黔南州冰雹天气物理量特征分析

赵 杰,罗喜平,莫乙冬,黄麟媛,罗 雄

(1.贵州省黔南苗族侗族自治州气象局,贵州 都匀 558000;2.贵州省人工影响天气办公室,贵州 贵阳 550081)

0 引言

冰雹是常见的灾害性天气之一,常常伴随着狂风、暴雨等其他天气过程,给各行各业以及人民生命财产带来巨大损失。冰雹的防御,提前预报预警很重要。冰雹的短时临近预报主要依赖于雷达、卫星等观测手段,但由于雷达、卫星等观测资料临近外推预报时效性的限制,冰雹预报仍然要依赖于环境条件的识别。针对冰雹预报问题,不同的学者对相应地区的冰雹物理量特征进行了研究[1-6]。贵州也有大量学者对冰雹的气候特征进行了分析[7-10]。也有学者围绕冰雹的雷达特征[11-13]、探空资料的应用[14]等开展了研究。目前黔南州的冰雹研究多为个例的研究[15-17]以及对农业的影响分析[18],对于冰雹预报预警的物理量指标研究鲜有涉及。黔南州作为“中国天眼”FAST所在地,冰雹的提前预报预警以及防御工作尤为重要。曹艳察等[19]将中国海拔<3 km的地区以1 km为界,分为一级阶梯(<1 km)和二级阶梯(1～3 km),并得出一级阶梯冰雹出现在具有更不稳定的层结结构、更多不稳定能量、更多水汽含量以及更强的垂直风切变环境中。黔南州地处云贵高原东南部向广西丘陵过渡的斜坡地带,地势北高南低,海拔最高1961 m,最低242 m,横跨2个阶梯,很有必要开展物理量特征研究。本文利用1999—2021年贵州黔南州冰雹资料进行分析,旨在找出黔南州冰雹天气的物理量阈值,为黔南州冰雹天气的潜势预报提供科学参考,并为冰雹预报准确率的提高奠定基础。

1 资料与方法

1.1 资料

普查1999—2021年黔南州12个气象站(都匀、瓮安、福泉、贵定、龙里、惠水、长顺、罗甸、平塘、独山、荔波、三都)冰雹观测资料,规定:1 d中(20—20时,北京时,下同)州内有1个气象站出现冰雹定为1个冰雹日。23 a黔南州共计发生了121个冰雹日,本文选取其中探空资料完整的115个冰雹日开展物理量特征分析,其逐月分布如表1。对于白天(08—20时)发生的冰雹,选取当天08时的探空资料,对于夜间(20时—次日08时)发生的冰雹,选取20时的探空资料。由于CAPE日变化大,故需对08时探空资料中的CAPE值采用当天14时的地面温度和露点温度进行订正。结合黔南冰雹路径分析[20],冰雹云均自西向东影响黔南州,故本文采用冰雹云上游的贵阳探空站进行统计,提取影响黔南州冰雹天气的物理量。

表1 黔南州1999—2021年115个冰雹日逐月分布

1.2 方法

日常业务中预报员通常使用MICAPS软件分析高低空资料制作冰雹预报,故本文也采用MICAPS中能及时获取的19个探空物理量资料进行统计分析。其中选取沙氏指数(SI)、抬升指数(LI)、K指数(K)、850 hPa与500 hPa温差(△T850-500)、700 hPa与500 hPa温差(△T700-500)5个物理量分析层结稳定度特征值,选取0～3 km风矢量差(SHR3)、0～6 km风矢量差(SHR6)、对流有效位能(CAPE)、对流抑制能量(CIN)、地面2 m温度(T2m)、强天气威胁指数(SWEAT)6个物理量分析热力与动力条件,选取850 hPa比湿(q850)、700 hPa比湿(q700)、整层可降水量(PW)、850 hPa温度露点差(T850-Td850)、700 hPa温度露点差(T700-Td700)5个物理量分析水汽特征值,另外对0 ℃层高度(H0℃)、-20 ℃层高度(H-20℃)及-20 ℃与0 ℃层的高度差(△H-20℃-0℃)等3个特征高度层进行统计分析。

本文采用Python对数据进行处理,并绘制相关的分布图,主要利用箱线图[21]来分析各物理量的总体特征,箱形上部框线为75%上四分位值,下部框线为25%下四分位值,箱中黑横线为中位数,黑三角形为平均值,箱外黑点为异常值。箱线图能直观反映数据变化趋势,判断异常值的标准以四分位数和四分位距为基础,四分位数具有一定耐抗性,识别结果更加客观[22]。

2 物理量特征分析

水汽、不稳定和抬升条件通常被称为雷暴生成三要素,即对流发生的必要条件和充分条件[23],本文从以上冰雹发生的三要素入手,分析冰雹发生前各物理量特征。

2.1 物理量总体趋势

2.1.1 层结稳定度 沙氏指数(SI)与抬升指数(LI)是指气块绝热上升至500 hPa时,气块的温度与环境温度的差值,表明了大气层结的稳定性,其值为负则表明不稳定;K指数反应中低层温湿分布对稳定度的影响[23];△T850-500与△T700-500表示大气的静力稳定度状况,是预报强对流天气常用的物理量[24],其值越大,代表条件不稳定性越强[25]。从贵阳站层结稳定度各物理量箱线图(图1a)可以看出,黔南发生冰雹前贵阳探空SI基本在-2.25～4.75 ℃,中位数为-0.37 ℃;LI基本在-2.46～3.67 ℃,中位数为-0.58 ℃;K指数基本在23～37 ℃,中位数为33 ℃;△T700-500基本在15～18.5 ℃,中位数为17.2 ℃;△T850-500基本在21～27 ℃,中位数为24.2 ℃。由此可以看出,SI在-2.25～4.75 ℃、LI在-2.46～3.67 ℃时较容易发生冰雹,但二者中位数均为负,表明黔南州冰雹发生前其值多为负值,负值更利于冰雹的产生。K指数在23～37 ℃,△T700-500在15～18.5 ℃,△T850-500在21～27 ℃时黔南州发生冰雹的可能性较大,其中当K指数、△T700-500、△T850-500分别超过33 ℃、17.2 ℃、24.2 ℃时更有利于冰雹的产生。

图1 贵阳站各物理量箱线图:层结稳定度(a)、动力与热力(b,c)、水汽(d)、特殊高度层(e)

2.1.2 热力、动力条件分析 对流有效位能(CAPE)可以恰当地表示出对流发展的潜势和可能达到的强度,它与对流抑制能量(CIN)一起是深厚湿对流发生潜势和潜在强度的一个重要指标[25];中低层垂直风切变的大小与形成风暴的强弱密切相关;强天气威胁指数(SWEAT)反映了不稳定能量、风向风速垂直切变对风暴强度的综合作用;地面温度(T2m)通常与不稳定能量的聚集及触发有关。热力与动力条件箱线图(图1b～1c)反映了黔南州冰雹天气过程的这些物理量的变化特征。SHR3基本在11.1～19.1 m·s-1,中位数14.7 m·s-1;SHR6基本在17.3～28.8 m·s-1,中位数23.1 m·s-1;T2m基本在12.1 ～20.5 ℃,中位数16.9 ℃;SWEAT基本在150～337,中位数为233.8;CAPE基本在8～1436 J·kg-1,中位数565.8 J·kg-1;CIN基本为0 J·kg-1,中位数为0 J·kg-1。由此可见SHR3在11.1～19.1 m·s-1,SHR6在17.3～28.8 m·s-1,T2m在12.1～20.5 ℃,SWEAT在150～337时较利于冰雹的出现,当它们分别达到14.7 m·s-1、23.1 m·s-1、16.9 ℃、233.8时,更有利于冰雹的出现。CAPE较低时,依然能产生冰雹,但是超过566 J·kg-1更有利于冰雹的出现。CIN无箱体,表明出现CIN的次数较少,发生冰雹前大多无对流抑制能量的出现。

2.1.3 水汽条件 水汽条件中,比湿(q)表示单位质量湿空气内的水汽质量,温度露点差反映空气的饱和程度,整层可降水量(PW)是表征大气中水汽含量的重要指标[26]。从水汽条件箱线图(图1d)可见,q700基本在5.3～8.4 g·kg-1,中位数为6.8 g·kg-1;q850基本在7.4～13.2 g·kg-1,中位数为10.6 g·kg-1;PW基本在19.7～31.0 mm,中位数25.1 mm;T850-Td850基本在1.1～4.4 ℃,中位数2.0 ℃;T700-Td700基本在1.9～6 ℃,中位数3.5 ℃。由此可见q700在5.3～8.4 g·kg-1,q850在7.4～13.2 g·kg-1,PW在19.7～31.0 mm时,黔南州发生冰雹的可能性较大。当它们的值分别上升至6.8 g·kg-1、10.6 g·kg-1、25.1 mm时,更有利于冰雹的出现。从温度露点差可以看到,冰雹发生前850 hPa基本为湿层,700 hPa干层或湿层都能出现冰雹,但多为湿层,表明冰雹发生前对水汽条件要求不是很高,低层有充足的水汽就可以产生冰雹,当850 hPa与700 hPa的温度露点差分别低于2.0 ℃、3.5 ℃时更有利于冰雹的出现。

2.1.4 特征高度层 冰雹发生在0 ℃层和-20 ℃层高度适宜的情况下,因为0 ℃等温线和-20 ℃等温线之间的区域主要由过冷水滴、雪花及冰晶组成,这个区域是冰雹生成的雹源区[27]。本文分析了0 ℃层、-20 ℃层及两者的高度差(图1e),冰雹发生前H-20℃基本在6854～7866 m,中位数为7288.9 m;H0℃基本在3858～4789 m,中位数为4272.7 m;△H-20℃-0℃基本处在2881～3264.6 m,中位数为3074.5 m。由此可见H-20℃在6800～7900 m,H0℃在3800～4800 m,△H-20℃-0℃在2800～3300 m时,黔南州出现冰雹的可能性较大,其值分别在7288.9 m、4272.7 m、3074.5 m附近时,更有利于冰雹的发生。

2.2 物理量逐月特征

通过分析不同物理量逐月箱线图可以发现,随着季节的变化,气温随之发生变化,物理量参数也会有明显的调整,大部分物理量的月变化较大,因此在得到总体特征的基础上进一步对逐月的物理量特征进行分析,对黔南州的冰雹潜势预报提供更有意义的参考。

2.2.1 层结稳定度 由SI与LI的定义可知,SI(图2a)与LI(图2b)具有近乎相同的变化趋势,SI与LI在1—5月呈现下降趋势,7—9月基本稳定在0 ℃以下,11月开始上升,观察2种指数的中位数变化发现,11月、1—2月中位数明显在0 ℃以上,3月下降至0 ℃附近,4—9月中位数均在0 ℃以下,秋冬季节2种指数的中位数在0 ℃以上,可能因为在此期间贵州多受静止锋影响,锋面逆温的出现导致SI与LI无意义[28]且正值居多;K指数(图2c)在1—3月基本稳定,4月、5月开始明显上升,7—9月基本稳定在36～42 ℃之间,11月开始下降,结合K指数公式(1)分析其原因,可能是因为低层水汽含量秋冬季节比春夏季节低、气温也较低;△T700-500(图2d)主要在14～20 ℃之间;△T850-500温差(图2e)1—2月稍低在15～24 ℃之间,2月后总体稳定在21～27 ℃之间。总的来看春季的大气层结稳定度逐渐趋于不稳定,夏季维持,秋冬季节层结逐渐趋于稳定。

图2 贵阳站SI(a)、LI(b)、K(c)、△T700-500(d)、△T850-500(e)逐月箱线图

2.2.2 动力、热力条件 对黔南冰雹日的天气影响系统进行分析,黔南发生冰雹天气前,500 hPa多为高空槽前西南气流,即中层主要为偏南急流,低层在冬季易受冷空气影响偏北风较多,表现在箱线图上为SHR3(图3a)与SHR6(图3b)在1—9月基本呈现下降趋势,11月略有上升;T2m(图3c)分布较为分散,但是整体呈现出春夏季温度较高,秋冬季较低的特点;2—4月及11月CAPE值(图3d)在400 J·kg-1以下的次数较多,表明春秋季能量较低时仍然有较大概率出现冰雹,但是总体大部均在400 J·kg-1以上,表明能量高有利于冰雹的出现;CIN(图3e)基本无箱体,且出现对流抑制的个例较少,表明大部分冰雹过程无对流抑制能量的出现,3—5月出现对流抑制能量次数较多,但主要集中在140 J·kg-1以下,表明冰雹发生前有一定的对流抑制,在触发条件足够时仍然能出现冰雹天气;SWEAT(图3f)在1—5月基本呈现出上升趋势,11月明显下降,从公式(2)上分析原因为层结越不稳定,低层南风风速越大时SWEAT越大,春夏季节随着温度的升高,不稳定能量增加,南风增强,因此箱线图上出现了先升后降的趋势。总的来看,春夏季节动力条件呈现减弱趋势,秋冬季节有所加强,热力条件春夏季节呈现上升趋势,秋冬季节有所减弱。

图3 贵阳站SHR3(a)、SHR6(b)、T2m(c)、CAPE(d)、CIN(e)、SWEAT(f)逐月箱线图

2.2.3 水汽条件 比湿(图4a～4b)与整层可降水量(图4c)的变化趋势基本一致,1—8月基本呈上升趋势,850 hPa比湿从4 g·kg-1左右升至15 g·kg-1左右,700 hPa比湿从4 g·kg-1左右升至9 g·kg-1左右,整层可降水量从16 mm左右升至45 mm左右,11月均明显下降,这可能与季风北抬,偏南风建立,北部湾水汽输送通道建立有关;因为冰雹发生前低层需要有丰富的水汽,所以温度露点差(图4d～4e)的逐月变化不是很大,850 hPa和700 hPa多数处于饱和状态,但春季700 hPa为干层的次数相对较多,表明其他季节黔南发生冰雹时对700 hPa的饱和程度要求较高。总的来看,春夏季节大气绝对湿度逐渐增加,秋季明显下降,冬季较为稳定,相对湿度总体较为稳定。

图4 贵阳站q850(a)、q700(b)、PW(c)、T850-Td850(d)、T700-Td700(e)逐月箱线图

2.2.4 特殊高度层 1—7月,随着温度的升高,H-20℃(图5a)与H0℃(图5b)呈现出逐渐增高的趋势,H-20℃从6200 m逐渐升至8600 m,H-0℃从3000 m逐渐升至5000 m,8—11月开始呈现出下降的趋势,-20 ℃层从8600 m降至6200 m,0 ℃层从5000 m降至3500 m,两者之间的高度差(图5c)较为稳定,基本集中在2800～3600 m之间,但是降雹最多的3—4月高度差最小。总的来说,春夏季节特殊高度层的高度逐渐上升,秋冬季节有所降低,但二者之间的高度基本稳定。

图5 贵阳站H-20℃(a)、 H0℃(b)、 H-20℃-0℃(c)逐月箱线图

3 物理量阈值研究

3.1 逆温层对各参数的影响

根据黔南州冰雹天气环流分型的研究,高架雷暴型及冷锋低槽(切变)型为主要的环流型,期间中低层有锋面逆温影响,受干冷空气影响,中低层大气温度及地面温度(T2m)将明显下降,特殊高度层(H0℃、H-20℃)也会下降,且温度垂直递减率(T850-T500)明显减小,低层相对湿度降低,低层形成稳定层结[11]使得CAPE对整层的不稳定能量反映偏低。朱乾根等[28]研究表明中低层存在锋面或逆温层时,则SI无意义,LI与SI仅为抬升层不同,同样LI也将无意义, 同时K指数见公式(1)中第1、第2项受逆温层影响明显,SWEAT见公式(2)、总指数见公式(3)受温度垂直递减率影响较大。由此可见,中低层逆温会对某些物理量产生较大的影响,本文重点研究850～700 hPa之间的逆温层对物理量的影响。

K=(T850-T500)+Td850-(T-Td)700

(1)

SWEAT=12×Td850+20×(TT-49)+2f850+f500+125×(S+0.2)

(2)

式中:TT=T850-T500+Td850-T500

(3)

黔南州冰雹天气过程2—5月在10～37次,其余月份均在5次及以下(表1),样本数较小,其统计结果代表性较差,故本文对黔南州2—5月的冰雹天气中存在中低层逆温以及无逆温的情况进行逐月统计(表2),其中中低层存在逆温的过程共47次,无逆温的过程共34次,二者数据量相当,有对比意义。

表2 黔南冰雹天气中低层有无逆温逐月分布(单位:次)

由于SI与LI、H0℃与H-20℃变化规律基本一致,故略去有无逆温时LI、H-20℃的箱线对比图。当黔南州冰雹天气发生前有逆温时会使得SI(图6a)与LI(图略)在2—4月明显上升,K指数(图6b)、△T850-500(图6c)、T2m(图6d)、SWEAT(图6e)、CAPE(图6f)、T850-Td850(图6g)、q850(图6h)、H0℃(图6i)、H-20℃(图略)等物理量有较为明显的下降,可见逆温层的出现会使SI与LI的数值偏大,其余物理量的数值偏小。

图6 贵阳站2—5月逆温过程与无逆温过程物理量对比(a:SI; b:K; c:△T850-500;d:T2m; e:SWEAT; f:CAPE; g:T850-Td850; h:q850; i:H0℃)

3.2 黔南冰雹天气物理量阈值

由表1可见,黔南州冰雹过程主要出现在2—5月,故对黔南州2—5月的冰雹天气过程物理量进行阈值分析,其中逆温层的存在对SI、LI、K、△T850-500、SWEAT、T2m、CAPE、q850、T850-Td850、H0℃、H-20℃等11个物理量的影响较大,因此这11个物理量的阈值分有逆温与无逆温2种情况考虑。SI、LI、CIN、T-Td等4个物理量数值越小,其环境条件越有利于冰雹的产生,故取上四分位值为阈值,而特殊高度层需要在特定的范围内才利于冰雹的产生和降落,故取其中位数作为阈值,其余9个物理量取下四分位为阈值[23]。最后得出黔南天气冰雹物理量阈值,详见表3、表4,可为黔南冰雹潜势预报提供参考。

表3 黔南州冰雹天气部分物理量指标

表4 黔南州冰雹天气受逆温影响的物理量指标(有逆温与无逆温个例)

4 结论与讨论

通过对黔南州发生冰雹前贵阳探空站的物理量进行分析,发现黔南州发生冰雹大体有适宜的物理量范围,但是各物理量存在着一定的逐月变化。本文按照中低层有无逆温层给出物理量的阈值范围,可对黔南州冰雹天气预报提供科学的指标。

(1)黔南州出现冰雹天气时,各物理量范围分别是SI在-2.25～4.75 ℃、LI在-2.46～3.67 ℃、K在23～37 ℃、△T700-500在15～18.5 ℃、△T850-500在21～27 ℃、SHR3在11.1～19.1 m·s-1、SHR6在17.3～28.8 m·s-1、T2 m在12.1～20.5 ℃、SWEAT在150～337、CAPE超过566 J·kg-1、无CIN、q700在5.3～8.4 g·kg-1,q850在7.4～13.2 g·kg-1、PW在19.7～31.0 mm、T850-Td850在1.1～4.4 ℃、T700-Td700在1.9～6 ℃、H-20℃在6800～7900 m、H0℃在3800～4800 m、△H-20℃-0℃在2800～3300 m。

(2)各物理量存在明显的季节变化特征,层结稳定度条件上,春季逐渐趋于不稳定,夏季维持,秋冬季节层结稳定;动力条件春夏季节呈现减弱趋势,秋冬季节有所加强,热力条件春夏季节呈现上升趋势,秋冬季节有所减弱;水汽条件上,春夏季节大气绝对湿度逐渐增加,秋季明显下降,冬季较为稳定,相对湿度总体相对较为稳定;特殊高度层,-20 ℃层高度与0 ℃层高度春夏季节逐渐上升,秋冬季节有所降低,但二者之间的高度差基本稳定。

(3)逆温层的出现意味着低层有干冷空气的入侵,会对气团的温湿属性产生影响,进而影响物理量的阈值,具体表现为:SI与LI有明显的上升,SWEAT、K指数、850 hPa与500 hPa温差、地面温度、850 hPa比湿、850 hPa温度露点差、对流有效位能、0 ℃与-20 ℃层高度均有较明显的下降。