南疆西部2 次冰雹过程对比分析

郑育琳，刘 艳，栾亚睿，陈春艳*

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐830002）

我国很多专家对冰雹形成机理做了研究，冰雹天气预报的基本原理、技术方法及针对不同区域冰雹个例分析表明[1-4]，临近预报中高悬的强回波、弱回波区、三体散射标记等特征对于识别冰雹非常重要；雹云的发展演变、冰雹落区与地面中尺度系统均对应较好；由多普勒雷达产品中的垂直累积液态水含量（VIL）条件变化可以预测冰雹云的发展。近些年，新疆的冰雹天气尤以南疆西部发生频次多、灾害损失重[5]。阿克苏地区强冰雹天气研究表明[6-8]，强冰雹天气呈增多趋势，且局地性强冰雹居多，纬向环流背景下低层中尺度系统是造成冰雹的关键系统。喀什地区冰雹气候统计及个例分析指出[9-12]，不稳定短波槽过境是触发局地性冰雹的主要影响系统；层结不稳定在午后强烈发展，对流层中下层温度递减率更大，冰雹发生在低层辐合线及切变线附近；降雹前低层到地面存在多个中尺度对流系统，雷达回波对冰雹预警有较好的指示意义。以上研究成果为南疆西部冰雹天气短临预报预警提供了宝贵的经验，由于南疆西部冰雹发生频次高、系统尺度小、生消快，预报预警难度大[13]，因此很有必要针对不同区域、不同类型的冰雹天气进行深入分析，从而加深对南疆西部冰雹天气的认识，丰富此类天气短临预报预警的业务指标，以期提升南疆西部冰雹天气预报预警准确率。

本文利用常规观测、区域自动气象站、喀什新一代多普勒雷达及NCEP1°×1°再分析等资料，对2015年夏季2 次同是受低槽分裂短波东移影响、但落区和形成机制有差异的局地性冰雹天气进行对比分析，从环境场条件、触发机制和多普勒雷达特征等方面，总结2 次冰雹天气落区短临预报预警的着眼点及其预警阈值，为夏季南疆西部冰雹天气的预报预警提供参考。

1 降雹实况

2015 年6 月23 日20：43—20：45（全文均用北京时间）英吉沙县境内出现了直径为20 mm 的冰雹天气（简称“6·23”），局地伴有超过6 级的瞬时大风，造成英也尔乡房屋、棚圈、林果受损，棉花、瓜菜等农作物受灾。同年8 月14 日02：05 左右，克州乌恰县出现冰雹天气（简称“8·14”），观测站冰雹最大直径为8 mm，康什维尔村冰雹直径约15 mm，局部区域伴有雷雨大风，造成乌恰镇、黑孜苇乡玉米、油菜等农作物受灾（图1）。

图1 南疆西部2 次冰雹天气实况

2 环流背景分析

2015 年6 月23 日08 时，500 hPa 欧亚范围为经向环流，里咸海至乌拉尔山为高压脊区，欧洲和西伯利亚至巴尔喀什湖为低槽活动区。20 时随着乌拉尔山高压脊部分向南衰退，其下游低槽彻底分成南北两段，北段移速较快已达西伯利亚地区，南段在中亚地区切断为低涡，其西退南压过程中分裂短波进入南疆西部（图2a），喀什站已由08 时的偏西风转为西南风，风速仅为6 m/s。20 时850 hPa 喀什站由08 时的偏东风转为西北风，且风速明显增大，说明短波槽引导的冷空气已到达喀什站附近，西北风与下游和田站东南风形成切变。700～850 hPa 南疆西部受温度脊控制，尤其是850 hPa 南疆西部均在28℃等温线内，且在南部出现了32 ℃的暖中心。20 时地面填图显示阿克陶、喀什、阿图什一线已转为偏西或偏北风，其下游伽师、岳普湖等站仍维持偏东风，辐合线正位于疏勒至英吉沙一线，辐合线西侧气温已降至26～28 ℃，3 h 变压均为正变压，辐合线东侧气温仍维持在31～32 ℃，且均为负变压（图2c）；值得一提的是前期受短波槽东移影响上述区域出现了弱降水，阿克陶、英吉沙等地露点温度为7～8 ℃，均较前一日20 时升高了3～5 ℃，表明近地层有一定增湿。

图2 500 hPa 位势高度（实线）、风场、温度（虚线）和中尺度环境场分析

8 月13 日08 时，500 hPa 欧亚范围为两脊一槽的经向环流，欧洲和贝加尔湖为高压脊控制，西西伯利亚至巴尔喀什湖西南侧为低槽活动区。20 时随着欧洲高压脊向东南衰退，低槽向东南加深，欧洲脊前北风带略有加强并向南扩展，引导冷空气南下补充到低槽中，温度槽落后于高度槽，低槽处于发展并向南加深阶段，分裂短波槽东移进入南疆西部（图2b）。与此同时200 hPa 急流轴也南压移近南疆西部，南疆西部位于急流入口区右后方的高空强辐散区；700～850 hPa 南疆西部为温度脊控制，和“6·23”类似，850 hPa 南疆西部均在28 ℃等温线内，且在南部出现了32 ℃的暖中心（图2d）。20 时500 hPa喀什站为偏西风，风速增至12 m/s，阿克苏已转为西南风，短波槽已到达喀什站，低层850 hPa 喀什站依然是偏东风，说明中高层系统已进入，但低层还未进入，系统前倾；地面天气图上南疆西部均处在热低压区，喀什、乌恰站均是偏东风，23 时仍维持偏东风，直到14 日02 时才转为偏西风，说明地面冷空气是在13 日23 时—14 日02 时经乌恰进入南疆西部，和“6·23”相比，乌恰、喀什等站露点温度更高，维持在10～14 ℃，近地层增湿明显。

上述分析表明，2 次冰雹均发生在500 hPa 低槽分裂短波槽东移，低层均为温度脊；差异主要是“6·23”为中亚低涡西退南压过程中分裂短波槽东移进入南疆西部，而“8·14”是在长波槽东南移近中亚时分裂短波槽进入南疆西部，锋区明显强于“6·23”。冰雹发生前近地层均有一定增湿，“8·14”近地层增湿更加明显。

3 雷达回波特征分析

3.1 雷达基本反射率因子和反射率因子剖面特征

2015 年6 月23 日18 时后，喀什雷达回波图上多地开始有对流发展，较明显的回波带有两条，一条在乌恰县北部沿山一带初生，沿高空引导气流东移；另一条在英吉沙县南部沿山一带初生并东北移，后向地面辐合线靠近。20：27 两条回波带移至地面辐合线附近，沿辐合线方向纵向发展。20：32 位于疏勒和英吉沙县交界处回波发展迅速并演变为小型的弓形回波，2.4°仰角反射率因子弓形回波中部西南侧可见平行于回波主体的弱回波（出流边界）。20：38上一时次出流边界位置出现了中心强度超过50 dBZ 的强回波，回波后向传播特征明显[14]且发展迅速，该回波东南侧可见与其平行的带状弱回波（出流边界）。20：44 出流边界位置雹云单体生成，其南侧有新的对流单体生成，3.4°仰角该回波中心强度达62 dBZ（图3a），1.5°仰角强回波区前侧存在V 型缺口，表明有强的入流气流进入上升气流。沿最强反射率因子核心做剖面，回波由回波墙、弱回波区和回波悬垂组成穹窿结构，回波顶高超过9 km，62 dBZ强中心超过4 km，50 dBZ 强回波区在7 km 附近，接近-20 ℃层高度；弱回波区左侧的回波墙区域对应冰雹的下降通道，强回波区接地（图4a）。20：50 回波强度迅速减弱，悬垂结构消失，处于多单体非强风暴阶段[15]，降雹结束，雹云维持时间短。

8 月14 日00：50，乌恰县西部浅山区附近沿西天山余脉和昆仑山之间山谷地带有积云回波新生，沿山谷东移时不断发展加强。01：07 回波中心强度超过50 dBZ，之后在东移过程中分裂为两个块状回波，北侧回波东移北上进入山区减弱消散，南侧回波沿309 省道附近东移并逐渐发展为强回波。01：42东移至康苏青年渠附近回波迅速向上向下发展，50 dBZ 回波向下延展到3.2 km、向上伸展至9 km，剖面图中已有回波悬垂。01：47 东移至黑孜苇乡库勒阿日克村附近的回波发展迅速，超过30 dBZ 的回波区南北伸展长度超过20 km，超过50 dBZ 回波面积迅速增大、中心强度达63 dBZ，3.4°和4.3°仰角径向方向都可见三体散射长钉。02：04 强回波移至乌恰镇，中心强度达64 dBZ，2.4°仰角回波区前侧有V型缺口，三体散射长钉长度明显增加，剖面图上存在回波墙、弱回波区和回波悬垂结构，回波顶高超过11 km，64 dBZ 强中心在4.9 km 附近，50 dBZ 强回波区高度达8.9 km，超过了-20 ℃层高度，强回波接地，乌恰站观测到直径8 mm 的冰雹。乌恰站降雹后，回波于02：10 东移至阿热布拉克村附近，超过60 dBZ 强回波伸展和覆盖范围缩小，超过50 dBZ回波区高度有所下降。之后该回波在东移过程中再次发展加强，02：21 东移至康什维尔村附近，中心强度达65 dBZ（图3b），多个仰角的径向方向均观测到三体散射长钉。剖面图上回波顶高超过11 km，65 dBZ强中心达6.3 km，50 dBZ 强回波区高度在9.3 km左右，强回波接地，康什维尔出现直径15 mm 左右的冰雹（图4b），之后强回波继续沿309 省道东移，02：40 开始减弱并移出克州。01：47—02：32 的9 个体扫三体散射长钉维持，雹云生命史长。

3.2 基本径向速度和径向速度剖面特征

“6·23”过程20：32 在3.4°仰角的帕其英也尔村附近出现了径向速度辐合区，对应区域的8.7°仰角存在速度辐散区（图5a，5b），此时回波强度超过40 dBZ，之后辐合和辐散区随强回波主体向东南扩张。低层辐合是短时对流天气产生和维持的重要动力机制，高层辐散可以进一步使对流加强[16]；剖面图中可以看到在7 km 以下都存在径向速度辐合区，并且自20：32 开始维持多个体扫，具有较明显的中尺度涡旋特征（图5e，5f）。中尺度涡旋也是雹暴的一个重要特征，在其他条件类似的情况下，即使有比较弱的雷暴尺度涡旋，也利于雹径增加[1]。

图3 雷达基本反射率因子（单位：dBZ）

图4 雷达反射率因子剖面（单位：dBZ，高度单位：千英尺kft，相当于0.3 km）

“8·14”过程，01：53 在2.4°和6.7°仰角可以看到较明显的低层辐合和高层辐散区，此时回波强度中心增至64 dBZ，并且6.7°仰角对应区域辐散值约25 m/s（48.6 kts，kts 是knots per hour 的简称，即为节或海里/小时），存在较强的风暴顶辐散（图5c，5d），有利于中上层较强上升气流的维持和冰雹的生长，与图4b 中强回波区较高的伸展高度相对应。剖面图中4 km 以下存在径向速度辐合区，4～7 km 径向速度严重失真，直至冰雹天气发生时径向速度依旧存在失真，故剖面图中显示的中尺度涡旋特征相对不明显。

3.3 垂直累积液态水含量（VIL）及其密度（VILD）特征

Amburn[17]研究发现VIL 对冰雹的出现有很好的判别作用，并得到了一些判别指标。VILD 增大时，冰雹核会增大，风暴会剧烈发展[18]。刁秀广等[19]利用VIL 和VILD 的特性，分析其在冰雹中判据，能帮助识别冰雹等强对流风暴，也为确定冰雹天气的出现提供依据。

“6·23”过程降雹前，20：38 有VIL 和VILD 的跃增，分别从8 kg/m2和0.8 g/m3增至27.6 kg/m2和3 g/m3，表明对流云中的冰粒子处于碰撞增长阶段，至20：44 达到极大值39 kg/m2和4.3 g/m3，开始出现降雹（图6a、6c）。降雹结束后VIL 和VILD 降至14 kg/m2和1.5 g/m3，并持续下降。

“8·14”过程VIL 和VILD 在01：47 分别由前一时次的18 kg/m2和1.7 g/m3跃增到40 kg/m2和4.4 g/m3，并于02：04 达到最大值51.7 kg/m2和5 g/m3，乌恰镇出现降雹。降雹开始后VIL 和VILD 于02：10降至37 kg/m2和3.7 g/m3，02：21 在康什维尔村附近增至另一大值55.7 kg/m2和5.5 g/m3（图6b、6d），并维持较大值东移出乌恰。

4 成因分析

4.1 环境不稳定条件

图5 基本径向速度和径向速度剖面图（单位：kts，高度单位：千英尺kft，相当于0.3 km）

图6 垂直液态水含量（单位：kg/m2）和垂直液态水含量密度（单位：g/m3）

由喀什站探空物理量参数分析可知（表1），“6·23”过程08 时850 hPa 与500 hPa 的温度差为32 ℃，20 时增至36 ℃，环境温度直减率较大，存在促进对流发生和加强的条件[1]。850～500 hPa 假相当位温差超过6 ℃，假相当位温随高度增加而减小，表明大气静力不稳定。与以往研究个例不同[10]，08 时500 hPa 温度为-11 ℃，至20 时随着短波槽过境500 hPa 温度不降反升，由于850 hPa 增暖明显，导致环境温度直减率增大、层结更加不稳定，属于暖平流强迫类[1]。沙氏指数SI、K 指数是判断热力不稳定的常用参数，一般都会用于局地对流天气的潜势预报[1]。“6·23”过程K 指数由08 时27 ℃降至20 时24 ℃，沙氏指数SI 由0.8 ℃升至1.8 ℃，只有发生阵雨的可能性[20]。“6·23”过程08 时700 hPa 温度露点差为10 ℃，850 hPa 为16 ℃，20 时分别增至14 ℃和26 ℃，仅500 hPa 附近降至1 ℃、空气达到饱和，说明冰雹发生前中层干侵入不明显，850～700 hPa没有明显的水汽输送。从20 时温湿层结曲线可以看出，中低层水汽饱和度较低，中层饱和，层结曲线呈“X”型（图7a）。

“8·14”过程冰雹发生前，13 日08 时—20 时500 hPa 温度略有上升，850 hPa 与500 hPa 的温度差和假相当位温差分别达到35 ℃和11 ℃，850 hPa增暖也很明显，导致环境温度直减率增大，也属于暖平流强迫类。短波槽过境时850 hPa 露点温度增大、700 hPa 温度露点差维持，13 日20 时K 指数增至35 ℃，SI 指数降至-1.5 ℃，此类与中低层湿度相关的指数强对流潜势较明显。13 日08 时700 hPa 温度露点差为10 ℃，850 hPa 为16 ℃，20 时700 hPa仍维持10 ℃，850 hPa 升为19 ℃，500 hPa 附近由08 时的5 ℃升至8 ℃，冰雹发生前中层有一定干侵入，过程前期层结曲线为中低层相对较湿，中高层相对变干，呈“倒喇叭口”型（图7b），更有利于风雹型强对流发展[1]。

2 次冰雹过程前850～700 hPa 均未增湿，850～500 hPa 温度垂直递减率几乎相当的条件下，由于“6·23”过程前850 hPa 露点温度下降、700 hPa 温度露点差增大，导致和中低层水汽关系密切的K 指数、沙氏指数SI 表征不明显。2 次过程前地面露点温度明显增大，近地层增湿明显，近地层的高温高湿对局地雹云的发展尤为重要。

4.2 CAPE 和垂直风切变

“6·23”过程CAPE 值由08 时的0 J/kg 跃增为20 时的533 J/kg，抬升指数LI 也存在减小现象（表1），表明冰雹过程发生前期（20 时）具有较大的不稳定能量、层结向不稳定发展，有利于对流高度和强度的发展加强。通常用地面及其以上6 km 高度的风矢量差来表示深层垂直风切变，08 时喀什站低层至500 hPa 有较明显的东西风切变，500 hPa 为8 m/s 的偏西风，0～6 km 风矢量差为12.4 m/s。因500 hPa 锋区弱，短波槽过境时低层至500 hPa 风向切变明显减小，500 hPa 为6 m/s 的西南风，垂直风切变降为8.5 m/s（20 时），较弱的垂直风切变使雷暴上升气流中水负载明显增加，更易启动自毁机制，故雹云在维持一个体扫后就快速减弱。

“8·14”过程CAPE 值从168 J/kg 增至564 J/kg，且抬升指数LI 降至-2.6 ℃，大气层结更不稳定。500 hPa 锋区强、短波槽进入时风速明显增大，临近降雹时500 hPa 为12 m/s 的西北风，低层至500 hPa东西风切变明显，垂直风切变升为15 m/s（20 时），达到中等强度垂直风切变。较强的垂直风切变有利于对流单体长时间维持、发展，并促进对流风暴悬垂结构的形成，为风雹的产生和维持提供了条件[1]。因此“8·14”过程对流单体初生后发展迅速，02：04 乌恰站出现降雹后，因较强的垂直风切变使得对流单体能再次快速发展为雹云并维持多个体扫。

表1 喀什站探空物理量参数

图7 2015 年6 月23 日20 时（a）和8 月13 日20 时（b）喀什站T-lnP 图

4.3 0 ℃层和-20 ℃层高度

2 次过程发生前期0 ℃层高度分别由08 时的4 286 m 和4 796 m 升至20 时的4 627 m 和4 995 m（表1），表明低层暖层加厚，能量积累增多[4]，0 ℃高度均在600 hPa 上下。-20 ℃层高度分别由08 时的7 020 m 和7 550 m 增至20 时的7 550 m 和7 770 m，-20 ℃层高度均在400 hPa 附近，0 ℃层和-20 ℃层都位于成雹的有利高度[7]。0 ℃层和-20 ℃层高度之间的厚度越小，意味着该厚度区间温度递减率越大，条件不稳定性越大，2 次过程降雹前厚度值分别为2 573 m 和2 775 m（20 时），“6·23”厚度更小，更利于产生冰雹。2 次过程中低层暖平流都使得0 ℃层和-20 ℃层的高度升高，但08 时和20 时0 ℃层和-20 ℃层的高度依然维持在成雹的有利高度。

4.4 触发条件

“6·23”过程，19—20 时中亚低值系统西退南压过程中外围分裂短波槽东移进入南疆西部，850 hPa为西北风与东南风的切变，地面疏勒至英吉沙县一带有一条中尺度辐合线，其东西两侧有较明显的温湿度差异（图8a、8b）。沿山一带生成的对流云团东北移并向地面辐合线靠近，20：22 后，对流云团移至地面辐合线附近，沿辐合线呈纵向发展；20：32 位于疏勒和英吉沙县交界处小型的弓形回波中部西南侧可观测到出流边界（偏北风）；20：38 在出流边界处出现了更强的回波，回波南侧依然可见出流边界，其南侧区域站（艾古斯乡3 村）风向转为偏南风，偏南风与后向传播的对流云团出流（偏北风）形成辐合，触发雹云在此快速发展降雹。偏南暖湿气流沿冷空气堆抬升，这可能是后向传播的对流云团在此快速发展的原因之一，20：38 和20：44 回波快速增强的位置与出流边界位置几乎重叠，也佐证了这一点。

8 月13 日20 时，克州乌恰站地面为偏东风。随着500 hPa 短波槽过境，乌恰西部山谷地带309省道西端吉根乡已转为偏西风、且风速明显增大（10 m/s），说明地面冷空气已开始从西端“翻山”进入山谷，23 时吉根乡转西北风，位于山谷中西部吾合沙鲁乡维持偏东风（图8c、8d）。14 日01 时吾合沙鲁乡仍维持偏东风、但风速明显减小，其下游乌恰站依然是偏东风，此时初始对流回波在吾合沙鲁乡站西北侧10 km 附近生成，之后沿山谷东移发展迅速。山谷地带特殊地形条件下，翻山进入沿山谷下滑的偏西冷空气与沿山谷上坡的偏东暖湿气流相遇，暖湿气流沿下滑冷空气上界爬升，触发对流。随着冷空气的持续东进，始终维持的局地辐合使对流单体快速发展为雹云单体并维持较长时间。

图8 自动站地面填图

5 结论

本文对比分析了“6·23”和“8·14”发生在南疆西部的2 次冰雹天气过程，主要结论如下：

（1）2 次冰雹过程均发生在500 hPa 高空槽分裂短波槽东移并叠置在低层温度脊之上，属于暖平流强迫类。2 次冰雹天气发生前850 与500 hPa 的温度差和假相当位温差分别超过35 和6 ℃，均有一定的不稳定能量，CAPE 值存在跃增且超过500 J/kg，抬升指数LI 降为负数。

（2）“6·23”过程低值系统西退南压过程中分裂短波槽东移进入南疆西部，配合有低空切变线和地面辐合线。“8·14”过程是在长波槽东南移过程中分裂短波槽东移进入南疆西部，锋区明显强于“6·23”过程，系统前倾，且有200 hPa 高空急流配合，位于急流入口区右后方强辐散区。“8·14”过程垂直风切变达15 m/s，为中等强度，且近地层增湿更明显，层结曲线呈“倒喇叭口”型，更利于强对流的产生和雹云的维持。

（3）“6·23”过程回波在后向传播过程中于出流边界处迅速发展，雹云维持时间短，可预警时效短。中尺度涡旋特征更显著，7 km 以下均有径向速度辐合区，有利于雹径增加。“8·14”过程冰雹为生命史超过40 min 的强对流单体造成，三体散射长钉特征明显，可预警时效较长。2 次过程分别于降雹前的5 min和15 min 出现VIL 和VILD 的跃增现象，对冰雹短临预报有一定的指示意义。

（4）2 次冰雹触发机制不同，“6·23”过程是沿地面中尺度辐合线回波纵向发展、组织性加强，后向传播的强回波出流边界（偏北风）与环境场偏南风局地辐合触发强对流。“8·14”过程是沿山谷下滑的冷空气（偏西风）与盆地上坡的暖湿气流（偏东风）相遇触发初始对流，在山谷特殊地形条件下，始终维持的东西风局地辐合、冷暖交绥使对流快速发展加强并在山谷地带维持较长时间。