基于探空数据的贵阳市冰雹天气大气垂直环境特征分析*

崔蕾， 朱育雷， 黄钰， 张小娟 ， 唐辟如

(1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081； 2.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

冰雹是降落到地面的冰球，是由强对流天气引起的一种气象灾害，发生时间短、来势凶猛且强度大，常伴有狂风骤雨等灾害性天气发生[1].贵州省冰雹具有生成发展快、降雹频次高、影响范围广、局部灾害重、中部地区多发及防范难度大的特点[2]，对农业发展和粮食生产等方面带来严重威胁.

大气中各个高度上的温度、湿度和气压等的垂直分布特征及其变化是大气水汽、热力和动力特征的反映，对各类天气系统的诊断分析及强天气预警预报都具有十分重要的意义[3].特别是在弱天气尺度系统影响下，天气尺度分析不足以判断强天气发生的潜势条件[4]，而探空资料能够反映强对流天气发生前周围大气垂直方向上的温湿结构和中尺度对流系统发生发展的局地垂直环境场特征，能够清楚地呈现冷暖平流、干线、湿舌、显著流线及切变线的位置，这些物理量的差异能够一定程度上表征特定中尺度环境下某种强对流天气发生的概率[1,5]，是强对流潜势预报中的重要资料.已有研究表明：影响冰雹天气发生的非常重要的因素是中层干空气和强垂直风切变，且在冰雹天气发生前，对流层低层一般为上升运动，来自大气中层和上层的干冷空气及其伴随的下沉气流有利于不稳定层结的增强[6-7]；6 km以下过冷水滴与冰粒子消耗和贝吉隆过程等交替出现，产生相对湿度低于80%的区域，这是冰雹生长的有利环境，冰雹粒子群会快速累积[8].刘晓初等[9]利用探空资料对16个雷暴大风过程进行研究后表明：冰雹天气相较于短时强降水和雷暴大风等强对流天气而言，其0 ℃层和-20 ℃层更低；樊李苗等[10]对探空数据和环境参数进行对比发现：不同强对流天气温湿廓线形态、关键环境参数、静力稳定度、不稳定能量以及垂直风切变均有不同程度差异；李金辉等[11]对延安宝塔区冰雹云内部进行探测研究，揭示了冰雹云内部温度、湿度、风场及垂直气流的变化特征；李永[12]对南京2007-2014年强对流过程探空资料进行分析，发现有些探空资料具有明显的温度跳变特征，温度连线出现毛刺现象或呈锯齿状，并具有一定的连续性，同时发现极端剧烈的跳变现象均出现在0 ℃层附近；雷蕾等[5]在利用探空资料对2007-2008年北京地区夏季强对流天气进行分类时发现，0 ℃层高度、-20 ℃层高度、500 hPa与850 hPa温差、逆温层高度及低空风切变等可较为显著地区分冰雹和暴雨天气.

以往对贵阳市冰雹天气过程的研究多针对单次个例的天气过程进行分析，对冰雹天气大气垂直结构变化特征研究较少，本文将基于贵阳市探空站及人工影响天气作业点相关资料，对冰雹天气大气垂直结构特征进行分析，以期为冰雹等灾害性天气的预报预警以及垂直探测雷达的数据适用性研究提供科学参考.

1 资料与方法

1.1 数据介绍

气象观测资料是2017-2020年贵州省贵阳市探空站(57816)的逐日两次(北京时间08:00和20:00)探空资料.该探空站位于贵州省贵阳市东山山顶，地理位置为106.72°E，26.58°N，海拔为1 074 m.所用贵阳市降雹资料为人工影响天气作业站点记录资料，贵阳市共计有51个人工影响天气作业点，各作业点记录了降雹起止时间、冰雹粒径及降雹密度.

1.2 数据处理方法

对应贵阳市作业点降雹时刻，以最小时间差原则匹配最为临近的探空资料，共挑选出21个探空文件，其中19个为当日20:00的探空资料，2个为当日08:00的探空资料.为保证分析资料在大气整体性质上的相对统一，仅对20:00的探空资料进行分析，下文简称为“降雹探空”.另选取降雹探空前一日和后一日对应时刻探空资料作为对比，若出现多日傍晚连续降雹，则挑选降雹时段首末日期对应时刻探空作为对比(例如降雹探空为2017年4月5日20:00的探空资料，则对比探空为2017年4月4日20:00和2017年4月6日20:00的探空资料；如连续降雹探空时段为2019年4月17日至19日20:00的探空资料，则对比探空为2019年4月16日20:00和2019年4月20日20:00的探空资料)，按此方法共计筛选出32个探空文件，下文简称为“对比探空”.

由于探空资料的观测高度并不统一，为便于分析，将不同观测高度的气象要素插值到统一的高度.使用的插值方法是线性插值[13-14]，即将与插值高度相邻的上下两个观测高度上的气象要素值线性拟合至插值高度.

2 降雹探空与对比探空垂直特征分析

2.1 能量条件分析

对流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)是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，是大气对流发生潜势和潜在强度的重要指标[15].将降雹探空与对比探空的CAPE值进行比较，降雹探空平均CAPE值为776 J/kg，对比探空的平均CAPE值为646 J/kg，同时结合图1可见，降雹探空与对比探空的CAPE中值分别为633 J/kg和539 J/kg，75百分位数值分别为160 J/kg和238 J/kg；整体看来，降雹探空较对比探空而言，大气对流发生潜势更高.

此外，强对流发生前期，逆温层的存在有利于不稳定能量的聚集[5]，且对于贵州而言，逆温层在地面至700 hPa，一旦热力或动力的抬升条件冲破逆温，则有利于冰雹的发生，故对降雹探空对应日期当日08:00探空出现逆温的情况进行统计，得到图2.由图2可见，近地层至3 km高度存在逆温的次数有11次，占比58%，逆温层厚度在500 m至1.5 km之间，且逆温层上下两层温差小，主要为等温或弱逆温，温差范围在0～2 ℃之间.说明近地层至700 hPa高度存在温差小且厚度不大的浅薄逆温有利于贵阳市冰雹天气的形成.

2.2 不稳定层结构分析

对降雹探空和对比探空的部分参数的平均值进行分析得到表1.由表1可见，对于冻结层平均高度而言，降雹探空0 ℃层、-5 ℃层、-15 ℃层和-20 ℃层高度均低于对比探空对应温度层高度，且降雹探空0 ℃层至-20 ℃层厚度为2 809 m，较对比探空对应层厚度薄227 m.一方面较小的冻结层厚度意味着该厚度区间内的温度垂直递减率大，即降雹探空较对比探空垂直温度递减率更大，条件不稳定性越大；另一方面降雹探空较对比探空的垂直条件而言，冰球到地面的融化高度更低，发生冰雹或大冰雹的可能性更大[16-18].同时， 降雹探空700 hPa 与500 hPa 温差、850 hPa 与500 hPa 温差也较对比探空更大，二者差值分别为1 ℃和0.4 ℃.此外，降雹探空1.5 km高度露点温度较对比探空的对应露点温度高1.1 ℃，且降雹探空1.5 km高度上温度露点差较对比探空低2.2 ℃，说明降雹探空在低层湿度更大.

表1 降雹探空与对比探空部分参数统计

K指数是特殊层结温度、水汽含量和大气相对湿度的综合表征，一般而言，K指数越大，代表对流潜势越大[15].结合图3可见，降雹探空与对比探空的K指数平均值分别为36.4 ℃和30.7 ℃，中值分别为37 ℃和33 ℃，75百分位数值分别为33 ℃和25.8 ℃.由此可见，降雹探空K指数整体上大于对比探空对应值，降雹探空0 ℃层至-20 ℃层大气层结温度垂直变化较对比探空更大，且边界层大气层结湿度也更大，说明降雹探空所对应的大气层结较对比探空具有低层湿度更大且温度垂直递减变化更剧烈的特征.

进一步计算降雹探空和对比探空中相同气压高度的平均气温、平均露点温度差、相应要素最大值、最小值以及平均值±标准差.大气层结温度方面(图4),贵阳市降雹探空近地层(850 hPa以下)平均温度为19.5 ℃，低层(850 hPa至700 hPa)平均温度为13.95 ℃，中层(700 hPa至500 hPa)平均温度为0.5 ℃，高层(500 hPa以上)平均温度为-36.6 ℃；对比探空对应层平均温度分别为17.1、13.3、0.6 ℃和-36.6 ℃，可见降雹探空中低层温度(700 hPa以下)较对比探空温度更高，高层以上温度差异不大.此外，由图4可见，对比廓线温度最大值、最小值在边界层高度变化范围更广，后随高度升高呈现出变化范围逐渐“缩紧”的变化规律，而降雹廓线在中低层变化范围不大，在600 hPa至400 hPa高度变化范围突增后，随高度升高呈现出变化范围平稳“缩紧”的变化规律.

a和b分别为降雹探空和对比探空.

大气露点温度差见图5，降雹探空(图5a)近地层、低层、中层和高层的平均露点温度差分别为5.1、3.7、6.4 ℃和16.1 ℃，对比探空(图5b)对应层平均露点温度差分别为5.5、6.1、10.1 ℃和14.8 ℃.此外，降雹探空的平均露点温度差在500 hPa-400 hPa间存在一个突增的走势，较对比探空突增程度更大，降雹探空上层干、下层湿的层结特征更为明显.此外，降雹探空最大值、最小值和平均值±标准差随高度变化表现为地面至750 hPa高度呈现“缩紧”特征，750 hPa至500 hPa最大值和最小值变化范围扩大，至550 hPa高度达到变化范围最大后随高度升高“缩紧”；而对比探空在850 hPa至500 hPa高度上，温度露点差最大值和最小值均保持在一个波动范围较大的水平.

综合看来，底层温度较高，对应有暖平流，同时配合中高层干空气的大气垂直结构更有利于冰雹天气的形成[19]，这也与黄钰[20]的研究结果一致.

2.3 垂直风切变分析

深层垂直风切变指 6 km高度和地面之间风矢量差的绝对值，其大小往往和形成对流的强度密切相关，一般而言，垂直风切变的强度增强有利于上升气流和下沉气流长时间内共存，从而促进中层干冷空气的吸入和低层暖湿气流强烈地上升，有利于对流风暴结构的发展[14-15].对降雹探空0-6 km垂直风切变进行分析得到图6.由图6a可见，降雹探空与对比探空0-6 km垂直风切变分别为10.8 m/s和11.1 m/s，平均风速分别为10.08 m/s和9.68 m/s，中值分别为10.73 m/s和9.70 m/s，75百分位数值分别为8.68 m/s和7.53 m/s；进一步分析二者3-6 km和0-3 km相关数据得到图6b和6c，降雹探空和对比探空3-6 km垂直风切变分别为2.9 m/s和5.4 m/s，平均风速分别为11.76 m/s和11.72 m/s，中值分别为11.71 m/s和11.69 m/s，75百分位数值分别为11.16 m/s和10.67 m/s；降雹探空和对比探空0-3 km垂直风切变为7.3 m/s和5 m/s，平均风速分别为8.22 m/s和7.41 m/s，中值分别为8.68 m/s和7.53 m/s，75百分位数值分别为7.57 m/s和7.13 m/s.综合看来，降雹探空0-3 km垂直风切变及平均风速明显大于对比探空，有利于对流强风暴的生成[16].

a、b和c分别为0-6 km、3-6 km和0-3 km垂直风切变.

3 结语

对2017年至2020年贵阳市降雹探空与对比探空进行对比分析，得到以下结果:

(1)能量条件方面，降雹探空CAPE值较对比探空更大，大气对流发生潜势更高.且降雹发生前，近地层至3 km高度存在逆温的次数占比58%，逆温层上下两层温差小，主要为等温或弱逆温.

(2)不稳定层结结构方面，降雹探空0 ℃层、-5 ℃层、-15 ℃层和-20 ℃层高度均低于对比探空对应温度层高度，且降雹探空冻结层厚度为2 809 m，较对比探空对应层厚度薄227 m，这一方面说明，降雹探空冻结层区间温度垂直递减率大，条件不稳定性大；另一方面说明，降雹探空较对比探空的垂直条件而言，冰球到地面的融化高度更低，发生冰雹或大冰雹的可能性更大.同时，降雹探空“上干下湿”的层结结构特征更为明显.

(3)垂直风切变方面，降雹探空与对比探空0-3 km垂直风切变分别为7.3 m/s和5 m/s，平均风速分别为8.22 m/s和7.41 m/s，降雹探空两项指标均明显大于对比探空，说明降雹探空中低层垂直风切变强于对比探空，更有利于对流风暴的生成.