石河子地区三次冰雹天气过程的综合分析

2013-11-15王存亮杨建成赵俊荣

沙漠与绿洲气象 2013年1期

魏勇，雷微，王存亮，杨建成，王刚，赵俊荣

（石河子气象局，新疆石河子832000）

冰雹是新疆主要灾害性天气之一。由于其具有破坏力大、局地性强的特点，给人民群众的生命财产和工农业生产带来严重危害。近年来，随着我国新一代天气雷达网的建设，目前全国已布设了一百多部多普勒天气雷达，这些雷达在监测冰雹、雷雨大风及短时强降水等突发性灾害天气过程中发挥着重要作用，各地也根据本地的实况对多普勒天气雷达资料及其产品的理论和应用进行了较多的研究。如郑媛媛等[1]对发生在皖北地区的一次典型的超级单体风暴过程进行了详细的分析，揭示了超级单体的有界弱回波区、“V”字型缺口等结构特征；朱君鉴等[2]对发生在山东东阿附近一次冰雹风暴发生、发展各阶段的反射率、平均径向速度等产品的演变过程以及风暴的中气旋特征进行了分析；廖玉芳等[3]对在中国首次探测到了三体散射（TBSS）和龙卷式涡旋特征（TVS）的雷达回波特征进行了分析；王笑芳等[4]分析了强对流天气的短时预报方法，概括出北京地区冰雹落区的概念模式；李云川[5]等利用新一代天气雷达产品建立了河北省冰雹、大风、强降水识别指标；王华[6]等对2005年北京两次城区强冰雹天气进行雷达回波分析发现，两次冰雹过程分别是由中-γ和中-β对流系统引起。张晰莹等[7]对弱冰雹云结构特征进行分析表明，虽然弱冰雹云回波强度弱无典型雹云特征，但速度特征明显，具有明显的尺度辐合辐散特征等。王存亮等[8]对春季发生在新疆准噶尔盆地南缘的一次强冰雹天气进行了多普勒雷达特征分析。张俊兰等[9]对夏季发生在阿克苏地区的两次冰雹天气过程进行了对比分析，揭示夏季冰雹天气和多普勒雷达回波特征；魏勇等[10]对夏季新疆准噶尔盆地南缘的一次冰雹天气进行了综合分析。这些总结和研究为雷达产品在强对流风暴监测和预警服务中的应用提供了宝贵的经验。但对于每个省的强对流风暴，因其气候特征、地形特征不同，其表现特征也有一定差异，所以作好本地新一代天气雷达产品的分析应用是十分必要的。

新疆石河子下野地垦区和莫索湾垦区位于天山北麓，古尔班通古特沙漠南缘，地处准噶尔盆地底部西南部,是全国主要优质棉生产基地，农业是当地的主要经济支柱，因地处沙漠与绿洲的交界地带，历年是冰雹必经之地，对当地的农业经济造成很大损失。石河子气象局于2006年4月建立了CINRAD/CC新一代多普勒天气雷达站，2006年7月正式投入业务运行，提高了石河子地区和相邻地区联合防雹能力及对强对流性天气的监测和预警能力。本文利用MICAPS常规气象资料和石河子新一代多普勒天气雷达资料，对自2006年石河子新一代多普勒天气雷达投入业务运行以来，春季发生在石河子地区沙漠边缘地带的3次有完整资料的冰雹天气进行了综合的分析，力求寻找春季石河子地区沙漠边缘地带冰雹天气出现前期的环境场特征及雷达产品的特征，为春季石河子地区沙漠边缘地带的灾害性天气的预报、预警与服务提供依据。

1 资料选取和研究方法

1.1 资料选取

在新疆石河子的CINRAD/CC新一代多普勒天气雷达的探测范围内，选取了石河子新一代多普勒天气雷达自投入业务运行以来，3次春季发生在石河子地区沙漠边缘较为典型的冰雹天气进行对比分析，这3次冰雹天气的实况见表1。

表1 3次冰雹天气过程实况

1.2 研究方法

本文主要利用MICAPS常规资料、多普勒天气雷达资料和自动站资料，应用天气动力学、雷达气象学方法，对春季发生在石河子地区沙漠边缘地带的3次冰雹天气进行了综合的分析，揭示春季石河子地区沙漠边缘地带冰雹天气过程形成的天气条件及多普勒雷达特征。

2 冰雹天气形成条件

2.1 冰雹天气过程的天气形势特点

由图1可以看出，3个过程都表现在500 hPa有高空槽影响，其中“20100502”过程巴尔喀什湖附近有一低槽，沿乌拉尔山偏北风带不断有冷空气南下，南支在新疆西部国境线附近有一支西南气流，该气流将阿拉伯海上空的水汽源源不断的向东北输送，与乌拉尔脊南下的冷空气，在巴尔喀什湖附近汇合，逐渐东移进入新疆北疆地区，造成了这次冰雹天气；“20100523”过程和“20100502”过程十分相似，也是巴尔喀什湖附近有一低槽，北支乌拉尔山南下的冷空气与南支的阿拉伯海向东北输送水汽的西南气流在巴尔喀什湖附近汇合，逐渐东移进入新疆北疆地区，造成了冰雹天气；“20110501”过程新疆西北边境线附近有一低槽，高空冷槽逐步东移，地面冷锋东移过境，两者共同影响，最终导致了这次冰雹天气。

2.2 冰雹发生前期物理条件分析

雹暴发生的基本物理条件是：位势不稳定、触发机制、水汽、0℃层和-20℃层高度和强的风切变[11]。由于石河子地区气象局没有探空站，位于石河子地区沙漠边缘地带上游的克拉玛依站的探空资料对于研究石河子地区沙漠边缘地带冰雹发生前期物理条件有着非常重要的参考价值。

2.2.1 大气稳定度条件分析

冰雹爆发前雹区低层一般都有潜在不稳定能量的累积过程。在外部动力条件具备的条件下，大气潜在不稳定能量就会爆发从而产生冰雹。通过对3次冰雹天气发生前期的石河子地区沙漠边缘地带上游的克拉玛依站的探空资料分析，可以得出以下结论：

（1）假相当位温θse的垂直分布可以很好地反映大气的对流不稳定性,利用冰雹出现前期处于石河子地区上游的克拉玛依站850 hPa与500 hPa的θse的差值来判断大气的稳定性，通过分析得出（表2）：3次冰雹天气发生前期的克拉玛依站 θse（850-500）＞5℃，θse/Z<0，说明假相当位温随高度增加而减小，大气层的不稳定度增加，大气处于对流不稳定状态。

（2）冰雹等强对流天气的产生还与当时大气环境垂直温度分布有关。通过分析得出（表2）：850 hPa和500 hPa温度差在28～29℃，说明上游地区低层有很强的暖湿空气的平流，中高层有较强的冷空气侵入，“上冷下暖”的对流潜势，加之高空急流的作用，使得对流不断发展。

（3）K指数和沙氏稳定度指数（SI）是表示局地大气层结稳定度的参数，一般用于局地对流天气的预报。K指数是反映气团属性的物理量，它既考虑了垂直温度梯度,又考虑了低层水汽,还间接表示了湿层的厚度,一般K值越大表示层结越不稳定。通过分析得出（表2）：3次冰雹天气发生前期K指数均达到28℃，最大为29℃，说明发生降雹前本地大气层结不稳定。SI指数指标在这3次冰雹天气中表现得不是很好，3次冰雹天气前期0＜SI＜3，但是根据北美K指数和沙氏稳定度指数（SI）与雷雨天气关系的统计[12]，0＜SI＜3 只有发生阵雨的可能。

2.2.2 水汽条件分析

要形成高大的雹云，必须具备较大的不稳定能量或对流性不稳定层结，水汽的垂直分布与温度的垂直分布一样，都是影响气层稳定度的重要原因。利用克拉玛依站的探空资料分析3次冰雹天气过程发现，降雹前低层都具备良好的水汽条件，而中高层水汽条件则较差，形成下湿上干的水汽垂直分布。春季的3次降雹过程降雹区850 hPa温度露点差均低于7℃，而500 hPa以上是温度露点差大于13.0℃的干层，这种下湿上干的水汽垂直分布对冰雹的发生发展及形成十分有利。同时发现这3次冰雹天气发生前期的克拉玛依站700 hPa的温度露点差≤2℃（如表2所示），表明大气处于饱和状态，且水汽充沛，为雹粒增长提供了有利的水汽条件。

2.2.3 垂直风切变

垂直风切变是指水平风（包括大小和方向）随高度的变化。统计分析表明，环境水平风向、风速的垂直切变的大小往往和形成风暴的强弱密切相关。在给定湿度、不稳定性及抬升的深厚湿对流中，垂直风切变对对流性风暴组织和特征的影响最大。一般来说，在一定的热力不稳定条件下，垂直风切变的增强将导致风暴的进一步加强和发展[13]。通过对3次冰雹天气发生前期克拉玛依站高空资料的分析，得出低层（850 hPa）到高层（200 hPa）切变值都≥3 m·s-1·km-1（表2），从而可以得出3次冰雹天气的前期都有较强的风垂直切变，有利于增加低空的水汽和启动抬升机制，促使强对流的发展，为对流风暴的产生和维持提供了条件。

表2 冰雹出现前的物理条件分析

2.2.4 特征层高度分析

0℃层和-20℃层分别是冷暖云分界线高度和大水滴的自然冰化区下界，是表示雹云特征的重要参数。根据观测分析最有利于降雹的0℃层高度约在 3.0～4.5 km(在 700～600 hPa附近)，-20 ℃层高度约在5.5～6.9 km（在500～400 hPa附近）[14]。通过表 2可知，3次冰雹天气发生前期0℃层高度都低于3 000 m，而-20℃层高度都大于5 500 m，说明春季发生冰雹天气的0℃层高度较低，-20℃层高度在利于降雹范围之内。

3 雷达回波特征分析

图2、3是3次冰雹天气的对流云雷达强度回波特征结构，从图中可知，“20100502”和“20100523”都是多单体风暴，“20110501”是超级单体风暴。

3.1 雷达组合反射率因子（CR）和反射率因子剖面（RCS）及回波顶高特征

“20100502”冰雹天气是在克拉玛依上游的托里山区新生，在发展东南移的过程中，不断有小单体生成合并，形成了东西向的回波带，并移入石河子地区西北面的沙漠中，由于沙漠中的气温较高，在移动的过程中回波带不断的合并和增强，逐渐形成了一个强度大于50 dBz、中心强度为63 dBz的强回波区（图2a），且回波顶高在11 km以上，其中63 dBz强中心在3 km左右，50 dBz强回波区接近6 km（图3a），对应地区出现了最大雹径为20 mm强冰雹天气。

“20100523”冰雹天气起始是在下野地上游的兵团农七师地区不断有零星对流云发展和东移，傍晚前后，在石河子下野地片区逐渐形成了2个中心强度为63 dBz和58 dBz强对流单体（图2b），其中较强的强对流单体顶高9 km，大于60 dBz强中心在3 km左右，50 dBz强回波区接近6 km（图3b），对应地区出现了冰雹天气。

“20110501”冰雹天气是在上游的乌苏山区不断有对流单体新生，在东移的过程中，对流单体迅速合并和增强，傍晚前后，在石河子安集海片区逐渐形成成熟的超级单体风暴，在组合反射率因子（CR）图上（图2c）表现为：强度大于50 dBz，中心强度为63dBz的强回波区；在反射率因子剖面（RCS）图上（图3c）表现为：一个由弱回波区、悬挂体和回波墙组成的穹窿结构，同时显示50 dBz强回波区的高度已达到8 km，60 dBz强回波区的高度已达到4 km，整个回波顶高达11 km，形成了非常成熟的雹云结构，对应地区出现了最大雹径为30 mm强冰雹天气。

对春季发生在石河子地区沙漠边缘地带的3次冰雹天气的雷达回波强度分析可知：冰雹出现前回波强度和回波顶的高度迅速增加,可作为强对流天气的预报指标；强回波中心随着雷达仰角的增加存在明显的前倾结构；出现冰雹时,回波强度一般大于60 dBz，回波顶高度大于9 km；冰雹的大小与回波强度、回波顶高度、大于55 dBz的强回波范围大小成正比。

春季石河子地区沙漠边缘地带的0℃层高度3 km左右、雷达强回波区顶部跨入-20℃层的低温区是形成冰雹的重要条件,参照当日冰雹天气发生前期的08:00或20：00时0℃层和-20℃层高度,分析得出：冰雹天气发生时，≥45 dBz的回波中心达到-20℃层的高度,-20℃层的高度上45 dBz以上反射率因子的出现,能够提前近30 min做出本站将出现强对流天气的临近预报。

3.2 基本径向速度（V）特征

分析春季发生在石河子地区沙漠边缘地带的3次冰雹天气的基本径向速度（V）图，“20100502”和“20110501”冰雹天气在冰雹产生前期，低仰角速度图上有辐合型速度对出现，对应的高仰角速度图上可见辐散型速度对；低层辐合是短时对流天气产生和维持的重要的动力机制，高层辐散使对流加强，雹云处于强烈发展阶段，随后出现冰雹天气；而“20100523”冰雹天气在产生冰雹前期，低层出现气旋辐合，中低层出现了“逆风区”，高层出现了反气旋辐散，随后强对流单体中的强回波区进入逆风区后，强烈的辐合上升运动不断将低层丰沛的暖湿气流带往中高层，使得强对流单体内的对流更加旺盛，强度明显增强，范围扩大，从而产生了冰雹等强对流天气。

通过分析得出：正负速度对和“逆风区”的出现预示着强对流天气的出现，尤其是低仰角的辐合型速度对与高仰角的辐散型速度对配合时，对流单体强烈发展，即将出现冰雹天气；速度场的变化比基本反射率的变化早15～30 min，故从速度图上可更早得到对流风暴将发展加强的信息，从而有利于灾害性天气的临近预警。

3.3 垂直累积液态水含量（VIL）特征

垂直累积液态水含量（VIL）对应于分辨率大的冰雹和风暴，而持续高垂直累积液态水又对应于超级单体回波,利用此特性可以帮助识别更强的回波，从而进一步确定冰雹出现的可能性和肯定性。

通过对春季发生在石河子地区沙漠边缘地带的3次冰雹天气的垂直累积液态水含量（VIL）分析（图4），3次冰雹天气过程中出现冰雹时垂直累积液态水含量一般大于 28 kg·m-2，最大的是“20110501”冰雹天气，出现冰雹时垂直累积液态水含量达到了50 kg·m-2，出现了直径为3 cm的大冰雹。同时将3次冰雹天气同一时刻的组合反射率因子（图2）和垂直累积液态水含量（图4）对比分析发现，雷达反射率因子中心和反射率因子梯度最大值与VIL中心和VIL梯度最大值相对应，使得降雹区域和含水量大的区域在位置上有很好的对应关系。将3次冰雹天气降雹前1 h到降雹结束后的垂直累积液态水含量（VIL）对比分析发现，在降雹前的10～40 minVIL值有明显跃增，反映了冰雹粒子在生长区碰并增长的事实，雹云处于酝酿之中；但当上游站已经出现冰雹时,VIL在高值区维持，降雹前期无明显跃增。当VIL值大于28 kg·m-2，将有冰雹出现的可能；VIL值的大小与冰雹的直径成正比，其高值区范围的大小与降水量成正比。

3.4 风暴跟踪信息（STI）特征

准确的风暴识别和跟踪是雷达及强天气预警的基本组成部分。多普勒天气雷达提供的风暴跟踪信息产品反映了所探测到的每个风暴单体各种跟踪信息，包括风暴单体现在的位置、过去1 h中的实况位置和未来1 h每隔15 min的位置以及风暴移动的速度和方向等信息[13]。将3次冰雹天气即将产生冰雹（未来1 h）预测位置的组合反射率CR和风暴跟踪信息（STI）迭加（图5a、5b、5c）和产生冰雹后（过去1 h）的实况位置的组合反射率CR和风暴跟踪信息（STI）迭加（图5d、5e、5f）对比分析发现，强对流暴中心的位置与组合反射率CR图中的强中心有很好的对应关系，图5a、5b、5c中所预测的风暴单体在未来1 h移动方向和图5d、5e、5f显示过去1 h风暴单体实际移动方向基本一致，只是具体位置略有差别。需要注意的是如果在风暴跟踪信息（STI）图中出现多个风暴单体，一定要选择和在雷达反射率因子（Z）图的强中心所对应的风暴中心进行跟踪观测，这样就可以很好跟踪强对流风暴的发展。由此可知，风暴跟踪信息产品对于短时间内的预报强对流天气移动的速度和方向以及降水落区具有很好的指示作用。

3.5 其它产品特征

中气旋（M）：“20100502”和“20110501”冰雹天气过程中都出现了中气旋，其所经之地,出现了大风、冰雹等强对流天气，因此中气旋的出现预示着未来局地的强对流天气。

冰雹指数（HI）：通过对3次冰雹天气过程中冰雹指数产品的分析，发现冰雹指数产品对冰雹预报有一定的提示作用，但该产品虚警较多。当出现大的实心冰雹指数时应进行连续观测。将冰雹指数HI产品结合垂直累积液态含水量VIL产品及组合反射率CR产品综合使用，将对提高冰雹和局地强降水天气预报的准确性和时效性具有很大的帮助。需要注意的是：冰雹探测算法HDA需要用户准确、及时地输入0℃和-20℃环境温度层的高度、风暴的移向移速，因为0层高度（H0）和-20 ℃ 层高度（H-20）与成雹关系密切，不正确的输入或者不能及时更新这些参数会降低算法的性能。

1 h累积降水量（OHP）：通过对3次冰雹天气过程中1 h累积降水量（OHP）和VIL对比分析发现，1 h累积降水量（OHP）和VIL一样，对冰雹的出现和落区具有指示意义，OHP的迅速增加与冰雹云的发展对应，其大值区与冰雹落区一致；OHP的大小与冰雹直径无明显对应关系，与降水量对应较好；当1 h累积降水量大于28 mm时,有冰雹产生的可能。

通过对3次冰雹天气过程的统计分析，当有冰雹云发展时,中气旋、冰雹指数、1 h累积降水量等产品都有一定的反应。但并不是每种产品都能同时对回波发生反应，当某一种产品有较强的反应时，就应该考虑有出现冰雹等强对流天气的可能。

4 小结

（1）春季石河子地区沙漠边缘地带的3次冰雹天气是发生在典型的高空槽型的冰雹环流背景形势下，其影响范围较广，雹灾损失较大。

（2）通过对比分析，总结出下列春季本地冰雹预报指标：①850 hPa与500 hPa的假相当位温差值θse（850-500）＞5.0 ℃；②T（850-500）≥28 ℃；③K 指数≥28℃；④SI指数≤3℃；⑤850 hPa温度露点差均小于7℃，500 hPa以上是温度露点差大于13.0℃的干层，这种下湿上干的水汽垂直分布对冰雹的发生发展及形成十分有利；⑥低层（850 hPa）到高层（200 hPa）切变值≥3m·s-1·km-1；⑦0℃层高度都低于3 000 m，而-20℃层高度都大于5 500 m，说明春季发生冰雹天气的0℃层高度较低，-20℃层高度在利于降雹范围之内。

（3）冰雹出现时，回波强度一般大于60 dBz，回波顶高度大于9 km。冰雹的大小和回波强度、回波顶高度及大于55 dBz强回波的范围成正比。利用-20℃等温线以上超过45 dBz的反射率因子的出现,也能够提前近30 min做出本站将出现强对流天气的临近预报。

（4）正负速度对和“逆风区”的出现预示着强对流天气的出现，尤其是低仰角的辐合型速度对与高仰角的辐散型速度对配合时，对流单体强烈发展，即将出现冰雹天气；速度场的变化比基本反射率的变化早15～30 min左右，故从速度图上可更早得到对流风暴将发展加强的信息，从而有利于灾害性天气的临近预警。

（5）垂直累积液态水含量（VIL）在冰雹云发展时期存在急剧增加的现象。VIL值大于28 kg·m-2，将有冰雹出现的可能；VIL值的大小与冰雹的直径成正比，其高值区范围的大小与降水量成正比。

（6）风暴跟踪信息产品（STI）能够在雷暴和冰雹出现前对风暴单体的移速、移向及降水落区做出预测，在实际的防雹减灾工作中具有很好的指导意义。

（7）中气旋、冰雹指数、1 h累积降水量等产品都能在石河子地区沙漠边缘地带出现雷雨大风和冰雹前做出提示，在实际工作中有重要的指导意义。

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