桃仙机场2005—2021年冰雹情况统计分析

2022-09-08王程昱

农业灾害研究 2022年7期

张玉，王程昱

辽宁省民航东北地区空中交通管理局气象中心，辽宁沈阳 110069

冰雹天气对民航业影响重大。在飞机飞行时，一旦进入冰雹区域，那么冰雹和飞机撞击就会对飞机造成巨大的损伤。而在地面的飞行器、监测设备等也会受到冰雹的影响，造成一定损失[1]。因此，对冰雹天气的观测和预报有着重大的意义。通过2005—2021年桃仙机场地面观测簿中记录的冰雹天气，利用欧洲中心小时再分析数据，统计分析了这17年的冰雹天气，试图从中找到一定规律，为日后冰雹天气的预报、预警提供一定依据。

1 地面数据分析

2005—2021年间，桃仙机场共出现26次冰雹天气，平均每年出现日数1.53次，而在1990—2015年桃仙机场气候志中记载，冰雹年出现平均日数为1.1次，即近17年冰雹日数是有所增加的。从月统计情况看，桃仙机场冰雹主要出现4—6月和8—10月，这也是桃仙机场雷暴天气主要出现的月份（图1）。7月并未出现冰雹，历史平均也仅有0.1次，但7月雷暴平均日数达到6.4次（1990—2015年），说明7月是对流发展频繁的月份，只是发展并不旺盛，且温度相对较高（平均温度24.4℃，为各月最高），冷空气不足以至于零度层温度较高，不利形成冰雹[2]。4月、8月、9月和10月次数较少，均在3次或3次以下，从1990—2015年平均来看，也都住在0.2次以下，与往年基本相符。5月和6月出现次数较多，从历年平均（1990—2015年）来看，5月平均0.2次，6月平均0.4次，而计算到2017年，5月和6月应该分别累计出现3.4次和6.8次，但实际上5月共出现11次，6月共出现6次，说明6月与此前冰雹水平基本一致，5月则是远远超出了此前26年（1990—2015年）的平局水平。比较温度情况发现，2005年以来，历年5月平均温度呈现逐渐走高的趋势。由于冰雹是一种强对流天气的表现形式，需要温度层结达到一定高度和大量的能量累积，因而5月温度的适当升高，尤其是冰雹发生前，有利于强对流天气和冰雹的发生[3]。

图1 2005—2021年冰雹日数累计分析

通过对比各次冰雹发生时间，冰雹发生的时间大部分集中在02:00～12:00（UTC，以下均是），即夏日能量累积升温的最大可能时段（图2）。冰雹发生的平均时间在08:24，在去除23:59和17:06两个偏离较大的极值后，平均时间为07:23，与夏日午后雷暴高发的情况相符，也说明白天的日照升温与能量累积具有加深对流的作用。再看持续时间，从图2中看出，大部分冰雹过程持续时间较短，时间最长为2005年4月24日，时间长达22 min；最短的则持续不到1 min，且多次发生。将持续时间不足1 min的按照0.5 min计算，得出平均持续时间约为6.15 min，去除极大值和极小值，平均时间在5 min。可以看出，冰雹普遍持续时间较短，平均为5～6 min，极值情况也在30 min以下，大部分发生在午后至傍晚。

图2 冰雹起止时间对比

比较冰雹发生前后的温度变化，取冰雹发生前、发生时（最接近的整点）以及发生后的整点数据，得到图3。从中可以看出，几乎每次冰雹发生都伴有明显的降温过程，平均每次过程降温4.2℃，最大降温达到8.9℃，发生在2020年10月21日。这表明冰雹过程往往伴有冷空气的入侵，随着温度降低，场面气压有所升高，这些也在地面实况中有所体现。结合冰雹时间分析，降温幅度小于2℃的过程，其持续时间均小于3 min，共发生7次，其中伴随天气小雨3次，中雨4次，未出现大雨。而整个26次冰雹过程，伴随天气大雨4次，中雨15次，小雨7次，说明无论持续时间长短，伴随中或大的降水的可能性较大，达到73.1%，而降温不明显的冰雹过程，出现中雨的概率则有所降低。所有7次伴随小雨的冰雹过程，除了2005年4月24日长达22 min，2005年5月21日持续12 min，但是伴随出现中等强度冰雹，也可归在中等降水范畴，其他5次持续时间均小于4 min，其中2次不大1 min。这说明雨强小，冰雹的持续时间也会相应较小。

图3 冰雹前后温度对比

比较每次冰雹过程的地面风的变化，可以得出在这26次过程中，发生转风（风向变化大于60°）情况19次，未明显转风7次。在转风的过程中，6次最后转向了东北风，1次西北风，7次东南风，2次西南风，1次西风，2次风向不定。由此可知，冰雹过后，风向主要在东北风或东南风，也有系统由西向东经过本场的主要环流形势相符。从风速看，12次过程有风速转大，8次转小，6次无明显变化。且在冰雹发生时的整点数据显示，冰雹发生时风速较大，其中5次达到8 m/s或以上的风速，平均风速为5.1 m/s，大于冰雹发生前（4.3 m/s）和发生后（3.8 m/s）的平均风速。说明冰雹发生时，大部分情况会出现风向的转变，转后以东南风或东北风为主，冰雹发生时风速较大，对流最强。

2 再分析资料分析

利用欧洲中心1 h再分析资料，取冰雹发生时最接近时刻的整点数据，在41.3°N，110°～130°E位置做剖面（桃仙机场位置41°N、123°E），显示风、温度、湿度数据，由于图片较多，选取其中较为有代表性的几次过程展示（图4）。

从26次剖面图中来看，除2014年6月12日过程外，其余25次过程在剖面图的中低层均显示出明显的南北风切变，说明大部分过程都是有槽脊配合的深厚过程，中低层复合线的建立为雷暴冰雹过程提供了触发机制[4]。分析26次过程的温度线，发现零度线的位置18次集中在700～800 hPa，7次在650 hPa附近，1次过程由于发生在10月30日，零度线降至900 hPa附近。而无论温度线层结如何分布，在南北风切变区域，800 hPa附近的温度线都会有明显向下的波动，即使没有切变的过程，800 hPa附近的10℃线也有弱波动，说明温度的突然降低，与冰雹的产生有着较大相关性[5]。原因可能是冰雹过程本身是冰（冰雹）、水（降雨）同时发生，系统内部伴有强烈的对流，而上升气流无法承托冰雹，则会在下落过程中融化一部分，而融化过程是吸热过程，因而会造成温度下降。而冰雹过程短暂且范围不大，因而在剖面上表现为很窄一段温度下降带，而这一融化降温过程，主要发生在600 hPa以下，且在800 hPa表现较明显，因而800hPa附近温度的变化可以作为冰雹发生的判断依据之一。

继续对这26次冰雹过程做涡度剖面，取2005年6月21日12:00和2018年4月10日为例展示，如图5所示：

图5 冰雹过程剖面图

从这26次冰雹过程的涡度剖面图可以看出，每次冰雹过程中，在200～400 hPa的高层附近均存在正的涡度极值中心，中心极值在0.00015～0.0003 s-1，个别情况极值区在500 hPa附近，极值大小亦有波动，但大部分都符合此规律。而一般在正涡度极值区东侧低层，存在负涡度极值区，中心值在-0.0001～-0.0002 s-1，高度在800～900 hPa，此高度正是温度线突然向下波动区域，说明高层强烈辐合，卷吸大量水汽至高层凝结，在不断的上下对流过程中，冰晶增大至无法承托，坠向地面，部分融化降温，其余继续向下冲击，并伴随大量气流向下辅散，进而形成如此形势[6]。强烈的对流，合适的温度层结，都是冰雹产生的重要因子。