吉林省两次区域性冰雹过程对比分析

马洪波 赵新宇 曹 前

（1.吉林省气象台，吉林长春 130051；2.通化市气象局，吉林通化 134001；3.延边朝鲜族自治州气象局，吉林延吉 133001）

1 引言

吉林省位于中纬度欧亚大陆东部，我国东北地区中部，在全国气候区中，属温带大陆性季风气候[1]。吉林省地形复杂，东部主要是中低山区和低山丘陵区，中西部为台地平原区和沙丘覆盖冲积平原区，平原区占全省面积的40%，农业非常发达。吉林省的气候特征和地形特征导致冰雹成为吉林省的主要气象灾害之一。

2014—2016年，吉林省冰雹日数为62d，共87站次。根据87站次冰雹天气发生前物理参数的统计结果，参考各参数的取值范围和参数之间的互补性以及个别参数的极值，总结了产生冰雹天气的定量化环境条件和冰雹天气的雷达定量指标。上述个例中，绝大多数冰雹过程都是局地冰雹，影响范围小；仅有3次过程是区域性冰雹，影响范围广，造成的灾害比较严重，下面选取这3次过程中的2次比较典型的过程进行详细对比分析。

2 资料来源

冰雹日历资料采用灾害性天气年鉴中冰雹灾害记录和吉林省55个观测站点的冰雹观测报文；天气形势和物理量计算数据均使用NCEP 0.25°×0.25°再分析资料；雷达资料采用吉林省5个雷达站的体积扫描基础数据。

3 具体过程分析

3.1 2014年7月23日冰雹过程

3.1.1 灾情实况

2014年7月23日午后，长春市九台区、德惠市、吉林市、舒兰市等多个乡镇遭受冰雹袭击。23日12时56分—16时20分，长春市九台区大部分乡镇遭受不同程度的冰雹和大风灾害影响；23日13时05分—13时30分德惠市布海镇、惠发街道出现冰雹，持续25min；23日13时32分—14时35分，舒兰市法特镇、溪河镇、新安乡、开原镇出现局地冰雹、大风天气；吉林市高新区、龙潭区缸窑镇、船营区大绥河镇、搜登站镇、越北镇等6个乡（镇、街）32个行政村遭受风雹灾害，冰雹最大直径10mm，瞬间风力达7级。

3.1.2 天气形势

2014年7月21日，吉林省受冷涡底部平直西风气流控制，冷涡中心比较偏北，位于黑龙江省以北，冷涡主体对吉林省影响较小。22日开始，冷涡后部一股冷空气南下，500hPa高度场上表现为横槽下摆。到23日08时（图1a，图中蓝色阴影为大风速区，下同），高空槽经向度较大，槽线南沿已伸至辽宁省北部，吉林省处于槽前偏西气流控制，风速达到22m/s，高层冷平流较强。槽后有冷槽配合，在正热成风涡度平流的作用下，高空槽进一步发展加强。到23日14时（图1b），高空槽缓慢东移，槽前偏西气流和高层冷平流进一步加强。

图1 2014年7月23日08时（a）和14时（b）500 hPa高度场（单位：10gpm）、温度场（单位：℃）和风场（单位：风向杆）

从中低层形势看，23日14时，700hPa有明显的高度槽与500hPa相对应，槽前有明显的温度锋区。850hPa冷切变位于吉林省中部偏北，切变右侧有明显西南气流，最大值达到12m/s，切变线左侧的西北气流较强，最大值达到10m/s，切变线位置对应有明显的温度锋区。

11时的地面形势场上，吉林西部至辽宁南部为东北—西南走向的冷锋；到14时冷锋移至吉林省中部，并且锋后西北风有所加大。地面冷锋为此次过程的触发机制。从高低层的环流配置来看，此次过程高低层配置具有明显斜压性特征。

3.1.3 环境条件

在高层冷平流与低层暖平流的作用下，吉林省中部不稳定层结条件逐渐加强，到7月23日14时，吉林省中部CAPE值达到500J/kg以上，K指数达到32℃；LI指数中部地区都小于-1℃，中北部有小值中心，舒兰达到-6℃。中东部850hPa和500hPa温差大于28℃，中北部有30℃大值中心；整个吉林省0—6km垂直风切变件较好，均超过14m/s。

根据NCEP再分析资料计算了各自动站冰雹天气发生前的物理量数值（表1）。各站的CAPE值均超过500J/kg，K指数为32℃，抬升指数均小于-4℃，850hPa和500hPa温差为30℃，各参数值都比较显著，不稳定条件较好，只要满足触发条件，就会出现强对流天气。另外，各站的0℃层高度均在4 000m左右，-20℃层高度为7 000m左右，这样的高度为降雹提供了可能。从垂直风切变看，各站切变值都达到24m/s，有利于对流云的组织性和持续性。

表1 2014年7月23日08时各站物理量参数

3.1.4 雷达回波分析

利用长春多普勒天气雷达资料，分析了此次冰雹过程的回波演变特征。此次天气系统的触发机制是地面冷锋，对流云主要在地面冷锋前部发展起来。

7月23日12时38分（图2a），长春雷达站西北部60km处可以观测到积云线，积云线东侧农安和德惠境内有对流单体开始发展，其中有3个单体中心强度均超过45dBz。对这3个单体做剖面分析发现，45dBz顶高均没有超过7km，没有达到-20℃层高度，没有达到冰雹判别标准。到12时59分（图2b），积云线东侧对流单体迅速发展加强，并向偏东方向移动，与500hPa引导气流方向一致。同时又有新的单体发展加入，这些单体主要位于长春以北，对流云呈现爆发性发展，单体个数和强度都有明显增强。这些对流单体呈东北—西南走向，但没有连成带状，走向与地面冷锋走向基本一致。通过剖面分析，其中3个单体45dBz顶高超过7km，达到-20℃层高度，回波VIL值也持续增大达到最大值53kg/m2，此时VIL密度为4.5g/m3，达到降雹标准，但此时没有产生冰雹天气。随后VIL值略有下降，但始终保持在45kg/m2左右。12时56分，九台开始降雹；13时05分，德惠开始降雹。VIL达到最大值的时间约提前降雹开始时间2～8min。随后随着这些单体强度稳定维持，并缓慢东移，影响德惠、九台、舒兰多个乡镇。

图2 2014年7月23日12时38分（a）和12时59分（b）长春雷达1.5°仰角回波强度

23日15时00分（图3a），前文的单体基本移出雷达探测范围，长春东部和东南部又有新单体生成发展，强中心超过50dBz，这些单体较之前的单体位置稍偏南，向偏东方向移动。这时单体处于新生发展阶段，剖面分析显示，45dBz顶高均没有超过6km，没有达到降雹标准。到15时05分（图3b），新生单体迅速发展加强，北侧更靠近不稳定中心的单体发展最快，回波面积扩大，45dBz顶高迅速发展到8km，但中心强度没有继续增加，此时VIL值达到最大值48kg/m2，VIL密度达4g/m3，达到降雹标准，但此时没有冰雹下落；其他新生单体强度和高度没有大幅增加，没有达到降雹标准。随后回波在东移过程中，强度稳定维持，VIL值始终保持在40kg/m2以上，并在2个体扫后影响吉林大部，产生最大直径10mm的冰雹。从VIL达到最大值开始下降到冰雹的产生，为1～2个体扫时间，即6～12min。

图3 2014年7月23日15时00分（a）和15时05分（b）长春雷达1.5°仰角回波强度

从本次风暴的演变过程中风暴的强度变化和VIL值变化与冰雹产生的时间来看，此次冰雹过程由地面冷锋系统触发，冰雹的产生均来自快速发展并稳定维持的强对流单体。对流触发后，对流单体均快速发展加强，相对应的VIL值也快速增加。从对流单体的强度对比来看，越靠近不稳定中心的单体对流发展越旺盛，强度也越强。达到冰雹预警指标并且VIL值达到最大时刻，到观测到冰雹的时间约为1～2个体扫。单体的移动方向主要是沿500hPa引导气流方向。

3.2 2016年8月16日冰雹过程

3.2.1 灾情实况

2016年8月16日午后，吉林省西部大安、通榆、乾安、农安等多个乡镇出现冰雹天气。16日15时50分左右大安市部分乡镇出现短时强降水伴有雷雨大风、冰雹等天气；16日18时20分，通榆县鸿兴镇、八面乡、瞻榆镇3个乡镇的聚福村、问牛村、东升村等7个行政村11个自然屯遭受风雹灾害，冰雹历时23min，最大直径15mm；16日18时10分—18时40分许，农安县高家店镇玍家村、万金塔乡五里卜子村等2个乡镇的5个行政村遭受冰雹、大风天气，强降雨持续约30min，降水量达30mm，冰雹直径最大达10mm左右；16日18时10分左右，乾安县让字镇的海字村、号字村、藏字村、淡字村、河字村、小贤村、遐字村和大咸村出现雷雨大风和冰雹，冰雹持续时间30min，瞬间风力达7级。

3.2.2 环流形势

2016年8月16日08时（图4a），吉林省中西部受高空冷涡底部槽后西北气流控制，冷涡中心位于黑龙江省以北，对吉林省影响较小，槽后西北气流强度较大，最大值达到20m/s，高层冷平流比较明显。到14时（图4b），白城西北部可以看到-15℃冷中心，风场与温度场交角接近90°，高层冷平流进一步加强。

图4 2016年8月16日08时（a）和14时（b）500 hPa高度场（单位：10gpm）、温度场（单位：℃）和风场（单位：风向杆）

从中低层形势看，23日14时，700hPa吉林省中西部受西北气流控制，温度场与风场的交角也接近90°，700hPa冷平流也比较明显，最大风速达到8m/s。850hPa吉林省西部处于温度暖脊前部，偏西风风速较小，有弱暖平流。

14时的地面形势场上，吉林省受地面均压场控制，白城境内有2条地面辐合线；到17时，地面气压系统略有增强，地面出现多条辐合线，白城西部出现南北走向西北风与西南风辐合线，类似冷锋结构，但尺度很小。地面辐合线为此次冰雹过程的触发机制。从高低层的环流配置来看，此次过程不稳定层结建立的主导因素是中上层的冷平流，低层暖平流不明显，地面无明显气压系统。

3.2.3 环境条件

8月16日14时，吉林省中西部CAPE值200J/kg左右，梯度小，范围广。K指数吉林省中西部均超过32℃；LI指数分布与CAPE类似，中西部都在-2～0℃，梯度较小。全省大部850hPa和500hPa温差大于26℃，大值中心位于西部，达到30℃；整个吉林省0—6km垂直风切变条件较好，均达到12m/s。

根据NCEP再分析资料计算了各自动站冰雹天气发生前的物理量数值（表2）。各站的CAPE值均超过200J/kg，其中长岭超过500J/kg，CAPE值有一定指示，但强度较小。K指数均达到34℃，比较显著，和CAPE值有互补性，抬升指数均小于-1℃，850hPa和500hPa温差为28℃，各参数值都满足降雹指标，具有一定不稳定条件。另外，各站的0℃层高度均在4 000m左右，-20℃层高度为7 000 m左右，与上个例子比较相近，这样的高度为降雹提供了可能。从垂直风切变看，各站切变值都达到12m/s，达到中等强度，有利于冰雹云的发展。

表2 2016年8月16日14时各站物理量参数

3.2.4 雷达回波分析

利用白城多普勒天气雷达资料，分析了此次冰雹过程的回波演变特征。此次天气系统的触发机制是地面辐合线，对流云主要在地面辐合线附近发展起来。

8月16日13时59分（图5a），白城北部的镇赉和大安境内有对流单体发展，位置与14时地面图上的辐合线位置非常吻合，回波中心强度达到50dBz，但是面积较小，剖面分析发现，45dBz顶高6km，没有达到-20℃层高度。同时在白城西北部100km处有东北—西南向带状回波生成，中心强度在45dBz以下。随后在2条辐合线附近始终有对流单体生成并沿500hPa引导气流方向缓慢向东南偏东方向移动，但始终没有达到降雹标准，以降雨为主。15时38分（图5b），大安北部回波强度加强，中心强度超过55dBz，45dBz顶高达到8km，超过-20℃层高度，符合降雹标准，VIL值也明显增大，中心强度达到45kg/m2，此时地面没有降雹。同时，白城雷达站西北侧的带状回波快速移近，强度增强，面积扩大，中心强度超50dBz，但发展的高度不高，45dBz顶高在6km左右，没有达到降雹标准。

图5 2016年8月16日13时59分（a）和15时38分（b）白城雷达1.5°仰角回波强度

15时49分（图6a），回波强度进一步加强，中心强度达到60dBz，高度达到4.5km，超过0℃层高度，45dBz顶高达到9km，VIL值达到最大值60kg/m2，VIL密度值5.0g/m3。回波形态具有明显V型缺口特征，冰雹特征非常明显，大安北部开始出现冰雹，随后此对流单体强度稳定维持，向东南偏东方向移动，并于18时10分左右影响乾安，造成乾安多个乡镇出现冰雹天气。另外，白城站西北部带状回波继续向东南偏东方向快速移动发展，并逐渐发展成东北—西南走向的飑线，飑线形成前期，主要是以降雨和大风为主，没有达到冰雹的标准。到18时16分（图6b），飑线移至通榆东部，飑线前沿镶嵌多个强核，大部分中心强度超过50dBz。剖面分析发现，大部分回波的45dBz顶高没有达到7km，没有达到降雹标准，以降雨为主。飑线最北侧的一个单体强烈发展，中心强度达到60dBz，中心伸展高度达到5km，45dBz顶高达到7km，VIL达到最大值55kg/m2，达到降雹标准。18时20分，通榆北部乡镇产生冰雹。VIL达到最大值的时间提前降雹开始时间约4min。同时，在农安北部，受地面辐合线的触发，有对流单体发展加强，与大安冰雹云风暴类似，在冰雹发生前1个体扫，对流单体强度和高度达到冰雹标准，并且VIL值达到最大。VIL值达到最大的时间提前降雹时间约6min。

图6 2016年8月16日15时49分（a）和18时16分（b）白城雷达1.5°仰角回波强度

从本次风暴的演变过程中风暴的强度变化和VIL值变化与冰雹产生的时间来看，此次冰雹过程由地面辐合线触发，通榆冰雹的产生来自飑线中的强单体；其他地方的冰雹均来自快速发展并稳定维持的强对流单体。冰雹发生前，对流单体均处于快速发展加强的过程，相对应的VIL值也快速增加。从达到冰雹预警指标并且VIL值达到最大的时刻，到观测到冰雹的时间为1～2个体扫。风暴的移动方向主要是沿500hPa引导气流方向。

4 结语

（1）灾害天气的类型和强度与大尺度环流背景和环境条件密切相关。2014年7月23日过程属于斜压锋生类，高层冷平流和低层暖平流均较强，水汽输送条件较好，风切变较强，不稳定条件更加充分，对流风暴的强度和组织性更强，对流单体的维持时间也更长，从灾害类型看主要是冰雹和强降水；2016年8月16日过程属于强冷平流强迫类，700hPa以上为干冷平流，850hPa平流较弱，水汽输送较弱，风切变中等强度，不稳定条件也较前一过程明显偏弱，从灾害类型看主要是冰雹和大风。

（2）从冰雹的落区来看，2014年7月23日过程强对流的触发机制是地面冷锋，冰雹云主要在冷锋前侧发展起来，并在不稳定区内稳定维持；2016年8月16日过程强对流的触发机制为地面辐合线，冰雹云主要在地面辐合线附近发展加强。两次过程的触发系统均为地面中尺度辐合系统。对流云的移动方向两次比较一致，主要沿500hPa引导气流方向移动。

（3）从冰雹发生的时间来看，两次过程都发生在中午至傍晚时段内，这可能与太阳辐射对下垫面不断加热，使不稳定条件进一步加强有关。冰雹发生前，冰雹云均有快速增强的过程，强度加大，高度更高，且相对应VIL值也会迅速增强，达到冰雹预警标准后，VIL值达到最大值的时间约提前冰雹发生时间1～2个体扫。