连续两次冰雹天气过程的多源资料分析

李丽丽,邹书平，曾 勇,3，罗喜平，黄 钰,3

(1.贵州省山地环境气候研究所,贵州 贵阳 550002;2.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081; 3.贵州省气象灾害防御技术中心,贵州 贵阳 550081)

0 引言

2018年贵州省冰雹灾害发生时间主要集中在3月份，仅3月中旬就有5次冰雹天气过程，主要落区均位于省中部、西部和西南部地区，灾害具有密度大、持续时间长的特点，造成油菜、蔬菜、茶叶、水果等农作物受损严重。3月份贵州全省平均温度较历年平均值偏高3 ℃，降水偏多74.5%，均为近50 a内的第二高值。全省有7个市(州)30个县(市、区)134个乡(镇)局地遭受风雹灾害，大风、雷雨中夹降冰雹，其中有两次冰雹过程连续发生在3月12—13日期间，共10县市不同程度遭受风雹灾害，灾害致51 643人受灾，直接经济损失7 223.91万元，本文以这两次连续冰雹天气过程为例做深入分析。

目前冰雹灾害的预报预警方法主要根据多年强冰雹天气个例对环流形势分型建立潜势预报模型[1-2]，临近预警则主要依靠多普勒天气雷达监测对流单体的发展，根据回波单体的形态、结构和风场等特征，结合多项量化的回波参数作为判别冰雹云的指标[3-9]，回波核的高度所在位置处于环境场0～-20 ℃温度层高度的相对位置是判别是否能形成冰雹和能否形成大冰雹的重要判别条件[10-11]；根据冰雹云发展过程中的雷达回波参数不同的演变特征划分其跃增方式[12]，从而更准确的把握冰雹云的生命史。应用微波辐射计全天候探测得到的温湿度场演变廓线能够很大程度上弥补传统探空资料时空分辨率的不足[13]，有利于提高冰雹天气过程临近预报水平。

1 资料及方法

本文以2018年3月12—13日午后至晚间发生在贵州省中西部地区的连续两次冰雹天气过程为研究对象，利用全省区域站点雨量资料和降雹资料、贵阳L波段探空雷达资料、微波辐射计资料、贵阳多普勒天气雷达资料和美国环境预报中心及国家大气研究中心(NCEP/NCAR)制作的逐6 h再分析资料，对这两次连续冰雹天气过程的大气环流场、环境物理量、冰雹云结构演变特征等做分析。

本文使用的微波辐射计资料是安装在贵阳市观山湖区的德国RPG地基多通道微波辐射计HATPRO-G4(42×14)，仪器每6 min完成一次全天空扫描，利用神经网络方法反演得到天顶方向上地面至10 km高度共58层的温度、湿度、水汽和液态水含量的廓线数据。微波辐射计主要用于探测中小尺度天气现象，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流等，本文应用微波辐射计探测资料分析降雹天气当日的温湿度层结特征。

2 实况和天气形势

2.1 灾害实况

根据贵州省气象台重要气象灾情软件(SMIS)统计的两次冰雹天气过程实况如下：

个例1：3月12日18—22时，毕节地区产生最初的对流单体，并沿西北—东南向移去，移动过程中不断的增强发展为一个超级单体，引起沿途大方、纳雍、贵阳等20多站降雹和多地短时强降水天气，最大降雹直径为14 mm(清镇市的新店和暗流两地)。

个例2：3月13日15—20时，对流单体自西部的六盘水和毕节等地形成，东移过程中不断合并增强，造成沿途贵阳南部、安顺北部、毕节、六盘水北部、黔南北部等多地发生降雹灾害，共有58个乡镇出现冰雹，最大冰雹直径为16 mm(贵阳、啊噶、蟠龙)。

2.2 天气形势

贵州省西部边缘低涡发展东移是引发省内春夏季强对流天气的重要天气系统。3月12—13日， 500 hPa中高纬位势高度场上为“一槽一脊”形势，中低纬青藏高原南支槽活跃，全省受南支槽前西南气流影响，有利于贵州省西部边缘低涡的形成和发展，如图1a。川北—重庆—贵州西北部有低槽东移，槽后有冷空气南下影响省中西部。从图1b中可以看出，相比所在纬度带平均位势高度场的距平值来看，3月12—14日研究范围上空持续呈负距平，表明气压场受低值系统控制，且控制范围随着时间的推移不断向南扩展，强度加强。700 hPa(图略)低涡切变位于川贵渝三省交界地区，省的南部受西南急流影响；地面辐合线(图略)位于中部偏西一线。因此，这两日环流场上具备生成强对流的热力和动力背景条件。

3 不稳定条件分析

3.1 物理量分析

利用贵阳L波段探空雷达对两次冰雹天气的环境场做分析，如表1。从温度层结来看，两次冰雹天气的0 ℃层位于650～680 hPa之间，约为3.2 km左右高度，-20 ℃层位于450～480 hPa之间，约为6.0 km左右高度，0～-20 ℃层的厚度均在2.8 km左右。从层结稳定度方面来看，两次个例的不稳定能量CAPE并不算大，但两次个例08时低层湿度较大，500 hPa以上为干层，温度露点曲线呈现“喇叭口”分布，层结具有条件不稳定，从环境风场来看，两个个例700 hPa以下均有风向随高度顺时针旋转，表明低层有暖平流，个例1中0～6 km垂直风切变08时达到25 m/s以上，个例2的3～4.3 km的垂直风切变也达到17 m/s，K指数在下午均达到30 ℃以上，SI指数为负值，说明环境场存在较强的风切变和条件不稳定能量。

图1 2018年3月13日14时500 hPa位势高度场(a)，3月10—14日500 hPa位势高度场106°E 距平分析(与75～110°N纬度带的距平值)(b)，北京时，单位：10 gpmFig.1 (a)Synoptic pattern of 500 hPa geopotential height at 14∶00 13 May 2018,(b)Spatial distribution of anomaly 500 hPa geopotential height in 106°E during 10-14 May 2018(75°N～110°N)，BT ,unit:10 gpm

表1 2018年3月12—13日探空物理量参数变化Tab.1 Changes of physical quantities between 08∶00 12 May to 20∶00 13 May 2018

3.2 冰雹过程前的“干侵入”过程

强对流过程前的“干侵入”现象是指高位势涡度的干空气向下层流入。利用NCEP资料中相对湿度要素值绘制贵阳上空相对湿度和温度平流随时间的变化情况，如图2。对比两个降雹时段的相对湿度和温度平流的垂直分布情况，可以明显的看出：冰雹过程中空气层结湿层深厚，向上发展至300 hPa左右高度，结合温度平流的分布，两次冰雹过程前期都存在“干侵入”特征。表明研究区域上空有干冷空气伴随较强的下沉运动，这可能成为冰雹的触发条件，同时促使对流系统发展并加强。

图2 2018年3月11—14日贵阳(26°N，106°E)上空(a)相对湿度(单位：%) 和(b)温度平流(单位：10e-4)的垂直剖面随时间变化图Fig.2 Time series of(a)relative humidity (unit:%)and temperature advection(unit: 10e-4) the vertical section over Guiyang Station(26°N，106°E)during 11 to 14 May 2018

3.3 水汽和稳定度指数

微波辐射计在强对流过程前后的探测数据能够细致的刻画空气湿度和层结稳定度随时间变化的情况，如图3。12日，对流系统移入贵阳上空前，综合水汽含量(IWV)从17时开始波动增长，至21时左右达到峰值65 kg/m2，之后迅速下降，与强对流天气过境的时间一致，从起始波动时间来看具有一定的预报提前量，积分液态水含量(LWP)同样在对流系统过程中达到峰值(3 400 kg/m2)，且前期也表现出波动特征。K指数在两次个例前期都有明显的波动增长，并且在降水发生期间达到35 ℃以上，SI指数则与之呈现反相关，表明系统过境时水汽充沛和层结条件不稳定能量迅速增强。

图3 2018年3月12日08时—14日08时期间的微波辐射计天顶方向上的水汽指标(综合水汽含量IWV和积分液态 水含量LWP，单位：kg·m-2)随时间的变化图(a)；层结稳定度指数(K指数，SI沙氏指数，单位：℃)随时间的变化图(b)Fig.3 Time series of(a)water vapor index(integrated water vapor，IWV for short，liquid water content ，LWP for short, unit：kg·m-2,(b)stratification stability index (K index and SI index,unit:℃)along the vertical section of microwave radiometer between 08∶00 12 May to 08∶00 14 May 2018

3.4 垂直速度分析

由于这两次连续冰雹天气过程影响范围较广(104～107°E)，冰雹云能够在移动过程中持续发展，与环境场中的垂直运动有密切联系。选取两次冰雹发生前两个时次NCEP/NCAR FNL(1°×1°)资料，沿着冰雹云移动方向(26°N)对垂直速度做垂直剖面，如图4。可以明显的看出垂直速度场上在贵州西部104～106°E一线低层有较弱的辐合上升运动，中层存在正速度区，随着系统的发展，高层也有弱的辐合，研究区域的上升运动加强，省西部主要在700～600 hPa高度层，突破了0 ℃温度层高度，省中部的中高层均为较强的上升运动，有利于过冷层中的水汽聚集，为雹胚的形成提供必要的动力条件。

图4 2018年3月12日14时和20时(a)、3月13日14时和20时(b)垂直速度沿26°N纬向剖面(冰雹发生范围为：104～107°E)Fig.4 Cross-sections of vertical velocity along 26°N at (a)12 May 14∶00 and 20∶00、(b)13 May 14∶00 and 20∶00( BT ，afflicted area is range from 104°E to 107°E)

4 对流系统演变特征

4.1 冰雹云形态和演变特征

个例1：2018年3月12日的冰雹天气是由一个强对流单体过境引起的。18时30分雷达回波移入织金境内，回波结构密实，雷达径向方向上有“V”型缺口和三体长钉形态，雷达回波中心达到63 dBz，且高度超过-20 ℃层高度(6.5 km)，回波沿西北—东南方向移动并不断增强，中心强度达到73 dBz，回波顶高达到11.4 km，径向速度图上可以看出，回波中心自18时00分开始在低层出现较明显的辐合运动，18时30分左右转为气旋式辐合，19时38分移至黔西、清镇和织金三县交接处(距离雷达70 km)，对应低层有气旋式辐合加强(图5b)，从1 km向上至3 km左右逐渐减弱，在7 km高度的对应位置有较强的风暴顶辐散，风场配置有利于西部低涡系统的发展。如图5c，对流单体于20时36分移动至清镇地区，整体呈现钩状回波形态，中心强度64 dBz，回波顶高9.2 km，强中心位置下移，回波水平方向上倾斜角度增大，有界弱回波区范围和倾斜角度都很大(图5d)，地面有大冰雹(16 mm)降落，强对流系统能量释放后逐渐减弱。

图5 2018年3月12日贵阳雷达站的雷暴单体回波在19时38分的基本反射率因子(a.仰角2.4°)和径向速度图(b.仰角0.5°)以及20时36分的反射率因子(c.仰角3.4°)、红色箭头方向上的垂直剖面(d)(单位： dBz ，m·s-1)Fig.5 The base reflectivity and vertical profile of base reflectivity along the direction of movements at different times of BT March 12,2018(a.b. 18∶30,c.d. 20∶36,Guiyang Radar,BT,unit:dBz)

个例2：2018年3月13日，此次过程是多个在省西北部生成的对流单体在东移过程中逐渐合并成一条带状的对流系统(MCs)，造成沿途多处不同强度的降雹天气，如图6a。雹云单体发展阶段(16时52分)，3个对流单体的低层对应有明显辐合风场，如图6b，对流单体于18时11分合并后仍然不断地发展增强，中层有辐合线持续存在，辐合线呈东北—西南向，19时08分随着系统移入贵阳境内，贵阳地区上空的风场辐合加强，垂直方向上风切变加强，引起贵阳部分地区降雹，20时17分对流系统前端的地面和低层辐散变强，中层辐合风场依然明显，说明雹云单体前端的有界弱回波区(BWER)有较强的下沉运动，造成地面冰雹和大风灾害。

4.2 冰雹云回波特征参数演变

如图7，分别是两次个例中冰雹云最大强度(CR)和回波顶高(ET)随时间的变化情况。个例1中对流单体的强度和顶高参数在17时00分左右经过一次跃增后发展成为冰雹云，在环境场的有利条件下稳定维持并增强，ET在潜能释放过程中不断下降，CR则维持在60 dBz以上。个例2中对流系统的特征参数存在两次增长，第一次是对流单体独立增长的阶段，第二次是3个对流单体在16时45左分右合并后的增强阶段，CR最强达到70.5 dBz，ET最高达到11.6 km，CR和ET的演变趋势一致，合并后形成了“人字”型的对流系统，在移动过程中逐渐增强，造成沿途多地短时强降水天气。

图6 2018年3月13日贵阳雷达站雷暴单体回波的组合反射率因子(a)和径向速度演变特征(b)Fig.6 The composite reflectivity (a)and radial velocity(16∶52 at 0.5°elevation angle 18∶11 at 2.4°elevation angle, 19∶08 at 2.4°,unit：m/s) of Guiyang Radar at key period (black line is the convergence area)

图7 贵阳雷达站雷达回波中心强度和回波顶高(18 dBz)变化情况(a.2018年3月12日，b.2018年3月13日)Fig.7 Time series of the echo intensity and echo top height(18 dBz) in the key periods(a.2018.3.12，b.2018.3.13)

5 总结

运用多源探测设备资料，对这两次连续冰雹天气过程的大气环流场、环境物理量、风场、雷达回波特征等做了综合分析，得到以下结论：

在南支槽槽前西南气流的引导下，贵州中西部上空水汽条件较好，贵州省西部地区容易产生午后热对流，西部边缘低涡较为活跃，地面辐合线和低层暖平流为对流单体的发展维持提供动力条件，冰雹前期中高空存在明显的“干侵入”特征，垂直方向上有辐合上升运动，雷达回波强度达到60 dBz以上和顶高都达到11 km以上，强度≥45 dBz回波跃过-20 ℃高度，对流单体合并后的二次发展也易造成灾害性天气。