2013年6月喀什地区一次强冰雹天气的成因分析

2014-11-15李圆圆

沙漠与绿洲气象 2014年2期

李圆圆，支竣，张超

（1.新疆气象台，新疆乌鲁木齐830002；2.喀什地区气象局，新疆喀什844000）

喀什地区位于新疆西南部，它三面环山，一面敞开，北部有天山山脉，西部紧挨帕米尔高原，南部为绵亘东西的喀喇昆仑山，东部为一望无垠的塔克拉玛干大沙漠，地势从南向东微微倾斜。喀什地区土地总面积1 394.79×104hm2，约占新疆土地总面积的1/12，以农业和牧业为主，由于地形复杂，天气多变，常出现强对流天气。随着农业、林业生产规模和现代化水平的不断提高，强对流天气灾害的危害日益加剧。近几年，喀什地区强对流天气频次高、范围广、危害重，冰雹出现的频次也较高，据统计，每年5—9月，冰雹灾害均会给喀什地区带来不同的损失，个别年份经济损失达数亿元，冰雹灾害已成为夏季危害农业、林果业、设施农业的主要气象灾害。冰雹天气由于发展迅速、局地性强、生消快、危害重，一直是天气预报工作的难点。国内不少学者和业务人员对我国的冰雹天气进行了研究，取得了不少研究成果，龙余良[1]、郭艳[2]、王华[3]、张晰莹[4]等分别对江西、北京、黑龙江等地的冰雹天气进行了系统地研究，郑媛媛[5]、潘玉洁[6]等整理归纳了安徽、福建的超级单体风暴的雷达回波特征。张俊兰[7-10]通过对阿克苏地区强对流天气的研究，分析了阿克苏地区冰雹天气的环流形势、中尺度系统、雷达回波和能量特征等，刘进新[11]和彭江良[12]对南疆阿克苏的强对流和冰雹天气的影响系统、动力因子等进行了分析，张云惠等[13]揭示了南疆西部强降雨天气的多普勒雷达回波特征，王荣梅等[14]对2011年8月喀什一次冰雹天气做了雷达探测分析，魏勇[15]和王存亮[16]等人也对发生在北疆石河子地区的冰雹天气进行了研究。这些研究揭示了新疆发生冰雹的物理触发机制，对冰雹预警有一定的指导意义。本文利用喀什地区各气象站观测资料、区域自动站气象观测资料和ECWMF（2.5°×2.5°）、T639（1°×1°）细网格资料、喀什新一代多普勒雷达资料，对2013年6月18日发生在新疆喀什地区境内的一次罕见的强冰雹天气进行了研究分析，以期能为南疆地区冰雹短时和临近预报、预警提供思路。

1 强冰雹天气实况

2013年6月18日,喀什地区出现了历史上罕见的强冰雹天气，喀什、伽师、岳普湖、莎车、英吉沙、麦盖提等6个县市先后遭冰雹侵袭。冰雹主要集中出现在18日下午至傍晚，各地降雹的起止时间（北京时间，下文同）大约为：喀什市17:00—17:25，伽师18:10—18:17、18:33—18:38，岳普湖 19:17—19:45，莎车、麦盖提、英吉沙等地分别于19:30、20:08、20:08开始降雹，因降雹区地广人稀，无法确知冰雹的持续时间。此次冰雹共造成经济损失2.6亿元，是近年来喀什地区单次损失最大的冰雹过程。雹灾最重的岳普湖县，冰雹持续时间28 min，最大冰雹直径6 cm，4个乡、2个农场出现冰雹，受灾农作物总面积4 640.2 hm2，绝收面积1 935.4 hm2；其次为伽师县，冰雹持续约13 min，最大冰雹直径2.5 cm，最大积雹厚度4 cm，受灾农作物面积3 420.6 hm2。

2 大尺度环流背景

此次强冰雹天气是在比较稳定的大尺度环流背景下出现的。天气过程前（15—17日），100 hPa南亚高压呈双体型分布，两个高压中心分别位于伊朗高原和青藏高原东部，随着南亚高压发生东西震荡，位于中亚地区的副热带大槽逐渐南伸至30°N附近，槽前西南气流在南疆西部长时间维持。500 hPa上，伊朗副高东伸发展，在里咸海附近与欧洲脊叠加，脊前西北气流不断引导冷空气南下，使位于西西伯利亚的低槽南伸并在巴尔喀什湖附近切涡，在下游强烈发展的贝加尔湖脊的阻挡下，移动缓慢，并与减弱东移北收的中亚低值系统和阿拉伯海至印度半岛的低槽同位相叠加，使得西西伯利亚—中亚—印度半岛间60°～20°N的40个纬距内均为低槽活动区。随着西太副高西伸北进，18日08时（图1a），阿拉伯海至印度半岛低槽前的西南气流携带阿拉伯海水汽北上青藏高原后继续进入新疆南疆盆地，中亚低槽与巴尔喀什湖低涡槽汇合，槽前在南疆西部不断有短波扰动，在喀什至岳普湖之间也有一条中尺度切变线，为喀什地区发生冰雹的主要影响系统。从环流和风场的高低空配置（图1b）来看，同一时刻在200 hPa高空，低槽位于喀什附近，槽前西南急流最大风速超过50 m/s，槽后风速不足20 m/s，槽前辐散强烈。对应在700 hPa和850 hPa上，南疆盆地东部均有一支偏东气流，起到垫高作用的同时，也将一部分水汽从东部地区接力输送至雹区；在喀什到伽师（雹区）附近，700 hPa和850 hPa均存在中尺度切变线，有利于水汽在其附近辐合上升和增加层结的不稳定，为产生冰雹提供了有利的环流背景。

图1 2013年6月18日08:00环流背景

3 中尺度系统分析

3.1 地面中尺度系统

此次喀什地区的强冰雹天气主要集中在岳普湖、伽师附近。从地面加密风场叠加气压场图上可以看出，18日02:00，伽师、岳普湖西部出现了中尺度低压（中心值999.9 hPa），低压底部为西北—西南的风切变；05:00此低压东移南压，略有加强，中心值999.6 hPa；08:00—11:00，低压减弱，但 11:00 雹区东部东风加强，由4 m/s增为8 m/s；12:00—16:00，雹区的西南部区域气压逐渐下降，生成2～3个中尺度低压系统；17:00—19:00（图2a、b、c），从地面风场上可以分析出3个持续维持的中尺度低压环流圈，低压底部均存在西北—西南（或东北）的风向切变，且3个中尺度低压的强度较强，自北向南分别为996、995、994 hPa；20:00（图2d），低压减弱，仅西部的中尺度低压还存在，南部仅从风场上可看出存在低压环流，雹区东部的偏东风也明显减弱。

图2 2013年6月18日17:00—20:00区域自动站气压（填值+1 000 hPa）和风场分布

从上述分析得知，降雹前，地面中尺度低压维持时间较长，雹区位于地面中尺度辐合中心北部，雹区西部、西南部提前十几小时出现了地面中尺度低压和中尺度切变线的中尺度扰动，强冰雹主要发生在地面中尺度系统的偏北区域。冰雹出现和持续的主要时段内，约有3个中尺度低压存在，当地面中尺度系统开始减弱时，冰雹天气也逐渐减弱。中尺度低压的出现、维持和加强增强了近地面层的辐合抬升，对此次冰雹的产生起到重要作用。

图3 2013年6月18日08:00 T639（1°×1°）初始场水汽通量（等值线，单位：g/（cm·hPa·s））和风矢量场

3.2 低层中尺度系统

冰雹出现前，18 日 08:00，T639（1°×1°）初始场的低层700～850 hPa风矢量场上，出现了切变线和涌线等中尺度系统。700 hPa（图3a）上，在雹区的西部和西南部，存在较明显的西北—西南方向的冷式风切变（双实线）；850 hPa（图3b），麦盖提附近有偏东风与偏西风的暖式风切变（双实线），且岳普湖和麦盖提之间出现了同方向（偏东方向）上较强东风区进入较弱东风区的东风涌线，风场为向南疆西部辐合的局势，出现大冰雹的岳普湖和麦盖提恰好位于暖式风切变线的北部，即冰雹天气出现在地面中尺度低压的北侧。地面中尺度低压、低层切变线、涌线等中尺度系统有利于低层辐合的发展，形成低层辐合区，是启动、触发冰雹天气的重要天气系统，在中尺度系统的作用下，大气层结不稳定层附近极易产生冰雹等强对流天气。

4 物理量诊断分析

4.1 水汽条件

4.1.1 水汽通量

图4 T639（1°×1°）垂直速度（单位：10-2Pa/s）和相对湿度（单位：%）

强对流天气的发生发展和维持，必须有丰富的水汽供应。冰雹天气发生前，对流层中低层要有一定的水汽输送至雹区上空并聚集。本文中的水汽输送通过 T639（1°×1°）08 时初始场的水汽通量的水平分布场（图3的等值线）进行分析判断，冰雹出现前，来自阿拉伯海的水汽通过较强的西南气流输送至南疆地区，并且自低层700 hPa伸展到500 hPa中层，但水汽在冰雹上空的较强输送主要出现在低层。17日夜间，雹区低层水汽输送逐渐增大，18日08:00达到最强，700 hPa（图3a）上主要为西南方向的水汽输送，伽师、岳普湖东部出现了范围较大的4 g/（cm·hPa·s）的水汽通量高值区，最大值达到5 g/（cm·hPa·s），水汽通量高值区的西南部配合有西南气流，对水汽输送较为有利。850 hPa（图3b）上出现了偏东路径的水汽输送，雹区东部有6 g/（cm·hPa·s）的水汽通量大值中心，并有6～8 m/s的偏东气流，岳普湖和麦盖提之间的东风涌线对水汽输送和辐合也十分有利。

4.1.2 相对湿度

相对湿度指空气的水汽压与同一温度下的饱和水汽压之比，它的大小表示空气接近饱和的程度，与大气中的水汽含量有关，可反映空气干湿程度。沿雹区附近 77°E、39°N 的点，对 T639（1°×1°）相对湿度作13—20日1 000～200 hPa的时间垂直剖面图（图4b）可以看出，16日20:00，600 hPa以下层结的相对湿度开始增大，中高层湿度较小，300 hPa以上的高层湿度增大。相对湿度高值区与上升运动区的高度和层次基本对应，300 hPa、700 hPa附近为相对湿度大值中心，中低层650～850 hPa间为70%以上的高湿区，而此高度间的上升速度（图4a）相对也最大，说明湿空气在中低层不断抬升。18日20:00，500 hPa以下的相对湿度明显降低，尤其是600～700 hPa间的湿度迅速从接近饱和的90%下降至30%。相对湿度的平面分布也显示冰雹区附近湿度较大，18日08:00在700 hPa（图4d）上，雹区附近的相对湿度为80%左右。由此可以看出，冰雹天气前，雹区中低层的辐合作用增强，上升运动加大，强迫抬升明显，中低空湿度变大，显著增湿，特别在700 hPa高度附近上升运动和增湿作用几乎同时进行，雹区700 hPa的辐合抬升以及湿度增大为冰雹的出现提供了较好的动力、水汽条件。

4.2 上升运动

多数冰雹的形成都与系统性辐合及抬升运动有关，在水汽和稳定度满足的条件下，有低层的辐合、抬升就能触发冰雹等对流天气[16]。对本次冰雹天气，沿雹区附近 77°E、39°N，使用 T639（1°×1°）模式 08时初始场作6月13—20日垂直速度1 000～200 hPa的时间剖面图（图4a）可以看出，16日20:00，中低层600～1 000 hPa的垂直运动为负值，说明雹区上空在中低层出现了上升运动；17日 20:00，600～850 hPa、高层250～200 hPa也存在上升运动；18日20:00，中低层有弱的上升速度，高层的上升运动区消失。冰雹出现前，雹区中低层和高层存在较明显的上升运动，起到了动力抬升作用，冰雹出现后，其上空的上升运动迅速减弱或消失。从18日08:00的700 hPa垂直速度分布场（图4c）上可看出，麦盖提附近为上升运动负值中心，中心值-12×10-2Pa/s，伽师、岳普湖的上升速度为-8×10-2Pa/s左右，负速度中心较好的指示了雹区的位置。

5 大气层结稳定度

表1中11个表征大气稳定度的探空特征物理量，在近几年南疆的冰雹预警中具有较好的指示意义。选用冰雹天气出现前后喀什探空站的探空物理量参数，17日20:00—18日20:00的3个时次中，除SI指数、500 hPa和850 hPa的T-Td 3项指标外，其余8项探空参数均于18日08:00出现单峰最大值，较为明显的是CAPE对流有效位能达到117.7 J/kg。对流有效位能CAPE不是单层的指数，属垂直积分稳定度参数，是研究强对流天气过程能量变化最有效最为常用的物理量。从表1中可看出，6月18日08：00 时，SI指数为-2.04、TT 总指数为 52、BLI最大抬升指数为2.0、IQ整层比湿积分为 1630.0、EHI能量螺旋度指数为22.1。比较3个时次的探空物理量，18 日 08:00，K 指数、CAPE、BLI、TT、SSI、SWEAT、IQ、EHI等8个参数值更大、SI指数更低，非常有利于强对流天气的发生。通过500 hPa和850 hPa的T-Td对比中层和低层的湿度情况，17日20:00为中干低湿，18日08:00，仍为中干低湿，但中层和低层湿度均在增大，850 hPa增湿更为明显，TTd降为6℃，20:00变为中湿低干。

每个物理参数只有达到一定的值域时，才会对对流天气的出现有贡献，上述探空特征物理量参数在18日08:00出现最大或最小值，大气不稳定条件较有利于强对流天气的产生，出现较强冰雹的概率较大。

表1 6月17—18日喀什探空物理量参数

6 雷达回波特征

本文所用资料为新疆喀什CINRAD-CC多普勒雷达每6 min一次的体扫资料。此次冰雹天气中，喀什新一代天气雷达监测追踪了2013年6月18日17:00—20:00造成伽师、岳普湖两地冰雹的2个强回波的发生发展，绘制了组合反射率因子（图5），通过反射率因子强回波核心的反射率因子垂直剖面结构（图6）以及液态水含量密度的垂直剖面（图7）。

A单体主要造成了伽师县境内的大冰雹。该单体从18日16:48开始在伽师县北部约60 km处发展，17:05（图5a）开始增强，最大回波强度达到55 dBz，回波顶高伸展到约11 km，大于50 dBz的回波顶高伸展至3 km（图6a），液态水含量在垂直方向上最大达到4 g/m3（图7a）。17:34（图5b）到18:02（图5c）为该回波发展的最强时段，其中17:34，A单体在入流区（西北方）有明显的V型缺口（箭头所指处），最大回波强度达到60 dBz，回波顶高向上伸展至约13 km，说明超级单体中具有非常强的上升运动，大于50 dBz的回波顶高伸展至10 km，大于60 dBz的回波顶高达到8 km，且出现了较明显的回波悬垂、有界弱回波区的结构（图6b），已发展为超级单体，同时大于50 dBz的强回波的水平尺度达到8 km左右，整层最大的液态水含量（图7b）在6 km处约为4 g/m3；18:02（图5c），超级单体 A 继续发展，呈椭圆形，大于50 dBz的强回波面积增大，回波底下降，近乎接地，且悬垂结构和有界弱回波区更为明显（图6c），对应的液态水含量在垂直方向上最大达到8 g/m3，且从地面向上伸展到8 km以上（图7c），此时非常有利于出现冰雹（伽师实况冰雹最早起始时间约为 18:10，最大直径 2.5 cm）。18:31（图5d），超级单体A的最强回波仍为60 dBz，但密实的椭圆形结构开始松散，大于50 dBz的强回波面积减小，大于60 dBz的回波顶高下降至6 km左右，仍然可以看出较明显的回波悬垂结构（图6d），对应的液态水含量虽然最大也达到8 g/m3，但面积有所减小，高度在6 km左右（图7d），此时仍较有利于冰雹的发生（实况伽师境内18:33又出现冰雹）。19:05（图5e），A减弱为普通单体，强度减弱，面积减小，回波顶高降低，悬垂结构消失，液态水含量下降，此时冰雹天气已经结束。

图5 6月18日喀什多普勒雷达组合反射率因子图（单位：dBz）

图6 图5中通过反射率因子强回波核心的反射率因子垂直剖面（单位：dBz）

图7 图5中通过反射率因子核心的液态水含量密度的垂直剖面（单位：g/m3）

B单体和C单体均造成了岳普湖境内的冰雹。17:17，B单体在伽师东北方约40 km处生成，强度为 30 dBz。17:34（图5b）—18:02（图5c），B 单体强度增强，面积增大，最大回波强度由50 dBz增至55 dBz，回波顶高发展到13 km左右，出现了穹窿状的悬垂结构（图6e），成为超级单体，＞4 g/m3的垂直液水含量的顶高突破8 km，底部接地，4 km左右出出现了6 g/m3的液水含量高值中心（图7e）；18:31（图5d）—19:05（图5e），为超级单体发展最为旺盛的时段，此阶段回波强度持续增强，最大组合反射率因子由60 dBz增至65 dBz，回波顶高也由13 km伸展到14 km左右，回波范围也有所增大，50 dBz和60 dBz的回波核顶高分别由11 km伸至12 km、7 km伸至10 km（图6f），垂直液水含量最大8 g/m3，伸展高度在8 km 左右（图7f），19:05，65 dBz的回波顶高达 8 km，底部延伸至6 km（图6g），垂直液水含量开始下降（图7g）；19:33（图5f），超级单体 B 仍发展强盛，强回波范围仍较大，但已经东南移至莎车境内，此时回波顶高仍在14 km左右，50 dBz和60 dBz的回波核顶高分别位于11 km、8 km，强回波底部不接地（图6h），垂直液水含量在4～10 km之间均达8 g/m3（图7h），此时莎车境内开始降雹。

C单体于18：02开始发展，19:05最强回波达60 dBz，回波顶高 12 km，50、55、60 dBz的回波顶高分别达到10 km、9 km、3 km，且超过55 dBz的强回波底部已接地，垂直结构上有弱回波区，垂直液水含量上升至8 g/m3；同一时刻，在C单体左侧岳普湖境内又生成一个单体D，并不断发展。19:33，C、D单体之间又生成多个小的对流单体，形成了线状多单体结构，与超极单体B共同造成了岳普湖境内的冰雹。

以上分析显示，造成此次冰雹的回波单体A和B具备超级单体的显著特征，A单体为影响伽师县直径2.5 cm冰雹的超级单体，B单体强度更强，最强回波达到65 dBz，并维持了7个体扫（约40 min），回波顶高达到14 km，50 dBz和60 dBz的回波顶高分别为12 km和10 km，垂直液水含量最大达8 g/m3，其弱回波区的悬垂结构持续时间较长（18:02—19:39），为影响喀什境内冰雹的最强超级单体，此超级单体造成了岳普湖县境内直径6 cm的大冰雹。超级单体强度越强、维持时间越长，造成的冰雹直径越大、持续时间更长、雹灾更重。

7 小结

（1）此次冰雹天气是在有利的大尺度环流背景下产生的，影响系统为巴尔喀什湖低涡和中亚低槽，低涡南部的中低层到地面存在中尺度切变线、涌线、中尺度低压等多个中尺度系统；雹区位于地面中尺度切变线、中低压的北部，地面中低压较冰雹提前十几小时出现；中尺度系统的出现、维持和加强对此次冰雹的产生起到重要作用。

（2）11个探空物理量参数在此次冰雹出现前（18日08:00）的变化对冰雹预警具有一定指示意义。8个参数达到最大值、1个出现最小值，这些参数的突然增大和减小，对冰雹等强对流天气的发生具有一定的警示作用，此时需高度关注雷达回波演变，及时发布冰雹预警。

（3）造成此次强冰雹天气的新一代天气雷达回波具备显著的超级单体回波特征，最强超级单体（超级单体B）的回波顶高达14 km，50 dBz和60 dBz的回波顶高也升到了12 km和10 km，其弱回波区的悬垂结构持续时间约一个半小时。对比分析得出，超级单体强度越强，维持时间越长，造成的冰雹持续时间更长、直径更大、雹灾更重。

（4）在南疆冰雹天气分析的基础上，通过分析此次冰雹天气，得出冰雹天气预报预警的主要思路是：首先具备有利的大尺度天气背景，其次分析是否存在触发对流天气的中尺度系统，再分析大气稳定度判断是否存在不稳定能量，并分析水汽、动力等条件；临近预警时重点监测雷达回波的反射率因子、径向速度、垂直液态水含量等数据产品的水平分布、垂直结构演变，使短时预报和临近预警有效结合，提高冰雹监测、预警的水平和能力。

（5）新疆是冰雹灾害的多发区，喀什地区近几年雹灾损失有加剧的趋势，在分析冰雹短时预报、临近预警指标的同时，应加大人工影响天气的力度，重点研究人工防雹联合作业体系建设，加强行政区域之间的联防协作，增加固定和流动防雹作业点，扩大防雹作业区域，减轻雹灾损失。

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