近10年石屏县冰雹的气候特征及降雹预警指标研究

朱府鸿，赵海俊

(1.石屏县气象局，云南 石屏 662200；2.绿春县气象局，云南 绿春 662500)

0 引言

冰雹是从发展强盛的积雨云中落到地面的冰球，是一种季节性明显、局地性强，且来势凶猛、持续时间短，以机械损伤为主的气象灾害[1]。研究冰雹发生规律，找到预警指标，对科学开展人工防雹作业，是降低冰雹灾害的最有效手段。早在20世纪70年代，国内外就有科学家在应用雷达识别冰雹云方面做了大量的工作，Mather等把45 dBz高度≥0℃层高度(H0)+3.3 km作为地面降雹的判据，瑞士、法国、意大利等国将45 dBz高度≥H0+1.4 km作为冰雹识别指标[2，3]，湖北恩施州把45 dBz强回波伸展高度≥7.5 km、累积液态含水量(VIL)密度≥3.2(g·m-3)作为有大冰雹的判据之一[4]，陕西省商洛地区用新一代天气雷达的VIL密度值明显跃增至5.5(g·m-3)提前24 min预警大冰雹，作为进一步补充和完善陕西极端突发强天气预警指标[5]，这些研究为降雹的短临预报提供了参考。但是，针对低纬高原地区的滇南冰雹的研究较少。石屏县地处低纬高原地带，季风气候典型，立体气候显著，气象灾害种类多，主要气象灾害有干旱、冰雹、大风、洪涝等。每年春季和夏季冰雹灾害易发多发，给当地农业生产造成了严重影响，不利于“农业增产、农村稳定、农民增收”，甚至会导致脱贫户的返贫。根据石屏县民政局和县应急管理局不完全统计，2010～2019年，冰雹灾害对全县每年农经作物造成的经济损失达5 000万元，已成为严重影响石屏县经济发展的自然灾害之一。为此，研究分析石屏县冰雹的气候特征及降雹指标，以提升冰雹灾害防御能力，对实现防灾减灾具有重要意义。

1 资料

选取2011～2020年石屏县所有的冰雹天气过程进行分析，当20∶00～20∶00时段内，石屏县出现≥1站次冰雹时，记为1个降雹日(同一块冰雹云影响多个站点时计作1个降雹日)，统计得到35次冰雹天气过程，46个降雹日。本文中的冬春季指1～5月，夏秋季指6～9月。冰雹实况取自石屏县气象台、灾情直报系统和云南省人影作业信息管理系统所记载的全县9个乡镇降雹资料。雷达资料选取普洱、昆明多普勒雷达，红河新一代天气雷达观测的2011～2020年冰雹天气过程雷达数据。

2 石屏县冰雹的特征分析

2.1 石屏县冰雹的年变化特征

据不完全统计，石屏县近10年共记载的冰雹日有46 d，平均每年4.6 d。从图1可知2011～2015年石屏县降雹日出现下降的趋势，2015年到达低点。2016～2020年呈现波段上升的趋势，期间，2017年出现了第一个高点，2018年出现上升途中的回落，2019年开始再次回升，2020年达近10年峰值(12 d)，整体来看冰雹天气呈先下降后上升的波浪走势。

图1 石屏县2011～2020年冰雹变化曲线图Fig.1 The change curve of hail from 2011 to 2020 in Shiping County

2.2 石屏县冰雹的月变化特征

从表1看出，近10年石屏冰雹天气最早出现在1月份(2020年3个冰雹日)，最晚为12月份(仅2012 年出现过一次)。从月变化看，冰雹天气主要集中出现在春季的4月、夏季的7～8月，4月降雹日为9d、7月降雹日为10 d、8月降雹日为13d，分别占整个冰雹总数的20%、22%、28%。

表1 石屏县2011～2020年降雹日月度分布表Tab.1 Monthly distribution of hail days from 2011 to 2020 in Shiping County

2.3 石屏县冰雹的日变化特征

从近10年46个降雹日24小时的降雹时刻分布看，一天中降雹最多的时段集中在14∶00～19∶00出现37次，占统计样本的80.4%。其中15∶00～17∶00出现频率最高，占总数的68%；21∶00～23∶00出现4次，占统计样本的8.7%；00∶00～02∶00出现3次，占统计样本的6.5%；18∶00～20∶00出现2次，占统计样本的4.3%。总体看，降雹呈下午多于上午，白天多于夜间的特征。

2.4 石屏县冰雹的入侵路径和落区

利用昆明、普洱多普勒天气雷达、红河新一代天气雷达的观测资料，统计近10年35次强对流天气过程冰雹云的运动方向，得出影响石屏县的冰雹路径主要有4条(图2)：第一条(西路)，出现在冬春季，冰雹云从元江县自西向东进入石屏县，降雹地点主要出现在西部的大桥、中部的宝秀、异龙、新城和南部的牛街等乡镇，共出现20次，占总数的43.5%；第二条(东北路)主要出现在夏季，冰雹云从通海县进入石屏影响龙朋、哨冲、龙武、大桥、新城、宝秀、异龙等乡镇，共出现18次，占总数的39%；第三条(西北路)主要出现在7～8月，影响龙武、哨冲、大桥、宝秀、新城、异龙等乡镇，出现3次，占总数的6.5%；第四条(北路)出现在夏秋季(8～9月)，出现2次，占总数的4.3%，其它路径如东路、西南路、东南路各出现1次，占比较少，影响也较弱。

图2 石屏冰雹主要路径图Fig.2 Shiping hail main path map

2.5 引发石屏降雹的主要天气系统及季节特征

通过统计2011～2020年石屏县降雹日的天气系统，得出冬春季影响天气系统有南支槽、静止锋和南支槽、冷空气和南支槽，分别占总降雹日的25.4%、5.4%、3.2%。冬春季出现的南支槽天气系统(图3a)，其特点是系统自西向东移动速度较快，地面常有超过17(m·s-1)以上的偏西大风，冰雹直径比夏季的更大、冰雹云从发展到成熟阶段仅需10～12分钟就形成降雹。夏秋季主要的影响天气系统有辐合切变占16.6%、低压外围偏东气流占16.5%，副高外围东北气流占15.1%，西行台风外围云系占6.6%，副高外围偏北气流占4.0%，副高外围西北气流占3.6%，副高边沿偏南气流占3.2%等。夏秋季经常出现的辐合切变、西行台风外围云系、高压外围偏东气流天气系统形式图分别见图3b、图3c、图3d。近10年来，引发灾害最重的天气系统是2017年8月23日出现的第13号台风“天鸽”，受其影响，此次冰雹天气过程，造成全县9个乡镇农经作物不同程度受到大风、冰雹袭击，影响范围和直接经济损失，为近10年来灾情最重的一次。

图3 石屏县近10年冬春季和夏秋季的典型影响天气系统Fig.3 Typical impacting weather system in Winter-Spring season and Summer-Autumm Season of past 10 years in Shiping

(a)冬春季南支槽天气系统500 hPa高度场(单位：dagpm)；(b)夏秋季辐合切变天气系统槽700 hPa(单位：m·s-1)；(c)夏秋季西行台风天气系统500 hPa高度场(单位：dagpm)；(d)夏秋季高压外围偏东气流500hap高度场(单位：dagpm)

(a)500 hPa height field of weather system in South Branch Channel in winter and spring (unit：dagpm)；(b)700 hPa(unit：m·s-1)in the convergent shear weather system in summer and autumn；(c)500 hPa height field of westward typhoon weather system in summer and autumn(unit：dagpm)；(d)The 500hap height field of easterly airflow outside the high pressure in summer and autumn(unit：dagpm)

3 冰雹发生前的环境场特征

通过分析2011～2020年降雹日08∶00或20∶00，思茅(1～5月)、蒙自(6～9月)探空资料，(思茅探空站位于雷达站西南侧，直线距离6.2 km，蒙自探空站位于雷达站东侧，直线距离29 km)，总结出石屏县冰雹发生前的环境场特征。由于冬季(12月)和秋季(9～11月)出现的降雹日数偏少，以下只分析冬春季和夏秋季。

3.1 水汽条件(700 hPa比湿)

比湿是指在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量(水汽质量加上干空气质量)的比值。若湿空气与外界无质量交换，且无相变，则比湿保持不变，以g·kg-1为单位[6，7]。统计700 hPa比湿发现，冬春季比湿平均值、上下限值小于夏秋季。冬春季700 hPa平均比湿为7(g·kg-1)，下限值为5(g·kg-1)，最高10(g·kg-1)，80%以上降雹日比湿在6～9(g·kg-1)之间；夏秋季700 hPa平均比湿为11(g·kg-1)，下限值9(g·kg-1)，最高值12(g·kg-1)，90%降雹日数比湿在9～12(g·kg-1)。

3.2 不稳定度与能量(K指数、SI指数、CAPE)

有研究指出冰雹发展的必要条件之一是有强的上升气流，而上升气流的强弱，主要取决于对流不稳定能量[8-13]，稳定度表征大气层结的稳定情况，一些表征稳定度的参数对雷暴大风、冰雹具有很强的指示意义，国外就曾使用沙氏指数的大小预报强对流天气的等级[3]。俞小鼎等[8-10]研究表明：一定的SI指数、K指数、CAPE值等物理量加上适宜的 0℃与-20℃层高度均指示当天有利的降雹环境。

3.2.1 K指数

K指数是一个综合反映对流层中低层(850～500 hPa)温度递减率和湿度分布的组合物理量[1]。一般K值越大，潜能越大，大气越不稳定。统计得出石屏降雹日冬春季K指数平均值为35℃，下限值为30℃；夏秋季K指数平均值为39℃，下限值为36℃，可见K指数下限值和平均值冬春季比夏秋季都偏小。

3.2.2 沙氏指数SI

沙氏指数公式：

SI=T500-TS

式中：T500是500 hPa上的实际温度；TS是 850 hPa等压面上的湿空气团沿干绝热线上升到达凝结高度后，再沿湿绝热线上升至500 hPa时所具有的气团温度，单位：℃。沙氏指数SI>0表示气层较稳定，SI<0表示气层不稳定，负值越大，气层越不稳定。

对石屏县近10年46个降雹日SI值进行统计得出，冬春季SI在-3.6～2.1℃；夏秋季SI在-3.3～1.0℃，其中SI<0时出现冰雹次数为42次，SI>0时出现冰雹次数为4次。

3.2.3 对流有效位能CAPE

CAPE用来衡量热力不稳定的最佳参量，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 T-ln P图上，CAPE正比于气块上升曲线(状态曲线)和环境温度曲线(层结曲线)从自由对流高度(LFC)至平衡高度(EL)所围成的区域面积。CAPE数值的增大表示上升气流强度及对流发展的潜势增加。对石屏县近10年46个降雹日CAPE值统计得出，冬春季CAPE<50(J·kg-1)出现7次，CAPE>1 000(J·kg-1)的1次，介于50～500(J·kg-1)出现8次，500～1 000(J·kg-1)出现3次；夏秋季CAPE<50(J·kg-1)出现1次，50～500(J·kg-1)出现18次，500～1 000(J·kg-1)出现7次，CAPE>1 000(J·kg-1)的1次。

3.3 T850-T500温度差△T特征

850 hPa与500 hPa温度之差，此指标指示中低层温度层结递减程度，故称△T为层结递减参数，此数越大(说明上冷下暖)越不稳定，它能加强和助长低层气团的上升运动。统计得出降雹日850 hPa与500 hPa温度之差，冬春季△T在22～35℃，平均值为26℃；夏秋季△T在20～25℃，平均值为24℃，可见，冬春季比夏秋季温度差明显偏大。

3.4 0℃和-20℃层高度

冰雹要求特殊的0和-20℃层高度，适宜的0和-20℃层高度是降雹必不可少的前提条件[1，8，11-14]，是冰雹预报中的一个重要因子。段鹤等[2]研究表明，降雹天气过程对应的H0为3.8～5.5 km，平均4.5 km，H-20为7.1～8.9 km，平均7.8 km；分析石屏县近10年46个降雹日的探空资料得出，冬春季H0的高度在3.7～4.8 km，平均4.2 km，H-20的高度在6.6～8.5 km，平均7.4 km；夏秋季H0为5.0～5.5 km，平均5.3 km，H-20为8.1～9.1 km，平均8.7 km。冬春季H0高度和段鹤等的研究结果基本一致，夏秋季H-20的高度由于个例偏少，结果略高。

4 雷达回波产品的特征

4.1 冰雹云反射率因子的垂直分布特征

用云南省人影作业指挥系统(3DAiwComm)，对石屏县近10年的46块冰雹云作RHI垂直剖面分析发现，45 dBz顶高在6.0～11.6 km，平均高度为8.7 km；50 dBz顶高在4.6～10.5 km，平均高度为7.8 km；55 dBz高度在4.5～8.7 km，平均高度为7.0 km；≥60 dBz高度在4.0～7.7 km，平均高度值为6.3 km(表2)。根据对近10年冰雹云反射率因子的剖面统计分析，得出石屏县降雹的雷达回波反射率因子垂直分布特征为：45 dBz顶高≥6.0 km、50 dBz顶高≥4.6 km、55 dBz顶高≥4.5 km、大于等于60 dBz顶高≥4.0 km，以上指标作为石屏降雹预警的临界值参考意义较大。

表2 成熟阶段的46块冰雹云的RHI垂直剖面数据特征表Tab.2 The characteristic table of RHI vertical profile data of 46 hail clouds in the mature stage

4.2 ≥45 dBz回波在-20℃层中的厚度特征

对46块冰雹云作垂直剖面统计分析发现：当雷达回波反射率因子Z≥45 dBz厚度到达或穿越-20℃等温度层时，对应地面即发生降雹。图4为选取46块冰雹云中的最弱、中等和最强冰雹云的雷达回波垂直剖面图。图4a 为2017年2月3日17∶36发在异龙镇鸭子坝冰雹云的RHI图(最弱的一次冰雹天气过程)；图4b 为2020年8月5日17∶23发生在龙武镇龙车村的冰雹云RHI图(中等强度的一次冰雹天气过程)；图4c 为2017年8月23日14∶43发生在大桥白尼莫村的冰雹云RHI图(最强的一次冰雹天气过程)。

图4 降雹时最弱(a)、中等(b)和最强(c)的雷达回波垂直剖面图Fig.4 Vertical profile of the weakest(a)，medium(b)and strongest(c)radar echoes during hail

4.3 冰雹云的VIL特征

垂直累积液态水含量(VIL)是判别冰雹、雷雨、大风等灾害性天气的有效工具之一[9]。对石屏县近10年46块冰雹云的垂直累积液态水含量(VIL)统计分析发现(表2)，冰雹云VIL下限值为8(k·m-2)，平均值为24.3(kg·m-2)，80%的降雹日VIL值在20～30(kg·m-2)。另外，降雹过程中VIL值也有不同程度的跃增变化，冰雹发生前冰雹云回波在一个体扫时间内均出现5(kg·m-1)以上的跃增；有75%的冰雹云出现了10(kg·m-1)以上的跃增；有25%的冰雹云出现了15(kg·m-1)以上的跃增，达到最大后地面出现降雹，降雹后VIL值随之减小。日常防雹减灾工作中，针对石屏地区，可以将VIL≥8(kg·m-1)和VIL出现5(kg·m-1)以上的跃增作为石屏降雹的临界值作为参考。

5 石屏县降雹的综合预报预警指标

(1)影响天气系统：冬春季，出现南支槽天气系统，有静止锋或冷空气配合；夏秋季，受辐合切变、低压外围偏东气流、副高外围东北气流、西行台风外围云系等天气系统影响。

(2)冰雹发生前的环境场特征：冬春季700 hPa 比湿≥5(g·kg-1)、K指数≥30℃、SI指数≤2.1、T850-T500≥22℃、H0≥3.7 km、H-20≥6.6 km。夏秋季700 hPa 比湿≥9(g·kg-1)、K指数≥36℃、SI指数≤1.1、T850-T500≥21℃、H0≥5.0 km、H-20≥8.1 km。

(3)雷达回波指标：45 dBz顶高≥6.0 km、50 dBz顶高≥4.6 km、55 dBz顶高≥4.5 km、大于等于60 dBz的顶高≥4.0 km；≥45 dBz反射率因子顶高到达或穿越-20℃等温度层；VIL≥8.0(kg·m-2)。

6 结语

(1)统计得出石屏县近10年冰雹日为46 d，平均每年4.6 d。年际变化为2011～2015年降雹日出现下降的趋势，在2015年出现低点；2016～2020年呈现波段上升的趋势，2020年达近10年峰值(12 d)。

(2)统计得出石屏县降雹日月际变化规律。冰雹主要出现在4月、7月和8月，分别占整个冰雹日数的20%、22%和28%。

(3)统计得出一天中降雹时段主要出现在14∶00～19∶00，其中15∶00～17∶00频率最高；其余时段21∶00～02∶00也有少量降雹。总体来看，降雹时段在一天的分布主要是下午多于上午，白天多于夜间。

(4)近10年影响石屏的冰雹路径主要有4条：第一条(西路)，主要出现在冬春季；第二条(东北路)，主要出现在夏季；第三条(西北路)，主要出现在夏季；第四条(北路)，主要出现在夏秋季。其它路径如东路、西南路、东南路各出现1次，占比较少，影响也比较弱。

(5)石屏近10年冰雹的影响天气系统在冬春季有南支槽、静止锋和南支槽、冷空气和南支槽；夏秋季主要有辐合切变、低压外围偏东气流、副高外围东北气流、西行台风外围云系、副高外围偏北气流、副高外围西北气流、副高边沿偏南气流等。

(6)石屏县降雹的综合预报预警指标：①影响天气系统：冬春季，出现南支槽天气系统，有静止锋或冷空气配合；夏秋季受辐合切变、低压外围偏东气流、副高外围东北气流、西行台风外围云系、副高外围偏北气流、副高外围西北气流、副高边沿偏南气流等天气系统影响；②物理量场参考指标：冬春季700 hPa 比湿≥5(g·kg-1)、K指数≥30℃、SI指数≤2.1、T850-T500≥22℃、H0≥3.7 km、H-20≥6.6 km。夏秋季700 hPa 比湿≥9(g·kg-1)、K指数≥36℃、SI指数≤1.1、T850-T500≥21℃、H0≥5.0 km、H-20≥8.1 km；③雷达回波指标：45 dBz顶高≥6.0 km、50 dBz顶高≥4.6 km、55 dBz顶高≥4.5 km、大于等于60 dBz的顶高≥4.0 km；≥45 dBz反射率因子顶高到达或穿越-20℃等温度层；VIL≥8.0(kg·m-2)。