阿瓦提县初夏一次强冰雹天气成因分析

2022-10-01刘进新谭甜甜

农业灾害研究 2022年8期

刘进新，谭甜甜，陈丹,康娟

1.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐 830001；2.新疆阿克苏地区气象局，新疆阿克苏 843000

新疆阿克苏地区地处天山山脉南麓，塔里木盆地北部边缘，地形地貌复杂，境内广布山脉、平原、戈壁、荒漠和绿洲，生态环境脆弱，灾害性天气多发。阿瓦提县位于阿克苏地区西南部，地形复杂，天气多变，春夏频发的冰雹天气常给农业生产造成巨大损失。随着南疆气候日益变暖，强冰雹（冰雹直径≥20 mm）天气发生更加频繁。国内很多科研人员对我国的冰雹天气进行了大量研究。姚静等[1]对陕西冰雹天气进行了系统的分析研究；李圆圆[2]、玛依热·艾海提[3]等、对新疆冰雹天气形成的大气环流及其发生机理进行了系统阐述，张磊[4]、刘进新[5]等对阿克苏当地强对流和冰雹天气的影响系统、动力因子等进行了详细分析。这些研究揭示了新疆冰雹天气发生发展的物理触发机制，对当地冰雹天气的预报预警提供了一定的指导。为了进一步加强阿克苏冰雹天气的预报预警服务，有必要对本地冰雹天气形成、发生发展物理机制、触发机制等进行深入研究。利用常规高空、地面观测资料对2017年6月7日阿瓦提县强冰雹天气过程的环流背景、动力条件、物理量场等方面进行了详细分析，为增强该地区冰雹天气的预报预警能力提供参考。

1 天气实况和环流背景分析

2017年6月7日下午，阿克苏地区南部、东部县市出现强对流天气，阿瓦提县国家站出现大雨（17.0 mm），库车、沙雅、新和出现中雨（6.7～8.2 mm）[6]，其中阿瓦提站18:00～20:00出现冰雹，冰雹最大直径为34 mm，最大平均重量为4 g，降雹持续时间为18 min。该次过程造成棉花、小麦、瓜果、蔬菜等受灾10 916.4 hm2，农业直接经济损失0.93亿元，降雹尺度之大、持续时间之长、造成灾害之重为历史罕见。

分析2017年6月5—7日500 hPa高空环流图可知，5日08:00欧亚大陆中高纬度为一脊两槽型环流形势，新地岛以东到新疆西部及伊朗地区为高压脊区，2个长波槽分别位于贝加尔湖西部和乌拉尔山地区，环流经向度大，阿瓦提处于新疆脊控制下；6日08:00随着伊朗副热带高压北伸，位于乌拉尔山附近的低槽分裂为南北两段，北段东移进入西伯利亚地区影响俄罗斯，南段东移南下至巴尔喀什湖地区，其槽底南压至40°N以南；7日08:00随着伊朗副热带高压与位于咸海的高压脊叠加后向北挺进，此时位于巴尔喀什湖附近的低槽加强成低涡，低涡底部分裂短波槽东移影响阿克苏地区，触发了此次强对流天气发生，造成7日午后到夜间阿克苏地区多地出现强对流天气。

2 中尺度分析

从冰雹发生前6月7日08:00中尺度分析（图1）来看，500 hPa巴尔喀什湖低槽位于南疆西部，温度槽落后于高度槽，槽前西南气流将阿拉伯海和孟加拉湾的水汽向南疆盆地输送，喀什、和田湿度条件较好。随着低槽东移，槽后干冷空气伴随西北气流伸入南疆西部至阿克苏；700 hPa冷平流自北向南输送至南疆盆地，伊犁河谷至和田T-Td＜4℃，阿克苏处于T-Td＜4℃饱和湿区；850 hPa喀什—阿克苏存在切变线，南疆西部为温度脊控制，同时有暖平流自南向北输送至阿克苏西部地区，此时阿克苏地区T850-T500＞30℃，整层大气处于不稳定状态，易发生强对流天气。整层来看，500 hPa干冷平流、700 hPa冷湿平流、850 hPa暖湿平流，进一步加强了阿克苏上空大气的不稳定性，同时，上层干冷、下层暖湿有利于形成冰雹的大气层结。配合6月7日14:00地面天气形势，阿克苏西部存在一条地面中尺度辐合线，随着地面升温，形成初始抬升力，沿中尺度辐合线对流发展加强，最终形成影响阿瓦提县的强对流天气。

图1 2017年06月07日08:00中尺度分析图

3 层结稳定度

阿克苏气象台常用的不稳定层结判据经验指标为，距离阿克苏市最近的3个探空站:喀什、阿克苏、库车3站中，有1站K≥30℃、Δθse（850-500）≥10℃、SI≤-4.0℃，阿克苏地区出现强对流天气的概率较大，如果以上指标均达到，出现强对流的概率增大[14]。在该次强对流天气过程中，阿克苏地区的2个探空站的稳定度参数从6日08:00开始不稳定能量越来越大，距离降雹区60 km的阿克苏探空站7日08:00不稳定能量达到峰值，其中K指数为36℃，SI为-1.29℃，湿对流有效位能为340.6 J/kg，而当天20:00阿克苏地区东部的库车县探空站不稳定能量达到峰值，K指数为37℃，SI为-3.11℃，湿对流有效位能达1 046.4 J/kg。当天夜间阿克苏地区东部也遭受了冰雹袭击，稳定度参数的突变表明阿克苏地区上空7日大气层结非常不稳定。

4 水汽条件

充沛的水汽供应及其在降雹区中低层聚集后强烈辐合抬升是强对流天气发生发展并得以维持的重要条件之一。此次冰雹天气发生前6日08:00 500 hPa中层就有来自里海和咸海的水汽在西北气流的引导下翻越帕米尔高原进入南疆，此时南疆西部的喀什地区有一水汽通量大值区，中心强度为4 g/（cm·hPa·s）。与此同时，700 hPa和850 hPa也有来自阿拉伯海的水汽通过较强的西南气流输送至南疆，6日夜间至7日上午，水汽输送不断增大，7日20:00水汽通量达到最大，此时，在降雹区阿瓦提县的上空850 hPa上水汽通量中心强度达12 g/（cm·hPa·s），而且水汽通量大值区从低层850 hPa、700 hPa一直伸展至中层500 hPa，水汽通量高值区的西南部配合有西南气流，这种配置对阿克苏地区的水汽输送非常有利。而且此时850 hPa上出现了偏东路径的水汽输送，雹区东部即巴州南部有12 g/（cm·hPa·s）以上的水汽通量大值中心，并有6～8 m/s 的偏东气流，偏东气流与西南气流在降雹区汇合后辐合上升，对降雹非常有利。

5 动力条件

5.1 散度

在对流天气中，散度场的配置和大小决定着对流天气的强度。从6月7日阿瓦提县冰雹天气散度场的纬度—高度剖面图（图2a）可以看出，冰雹天气发生前期6日08:00，降雹中心的阿瓦提县500 hPa以下总体上散度为正（辐散），500 hPa以上散度均为负值（辐合），预示此时阿瓦提上空为下沉气流。而降雹当天上午7日08:00，降雹中心散度几乎整层发展为负值，中心强度达到了8 s-1，与此同时100～200 hPa散度已转为正值，此时阿瓦提上空已经发展成中低层辐合、高层辐散，这种散度结构加剧了暖湿空气的上升运动。

5.2 涡度

从降雹中心涡度场的纬度—高度剖面图（图2b1）可以看出，降雹前期6日08:00阿瓦提县上空中高层700 hPa以上为正涡度平流，而低层700 hPa以下为负涡度平流，而降雹当天7日08:00(图2b2)阿瓦提县上空几乎整层已经发展为正涡度平流。正涡度平流的发展使气块旋转上升运动持续发展并加强，有利于将中低层暖湿空气抬升。

5.3 垂直速度

从垂直速度的经度—高度剖面上可以看出，6日08:00（图2c1）阿瓦提县中低层（600～850 hPa）垂直速度为正，下沉气流，而中高层（100～500 hPa）为上升气流，7日08:00（图2c2）

图2 6日08:00和7日08:00沿降雹中心80°E纬度—高度垂直剖面图

阿瓦提县上空整层垂直速度发展为负，降雹中心上空已经发展为整层的上升运动区，强烈的上升运动将低层暖湿空气抬升冷却凝结后降落，造成了阿瓦提县的冰雹天气。

6 地面中尺度辐合线

地面中尺度辐合线是触发雷暴、冰雹等强对流天气的主要因素之一。分析阿瓦提县附近区域自动站数据可以发现，冰雹天气发生之前的7日17:00地面图上，阿克苏市、柯坪、阿瓦提县为暖低压控制，气温为23℃～25℃，且有6～8 m/s东南风。18:00，北方短波槽分裂推动冷空气南下，阿克苏市及以南转为5～8 m/s东北风，气温下降5℃～7℃。阿瓦提县仍为东南风，西部的柯坪县为西南风，东南风、东北风和东北风3支气流在阿克苏市南部与阿瓦提县交界处形成东西向的中尺度地面辐合线，辐合线两侧温差达到9℃～13℃。冷暖空气交汇辐合为冰雹云的发生发展起到了提供、聚集水汽的作用，有利于水汽辐合抬升，从而触发了冰雹天气的发生。同时在这个时段，雷达图上也表现为对流云发展迅速，18:30，阿瓦提县北部拜什艾日克镇出现冰雹，降水量为2.8 mm。19:00，地面辐合线继续南压，阿瓦提县各区域站均转为8 m/s偏北风，其中阿瓦提县城极大风速为15.3 m/s，并伴有3.7 mm降水量。19:45左右阿瓦提站出现降雹，19：00～20:00的降水量为11.6 mm，并伴有16.6 m/s西北风，21:00以后降水基本结束。短波槽前伴有系统性的抬升运动，冷暖平流差异造成层结不稳定增长，在阿瓦提北部形成一条地面中尺度辐合线，北方冷空气推动中尺度辐合线向南移动，促进发生了阿瓦提县的强对流天气。