浙江突发冰雹强对流天气过程对农业的影响分析

孟莉萍

(绍兴气象技术服务有限公司，浙江 绍兴 312000)

引言

一般而言，冰雹出现的季节多为晚秋和早春。而2009年和2010年浙江冬季连阴雨天气过程中都出现了较为罕见的强对流天气，强对流主要以雷雨大风和冰雹为主，且冰雹最大直径都达到了大冰雹的标准。冰雹，特别是大冰雹[1](指直径≥20mm的冰雹)严重威胁着人们的生活、生产活动甚至生命安全。对于广大气象工作者来说，如何预警预报出降雹事件，提前及时做好临近预报，从而最大限度减少人们的生命财产损失，是摆在气象工作者面前亟待解决的课题。对于冰雹的分析和预报，一般借助相关天气型的辨识以及参数大小的计算。在环流形势和天气影响系统方面，廖晓农[2]等对北京盛夏1次罕见大冰雹事件进行了分析，发现冰雹发生在蒙古低涡低槽大尺度环流背景下，500hPa冷空气叠置在低层暖空气上为冰雹天气的出现提供了有利条件；宋晓辉[3]等对5次冰雹天气过程综合分析的结果表明，冰雹天气现在对流性不稳定层结条件下，中高层干冷低层暖湿，地面有中尺度辐合切变线配合。另外，一些对流参数可以较好地预示强对流天气的发生发展，表征着对流参数对冰雹天气的有效性。陈晓红[4]等的计算分析发现，CAPE、NCAPE、SSI和SHR等参数较好地反映出强冰雹天气过程的出现，而KI、SI指数对于预示冰雹过程存在着一定的局限性。

2009年2月24日夜间，浙江中北部的金华东部—绍兴南部—宁波西南部一带部分地区先后出现了冰雹强对流天气，冰雹直径普遍为10～20mm，最大冰雹直径达到30mm以上。此次冰雹天气过程影响范围之广，出现时间之早，为历史罕见，为50a一遇。直至25日上午，绍兴嵊州浦口街道的地面还覆盖着厚厚一层冰雹。2010年2月25日晚，浙江金华兰溪和台州临海的部分乡镇也遭受了冰雹袭击，整个过程持续时间约10min，冰雹的最大直径约30mm。由于持续时间较长，且冰雹颗粒较大。冰雹天气给农业生产带来巨大影响，给农户带来了直接经济损失和生命安全威胁。

近年来，随着多普勒天气雷达的广泛布设和数值预报技术水平的提高，通过高时空分辨的雷达资料或数值模拟资料对冰雹发生发展的机理研究已成为重要手段。张天峰[5]等通过对甘肃庆阳区域性冰雹天气的雷达回波资料分析，得到了冰雹云在强度回波、速度回波和物理量产品中的特征，揭示了此次特大冰雹是飑线移动中在庆阳市区产生超级单体风暴造成的。刁秀广[6]等利用济南雷达探测资料对发生在山东境内的3次强天气过程的风暴单体演变趋势进行分析，结果表明，在地面出现冰雹前，部分强单体具有基于单体的垂直累积液态水含量(C-VIL)和单体强中心高度同步增长现象。在冰雹数值模拟方面，宋娟[7]和于华英[8]利用中科院大气所的完全弹性三维冰雹云模式都较好地模拟了冰雹云过程，得到碰并增长是冰雹云中各种水物质的形成和增长方式，但前者雹的增长主要来源于霰的自动转化，而后者冰雹粒子中冻滴的贡献则较大。王秀明[9]利用WRF中尺度数值模式模拟了冰雹强对流过程，模拟结果很好地再现了影响天气系统和强对流单体结构，发现冰雹云单体具有超级单体概念的特征结构，在水平结构上有不对称的双“S”型流场和回波结构，垂直结构有回波墙—有界弱回波区—悬挂回波结构。

本文以浙江省2次冬季冰雹天气过程为例，采用NCEP再分析资料并结合所能得到的探空等观测资料，力求寻找冬季冰雹天气出现前期的环境场以及对流参数、能量参数的特征，为此类灾害性天气的预报、预警与服务提供依据。

1 环流形势分析

1.1 冬季冰雹过程的大尺度环流形势

2009年2月24日08∶00 500hPa，见图1，在四川东部有一低槽，副热带高压位于海上，脊线位置较常年偏北偏西，588dgmp西脊点已西伸至E115°附近，高空槽前和副高西北侧为宽广的西南气流，整个浙江处于槽前的西南气流控制下，有着强盛的暖湿平流，中纬度则为平直西风环流，不利于冷空气的南下，未来副高位置稳定少动，而低槽则缓慢东移，至冰雹发生时浙江都为西南气流。相比于2009年，2010年冰雹过程中，2月25日08∶00 500hPa在四川重庆交界处也有一低槽存在，槽前为西南气流，但由于副高位置较偏南，使得副高北侧的西南气流弱于2009年，浙江上空基本为偏西气流控制，随着低槽东移，浙江上空逐渐转为西偏南气流。从2次冰雹过程500hPa环流形势看，其与众多冰雹个例[2,7]中500hPa为西偏北气流不同，这2次冰雹过程中高空没有较强的冷平流，相反具有很深厚的暖湿平流，因而其降雹类型都属于南支槽型。

在850hPa形势场上，见图2，2009年冰雹发生前，24日08∶00四川上空有一低涡存在，低涡东侧N32°附近为东西向的切变线，但此时切变东端还只抵达安徽西部，切变北侧为偏东风，南侧为西南风，偏东风和西南风2支气流构成了较好的低层辐合条件，有利于上升运动的发展。从风速大小看，江西以西地区西南风已达低空急流的强度，表明暖湿平流很强，但此时浙江区域内的风速仍较小，未来随着低空急流东传发展，浙江境内的风速也显著增大，至24日14∶00也达急流标准，低空急流输送的暖湿平流为冰雹强对流天气的发生提供了良好的能量条件。与此同时，低涡也沿着切变线东移，冰雹发生前夕低涡切变已移至安徽至江苏中南部，浙江正位于低涡东南部区域，该区有着很强的不稳定。在2010年冰雹天气过程中，2月25日08∶00 850hPa风场上浙江西北方向也有一切变维持，但其走向与2009年冰雹过程有所不同，后者为NE—SW走向，切变北侧为偏北风，表明2010年冰雹过程中冷空气条件较2009年好，浙江处于切变南侧西南气流中，热力条件良好，未来随着切变南压将触发不稳定能量的释放。

1.2 冬季冰雹过程的地面形势

2009年和2010年冬季冰雹过程的地面形势具体见图3。2009年冰雹发生前，2月24日08∶00，我国华西地区就处于大片的低值区，配合高空槽的东移，地面低值系统不断向东发展，至24日20∶00该低值系统东侧的范围已经延伸到了江浙沿海地区，此时强对流天气正在发生，冰雹天气发生区域位于该地面倒槽延伸出来的辐合线附近，因为那里冷暖空气交汇最为剧烈。分析2010年冰雹过程地面形势的演变也类似，冰雹也出现地面辐合线附近。

图1 2次冰雹发生前850hPa形势场

图2 2次冰雹发生前850hPa高度场和风场

图3 地面形势图

2 水汽和不稳定层结分析

水汽是提供成云致雨的原料，对流云的形成必须有丰富的水汽和水汽供应，在有利的大尺度环流形势下，大气中的水汽含量是产生冰雹的决定性因素之一。图4给出了2次冰雹发生前夕的水汽通量分布。从低层的水汽通量演变看，2次冰雹发生过程中浙中北地区都有较高通量的水汽输入，2009年和2010年冰雹发生前浙中北区域的水汽通量都在10g·s-1·hPa·cm-1以上，且水汽通量分布特征与图1中的低空西南急流相一致，大值区分布在低空急流带上，表明西南风低空急流是此次强对流过程的主要水汽输送带。但从图2中也可看出，冰雹并非出现在水汽通量最大的地方，这个原因可能是因为低层水汽含量过大，在对流云发展早期，云内就会有大量的水汽凝聚，形成雨滴而降落，阻碍上升气流的进一步发展，反而不利于形成冰雹。水汽的垂直分布是影响气层稳定度的重要因子，当低层有湿舌而其上层覆盖着一干气层时，或在高层干平流与低层湿平流相叠加的区域，会使对流性不稳定增强。从图5、6水汽通量垂直剖面图上可以看到，水汽的输送主要集中在对流层低层，而高层则是相对干的区域，这种上干下湿的湿度配置反映出气层的对流性层结不稳定。

强对流天气的发生发展是不稳定能量积聚和释放的过程，低层充沛水汽输送为大面积冰雹的产生提供了有利的不稳定层结条件。在2次冰雹过程中，沿着低空急流在浙江有NE—SW走向的相当位温高能舌，且高相当位温值区域与低空急流水汽输送带基本重合，相当位温最大中心也出现在急流最大风速核区内，表明浙江中北部地区已具备发生强对流所需的大量不稳定能量。

图4 冰雹发生前850hPa水汽通量(阴影区域，g·s-1·hPa·cm-1)和相当位温(等值线，K)

图5 水汽通量垂直剖面图120°E

图6 水汽通量垂直剖面图30°N

3 环境风垂直切变分析

统计分析表明，环境风垂直切变的大小往往和形成强对流风暴的强弱密切相关。在给定湿度、不稳定性及抬升的深厚湿对流中，垂直风切变对对流风暴组织和特征的影响最大。垂直风切变的增强能使得强对流风暴进一步加强和发展，因为在大的切变环境下能够使上升气流倾斜，使得上升气流中形成的降水质点能够脱离上升气流，而不会因降水拖曳作用减弱上升气流的浮力；还可以增强中层干冷空气的吸入，加强对流风暴中的下沉气流和低层冷空气外流，再通过强迫抬升使得流入的暖湿气流更强烈地上升，从而加强对流。本文以200hPa和850hPa纬向风u之差来表示高低层风的垂直切变(s=∂u/∂z)，图7给出了冰雹发生前环境风垂直切变分布，如图7所示，无论是2009年还是2010年，2次冰雹过程中浙中北地区都处于大的风速切变环境中，切变值接近60m·s-1，在这种风切变环境下有利于组织完好的强对流风暴的强烈发展。

4 对流参数分析

4.1 对流有效位能(CAPE)

形成大冰雹的一个必要条件是要有强的，能长时间支撑着雹块的上升气流，足以使雹块增长到较大的尺寸。对强上升气流有主要贡献的是热浮力，一般来说，浮力越大，出现大冰雹的可能性越大。对流有效位能(CAPE)是指气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分，是风暴潜在强度的一个重要指标。在温度对数压力图上，CAPE正比于气块上升曲线和环境温度曲线从自由对流高度至平衡高度所围成的区域的面积。在浮力估计方面，CAPE的积分较其它指数更加可靠，CAPE的数值越大，则CAPE能量释放后形成的上升气流强度就越强。从CAPE值的演变来看，2009年2月24日08∶00CAPE高能带位于E118°以西地区，高能带上分布着2个中心，分别位于湖南江西交界处和广东西部，其中心值在1100J·kg-1以上，而此时浙中北地区CAPE值还很小，都在100J·kg-1以下，热浮力条件较差。至14∶00，见图8a，由于太阳辐射和暖平流的增温作用，CAPE高能中心值已增大至1300J·kg-1并东移至江西境内，此时浙中北的CAPE也逐渐增大，达200～300J·kg-1时，至24日20∶00即冰雹发生时刻，浙江中北部CAPE又有显著增长，浙江中西部地区已被CAPE高能中心控制，达1200J·kg-1以上，比较有利于冰雹的出现。2010年冰雹过程中，2月25日08∶00CAPE高能区呈NE—WS的带状分布，见图8b，在江苏安徽南部交界处、江西北部和湖南东北部分布着3个CAPE高值中心，中心值都在1000J·kg-1以上，此时浙江处于CAPE高值带南侧，其中浙北地区CAPE已达500J·kg-1以上。未来伴随低空切变的南压，CAPE高能带也相应南移，至25日14∶00整个浙江都已为CAPE高能区控制，生成冰雹的环境条件变得良好，但因25日白天浙江出现降水，太阳辐射升温条件较2009年冰雹过程差，至14∶00CAPE值增加不明显。从这2次冰雹过程CAPE数值与以往冰雹研究个例[2,4]的CAPE数值对比看，2009年和2010年冬季浙江冰雹过程的CAPE值都较小，这可能是冬季热力条件不如夏季所造成的。

图7 环境风垂直切变(m·s-1)

图8 冰雹发生前夕对流有效位能CAPE分布(J·kg-1)

4.2 抬升指数(LI)

抬升指数(LI)是一种表示自由对流高度以上不稳定能量大小的指数。其表示一个气块从抬升凝结高度出发，沿湿绝热线上升到500hPa处所具有的温度被该处实际大气温度所减得到的差值。差值为正数时，表示大气层结稳定。当差值为负数时，表明气块比其环境温度更暖，因此将会继续上升,该差值的绝对值越大，出现对流天气的可能性也越大。对2次冰雹中抬升指数的演变情况进行分析。2009年冰雹过程中2月24日08∶00浙中北仍为抬升指数正值区控制，其值从南到北为2～4不等，表明此刻浙中北的大气层结不稳定条件还不十分有利，浙江以西为负值区，负值中心则分布在江西和湖南交界处，未来负值区迅速向东扩展；至24日14∶00，见图9a，浙中北已由正值区演变为负值区，其值已降至-1左右，不稳定条件开始变得良好，至24日20∶00浙中北的抬升指数进一步陡降至-3～-5，见图10,冰雹正是在临近此时刻发生的。与2009年冰雹过程抬升指数演变有所不同，2010年冰雹过程中浙中北抬升指数负值区的出现时间较早，早在2月24日20∶00浙中北抬升指数已降至-2～-3，此时距离冰雹发生还有近24h，表明大气早已处于层结不稳定，随后此负值区一直维持至冰雹出现，但数值的绝对值没有出现陡增的现象，见图9b。

图9 冰雹发生前夕抬升指数LI分布

图10 抬升指数LI分布

5 成雹条件分析

影响落到地面冰雹尺寸的重要因子还有当雹块从冻结高度向地面降落时的融化效应。这种融化效应又受到很多因素的影响。冻结层至地面的距离。环境湿球温度0℃层高度接近下沉空气的冻结层高度，此层处最有可能出现雹块，这一层次离地越高，融化过程就越长，一般而言，0℃层的适宜高度为700～600hPa。从图11给出的E120°、N29°处温度探空曲线可知，2009年和2010年冰雹发生前0℃层高度分别约为600hPa和650hPa。冻结层和地面之间下沉空气的平均温度。平均温度越高，融化速度就越块。要产生冰雹除了冻结层高度合适外,还必须有足够的逆温区供冰雹运动和增长，这在图9中也可以看到，2次冰雹过程中低层都有温度垂直递减率小或逆温区存在。由于大水滴自然成冰的温度在-20℃左右，因此-20℃层的高度也是一个判断环境大气是否有利于冰雹云形成的参数。一般来讲，-20℃层的高度在400～500hPa时有可能出现冰雹，而2009年和2010年冰雹过程中-20℃层的高度都约在450hPa左右，均满足出现冰雹的条件。0℃层和-20℃层2个温度所在高度的气压差(冻结层厚度)分别为150hPa(约1.62km)和200hPa(约2.15km)，与形成冰雹的冻结层厚度相吻合。

图11 E120°，N29°温度垂直分布

图12 2009年2月24日组合反射率因图

6 雷达资料分析(以2009年冰雹为例)

根据宁波WSR-98D雷达探测资料分析，2009年2月24日傍晚开始，浙江西北部、苏南一带地区有回波生成并发展。18∶00—19∶00在金华有回波生成，并向东阳、嵊州方向移动并发展，19∶10回波移至东阳附近，在0.5仰角的反射率因子图上回波强中心已达50dBZ，此时该地区的天气实况有雷电但尚无冰雹出现，表明回波正处在发展阶段。19∶23部分强回波东移至嵊州西南部，低仰角观测到55dBZ的反射率因子面积进一步扩大，预示着地面冰雹区域的扩大，见图12a，中心极值达65dBZ以上，表明此时降落的冰雹粒子较大，地面实况为嵊州长乐镇出现了非常密集的直径为20～40mm的冰雹，同时地面伴有8级的冰雹大风，可见低仰角55dBZ以上的强回波通常与地面冰雹相联系。由图12b可知，19∶36，第1块强回波移至嵊州市区一带，强度略有减弱，地面天气实况为嵊州市区出现密集冰雹；第2块回波移入嵊州西南部，强度已增强到60dBZ，对应地面实况出现小冰雹；第3块回波也已增强至55dBZ，位于东阳境内。由图12c可知，19∶56，第1块强回波移至宁波境内，强度略有减弱，仍在55dBZ以上，地面天气实况为宁波西南部出现小冰雹；第2块回波移入嵊州市区东部，强度已增强到60dBZ以上，范围进一步扩大，对应地面实况浦口街道、下王出现大范围的直径20～40mm的冰雹；第3块回波强度有所减弱，55dBZ中心很小，对应地面局地小冰雹。由图12d可知，20∶03,第2块强回波基本移出嵊州，强度略有减弱，嵊州的冰雹基本结束，宁波的奉化出现了冰雹；第3块回波强度减弱，冰雹过程基本结束。从上述雷达回波特征及演变来看，这是一次多单体风暴，其生命史从发展至减弱约经历2h。

上述回波特征显示，低仰角55dBZ以上的强回波往往与冰雹发生地区有较好的对应关系，强回波中心范围越大，对应地面出现区域性冰雹的概率较大，大值中心移过的路径对应冰雹出现区域。此次强回波中心自西向东贯穿全市大部地区，从而造成了该次大范围罕见冰雹。

7 小结

本文从大尺度环流形势、水汽和稳定度条件、环境风垂直切变、对流指数、成雹条件以及雷达资料等多角度探讨了出现在2009年和2010年冬季浙江的2次罕见冰雹天气事件的成因。分析表明：2次冰雹过程都属于南支槽型，高空槽前强盛的西南气流和低层丰富的水汽输送为冰雹的产生提供暖湿不稳定层结条件，相当位温分析表明浙中北处于高能带中，地面辐合切变线是冰雹强对流天气发生发展的触发机制；2次冰雹事件都产生在较强环境风垂直切变中,200hPa和850hPa环境风垂直切变的绝对值都达到60m·s-1。环境温度的垂直分布也为冰雹的出现创造了良好的条件，0℃层和-20℃层的高度以及冻结层的厚度都有利于冰雹的增长；对流有效位能(CAPE)和抬升指数(LI)反映了有可能转化为上升气流的潜在能量,从而与强对流天气有好的对应，虽然冬季冰雹过程中CAPE和LI的绝对值较夏季冰雹事件要小，但CAPE的正值区和LI的负值区的发展仍对冰雹强对流的发生有指示意思；雷达低仰角55dBZ以上强的反射率因子与地面冰雹有较好的对应，其范围大小决定了降雹区域大小，其移动路径区域决定了一次冰雹过程的影响范围；而回波强中心极值大小对应地面冰雹的最大直径。