昆明地区冰雹灾害事件的大气层结特征分析

蒋雯玉，王占良，王 菲

(1.晋宁区气象局，云南 昆明 650600；2.昆明市气象局，云南 昆明 650501)

0 引言

冰雹灾害作为一种具有较强致灾性的强对流天气，长期以来被广泛并深入开展研究。Johns and Doswell认为长时间的、强的上升运动是支撑冰雹增长为大冰雹的必要条件。以往观测研究发现产生大冰雹的对流风暴内部上升速度可超过40～50(m·s-1)。已有研究表明，冰雹灾害事件与深厚对流有关，明确指明了与之相联系的局地强风暴发展初期主要决定于环境场条件，冰雹灾害产生很大程度取决于大气层结状态的配合程度。陈晓燕[1]、李怀宇等[2]分别对黔西南州、广西的冰雹事件时空分布进行了分析研究。王占良[3]、沈鹰等[4]对云南滇中部分地区的冰雹灾害时空分布、人工防雹对策等进行了分析，盛志军、邓超等[5]对江西的冰雹天气环境条件和特征进行了研究。

中国大多数预报员都将干球温度0℃层作为冰雹融化层高度。当冰雹下落到干球温度0℃层以下时，由于融化，其表面出现一层水膜，非常类似包裹着湿纱布的酒精玻璃球。大气冻结层(干球温度0°层)高度、-20℃层高度对冰雹产生有重要作用。人工增雨和防雹，理论上要考虑零度层的高度，结合水气条件和云层分布，根据不同地区对产生冰雹灾害的层结及环境条件要求不同，最佳作业角度，效果才能理想。零度层高度的特征和季节变化，在天气预报、气候分析、人工增雨防雹等领域受到广泛关注，是一个特别重要的参考指标。俞小鼎对冰雹的融化层高度进行了研究[6]，刘晓骑、刘建西等利用探空资料分析大气层结特征并对冰雹预报方法进行了研究[7]。曾智琳等认为，从对流系统内产生雹胚、到雹胚增长为大冰雹，大气的层结状态在其中发挥着重要作用[8]。因此，加深认识冰雹发生的大气温度层结状态是成功预报冰雹灾害的前提和关键。雷蕾等[9]研究表明探空资料是反映本地及邻近地区大气垂直温湿结构的最重要的手段，也是预报员在短时效内确定大冰雹潜势条件的重要资料。但针对云南低纬高原山地的大气层结特征及人工防雹应用研究较为缺乏。

本文通过遴选昆明近10年冰雹灾害事件，并以2013～2019年5～9月中度以上共209个冰雹灾害事件为主要研究对象，结合高空探测资料进行分析，统计出各月零度层高度和负温区厚度的变化情况，从环境条件及层结特征的角度出发，对冰雹个例进行系统性分析，重点讨论冰雹事件的垂直大气温湿结构，对各项特征的机理成因进行分析和探讨，为指导人工防雹提供重要参考依据。

1 资料来源及冰雹灾害等级划分

1.1 资料来源

2010～2019年冰雹数据由中国人民财产保险公司昆明分公司和昆明市人工影响天气中心提供；高空气象探测数据为2013～2019年，由昆明国家基准气候站提供。

1.2 冰雹灾害分级

本文以昆明地区烤烟种植期冰雹事件为研究对象，根据每一次冰雹过程造成烤烟种植受灾面积定义，受灾面积<6.7 hm2(100亩)为轻度灾害，6.7 hm2(100亩)≤受灾面积<33.3 hm2(500亩)为中度灾害，受灾面积≥33.3 hm2(500亩)为重度灾害。

昆明地区烤烟种植每年4月中下旬移栽，9月下旬采收结束，受冰雹天气影响易造成灾害的季节为5～9月，6～8月冰雹灾害的损失最严重，通常称5～9月为烤烟防雹期，6～8月为防雹关键期，本文以5～9月的中度及以上冰雹灾害事件进行研究。

2 昆明地区烤烟种植期冰雹灾害特征统计

2.1 5～9月冰雹灾害年分布和月分布特征

2010～2019年5～9月，昆明地区共发生中度以上冰雹灾害273次(图1)，各月分布极不均匀。6～8月多，5月和9月少。7月份冰雹最多，101次，平均每年10次；其次8月87次，平均每年8.7次；5月和9月最少，平均每年仅1.5次；7～8月占5～9月的68.9%。

图1 昆明地区10年内5～9月各月冰雹灾害个例统计Fig.1 The statistics of hail disasters from May to September in 10 years in Kunming

年分布也极不均匀(图2)。昆明地区平均每年5～9月有27.3次冰雹灾害天气，2017年和2013年较多，分别为44次和39次，2014年和2019年较少，仅有17次。

图2 昆明地区10年内5～9月冰雹个例逐年统计Fig.2 Annual statistics of hail cases from May to September in 10 years in Kunming

2.2 关键期6～8月冰雹灾害候分布特征

关键期6～8月冰雹灾害候分布不均匀(图3)，总体趋势看，从6月第二候至7月第六候冰雹灾害次数是递增的，从7月第六候至8月第四候次数是递减的。7月第五候至8月第三候较多，7月第六候最多，共31次，平均每年该候出现冰雹灾害3.1次，约每两天就出现一次；其次是8月第三候，共25次，该候平均每年2.5次。所以，每年7月第五候至8月第三候，是昆明地区冰雹灾害重点防御阶段。

图3 昆明地区10年内6～8月冰雹灾害个例候统计Fig.3 The statistics of hail disasters from June to August in 10 years in Kunming

3 昆明地区冰雹灾害事件大气层结特征分析

利用昆明站2013年至2019年08∶00和20∶00的高空探测资料，分析冰雹灾害天气0℃层、-6～-8℃层、-20℃层的高度以及0～-20℃层的厚度，为人工增雨和防雹减灾提供重要参考依据。本文中，0℃层也称为零度层，0～-20℃层称为负温区，-6～-8℃层称为最佳催化层。

3.1 零度层高度特征分析

3.1.1 各月零度层高度特征分析

昆明地区零度层月平均高度分布呈单峰型(图4)，5～9月较高(月平均值大于3 000 m)，12月至次年3月较低(月平均值小于2 500 m)，月平均值最高出现在6月份(08∶00为3 520 m，20∶00为3 663 m)，月平均值最低出现在1月份(08∶00为1 775 m，20∶00为2 035 m)。极端最高值08∶00为4 219 m(8月)，20∶00为4 333 m(6月)，极端最低值08∶00为70 m(2月)，20∶00为139 m(2月)(图5)。

图4 昆明地区各月零度层平均高度统计Fig.4 Statistics of the average height of 0℃ horizon in each month in Kunming

图5 昆明地区各月零度层高度极值统计Fig.5 Statistics of extreme 0℃ layer height in each month in Kunming

零度层高度年平均值08∶00为2 721 m，20∶00为2 870 m，20∶00零度层高度比08∶00零度层高度高149 m，主要是受地面辐射和太阳辐射的影响。

5～9月是烤烟种植冰雹灾害重要阶段，零度层高度平均在3 000～3 700 m，最低高度大于2 000 m，最高高度小于4 500 m，是积云发展的有利高度。

3.1.2 5～9月冰雹灾害事件零度层高度特征分析

如果一天中有多个地方出现中度以上冰雹灾害，只记为一次冰雹灾害。因为冰雹灾害大多出现在下午到傍晚，本文以冰雹灾害出现当天的08∶00高空探测资料进行统计分析。2013～2019年5～9月昆明地区共出现中度以上冰雹灾害209次(图6)，其中5月14次，6月47次、7月76次、8月61次、9月11次，从左至右按月份依次排列。5～9月冰雹灾害当天08∶00零度层高度在2 000～4 000 m；5～6月和9月零度层高度相对分散，7～8月基本上集中在3 000～3 800 m，零度层高度小于2 500 m的只出现在2019年9月下旬的3次，其余均在2 500 m以上。2013～2019年5～9月昆明地区冰雹灾害零度层高度分布如图6所示：2 000～2 500 m占1.4%，2 500～3 000 m占5.3%，3 000～3 800 m占90.4%，3 800～4 000 m占2.9%。其中2 500～4 000 m占98.6%，这个高度范围正是积云出现的高度，容易出现冰雹灾害。

图6 昆明地区5～9月冰雹灾害个例零度层高度分布Fig.6 Height distribution of 0℃ layer in hail disaster cases from May to September in Kunming

2013～2019年5～9月，零度层高度月平均值和冰雹灾害零度层高度的月平均值见图7。零度层高度月平均值6月最大、5月最小，月零度层高度的平均值与冰雹灾害事件零度层高度的平均值月分布类似。冰雹灾害的零度层高度月平均值均在3 000 m以上，6～8月在3 300 m以上。

图7 昆明地区5～9月冰雹个例零度层月平均高度 和零度层高度月平均高度Fig.7 Monthly mean height of 0℃ layer and monthly mean height of 0℃ layer for hail cases from May to September in Kunming

3.2 5～9月冰雹灾害大气负温区特性分析

冰雹的形成其热力条件是在大气对流层中必须有气温低于0℃的特定层，而且需要一定的厚度，以方便冰雹在其间增长变大。以0℃～-20℃大气层厚度来表征冰雹形成发展的负温区特定层，简称负温区厚度。冰雹云中0℃、-20℃层所在高度和配置关系对冰雹形成也非常重要，具有较低的零度层高度是冰雹发生的有利条件。但何谓“较低”及如何去做定量化诊断，现有的对冰雹发生前的层结定量化统计研究仍比较欠缺。例如，0℃层高度过低(暖云层过薄)无法形成大冰雹，而高度太高(暖云过厚)也不利于冰雹的生长，且冰雹在下落过程中也容易被融化。

3.2.1 大气-6～-8℃层高度分析

大量探测研究表明，冰雹胚胎大多形成于-4～-10℃的环境中[10]，火箭防雹播撒作业的播撒区温度一般掌握在-6～-15℃为宜[11]，唐林等对人工增雨作业最佳时机和位置进行了研究[12]。同时雷达探测还发现，如果对流云云体初始雷达回波出现在-6～-8℃以上高度时，80%以上可能发展成为降雹。所以人工防雹的高度区间应在-6℃层以上，播撒层厚度一般为1 000 m，可考虑在温度-6～-7℃处核化，所以，人工防雹是火箭弹爆炸点高度应该在5 000 m左右。对强单体或超强单体，可以对-8～-12℃及其以上1 000 m的区域进行催化，同时也对下方-2～-6℃区进行催化。由于冰晶防雹原理的不同，其播撒高度也可取-3、-9甚至-12℃等不同下限高度。

昆明地区5～9月-6℃层大气平均高度为4 535 m(表1)，最大值5 060 m，最小值3 190 m，月平均高度排列顺序为7月>8月>9月>6月>5月；-8℃层大气平均高度为4 904 m，最大值5 430 m，最小值3 650 m，月平均高度排列顺序为7月>8月>9月>6月>5月；-6～-8℃层平均厚度369 m，最大值810 m，最小值200 m。故人工防雹火箭弹爆炸点平均高度在4 500～4 900 m为最佳。

表1 昆明地区5～9月冰雹灾害0℃、-6℃、-8℃、-20℃层高度及负温区厚度Tab.1 Height of 0℃，-6℃，-8℃ and -20℃ layers and thickness of negative temperature zone of hail disasters from May to September in Kunming m

3.2.2 大气0～-20℃层负温区厚度分析

图8和图9为昆明地区2013～2019年发生的209次冰雹灾害天气的08∶00高空探测数据的0℃层、-6℃层、-20℃层高度和0～-20℃层负温区厚度的分布情况，排列顺序从左至右依次为5月到9月。其中5月14次，6月47次、7月76次、8月61次、9月11次。从图中可看出，0℃层月平均高度3 000～3 500 m，6月最大，其次是7月、8月，5月最小，极端最小值为2 210 m(出现在9月)，极端最大值3 898 m(出现在6月)，75%出现在3 200～3 700 m；-6℃层月平均高度3 800～4 500 m，6月最大，其次是7月、8月，5月最小，极端最小值为3 020 m(9月)，极端最大值4 920 m(7月)，78%出现在4 000～4 600 m；-20℃层月平均高度6 300～7 000 m，8月最大，5月最小，最小值为5 600 m(9月)，最大值7 570 m(7月)；5～9月负温区厚度8月最大，5月最小，月平均厚度3 300～3 600 m，最小值为2 676 m(5月)，最大值4 415 m(7月)。

图8 昆明地区5～9月冰雹灾害个例大气特性层高度统计Fig.8 Height statistics of atmospheric characteristic layer for hail disaster cases from May to September in Kunming

图9 昆明地区5～9月冰雹灾害个例负温区厚度统计Fig.9 Thickness statistics of negative temperature zone of hail disaster cases from May to September in Kunming

4 冰雹灾害事件的大气温湿层结特征

利用2013～2019年5～9月逐日08∶00探空资料，分析昆明地区209次冰雹灾害事件的垂直大气温湿结构特征。

4.1 垂直温度层结特征

大气呈“上冷下暖”结构分布代表着大气层结的不稳定，在具体的温度廓线能反映出这种特征。考虑到不同季节温度廓线的变化，难以直接对比，故选用ΔT85(850 hPa与500 hPa 的温度差)或ΔT75(700 hPa与500 hPa 的温度差)作为考量大气层结“上冷下暖”的特征值，它是表征大气静力稳定度的参量，是判断是否有强对流天气的重要依据。农孟松等[13]统计广西30年冰雹的概念模型，发现ΔT85≥24℃即可作为预报阀值，刘晓骑等[14]利用探空资料来进行冰雹预报研究，这些研究表明大冰雹的ΔT85比非大冰雹的ΔT85更大。

昆明地区属红土高原，平均海拔在1 900 m左右，昆明市高空气象探测站的海拔高度为1 889 m，比850 hPa的平均高度还要高近400 m，故选用500 hPa和700 hPa的温度和湿度进行比较计算(图10和图11)。

图10 昆明地区5～9月冰雹事件的ΔT75值Fig.10 The ΔT75 value of hail events from May to September in Kunming

图11 昆明地区5～9月冰雹事件的ΔT75和ΔT地5值Fig.11 The ΔT75 and ΔT地5 value of hail events from May to September in Kunming

昆明近5年5～9月冰雹事件的ΔT75(700 hPa与500 hPa温度差)平均值为14.5℃，最大值为18.4℃、最小值为10.6℃；ΔT地5(地面与500 hPa温度差)平均值为21.4℃，最大值为25.4℃、最小值为17.4℃。ΔT75月平均值5月最大、6月最小，ΔT地5月平均值5月最大、7月最小。

从图10中可看出，冰雹事件的ΔT75值位于10℃到19℃之间，主要集中在12℃～17℃，75%介于13℃～16℃，95%介于12℃～17℃。这反映了昆明5～9月的冰雹灾害事件“上冷下暖” 的层结特征清晰。

209次冰雹灾害事件中，共出现了4次逆温层现象，其中7月3次、8月1次(2013年2次、2017年2次)，逆温层厚度均小于1 000 m。总体看，冰雹事件发生时大气存在明显的不稳定，逆温现象很少。

4.2 垂直湿度层结特征

当低层有湿空气或湿平流、中高层有干空气或干平流就可能造成对流(位势)不稳定层结，对流层中低层表现出“上干下湿”的条件性不稳定层结特征时，冰雹等强对流天气容易出现。因为露点在等压过程中是保守量，露点的高低可以反映出该层的干湿程度，为了定量化诊断冰雹事件的“上干下湿”，本文选取ΔTd75(700 hPa与500 hPa的露点差)和ΔTd地5(地面与500 hPa的露点差)表征大气层结“上干下湿”(图12和图13)。

图12 昆明地区5～9月冰雹事件的ΔTd75值Fig.12 The ΔTd75 value of hail events from May to September in Kunming

图13 昆明地区5～9月冰雹事件的ΔTd地5值Fig.13 The ΔTd地5 value of hail events from May to September in Kunming

从图12中可以看出，昆明近5年5～9月冰雹事件的ΔTd75(700 hPa与500 hPa露点差)平均值为18.9℃，最大值为52.3℃、最小值为3.5℃，75%在15℃～27℃；ΔT地5(地面与500 hPa露点差)平均值为25.5℃，最大值为60.5℃、最小值为10.3℃，75%在20℃～30℃。可见，冰雹事件“上干下湿”的层结特征明显。相关研究表明，对流层中层干空气卷入是使层结表现出“上干下湿”特征的主要原因，除了环境温度“上冷、下暖”的特征，环境湿度“上干、下湿”的特征同样能促进热力不稳定增长。因此，这种“上干下湿”的湿度层结很可能也是昆明冰雹事件对流(位势)不稳定的形成的重要原因。

另外，5～9月探空温湿曲线的温度露点差T-Td平均值：地面为2.3℃、700 hPa为2.1℃、500 hPa为6.4℃，700 hPaT-Td≤5℃的个例占93.8%，500 hPaT-Td≤5℃的个例占59.3%，冰雹事件的500 hPa温度露点差表现不太明显。

5 人工防雹作业应用

根据昆明地区5～9月冰雹灾害的时空分布特征，结合上述零度层(冻结层)、-6～-8℃层、-20℃层高度和0～-20℃负温区厚度的变化特征，-6℃层平均高度为4 535 m，-8℃层大气平均高度为4 904 m，-6～-8℃层平均厚度369 m，最大值810 m，最小值200 m。故人工防雹火箭弹爆炸点平均高度在4 500～4 900 m为宜。5～9月-6～-8℃层平均高度排列顺序为7月>8月>9月>6月>5月。实际防雹作业时，应根据当天高空探测资料和雷达回波防雹层高度、负温区厚度以及零度层高度，选择火箭弹类型和发射方式进行防雹作业。

当大气出现明显的“上冷下暖”层结特征和“上干下湿”有利环境条件时，可以根据当天的ΔT75值和ΔTd75大气层结特性，再结合雷达回波特征开展作业准备和有效作业。另外，中度及以上冰雹灾害主要出现在6～8月，故每年7月第五候至8月第三候是冰雹灾害重点防御阶段。

6 结果与讨论

本文通过遴选昆明近10年冰雹灾害事件，并基于探空资料对2013～2019年5～9月昆明地区出现的中度以上共209个冰雹灾害事件为研究对象，统计零度层(冻结层)高度和负温区厚度的变化特征，从环境条件及层结特征的角度出发，对冰雹个例产生的大气层结特征进行了较为细致的分析，重点讨论冰雹事件的垂直大气温湿结构，解释了大气层结结构特征有利于产生冰雹灾害的部分原因，主要结论如下：

(1)昆明5～9月冰雹灾害事件的年分布和月分布极不均匀，平均每年5～9月有27.3次，最多年44次(2017年)，最少年17次(2014年和2019年)。7～8月较多，占68.9%。候分布也不均匀，从6月第二候至7月第六候冰雹灾害是递增的，从7月第六候至8月第四候冰雹灾害是递减的，7月第五候至8月第三候较多，是冰雹灾害重点防御阶段。

(2)零度层月平均高度分布呈单峰型分布，6月份最高(08∶00为3 520 m，20∶00为3 663 m)，1月份最低(08∶00为1 775 m，20∶00为2 035 m)。极端最高值4 333 m，极端最低值70 m。零度层高度年平均值08∶00为2 721 m，20∶00为2 870 m，20∶00零度层高度比08∶00零度层高度高149 m。5～9月零度层高度平均在3 000～3 700 m，最低高度大于2 000 m，最高高度小于4 500 m。5～9月0～-20℃层负温区月平均厚度3 515 m，8月最大，5月最小。

(3)5～9月-6℃层大气平均高度为4 535 m，最大值5 060 m，最小值3 190 m，月平均高度排列顺序为7月>8月>9月>6月>5月；-8℃层大气平均高度为4 904 m，最大值5 430 m，最小值3 650 m，月平均高度排列顺序为7月>8月>9月>6月>5月；-6～-8℃层平均厚度369 m，最大值810 m，最小值200 m。故人工防雹火箭弹爆炸点平均高度在4 500～4 900 m为最佳。

(4)冰雹事件的ΔT75值位于10℃到19℃之间，主要集中在12℃～17℃，75%介于13℃～16℃，95%介于12℃～17℃。ΔT地5平均值为21.4℃，最大值为25.4℃、最小值为17.4℃。ΔT75月平均值5月最大、6月最小，ΔT地5月平均值5月最大、7月最小。这反映了昆明5～9月的冰雹灾害事件“上冷下暖”的层结特征清晰。

(5)5～9月冰雹事件的ΔTd75平均值为18.9℃，最大值为52.3℃、最小值为3.5℃，75%在15℃～27℃；ΔT地5平均值为25.5℃，最大值为60.5℃、最小值为10.3℃，75%在20℃～30℃。冰雹事件“上干下湿”的层结特征明显。但是用温度露点差来表征湿度时，地面为2.3℃、700 hPa为2.1℃、500 hPa为6.4℃，冰雹事件的温度露点差表现不太明显。

本文基于探空资料对冰雹灾害事件开展的分析研究，因冰雹时空尺度小，用单站点探空资料来分析大气环境因素，可能存在误差，有待后续进一步研究。