2022年9月8日中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)冰雹成因分析

摘 要：【目的】分析2022年9月8日中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)冰雹天氣的成因，探討此次冰雹的可預報性，為今后的冰雹預報提供更好的依據(jù)。【方法】利用常規(guī)地面觀測資料、Micpas地面高空資料、探空資料、歐洲中心ECMWF ERA5的逐時再分析資料，對此次冰雹天氣進行分析。【結(jié)果】此次冰雹過程為“兩槽一脊”環(huán)流形勢，受高空內(nèi)蒙古冷渦槽及槽前的偏南氣流、700 hPa的低空急流、850 hPa的切變、地面的風場輻合的影響，產(chǎn)生了此次冰雹天氣。過程期間，中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)850～500 hPa假相當位溫隨高度遞減，850～500 hPa、700～500 hPa的溫差較大，上冷下暖，大氣的對流性較強；從水汽條件來看，對流層中層水汽條件較好；探空圖上，CAPE值、K指數(shù)、SI指數(shù)、-20 ℃層、0 ℃層高度等指標均滿足強對流天氣的特征?！窘Y(jié)論】9月8日午后有很強的不穩(wěn)定能量，配合有對流層中低層較強的抬升運動，中層較好的水汽條件，導致中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)出現(xiàn)冰雹，伴有短時暴雨及雷暴大風天氣。

關(guān)鍵詞：中衛(wèi)市；冰雹；物理量場

中圖分類號：P458.3" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）13-0102-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.021

Analysis of the Causes of Hail in Shapotou District， Zhongwei City on September 8，2022

CHEN Xingyi1，2，3 PANG Tingting1，2，3 BAI Chunyan1，2，3 YANG Yuan1，2，3 WANG Jindi1，2，4

（1.Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions，CMA，Yinchuan 750002，China;2.Key Laboratory of Meteorological Disaster Prevention and Reduction of Ningxia，Yinchuan" 750002，China;3.Zhongwei Meteorological Bureau，Zhongwei 755000，China;4.Haiyuan Meteorological Bureau，Haiyuan 755200，China）

Abstract：[Purposes] The causes of hail weather in Shapotou District of Zhongwei City on September 8，2022 were analyzed， and the predictability of hail was discussed to provide a better basis for hail forecast in the future.[Methods] Based on the conventional ground observation data， Micpas ground altitude data， radiosonde data and the time-by-hour reanalysis data of ECMWF ERA5， this paper analyzes a hail weather in Shapotou District of Zhongwei City on September 8，2022. [Findings] The hail process was a \"two trough and one ridge\" circulation situation， which was influenced by the upper Inner Mongolia cold vortex trough and the southerly air flow in front of the trough， the low-level jet at 700 hPa， the shear at 850hPa， and the convergence of the surface wind field. During the process， the pseudo equivalent potential temperature of 850～500 hPa in Shapotou District of Zhongwei City decreases with height， and the temperature difference between 850～500 hPa and 700～500 hPa is large， and the upper part is cold and the lower part is warm， and the atmospheric convection is strong. From the water vapor condition， the middle troposphere water vapor condition is better. On the radiosonde map， CAPE value， K index， SI index， -20 ℃ layer height， 0 ℃ layer height and other indicators meet the characteristics of strong convective weather. [Conclusions] In the afternoon of September 8， there was a strong unstable energy， combined with a strong lifting movement in the middle and lower troposphere and a good water vapor condition in the middle layer， and there was hail in Shapotou District of Zhongwei City， accompanied by a short-term rainstorm and thunderstorms and strong winds.

Keywords： Zhongwei City; hail; physical quantity field

0 引言

冰雹是一種局地性強、突發(fā)性強、持續(xù)時間短、災害性大的強對流天氣，會給農(nóng)業(yè)、交通、通信電力帶來巨大損失。冰雹提前預報預警的難度較大，是天氣預報中的難點。目前，在臨近預報業(yè)務(wù)中，主要依靠雷達產(chǎn)品發(fā)布預報預警信息。國內(nèi)許多學者利用多源氣象數(shù)據(jù)，從天氣學的角度對冰雹的成因開展了大量研究。王華等［1］發(fā)現(xiàn)中尺度風場輻合線、喇叭口地形、迎風坡的抬升是對流回波增強的主要原因；湯興芝等［2］分析得出上干下暖不穩(wěn)定層結(jié)是強對流發(fā)生的主要原因，地面輻合線和露點鋒是觸發(fā)機制，東北冷渦后部干空氣不斷入侵，觸發(fā)新的對流；趙杰等［3］研究發(fā)現(xiàn)秋冬季冰雹發(fā)生前動力條件明顯加強，春夏季水汽、熱力、層結(jié)穩(wěn)定度條件顯著上升；于懷征等［4］分析發(fā)現(xiàn)，山東降雹具有CAPE較大、0～6 km垂直風切變在中等以上強度、顯著的不穩(wěn)定層結(jié)、-20 ℃層、0 ℃層高度適宜等特征，不同區(qū)域、不同月份、不同尺寸的冰雹的物理參量特征均有差別；彭啟洋等［5］采用SCIT算法，統(tǒng)計分析云南冰雹云的活動特征，結(jié)果表明云南冰雹回波在海拔高、坡度變化大的地區(qū)初生，隨海拔高度的增加而增強，坡度越大，系統(tǒng)性越強，對流持續(xù)時間越長，降雹前5 min地形海拔、坡度的降低可加速冰雹的出現(xiàn)。

2022年9月8日傍晚前后，寧夏中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)出現(xiàn)冰雹、短時暴雨、雷暴大風等強對流天氣，強對流天氣主要落區(qū)位于沙坡頭區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)灌溉集中區(qū)。因正值蘋果、玉米、水稻等農(nóng)作物成熟期，受短時冰雹、暴雨、雷暴大風等強對流天氣影響，尤其是冰雹，直徑小，但強度大，個別地段地面積雹厚度可達10 cm，導致農(nóng)作物受損嚴重，經(jīng)濟損失達1.2億元。本研究利用常規(guī)地面觀測資料、Micpas地面高空資料、探空資料、歐洲中心ECMWF ERA5的逐時再分析資料，分析此次冰雹過程的環(huán)流背景，水汽條件，層結(jié)不穩(wěn)定度的變化、不穩(wěn)定能量的觸發(fā)條件、動力條件，探討這次冰雹的可預報性，為今后的冰雹預報提供更好的依據(jù)。

1 實況特征

2022年9月8日17時至20時，寧夏中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)出現(xiàn)冰雹、短時暴雨、雷電、大風等強對流天氣，降水量累積值分布如圖1所示。永康鎮(zhèn)、鎮(zhèn)羅鎮(zhèn)出現(xiàn)短時暴雨，其中李園村、雙達村兩站小時雨強達30 mm以上，最大累計雨量和最大小時雨強均出現(xiàn)在鎮(zhèn)羅鎮(zhèn)李園村為36.2 mm（19時）。在出現(xiàn)短時強降水的同時，東園鎮(zhèn)鄭口村、美麗工業(yè)園區(qū)、東園鎮(zhèn)西部云基地18時10分左右出現(xiàn)冰雹，持續(xù)10 min左右，冰雹直徑為3～4 mm；永康鎮(zhèn)彩達村、城農(nóng)村、雙達村、永新村，宣和鎮(zhèn)東臺村、喜溝村、羚羊村、丹陽村18時30分左右出現(xiàn)冰雹，持續(xù)20 min左右，冰雹直徑4 mm左右。永康鎮(zhèn)、鎮(zhèn)羅鎮(zhèn)、東園鎮(zhèn)、宣和鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)7級以上大風。鎮(zhèn)羅鎮(zhèn)關(guān)莊村、永久性蔬菜基地、柔遠鎮(zhèn)鎮(zhèn)錦村、東園鎮(zhèn)中衛(wèi)西部云基地等4站極大風速超過9級（20.8～24.4 m/s），其中極大風速極值出現(xiàn)在沙坡頭區(qū)鎮(zhèn)羅鎮(zhèn)關(guān)莊村19時達10級（27.7 m/s）。

2 環(huán)流背景及主要影響系統(tǒng)

2.1 高空500 hPa環(huán)流形勢

2022年9月8日08時500 hPa高空圖上歐亞中高緯是典型的“兩槽一脊”環(huán)流形勢，中衛(wèi)市位于584線和588線之間，內(nèi)蒙古西側(cè)-四川北側(cè)有一明顯冷渦槽，中衛(wèi)處于槽區(qū)內(nèi)，槽后有冷平流，有利于內(nèi)蒙古槽加深。20時，588線有所南移，位于貝加爾湖以北的高壓脊向東移動，有所加強，內(nèi)蒙古低渦槽加深并東移南壓，移出中衛(wèi)（如圖2所示）。

2.2 高空700 hPa、850 hPa環(huán)流形勢

2022年9月8日08時700 hPa和850 hPa高空形勢如圖3所示。由圖3（a）可知，8日08時700 hPa中衛(wèi)西北側(cè)、內(nèi)蒙古西部處有一中心強度為12 ℃的暖中心，對應(yīng)500 hPa為冷性低渦，上冷下暖，大氣對流增強；700～500 hPa溫差在20～24 ℃之間，對流性較強，中衛(wèi)東側(cè)有低渦切變，切變南部有低空急流，急流軸中心最大風速可達16 m/s，帶來偏南暖濕氣流，中衛(wèi)位于濕區(qū)內(nèi)。20時700 hPa中衛(wèi)西北方向轉(zhuǎn)為一中心為8 ℃的冷中心。同時，20時切變南壓，移出中衛(wèi)，中衛(wèi)轉(zhuǎn)為受高壓控制。

由圖3（b）可知，8日08時850 hPa，內(nèi)蒙古西側(cè)至寧夏北部有一暖切，中衛(wèi)西北側(cè)、內(nèi)蒙古西部處有一中心強度為24 ℃的暖中心，850～500 hPa溫差在30～36 ℃之間，對流性較強。20時切變南壓，轉(zhuǎn)為冷切，位于中衛(wèi)北部。

2.3 地面天氣形勢分析

2022年9月8日08時地面上中衛(wèi)受低壓控制，中衛(wèi)北部有明顯的風場輻合，14時，中衛(wèi)轉(zhuǎn)為受高壓控制，輻合線移至中衛(wèi)中部，20時，地面輻合線逐步南移。

3 物理量演變特征

3.1 水汽條件分析

由溫度露點差分布可知，8日20時，中衛(wèi)地區(qū)700 hPa濕度條件較好，溫度露點差在5 ℃以內(nèi)，相對濕度在70%以上；850 hPa濕度條件相對較差，溫度露點差在8～9 ℃，相對濕度在60%以上。

3.2 熱力條件分析

假相當位溫θse場稱為能量場，可以反映大氣的潛熱、顯熱等熱力結(jié)構(gòu)。由8日20時假相當位溫θse隨高度的變化來看，850～500 hPa假相當位溫隨高度遞減，對流不穩(wěn)定能量逐漸增強，表征存在一定的對流性不穩(wěn)定，有利于產(chǎn)生冰雹天氣。8日20時850 hPa和500 hPa的假相當位溫之差在15.05 ℃，700 hPa和500 hPa的假相當位溫之差在11.62 ℃，均為正值，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 動力條件分析

3.3.1 垂直速度。垂直速度與強對流天氣關(guān)系密切，垂直運動有利于水汽、動量、熱量等的垂直輸送。2022年9月8日08時至20時，雙達村垂直速度及風場時間-空間剖面如圖4所示。由圖4可知，8日17時至18時，沙坡頭區(qū)對流層中低層為一致的偏北風，有一定的上升運動；19時，850 hPa及以下轉(zhuǎn)為偏西氣流，有明顯的風向切變，850～500 hPa表現(xiàn)為強上升氣流，有一個明顯的垂直速度中心，值為-1.2 Pa/s，強的上升運動利于對流層中低層水汽的冷卻和凝結(jié)。500～350 hPa為下沉氣流，垂直速度在0.2 Pa/s。

3.3.2 散度。2022年9月8日08時至20時雙達村散度時間-空間剖面如圖5所示。由圖5可知，8日17時至20時，沙坡頭區(qū)700 hPa以下為輻合區(qū)，700～450 hPa為輻散區(qū)，低層輻合高層輻散，有利于上升運動的發(fā)生發(fā)展，為冰雹提供動力機制。隨著時間的推移，輻合輻散逐漸加強，19時達到最強，輻合中心位于850 hPa，中心值為-14×10-5s-1，輻散中心位于650 hPa，中心值為8×10-5s-1。

4 不穩(wěn)定能量分析

從2022年9月8日08時銀川站的探空圖來看，700 hPa和500 hPa的溫差為21.8 ℃，對流有效位能CAPE值為494.6 J/kg，但K指數(shù)為30.2 ℃，沙式指數(shù)SI為-2.66，存在一定的不穩(wěn)定能量，訂正到14時，CAPE值為2 032.8 J/kg，20時CAPE為616.4 J/kg，午后不穩(wěn)定能量集聚明顯，下午不穩(wěn)定能量逐漸釋放，觸發(fā)對流天氣的產(chǎn)生，20時K指數(shù)為40.3，K指數(shù)越大，層結(jié)越不穩(wěn)定。08時抬升指數(shù)為-3.44，20時為-3.14，抬升指數(shù)有所下降。08時零度層高度在4 196 m，-20 ℃層高度在7 029 m；20時零度層高度在3 930 m，-20 ℃層高度在7 152 m，較有利于冰雹出現(xiàn)。探空圖上對流層中層（700～550 hPa）濕度條件較好，為此次冰雹天氣的發(fā)生提供了良好的水汽條件。

5 結(jié)論

①此次冰雹過程為“兩槽一脊”環(huán)流形勢，主要受高空內(nèi)蒙古冷渦槽及槽前的偏南氣流、700 hPa的低空急流帶來的暖濕氣流、850 hPa的切變、地面的風場輻合的影響。

②過程期間，中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)850～500 hPa、700～500 hPa的溫差較大，上冷下暖，大氣的對流性較強。700 hPa濕度條件較好。850～500 hPa假相當位溫隨高度遞減，存在一定的對流性不穩(wěn)定，有利于產(chǎn)生冰雹天氣。

③8日傍晚前后，700 hPa以下為輻合區(qū)，700～450 hPa為輻散區(qū)，19時輻合輻散達到最強，低層輻合高層輻散，利于上升運動的發(fā)生發(fā)展，850 hPa以下有明顯的風向切變，850～500 hPa表現(xiàn)為強上升氣流，最大垂直速度為-1.2 Pa/s。

④探空圖上，CAPE值、K指數(shù)、沙氏指數(shù)等指數(shù)均滿足強對流天氣的特征，指示8日午后有很強的不穩(wěn)定能量，配合有對流層中低層較強的抬升運動，中層較好的水汽條件，8日傍晚前后出現(xiàn)冰雹，伴有短時暴雨、雷暴大風天氣。

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