一次强冰雹天气过程的多源资料分析

魏 薇,李 静

(1.呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010000；2.包头市气象局，内蒙古 包头 014000)

近年来，由于气候环境的影响，呼和浩特地区雹灾发生频率逐年递减，但2021年春夏以来，呼和浩特地区强对流天气频繁发生，降雹天气过程较多，2021年7月5日呼和浩特市市区南部更是出现罕见的强冰雹天气，致使当地房屋车辆和农作物等严重受损。除传统气象观测资料之外，因为冰雹天气过程发生发展迅速，且持续时间较短，局地性较强，笔者将新型探测资料应用于强对流天气的分析和监测中。微波辐射计可以连续观测强对流天气时大气中温湿度、液态水含量等微物理量的变化，较常规探测来说补全了探测时间间隔较长和探测信息内容不全的问题，从而可以更完整清晰地分析强对流发生发展过程中各种微物理的变化特征。笔者利用地面及高空探测资料、当地微波辐射计资料等，对2021年7月5日呼和浩特市强冰雹天气的发生环境背景条件、触发机制、物理量变化特征等方面进行分析；利用新型资料对强对流发生时温度、湿度、不稳定层结等进行分析，研究新型资料在强对流预警监测中的运用，为呼和浩特市今后冰雹天气的临近预报预警相关研究提供参考。

1 资料与方法

考虑到预报员日常工作的实用性及便利性，使用强冰雹发生当日08时MICAPS高空及地面资料，以及SWAN的雷达回波演变过程分析强冰雹天气过程；利用呼和浩特市MWP967KV型地基微波辐射计观测资料，MWP967KV型地基多通道微波辐射计在垂直方向的输出廓线分为58层，地表到0.5 km高度的分辨率为50 m，500 m～2 km的分辨率为100 m，2 km～10 km的分辨率为250 m。该微波辐射计是新型综合处理设备，可以实现多个通道同时连续探测大气中微物理状态的微波辐射，地面到10 km可以实现自动实时计算相对湿度、温度、云水相态分布等多种大气参数，同时可以监测地面气压、温湿度、降水情况等基本要素，能够较好地反映出大气水汽的变化趋势及量值的时空分布特征。

不稳定指数可以有效反应不稳定能量的情况，因而常用来判别强对流天气的发生，笔者利用微波辐射计资料计算了K指数、SI指数两种不稳定指数，利用微波辐射计反演计算公式如下:

K=T850-T500+Td850-(T700-Td700)

(1)

SI=T500-TS

(2)

2 天气实况与环流背景

2021年7月5日14时至18时呼和浩特出现了一次强冰雹天气，并伴有瞬时风力加大、降水出现，各旗县区7个气象观测站中，有3站人工监测到冰雹，为近年罕见。因为该次强降雹天气在市区持续时间相对较长，强度较大，观测也更为清晰，所以本文仅分析市区发生的强冰雹天气。

2021年7月4日20时500 hPa高空图上，东亚大陆中高纬度为两槽一脊环流形势(图略)，两槽加深在贝加尔湖以南至蒙古地区及我国东北地区形成低涡，呼和浩特地区位于两涡之间的脊区中，前期受不断波动的小槽影响，呼和浩特市有分散性阵雨出现，为后续发生发展的天气过程积累了一定的基础湿度条件。2021年7月5日08时500 hPa高空图上，蒙古冷涡东移减弱高空槽加强，贝加尔湖以南地区形成一个深厚的低槽系统，巴尔喀什湖东北部高压脊向北经向发展，环流经向度加大，极区冷空气沿脊前偏北气流向高空槽中输送，冷温度槽落后于低压槽，不断有冷空气沿西北气流渗透，促使高空槽加强发展。同时受我国东北地区冷涡强度较稳定维持，且移动缓慢；西太平洋副热带高压584线在黄淮一带稳定维持，持续为呼和浩特市提供水汽。

该次冰雹产生过程中，低空急流也起了关键作用，700 hPa冷涡底部有西北风与西南风的切变，850 hPa冷涡底部也存在东北风与西南风的切变，低值系统深厚；呼和浩特位于低涡底部西南急流充沛的水汽中(最大风速13.6 m/s)，西南急流使近地面层增温增湿，呼和浩特有明显的暖中心，使大气层结不稳定性增强。地面图上，整个河套地区受地面气旋控制，当日14时至17时呼和浩特市位于气旋前部，存在明显的地面辐合线，呼和浩特当天最高气温达到28 ℃，高层的干冷空气叠加在低层暖湿空气上，大气层结处于不稳定状态，这样的高低空配置为强冰雹天气的发生提供了有利的热力和动力条件。

根据2021年7月5日08时探空图分析，对流有效位能为330.6 J/kg，K指数为36.3 ℃，对流储存能量较大，层结不稳定明显，订正下午14时的探空图后，能够看出对流有效位能增大，不稳定能量加强；0～6 km风切变达到2.4×10-2/s、风速差达到22 m/s；3 km风切变达1.2×10-2/s，为对流系统发展创造了条件。以上分析可得，中低层较强的垂直风切变和数值明显增大的对流不稳定能量构成了该次强冰雹产生的有利环境条件。

3 微波辐射计探测资料演变特征分析

3.1 相对湿度演变特征分析

该次强冰雹发生前从微波辐射计相对湿度图上(图1)可以看出，2021年7月5日13:00—15:00，4 km～6 km中层呈现出相对湿度>90%，0～2 km近地层、6 km～10 km高层相对湿度在80%左右，0～10 km整层呈现出“上下干，中间湿”的3层结构；随着降雹临近整层相对湿度明显下降，至16时左右降雹前，整层相对湿度数值又开始逐渐增加，降雹开始时3 km～6 km中层接近100%达到饱和状态，2 km～3 km相对湿度接近90%，西南风急流带来的暖湿空气为低层提供了水汽条件，近地面水汽明显汇聚；降雹结束后，大气整层相对湿度明显减小，仍呈现3层结构，这种形式有利于冰雹的产生，所以后期仍有可能发生冰雹天气，但由于站点分布稀疏，故只能从雷达图上监测分析出后期不停新生的强对流云团可能仍伴有冰雹出现。

在整个降雹过程中，大于8 g/m3的水汽密度集中在2 km以下，与2021年7月5日16:00时近地面层相对湿度出现增大的时间较为一致，在降雹前1 km处水汽密度超过12 g/m3，显示大气水汽饱和度较高。降雹发生时，2 km以下近地面处水汽密度也接近12 g/m3并且一直维持至结束，这是因为增大的冰晶逐渐下落到融化层时，冰晶融化液态水增加，近地层水汽密度增大。所以降雹结束后，2 km以下的水汽密度在逐渐减小。

图1 2021年7月5日10时—6日0时微波辐射计相对湿度

3.2 0 ℃以下垂直液态水含量演变特征分析

过冷水含量是否充足可以决定冰雹的成长条件，垂直液态水含量的垂直廓线上显示该次过程的演变情况：降雹前，2 km～5 km液态水含量在0.8 g/m3左右，2.8 km高度上出现最大值，0～2 km液态水含量在0.3 g/m3左右；降雹的同时伴有降水，大气中液态水含量有所减小，2 km～5 km液态水含量均在0.7 g/m3左右,而0～2 km液态水含量为0.6 g/m3左右；过程结束后，2 km～6 km液态水含量基本恢复到降雹前的数值,而液态水含量0～2 km则下降到0.1 g/m3以下。大气垂直液态水含量总体表现为“上下层小，中间层大”的特征。

分析计算-12 ℃～0 ℃层、-20 ℃～0 ℃层、-20 ℃以下层的累积液态水含量演变特征发现，垂直方向上0 ℃以下几层累计液态水含量的数值大小基本一致，变化趋势也基本一样，峰值出现的时间与强冰雹发生的时间也较为一致。

3.3 不稳定指数特征分析

根据微波辐射计监测显示，在降雹前1 h～2 h，4 km以下出现明显的增温，温度增幅在10 ℃左右，-10 ℃和-20 ℃层也有小幅上升，0 ℃层在4.4 km、-10 ℃层在6.3 km、-20 ℃层在7.8 km左右，合适的0 ℃和-20 ℃层高度有利于雹胎生长；强冰雹发生前气温迅速下降，气压上升，这可能是由于地面冷空气的逐渐侵入，导致地面气压迅速上升，16:00以后降雹开始，地面气压波动较大，而18:00以后地面气压趋于平稳。

图2 2021年7月5日10时—6日0时微波辐射计K指数和SI指数监测

通过微波辐射计资料反演计算得到的K指数，可以指示出层结的不稳定度，本文利用K指数分析此次降雹过程的不稳定层结。由图2可以看到，2021年7月5日白天开始呼和浩特的K指数就一直维持在30 ℃左右，降雹前14时至16时的K指数波动较频繁，呈多个波峰波谷结构，出现的第一个明显峰值超过40℃，表明这次冰雹天气的大气层结状态一直处于不稳定，且变化迅速。在降雹开始的同时，K指数有一个明显的跃增，达到另一个波峰(约为38 ℃)，之后缓慢递减，递减幅度较小，整体一直维持在34 ℃左右，直到降雹结束；结束后K指数迅速波动下降至30 ℃以下，但还是维持一个较高的值，为后期的降雹提供了有利的不稳定条件。

SI<0时，显示大气不稳定，负值越大，不稳定程度越大。SI指数的变化趋势表明，在降雹前出现剧烈且频繁的波动，但在降雹开始后缓慢下降，但整体态势趋于平稳，降雹结束后又迅速上升，继续呈波动幅度大、波动频繁的情况，这样的波动状态为后期出现冰雹提供了有利的不稳定条件，见图2。该次降雹结束后K指数下降与SI指数又恢复到降雹前的高值区，说明后期仍可能有冰雹产生，但强度较该次降雹可能会减小，结合后续雷达资料显示，强回波区范围及强度较前一次确有减弱。

4 结论

通过此次过程分析，该次降雹天气发生在低层大尺度暖脊之中，对流层中高层高空槽加深加强使冷空气入侵、低空急流加强等天气系统的合理配置为触发突发性冰雹提供了十分有利的天气尺度背景条件。笔者利用微波辐射计观测资料反演大气相对湿度、温度、液态水以及计算的不稳定指数，分析了2021年7月5日发生在呼和浩特地区的罕见的强冰雹天气过程，主要有以下结论：

①这次冰雹天气过程发生在蒙古冷涡减弱并入高空槽，使高空槽加深加强的背景之下，高空槽加深使干冷空气更好地向河套地区输送，并叠加在低层大尺度的暖脊上，低涡底部西南急流带来充沛水汽的同时输送了大量的暖空气，使得大气层结拥有很强的不稳定性。低层以及近地层充足的水汽，也为降雹提供了有利的环境基础，而0～6 km整层深厚的垂直风切变，清楚的地面中尺度辐合线都为不稳定能量的触发提供了有利条件。②根据微波辐射计监测显示呼和浩特降雹临近时，大气整层相对湿度一直维持“上下干，中间湿”三层结构，这种结构有利于冰雹的发生；垂直液态水在降雹前中层明显增长，临近降雹回落至低值，降雹时近地层则随着降水和冰晶下落至融化层后融化、蒸发，导致低层相对湿度、水汽密度均比降雹前有所增大，液态水含量也明显增长，降雹后又迅速回落。同样原因2 km以下水汽密度在降雹发生时一直维持在较高数值，降雹后明显回落，这些对预报冰雹天气的发生与增强均有一定的指示意义。③从微波辐射计反演得到的K指数和SI指数的不稳定演变来看，都可以显示出该次强冰雹天气的大气稳定度变化情况。降雹前K指数波动幅度大频率快，最高可以达到40 ℃以上，为冰雹的产生提供了有利的不稳定条件，降雹时K指数波动幅度小，但维持在一个较高的数值，说明此时大气层结处于较不稳定状态，降雹后K指数迅速下降至30 ℃以下。