毕节市冰雹天气环境参数特征分析

顾天红，李 阳，姚 浪

(1.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002；2.黔西南州气象局，贵州 兴义562400；3.毕节市气象局，贵州 毕节551700)

0 引言

毕节位于贵州西北部，乌蒙山腹地，高原山地为主，受地形影响，天气复杂多变，春夏冰雹频发，对农业生产、人民生活造成极大影响，严重时还会造成极大经济损失和生命财产安全威胁，因此提高对冰雹的的预报预警准确率一直以来都是广大气象工作者研究的重和难点[1]。周永水[2]利用37 a贵州84个观测站的实测冰雹资料，深入研究了贵州省冰雹时空分布特征。向淑君等[1]对2018年25个冰雹过程的环境条件进行分型统计，得出了一些有利于贵州威宁降雹的物理量指标。周庶等[3]基于探空资料对近10 a毕节20次典型冰雹天气统计分析，得出毕节市冰雹时空分布特征及冰雹天气发生前的相关参数特征。张振秀等[4]对比分析了滇西北7次局地小冰雹过程的环流背景和雷达回波特征，得出了有利于降雹的热力、不稳定和动力条件。蒋雯玉[5]等对昆明地区近10 a 5～9月209个冰雹灾害事件进行时空分布和大气层结特性分析，得出昆明地区利于降雹时0℃～-20℃负温区平均厚度、ΔT75、ΔTd75等层结特性。林雪仪等[6]基于清远和梧州探空站资料，统计分析了整层比湿积分、沙氏指数、潜在下冲气流指数等8个物理量对清远地区前汛期强对流天气的预报指示作用。围绕冰雹时空分布、环流分型、层结特征、雷达回波特征等方面，对区域性典型冰雹天气的特征分析已经做了很多研究工作，而针对毕节地区非典型过程的冰雹天气环境参数特征研究较少，本文采用2009～2021年毕节地区104个冰雹日的MICAPS 探空资料和冰雹灾害统计资料，参考雷蕾[7]、庞古乾等[8]的研究，选用沙氏指数SI、对流不稳定能量CAPE、0℃层和-20℃高度等8个物理量进行统计分析，以期为毕节地区冰雹预报提供新思路。

1 资料与方法

挑选了2009～2021年3～7月毕节市主要的冰雹过程，将08～08时冰雹站次有1站及以上的作为一个冰雹日，共选出104个冰雹日。由于毕节境内仅有威宁探空站(编号56691)，位于毕节市西部，其境内的冰雹落区均在其下游，故根据冰雹发生时间选取在此之前最近时次的威宁探空资料(一天内08时和20时)。参考雷蕾[7]、庞古乾等[8]的研究，选取从Micaps4.6 T-logP中直接计算的8种不同探空物理量，分别是700 hPa温度露点差700 hPa(T-Td)、沙氏指数SI、对流不稳定能量CAPE、700 hPa与500 hPa假相当位温差Δθse(700 hPa-500 hPa)、自由对流高度FCL、垂直风切变VWS、0℃层高度H0、-20℃层高度H-20。参考高晓梅[9，10]、李力[11]等利用箱形图分析强对流天气发生时环境参数最低阈值的方法，本研究也采用物理量参数箱形图的25百分位或75百分位来进行阈值分析。

2 2009～2021年毕节冰雹日时间分布特征

统计2009～2021年毕节市冰雹发生频次月分布如图1a所示，4月毕节冰雹发生频次最多，5月次之，且多为春季冰雹。而从日变化图1b可以看出，毕节市一天之中从13时(12∶00～13∶00)到凌晨2时(01∶00～02∶00)均可能出现冰雹，并且降雹频次随着时间呈现先增加后减少的趋势，其中，从15时(14∶00～15∶00)开始降雹频次明显增加，18时～19时(17∶00～20∶00)降雹频次最多，占一天中冰雹发生频次的35.2%，而0时以后降雹频次仅占4.7%。

图1 2009～2021年毕节市冰雹月分布(a)和日变化(b)Fig.1 Monthly frequency(a)and daily variation(b)of hail cases in Bijie City from 2009 to 2021

3 环境场物理量特征分析

3.1 水汽条件参数

用700 hPa温度露点差700 hPa(T-Td)来表示大气中低层空气湿度状况，值越大，空气越干[12]。图2为700 hPa温度露点差月分布箱形图，可以看出，3～7月毕节市冰雹天气700 hPa温度露点差700 hPa(T-Td)平均值为5.8℃，中位数为5.0℃，从25～75百分位范围为2.0～8.0℃，那么将700 hPa(T-Td)≤8.0℃作为低层湿度阈值时，可捕捉75%的冰雹日。从逐月分布来看，700 hPa(T-Td)最大值出现在4月，为30.0℃；3月箱体最宽，分布分散，25～75百分位范围为2.0～11.0℃，而6月箱体最窄，分布最集中，25～75百分位范围为2.0～4.0℃。以3～5月作为春季，6～7月作为夏季来分析，700 hPa(T-Td)在春季的箱体均较夏季宽，这表明毕节市冰雹发生所需水汽条件在夏季较春季更高，与季节变化关系较大。

图2 700 hPa温度露点差月分布箱形图Fig.2 Monthly box plots of 700 hPa(T-Td)

3.2 不稳定度参数

沙氏指数SI是判断大气稳定度的一种判据，负值越大，不稳定度越大[11]。图3a为沙氏指数月分布箱形图，可以看出，3～7月毕节市冰雹天气沙氏指数平均值为0.92℃，中位数为0.58℃，从25～75百分位范围为-0.39～2.40℃，那么将SI≤2.40℃作为阈值时，可捕捉75%的冰雹日。从逐月分布来看，SI最大值出现在3月，为7.53℃，最小值出现在5月，为-5.94℃；3月箱体最宽，分布分散，25～75百分位范围为0.3～4.58℃，而7月箱体最窄，分布最集中，25～75百分位范围为0.11～1.49℃。SI在春季的箱体均较夏季宽，这表明毕节市冰雹发生所需沙氏指数在夏季较春季更低，与季节变化关系较大。各月SI箱体的平均值(“·”)和中位数(框内横线)靠近，并呈现3～6月逐渐减小，7月又小幅增加的态势。

700～500 hPa假相当位温差Δθse(700 hPa-500 hPa)反映了大气热力不稳定，值越大表明大气越不稳定，越容易发生对流[2]。图3b为700～500 hPa假相当位温差月分布箱形图，可以看出，3～7月毕节市冰雹天气700～500 hPa假相当位温差Δθse(700 hPa-500 hPa)平均值为6.04℃，中位数为5.24℃，从25～75百分位范围为2.5～9.7℃，那么将Δθse(700 hPa-500 hPa)≤9.7℃作为阈值时，可捕捉75%的冰雹日。从逐月分布来看，Δθse(700 hPa-500 hPa)最大值出现在6月，为20.4℃，最小值出现在3月，为-4.6℃；7月箱体最宽，分布分散，25～75百分位范围为3.3～13.3℃，而4月分布最集中，25～75百分位范围为2.3～6.1℃。Δθse(700 hPa-500 hPa)各月箱体范围相差较大，与季节变化关系紧密。各月Δθse(700 hPa-500 hPa)平均值(“·”)和中位数(“框内横线”)靠近，并呈现3～6月逐渐增加，7月小幅减小的态势。

图3 沙氏指数(a)和 700～500 hPa假相当位温差(b)月分布箱形图Fig.3 Monthly box plots of SI(a)and Δθse(700 hPa-500 hPa)(b)

3.3 能量条件参数

对流有效位能CAPE是反映大气垂直稳定度、对流发展潜势的参数，可表征对流发生发展潜在能量强度[11]。图4为对流有效位能月分布箱形图，可以看出，毕节市冰雹天气对流有效位能CAPE平均值为188.0 J·kg-1，中位数为47.1(J·kg-1)，从25～75百分位范围为0～225.0(J·kg-1)，那么将CAPE≤225.0(J·kg-1)作为阈值时，可捕捉75%的冰雹日。从逐月分布来看，CAPE最大值出现在5月，为1 339.1(J·kg-1)；5月箱体最宽，分布较分散，25～75百分位范围为0～282.1(J·kg-1)，而3月箱体最窄，分布最集中，25～75百分位范围为0～99.8(J·kg-1)。CAPE各月箱体均较窄，与季节变化不大。

图4 对流有效位能月分布箱形图Fig.4 Monthly box plots of CAPE

3.4 抬升条件参数

自由对流高度FCL表示气块温度与环境温度之差由负值转为正值的高度，它是判断对流现象是否容易发生的一个重要参数[9]。图5a为自由对流高度月分布箱形图，可以看出，毕节市冰雹天气自由对流高度FCL的平均高度为622.0 hPa，中位数为612.3 hPa，从25～75百分位范围为552.1～727.4 hPa，那么将FCL≥552.1 hPa作为阈值时，可捕捉75%的冰雹日。从逐月分布来看，FCL最小值出现在5月，为377.8 hPa；5月箱体最宽，分布分散，25～75百分位范围为520.9～728.1 hPa，而4月箱体最窄，分布最集中，25～75百分位范围为555.2～681 hPa。FCL逐月变化差异较大。

垂直风切变VWS与强对流的组织结构和特征演变紧密相关，VWS的增强将导致对流风暴进一步加强和发展[10]。图5b为垂直风切变月分布箱形图，可以看出，毕节市冰雹天气垂直风切变平均值为1.37×10-3s-1，中位数为1.34×10-3s-1，25～75百分位范围为0.82～1.76×10-3s-1，那么将VWS≤1.76×10-3s-1作为阈值时，可捕捉75%的冰雹日。从逐月分布来看，VWS最大值出现在3月，为3.52×10-3s-1；5月箱体最宽，分布分散，25～75百分位范围为0.63～1.76×10-3s-1，而4月箱体最窄，分布最集中，25～75百分位范围为0.76～1.59×10-3s-1。各月VWS平均值(“·”)和中位数(“框内横线”)靠近，并呈现3～5月VWS逐渐减小，6月、7月又逐渐增加的态势。

图5 自由对流高度(a)和垂直风切变(b)月分布箱形图Fig.5 Monthly box plots of FCL(a)and VWS(b)

3.5 高度指数

除了水汽、热力不稳定、抬升条件外，产生冰雹还要求特殊的0℃和-20℃层高度，水滴在0℃和-20℃层负温区运动增长形成雹胚[13]。图6a、6b分别为0℃层和-20℃层高度月分布箱形图，可以看出，毕节市冰雹0℃层高度(H0)和-20℃层高度(H-20)的平均值分别为4 732.3 m、7 857.3 m，中位数分别为4 702 m、7 758.7 m。H0、H-20从25～75百分位范围分别为4 320.0～5 170.0 m和7 336.4～8 405.4 m，那么将H0≤5 170 m、H-20≤8 405.4 m作为阈值时，可捕捉75%的冰雹日。从逐月分布来看，H0最大值出现在6月，为5 850 m；H-20最大值出现在7月，为9 975.3m。H0和H-20各月箱体大小接近，并且各月平均值(“·”)和中位数(“箱内横线”)靠近且呈现逐月增加的态势。

图6 0℃层高度(a)和-20℃层高度(b)月分箱形图Fig.6 Monthly box plots of H0(a)and H-20(b)

4 结论

通过对2009～2021年毕节市104次冰雹过程进行研究分析，对其环境参数特征进行统计分析，得出以下主要结论：

(1)毕节市4月出现冰雹频次最多，5月次之，多为春季冰雹。一天之中从12∶00时到02∶00均可能降雹，且降雹频次随着时间呈现先增加后减少的趋势，17∶00～20∶00降雹频次最多，23∶00～02∶00最少。

(2)将威宁探空站的700 hPa(T-Td)≤8.0℃、SI≤2.40℃、Δθse(700 hPa-500 hPa)≤9.7℃、CAPE≤225.0(J·kg-1)、FCL≥552.1 hPa、VWS≤1.76×10-3s-1、H0≤5 170 m、H-20≤8 405.4 m作为阈值时，可捕捉75%的冰雹日。

(3)一般而言，威宁探空站的700 hPa(T-Td)在2.0～8.0℃、SI在-0.39～2.40℃、Δθse(700 hPa-500 hPa)在2.5～9.7℃、CAPE在0～225.0J·kg-1、FCL在552.1～727.4 hPa、VWS在0.82～1.76×10-3s-1、0℃层高度在4 320～5 170 m、-20℃层高度在7 336.4～8 405.4 m是有利于毕节市出现冰雹的阈值条件。

(4)700 hPa(T-Td)、Δθse(700 hPa-500 hPa)、FCL、VWS、0℃层高度和-20℃层高度这4个参数对毕节市冰雹天气的影响与季节变化关系较大，而SI和CAPE受季节影响小。

(5)从各月平均值和中位数来看，700 hPa(T-Td)、SI呈现3～6月逐月减小，7月又小幅增加的态势；Δθse(700 hPa-500 hPa)和CAPE呈现3～6月逐月增加，7月又小幅减小的态势；FCL逐月变化差异较大；VWS呈现3～5月逐月减小，6、7月又逐月增加的态势；0℃层和-20℃层高度呈现逐月增加的态势。