安顺市2015—2019年冰雹时空分布特征及雷达临近预警指标研究

李启芬，曾 妮，蒙 军，周 林，吴哲红

(1.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000；2.贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001)

0 引言

冰雹天气是一种极端天气，形成于积雨云中，也是我国分布最广的一种对流性灾害天气[1]。贵州处于中低纬度地带，由于受地理地形环境因素影响，境内常发生冰雹现象。冰雹天气是贵州春季常见的灾害性天气，给人民的经济财产、人身安全造成了一定程度的影响。贵州特别是贵州西部是冰雹频发的地区[2-3]，安顺市也是贵州省冰雹多发中心之一。目前大多数专家学者主要研究的是冰雹形成机理和影响系统[4-7]，万雪丽等[8]分析出贵州冰雹天气过程多发受青藏高原短波槽东移引导弱冷空气的影响，与中层大气降温，形成不稳定层结有关。同时，也有部分专家从统计分析角度研究冰雹时空分布规律或冰雹路径。周永水等[2]分析贵州省1971—2007 年观测站实测冰雹资料指出，贵州省冰雹主要分布在中部以西地区，且春季多、秋季少。近年来，国内外气象工作者一直在研究强对流灾害天气的短时临近预警系统，并得出了适合当地的临近预警指标和方法[9-13]。罗晓松等[14]分析了遵义市普通单体、多单体、超级单体以及线风暴的反射率因子及径向速度特征。刘小艳等[15]基于 CPAS 系统分析了2009—2015年贵州安顺市冰雹云识别指标，为安顺市冰雹预警提供了一定指标,如VIL阈值、45 dBz强回波顶及强回波中心分别与0 ℃层和-20 ℃层高度差阈值作为冰雹预警指标。

本文利用安顺市2015—2019年的降雹资料、MICAPS常规观测资料和贵阳雷达资料，统计分析了近几年安顺市冰雹时空分布特征及环流形势，对比分析了不同冰雹直径情况下的雷达产品特征及其区别，如雷达回波径向速度、反射率因子、CAPPI等，以期得到对安顺市冰雹预警正确率和提前量有用的指标，为安顺市开展防雹作业提供有效的依据，从而减少农业、房屋、车辆等经济损失。

1 资料与方法

利用安顺市六县区2015—2019 年应急加密重要天气报告中的降雹记录，统计分析安顺市降雹时间、降雹站点分布，降雹次数计算方法依据《地面气象观测规范》设定:一日中每个站只要出现降雹就记一次，再采用叠加方法，绘制这5 a的冰雹落点图。2015—2019年安顺市共出现52次冰雹天气过程(45次冰雹天气过程的雷达资料完整)，其中有8次冰雹天气过程的冰雹云回波最终发展为线状回波。运用PUP软件回放45次冰雹天气过程的贵阳雷达基数据，对回放的雷达产品进行统计分析。

2 安顺市冰雹天气的环流特征及冰雹的时空分布特征

2.1 安顺市冰雹天气的环流特征

利用MICAPS观测资料对2015—2019年安顺市45次冰雹天气过程当日高空(500～850 hPa)、地面形势进行统计分析，结果见表1：

表1 降雹日高空到地面环流形势表

可见，冰雹天气当日贵州上空500 hPa为高空槽、700 hPa有切变线过境或滇黔一带有高空槽、850 hPa有切变线过境、地面上86%的冰雹天气当日有冷空气南下触发雷暴，少数情况为热低压或静止锋或台风外围影响。

此外，冰雹天气过程当日沙氏指数SI及抬升指数LI同时为正的过程仅5次，其余降雹当日SI为负或LI为负或两者同时为负。SI及LI同时为正的5次冰雹天气过程当日无论是08时还是20时CAPE均为0，0 ℃层高度较低，均在4 km以下，有利于降雹。其余降雹过程当日CAPE大小不等，在24.1～1504 J·kg-1之间。冰雹直径10 mm以上的降雹过程当日08时0 ℃层高度平均4.2 km，-20 ℃层高度平均7.4 km；冰雹直径10 mm以下降雹过程当日08时0 ℃层高度平均4.5 km，-20 ℃层高度平均7.8 km。可见，冰雹直径10 mm以上比冰雹直径10 mm以下的降雹当日0 ℃层及-20 ℃层高度要低。在有利于降雹条件下，0 ℃、-20 ℃层高度对降雹直径有一定影响。

2.2 安顺市冰雹的时空分布特征

2015—2019年安顺市共有52 d发生冰雹天气，达204站次。安顺市冰雹主要以直径20 mm以下的小冰雹为主，共出现196站次，占总降雹站次的96%。直径20 mm以上的冰雹仅有8站次。

由降雹落点图(图1)可知，安顺市2015—2019年全市范围均有降雹，冰雹主要发生在市中部及以北地区，呈现南多北少的特征。6县区中，出现冰雹站次最多的是镇宁县，达55站次，其次为西秀区43站次，最少为关岭县13站次。其中降雹次数最多的站点是镇宁县城区，达9次，其次为平坝区乐平8次，第3为普定县马场、鸡场坡、平坝区十字、夏云以及镇宁县丁旗，均为7次。

图1 安顺市2015—2019年降雹落点图(单位：次)

由图2(a)可知，2018年、2019年安顺市发生冰雹天气的天数较2015—2017年略有增多，降雹站数增加明显，分别达到66站、71站，2017年仅有7 d 8个站发生冰雹天气，即每次降雹仅1个或2个站，为2015—2019年最少年份。从安顺市2015—2019年各月降雹天数(图略)可知，安顺市冰雹主要发生在春季(3—5月)，其中4月发生冰雹次数最多，达20次，5月次之，7月最少，这与刘小艳等[15]得到的6月最少的结论略有差异；8月—次年1月均未有降雹。此外，刘小艳等人[15]对2009—2015年安顺市冰雹研究发现，冰雹最早出现在3月，而本文研究发现，自2018年开始2月便有冰雹发生，较2009—2015年冰雹开始时间有所提前。

图2 安顺市2015—2019年降雹次数、站数时间序列

综上，2015—2019年安顺市冰雹天气主要发生在春季(3—5月)，2015—2019年期间，安顺市冰雹天气最多为2019年，最少为2017年。冰雹的空间分布总体呈现北多南少的特征。经统计，平坝区乐平、十字、夏云、普定县马场、鸡场坡以及镇宁县观测站、镇宁县丁旗发生冰雹天气的频率较高。在有利于降雹的环流形势下，当识别到有冰雹云将向这些地方移动时，可考虑发生冰雹天气的可能性增高，这对冰雹预警准确率与提前量具有一定的指标作用。

3 安顺市降雹单体雷达临近预警指标研究

2015—2019年安顺市共发生52次冰雹天气过程，但仅有45次冰雹天气过程的资料完整，因此利用这45次冰雹天气过程的贵阳雷达基数据，通过RPG软件进行回放并通过PUP软件对各雷达产品进行统计分析。由于安顺市冰雹以小冰雹尤其是直径10 mm以下的小冰雹为主，故对直径10 mm以上和10 mm以下的冰雹发生前至发生时雷达回波的异同特征进行对比分析。

安顺市2015—2019年冰雹天气过程多为普通单体降雹，其次为超级单体降雹，其中有8次冰雹天气过程最终演变为线状风暴。通过对45次冰雹天气过程中出现的冰雹云进行分析后发现，冰雹云的最强回波值在降雹前呈现波动状态(图略)，这与邹书平等[17]结论一致。安顺市冰雹云的强回波值大于40 dBz，最强回波平均值大于55 dBz；直径10 mm以下的冰雹比直径10 mm以上的冰雹对应的冰雹云最强回波平均值偏小1.4 dBz，降雹概率平均值偏小15.5%(表2)。直径10 mm以下冰雹对应的冰雹云，有63.5%在径向速度场上有速度特征，其中单体前侧辐散后侧辐合(单体的移动方向为前侧，以下同)占46%，无明显特征占19%，单体后侧辐合占14%，单体前侧辐合占9%，旋转、辐散或旋转与辐合占12%。可见，径向速度场主要表现为辐合的特征，但辐合相对于单体的位置有所不同，且其中辐合辐散成对出现的占多数。直径10 mm以上冰雹对应的冰雹云，有80%在径向速度场上有明显的速度特征，其中反气旋式旋转占26%，单体前侧辐散后侧辐合占20%，单体后侧辐合和前侧辐合分别占7%，其余为旋转与辐合或旋转与辐散。可以看到，直径10 mm以下冰雹对应的冰雹云，其径向速度场特征主要是辐合与反气旋式旋转。冰雹云的发生发展与径向速度关系密切，且在降雹前就有表现，径向速度特征出现时间较降雹时间提前63～80 min，因此，在有利的降雹环流形势下，以上径向速度特征可作为冰雹预警的指标之一。

表2 降雹单体雷达回波特征对比

当冰雹云在径向速度场有上述径向速度特征时，其对应的回波强度更强，单体持续时间更长。直径10 mm以上冰雹对应的冰雹云都表现为有悬垂回波结构特征，对应的强回波中心平均升降次数为2.1次，上升幅度在1～5.6 km，平均上升距离2.6 km，平均最高上升至7.5 km，且上升高度越高，冰雹直径越大，45 dBz回波均上升至-20 ℃层高度以上(在-20 ℃层高度以上0.2～5.0 km之间)，且与0 ℃层平均高度差为5.5km，CAPPI上出现45 dBz以上回波的时间点较降雹时间点提前平均33.6 min。直径10 mm以下冰雹对应的冰雹云仅有89%表现有悬垂回波特征，对应的强回波中心平均升降次数为1.2次，其上升幅度在0～5 km，平均上升距离0.9 km，平均最高上升至5.6 km，其中有14个冰雹云的强回波中心持续下降，45 dBz回波均上升至0 ℃层高度以上(在0 ℃层高度以上0.5～7.1 km之间)，与0 ℃层平均高度差为4.9 km，45 dBz回波上升至-20 ℃层高度的次数仅有15%，CAPPI上出现45 dBz以上回波的时间点较降雹时间点提前平均43.6 min。对冰雹预警的时间提前量将起到明显的指标作用。

此外，45次冰雹天气过程中，共有8次冰雹过程的冰雹云最终演变成线状风暴，其中6次发生在2019年。这8次线状风暴降雹过程的共同点为：均由多单体风暴组织排列成线状，各单体生消较快，短则几分钟，长则十几分钟，强度不强。因此，在有利降雹的环流形势及物理参数条件下，当发现有线状回波且将影响本市时，降雹概率增加，需提高警惕，分析其他降雹有利因子，考虑发布冰雹预警。

4 降雹个例雷达特征分析

本文选取2016年3月20日傍晚至夜间1次降雹过程进行分析。

3月20日，500 hPa上四川东部、云南东部—贵州西部为高空槽；700 hPa滇黔一带为高空槽，安顺上空为槽前西南急流；850 hPa贵州西部为南北向切变，并向南压影响安顺；地面上贵州中西部为热低压，华北以北为冷高压。20日08时冷锋已到达贵州东北部，白天热低压发展，20时冷锋向西推到达安顺南部，触发雷暴发生发展。20日08时贵阳探空显示，0 ℃层、-20 ℃层高度分别为4.0 km、6.7 km，CAPE值1329 J·Kg-1，SI为-6.61 ℃，LI为-5.09 ℃，探空曲线为上干下湿层结结构。环流形势及探空物理参数均表明，当天非常有利冰雹天气的发生。

4.1 降雹单体雷达反射率及径向速度特征

3月20日19时51分，六盘水市六枝特区开始出现40 dBz以下片状回波单体J1，径向速度场上单体J1移动方向的前沿、左侧及右侧为负速度区包围正速度区，即单体J1移动方向的前沿为辐散。20时11分单体J1移向前沿为辐散，后侧为辐合，单体J1东北方向出现辐合，并出现新单体N1。20时37分，辐合区附近再次新生单体X1，雷暴单体J1加强(图3a1)，其对应的径向速度场特征维持，且向东北方向的辐合区靠近。21时02分，雷暴单体J1移动至普定县马场镇附近并造成降雹，冰雹直径8 mm，强回波伸展高度由降雹前的10 km降至降雹后的7 km。21时23分冰雹云J1移至普定鸡场坡并造成降雹，冰雹直径12 mm，J1移向前侧由原来的辐散转为辐合，该辐合区与单体J1向东偏北方向移动，且移动速度较单体J1偏慢。21时58分J1移至普定补郎，辐合区位于单体J1后侧，其移向前侧为正的径向速度区，冰雹云J1强度增强，强回波区范围扩大，此时普定补郎降雹，冰雹直径25 mm。22时03分J1南端新生雷暴单体J3。22时18分，雷暴单体J1移出普定，J3移至普定东北部(图3b1)，其移向前沿为正的径向速度区，后侧为辐合(图3b2)，J3回波强度增强，最强回波值达60 dBz以上，强回波伸展至10～11 km。22时54分，J3分裂成2个单体中心，北部仍为J3，南部为新单体A5，2个单体移向前沿为辐合，22时59分，A5移至平坝乐平，强度增强(图3c1)，单体移向前沿仍为辐合(图3c2)，此时平坝乐平降雹，冰雹直径10 mm。23时09分，J3移至平坝齐伯，产生降雹，冰雹直径30 mm，J3移向前沿为辐合，后侧为辐散，强回波伸展高度由降雹前的11 km降至降雹后的8 km，南部单体A5为反气旋式旋转。23时14分J3移出平坝县，A5移至平坝十字降雹，冰雹直径20 mm，23时25分移至平坝夏云降雹，冰雹直径20 mm，期间A5径向速度场一直为反气旋式旋转。

图3 3月20日贵阳雷达回波反射率因子(a1-c1)及其对应的径向速度(a2-c2)演变图

以上可见，此次降雹过程主要由3个冰雹云造成，且每1个冰雹云在初期径向速度场上均出现辐合，辐合区位置与单体相对位置存在不同。前2个单体的辐合区位于单体后侧，而第3个单体辐合区位于单体前侧，且径向速度特征出现的时间较降雹时间提前，其中冰雹云J1对应的辐合出现时间较降雹时间提前71 min。

4.2 降雹单体趋势特征

图4给出了冰雹云J1的单体趋势。可见，冰雹云J1从20时01分生成开始至20时16分，其VIL从4 kg·m-2直线上升至56 kg·m-2，此后便在39～61 kg·m-2间波动。最强回波反射率因子从40 dBz上升至59 dBz，此后一直稳定维持在55～60 dBz之间。降雹概率自单体生成后5 min即从0上升至100%并一直维持至普定县马场、鸡场坡及补郎降雹。最强回波高度从生成至普定县马场降雹时经历了4次升降，第1次升至9 km，其余3次上升高度仅在6～7 km，均在0 ℃层高度(4 km)以上，最大上升距离2.8 km，马场冰雹直径8 mm。马场降雹后至鸡场坡降雹经历1次升降，此次最强回波高度从2.2 km上升至8 km，上升高度在-20 ℃(6.7 km)以上，最强回波上升距离达5.8 km，冰雹直径12 mm。至补郎降雹时又经历了2次升降，最强回波高度分别上升至9.1 km、8.5 km，均在-20 ℃高度以上，最强回波2次上升距离分别为5.4 km、3.6 km，补郎冰雹直径25 mm。

图4 2016年3月20日冰雹云J1的单体趋势

冰雹云J3的VIL、最强回波反射率因子、降雹概率及最强回波高度升降过程与雹云单体J1非常相似，都有VIL、最强回波反射率因子、降雹概率的直线上升以及维持时间长，最强回波高度从单体生成至齐伯降雹经历了3次升降，但J3最强回波高度上升高度分别达到9.5 km、7 km、8.5 km，均在-20 ℃高度以上，较冰雹云J1上升高度要高，齐伯冰雹直径达30 mm。

综上所述，当冰雹云最强回波高度出现升降且在0 ℃层尤其-20 ℃层高度以上时，冰雹直径的大小与最强回波伸展的高度呈一定的正相关，最强回波上升越高，冰雹直径越大。而冰雹云最强回波的升降可能就是雹云单体内冰雹的升降。冰雹在降雹前不断反复升降，上升高度越高，成长为大冰雹的可能性越高。发现雷暴单体最强回波反复在0 ℃层尤其-20 ℃高度以上升降时，可以推测将有降雹的可能性，且最强回波高度上升高度越高，冰雹直径越大。

5 结论与讨论

通过对2015—2019年安顺市冰雹天气过程统计分析，得到以下结论：

①2015—2019年冰雹天气当日500 hPa贵州上空为高空槽、700 hPa有切变过境或滇黔一带上空有高空槽、850 hPa有切变线过境、地面上86%的冰雹天气当日有冷空气南下触发雷暴发生，少数情况为热低压或静止锋或台风外围影响；

②安顺市冰雹以直径在20 mm以下的小冰雹为主；冰雹主要发生在春季(3—5月)，4月最多，5月次之。冰雹的空间分布呈北多南少特征。2015—2019年期间，安顺市冰雹天气过程2019年最多，2017年最少。平坝区乐平、十字、夏云、普定县马场、鸡场坡以及镇宁县城、镇宁县丁旗冰雹天气发生频率较高。在有利于冰雹天气发生的环流形势下识别到有冰雹云将向这些地方移动时，可考虑发生冰雹的可能性增高，对冰雹预警准确率与提前量有一定指标作用。

③直径10 mm以上与直径10 mm以下冰雹对应的雹云相比，其强回波值更强、降雹概率更高、强回波中心平均升降次数更多、上升幅度及最高上升高度更高(须在0 ℃层高度以上)、对应的径向速度特征(辐合/辐散、旋转)出现时间较降雹时间提前量更多，CAPPI上出现45 dBz以上回波的时间点较降雹时间点提前平均33.6 min，45 dBz回波均上升至-20 ℃层高度以上(在-20 ℃层高度以上0.2～5.0 km之间)。而直径10 mm以下冰雹对应的雹云，45 dBz回波均上升至0 ℃层高度以上(在0 ℃层高度以上0.5～7.1 km之间)，但上升至-20 ℃层高度的仅占15%，CAPPI上出现45 dBz以上回波的时间点较降雹时间点提前平均43.6 min。此外，强回波中心上升高度(0 ℃层高度以上)越高，冰雹直径越大。以上雷达回波特征均可作为安顺市冰雹预警指标，有利于提高安顺市冰雹预警准确率及提前量。

以上结论是通过2015—2019年安顺市冰雹天气过程进行统计分析得出，而未对其中的物理机制进行分析解释，这将是下一步的工作的方向。