黄河入海口地区冰雹分布特征及环境场特征

王 旭，张立清，杨奎广，冀玉超，王青利

(1.山东省气象防灾减灾重点实验室，济南 250031;2.东营市气象局，山东东营 257091)

冰雹天气发生时间短，局地性强，容易造成严重的灾害，直接威胁人们的生产生活。张芳华[1]等研究了我国冰雹的季节性分布特征和发生时段日变化特征，彭力[2]、高晓梅[3]、侯淑梅[4]等研究了冰雹的触发机制及动力热力结构的演变特征，王秀玲[5]、杨敏[6]、赵海军[7]、鲍向东[8]、赵强[9]等分别对当地冰雹时空等分布特征进行了研究，总结出的规律和预警指标对当地冰雹预警和人影作业提供了很好的参考价值。吴迎旭[10]等对冰雹在非典型环境条件下的局地要素特征进行了分析探究。

东营市位于鲁西北东部，黄河三角洲中心城市，是冰雹多发区域之一。近十年来，东营市多次出现冰雹天气，其中6次造成严重雹灾。冰雹一般产生于中小尺度对流系统中，天气尺度系统制约中小尺度系统的发展演变，大尺度环流形势为中小尺度系统提供了背景条件。根据多年工作经验发现，数值预报模式对大尺度环流形势的预报准确性、稳定性明显高于中小尺度系统。本文利用东营1994—2019年冰雹观测资料统计分析冰雹的时空分布特征，利用MICAPS常规观测资料、第五代欧洲再分析资料(ERA5)对冰雹日的大尺度环流形势进行天气学分型并分析相关物理量，为提高东营冰雹天气短期、临近预报预警业务能力提供科学依据。

1 资料与方法

利用东营市52个人工影响天气作业站点和大气监测站1994—2019年共26 a冰雹观测资料，采用数理统计分析方法，分析东营市辖区内冰雹日的时空分布特征。2010—2019年20 a间共有冰雹日55 d，利用MICAPS常规观测资料分析冰雹日天气学特征，采用第五代欧洲再分析资料(ERA5)分析冰雹天气对应的典型物理量特征。

2 冰雹时空分布特征

将北京时00时作为日界，一天内有一个及以上站点出现了冰雹即记为一个冰雹日。从1994—2019年冰雹日数分布图(图1a)可看出，平均年冰雹日数为6.7 d，2005年最多为15 d，2018年最少为2 d，2001年、2004—2006年、2019年较平均值明显偏多。

冰雹日数月分布如图1b所示，冰雹日出现在3—10月，春末夏初(5—7月)最多，占总冰雹日的73.9%。其中6月最多，其次是7月，3月冰雹日数最少。冰雹具有显著季节特征，冰雹日最早出现在3月4日(2016年)，最晚为10月27日(2001年)。3月冰雹多发生在月初，10月冰雹月初、月末均有发生。

冰雹有明显的日变化，以3 h为一时段进行统计(图1c)，发现冰雹出现的主要时段为午后到傍晚(12—21时)和午夜前后(21—03时)，并以午后到傍晚为主，占总冰雹日数的64%。其中，15—18时最多，其次分别是12—15时、18—21时。09—12时出现的冰雹，一般持续至下午。

东营市冰雹日数空间分布情况如图1d所示。利津虎滩冰雹日数最多，1994—2019年出现23 d。冰雹落区集中在两个区域，一个位于沿黄河两岸，北岸较南岸偏多；另一个位于河口区的西部。

3 天气学特征分型

利用降雹前最近时次500 hPa高空观测资料，对2010—2019年区域内55 d冰雹日对应的环流形势进行分型，分为西风槽型、高空冷涡型、脊前西北气流型和副高边缘型四大类，其中西风槽型21 d，高空冷涡型28 d，脊前西北气流型4 d，副高边缘型2 d。

3.1 高空冷涡型

高空冷涡是影响冰雹天气的主要影响系统(图2)。高空冷涡型共有冰雹日28 d，根据高空冷涡的相对位置，分为涡前、涡后和涡附近三种类型，占比分别为67.9%、21.4%和10.7%。

3.1.1 涡前型 冰雹区位于高空冷涡的东南象限，根据冷涡中心的位置，分为内蒙古东南部和内蒙古以北。

(1)内蒙古东南部

此型500 hPa高度平均场(图2a)贝加尔湖附近有强大高压脊，冷涡东部，日本海上空为弱脊，冷涡中心位于内蒙古东南部。由图2a可看出，500 hPa冷涡中心在110°E～120°E，40°N～57°N。此类型冰雹日共12 d，多出现在6月(6月8 d，5月2 d，7、10月各1 d)，出现时段主要在夜间至早晨(只有3 d出现在午后)。此外，此型易出现连续冰雹日。2012年6月、2014年6月，均为受同—冷涡系统分裂冷空气影响，连续2 d出现冰雹，降雹时段均为第一天夜间和第二天凌晨或中午，且在午夜后有间歇。

图2 黄河入海口地区冰雹日高空冷涡型环流500 hPa平均高度场(a 涡前型-内蒙古东南部型；b 涡前型-内蒙古以北型；c 涡后型-东北冷涡型；d 涡附近型)

(2)内蒙古以北

此型500 hPa高度平均场(图2b)中，两个强大的高压脊分别位于贝加尔湖以西和日本岛以西，冷涡中心位于内蒙古以北、贝加尔湖以东区域。冷涡中心在110°E～120°E，46.5°N～55°N。此类型冰雹日共6 d，集中在春末夏初(5月下旬至7月上旬)，冰雹出现时段主要在午后到夜间。08时冷涡中心位于50°N以南时，冰雹天气出现在午后；08时冷涡中心位于50°N以北时，冰雹天气出现在傍晚到前半夜。

3.1.2 涡后型(东北冷涡型) 此型500 hPa高度平均场(图2c)上，贝加尔湖附近有强大高压脊，冷涡东部，日本岛上空为较强高压脊，冷涡中心位于东北地区，东营市位于冷涡的西南象限。500 hPa冷涡中心在123.5°E～132.5°E，42°N～47°N。此类型冰雹日共7 d，主要出现在夏季(5 d夏季，1 d春季)，时段均在午后。2015年8月28—29日，受同一个冷涡系统影响，连续2 d出现冰雹，均发生在午后。

3.1.3 涡附近型 此型500 hPa高度平均场(图2d)上，山东省上空有涡，涡中心西侧有纬向切变线，涡北侧40°N以北为高压脊，涡南侧30°N以南为西风槽，涡位于南、北系统之间，涡中心同纬度附近，南北经向环流弱。此类型冰雹日共3 d，发生在夏季6、7月，午后。冷空气相对比较弱，西南或偏西气流较强，高低空冷暖平流配置不同于其他类型，冷暖平流不明显，不稳定层结主要源于上干下湿的湿度分布。

3.2 西风槽型

西风槽是冰雹天气的另一重要天气系统。西风槽型共有冰雹日21 d，根据波长分为长波槽型和短波槽型两类，占比分别为33.3%和66.7%。

3.2.1 长波槽型 此型500 hPa高度平均场(图3a)为一槽一脊，高压脊位于东北地区上空。西风槽位于110°E～118°E，经向至少有10个纬距。冰雹区位于西风槽槽前10个纬距内。此类型冰雹日有7 d，多发生在春季和夏季(3 d出现在春季，4 d出现在夏季)，出现时段在午后到前半夜(5 d出现在午后，2 d出现在前半夜)。

3.2.2 短波槽型 此型500 hPa高度平均场(图3b)中高纬度受脊前西北气流中的短波槽影响出现冰雹天气。此类型冰雹日有14 d，季节化特征不明显，冰雹时段集中在午后，只有3 d出现在午夜到早晨。

图3 黄河入海口地区冰雹日500 hPa平均高度场(单位为dagpm；a 长波槽型；b 短波槽型；c 脊前西北气流型；d 副高边缘型)

3.3 脊前西北气流型

此型500 hPa高度平均场(图3c)为两槽一脊型，两槽分别位于乌拉尔山附近和日本岛附近，高压脊位于贝加尔湖附近。东营市受脊前西北气流控制。此类型冰雹日有4 d，季节性变化特征不明显，冰雹时段集中在后半夜到清晨。

3.4 副高边缘型

副高边缘型冰雹日只有2 d，分别为2017年7月14日、2019年8月1日，环流形势相似(图3d)，海上副热带高压呈块状分布，副高西脊点位于110°E附近，冰雹区位于副高边缘强西南气流控制下。冰雹天气出现在7月下旬至8月上旬，午后到傍晚。冰雹日之前有持续高温天气，如2017年7月14日已连续5 d日最高气温超过36 ℃，当日日最高气温超过36 ℃；2019年8月1日已连续2 d日最高气温超过35 ℃，当日日最高气温超过35 ℃。

4 物理量特征分析

利用ERA5再分析数据，对2010—2019年55 d冰雹日冰雹发生前1 h冰雹区的强天气威胁指数(ISWEAT)、总温度(TT)、K指数(K)及850 hPa与500 hPa温差(T(850-500))等物理量进行计算。为探究季节和不同影响系统下物理特征的差异，对55 d冰雹日按影响系统类型进行月统计分析。

4.1 强天气威胁指数(ISWEAT)和总温度(TT)

ISWEAT既考虑了850 hPa的露点温度、垂直递减率、气块的稳定度，又考虑了850 hPa和500 hPa的风速及风向的切变。其表达式为

ISWEAT=12Td850+20(TT-49)+4f850+2f500+125(S+0.2),

(1)

TT=(T+Td)850-2T500，

(2)

其中(1)式中Td850表示850 hPa露点温度(℃)，若Td850为负数，此项为0；TT为总温度，若TT小于49，则20(TT-49)项为0；f850为850 hPa风速(m/s)；f500为500 hPa风速(m/s)；S=sin(α500-α850)(α为风向角度)。最后一项125(S+0.2)在下列4个条件中任何一个条件不具备时为零：α850在130°～250°之间；500 hPa风向在210°～310°之间；α500-α850为正；850 hPa及500 hPa风速至少等于7.5 m/s。(2)式中，T为温度，Td为露点湿度，T500为500 hPa温度。

统计发现，ISWEAT集中在100～300 ℃间，平均值为206 ℃。涡前型(内蒙古东南)较其他型ISWEAT偏高。TT介于36.2～60.9 ℃之间，集中在45～55 ℃，平均值为49.7 ℃。

4.2 K指数(K)和850 hPa与500 hPa温差(T(850-500))

K指数表征大气中低层温湿状况。由图4a可见，93%的冰雹日K>25 ℃，85%的冰雹日K>27 ℃，只有22%冰雹日K>35 ℃，平均32 ℃。其中5—10月K呈增大趋势，7—10月K超过25 ℃，5—6月K阈值范围大，部分冰雹日低于25 ℃。

850 hPa与500 hPa温差(T(850-500))表征大气的垂直稳定度，温差越大，大气越不稳定。由图4b可见，T(850-500)介于22～36 ℃间，93%的冰雹日T(850-500)>25 ℃，51%的冰雹日T(850-500)>28 ℃，平均29 ℃，集中在25～32 ℃。

图4 2000—2019年各类型冰雹日物理量月分布图(a为K；b为T(850—500))

5 结论

对1994—2019年黄河入海口地区冰雹日数进行了时空分布特征分析，同时基于500 hPa天气系统，对2010—2019年冰雹日进行分型，然后利用ERA5数据对冰雹前1 h物理量进行统计分析，主要得出以下结论。

(1)入海口地区年平均冰雹日数为6.7 d，冰雹分布在3—10月， 春末夏初(5—7月)偏多， 其中6月冰雹日数最多，其次是7月；有明显的日变化特征，冰雹主要出现在午后到傍晚(12—21时)和午夜前后(21—03时)，以午后到傍晚为主。

(2)冰雹落区集中在两个区域，一个位于沿黄河两岸，北岸较南岸偏多；另一个位于河口区的西部。其中，利津虎滩出现冰雹最多，1994—2019年间出现23 d。

(3)根据500 hPa环流形势，将2010—2019年55 d冰雹日分为西风槽型、高空冷涡型、脊前西北气流型和副高边缘型四大类。其中内蒙古东南部型、东北冷涡型和短波槽型在同一系统影响下连续多日出现冰雹，其中短波槽型连续日数最多。

(4)根据冰雹发生前1 h物理量特征，发现有利冰雹的大环流形势下，强天气威胁指数150～250 ℃，平均值为206 ℃，总温度45～55 ℃，T(850-500)>25 ℃时更容易出现冰雹。不同季节，不同影响系统下冰雹日物理量指标有所差异。