湖北省湿球温度0℃层高度的特征分析

庞晶，袁凯，张丽，李武阶

（武汉市气象局，武汉 430040）

冰雹是指由于对流所造成的直径≥5 mm的固态降水，是湖北省主要的灾害性天气类型之一［1］，多发于春季3—4月，对春播秧苗的成长尤为不利［2］，在湖北省内有三大高发中心：鄂西南和江汉平原西部、鄂西北的保康和随州一带以及沔阳-孝感-武汉地区［3，4］，给湖北省造成了严重的人员伤亡和财产损失。1986年8月7日恩施建始茅田乡遭受强冰雹袭击，共造成3人死亡，11人受伤［5］。1997年5月29日下午到傍晚，襄阳下辖7个县区遭受冰雹袭击，冰雹大似核桃，小如蚕豆，共造成7.5万hm2农作物受灾，损失小麦超2.75万t［3］；2015年4月3日夜间蕲春遭受冰雹袭击，降雹时间持续15 min以上，共造成15 323人受灾，直接损失1 833万元。

研究表明，冰雹危害农业，主要是对农作物枝叶、茎秆、果实产生机械损伤，从而引起各种生理障碍和诱发病虫害，造成农作物减产或绝收［6］，其致灾轻重取决于降雹强度、降雹时间、雹粒大小、作物种类和生育期［7］因素。果树遭冰雹袭击严重时会出现落叶、落果，影响树势和产量，易引起病虫害的发生和蔓延［8］。一般雹粒越大，降雹时间越长，所造成的农业损失也就越大［9］，而降落到地面雹粒的大小取决于开始融化时冰雹的尺寸和融化层的高度［10］，一般认为这个融化层接近于湿球0℃层（Wet blub zero，WBZ）高度，而不是干球0℃层（Dry blub zero，DBZ）的高度，当WBZ和DBZ之间和上下一定范围内存在明显的干空气时，WBZ的高度明显低于DBZ高度［1］，此时若再将DBZ作为冰雹开始融化的高度，将影响预报员对雹粒大小的判断，甚至可能直接决定冰雹预报的成功与否［11］。

湖北省地处青藏高原东侧的长江中游地区，属典型的副热带季风气候，是中国南北气候的过渡区，东西跨度约8个经度，南北跨度约4个纬度，西部多高山和丘陵，中东部为平原，冰雹天气多发频发，因此本研究利用近17年的实况探空资料，分别选取鄂西北、鄂西南和鄂东的代表站点，对比分析不同地区之间WBZ季节变化特征的异同点，并结合具体的冰雹个例进行讨论，为精准的冰雹预警预报和人工防雹作业提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

针对湖北省内3个冰雹高发地区，即鄂西南、鄂西北、鄂东，分别选取代表站点，由于湖北省西北部没有高空探空观测站点，距离较近的站点为河南南阳站和陕西安康站，考虑到湖北西北部特殊的地形以及与探空站点的实际距离，本研究选取安康、恩施和武汉（表1，图1）分别作为鄂西北、鄂西南和鄂东的代表站点，使用3个代表站每日8、20时（北京时间）的高空探空数据，资料起止时间为2005年1月1日—2021年12月31日。

图1 各代表站点位置

表1 各代表站点的基本属性

1.2 方法

本研究按照以下步骤计算湿球0℃层的高度，首先，基于Bakhshaii等［12］提出的气温变化方程，利用微分法计算出整层大气温度的分布，然后基于迭代法求出某一气压层对应的抬升凝结高度（简称LCL），接着基于该气压层对应的LCL高度，计算出湿绝热递减率，再利用诺曼德原则［13］，求得该气压层对应的湿球温度；其次，对所有气压层循环上述过程，得到不同气压层的湿球温度；最后，将不同气压层求得的湿球温度结果进行差值，从而得到湿球0℃高度。

2 结果与分析

2.1 季节特征分析

表2是湖北省不同地区各季节平均的WBZ高度以及DBZ和WBZ高度差，整体规律为WBZ高度随季节变化较大，夏季最高，均超过4 000 m，秋季次之，春季再次之，冬季最低，仅1 274.1˜1 651.7 m，这可能与整个湖北省大气温度和湿度的季节变化有关，即气温越高，WBZ高度越高，而在相同的温度条件下，湿度越大，WBZ高度越高。而DBZ和WBZ高度差随季节的变幅则远小于WBZ高度，且湖北不同地区之间表现出不同的变化规律：鄂东地区秋季最大，冬季次之，春季、夏季最小；鄂西北地区夏季最大，冬季次之，春季、秋季最小；鄂西南地区夏季最大，秋季次之，春季、冬季最小。

表2 湖北不同地区各季节平均的WBZ高度以及DBZ和WBZ高度差 （单位：m）

从WBZ高度的箱线图可以看出（图2），除冬季外，各季节平均的WBZ高度均为恩施最高，鄂西北、鄂西南和鄂东地区WBZ高度的差异在秋季和夏季最为突出，秋季恩施最高WBZ高度较安康高732.9 m，夏季最高WBZ高度较安康高389 m。此外，从季节变化来看，冬季湖北省各地区的WBZ高度较为集中，尤其是鄂西北地区冬季WBZ高度变幅非常小，这可能与其特有的地形有关［14］。从DBZ和WBZ高度差的箱线图来看（图3），湖北省各地区季节变幅均较小，尤其是鄂西北地区，各季节间最大差异仅为296.7 m，季节变化上夏季湖北省各地区之间DBZ和WBZ高度差最小，均值仅为77.8 m。

图2 湖北省不同地区各季节平均WBZ高度箱线

图3 湖北省不同地区各季节平均的DBZ和WBZ高度差箱线

2.2 各季节的统计特征

图4是湖北省不同地区各季节WBZ高度的发生频率，春季和秋季WBZ高度出现概率最大的高度均为2 500˜3 500 m，概率分别为36.5%˜42.3%和32.1%˜37.2%，其次出现的高度为3 500˜4 500 m。夏季由于地面气温较高，WBZ高度明显高于其他季节，基本都在2 500 m以上，超过4 500 m的概率最高，为44.1%˜58.1%。而冬季WBZ高度基本都在3 500 m以下，概率最大高度则为500˜1 500 m，概率超过50%，其次为1 500˜2 000 m，概率为20.2%˜ 34.7%。从湖北省各地区的对比来看，春季500 m以下仅鄂东地区出现过26次（占比0.9%），而秋、冬季除鄂西南外，其余地区WBZ均出现过低于500 m的情况，尤其是冬季，鄂东出现364次，占比超过15%。

图4 湖北省不同地区各季节WBZ高度的发生概率对比

从各季节DBZ和WBZ高度差的概率分布（图5）看，随着高度的升高，各季节的概率呈下降趋势。按各季节低于1 000 m的概率计算，鄂西南和鄂西北地区均超过70%，鄂东略低，为57.8%˜71.9%。春季、秋季和冬季DBZ和WBZ高度差出现的最大概率高度均为500 m以下，尤其是秋季概率达到34.8%˜ 54.8%。此外，各季节DBZ和WBZ高度差低于500 m的概率均为鄂西南最大，鄂西北次之，鄂东最小；而高于2 000 m的概率在春季、夏季和秋季均为鄂东最大。

图5 湖北省不同地区各季节DBZ和WBZ高度差的发生概率对比

2.3 冰雹过程中的WBZ高度特征分析

为了进一步讨论实际冰雹发生过程中WBZ的特征，本研究以常规地面观测数据、灾情信息以及新闻网络报道为基础，收集和整理了2005年1月1日—2021年12月31日间分别发生在鄂西北、鄂西南和鄂东地区的30、45、30次冰雹天气过程（表略），并计算了冰雹天气发生前的安康站、恩施站、武汉站的WBZ高度、DBZ高度以及DBZ和WBZ高度差（图6），可以看到当有冰雹发生时WBZ变幅最大的为鄂西南地区，最大为2018年8月5日的5 082 m，最小为2013年3月10日的2 748 m；平均而言，当DBZ高度为4 265 m，WBZ为3 817 m时，最利于该地冰雹天气的发生，此时DBZ和WBZ的高度差约为448 m；而对于鄂西北地区WBZ而言，当DBZ高度为4 399 m，WBZ为3 730 m时，最利于该地区冰雹天气的发生，此时DBZ和WBZ的高度差约为669 m；而对于鄂东地区，冰雹发生时WBZ平均高度最低，为3 328 m，DBZ和WBZ高度差约为638 m，这与前人研究结果一致［15］。对比湖北省不同地区冰雹发生时平均WBZ高度看，最高为鄂西南，鄂西北和鄂东次之；DBZ和WBZ高度差从大到小依次为鄂西北、鄂东和鄂西南。

图6 湖北不同地区冰雹过程时WBZ、DBZ以及DBZ和WBZ高度差的箱线

3 小结与讨论

3.1 小结

本研 究 利 用2005年1月1日—2021年12月31日间安康、恩施和武汉站高空探空资料及同期湖北省各地区的地面观测和灾情数据，分析和讨论了湖北省各地区湿球0℃高度的季节变化特征，得到以下主要结论。

1）WBZ高度随季节变化较大，夏季最高，均超过4 000 m，秋季次之，春季再次之，冬季最低，仅为1 274.1˜1 651.7 m，这可能与整个湖北省大气温度和湿度的季节变化有关，即气温越高，WBZ高度越高，而在相同的温度条件下，湿度越大，WBZ高度越高。

2）DBZ和WBZ高度差随季节的变幅则远小于WBZ高度，且湖北省不同地区之间表现出不同的变化规律：鄂东地区秋季最大，冬季次之，春季、夏季最小；鄂西北地区夏季最大，冬季次之，春季、秋季最小；鄂西南地区夏季最大，秋季次之，春季、冬季最小。

3）从各季节WBZ高度发生频率看出，春季和秋季WBZ高度出现概率最大的高度均为2 500˜ 3 500 m，其次为3 500˜4 500 m；夏季WBZ高度明显高于其他季节，冬季WBZ高度基本都在3 500 m以下。

4）从各季节DBZ和WBZ高度差的概率来看：随着高度的升高，各季节的概率呈下降趋势，各季节低于1 000 m的概率鄂西南和鄂西北地区均超过70%，鄂东略低。春季、秋季和冬季DBZ和WBZ高度差出现的最大概率高度均为500 m以下，尤其是秋季概率最高。

5）湖北省不同地区主要冰雹天气过程的合成分析表明，当有冰雹发生时WBZ变幅最大的为鄂西南地区，最小的为鄂西北地区，冰雹发生时平均的WBZ高度最高为鄂西南地区，鄂西北和鄂东次之；DBZ和WBZ高度差从大到小依次为鄂西北、鄂东和鄂西南。

3.2 讨论

首先，需要指出的是，根据常规探空数据确定的WBZ高度只是冰雹融化层的大致高度，实际冰雹融化层高度与计算得到的WBZ高度存在一定误差［11］。其次，利用微分法计算整层大气温度分布时也存在一定误差，但检验结果表明，这种误差在实际大气中，无论是绝对误差还是均方误差都非常小，对最终结果并不产生较大影响［12］。