人受災(zāi)，直接損失1 833萬(wàn)元。

研究表明，冰雹危害農(nóng)業(yè)，主要是對(duì)農(nóng)作物枝葉、莖稈、果實(shí)產(chǎn)生機(jī)械損傷，從而引起各種生理障礙和誘發(fā)病蟲害，造成農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收［6］，其致災(zāi)輕重取決于降雹強(qiáng)度、降雹時(shí)間、雹粒大小、作物種類和生育期［7］因素。果樹遭冰雹襲擊嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)落葉、落果，影響樹勢(shì)和產(chǎn)量，易引起病蟲害的發(fā)生和蔓延［8］。一般雹粒越大，降雹時(shí)間越長(zhǎng)，所造成的農(nóng)業(yè)損失也就越大［9］，而降落到地面雹粒的大小取決于開始融化時(shí)冰雹的尺寸和融化層的高度［10］，一般認(rèn)為這個(gè)融化層接近于濕球0℃層（Wet blub zero，WBZ）高度，而不是干球0℃層（Dry blub zero，DBZ）的高度，當(dāng)WBZ和DBZ之間和上下一定范圍內(nèi)存在明顯的干空氣時(shí)，WBZ的高度明顯低于DBZ高度［1］，此時(shí)若再將DBZ作為冰雹開始融化的高度，將影響預(yù)報(bào)員對(duì)雹粒大小的判斷，甚至可能直接決定冰雹預(yù)報(bào)的成功與否［11］。

湖北省地處青藏高原東側(cè)的長(zhǎng)江中游地區(qū)，屬典型的副熱帶季風(fēng)氣候，是中國(guó)南北氣候的過(guò)渡區(qū)，東西跨度約8個(gè)經(jīng)度，南北跨度約4個(gè)緯度，西部多高山和丘陵，中東部為平原，冰雹天氣多發(fā)頻發(fā)，因此本研究利用近17年的實(shí)況探空資料，分別選取鄂西北、鄂西南和鄂東的代表站點(diǎn)，對(duì)比分析不同地區(qū)之間WBZ季節(jié)變化特征的異同點(diǎn)，并結(jié)合具體的冰雹個(gè)例進(jìn)行討論，為精準(zhǔn)的冰雹預(yù)警預(yù)報(bào)和人工防雹作業(yè)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

針對(duì)湖北省內(nèi)3個(gè)冰雹高發(fā)地區(qū)，即鄂西南、鄂西北、鄂東，分別選取代表站點(diǎn)，由于湖北省西北部沒(méi)有高空探空觀測(cè)站點(diǎn)，距離較近的站點(diǎn)為河南南陽(yáng)站和陜西安康站，考慮到湖北西北部特殊的地形以及與探空站點(diǎn)的實(shí)際距離，本研究選取安康、恩施和武漢（表1，圖1）分別作為鄂西北、鄂西南和鄂東的代表站點(diǎn)，使用3個(gè)代表站每日8、20時(shí)（北京時(shí)間）的高空探空數(shù)據(jù)，資料起止時(shí)間為2005年1月1日—2021年12月31日。

圖1 各代表站點(diǎn)位置

表1 各代表站點(diǎn)的基本屬性

1.2 方法

本研究按照以下步驟計(jì)算濕球0℃層的高度，首先，基于Bakhshaii等［12］提出的氣溫變化方程，利用微分法計(jì)算出整層大氣溫度的分布，然后基于迭代法求出某一氣壓層對(duì)應(yīng)的抬升凝結(jié)高度（簡(jiǎn)稱LCL），接著基于該氣壓層對(duì)應(yīng)的LCL高度，計(jì)算出濕絕熱遞減率，再利用諾曼德原則［13］，求得該氣壓層對(duì)應(yīng)的濕球溫度；其次，對(duì)所有氣壓層循環(huán)上述過(guò)程，得到不同氣壓層的濕球溫度；最后，將不同氣壓層求得的濕球溫度結(jié)果進(jìn)行差值，從而得到濕球0℃高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)特征分析

表2是湖北省不同地區(qū)各季節(jié)平均的WBZ高度以及DBZ和WBZ高度差，整體規(guī)律為WBZ高度隨季節(jié)變化較大，夏季最高，均超過(guò)4 000 m，秋季次之，春季再次之，冬季最低，僅1 274.1?1 651.7 m，這可能與整個(gè)湖北省大氣溫度和濕度的季節(jié)變化有關(guān)，即氣溫越高，WBZ高度越高，而在相同的溫度條件下，濕度越大，WBZ高度越高。而DBZ和WBZ高度差隨季節(jié)的變幅則遠(yuǎn)小于WBZ高度，且湖北不同地區(qū)之間表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：鄂東地區(qū)秋季最大，冬季次之，春季、夏季最小；鄂西北地區(qū)夏季最大，冬季次之，春季、秋季最??；鄂西南地區(qū)夏季最大，秋季次之，春季、冬季最小。

表2 湖北不同地區(qū)各季節(jié)平均的WBZ高度以及DBZ和WBZ高度差 （單位：m）

從WBZ高度的箱線圖可以看出（圖2），除冬季外，各季節(jié)平均的WBZ高度均為恩施最高，鄂西北、鄂西南和鄂東地區(qū)WBZ高度的差異在秋季和夏季最為突出，秋季恩施最高WBZ高度較安康高732.9 m，夏季最高WBZ高度較安康高389 m。此外，從季節(jié)變化來(lái)看，冬季湖北省各地區(qū)的WBZ高度較為集中，尤其是鄂西北地區(qū)冬季W(wǎng)BZ高度變幅非常小，這可能與其特有的地形有關(guān)［14］。從DBZ和WBZ高度差的箱線圖來(lái)看（圖3），湖北省各地區(qū)季節(jié)變幅均較小，尤其是鄂西北地區(qū)，各季節(jié)間最大差異僅為296.7 m，季節(jié)變化上夏季湖北省各地區(qū)之間DBZ和WBZ高度差最小，均值僅為77.8 m。

圖2 湖北省不同地區(qū)各季節(jié)平均WBZ高度箱線

圖3 湖北省不同地區(qū)各季節(jié)平均的DBZ和WBZ高度差箱線

2.2 各季節(jié)的統(tǒng)計(jì)特征

圖4是湖北省不同地區(qū)各季節(jié)WBZ高度的發(fā)生頻率，春季和秋季W(wǎng)BZ高度出現(xiàn)概率最大的高度均為2 500?3 500 m，概率分別為36.5%?42.3%和32.1%?37.2%，其次出現(xiàn)的高度為3 500?4 500 m。夏季由于地面氣溫較高，WBZ高度明顯高于其他季節(jié)，基本都在2 500 m以上，超過(guò)4 500 m的概率最高，為44.1%?58.1%。而冬季W(wǎng)BZ高度基本都在3 500 m以下，概率最大高度則為500?1 500 m，概率超過(guò)50%，其次為1 500?2 000 m，概率為20.2%? 34.7%。從湖北省各地區(qū)的對(duì)比來(lái)看，春季500 m以下僅鄂東地區(qū)出現(xiàn)過(guò)26次（占比0.9%），而秋、冬季除鄂西南外，其余地區(qū)WBZ均出現(xiàn)過(guò)低于500 m的情況，尤其是冬季，鄂東出現(xiàn)364次，占比超過(guò)15%。

圖4 湖北省不同地區(qū)各季節(jié)WBZ高度的發(fā)生概率對(duì)比

從各季節(jié)DBZ和WBZ高度差的概率分布（圖5）看，隨著高度的升高，各季節(jié)的概率呈下降趨勢(shì)。按各季節(jié)低于1 000 m的概率計(jì)算，鄂西南和鄂西北地區(qū)均超過(guò)70%，鄂東略低，為57.8%?71.9%。春季、秋季和冬季DBZ和WBZ高度差出現(xiàn)的最大概率高度均為500 m以下，尤其是秋季概率達(dá)到34.8%? 54.8%。此外，各季節(jié)DBZ和WBZ高度差低于500 m的概率均為鄂西南最大，鄂西北次之，鄂東最??；而高于2 000 m的概率在春季、夏季和秋季均為鄂東最大。

圖5 湖北省不同地區(qū)各季節(jié)DBZ和WBZ高度差的發(fā)生概率對(duì)比

2.3 冰雹過(guò)程中的WBZ高度特征分析

為了進(jìn)一步討論實(shí)際冰雹發(fā)生過(guò)程中WBZ的特征，本研究以常規(guī)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、災(zāi)情信息以及新聞網(wǎng)絡(luò)報(bào)道為基礎(chǔ)，收集和整理了2005年1月1日—2021年12月31日間分別發(fā)生在鄂西北、鄂西南和鄂東地區(qū)的30、45、30次冰雹天氣過(guò)程（表略），并計(jì)算了冰雹天氣發(fā)生前的安康站、恩施站、武漢站的WBZ高度、DBZ高度以及DBZ和WBZ高度差（圖6），可以看到當(dāng)有冰雹發(fā)生時(shí)WBZ變幅最大的為鄂西南地區(qū)，最大為2018年8月5日的5 082 m，最小為2013年3月10日的2 748 m；平均而言，當(dāng)DBZ高度為4 265 m，WBZ為3 817 m時(shí)，最利于該地冰雹天氣的發(fā)生，此時(shí)DBZ和WBZ的高度差約為448 m；而對(duì)于鄂西北地區(qū)WBZ而言，當(dāng)DBZ高度為4 399 m，WBZ為3 730 m時(shí)，最利于該地區(qū)冰雹天氣的發(fā)生，此時(shí)DBZ和WBZ的高度差約為669 m；而對(duì)于鄂東地區(qū)，冰雹發(fā)生時(shí)WBZ平均高度最低，為3 328 m，DBZ和WBZ高度差約為638 m，這與前人研究結(jié)果一致［15］。對(duì)比湖北省不同地區(qū)冰雹發(fā)生時(shí)平均WBZ高度看，最高為鄂西南，鄂西北和鄂東次之；DBZ和WBZ高度差從大到小依次為鄂西北、鄂東和鄂西南。

圖6 湖北不同地區(qū)冰雹過(guò)程時(shí)WBZ、DBZ以及DBZ和WBZ高度差的箱線

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

本研 究 利 用2005年1月1日—2021年12月31日間安康、恩施和武漢站高空探空資料及同期湖北省各地區(qū)的地面觀測(cè)和災(zāi)情數(shù)據(jù)，分析和討論了湖北省各地區(qū)濕球0℃高度的季節(jié)變化特征，得到以下主要結(jié)論。

1）WBZ高度隨季節(jié)變化較大，夏季最高，均超過(guò)4 000 m，秋季次之，春季再次之，冬季最低，僅為1 274.1?1 651.7 m，這可能與整個(gè)湖北省大氣溫度和濕度的季節(jié)變化有關(guān)，即氣溫越高，WBZ高度越高，而在相同的溫度條件下，濕度越大，WBZ高度越高。

2）DBZ和WBZ高度差隨季節(jié)的變幅則遠(yuǎn)小于WBZ高度，且湖北省不同地區(qū)之間表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：鄂東地區(qū)秋季最大，冬季次之，春季、夏季最??；鄂西北地區(qū)夏季最大，冬季次之，春季、秋季最??；鄂西南地區(qū)夏季最大，秋季次之，春季、冬季最小。

3）從各季節(jié)WBZ高度發(fā)生頻率看出，春季和秋季W(wǎng)BZ高度出現(xiàn)概率最大的高度均為2 500? 3 500 m，其次為3 500?4 500 m；夏季W(wǎng)BZ高度明顯高于其他季節(jié)，冬季W(wǎng)BZ高度基本都在3 500 m以下。

4）從各季節(jié)DBZ和WBZ高度差的概率來(lái)看：隨著高度的升高，各季節(jié)的概率呈下降趨勢(shì)，各季節(jié)低于1 000 m的概率鄂西南和鄂西北地區(qū)均超過(guò)70%，鄂東略低。春季、秋季和冬季DBZ和WBZ高度差出現(xiàn)的最大概率高度均為500 m以下，尤其是秋季概率最高。

5）湖北省不同地區(qū)主要冰雹天氣過(guò)程的合成分析表明，當(dāng)有冰雹發(fā)生時(shí)WBZ變幅最大的為鄂西南地區(qū)，最小的為鄂西北地區(qū)，冰雹發(fā)生時(shí)平均的WBZ高度最高為鄂西南地區(qū)，鄂西北和鄂東次之；DBZ和WBZ高度差從大到小依次為鄂西北、鄂東和鄂西南。

3.2 討論

首先，需要指出的是，根據(jù)常規(guī)探空數(shù)據(jù)確定的WBZ高度只是冰雹融化層的大致高度，實(shí)際冰雹融化層高度與計(jì)算得到的WBZ高度存在一定誤差［11］。其次，利用微分法計(jì)算整層大氣溫度分布時(shí)也存在一定誤差，但檢驗(yàn)結(jié)果表明，這種誤差在實(shí)際大氣中，無(wú)論是絕對(duì)誤差還是均方誤差都非常小，對(duì)最終結(jié)果并不產(chǎn)生較大影響［12］。