浙西地区春季和盛夏两次冰雹过程的对比分析

蓝俊倩 李娜 王健疆 廖君钰

(衢州市气象局，浙江 衢州 324000)

0 引 言

冰雹是强对流天气所伴随的破坏力较大的天气现象之一。雹灾在我国分布甚广，且危害较大，特别是中高纬地区内陆的山地、丘陵地区是雹灾的多发频发区。通过对冰雹天气的统计分析可以有效地了解某个地区冰雹天气的时空分布特征[1-2]。从业务预报和诊断方面，孙莹等[3]从动力诊断方面得出中低层风切变的增加可促进了高低层能量的交换，触发强对流的爆发。刘一玮等[4]发现热力不均匀分布造成的次级环流和上升运动可触发冰雹的发生。陈晓红等[5]指出CAPE(对流有效位能)、NCAPE(归一化对流有效位能)、SSI(风暴强度指数)和SHR(密度加权平均垂直风切变)等参数较好地反映出强风雹天气过程的出现。随着全国多普勒雷达站点布局的完善，雷达资料在短时临近分析中的运用越来越为广泛[6]，利用雷达资料分析和研究强降雹过程不仅可以监测和跟踪强回波区域的发展移动还可以更好地了解冰雹云的垂直结构特征，通过对冰雹云回波特征的研究分析还可以找到能够指示强降雹发生可能性的重要指标[7-12]，为日常业务工作提供有益的指导。同时利用中尺度数值模式对冰雹过程进行模拟分析，可以更好地了解冰雹产生的机制以及雹云的物理结构特征[13]。

1 两次冰雹过程概况

浙西地区由于其特殊的地形和气候特征，强对流天气常伴有短历时强降水、强雷电和短时大风等天气现象，冰雹出现的概率相对较小。2015年4月5日晚20:00—23:00和7月29日傍晚17:00—17:30浙西衢州地区各出现了一次冰雹天气过程，这种过程实属罕见。两次过程一次发生在春季，另一次发生在盛夏，前一次过程影响范围较大且冰雹强度较强，系统自西向东影响衢州地区时间约3 h左右，开化东南部、衢州中部一线自常山-柯城-衢江-龙游一线均有冰雹出现(图1a)，最大强度出现在市本级及附近区域，最大冰雹直径达5 cm左右，这次过程对衢州城区以及20余个乡镇造成影响，农业蔬菜大棚、农村房屋顶棚均出现不同程度的损毁情况，衢州主城区车辆被冰雹砸出很多凹陷更有甚者挡风玻璃被砸碎，冰雹发生后不到24 h，仅人保衢州分公司就受理了1600余起冰雹导致车损的案件，所幸这次过程并没有造成人员伤亡；后一次过程降雹主要集中在衢州市区和衢江区沈家附近(图1b)，系统影响时间约30 min左右，最大冰雹直径约为2 cm左右，由于范围和强度均比前一次过程明显偏弱，未造成显著的灾害。

图1 冰雹落区分布图

2 环流形势比较

4月5日20时的环流场显示(图2)500 hPa(图2a)和700 hPa(图2b)高空图上浙西地区均为南支槽前西南气流控制，低层850 hPa(图2c)在安徽湖北交界处有低压环流中心，与其配合的暖式切变线和冷式切变线分别位于江苏中部和湖北东部上空，浙江中部至江西东北部一线有干线的存在，浙西地区位于低涡东南部的干线附近，925 hPa(图d)在浙中至赣东北有风场辐合线。7月29日08时至20时(图略)，500 hPa高纬地区有浅槽下滑东移，低纬地区华南沿海有低压系统北抬，因此海上副高588线迅速减弱东撤，至20时在浙南至闽北有一条风场的辐合线生成，700 hPa一直为偏南气流控制，850 hPa由偏西气流转偏南气流。

(a)500 hPa (b)700 hPa (c)850 hPa(黑实线为切变线，黑虚线为干线) (d)925 hPa(双实线为风场辐合线)图2 2015年4月5日20时环流形势(阴影区相对湿区>80%，高度场等值线(10gpm))

从环流形势的对比来看，前一次过程主要是由中高层南支槽前强盛的西南气流提供不稳定能量，配合低层有低涡切变和干线的辐合抬升触发条件而产生冰雹天气，大尺度天气系统对冰雹过程的加强和维持起到了重要作用；后一次过程由于副高减弱东退，低压环流北抬生成辐合线，中低层偏南气流提供水汽和不稳定能量，午后局地热力抬升从而触发对流性天气产生冰雹。前一次过程的天气系统比后一次过程强，且天气尺度的辐合上升条件也有利于强冰雹的形成和维持。

3 探空资料的对比分析

对比两次过程冰雹发生前衢州站的探空图发现，4月5日20时(图3a)和7月29日14时(图3b)本站均有很强的对流不稳定能量且后一次CAPE值更大；从风速的垂直切变来看，4月5日过程0～6 km风速垂直切变达到22 m/s，而7月29日过程在下午14时中低层没有明显的垂直风切变，从垂直风切变对强对流的发展来看前一次过程更有利；从风速的垂直分布来看，春季冰雹过程500 hPa以下风速的垂直切变很大，而盛夏冰雹过程风速的垂直切变在400 hPa以上很大，400 hPa以下风速及其垂直切变均很小，结合风矢端图分析，春季冰雹过程在500 hPa以下表现为基本单一方向的风切变而盛夏冰雹过程则表现为环境风随高度的无序分布，从这一特点可以看出春季冰雹过程为多单体风暴的影响而盛夏冰雹环境风的垂直变化特征更倾向于产生普通单体风暴，结合实况来7月29日14时还没有对流风暴的产生，可见3 h后的降雹应该是其后不稳定能量的触发引发的对流过程所产生。

图3 衢州站探空资料图

对比这两个时次主要对流参数和特征高度(表1)，从K指数和SI指数来看两个时次均有较强的大气不稳定层结存在，对流有效位能CAPE值均很大但盛夏冰雹过程更明显，这或许是盛夏过程后期热对流发展旺盛进一步产生冰雹的原因；从风暴相对螺旋度(SRH)来看，春季过程明显大于夏季过程，其可以反映一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环境涡度的多少，可以用以估算垂直风切变环境中风暴运动所产生的旋转潜势，这说明春季过程的风暴旋转潜势较大，而夏季过程在对流单体获得发展以前环境风场的旋转潜势很弱。

从降雹的物理条件来看，适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度对冰雹的产生有重要的作用，一般来说0 ℃层高度在600 hPa上下、-20 ℃层高度在400 hPa附近最有利于冰雹的生成，这两次过程0 ℃层和-20 ℃层高度都在适宜的高度层附近。目前我们在业务中所使用的0 ℃层和-20 ℃层均为干球温度所在高度，俞小鼎在对冰雹的融化层高度研究中[14]指出湿球温度0 ℃层高度更接近于冰雹的融化层高度，通过计算得出春季和夏季降雹前的湿球温度0 ℃层高度分别在625 hPa和650 hPa附近均低于干球温度0 ℃层高度(600 hPa附近)，因此不太高的融化层高度有利于冰雹的产生，特别是夏季出现650 hPa的融化层高度实属罕见，从而在盛夏出现了此次冰雹过程。

表1 两次冰雹过程前的对流指数和特征高度

4 触发条件的对比

4.1 垂直速度和散度分析

这两次降雹过程，在冰雹出现前温度都较高，因而会有深厚的不稳定能量的堆积，抬升力条件的强弱对不稳定能量的释放和对流发展的强度具有重要作用。

对两次过程冰雹产生前的时次分别沿29°N进行剖面分析，4月5日20时(图4a)118°～119°E(即浙西地区)700 hPa以下有明显的辐合存在，同时该区域600 hPa以下均有上升速度配合，可见抬升力条件非常好。7月29日14时(图4b)118°～119°E(即浙西地区)中低层辐合辐散均较弱，119°E上700 hPa附近有一个弱的辐合中心存在，垂直速度在该范围内均较弱。可见4月5日对流发展有很好的抬升触发条件，高低层天气系统对抬升力条件的贡献不可忽视，而7月29日14时的抬升触发条件很一般，此次过程应以局地热力抬升触发为主。

图4 沿29°N散度(阴影)和垂直速度(等值线)的垂直剖面(散度单位：10-5s-1；垂直速度单位：Pa·s-1)

4.2 冷暖平流的影响

将两次过程发生前的温度平流沿119°E进行剖面分析，对比发现4月5日20时(图5a)28°～31°N之间850 hPa以下有显著的冷平流侵入，这种低层强冷平流的侵入使得暖空气被强迫抬升而触发强对流；而7月29日14时的温度平流剖面上(图5b)28°～31°N之间只在500 ～600 hPa之间有弱暖平流的影响，其它区域温度平流均不明显。可见4月5日过程低层冷空气的侵入影响进一步加剧了其对流发展的强度。

图5 温度平流沿119°E的垂直剖面(单位：10-5K·s-1)

5 雷达组合反射率特征的对比分析

4月5日组合反射率20:05(图略)在衢州西北侧的安徽祁门至江西婺源-万年一线已有对流性回波发展，其后回波东北向移动进入开化并进一步发展，至21:12在开化县城北部地区有块状强回波出现，最大反射率因子达到69 dBz，而该区域正好与开化的降雹区域相吻合。随后在常山西侧的回波也加强发展并与开化地区的回波合并向偏东方向移动，至22:00在强回波带南部有反射率因子达63 dBz的紫色区域，此后其一路向东移动并于22:18加强发展至最大强度达72 dBz，位置正好处于衢州城区上空，实况与其相对应，此时衢州城区出现强降雹，最大冰雹直径达5 cm。对比强冰雹出现的时间和落区与最强反射率回波的区域和移向极为吻合，在实际短临分析预报业务中可直接用组合反射率因子的最强区域指示冰雹落区。

7月29日组合反射率15:31衢州地区在雷达站的东北部有回波开始发展，同时在衢州东南侧的丽水地区和西南侧的江西玉山地区回波发展旺盛，其后雷达站东北部的回波迅速发展，同时玉山地区的回波加强发展进入衢州常山，开化地区也有回波开始发展，这说明整个衢州区域的热对流条件较好，在周围对流系统的不断发展下，衢州地区对流也得以触发发展。16:13衢州市区有小块回波出现，此后该块回波迅速发展且位置稳定少动，16:55有60 dBz以上的回波出现，冰雹开始出现，17:07最大回波强度达70 dBz，降雹明显且降雹区域扩大。

对两次衢州市区出现冰雹的时段内的强回波分别沿强回波的移动方向进行垂直剖面，对比分析可以发现，两次过程均有明显的回波墙存在，且回波均伸长到9 km以上高度，说明两次过程对流发展均很旺盛。4月5日过程低层有明显的弱回波区存在同时回波墙呈现略微倾斜状，对比垂直剖面时刻1.5°仰角的速度场图发现，与强回波带相对应的位置速度场上有一条不连续的逆风区存在，而7月29日过程则没有发现弱回波区和对应逆风区，这说明4月5日过程的对流风暴存在明显的入流和出流特征，对流风暴的结构和稳定性均比7月29日过程要好，这也是前一次过程持续时间长、强度大的重要原因。

6 结 语

通过对2015年春季和盛夏发生在浙西地区两次较为罕见冰雹过程的对比分析，得到了以下结论。

1)两次冰雹过程分别产生于春季和盛夏，春季过程低层有涡切、干线和风场辐合线配合，天气系统影响明显，而盛夏过程主要是由午后的热对流产生。

2)两次降雹过程发生前的探空资料显示，两次过程对流指数条件均较好并有很强的对流不稳定能量，且0 ℃和-20 ℃层高度均在适宜范围。春季过程500 hPa以下的风速垂直切变和相对风暴螺旋度均大于盛夏过程，表明春季过程更有利于强风暴的形成。风矢端图显示春季过程的环境风场有利于多单体风暴的生成，盛夏过程则比较有利于普通单体风暴的形成。

3)低层的辐合上升和冷空气侵入为春季降雹过程提供了较好的动力触发条件，而盛夏降雹过程则以热力触发为主。

4)两次冰雹过程的强度和落区与最强回波强度和超过60 dBz强回波区域的移向一致。春季降雹过程对应的雷达回波有弱回波区，速度场上强对流带位置对应有逆风区存在，表明对流风暴有强入流和出流特征；春季降雹风暴的组织结构性较盛夏降雹风暴强是春季冰雹过程持续时间长、强度大的重要原因。