魯東南冰雹時(shí)空分布特征與分類預(yù)報(bào)指標(biāo)研究

崔廣暑,劉 晨,于懷征,程 月,遲慶紅,呂相娟

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250031;2.日照市氣象局,日照 276800;3.五蓮縣氣象局,五蓮 262300)

0 引言

冰雹是山東省典型的災(zāi)害性天氣之一。冰雹多伴隨強(qiáng)對(duì)流天氣背景發(fā)生,具有明顯的季節(jié)性分布特點(diǎn),同時(shí)具備空間尺度小、生命史短、突發(fā)性強(qiáng)等強(qiáng)對(duì)流天氣特征。強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)和研究一直是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的難點(diǎn),近年來(lái),國(guó)內(nèi)外很多專家對(duì)冰雹進(jìn)行了大量研究[1-4]。張芳華等[5]指出中國(guó)的冰雹具有明顯的季節(jié)性變化特征且多發(fā)生在春夏兩季;高曉梅等[6]分析了魯中地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的氣候特征及相關(guān)環(huán)境參數(shù);濮文耀等[7]研究發(fā)現(xiàn)0 ℃層高度與地面降雹的大小相關(guān)性較強(qiáng);俞小鼎[8]認(rèn)為冰雹的融化層高度更加接近于濕球0 ℃層高度,并指出冰雹的大小與濕球0 ℃層高度具有明顯的相關(guān)性;于懷征等[9]對(duì)山東強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程分析發(fā)現(xiàn),較強(qiáng)的干暖蓋有利于冰雹等強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生;樊李苗等[10]認(rèn)為抬升凝結(jié)高度、對(duì)流有效位能、0～6 km垂直風(fēng)切變、850～500 hPa溫差、-20 ℃層高度對(duì)冰雹的發(fā)生具有很強(qiáng)的指示意義。

魯東南地形地貌多樣,復(fù)雜的地形地貌決定了魯東南冰雹天氣具有較明顯的空間分布特征,為進(jìn)一步提高冰雹的預(yù)報(bào)預(yù)警水平,有必要對(duì)魯東南的冰雹進(jìn)行分析,進(jìn)而建立預(yù)警指標(biāo)。

1 資料

文章主要統(tǒng)計(jì)了2000—2021年魯東南區(qū)域造成一定雹災(zāi)的冰雹(簡(jiǎn)稱“冰雹”)天氣過(guò)程,對(duì)這些冰雹過(guò)程的天氣形勢(shì)、天氣學(xué)物理量進(jìn)行分析,對(duì)冰雹天氣形勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行歸類,對(duì)觸發(fā)冰雹的天氣學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。冰雹實(shí)況資料來(lái)源于氣象記錄、民政部門記載、報(bào)紙報(bào)道、村民或氣象信息協(xié)理員報(bào)告;地面資料取自冰雹發(fā)生地點(diǎn)附近臨近時(shí)刻的觀測(cè)站資料;高空資料選自本地冰雹發(fā)生臨近時(shí)刻的鄰近探空站(青島探空站)資料。

2 魯東南冰雹時(shí)空分布特征

2.1 冰雹的時(shí)間分布特征

文章規(guī)定以20:00(北京時(shí)間,下同)為日界,在1 d內(nèi)有1個(gè)及以上縣(區(qū)、市)行政區(qū)域內(nèi)(簡(jiǎn)稱“區(qū)域內(nèi)”)出現(xiàn)降雹記為1個(gè)降雹日,如果1次降雹天氣過(guò)程跨20:00,僅統(tǒng)計(jì)為1個(gè)降雹日。按照上述規(guī)定,統(tǒng)計(jì)得到2000—2021年魯東南范圍內(nèi)共出現(xiàn)46 個(gè)降雹日,年平均降雹日數(shù)為2.19。從降雹日數(shù)年份變化(圖1)來(lái)看,魯東南降雹日數(shù)年變化較大,呈不顯著的線性上升趨勢(shì)。

圖1 魯東南降雹日數(shù)年份變化

從降雹日數(shù)月分布(圖2)來(lái)看,魯東南降雹全部發(fā)生在3—9月,10月—次年2月無(wú)降雹記錄。降雹日數(shù)以6月最多,月際變化明顯,表現(xiàn)為初夏單峰值特征。

圖2 魯東南降雹日數(shù)月分布

將1 d分為08:00—14:00,14:00—20:00,20:00—08:00 3個(gè)時(shí)段,統(tǒng)計(jì)降雹日數(shù)的時(shí)段分布特征,并規(guī)定如果1次冰雹出現(xiàn)在多個(gè)時(shí)段,以最早出現(xiàn)的時(shí)段為統(tǒng)計(jì)時(shí)段統(tǒng)計(jì)為1個(gè)樣本。按照以上規(guī)定統(tǒng)計(jì)分析魯東南冰雹天氣出現(xiàn)時(shí)段分布(圖3)特征,結(jié)果顯示在魯東南統(tǒng)計(jì)年份內(nèi)46個(gè)降雹日主要出現(xiàn)在14:00—20:00,其次為20:00—08:00,08:00—14:00最少。

圖3 魯東南冰雹天氣出現(xiàn)時(shí)段分布

2.2 冰雹的區(qū)域分布及雹粒大小特征

按照行政區(qū)域劃分,魯東南分為東港區(qū)、嵐山區(qū)、莒縣和五蓮縣。東港區(qū)和嵐山區(qū)具有明顯的沿海氣候特征,定義為沿海地區(qū);莒縣和五蓮縣則表現(xiàn)為大陸性氣候特征,定義為內(nèi)陸地區(qū)。文章規(guī)定:如一次天氣過(guò)程多個(gè)區(qū)縣出現(xiàn)冰雹,則出現(xiàn)冰雹的區(qū)縣分別記出現(xiàn)1次冰雹。經(jīng)統(tǒng)計(jì),2000—2021年4個(gè)區(qū)域共出現(xiàn)57次冰雹,而總的冰雹天氣過(guò)程有46 d,可見(jiàn)魯東南降雹主要是局地性的,一次冰雹出現(xiàn)在多個(gè)行政區(qū)域的頻次較少。從2000—2021年各區(qū)域降雹頻次及大冰雹(直徑≥20 mm的冰雹)頻次統(tǒng)計(jì)和空間分布來(lái)看,總體上內(nèi)陸降雹頻次多于沿海,但各區(qū)縣出現(xiàn)冰雹頻次差別不明顯。其中,莒縣頻次最多,為18次,約占總頻次的31.6%;其次為五蓮縣,為15次,約占總頻次的26.3%;東港區(qū)和嵐山區(qū)最少,均為12次,分別占總頻次的21.1%左右。大冰雹共出現(xiàn)24次,以莒縣頻次最多,為10次,約占全市大冰雹總區(qū)域次的42%,直徑≥50 mm的冰雹多發(fā)生在莒縣或東港西部地區(qū)。不分區(qū)域的46個(gè)降雹日樣本共記錄有17次大冰雹樣本,約占總樣本量的37%。

3 冰雹影響天氣系統(tǒng)的分型

利用降雹前最近時(shí)次的500 hPa、700 hPa和850 hPa高空資料,以500 hPa為主,地面系統(tǒng)為輔,結(jié)合高低空系統(tǒng)配置,將魯東南降雹的主要天氣形勢(shì)分為低渦型(東北冷渦、蒙古冷渦)和高空槽型(橫槽、較深低槽)2種,冰雹發(fā)生時(shí)地面常有冷鋒、輻合線或低壓相配合。另外,在切變線、副高邊緣和西北氣流形勢(shì)下(其他類型)偶爾也會(huì)出現(xiàn)冰雹,但都是局地性降雹。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,低渦型降雹有23次,高空槽型降雹有18次,其他類型降雹5次;大冰雹主要出現(xiàn)在高空有低渦的形勢(shì)下,該形勢(shì)下大冰雹為11次,占大冰雹總頻次的64.7%,高空槽產(chǎn)生大冰雹的頻次為5次,占29.4%,另外一次大冰雹出現(xiàn)在高空為西北氣流的天氣形勢(shì)下。

4 魯東南冰雹分類型的天氣學(xué)物理參量特征分析

4.1 物理參數(shù)的確定與訂正方法

4.1.1 物理參數(shù)的確定

對(duì)流物理參數(shù)是判定大氣是否處于對(duì)流性不穩(wěn)定中及冰雹能否生成的重要因子。研究顯示,能量類、層結(jié)穩(wěn)定類、動(dòng)力類、特殊層高度/厚度等物理量對(duì)冰雹的產(chǎn)生具有非常重要的指示意義。通過(guò)分析魯東南46個(gè)降雹日的物理量發(fā)現(xiàn),對(duì)流有效位能、0～6 km風(fēng)速矢量差、濕球0 ℃層高度、-20 ℃層高度、850 hPa與500 hPa溫度差、濕球0 ℃～-20 ℃層厚度、干暖蓋指數(shù)、K指數(shù)和抬升凝結(jié)高度9個(gè)物理量對(duì)魯東南地區(qū)冰雹產(chǎn)生及冰雹粒大小具有較好指示意義。

4.1.2 物理參數(shù)訂正方法

大多數(shù)冰雹發(fā)生前,近地面往往存在逆溫層,導(dǎo)致計(jì)算出的物理量存在誤差,很難反映大氣層結(jié)狀況。文章采用冰雹發(fā)生地當(dāng)天的最高氣溫、冰雹發(fā)生前臨近時(shí)刻的地面氣壓和露點(diǎn)溫度對(duì)鄰近探空站的關(guān)鍵物理參量進(jìn)行訂正,為了確保關(guān)鍵物理參量的可用性和代表性,減少冰雹的虛警,綜合考慮冰雹樣本量和關(guān)鍵參量的物理意義,對(duì)上述具有明顯指示意義的9個(gè)物理量分別繪制箱線圖(圖4),選用關(guān)鍵參量的20百分位、80百分位或20～80百分位作為冰雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)的初猜值。

(a)對(duì)流有效位能;(b)K指數(shù);(c)850與500 hPa溫度差;(d)干暖蓋指數(shù);(e)0～6 km風(fēng)速矢量差;(f)抬升凝結(jié)高度;(g)濕球0 ℃層高度;(h)-20 ℃層高度;(i)0～20 ℃層厚度。圖4 魯東南降雹各關(guān)鍵物理量箱線圖

4.2 物理參數(shù)分析

4.2.1 對(duì)流有效位能

對(duì)流有效位能是綜合水汽條件和條件不穩(wěn)定的一個(gè)對(duì)流參數(shù),其值越大,表明越容易產(chǎn)生對(duì)流,國(guó)內(nèi)外專家統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)流有效位能≥1000 J/kg時(shí)就有可能發(fā)生冰雹。分析統(tǒng)計(jì)年份內(nèi)魯東南降雹過(guò)程的對(duì)流有效位能箱線圖(圖4a)發(fā)現(xiàn),高空槽型降雹的箱體高度較低渦型降雹偏大,高空槽型降雹和大冰雹對(duì)流有效位能值離散度大。用對(duì)流有效位能分布下限的20百分位作為魯東南降雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)最低閾值的初猜值,低渦型降雹、高空槽型降雹、大冰雹和小冰雹對(duì)應(yīng)的對(duì)流有效位能閾值分別為1212 J/kg,1315 J/kg,1317 J/kg和1127 J/kg。

4.2.2 K指數(shù)

K指數(shù)可以反映大氣的層結(jié)穩(wěn)定情況,K指數(shù)越大,表明層結(jié)越不穩(wěn)定。有研究表明當(dāng)K指數(shù)<20 ℃時(shí),表明無(wú)雷雨,當(dāng)20 ℃

4.2.3 850 hPa與500 hPa溫度差

根據(jù)研究,對(duì)流性天氣的850 hPa與500 hPa溫度差(ΔT85)在21～40 ℃,其值越大,代表?xiàng)l件不穩(wěn)定性越強(qiáng)。據(jù)研究,ΔT85≥25 ℃將有雷暴發(fā)生并可能伴有冰雹。分析魯東南降雹過(guò)程的ΔT85箱線圖(圖4c)發(fā)現(xiàn),如果用ΔT85分布的20百分位作為魯東南降雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)的最低閾值,低渦型和高空槽型ΔT85分別為≥27.2 ℃和≥27.0 ℃,可以把不同類型降雹的溫度差ΔT85閾值統(tǒng)一為≥27.0 ℃;大小冰雹的ΔT85最低閾值的初猜值分別為≥27 ℃和≥26 ℃。

4.2.4 干暖蓋指數(shù)

研究表明,干暖蓋指數(shù)是冰雹等強(qiáng)天氣發(fā)生的一個(gè)重要特征,一般用Ls來(lái)表示其強(qiáng)度大小,Ls越小,表明干暖蓋越強(qiáng),越有利于不穩(wěn)定能量的積累和水汽的積聚。分析魯東南降雹的Ls箱線圖(圖4d)發(fā)現(xiàn),低渦型降雹、大冰雹的Ls分別較高空槽型降雹、小冰雹明顯偏小,表明低渦型降雹和大冰雹需要更大的不穩(wěn)定能量和水汽。用Ls的80百分位作為魯東南降雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)的閾值,低渦型降雹和高空槽型降雹的Ls閾值分別為≤-31.8 ℃和≤-25.6 ℃;大小冰雹的Ls閾值則分別為≤-32.1 ℃和≤-26.9 ℃。

4.2.5 0～6 km風(fēng)速矢量差

在給定水汽、靜力不穩(wěn)定性及抬升觸發(fā)的情況下,風(fēng)垂直切變對(duì)對(duì)流性風(fēng)暴組織和特征的影響最大,垂直風(fēng)切變?cè)酱?越有利于強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生。分析魯東南降雹的0～6 km風(fēng)速矢量差箱線圖(圖4e)發(fā)現(xiàn),低渦型降雹和大冰雹較高空槽型和小冰雹的0～6 km風(fēng)速矢量差明顯偏大。采用0～6 km風(fēng)速矢量差的20百分位作為魯東南降雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)的閾值,低渦型降雹和高空槽型降雹的0～6 km風(fēng)速矢量差閾值分別為≥15.0 m/s和≥12.1 m/s;大、小冰雹的0～6 km風(fēng)速矢量差閾值則分別為≥13.1 m/s和≥11.9 m/s,表明無(wú)論如何劃分,魯東南產(chǎn)生降雹都基本達(dá)到中等深層風(fēng)垂直切變(≥12 m/s)的強(qiáng)度。

4.2.6 抬升凝結(jié)高度

研究發(fā)現(xiàn),稍高的抬升凝結(jié)高度發(fā)生大冰雹的概率較大。分析魯東南降雹的抬升凝結(jié)高度箱線圖(圖4f)發(fā)現(xiàn),低渦型降雹和大冰雹的抬升凝結(jié)高度分別較高空槽型降雹和小冰雹略高,但是差別不大。采用20百分位確定魯東南降雹的抬升凝結(jié)高度閾值,低渦型降雹的抬升凝結(jié)高度閾值≥601 m,高空槽型降雹的抬升凝結(jié)高度閾值≥583 m;大小冰雹的抬升凝結(jié)高度閾值分別為≥619 m和≥606 m。

4.2.7 濕球0 ℃層高度

近年國(guó)內(nèi)外很多專家指出,冰雹的融化層更接近于濕球溫度0 ℃層。根據(jù)濮文耀等研究,0 ℃層高度太高或太低均不利于冰雹的產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)低海拔地區(qū)發(fā)生強(qiáng)冰雹時(shí)濕球0 ℃層高度在3000 km～4000 km。分析魯東南降雹的濕球0 ℃層高度箱線圖(圖4g)發(fā)現(xiàn),高空槽型降雹和小冰雹的箱體高度較低渦型降雹和大冰雹略高且平均值偏大。采用20～80百分位確定魯東南降雹的濕球0 ℃層高度閾值范圍,低渦型降雹和高空槽型降雹的濕球0 ℃層高度閾值范圍分別為2920～3587 m和2183～3570 m;大小冰雹的濕球0 ℃層高度閾值范圍分別為2911～3610 m和2782～3567 m。

4.2.8 -20 ℃層高度

根據(jù)朱乾根等的研究,一般-20 ℃層高度在6 km附近最容易發(fā)生冰雹。分析魯東南降雹的-20 ℃層高度箱線圖(圖4h)發(fā)現(xiàn),高空槽型降雹和小冰雹的-20 ℃層高度平均值和箱體高度分別較低渦型降雹和大冰雹明顯偏低。采用20～80百分位確定魯東南降雹的-20 ℃層高度閾值,低渦型降雹和高空槽型降雹的-20 ℃層高度閾值范圍分別為6776～7451 m和5900～7256 m;大小冰雹的-20 ℃層高度閾值范圍分別為6467～7510 m和6167～7296 m。

4.2.9 0～-20 ℃層厚度

0～-20 ℃層厚度越小,說(shuō)明大氣的溫度垂直遞減率越大,越容易形成強(qiáng)對(duì)流性天氣。有專家指出0～-20 ℃層厚度一般在3000～6000 m有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。分析魯東南降雹的0～-20 ℃層高度箱線圖(圖4i)發(fā)現(xiàn),高空槽型降雹和小冰雹的平均0～-20 ℃層厚度分別較低渦型降雹和大冰雹偏大,表明大冰雹和低渦型降雹的大氣更為不穩(wěn)定。采用80百分位確定魯東南降雹的0～-20 ℃層厚度值,低渦型降雹和高空槽型降雹的0～-20 ℃層厚度閾值分別為≤3889 m和≤3997 m;大小冰雹的0～-20 ℃層厚度閾值則分別為≤3776 m和≤3958 m。

4.3 物理參量閾值

表1列出了將2000—2021年魯東南成災(zāi)冰雹天氣系統(tǒng)及大小分型后,對(duì)流有效位能、K指數(shù)、ΔT85、Ls、0～6 km風(fēng)速矢量差、抬升凝結(jié)高度、濕球0 ℃層高度、-20 ℃層高度、0～-20 ℃層厚度等9個(gè)關(guān)鍵參量對(duì)應(yīng)的閾值。

表1 魯東南冰雹天氣系統(tǒng)及大小分型潛勢(shì)預(yù)報(bào)物理量?jī)?yōu)化指標(biāo)

從表1可以看出,魯東南降雹的關(guān)鍵物理參數(shù)具有明顯的共性,具體表現(xiàn)為降雹需要較大的對(duì)流有效位能、中等強(qiáng)度及以上的深層(0～6 km)垂直風(fēng)切變、顯著的條件不穩(wěn)定層結(jié)和適宜的特征層高度/厚度。具體到不同劃分上,降雹的關(guān)鍵物理參數(shù)閾值都存在一定的差別?？傮w來(lái)說(shuō),大冰雹較小冰雹、低渦型降雹較高空槽型降雹的對(duì)流特征更加顯著,表現(xiàn)在低渦型降雹、大冰雹的對(duì)流有效位能明顯偏大、干暖蓋指數(shù)偏小(干暖蓋偏強(qiáng))、深層垂直切變偏大、抬升凝結(jié)高度略偏高、0～-20 ℃層厚度偏小。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章利用冰雹實(shí)況和高空地面資料,分析了2000—2021年魯東南46個(gè)降雹日天氣過(guò)程的時(shí)空分布特征及天氣學(xué)分型,在此基礎(chǔ)上對(duì)分型和分大小降雹前的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合關(guān)鍵參數(shù)的物理意義采用百分位方法總結(jié)出不同物理參量的閾值,得出以下結(jié)論:

1)魯東南降雹具有明顯的時(shí)空分布特征。魯東南降雹日數(shù)年際變化大,呈不顯著的線性上升趨勢(shì);降雹主要集中在5—6月份,14:00—20:00是冰雹高發(fā)時(shí)段;內(nèi)陸地區(qū)降雹多于沿海地區(qū)。

2)魯東南降雹過(guò)程多基于降雹月份的低渦和高空槽兩種環(huán)流背景產(chǎn)生,其環(huán)境參量在熱力能量、層結(jié)穩(wěn)定度和熱力動(dòng)力方面呈現(xiàn)出明顯的強(qiáng)對(duì)流天氣特征,并在特殊高度與厚度層上具備冰雹生長(zhǎng)的基本條件,大冰雹和低渦型降雹物理參量的對(duì)流特性明顯強(qiáng)于小冰雹和高空槽型降雹。

3)分型降雹和分冰雹大小的關(guān)鍵參數(shù)雖然表現(xiàn)出一定的差別,但是也存在明顯的共性,都具有較大的對(duì)流有效位能、中等及以上強(qiáng)度的深層(0～6 km)垂直風(fēng)切變、顯著的條件不穩(wěn)定層結(jié)和適宜的特征層高度/厚度。

研究統(tǒng)計(jì)了2000—2021年魯東南46個(gè)降雹日的物理參數(shù),可為魯東南冰雹預(yù)報(bào)預(yù)警及人工防雹作業(yè)提供參考依據(jù),但受統(tǒng)計(jì)年份、記錄完整程度、研究方法等因素影響,分析結(jié)果有一定的局限性,研究成效尚有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。