贵州铜仁连续两次冰雹天气过程的对比分析

陈关清，杨　群，李伟栋，茅海祥，方　标

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州　铜仁　554300；2.甘肃省气象局，甘肃　兰州　730020)



贵州铜仁连续两次冰雹天气过程的对比分析

陈关清1，杨群1，李伟栋2，茅海祥1，方标1

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州铜仁554300；2.甘肃省气象局，甘肃兰州730020)

摘要：利用地面加密自动站观测资料、多普勒雷达观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料，对2013年3月19日和22日连续出现在贵州铜仁的2次冰雹天气过程的中尺度系统的发展演变及结构特征等进行分析。结果表明：(1)高空槽后西北气流带动高层干冷空气南下，叠加在低层西南暖湿空气上形成不稳定层结，是冰雹发生的有利环流背景形势；(2)中层干冷空气及地面冷空气侵入造成强烈位势不稳定是铜仁发生冰雹等强对流天气的重要环境条件；(3)当K指数>38 ℃，SI指数<-1 ℃，强天气威胁指数超临界值，CAPE>300 J/kg时极有可能发生冰雹天气；当地面至400 hPa垂直风切变>5×10(-3) s(-1)时，利于雹暴系统发展加强；(4)反射率因子>50 dBZ的强回波发展加强，且强回波伸展高度超过-20 ℃层高度，出现弱回波区或有界弱回波区，高强悬垂回波特征，径向速度场往往伴有逆风区或中等涡旋出现，是冰雹天气发生典型特征；(5)垂直液态水含量出现跃增达25 kg/m2以上预示有冰雹发生，同时配合冰雹指数可作为冰雹预警的一个重要参考。

关键词：冰雹；雷达回波；垂直风切变

引言

冰雹、大风、短时强降水等强对流天气常常给工农业生产带来一定的危害和损失，造成恶劣天气的强对流往往生消较快, 因此也成为预报工作的难点。强对流天气是在有利的大气环流背景下，由中小尺度系统触发形成[1-4]。受冷暖气流频繁交汇和局地气候以及地形地貌影响，冰雹往往是贵州春季重要的灾害性天气之一，其发生的时间和空间尺度较小，来势猛烈、强度大，并常伴随大风、雷电、暴雨等强对流天气。冰雹是中尺度对流活动发展的结果，热力不稳定决定对流发展的强度，而动力作用对触发对流及决定风暴类型起重要作用[5]。对于冰雹的潜势预报，有不少学者从天气、卫星、雷达等角度进行了相关研究[6-16]，强的条件不稳定、深厚的垂直风切变和高空干冷平流环境有利于雷暴、大风、冰雹天气的发生,同时，各种强对流天气指数也是冰雹预报的一个重要参考；另外，天气雷达特别是多普勒天气雷达是监测和预警冰雹灾害性天气的主要工具。

本文利用2013年3月19～22日贵州铜仁市10个县站和192个乡镇雨量站的降水及冰雹实况资料、Micaps资料、NCEP (1°×1°)再分析资料以及铜仁多普勒天气雷达资料，对2013年3月19日和3月22日连续发生在铜仁的2次冰雹过程从冰雹发生的环流背景及中小尺度系统发生发展等方面进行对比分析，以期找到2次过程的异同点、冰雹发生的天气形势和雷达回波特征，从而为铜仁冰雹等强对流天气的监测、预警和防灾减灾提供参考依据。

1天气实况与环流形势

1.1天气实况

2013年3月19日(简称“3.19”)，贵州铜仁市的东南部出现了一次雷雨、冰雹天气过程。天气系统于19日19时(北京时，下同)开始自西向东移动，至20日01时左右移出铜仁。降雹时段为20:35～20:45，冰雹主要出现在铜仁市东南部江口县的坝盘、民和、桃映及碧江区(铜仁市区)的滑石、坝黄、川硐等乡镇，冰雹平均直径为20 mm左右，最大直径达35 mm。此次冰雹天气导致房屋损坏、农作物受灾、基础设施受损，直接经济损失达2 390万元，其中农业经济损失1 047万元。

2013年3月22日(简称“3.22”)，铜仁大部地区出现了较强雷雨，部分地区出现冰雹，冰雹最大直径30 mm，平均直径为10 mm左右。全市13个乡镇出现暴雨，1个乡镇出现100.6 mm大暴雨，34个乡镇出现大雨，强降雨落区在铜仁南部。天气系统发生在22日14:00～21:00，西部对流云团16:20～17:30逐渐发展到最强。此次冰雹天气主要有2条生成发展路径：一路主要在石阡生成、发展，导致该地的伍德、河坝场、中坝、大沙坝出现直径为15 mm的冰雹，另一路由遵义移向德江、思南、印江方向，导致德江合兴、思南东华及张家寨出现直径为20～30 mm的冰雹。两路均自西向东移动，影响江口、印江、玉屏、碧江、松桃等地，玉屏朱家场出现直径为30 mm左右的冰雹。

综上所述，3月19日的强对流天气过程出现时段集中在傍晚到夜间，主要以雷电和冰雹天气为主，冰雹落区在东部；3月22日的强对流天气过程发生在午后到夜间，短时强降雨、强雷电和冰雹同时出现，冰雹落区主要在西部(图1)。

图1　2013年3月19日(a)和22日(b)铜仁市降水(单位：mm)分布与冰雹落区

1.2环流形势

2次冰雹过程发生前500 hPa位势高度场(图略)为2槽1脊型，东北为一大低涡槽，槽底延伸至湖北北部一带，带动冷空气补充南下。在20°N～35°N、90°E～100°E之间，高原东部为高空槽，贵州处于高空槽前西南气流中。中低纬度副热带高压588 dagpm线西伸脊点位于115°E～120°E、15°N～20°N附近，副热带高压北侧、高空槽前的西南暖湿气流与北方南下的干冷空气在25°N附近交汇，为强对流天气的发生提供了有利条件。

850 hPa高度场(图略)显示，强对流天气发生前，3月19日20时南海—广西—湖南有20 m/s的西南急流建立，湘西北—黔东北—黔西南有一条东北—西南向的切变线，其北侧为弱的东北风，铜仁南部位于切变线东侧、低空急流北侧；20日02时湖北—湖南—贵州东部转为东北风，风速增大，带动东北路冷空气影响铜仁区域。3月22日08时，南海—广西—湖南>20 m/s的西南急流建立，急流轴比19日过程偏北，重庆南部形成低涡，铜仁处于低涡东侧、急流北侧的暖切变中。22日14时冰雹即将发生时，湖北至湖南北部、重庆北部的东北风再次加大，不断带动冷空气沿东北路补充南下，在贵州北部形成冷暖空气的辐合。

2冰雹发生环境场对比

2.1地面冷空气触发

2次强对流天气发生前，地面气压场上均为热低压控制，受偏南气流影响，贵州北部有地面辐合线形成，白天最高气温达23 ℃以上。午后至夜间河南南部锋区南压，贵州东北部逐渐转为东北气流。北方冷空气的渗透与地面辐合线的共同影响加剧了中尺度强对流天气的触发抬升作用，有利于辐合线移动前方出现强对流天气[17]。

从图2可以看出，3月19日20时后海平面气压逐渐升高，气温逐渐下降，随着东北路冷空气的南下，铜仁出现冰雹、短时强降水等强对流天气。3月22日08时后随着北方冷空气的南下，地面辐合线锋生抬升作用加强，在铜仁西部有短时强降水和冰雹天气发生。

由此可见，铜仁强对流天气发生前，地面为热低压控制，地面温度较高，储存不稳定能量。随着地面冷空气沿东北路径南下影响，热低压西退减弱，地面辐合线锋生触发不稳定能量释放，导致强对流天气发生。

图2　2013年3月19～20日(a)和21～23日(b)铜仁地面气压、降水和温度变化

2.2中高层干冷空气侵入

干侵入对天气系统位势不稳定的发展以及中气旋发展生成起着有利的促进作用[18]。2次强对流天气的发生从环流形势来看，除有强的西南暖湿气流外，还有北方干冷空气南下的影响。对于干冷空气活动，可以用假相当位温、风矢量、相对湿度等来分析[19-21]。这里主要用相对湿度分析2次过程的干冷空气侵入作用，定义相对湿度<60%为干区[22]。从2013年3月19日和22日2次过程铜仁(27°N～29°N、107°E～109°E)平均各层相对湿度随时间演变(图3)来看，3月19日08～20时对流发生前干空气自上而下延伸到700 hPa附近，呈现明显的“上干下湿”形势，对流天气即将发生时(19日20时)干区减弱，湿度自下而上开始增加，降雨开始出现；3月22日天气过程，在对流天气发生前和发生过程中，中高层都维持干区，低层800 hPa以下为湿区，干湿空气在铜仁上空700 hPa附近交汇，整个铜仁对流层中上层都笼罩在大片干区之中，“上干下湿”的不稳定形势持续，更有利于强对流天气的发生。

上述分析表明，2次过程都有干侵入的现象，主要表现为干冷空气由对流层中高层向低层侵入且持续维持，直至强降雨天气发生后，干侵入才自下而上减弱。

3物理量特征

3.1水汽输送特征

从850 hPa风场和水汽通量场(图4)来看，强对流天气发生前，3月19日20时，南海—广西—湖南一线水汽通量值达到16～18 g/(s·hPa·cm)，铜仁东南部处于水汽输送梯度北侧，南北风在此汇合，同时铜仁东部108°E附近中低层有水汽的强辐合、高层有弱辐散。22日08时，南海—湖南建立的水汽通道偏北，最大水汽通量中心值高达18～20 g/(s·hPa·cm)，铜仁西部处于水汽通量梯度北侧南北风汇合区，铜仁区域107°E～109°E范围内有低层辐合,中心值水汽通量散度为-40×10-6g· hPa-1·cm-2·s-1，中高层辐散中心值为25×10-6g· hPa-1·cm-2·s-1，比“3.19”过程辐合辐散值大。

图3　2013年3月19日08时至20日08时(a)与22日08时至23日08时(b)铜仁(27°N～29°N、

图4　2013年3月19日20时(a,b)与22日08时(c,d)850 hPa水汽通量

从2次过程的水汽条件来看，“3.22”过程水汽输送及水汽辐合比“3.19”过程强，水汽输送偏北，低层水汽通量散度场显示低层有强的水汽辐合、中层水汽辐散，水汽在中低层大量积聚，更利于短时强降水天气的发生。

3.2静态不稳定层结

层结不稳定是对流天气发生的必要条件。朱乾根等[23]研究指出K指数、SI指数、对流有效位能(CAPE)等能够反映测站上空的不稳定层结情况，常应用于强对流天气预报中。SWEAT 指数主要用于监测强对流性天气，反映不稳定能量与风速垂直切变及风向垂直切变对风暴强度的综合作用。当发生强雷暴(指大风冰雹天气)时其临界值为300[23]。K指数反映大气的层结稳定度情况，K指数越大，层结越不稳定，当K指数>35 ℃会有成片雷暴发生[24]。而SI指数越小越有利于雷暴发生。铜仁处于贵阳和怀化之间，表1是贵阳、怀化单站探空资料的强天气威胁指数(SWEAT)、K指数、SI指数。

从表1可以看出，2次强对流天气过程K指数从08～20时都明显增大，怀化站达38 ℃以上；SI指数减小，怀化站达-3 ℃以下；19日20时即将发生强对流天气时SWEAT指数值贵阳为270.1，怀化为380.2，怀化上空的SWEAT指数值超过强雷暴发生的临界值，意味着在靠近怀化西侧的铜仁可能发生强雷暴。22日强对流天气发生前6 h即22日08时怀化的SWEAT指数值也达310.2。

0 ℃层与-20 ℃层高度是识别和表示冰雹云特征的重要参数[25]。0 ℃层高度越高，则雹块下落时经过的暖层越厚易融化成雨滴，不易出现大冰雹，一般0 ℃层高度在600 hPa(4 km)上下为宜；-20 ℃层高度表示高空冷空气入侵，一般在500～400 hPa(5.5～7 km)左右时有利于冰雹生成。0 ℃层和-20 ℃层之间的厚度较小时，中层较不稳定，更利于冰雹形成[26]。贵阳和怀化站2次冰雹过程0 ℃层高度在4 km左右，特别是铜仁东部的怀化站0 ℃层高度低于4 km，-20 ℃层高度在7 km左右，有利于冰雹产生。

表1　贵阳和怀化探空站各项指数及0 ℃、-20 ℃层高度

3.3对流有效位能(CAPE)

在深对流可能发生的环境中，对流有效位能(CAPE)是一个与环境联系最为密切的热力学变量，广泛应用于国内外强对流天气的诊断分析中[27-28]。

当气块受外力抬升，气块重力小于浮力时，一部分位能可以释放，由于这部分位能对大气对流有积极的作用，并可以转化为大气动能，故称其为对流有效位能简称CAPE。其计算公式如下：

式中EL为平衡高度，LFC为自由对流高度；Tvp为气块虚温；Tve为环境虚温。

图5给出2013年3月19日20时和3月22日14时冰雹发生前的对流有效位能。 “3.19”铜仁东南部冰雹过程，其CAPE值为300 J/kg，强度相对较弱。“3.22”铜仁西部、东南部冰雹过程，其CAPE值较大，全市在600 J/kg以上，最大达1 200 J/kg，铜仁上空有强的对流不稳定能量。

3.4垂直风切变特征

雹云发展常与较大的风速垂直切变有密切关系。中等强度以上的垂直风切变有利于暖湿气流源源不断地输送到发展中的上升气流中，使上升气流和下沉气流长时间共存。通常用0～6 km高度的风矢量差来表示深层垂直风切变，计算沿28°N的深层垂直风切变的时间演变，2013年3月19日08时至20日08时(图6a)，108.5°E以东即铜仁东部垂直风切变>5×10-3s-1，最大超过6.5×10-3s-1，为强垂直风切变。3月22日08时至23日08时(图6b)，铜仁区域垂直风切变为4.8～6×10-3s-1，属中等强度垂直风切变，利于冰雹云的形成与发展。

4雷达回波特征对比

“3.19”冰雹天气过程，19日20:04在铜仁江口南部民和乡有>50 dBZ的强对流回波云团生成，然后沿东北方向移动；20:27在碧江区的坝黄镇南部加强，中心达到55 dBZ以上，并持续到20:46，然后逐渐移出，导致铜仁市江口、碧江等乡镇出现强冰雹。

图5　2013年3月19日20时(a)和3月22日08时(b)CAPE值分布(单位：J/kg)

图6　2013年3月19日08时至20日08时(a)与22日08时至23日08时(b)

“3.22”冰雹天气过程，22日14:00左右在石阡南部开始有回波生成，16:41进入玉屏朱家场附近，强度增大到45 dBZ以上，导致该地出现冰雹。

4.1高悬强回波及(有界)弱回波区特征

从“3.19”冰雹过程19日20:37铜仁雷达组合反射率因子(图7a)可以看到，坝黄南部有明显的来自南方的暖湿气流入流缺口，以及强回波的钩状回波，再通过0.6～3 km不同高度上的反射率因子强度来看，回波在坝黄境内显示为高层强回波位于低层弱回波之上，呈现明显的有界弱回波区(BWER)及“三体散射长钉”特征。沿雷达方向到低层强回波中心作垂直剖面，显示>50 dBZ的强回波伸展高度接近8 km，远远超过了当天-20 ℃层高度，且0 ℃层高度适宜。同时60 dBZ强回波已经接地，表示有冰雹发生，配合冰雹指数预报该时刻坝黄有3 cm直径的冰雹发生。

从“3.22”冰雹过程16:27铜仁雷达组合反射率因子(图7b) 可以看到，朱家场附近回波强度为45 dBZ以上。再从不同高度反射率因子来看，强回波呈现为高层强回波位于低层弱回波之上，呈现明显的弱回波区(WER)，中心强度达55 dBZ以上。沿雷达方向到低层强回波中心作垂直剖面，显示>45 dBZ的强回波高度伸展至7 km左右，超过了当天-20 ℃层高度。配合冰雹指数预报该时刻在朱家场附近有2～3 cm直径的冰雹发生。

图7　2013年3月19日20:37组合反射率因子(a)、坝黄强回波中心多层图(b)

4.2逆风区及中等涡旋

从“3.19”冰雹过程组合反射率因子来看，20:37，>55 dBZ的强回波中心控制铜仁东南部距离雷达23 km左右的坝黄镇，对应的0.5°仰角径向速度图(图略)上出现大片正速度区包围负速度区的区域，即存在逆风区，最大负速度达-12 m/s。同时在0.5°仰角相对风暴径向速度图(图8a)上坝黄西部有一正负速度对涡旋，入流与出流最强中心速度为11～15 m/s；从“3.22”冰雹过程组合反射率因子来看，14:27，>45 dBZ的强回波影响铜仁东南部距离雷达约57 km的朱家场等地，对应的0.5°仰角径向速度图(图略)上出现大片负速度区包围小范围正速度区的区域，逆风区强度为12 m/s。同时0.5°仰角相对径向速度图在朱家场有正负速度对存在，最大入流速度为-20 m/s，最大出流速度为15 m/s，其旋转速度为17.5 m/s。

2次过程从相对风暴径向速度图来看，都存在逆风区及径向速度对涡旋，但“3.22”冰雹过程逆风区范围小。

4.3垂直累积液态含水量变化

从“3.19”冰雹过程碧江区坝黄镇和“3.22”冰雹过程朱家场垂直累积液态含水量(VIL)演变(图9)来看：3月10日20:22～20:37 VIL值逐渐增大，最大出现在20:37为30 kg/m2，1个体扫VIL值增加20 kg/m2，20:41强回波移出铜仁，该地回波开始减弱，20:46 VIL值快速下降为0 kg/m2，在VIL值快速增大与减小阶段，碧江坝黄附近出现了直径为3 cm左右的强冰雹；22日16:18～16:27，VIL值逐渐增大，16:27增大为28 kg/m2，1个体扫VIL值增加20 kg/m2，16:36快速下降为3 kg/m2，此时段内铜仁的石阡、德江、印江、玉屏等地均出现10 mm以上冰雹。

图8　2013年3月19日20:37(a)及3月22日16:27(b)0.5°仰角相对风暴径向速度图(单位：m/s)

图9　2013年3月19日20:22～20:46(a)与3月22日16:18～16:41(b)垂直累积液态含水量的演变

5结论

(1)2次冰雹过程均是高层干冷空气叠加在低层暖湿空气上，导致不稳定层结出现；中低层两广至湖南有急流建立，有利于急流左前方的铜仁地区高空非地转效应增大，促使对流系统发展；“3.22” 冰雹过程低层强的暖湿水汽输送及水汽在中低层的大量积聚，更利于强降水天气的发生。

(2)中层及地面干冷空气侵入造成强烈位势不稳定是强对流天气发生的重要条件，地面辐合线是重要触发系统。

(3)冰雹发生前2次过程的强对流天气指数明显增大，K指数值达38 ℃以上，SI<-1 ℃，SWEAT指数超出临界值，CAPE值达300 J/kg以上，这些可作为冰雹发生的有利指标；0 ℃层高度在4 km左右，-20 ℃层高度在7 km左右，为冰雹产生提供了有利环境条件。

(4)垂直风切变对对流性风暴组织和特征的影响最大，当地面至400 hPa垂直风切变达4×10-3s-1以上，则利于雹暴系统发展。

(5)2次过程有≥50 dBZ的强回波发展加强并维持，强回波伸展高度均超过-20 ℃层高度，且出现弱回波区或有界弱回波区，高强悬垂回波是冰雹发生的典型特征；同时“3.19”冰雹过程出现了强冰雹典型的三体散射长钉和旁瓣回波。

(6)垂直累积液态含水量出现持续增大然后快速减小的现象可以作为冰雹预警的指标之一，同时冰雹指数也可作为冰雹预警的一个重要参考。

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Contrast Analysis on Two Continuous Hail Weather Processes Triggered by Cold Air in Tongren of Guizhou Province

CHEN Guanqing1, YANG Qun1, LI Weidong2, MAO Haixiang1, FANG Biao1

(1.TongrenMeteorologicalBureauofGuizhouProvince,Tongren554300,China;2.GansuProvincialMeteorologicalBureau,Lanzhou730020,China)

Abstract:Based on weather observation data from ground intensive stations, observation data of Tongren Doppler radar and NCEP/NCAR reanalysis data, the weather system development, structure characteristics and forming reasons of two continuous hail processes on 19 March and 22 March 2013 in Tongren were analyzed. The results are as follows: (1) The upper dry air being superimposed on the low layer warm air resulted in unstable stratification, which was the favorable circulation background of two hail processes, meanwhile, the warm and moist air flow accumulated in the middle and low layer caused heavy rainfall. (2) Strong geopotential instability caused by cold and dry air in the mid-layer and intrusion of cold air from surface was the important environmental condition for the severe convective weathers such as hail in Tongren.(3) The K index≥38 ℃，SI≤-1 ℃，SWEAT≥310，CAPE≥300 J/kg could be used as favorable indexes for hail weather forecast, and when the vertical wind shear from ground to 400 hPa was 5 ×10(-3) s(-1) above, it was conducive to developing and strengthening of hailstorm system.(4) Radar echo analysis showed that the strong echo with reflectivity more than 50 dBZ developed and stretched to the height more than -20 ℃ layer, and there was weak echo region or boundary weak echo region, and the radial velocity field was often accompanied by dead wind or secondary vortex, the above mentioned were all typical characteristics of hail weather. (5)When the vertical liquid water content increased to more than 25 kg/m2, it indicated that there was a hail ocurrence, and combined the hail index, they could be used as an important reference for hail warning.

Key words:hail; radar echo;vertical wind shear

中图分类号：P458.1+21.2

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-01-0163-10

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0163

作者简介：陈关清(1979-)，男，贵州铜仁人，硕士，工程师，主要从事雷达综合业务及管理. E-mail: 15908566611@139.com

基金项目：“基于多普勒雷达的对流性暴雨临近预报技术研究”(黔气科合KF[2015]05)与中国气象局预报员专项“2014年贵州石阡4次罕见大暴雨过程对比分析”(CMAYBY2015-069)共同资助

收稿日期：2015-04-29；改回日期：2015-06-29

陈关清，杨群，李伟栋，等.贵州铜仁连续两次冰雹天气过程的对比分析[J].干旱气象，2016，34(1)：163-172, [CHEN Guanqing, YANG Qun, LI Weidong, et al. Contrast Analysis on Two Continuous Hail Weather Processes Triggered by Cold Air in Tongren of Guizhou Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):163-172], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0163