2014年夏季喀什一次强冰雹过程分析

2016-06-07玛依热艾海提亚森江买买提希热娜依提力瓦尔地

陕西气象 2016年3期

关键词：冰雹

玛依热·艾海提，亚森江·买买提，希热娜依·提力瓦尔地

(1.喀什地区气象台，新疆喀什　844000；2.叶城县气象局，新疆叶城　844900)

2014年夏季喀什一次强冰雹过程分析

玛依热·艾海提1，亚森江·买买提2，希热娜依·提力瓦尔地1

(1.喀什地区气象台，新疆喀什844000；2.叶城县气象局，新疆叶城844900)

摘要：利用区域自动站逐小时资料、高空实况资料、探空资料、T639物理量初始场、NCEP1°×1°再分析资料以及多普勒雷达资料，对2014年6月23日傍晚出现在新疆喀什地区疏勒、伽师县的一场强冰雹天气进行分析。结果表明：南疆西部短波槽东移和巴湖低涡前部分裂东南下的冷空气叠加，共同造成这次冰雹天气过程。巴湖冷空气的注入与盆地东风的辐合是这次过程的加强机制，也是产生冰雹的重要原因；上干下湿，湿层浅薄，强的垂直温度递减率，中低层垂直风切变等有利于对流的发展；径向速度上西北气流跃增，同时出现偏东气流与其辐合，使得强回波单体快速发展成为超级单体；组合反射率上表现为人字形回波，低层有弱回波区、悬垂回波、中气旋、VIL密度>3 g/m3、50 dBz强回波延伸高度超过8 km，这些指标对强对流天气预警有较好的指示意义。

关键词：冰雹；水汽通量散度；中气旋；超级单体回波；多普勒雷达

喀什地区位于新疆西南部，东临塔克拉玛干沙漠，南依喀喇昆仑山，与西藏阿里地区为邻，西靠帕米尔高原，西、南、北三面环山，由西南向东北倾斜。因为地形复杂，自然条件差，每年春、夏季冰雹、短时强降水等强对流天气诱发的气象灾害给喀什的农业生产和人民的生命财产造成极大损失。强对流一直是气象学者的关注重点，特别对冰雹天气的形成和发展机制进行许多研究。张腾飞等[1]认为高层辐散和低层辐合流场配置形成的大气强烈不稳定，具有较强的垂直风切边和大气抽吸作用。李江波[2]应用多种资料分析了华北冷涡降雹天气过程的分布特征及形成原因。张俊兰[3]对2011年5月南疆一次强冰雹天气进行了综合分析，指出中尺度切变线和中尺度低压是冰雹天气的关键系统。张云惠等[4]揭示了南疆西部强降雨天气的多普勒雷达回波特征。张俊兰[3，5-7]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。这些研究和总结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，对冰雹预警有一定的指导意义。但是由于每个地区的地形及气候特征不同，其强对流风暴表现特征也有差异，所以做好本地新一代天气雷达产品的分析应用十分必要。2014年6月23日喀什地区疏勒、伽师县出现一场强冰雹天气过程，此次冰雹天气强度强，灾害严重，在南疆西部较为罕见。分析此次强冰雹天气的成因对于提高冰雹实时监测和短时临近预报预警具有重要的参考价值。

1资料与方法

1.1冰雹实况及灾情

2014年6月23日20至21时，疏勒县英阿瓦提乡、库木西历克乡、阿拉力乡、阿拉普乡，伽师县米夏乡等地出现冰雹。冰雹最大直径20～30 mm，出现在疏勒县。降雹同时伴有短时强降水、大风、雷电等天气现象。造成2县12乡镇37 009人受灾，农作物受灾总面积达5 483.5 hm2，经济损失高达1.3亿元。

1.2资料与方法

利用22—23日MICAPS逐层实况场资料分析高空环流形势及中尺度系统，喀什区域自动站23日20、21时风场观测资料分析冰雹出现前后地面风场；NECP 1°×1°再分析资料、T639比湿初始场分析这次过程的动力、水汽条件；结合喀什站23日08时和20时探空资料分析大气不稳定能量；利用多普勒雷达资料分析2014年6月23日19:30—22:00雷达回波演变特征。

2环流背景分析

22日08时500 hPa高空场，欧亚中高纬度呈两槽一脊的环流形势，乌拉尔山到咸海以南地区为高压脊区，脊前北风带延伸至中亚偏南地区，西西伯利亚地区维持一低涡，南疆西部也存在一弱低涡。22—23日，南疆西部低涡减弱成短波槽。位于乌拉尔山到咸海以南的高压脊持续向东北方向发展，脊前冷空气南下(图1a)。23日08时，西西伯利亚低涡分裂一股冷空气，随着高压脊前东北气流西退南压，在巴尔喀什湖以北形成切涡，巴湖以北低涡与南疆西部的低槽形成阶梯槽(图1b)。23日08时至24日08时，巴湖以北低涡南压，部分冷空气翻越天山，注入南疆西部低槽，使其加强东移，共同影响喀什，造成23日傍晚喀什大部短时强降水及疏勒和伽师的强冰雹天气。

图1　2014-06-21—23 500 hPa高度场(单位为dagpm；a 21日20时，b 23日08时)

23日08时的中尺度系统分析(图略)显示，700 hPa塔里木盆地至喀什东部有风切变，850 hPa喀什东部有明显的风向辐合，东疆至喀什东部有偏东气流，低层有冷空气从东疆灌入南疆西部，增加了层结不稳定。850 hPa南疆西部至盆地中部的温度露点差≤6 ℃，700 hPa喀什站温度露点差为11 ℃，500 hPa天山以南站点温度露点差均<6 ℃，可见水汽主要集中在低层。喀什上空，温度垂直递减率t(850-500)≥28 ℃、t(700-500)≥20 ℃，说明层结处于热力不稳定状态，有利于强雷暴的发生。

23日区域自动站风场上，冰雹出现前20时及冰雹出现时的21时，盆地至喀什东部存在一致的偏东风，天山南脉到喀什、英吉沙一带为西北风，风向辐合区在疏勒至伽师一带，与冰雹落区相吻合。

3物理量诊断分析

3.1水汽

风暴云内部含有大量水汽，其水汽是由上升气流从大气低层向上输送，因此风暴的发展要求低层有足够的水汽供应，风暴常形成于低层有湿舌或强水汽辐合的地区。据统计，超级单体和多单体风暴的形成要求比普通单体风暴有更大的低层水汽含量[3]。

23日20时，T639数值预报产品850 hPa比湿初始场(图2a)，南疆西部至塔里木盆地中部比湿均大于8 g/kg，比湿中心在麦盖提达11 g/kg，喀什、伽师的比湿为9 g/kg左右；700 hPa喀什到伽师比湿为6 g/kg，500 hPa比湿为3 g/kg。说明中低层水汽条件较好，高层干燥。

图2　2014-06-23T20 T639初始场 850 hPa比湿场(a 单位为g/kg)和水汽通量散度场(b 单位为g/(cm2·hPa·s))

23日20时，T639数值预报产品850 hPa水汽通量散度初始场(图2b)上，喀什至和田为水汽辐合区，辐合中心位于英吉沙至疏勒县，中心值达-2.6×10-7g/(cm2·hPa·s)，说明冰雹发生地低层水汽辐合较强。疏勒、伽师700 hPa水汽通亮散度为1.6×10-7g/(cm2·hPa·s)、500 hPa为-0.9×10-7g/(cm2·hPa·s),可见中层水汽辐散、高层水汽输送不明显。综上，低层比湿大值中心配合低层较大水汽辐合，说明这次天气过程的水汽主要来源于低层。

3.2垂直速度分析

强对流天气发生发展要具备一定的大气动力条件。从23日08时南疆西部垂直速度分布来看，低层到高空均为下沉气流。从23日20时沿39°N 垂直速度的剖面图(图3a)分析得出，冰雹发生地疏勒至伽师上空850～400 hPa高度上均为明显的上升运动区，具备了一定的动力条件。从 23日20时 850 hPa垂直速度分布(图3b)上看，南疆西部地区疏勒至伽师位于上升运动大值区，垂直速度中心为-15×10-2Pa/s，受明显的上升运动控制。上升速度中心较好地指示了雹区的位置。

图3　2014-06-23T20 沿39°N垂直速度剖面图(a)和850 hPa垂直速度场(b)(单位为10-2 Pa/s)

4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，此次天气过程的中尺度系统显示喀什上空有强垂直温度梯度，说明层结处于上干冷下暖湿的热力不稳定层结状态。从喀什站6月23日探空资料可以看出，08时近地层为2 m/s西南偏西风，高空6 km为6 m/s西北偏北风；20时近地层转成4 m/s东南偏东风，高空6 km处转成西北风、风速增大到10 m/s。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进一步加强和发展。23日20时300 hPa以上西北风增强，200 hPa等压面上风速已达26 m/s，形成高空急流，有利于高空抽吸作用，加强中低层上升运动，为午后强对流发生提供了热力和动力不稳定条件。

强冰雹天气发生前的能量指数可反映出热力不稳定状况，彭志班等[8]研究提出，对流有效位能CAPE属垂直积分稳定度参数，不是单层指数，对于研究强对流天气过程的能量变化情况反映最为有效。然而，CAPE并非唯一影响对流风暴上升运动的因子。在强风切变的环境中，动力效应实质上加强了上升气流的强度，因此强烈上升运动也能够在中等甚至较小强度的CAPE中得以发展[9]。23日08时CAPE值为160 J·kg-1,20时增大到335 J·kg-1，对流有效位能增大；与此同时CIN值由258.7 J·kg-1减少到0 J·kg-1，对流抑制能量消失，这些条件都对傍晚前后强对流天气的形成有利。20时沙氏指数由08时的-1.45 ℃升高到-0.16 ℃，K指数由28 ℃降低至24 ℃。说明08时已有明显的对流不稳定特征，20时前观测站点已有短时对流天气出现，K指数和沙氏指数有所下降。

23日20时，0 ℃层高度在4 435 m、气压为600 hPa，这样的高度使对流云可向更高处发展，使低层的水汽通过强烈的上升运动达到该高度，为冰雹生成提供了丰沛的水汽条件，且当雹粒增长到足够大而下落时，不至于因暖层过厚而被融化[10]。-20 ℃层高度则是7 154 m，在400 hPa以下，与0 ℃层间厚度为2 919 m，云顶高度高于-20 ℃层高度，有利于成雹。该结论与与王荣梅等[11]得出的冰雹生成所需适宜的特征层高度很接近，可作为南疆西部降雹指标。

5雷达回波演变

由雷达组合反射率因子图可以看出，19：32(图4a，图见第11页，下同)喀什西北浅山区出现多单体回波，其中，最强回波单体位于托云牧场，回波强度为45 dBz、高度达8 km，并向雷达方向移动。之后该单体移到喀什西北方45 km处，发展加强并向东南方向移动，其周边不断有新回波单体生成并与之合并，强度达60 dBz，高度伸展到10 km，回波尺度加大，20：00左右(图4b)形成块状回波。20：30后单体移动方向前侧新生成小块回波单体，三个体扫后明显加强，中心强度达60 dBz。20:56(图4c)至21:32，喀什西北方45 km处的较强回波单体向东南移动，到达喀什东北方10 km处，并开始向南移动，强度明显加强，尺度加大形成回波带，移到喀什东部25 km处。径向速度图上(图略)发现，刚开始回波一直在喀什西北方向向着本站移动，20：40开始，喀什东北方向20 km处出现偏东气流，在喀什以北与西北气流汇合。与此同时，20:46，喀什西北处径向速度迅速增强,两个体扫速度便达-33 m/s，此时疏勒县木什乡自动站观测到9级西北大风，20:46—21:15经过六个体扫,强径向速度减小，西北气流加强的同时偏东气流出现，使强回波改变移动方向，向南移动。21：15(图4d)喀什东北方25 km处的回波带形成“人”字形回波，该时次强对流发展最旺盛，“人”字形回波南侧回波发展较快。最强中心超过65 dBz，回波顶高12 km，VIL密度>3 g/m3，结构密实，回波梯度加大。呈现出典型的超级单体结构。超级单位成熟阶段的典型特征维持到21：54(图4e)，并且经过疏勒、伽师西部。超级单体风暴释放能量后开始消散，22：06减弱为较为分散的带状降水回波，回波强度减弱，范围扩大。22：23(图4f)，回波强度明显减弱，面积减小，回波顶高度降低，垂直液态水含量下降，回波不断南下并移出雷达探测范围，强对流天气结束。

从21：15疏勒县境内中气旋形成时刻的径向速度图(图5a)可看出，该中气旋核区直径[12]小于10 km，正、负速度中心相对于雷达对称，1.5°～3.4°仰角反射率图上均能被识别，其中1.5°仰角上最为明显，旋转速度约为23 m/s,持续两个体扫时间，属于弱中气旋，强回波对应的区域可以发现有风向的辐合。

研究发现，0 ℃等温线高度上有超过50 dBz的反射率因子才有可能降雹，-20 ℃等温线高度上有超过50 dBz的反射率因子时，强降雹的可能性极大[13]。21:15，沿入流方向穿过最强回波位置的反射率因子垂直剖面(图5b)上，可以发现中低层存在明显弱回波区，50 dBz强回波高度在8 km以上，65 dBz的强回波高度达5 km以上，5 km高度上有悬垂回波，上冲云顶，强回波顶高接近9 km，已超过-20 ℃层高度，中低层强回波中心已接地，可以判断该地区已经有冰雹出现，与实况疏勒出现冰雹吻合。

6结论与讨论

(1)此次天气过程是一次典型的阶梯槽影响南疆西部降雹的天气过程。槽前西南气流的维持，为该次冰雹天气提供了水汽条件。巴湖冷空气注入到南疆西部的短波槽、塔里木盆地至伽师一带的辐合线是此次强对流天气产生的触发机制。高空风速增大及其产生的强垂直风切变、较大的K指数、较小的沙氏指数，增大的CAPE值，均对此次冰雹有较好的指示意义。

(2)强垂直上升运动提供了强对流天气出现的动力条件。特殊层高度适宜(0 ℃和-20 ℃温度分别位于4.4 km和7.1 km)，利于冰雹出现。

(3)此次冰雹过程由超级单体风暴产生。超级单体最大回波强度大于65 dBz，有悬垂回波、明显的有界弱回波区，并伴有中气旋。

(4)对流单体后侧有西北干冷空气卷入产生下沉运动，地面出现大风，与其前沿偏东气流辐

合，对流单体迅速加强，15～25 min后出现冰雹。因此观测到地面大风且喀什东部巴楚站出现偏东风时，可提前15～25 min发出冰雹预警。

参考文献：

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[2]李江波，王宗敏，王福侠，等.华北冷涡连续降雹的特征与预报[J].高原气象，2011，30(4)：1108-1118.

[3]张俊兰.南疆2011年5月一次强冰雹天气的综合分析[J].中国沙漠.2012，32(4)：1119-1126

[4]张云惠，王勇，支俊，等. 南疆西部一次强降雨的多普勒天气雷达分析[J].沙漠与绿洲气象，2009，3(6)：17-20.

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