安順市2015—2019年冰雹時空分布特征及雷達臨近預(yù)警指標(biāo)研究

李啟芬，曾 妮，蒙 軍，周 林，吳哲紅

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

0 引言

冰雹天氣是一種極端天氣，形成于積雨云中，也是我國分布最廣的一種對流性災(zāi)害天氣[1]。貴州處于中低緯度地帶，由于受地理地形環(huán)境因素影響，境內(nèi)常發(fā)生冰雹現(xiàn)象。冰雹天氣是貴州春季常見的災(zāi)害性天氣，給人民的經(jīng)濟財產(chǎn)、人身安全造成了一定程度的影響。貴州特別是貴州西部是冰雹頻發(fā)的地區(qū)[2-3]，安順市也是貴州省冰雹多發(fā)中心之一。目前大多數(shù)專家學(xué)者主要研究的是冰雹形成機理和影響系統(tǒng)[4-7]，萬雪麗等[8]分析出貴州冰雹天氣過程多發(fā)受青藏高原短波槽東移引導(dǎo)弱冷空氣的影響，與中層大氣降溫，形成不穩(wěn)定層結(jié)有關(guān)。同時，也有部分專家從統(tǒng)計分析角度研究冰雹時空分布規(guī)律或冰雹路徑。周永水等[2]分析貴州省1971—2007 年觀測站實測冰雹資料指出，貴州省冰雹主要分布在中部以西地區(qū)，且春季多、秋季少。近年來，國內(nèi)外氣象工作者一直在研究強對流災(zāi)害天氣的短時臨近預(yù)警系統(tǒng)，并得出了適合當(dāng)?shù)氐呐R近預(yù)警指標(biāo)和方法[9-13]。羅曉松等[14]分析了遵義市普通單體、多單體、超級單體以及線風(fēng)暴的反射率因子及徑向速度特征。劉小艷等[15]基于 CPAS 系統(tǒng)分析了2009—2015年貴州安順市冰雹云識別指標(biāo)，為安順市冰雹預(yù)警提供了一定指標(biāo),如VIL閾值、45 dBz強回波頂及強回波中心分別與0 ℃層和-20 ℃層高度差閾值作為冰雹預(yù)警指標(biāo)。

本文利用安順市2015—2019年的降雹資料、MICAPS常規(guī)觀測資料和貴陽雷達資料，統(tǒng)計分析了近幾年安順市冰雹時空分布特征及環(huán)流形勢，對比分析了不同冰雹直徑情況下的雷達產(chǎn)品特征及其區(qū)別，如雷達回波徑向速度、反射率因子、CAPPI等，以期得到對安順市冰雹預(yù)警正確率和提前量有用的指標(biāo)，為安順市開展防雹作業(yè)提供有效的依據(jù)，從而減少農(nóng)業(yè)、房屋、車輛等經(jīng)濟損失。

1 資料與方法

利用安順市六縣區(qū)2015—2019 年應(yīng)急加密重要天氣報告中的降雹記錄，統(tǒng)計分析安順市降雹時間、降雹站點分布，降雹次數(shù)計算方法依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》設(shè)定:一日中每個站只要出現(xiàn)降雹就記一次，再采用疊加方法，繪制這5 a的冰雹落點圖。2015—2019年安順市共出現(xiàn)52次冰雹天氣過程(45次冰雹天氣過程的雷達資料完整)，其中有8次冰雹天氣過程的冰雹云回波最終發(fā)展為線狀回波。運用PUP軟件回放45次冰雹天氣過程的貴陽雷達基數(shù)據(jù)，對回放的雷達產(chǎn)品進行統(tǒng)計分析。

2 安順市冰雹天氣的環(huán)流特征及冰雹的時空分布特征

2.1 安順市冰雹天氣的環(huán)流特征

利用MICAPS觀測資料對2015—2019年安順市45次冰雹天氣過程當(dāng)日高空(500～850 hPa)、地面形勢進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1：

表1 降雹日高空到地面環(huán)流形勢表

可見，冰雹天氣當(dāng)日貴州上空500 hPa為高空槽、700 hPa有切變線過境或滇黔一帶有高空槽、850 hPa有切變線過境、地面上86%的冰雹天氣當(dāng)日有冷空氣南下觸發(fā)雷暴，少數(shù)情況為熱低壓或靜止鋒或臺風(fēng)外圍影響。

此外，冰雹天氣過程當(dāng)日沙氏指數(shù)SI及抬升指數(shù)LI同時為正的過程僅5次，其余降雹當(dāng)日SI為負或LI為負或兩者同時為負。SI及LI同時為正的5次冰雹天氣過程當(dāng)日無論是08時還是20時CAPE均為0，0 ℃層高度較低，均在4 km以下，有利于降雹。其余降雹過程當(dāng)日CAPE大小不等，在24.1～1504 J·kg-1之間。冰雹直徑10 mm以上的降雹過程當(dāng)日08時0 ℃層高度平均4.2 km，-20 ℃層高度平均7.4 km；冰雹直徑10 mm以下降雹過程當(dāng)日08時0 ℃層高度平均4.5 km，-20 ℃層高度平均7.8 km。可見，冰雹直徑10 mm以上比冰雹直徑10 mm以下的降雹當(dāng)日0 ℃層及-20 ℃層高度要低。在有利于降雹條件下，0 ℃、-20 ℃層高度對降雹直徑有一定影響。

2.2 安順市冰雹的時空分布特征

2015—2019年安順市共有52 d發(fā)生冰雹天氣，達204站次。安順市冰雹主要以直徑20 mm以下的小冰雹為主，共出現(xiàn)196站次，占總降雹站次的96%。直徑20 mm以上的冰雹僅有8站次。

由降雹落點圖(圖1)可知，安順市2015—2019年全市范圍均有降雹，冰雹主要發(fā)生在市中部及以北地區(qū)，呈現(xiàn)南多北少的特征。6縣區(qū)中，出現(xiàn)冰雹站次最多的是鎮(zhèn)寧縣，達55站次，其次為西秀區(qū)43站次，最少為關(guān)嶺縣13站次。其中降雹次數(shù)最多的站點是鎮(zhèn)寧縣城區(qū)，達9次，其次為平壩區(qū)樂平8次，第3為普定縣馬場、雞場坡、平壩區(qū)十字、夏云以及鎮(zhèn)寧縣丁旗，均為7次。

圖1 安順市2015—2019年降雹落點圖(單位：次)

由圖2(a)可知，2018年、2019年安順市發(fā)生冰雹天氣的天數(shù)較2015—2017年略有增多，降雹站數(shù)增加明顯，分別達到66站、71站，2017年僅有7 d 8個站發(fā)生冰雹天氣，即每次降雹僅1個或2個站，為2015—2019年最少年份。從安順市2015—2019年各月降雹天數(shù)(圖略)可知，安順市冰雹主要發(fā)生在春季(3—5月)，其中4月發(fā)生冰雹次數(shù)最多，達20次，5月次之，7月最少，這與劉小艷等[15]得到的6月最少的結(jié)論略有差異；8月—次年1月均未有降雹。此外，劉小艷等人[15]對2009—2015年安順市冰雹研究發(fā)現(xiàn)，冰雹最早出現(xiàn)在3月，而本文研究發(fā)現(xiàn)，自2018年開始2月便有冰雹發(fā)生，較2009—2015年冰雹開始時間有所提前。

圖2 安順市2015—2019年降雹次數(shù)、站數(shù)時間序列

綜上，2015—2019年安順市冰雹天氣主要發(fā)生在春季(3—5月)，2015—2019年期間，安順市冰雹天氣最多為2019年，最少為2017年。冰雹的空間分布總體呈現(xiàn)北多南少的特征。經(jīng)統(tǒng)計，平壩區(qū)樂平、十字、夏云、普定縣馬場、雞場坡以及鎮(zhèn)寧縣觀測站、鎮(zhèn)寧縣丁旗發(fā)生冰雹天氣的頻率較高。在有利于降雹的環(huán)流形勢下，當(dāng)識別到有冰雹云將向這些地方移動時，可考慮發(fā)生冰雹天氣的可能性增高，這對冰雹預(yù)警準(zhǔn)確率與提前量具有一定的指標(biāo)作用。

3 安順市降雹單體雷達臨近預(yù)警指標(biāo)研究

2015—2019年安順市共發(fā)生52次冰雹天氣過程，但僅有45次冰雹天氣過程的資料完整，因此利用這45次冰雹天氣過程的貴陽雷達基數(shù)據(jù)，通過RPG軟件進行回放并通過PUP軟件對各雷達產(chǎn)品進行統(tǒng)計分析。由于安順市冰雹以小冰雹尤其是直徑10 mm以下的小冰雹為主，故對直徑10 mm以上和10 mm以下的冰雹發(fā)生前至發(fā)生時雷達回波的異同特征進行對比分析。

安順市2015—2019年冰雹天氣過程多為普通單體降雹，其次為超級單體降雹，其中有8次冰雹天氣過程最終演變?yōu)榫€狀風(fēng)暴。通過對45次冰雹天氣過程中出現(xiàn)的冰雹云進行分析后發(fā)現(xiàn)，冰雹云的最強回波值在降雹前呈現(xiàn)波動狀態(tài)(圖略)，這與鄒書平等[17]結(jié)論一致。安順市冰雹云的強回波值大于40 dBz，最強回波平均值大于55 dBz；直徑10 mm以下的冰雹比直徑10 mm以上的冰雹對應(yīng)的冰雹云最強回波平均值偏小1.4 dBz，降雹概率平均值偏小15.5%(表2)。直徑10 mm以下冰雹對應(yīng)的冰雹云，有63.5%在徑向速度場上有速度特征，其中單體前側(cè)輻散后側(cè)輻合(單體的移動方向為前側(cè)，以下同)占46%，無明顯特征占19%，單體后側(cè)輻合占14%，單體前側(cè)輻合占9%，旋轉(zhuǎn)、輻散或旋轉(zhuǎn)與輻合占12%?？梢姡瑥较蛩俣葓鲋饕憩F(xiàn)為輻合的特征，但輻合相對于單體的位置有所不同，且其中輻合輻散成對出現(xiàn)的占多數(shù)。直徑10 mm以上冰雹對應(yīng)的冰雹云，有80%在徑向速度場上有明顯的速度特征，其中反氣旋式旋轉(zhuǎn)占26%，單體前側(cè)輻散后側(cè)輻合占20%，單體后側(cè)輻合和前側(cè)輻合分別占7%，其余為旋轉(zhuǎn)與輻合或旋轉(zhuǎn)與輻散?？梢钥吹?，直徑10 mm以下冰雹對應(yīng)的冰雹云，其徑向速度場特征主要是輻合與反氣旋式旋轉(zhuǎn)。冰雹云的發(fā)生發(fā)展與徑向速度關(guān)系密切，且在降雹前就有表現(xiàn)，徑向速度特征出現(xiàn)時間較降雹時間提前63～80 min，因此，在有利的降雹環(huán)流形勢下，以上徑向速度特征可作為冰雹預(yù)警的指標(biāo)之一。

表2 降雹單體雷達回波特征對比

當(dāng)冰雹云在徑向速度場有上述徑向速度特征時，其對應(yīng)的回波強度更強，單體持續(xù)時間更長。直徑10 mm以上冰雹對應(yīng)的冰雹云都表現(xiàn)為有懸垂回波結(jié)構(gòu)特征，對應(yīng)的強回波中心平均升降次數(shù)為2.1次，上升幅度在1～5.6 km，平均上升距離2.6 km，平均最高上升至7.5 km，且上升高度越高，冰雹直徑越大，45 dBz回波均上升至-20 ℃層高度以上(在-20 ℃層高度以上0.2～5.0 km之間)，且與0 ℃層平均高度差為5.5km，CAPPI上出現(xiàn)45 dBz以上回波的時間點較降雹時間點提前平均33.6 min。直徑10 mm以下冰雹對應(yīng)的冰雹云僅有89%表現(xiàn)有懸垂回波特征，對應(yīng)的強回波中心平均升降次數(shù)為1.2次，其上升幅度在0～5 km，平均上升距離0.9 km，平均最高上升至5.6 km，其中有14個冰雹云的強回波中心持續(xù)下降，45 dBz回波均上升至0 ℃層高度以上(在0 ℃層高度以上0.5～7.1 km之間)，與0 ℃層平均高度差為4.9 km，45 dBz回波上升至-20 ℃層高度的次數(shù)僅有15%，CAPPI上出現(xiàn)45 dBz以上回波的時間點較降雹時間點提前平均43.6 min。對冰雹預(yù)警的時間提前量將起到明顯的指標(biāo)作用。

此外，45次冰雹天氣過程中，共有8次冰雹過程的冰雹云最終演變成線狀風(fēng)暴，其中6次發(fā)生在2019年。這8次線狀風(fēng)暴降雹過程的共同點為：均由多單體風(fēng)暴組織排列成線狀，各單體生消較快，短則幾分鐘，長則十幾分鐘，強度不強。因此，在有利降雹的環(huán)流形勢及物理參數(shù)條件下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有線狀回波且將影響本市時，降雹概率增加，需提高警惕，分析其他降雹有利因子，考慮發(fā)布冰雹預(yù)警。

4 降雹個例雷達特征分析

本文選取2016年3月20日傍晚至夜間1次降雹過程進行分析。

3月20日，500 hPa上四川東部、云南東部—貴州西部為高空槽；700 hPa滇黔一帶為高空槽，安順上空為槽前西南急流；850 hPa貴州西部為南北向切變，并向南壓影響安順；地面上貴州中西部為熱低壓，華北以北為冷高壓。20日08時冷鋒已到達貴州東北部，白天熱低壓發(fā)展，20時冷鋒向西推到達安順南部，觸發(fā)雷暴發(fā)生發(fā)展。20日08時貴陽探空顯示，0 ℃層、-20 ℃層高度分別為4.0 km、6.7 km，CAPE值1329 J·Kg-1，SI為-6.61 ℃，LI為-5.09 ℃，探空曲線為上干下濕層結(jié)結(jié)構(gòu)。環(huán)流形勢及探空物理參數(shù)均表明，當(dāng)天非常有利冰雹天氣的發(fā)生。

4.1 降雹單體雷達反射率及徑向速度特征

3月20日19時51分，六盤水市六枝特區(qū)開始出現(xiàn)40 dBz以下片狀回波單體J1，徑向速度場上單體J1移動方向的前沿、左側(cè)及右側(cè)為負速度區(qū)包圍正速度區(qū)，即單體J1移動方向的前沿為輻散。20時11分單體J1移向前沿為輻散，后側(cè)為輻合，單體J1東北方向出現(xiàn)輻合，并出現(xiàn)新單體N1。20時37分，輻合區(qū)附近再次新生單體X1，雷暴單體J1加強(圖3a1)，其對應(yīng)的徑向速度場特征維持，且向東北方向的輻合區(qū)靠近。21時02分，雷暴單體J1移動至普定縣馬場鎮(zhèn)附近并造成降雹，冰雹直徑8 mm，強回波伸展高度由降雹前的10 km降至降雹后的7 km。21時23分冰雹云J1移至普定雞場坡并造成降雹，冰雹直徑12 mm，J1移向前側(cè)由原來的輻散轉(zhuǎn)為輻合，該輻合區(qū)與單體J1向東偏北方向移動，且移動速度較單體J1偏慢。21時58分J1移至普定補郎，輻合區(qū)位于單體J1后側(cè)，其移向前側(cè)為正的徑向速度區(qū)，冰雹云J1強度增強，強回波區(qū)范圍擴大，此時普定補郎降雹，冰雹直徑25 mm。22時03分J1南端新生雷暴單體J3。22時18分，雷暴單體J1移出普定，J3移至普定東北部(圖3b1)，其移向前沿為正的徑向速度區(qū)，后側(cè)為輻合(圖3b2)，J3回波強度增強，最強回波值達60 dBz以上，強回波伸展至10～11 km。22時54分，J3分裂成2個單體中心，北部仍為J3，南部為新單體A5，2個單體移向前沿為輻合，22時59分，A5移至平壩樂平，強度增強(圖3c1)，單體移向前沿仍為輻合(圖3c2)，此時平壩樂平降雹，冰雹直徑10 mm。23時09分，J3移至平壩齊伯，產(chǎn)生降雹，冰雹直徑30 mm，J3移向前沿為輻合，后側(cè)為輻散，強回波伸展高度由降雹前的11 km降至降雹后的8 km，南部單體A5為反氣旋式旋轉(zhuǎn)。23時14分J3移出平壩縣，A5移至平壩十字降雹，冰雹直徑20 mm，23時25分移至平壩夏云降雹，冰雹直徑20 mm，期間A5徑向速度場一直為反氣旋式旋轉(zhuǎn)。

圖3 3月20日貴陽雷達回波反射率因子(a1-c1)及其對應(yīng)的徑向速度(a2-c2)演變圖

以上可見，此次降雹過程主要由3個冰雹云造成，且每1個冰雹云在初期徑向速度場上均出現(xiàn)輻合，輻合區(qū)位置與單體相對位置存在不同。前2個單體的輻合區(qū)位于單體后側(cè)，而第3個單體輻合區(qū)位于單體前側(cè)，且徑向速度特征出現(xiàn)的時間較降雹時間提前，其中冰雹云J1對應(yīng)的輻合出現(xiàn)時間較降雹時間提前71 min。

4.2 降雹單體趨勢特征

圖4給出了冰雹云J1的單體趨勢?？梢?，冰雹云J1從20時01分生成開始至20時16分，其VIL從4 kg·m-2直線上升至56 kg·m-2，此后便在39～61 kg·m-2間波動。最強回波反射率因子從40 dBz上升至59 dBz，此后一直穩(wěn)定維持在55～60 dBz之間。降雹概率自單體生成后5 min即從0上升至100%并一直維持至普定縣馬場、雞場坡及補郎降雹。最強回波高度從生成至普定縣馬場降雹時經(jīng)歷了4次升降，第1次升至9 km，其余3次上升高度僅在6～7 km，均在0 ℃層高度(4 km)以上，最大上升距離2.8 km，馬場冰雹直徑8 mm。馬場降雹后至雞場坡降雹經(jīng)歷1次升降，此次最強回波高度從2.2 km上升至8 km，上升高度在-20 ℃(6.7 km)以上，最強回波上升距離達5.8 km，冰雹直徑12 mm。至補郎降雹時又經(jīng)歷了2次升降，最強回波高度分別上升至9.1 km、8.5 km，均在-20 ℃高度以上，最強回波2次上升距離分別為5.4 km、3.6 km，補郎冰雹直徑25 mm。

圖4 2016年3月20日冰雹云J1的單體趨勢

冰雹云J3的VIL、最強回波反射率因子、降雹概率及最強回波高度升降過程與雹云單體J1非常相似，都有VIL、最強回波反射率因子、降雹概率的直線上升以及維持時間長，最強回波高度從單體生成至齊伯降雹經(jīng)歷了3次升降，但J3最強回波高度上升高度分別達到9.5 km、7 km、8.5 km，均在-20 ℃高度以上，較冰雹云J1上升高度要高，齊伯冰雹直徑達30 mm。

綜上所述，當(dāng)冰雹云最強回波高度出現(xiàn)升降且在0 ℃層尤其-20 ℃層高度以上時，冰雹直徑的大小與最強回波伸展的高度呈一定的正相關(guān)，最強回波上升越高，冰雹直徑越大。而冰雹云最強回波的升降可能就是雹云單體內(nèi)冰雹的升降。冰雹在降雹前不斷反復(fù)升降，上升高度越高，成長為大冰雹的可能性越高。發(fā)現(xiàn)雷暴單體最強回波反復(fù)在0 ℃層尤其-20 ℃高度以上升降時，可以推測將有降雹的可能性，且最強回波高度上升高度越高，冰雹直徑越大。

5 結(jié)論與討論

通過對2015—2019年安順市冰雹天氣過程統(tǒng)計分析，得到以下結(jié)論：

①2015—2019年冰雹天氣當(dāng)日500 hPa貴州上空為高空槽、700 hPa有切變過境或滇黔一帶上空有高空槽、850 hPa有切變線過境、地面上86%的冰雹天氣當(dāng)日有冷空氣南下觸發(fā)雷暴發(fā)生，少數(shù)情況為熱低壓或靜止鋒或臺風(fēng)外圍影響；

②安順市冰雹以直徑在20 mm以下的小冰雹為主；冰雹主要發(fā)生在春季(3—5月)，4月最多，5月次之。冰雹的空間分布呈北多南少特征。2015—2019年期間，安順市冰雹天氣過程2019年最多，2017年最少。平壩區(qū)樂平、十字、夏云、普定縣馬場、雞場坡以及鎮(zhèn)寧縣城、鎮(zhèn)寧縣丁旗冰雹天氣發(fā)生頻率較高。在有利于冰雹天氣發(fā)生的環(huán)流形勢下識別到有冰雹云將向這些地方移動時，可考慮發(fā)生冰雹的可能性增高，對冰雹預(yù)警準(zhǔn)確率與提前量有一定指標(biāo)作用。

③直徑10 mm以上與直徑10 mm以下冰雹對應(yīng)的雹云相比，其強回波值更強、降雹概率更高、強回波中心平均升降次數(shù)更多、上升幅度及最高上升高度更高(須在0 ℃層高度以上)、對應(yīng)的徑向速度特征(輻合/輻散、旋轉(zhuǎn))出現(xiàn)時間較降雹時間提前量更多，CAPPI上出現(xiàn)45 dBz以上回波的時間點較降雹時間點提前平均33.6 min，45 dBz回波均上升至-20 ℃層高度以上(在-20 ℃層高度以上0.2～5.0 km之間)。而直徑10 mm以下冰雹對應(yīng)的雹云，45 dBz回波均上升至0 ℃層高度以上(在0 ℃層高度以上0.5～7.1 km之間)，但上升至-20 ℃層高度的僅占15%，CAPPI上出現(xiàn)45 dBz以上回波的時間點較降雹時間點提前平均43.6 min。此外，強回波中心上升高度(0 ℃層高度以上)越高，冰雹直徑越大。以上雷達回波特征均可作為安順市冰雹預(yù)警指標(biāo)，有利于提高安順市冰雹預(yù)警準(zhǔn)確率及提前量。

以上結(jié)論是通過2015—2019年安順市冰雹天氣過程進行統(tǒng)計分析得出，而未對其中的物理機制進行分析解釋，這將是下一步的工作的方向。