巴彦淖尔市五原县一次冰雹天气诊断分析

甄雅鑫

（巴彦淖尔市五原县气象局，内蒙古巴彦淖尔 015100）

五原县地处内蒙古河套平原腹地，黄河“几”字湾最北端，是典型的农业大县。冰雹作为影响农业生产的主要气象灾害之一，具有突发性强、破环性大、区域性明显的特征，同时伴有雷电大风、短时强降水，对五原县的农业生产、国民经济增长和人民的生命财产带来严重的危害。郭玉凤、方晓红等[1—2]对巴彦淖尔市冰雹天气的气候特征、移动路径和预报指标等进行研究与分析，认为沙氏指数SI≤1.0，K指数≥40，A 指数≥10 是判断五原县层结不稳定的指标；李一平等[3—4]通过内蒙古中西部降雹的指标及一些物理量对冰雹的形成和影响进行研究，但是对五原县的研究不多。本文通过2016 年巴彦淖尔市五原县发生的一次典型冰雹天气过程分析，对冰雹天气有更清楚的认识，为灾害性天气的预报、预警与服务提供依据。

1 天气实况及灾情

2016 年6 月3 日下午，受蒙古冷涡影响，五原县自西向东遭受冰雹、短时强降水、雷暴大风等强对流天气，小时最大降水量为22.7 mm/h，极大风速达21.5 m/s，均出现在3 日15：00 隆兴昌。降雹最大持续时间8 min。强降雹造成五原县隆兴昌、和胜、套海、胜丰、复兴、塔尔湖、银定图、新公中、天吉泰等9个乡镇，49 个自然村，220 个社、73 150 人受灾，成灾面积35 068 hm2，绝收面积5 866.67 hm2，受灾农作物主要有玉米、葫芦、葵花、甜瓜、小麦、番茄、小菜籽，直接经济损失18 021.08 万元。

2 环流背景分析

该次降雹过程环流形势比较典型。从高空环流形势（图1）可知，6 月3 日08：00 500 hPa 亚欧大陆为两槽一脊环流形势。中高纬度影响五原县降雹的天气系统是蒙古低涡底部低槽，伴随着冷槽的东移进入五原县境内，低涡底部的气旋式切变影响五原县，造成辐合上升运动；同时，低涡内部及降雹区的湿度较大，为冰雹的形成提供了足够的水汽条件。700 hPa 高空图（图2）上，五原县同样受冷槽底部偏西气流影响，700 hPa 槽线落后于500 hPa 槽线，形成前倾槽结构。850 hPa 高空图（图3）上，在五原县上游有切变线，配合有12℃暖舌向内蒙古中部伸去，五原县的东部有渤海偏南的暖湿水汽输送。由图4 可知，五原县受地面倒槽影响。这样的高低空形势配置，造成上冷下暖的温度差动平流，加大了层结的不稳定性，配合地面倒槽的抬升，为该次冰雹天气的发生、发展提供了有利的条件。

图1 五原县2016 年6 月3 日08：00 500 hPa 高空图

图2 五原县2016 年6 月3 日08：00 700 hPa 高空图

图3 五原县2016 年6 月3 日08：00 850 hPa 高空图

图4 五原县2016 年6 月3 日08：00 地面海平面气压场

3 物理量诊断分析

3.1 动力条件

分析6 月3 日08：00 的散度场（图5a）可知，从低层到高层，矢量散度场出现了整层辐合，850 hPa大负值中心恰好位于套区东北部，有利于对流发展。对形成冰雹的涡度场而言，500，700，850 hPa 都为正涡度区（图5b～5d），且涡度值随高度的增加而增大，有上升运动。正涡度值的高低层配置，非常有利于强对流天气的发展。

3.2 水汽条件

水汽不仅是对流云形成的原料，而且它的垂直分布是影响气层稳定度的重要因子。6 月3 日08：00，五原县上空（N41°05’20”、E108°28’15”）850，700，500 hPa 比湿分别为10，7，1.5 g/kg（图6）。随着高度的递增比湿逐渐减小，500 hPa 相对湿度场（图7）仅为60%，700，850 hPa 迅速增加为90%，100%。分析其他湿度参量可以得到类似的结果，说明五原县上空上干下湿的配置很明显，有利于不稳定能量的形成。由水汽通量散度场的垂直结构（图8）分析表明，08：00 冰雹落区850 hPa 为水汽辐合区，中心强度为-3.6×10-4g/（hPa·cm2·s），为冰雹的生成提供了充足的水源。

3.3 稳定度条件

大气对流是有效能量之间的相互转换和释放。对流有效位能CAPE 为可以转换成气块运动动能的能量。对流抑制能量是气块获得对流必须超越的能量临界值。这2 个值已经成为强对流天气分析预报中的常用参数，得到了广泛的应用[5—6]。分析08：00临河站的探空资料（图9）发现，CAPE 值为83 J/kg，能量值较低，说明08：00 的不稳定能量条件较差，而20：00 的CAPE 值明显增大，为下午的冰雹提供了不稳定能量；而20：00 的CIN 值较08：00 相比明显减小，促进了冰雹的发生（图10）。

08：00 冰雹发生前，套区大部分地区处于不稳定区，临河站850 hPa 和500 hPa 的假相当位温的差值在10 ℃以上，且假相当位温的值随高度的增加而减小，沙氏指数SI=-1.4℃，表明大气呈对流不稳定状态。

大量文献表明，K 指数主要用作对流性天气的一个热力指标。它既能考虑垂直温度梯度，又考虑了低层水汽条件，还间接表示了湿层的厚度[7]。临河站08：00 的K 指数为33.6℃，表明气层很不稳定且低层为暖湿，具有发生强雷暴的可能性。

3.4 0℃和-20℃层高度

深厚的负温区有利于冰雹尤其是强冰雹生成，即-20℃～0℃的区域，也称过冷水累积区，其厚度越小越有利于降雹[8]。0℃和-20℃层高度分别是云中冷暖云分界线和大水滴自然冰化区的下界，是判断环境大气是否有利于冰雹云生成的重要参数。刘晓辉[9]研究表明，0℃层的高度在600 hPa 上下，-20℃高度层在400 hPa 附近时有利于冰雹的生成。由图9 可知，0℃层的高度为3 654 m，在600 hPa 附近；-20℃层高度为6 987 m，在400 hPa 附近，都满足冰雹产生的条件。

图5 2016 年6 月3 日08：00 五原县850 hPa 散度场和不同高度涡度场分布图

图6 2016 年6 月3 日08：00 不同高度层比湿场分布图

3.5 垂直风切变

垂直风切变是指水平风随高度的变化。大量文献[10—11]指出，在一定的热力条件下，风场的强垂直切变对雷暴的发生、发展产生重要的影响。由图9 分析表明，中下层500 hPa 以下风向随高度顺转显著，为暖平流；对流层中层（500～300 hPa）风向随高度逆转，有冷平流侵入，风向的高低空配置有利于不稳定的加强，而且风速随高度明显增加，垂直切变加大有利于上升气流和下沉气流在相当长的时间里共存发展，有利于中尺度天气系统的发生和发展。

图7 2016 年6 月3 日08：00 不同高度层相对湿度场分布图

3.6 强天气威胁指标

美国天气预报员提出强天气威胁指标SWEAT,朱乾根等[11]研究表明，河套地区发生强对流的可能性极大。郭玉凤等[1]得出，在巴彦淖尔发生强对流天气的SWEAT 值一般在180 左右。查看当天08：00探空图可知，降雹区附近的临河站SWEAT 为219，超过了当地的经验值。到20：00 临河站SWEAT 值明显减小到187，有利于强天气的产生。

图8 2016 年6 月3 日08：00 不同高度层水汽通量散度场分布图

4 雷达产品分析

从13：58 开始，对流回波进入五原县并自西向东移动，直至16：29 逐渐减弱消散。通过对临河C波段新一代天气雷达产品的分析发现，该次有多个对流单体生成，共同构成一个中尺度对流系统影响五原县发生降雹天气，现就强度最强及最典型的G7单体进行分析，见图11。

图9 2016 年6 月3 日08：00 临河探空图

G7 于14：46 生成于黄河沿岸，自西南向东北方向移动。生成后迅速加强，于第2 个体扫，雷达回波最大反射率因子由45 dBZ 跃升到60 dBZ，VIL 值也出现跃增，由不足5 kg/m2上升为39 kg/m2，降雹概率和强降雹概率分别为100%和90%；回波顶高由3 km 跃增到7 km，强天气概率为75%。随着时间推移，云体逐渐发展壮大，且东移北抬，说明此时云体上部处于西南偏西风的环境场中，与此时引导气流为西南风的高空风保持一致。单体趋势产品显示，反射率因子、回波顶高、质心高度、VIL、冰雹及强冰雹指数的数值都非常大，预期最大的冰雹尺寸达7.6 cm（3 英寸），强天气概率为99%。

图10 2016 年6 月3 日20：00 临河探空图

图11 G7 单体趋势图

从径向速度图上看（图12），单体北部有中气旋结构生成，周围还有龙卷式涡旋配合，同时其边缘0.5°，1.5°，2.4°，3.4°每个仰角都存在逆风区，在向阳村存在明显的辐合区，说明此处风向发生了剧烈的变化，产生了强烈的风切变和辐合，而另一侧的辐散区有利于水汽的垂直输送和降水粒子的降落。陈鲍发等[13—15]研究也表明，“逆风区”范围内回波发展更加强盛，强度增强，可作为发生强对流天气的重要指标之一。15：10，G7 南侧不断有新的回波单体产生，并与之合并持续发展加强为弓形回波。15：34 合并后的体扫产品显示，单体又一次加强，对流最旺盛，VIL 值又一次跃增为50 kg/m2，且强冰雹概率为100%。刘治国等[16]将垂直累积液态水的这种变化称为爆发式增长现象，对冰雹的预警有很好的指示意义。

由此时的不同仰角反射率因子剖面图（图13）可知，在垂直高度上，低层的弱回波区对应着中高层强回波，说明中高层存在着悬垂回波，单体风暴云有倾斜和强烈的旋转，存在明显的强上升运动。对应的径向速度图上有17 m/s 的大风区，即风暴的最大上升气流区。15：52 雷达回波顶高、冰雹及强冰雹概率、垂直累积液态水含量分别降为5 km、70%和20 kg/m2，单体逐渐开始减弱。

Amburn 和Wolf[17]定义VIL 与风暴高度之比为VIL 密度，并做了大量研究，表明几乎所有VIL 密度值超过4 g/m3的风暴都会产生直径超过2 cm 的大冰雹。计算此单体的VIL 密度值发现，从单体生成的第1 个体扫开始到15：59 单体开始减弱消亡，期间的VIL 密度值始终都高于4 g/m3，而且冰雹是在3 个体扫即18 min 后降落的，说明VIL 密度值对于这种局地突发性冰雹的预警具有很好的指示意义，这与丁建芳[18]的研究结论一致。冰雹指数产品是对每个被识别的风暴单体，提供其风暴单体结构，对是否有助于冰雹形成具有较好的指示意义[19]。对比单体的冰雹指数产品，从第2 个体扫开始至冰雹成熟结束，持续出现“POS”报警，说明此时应该警惕强对流的发生。该次冰雹指数算法有较好的指示意义。

图12 15：34 五原县不同仰角的径向速度图

图13 15：34 五原不同仰角的反射率因子

5 结论

（1）蒙古冷涡、低层切变线、地面倒槽的抬升，配合上高冷、下暖湿的不稳定配置环境场，为该次冰雹的发生、发展提供了有利的动力条件和触发机制。

（2）从物理量条件来看，正涡度场、大片辐合区、不稳定能量、风的强垂直切变、合适的湿球温度0℃和-20℃层高度等条件都可以作为冰雹预报的着眼点。

（3）回波顶高≥7 km、垂直累积液态水含量及其密度≥4 g/m3、最大反射率因子≥55 dBZ、中气旋、逆风区、低层的弱回波区、中高层存在着悬垂回波、弓形回波、强天气威胁指标≥180 等对冰雹天气的监测、识别和预警有很好的指示意义。