六盘山一次灾害性冰雹天气过程分析

林 彤，邓佩云，周 楠，李龙燕，宁欣婷，王雪妮

（1.中国气象局 旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.中国气象局 云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081；3.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002）

冰雹是一种强对流天气，是对流云发生发展过程中产生的一种固态降水物，冰雹的产生时常伴随着强降水和大风天气，并具有很强的突发性和巨大的破坏力，往往对人民的生命财产造成重大损失。冰雹是我国经常出现的灾害性天气之一，我国平均每年遭受冰雹灾害的面积达到2×106hm2[1-2]。据应急管理部发布的2022 年全国自然灾害基本情况：自然灾害导致的农作物受灾面积1 207.16 万hm2；直接经济损失2 386.5 亿元；我国共出现37 次区域性强对流天气过程，从时间上看，主要集中在夏季，强对流天气引发风雹灾害造成的死亡失踪人数和直接经济损失分别占风雹灾害全年损失的73%和69%。

近年来，随着我国极端天气和灾害性天气出现频率增高，气象研究人员越来越关注对强降水、冰雹、大风等天气的研究，冰雹的形成机理、微物理特征以及预测监测是我国气象发展必不可少的研究方向，这些研究也是我国防灾减灾能力提升的迫切需求。而准确、及时地获取降雹前云的信息、动力条件以及各项云微物理量的变化对于人工影响天气至关重要。降雹天气过程中发生的宏、微观物理特征变化十分复杂，早在20世纪70 年代，国内外学者就开始对冰雹进行研究。之后，有研究人员针对各个地区冰雹天气过程进行了一系列的研究和分析，得出了许多具有参考价值的结论[3-7]，特别是对于强冰雹过程的个例分析也有很多。如：张腾飞等[8]对云南一次强对流冰雹过程的环流及雷达回波特征进行了分析，发现此次天气过程具有典型的冰雹雷达回波特征，且强回波区与雷达速度场的逆风区、大风区和风辐合区相关。汪海恒等[9]利用气象常规资料、再分析资料和雷达资料诊断分析了一次重大冰雹灾害性天气，给出了强冰雹发生之前大气湿层厚度、对流上升高度、强风暴进入等变化特征，其研究结果可以作为强冰雹预警的辅助指标。严红梅等[10]研究了金华地区冰雹的大气环境和雷达回波特征，得出冰雹发生前整层大气可降水量的平均值可达40.8 mm，0.5°仰角最大反射率因子值超过60 dBZ。除此之外，E.A.Kalina 等[11]，V.S.Makitov 等[12]研究了较长时期的冰雹雷达回波结果，分析了冰雹核形成和发展的动态参数。特种观测仪器的应用，为进一步了解和探索冰雹天气提供了新的手段，我国学者运用新型仪器设备对冰雹的微物理特征做了更深入的研究[13-19]。

云资料的获取主要分为地基和空基两个方面，空基的研究对象为云顶，虽然目前激光雷达等高精度仪器观测数据的获得以及相应算法的发展，使得卫星对云的观测获得重大进展，但还需要地基仪器的对比验证[20-21]。地基云参数有多种探测手段，如云雷达、云高仪、X 波段双偏振雷达等，借助多种探测手段和特种设备分析冰雹灾害天气的宏、微观结构，可以有效识别粒子的相态和降水过程中云的微物理特征，有助于冰雹灾害性天气结构模型的建立。据此，本文利用三维风速仪、激光云高仪、Ka 波段云雷达、X 波段双偏振雷达、微雨雷达等多种观测仪器，结合天气背景和地面气象资料，对2021 年7 月12 日六盘山东侧一次冰雹灾害性天气过程中的大气环流形势、动力场以及微物理变化特征进行分析与探讨，以期为科学有效地制订防灾减灾方案提供依据与支撑。

1 天气背景分析

1.1 天气实况及环流背景

本文选取六盘山山顶的六盘山气象站（海拔高度2 845.2 m），六盘山东侧的泾源气象站（海拔高度1 984.7 m）、大湾作业点（海拔高度1 980 m），六盘山西侧的隆德气象站（海拔高度2 078.6 m）布设的多类特种仪器的观测数据，以及距离六盘山65 km 的彭阳观测点X 波段双偏振雷达的观测数据进行分析，分析过程中不考虑大气对回波强度的衰减作用。

2021 年7 月12 日15：45—16：05，宁夏南部六盘山东侧泾源县新民乡、泾河源镇出现冰雹天气并伴随短时雷暴大风，冰雹直径15～50 mm，持续时间约20 min。固原市彭阳县布设的X 波段双偏振雷达，泾源县气象局布设的Ka 波段云雷达、微雨雷达、微波辐射计和三维风速仪等仪器，均捕捉到此次冰雹天气过程。根据泾源县应急管理局的统计结果，本次冰雹造成新民乡和泾河源镇以玉米、马铃薯、小杂粮为主的秋粮受灾，农作物受灾面积1 201.2 hm2（新民乡1 200 hm2、泾河源镇1.2 hm2），造成农作物直接经济损失1 443.96 万元（新民乡1 440 万元、泾河源镇3.96 万元）。

7 月12 日08：00，500 hPa 宁夏受位于华北的冷涡后部的西北气流控制，宁夏南部位于584 和580 线之间，700 hPa 受西北气流控制；17：00 六盘山区受强的热低压控制，低压中心位于内蒙古西部、宁夏西北方向，强度为992.5 hPa，地面受强的热低压控制，有利于午后低层辐合抬升，形成“高干冷、低暖湿”的配置，造成较强的对流（图1）。图2 中，08：00 探空数据显示，整层湿度条件较好，存在不稳定能量，对流有效位能（CAPE）值为16.3 J/kg，0 ℃层高度为4.8 km，-20 ℃层高度为7.9 km。近地面存在逆温层，有利于不稳定能量的聚集，地面受强的热低压控制，有利于低层辐合抬升，形成对流，到20：00，CAPE 值达到588.6 J/kg，0 ℃层高度为4.8 km，-20 ℃层高度为8.2 km。

图1 7月12日天气形势图（审图号：GS（2019）3082号）

图2 7月12日08：00和20：00崆峒站探空图

1.2 雷达回波特征

有研究表明，冰雹的形成受地形影响明显，山区的多雹中心一般处在南北走向山脉的东坡，而近东西走向的六盘山是宁夏地区的冰雹频发中心之一[22-26]。分析产生此次冰雹的原因：首先，天气条件具备有利于触发突发性冰雹的天气尺度背景；其次，本次强对流天气发生位置在六盘山脉的东坡，地形的动力抬升和热力作用造成局地辐合上升运动加强，使得山区上空大气不稳定，为强对流天气的发生提供了有利条件。

从雷达组合反射率及剖面图（图3）可以看出，16：02 在泾源县东南部，强回波中心达到60 dBZ，强对流单体发展旺盛，回波顶高达到12 km，延伸至对流层顶。由剖面图可以看到明显的悬垂结构，强对流单体结构完整，存在有界弱回波区，60 dBZ 以上强回波已延伸至-20 ℃层。以上特征符合强冰雹发生时的雷达回波特征。

图3 16：02雷达组合反射率及剖面图

2 动力场特征

2.1 地面气象要素变化

冰雹天气的发生除了具备不稳定能量外，还需具有一定的触发机制才能使潜在的能量释放并产生强对流。本文选取距离冰雹发生地最近的六要素地面自动气象站——新民乡先进村站（Y3306），通过分析地面气象要素的变化，可以看到降雹过程20 min 内（16：00—16：20），地面气温下降了7.2 ℃，瞬时风速达到17.6 m/s，风向由西南转为西北（图4）。

图4 冰雹发生前后地面气象要素变化

2.2 动力场特征

图5 为六盘山东坡三维风随时间的变化图。由图5可知，风向基本保持不变，山底为西风，山顶由东南风转为西风。水平风速基本保持不变，山脚水平风速最强。15：36 降水开始前，风向为西北风，水平风速在4.0 m/s 以下，气流的下沉运动速度为0.25 m/s，大气表现为较强的下沉运动。降水开始后，风向调整为稳定的西风和东南风，水平风速增强，水平风速为6.0 m/s以下，垂直风速为0.50 m/s，大气转为较强的上升运动，随着高度的增加，东坡山顶上升运动达到最强。降水开始后，大气垂直运动减弱。

图5 六盘山东坡三维风随时间的变化图

图6 为六盘山两侧三维风随时间的变化图，可以发现降水前1 h 和降水过程中风向随着海拔升高呈顺时针旋转。主要风向为西风、西南风，降水开始后西坡山脚（杨家店村观测点）和山腰（六盘山梯度观测点）风向转为东南风；水平风速随着海拔高度增加而增加，降水开始后除六盘山气象站外，其他各站风速减弱。

图6 六盘山两侧三维风随时间的变化图

降水前，六盘山西坡大气主要为上升运动，沿着海拔高度逐渐增加，东坡山顶和山脚（大湾作业点）为上升运动，山腰和山脚为下沉运动。降水后，气流的上升运动减弱，西坡山腰和六盘山气象站继续保持上升运动，东坡山顶由上升运动转为强的下沉运动，东坡山脚（大湾作业点）为上升运动。本次强对流天气发生位置在六盘山脉的东坡，迎风坡地形对气流的抬升和“狭管效应”使得气流产生由地面向上的垂直运动。因此，此次冰雹过程主要是由于地形作用导致的短时强对流过程。

3 微物理场特征

3.1 云系发展特征

对比六盘山东侧大湾作业点、六盘山顶的六盘山气象站和六盘山西侧隆德气象站的Ka 波段云雷达回波强度图（图7）可知：7 月12 日，在降水前1 h 云系变为10 km 左右深厚的单层云，云厚由大到小的顺序为隆德站、六盘山站、大湾作业点，云体内回波强度有跃增现象，跃增强度由大到小的顺序为大湾作业点、六盘山站、隆德站。通过定量分析可以看出，强对流性降水发生前1 h，云系接地，有一云厚为5 000 m 以上的深厚单层云。随着降水的临近，降水发生前20 min 云体内回波有跃增现象，六盘山站回波强度为14 dBZ，大湾作业点回波强度为6.98 dBZ，隆德站回波强度最小，为4.97 dBZ。

图7 7月12日大湾作业点、六盘山站和隆德站的回波强度图

7 月12 日16：02—16：27，在泾源县新民乡成功收集到冰雹，冰雹直径2～3 cm。在降雹前1 h，泾源站云体内回波强度有跃增现象。对其降雹发生前云系结构垂直剖面进行分析可知，回波强度大值区云顶高为8 km，回波强度大值区集中在云系中间，两边的回波强度较弱。

云底宏观参数中云量、云高和云厚是影响地球辐射收支的重要参数，利用激光云高仪对六盘山站、隆德站、大湾作业点和泾源站的云底高度进行测量，结果如图8 所示。由图8 可知：从12 日07：00 开始到12：00，4 个站点垂直天顶几乎观测不到云底，12：00 4 个站点都开始出现云，且随着降水时间的临近，云系开始发展，到15：30 左右出现3 层云。其中，降雹地——泾源县，在降雹发生之前15 min（15：29），开始出现3 层云，说明云系发展较旺盛，云层厚度较厚（大约2 km），且降雹过程云底高度变化较快。16：05 以后，随着冰雹过程的结束，降水粒子变为液态，降雨开始后测得云底接地。

图8 7月12日六盘山站、隆德站、大湾作业点和泾源站的云底高度图

3.2 X波段双偏振雷达及微雨雷达数据特征

由于对流云降水局地性强，回波成块状分散分布，单个回波面积较小，为了更清晰地分析对流云结构特征，本文对其中一个对流云单体进行研究（图9）。由图9可知：7 月12 日14：48，泾源站的东北方向对流回波刚刚生成，回波面积很小，且回波强度弱，组合反射率Zmax平均值为23.66 dBZ，最大值为32.5 dBZ；随后对流回波迅速发展，15：13，强回波中心形成，组合反射率Zmax平均值增大至33.57 dBZ，最大值跃升至52.5 dBZ；15：23，回波继续加强，强回波中心面积进一步扩大，组合反射率Zmax平均值达34 dBZ，最大值为52.5 dBZ，雷达6°仰角（高度为7.3 km+1.758 km=9.058 km 处）回波强度小于20 dBZ 的回波开始形成，此处应为生成的对流云云毡；15：44，回波继续加强，强回波中心面积进一步扩大，组合反射率Zmax平均值达35 dBZ，最大值仍为52.5 dBZ，此时雹云发展成熟，出现降雹，雷达6°仰角回波强度小于30 dBZ 的回波面积较大，占回波总面积的50%，此处为发展成熟的对流云云毡；15：59，回波达到最强，强回波中心面积进一步扩大，较15：44 强回波面积增大15%，云毡面积也进一步扩大，此后，雷达回波继续南移，回波强度逐渐减弱，主回波区已移出宁夏。

图9 2021年7月12日彭阳观测点对流云降水雷达组合反射率

本次降水回波维持时间较长，从回波生成到消散持续时间约为2.5 h，虽后期已移出宁夏，且逐渐减弱，但其减弱过程较慢，降雹开始后1 h（16：44），仍有反射率Z最大为52.5 dBZ 的强回波中心和云毡回波等典型的雹云回波特征，直至17：14 才逐渐消散。

图10 为2021 年7 月12 日15：43（降雹开始前）对流云降水彭阳观测点雷达回波特征（仰角1.5°、高度1.76+1.94=3.7 km），表1 为该时刻各仰角雷达参数最大值与平均值列表。结合图10 和表1 可知：蓝色圆形区域中心为雷达基本反射率Z的强回波中心，海拔高度约为3.7 km，1.5°仰角Z最大值为52.5 dBZ；从垂直分布来看，Z最大值出现在2.4°仰角，为55.0 dBZ。然而，Z值强中心对应着差分反射率ZDR的低值中心，ZDR由圆形区域周边的1.5 dBZ 的大值区迅速降为圆形区域中心的零值，甚至出现负值，这说明该区域的粒子形变特征不明显，表明有冰雹存在。由于冰雹接近球形或不规则形状，受气流影响，冰雹在下降过程中不断翻滚，表现为粒子形状接近球形（水平轴与垂直轴之比接近于1），ZDR接近于0 dBZ。同样差分传播相移KDP呈现相似的规律，在圆形中心区域出现零值或负值；冰雹的存在使粒子的形状均匀性较差，因此冰雹发生区域的相关系数ρHV也出现一个高值区（大雨区）的缺口，由ρHV大值区的0.98 减小为0.85 左右。

表1 2021年7月12日15：43对流云降水各仰角雷达参数最大值与平均值

图10 2021年7月12日15：43对流云降水彭阳观测点雷达回波特征

微雨雷达反射率因子时间-高度演变如图11 所示。由图11 可知，最大雷达反射率因子在六盘山山顶，大于六盘山东侧，六盘山气象站雷达反射率因子为51.29 dBZ，六盘山东侧大湾作业点雷达反射率因子为50.56 dBZ，六盘山西侧隆德气象站雷达反射率因子为25.77 dBZ，山顶降水比东侧略强，西侧地面降水不明显或未出现降水。

图11 微雨雷达反射率因子时间-高度演变图

4 结论与讨论

4.1 结论

本文借助多种探测手段和特种设备，对2021 年7月12 日宁夏六盘山东侧出现的冰雹天气过程进行宏、微观物理特征的综合分析，得出以下结论。

（1）冷涡槽后、上层干冷中低层暖湿抬升是影响此次冰雹过程的天气背景，冰雹单体生命史接近1 h，降水回波维持时间较长，从回波生成到消散持续时间约为2.5 h。

（2）此次降雹过程20 min 内伴随大风与降温，发生位置在六盘山脉的东坡，迎风坡地形对气流的抬升和“狭管效应”使气流产生由地面向上的垂直运动，因此，此次冰雹过程主要是由地形作用导致的。

（3）此次降雹的宏、微观物理特征表现为：强对流性降水发生前1 h，云系接地并伴有5 000 m 以上的深厚单层云，临近降水时云体内有回波跃增现象，从初生对流到降雹结束，整个过程回波维持时间较长，移动方向为西北—东南，组合反射率最大值达52.5 dBZ。在降雹发生之前15 min 开始出现3 层云，说明云系发展较旺盛，云层厚度较厚（大约2 km），且降雹过程云底高度变化较快。整个过程云高最高达10 km 且有云层接地，降雹发生前20 min，云内有回波跃增现象，距离降雹地点最近的大湾作业点回波强度达6.98 dBZ，回波强度大值区集中在云系中间，降雹时云底回波最强，从云底到云顶逐渐减弱。

4.2 讨论

多种观测资料为分析降水过程提供了有效的辅助参考，各观测仪器在云参数观测方面都有其优势和局限性，在此次冰雹探测中符合实际情况，综合利用各仪器的优点进行联合观测分析获得准确的云的信息，有利于对冰雹过程中宏、微观物理特征进行定量分析，具有推广应用的价值。虽然本文使用了多种探测设备对冰雹前期云系发展进行了观测，但由于云雷达的结果未滤掉晴空大气的噪声影响，激光云高仪对于中层云以上情况观测结果不够稳定，且易受到近地霾层影响等，今后我们还需要在数据质量控制方面提高数据的准确性[27]。目前，提高地基红外云参数观测反演精度的研究工作还在继续中，有望在提高数据精度后，更准确地观测和研究云参数的变化情况，从而更好地理解和预测天气变化。