張云惠，譚艷梅，于碧馨，黃　艷

（1.新疆氣象臺，新疆　烏魯木齊　830002；2.民航新疆空中交通管理局氣象中心，新疆　烏魯木齊　830016；3.和田地區(qū)氣象局，新疆　和田　848000）

中亞低渦背景下南疆西部兩次強冰雹環(huán)境場對比分析

張云惠1，譚艷梅2，于碧馨1，黃艷3

（1.新疆氣象臺，新疆烏魯木齊830002；2.民航新疆空中交通管理局氣象中心，新疆烏魯木齊830016；3.和田地區(qū)氣象局，新疆和田848000）

利用常規(guī)資料、14:00加密探空、NCEP1°×1°再分析資料，對比分析2013年6月18日和2014年6月23日南疆西部兩次強冰雹環(huán)境場及物理機制，表明兩次冰雹環(huán)境場有相同之處:在環(huán)流經(jīng)向度較大的中亞低渦背景下，前期有明顯降水，傍晚前后由中亞低渦后部西北氣流下產(chǎn)生，高空干冷平流、低層暖濕環(huán)境、較大的垂直溫度遞減率及低層輻合線或切變線為冰雹天氣提供了強不穩(wěn)定層結(jié)和動力觸發(fā)條件，為冷平流強迫類型。但兩次冰雹中亞低渦位置、強度、物理機制變化等有所不同:“6·18”中亞低渦壓至南疆西部，低渦強，西北風(fēng)大，而“6·23”中亞低渦在巴爾喀什湖附近，位置偏北，低渦較弱，西北風(fēng)較小；“6·18”偏西北氣流、風(fēng)（垂直）切變、強回波伸展高度、層結(jié)不穩(wěn)定、水汽及動力等變化均較“6·23”明顯偏強；“6·18”的0℃層和-20℃層的高度均比“6·23”的低300～400 m；“6·18”低層南疆盆地偏東風(fēng)日變化明顯，即傍晚到夜間增強，山前東西風(fēng)輻合促使上升運動發(fā)展，并有明顯的中尺度垂直環(huán)流圈，而“6·23”低層為西北風(fēng)風(fēng)速輻合及與偏東風(fēng)的切變。

中亞低渦；環(huán)境場；冷平流強迫；冰雹

5—6月是南疆西部（喀什、克州及阿克蘇）雷雨大風(fēng)和冰雹等強對流天氣的多發(fā)期[1]，強對流天氣常常與高空冷渦或冷性低壓系統(tǒng)相聯(lián)系[2-5]，孫勁松等[6]、徐東蓓等[7]根據(jù)西北地區(qū)不同強對流過程主導(dǎo)因素的不同進行分類，總結(jié)了西北氣流強迫類強對流天氣的熱力、動力機制，并給出其潛勢預(yù)報重點。張一平等[8]分析一次槽后型大暴雨伴冰雹的形成機制和雷達觀測表明，局地冰雹發(fā)生在西北氣流控制和大氣層結(jié)極不穩(wěn)定的形勢下。南疆西部位于塔里木盆地的西緣，三面環(huán)山，葉爾羌河貫穿其中，綠洲與戈壁相間，是新疆棉花種植生產(chǎn)重要基地。夏季傍晚前后因山谷風(fēng)效應(yīng)及下墊面差異，南疆西部容易產(chǎn)生冰雹、短時強降水等強對流天氣，尤其冰雹天氣生命史短、發(fā)展迅速，預(yù)報難度大，預(yù)報預(yù)警空報率高，對農(nóng)作物危害重，損失大。預(yù)報員針對南疆西部冰雹天氣個例做過一些分析，均以冰雹的雷達回波特征為主[9-13]，預(yù)警時效有限，而對于冰雹環(huán)境場尤其是中亞低渦影響的強冰雹落區(qū)、時段及強度的潛勢預(yù)報研究欠缺。因此，很有必要分析研究南疆西部冰雹發(fā)生環(huán)境機制，提高冰雹落區(qū)潛勢預(yù)報的準(zhǔn)確率，為防雹消雹減輕農(nóng)業(yè)損失提供指導(dǎo)依據(jù)。本文在MICAPS常規(guī)資料分析基礎(chǔ)上，結(jié)合地面加密自動站、14:00加密探空及NCEP1°×1°資料，重點對比分析中亞低渦背景下南疆西部兩次冰雹環(huán)境場特征、對流參數(shù)特點、大氣層結(jié)不穩(wěn)定、水汽及動力觸發(fā)機制等，以期提高冰雹落區(qū)預(yù)報預(yù)警準(zhǔn)確率。

1　冰雹天氣實況及災(zāi)情

2013年6月18日18:00—22:00（簡稱“6·18”），南疆西部繼大降水之后，6縣市出現(xiàn)大冰雹天氣（圖1），其中19:17—19:45岳普湖出現(xiàn)直徑達6 cm的特大冰雹，創(chuàng)喀什地區(qū)有氣象記錄以來的最大冰雹記錄，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接經(jīng)濟損失約2.7億元。

2014年6月23日20:00—21:00（簡稱“6·23”），南疆西部斷續(xù)降水后，喀什北部3縣市出現(xiàn)冰雹。最大冰雹直徑2～3 cm（圖1），并伴有短時雷陣雨、大風(fēng)等，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接經(jīng)濟損失約1.3億元。

兩次冰雹的特點是前期有明顯降水，冰雹自喀什北部東南移，均為西北路徑，但“6·18”冰雹影響范圍廣，強度大，冰雹直徑大，災(zāi)害重。

（陰影大橢圓區(qū)為“6·18”冰雹，小橢圓區(qū)為“6·23”冰雹）

2　環(huán)境場對比分析

2.1環(huán)流形勢對比

“6·18”：從18日08:00的500 hPa環(huán)流及風(fēng)場可以看到（圖2a），歐亞范圍為兩脊一槽的經(jīng)向環(huán)流，里咸海至烏拉爾山高壓脊維持，同時下游貝加爾湖脊強烈發(fā)展，中亞低渦位于南疆西部上空，其北部和南部均為低槽活動，高、中、低緯影響系統(tǒng)相互作用明顯。20:00受其北部西西伯利亞低壓逆時針旋轉(zhuǎn)的動力牽引作用，中亞低渦減弱東北移，喀什地區(qū)受低渦后部西北氣流控制，西北風(fēng)風(fēng)速最大20 m·s-1，強冰雹就出現(xiàn)在低渦后部的西北氣流中。

“6·23”：23日08:00 500 hPa歐亞范圍為一脊一槽的經(jīng)向環(huán)流（圖2b），里咸海至烏拉爾山高壓脊發(fā)展強盛并向東北伸，中亞低渦位于巴爾喀什湖北部，同時有另一淺薄低渦翻越帕米爾高原進入南疆西部并自西向東旋轉(zhuǎn)影響盆地邊緣強對流天氣，這也使盆地低層濕度增大。20:00里咸海高壓脊繼續(xù)向北發(fā)展，推動中亞低渦南移，低渦后部西北氣流翻山進入南疆西部，同時受南疆盆地低渦后部西北氣流影響，南疆西部西北風(fēng)風(fēng)速達14 m·s-1，冰雹也出現(xiàn)在低渦后部的西北氣流中。

因此，兩次冰雹的影響系統(tǒng)都是在中亞低渦背景下，在低渦后部西北氣流下產(chǎn)生。但低渦位置及強度不同，“6·18”過程中亞低渦直接影響南疆西部，西北風(fēng)較大，低渦較強，有三條閉合等值線；“6·23”過程中亞低渦在巴爾喀什湖附近，位置偏北，南疆西部處于渦旋后部及中亞低渦南部西北氣流下，西北風(fēng)較小，低渦較弱，只有一條閉合等值線。

2.2中尺度分析對比

18日08:00中分析可以看出，700～850 hPa南疆西部開始受暖脊控制，受前期持續(xù)降雨影響，南疆盆地為高濕環(huán)境，850 hPa自阿克蘇東部有支偏東氣流伸向喀什，18日16:00—19:00區(qū)域自動站風(fēng)場表明，南疆西部為一致的偏東風(fēng)，地形作用下有偏西風(fēng)與偏東風(fēng)輻合,為水汽的集中輻合提供有利條件。14:00喀什氣溫25℃，T850-500 hPa達34℃，中低層之間的差動溫度平流使大氣不穩(wěn)定層結(jié)加強，利于深厚濕對流的發(fā)生[6]。因此，18日傍晚500 hPa中亞低渦后部西北氣流攜帶干冷空氣翻越高原進入南疆盆地時，與低層輻合上升運動疊加，上干冷下暖濕的配置觸發(fā)了喀什的強冰雹天氣，冰雹出現(xiàn)在低層輻合線附近，并沿500 hPa西北氣流向東南移動（圖3a）。

23日08:00中分析發(fā)現(xiàn)，南疆盆地中低層風(fēng)場為氣旋性環(huán)流，700～850 hPa有明顯的西北風(fēng)和偏東風(fēng)的切變，濕度大，水汽較充足。14:00喀什氣溫29℃，T850-500 hPa達33℃。另外，區(qū)域自動站風(fēng)場顯示，18:00—20:00自西北部山區(qū)到喀什-英吉沙-皮山一帶為西北風(fēng)且風(fēng)速輻合明顯，喀什東部有整齊的偏東風(fēng)，風(fēng)的切變及輻合在疏勒到伽師一帶，與冰雹落區(qū)一致（圖3b）。

3　大氣層結(jié)穩(wěn)定度對比分析

3.1風(fēng)（垂直）切變

18日08:00喀什T-lnP上：0～6 km風(fēng)矢量差為20 m·s-1達到強的風(fēng)（垂直）切變；14:00加密探空0～ 6 km風(fēng)矢量差也達20 m·s-1（圖4a），850 hPa與700 hPa之間為東風(fēng)和西風(fēng)的垂直切變有暖平流，強的風(fēng)（垂直）切變使得低層暖濕氣流上升，增強大氣垂直交換及對流不穩(wěn)定。在喀什雷達回波強度剖面上，＞50 dBz的回波高度達10 km。

23日08:00喀什T-lnP：0～6 km風(fēng)矢量差為4 m·s-1，700 hPa以上均為西北風(fēng)，850 hPa為2 m·s-1弱西風(fēng)，14:00的0～6 km風(fēng)矢量差增大到10 m·s-1（圖4b），風(fēng)（垂直）切變較弱，850 hPa與700 hPa之間為東風(fēng)和北風(fēng)的垂直切變有暖平流，500 hPa以上為西北風(fēng)且風(fēng)速隨高度增大。在喀什雷達回波強度剖面上，＞50 dBz的回波高度至7 km。

可見，“6·18”過程偏西北氣流、風(fēng)（垂直）切變及回波伸展高度較“6·23”明顯偏強。

3.2對流參數(shù)對比

多年預(yù)報總結(jié)表明，當(dāng)K指數(shù)＞28℃且沙氏指數(shù)SI＜0，CAPE突然增大時，對預(yù)報南疆西部雷暴、冰雹及短時強降水等局地強對流有一定的指示意義，分析兩次冰雹當(dāng)天08:00、14:00加密探空及17:00訂正探空對流參數(shù)可見（表1），兩次過程08:00到14:00的K指數(shù)、SI指數(shù)、CAPE、WCAPE、SWEAT等均有明顯增大，而K指數(shù)、SI指數(shù)在17:00都表現(xiàn)最強，表明傍晚南疆西部具有明顯的對流潛勢。而上述參數(shù)值“6·18”的均明顯比“6·23”的偏強或偏高，說明“6·18”對流潛勢更強。3.30℃和-20℃高度

圖4　14:00加密觀測喀什T-lnP

表1 喀什站對流參數(shù)

0℃層和-20℃層的高度及高、低層的冷、暖平流和中空大氣不穩(wěn)定性密切相關(guān)，兩層之間的高度差越小，說明高層冷平流越明顯，可使-20℃層高度降低，低層暖平流使0℃層高度升高，造成中空大氣越不穩(wěn)定，越有利于強對流天氣的發(fā)生、發(fā)展。一般0℃層位于600 hPa上下，-20℃層在400 hPa附近及以下可保證雹塊長大后下落時不被完全融化，利于成雹[6-7、9-11]。

由表1可見，“6·18”的0℃層和-20℃層的高度均比“6·23”的低300～400 m，但兩次過程兩層之間的高度差相當(dāng)，均在2650～2750 m，符合成雹條件。

4　觸發(fā)機制

圖5　θse（實線）和q（虛線）沿77°E的垂直剖面

4.1假相當(dāng)位溫θse和比濕q

假相當(dāng)位溫θse是代表大氣中溫、壓、濕的綜合特征量,其水平分布和垂直分布與強對流天氣的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。一般認(rèn)為，當(dāng)?shù)蛯拥摩萻e水平梯度足夠大時說明有強的水平能量鋒區(qū)存在，氣層中θse隨高度降低是對流不穩(wěn)定層結(jié),均有利于強對流天氣發(fā)生和發(fā)展。

從θse和q沿喀什附近77°E經(jīng)向垂直剖面圖可以看到：

“6·18”（圖5a）：18日08:00—14:00在南疆西部平原區(qū)域500 hPa以下θse隨高度減小，700～600 hPa維持較強的能量鋒區(qū)，θse700-600 hPa=12℃，且700 hPa以下比濕達6～8 g·kg-1，說明近地層高能高濕，而500 hPa附近喀什北部有低能舌南伸，對應(yīng)比濕為1～2 g·kg-1，即有干冷空氣侵入。14:00—20:00隨著近地層加熱不均勻，午后地面溫度達到對流溫度臨界值使地面暖氣團自由上升，低層高能高濕舌抬升，能量鋒區(qū)抬高至650～550 hPa，同時500 hPa附近喀什北部干冷空氣加強向南擴散，為觸發(fā)強冰雹提供有利的動力及不穩(wěn)定條件。

“6·23”（圖5b）：23日08:00在南疆西部平原區(qū)域500 hPa以下θse隨高度減小，850～700 hPa為較強的能量鋒區(qū)，θse850-700 hPa=10℃，且700 hPa以下比濕達7～9 g·kg-1，說明近地層也高能高濕，500 hPa附近喀什北部有弱的冷平流。14:00隨著地面加熱能量鋒區(qū)明顯減弱抬升至 800～650 hPa，θse800-650 hPa=6℃，濕度也減小到4～6 g·kg-1，20:00能量鋒區(qū)繼續(xù)抬高至700～600 hPa，同時500 hPa附近喀什北部干冷空氣侵入，觸發(fā)對流發(fā)展。

上述對比可見，在能量鋒區(qū)、低層高能高濕、中高層干冷空氣侵入等變化上，“6·18”比“6·23”表現(xiàn)明顯偏強，層結(jié)不穩(wěn)定均在午后會有強烈發(fā)展，對流層中下層溫度遞減率更大。這與徐東蓓等[7]總結(jié)的西北地區(qū)高空冷平流強迫類區(qū)域性強對流天氣，與大范圍降水后地面增濕午后不穩(wěn)定層結(jié)增強相一致。

4.2水汽條件

“6·18”：18日08:00水汽通量矢量和水汽通量散度可以看出，雹云形成前南疆西部上空對流層中層500 hPa為相對干燥區(qū)域（圖略），而低層850 hPa為高濕區(qū)，偏東風(fēng)攜帶較大水汽通量矢量西伸至喀什地區(qū)，水汽輻合中心位于伽師—岳普湖—麥蓋提一帶，最大值達-5×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。14：00隨著500 hPa中亞低渦東移南壓，南疆西部處于低渦底后部西北氣流中（圖6a），因地面加熱水汽蒸發(fā)，850 hPa南疆盆地西緣水汽輻合減弱，但輻合中心仍位于降雹中心附近（圖6c），這與強對流天氣中，要求濕層較薄，低空暖濕，中層干燥的理論一致[7-8]。

“6·23”：23日08:00水汽通量矢量和水汽通量散度場上，500 hPa南疆西部也為相對干區(qū)，700 hPa水汽輻合較弱，水汽輻合區(qū)主要在850hPa，位于南疆西部的喀什、英吉沙、伽師上空，中心值-2.6×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，說明水汽在低層聚集，而中高層較為干燥，這為強對流天氣的發(fā)生聚集了充足的水汽條件和能量條件。14:00南疆西部500 hPa西北氣流下濕度仍較?。▓D6b），850 hPa南疆西部西北風(fēng)與偏東風(fēng)切變明顯，水汽輻合區(qū)和輻合中心值均有所增大（圖6d），上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)為對流提供熱力條件。

4.3動力條件

在具備有利的熱力不穩(wěn)定及水汽條件時，如果沒有一定的動力觸發(fā)機制，也不會有明顯的冰雹天氣。從沿39°N冰雹落區(qū)緯向剖面的垂直速度可以看到：

“6·18”（圖7a）：18日午后到傍晚，低層偏東氣流開始增大，南疆西部低層有一個閉合的中尺度垂直環(huán)流圈，中心位于700 hPa附近，上升運動沿地形迎風(fēng)坡增強，在500 hPa遇到偏西氣流后向東向低層傳播，與低層偏東氣流匯合，風(fēng)場補償使次級環(huán)流圈進一步加強，有利于高低層冷暖空氣的交匯，增強大氣不穩(wěn)定性，產(chǎn)生強對流天氣。

圖6　水汽通量矢量（箭頭，單位:10-6g·cm-1·hPa-1·s-1）和水汽通量散度（陰影區(qū)，單位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1）的疊加

圖7　垂直速度（彩色區(qū)，單位:10-2m·s-1）、風(fēng)與垂直運動合成沿39°N的剖面（箭矢，陰影區(qū)為地形）

“6·23”（圖7b）：23日08:00—14:00，南疆西部500 hPa以上為西北氣流控制，20:00地面增溫增濕情況下，南疆西部沿地形迎風(fēng)坡上升運動增強，但低層風(fēng)場補償不明顯，這也是此次冰雹范圍小、時間短的原因之一?？梢?，“6·18”在動力激發(fā)及維持機制上比“6·23”明顯偏強。

5　結(jié)論

通過對比分析南疆西部兩次冰雹的環(huán)流背景、環(huán)境場分析、大氣層結(jié)穩(wěn)定度、0℃層和-20℃層高度、假相當(dāng)位溫與比濕特點，水汽及動力觸發(fā)機制等，表明兩次冰雹環(huán)境場均在環(huán)流經(jīng)向度較大的中亞低渦背景下，前期有明顯降水使低層處于高溫高濕環(huán)境，傍晚前后由低渦后部西北氣流及低層輻合線及切變線觸發(fā)對流而產(chǎn)生冰雹，溫度垂直遞減率較大，為冷平流強迫類型；-20℃層與0℃層的高度差相當(dāng)，14時K指數(shù)、SI、CAPE、WCAPE及SWEAT等均有明顯增大；層結(jié)不穩(wěn)定在午后有強烈發(fā)展，對流層中下層溫度遞減率更大；冰雹出現(xiàn)在低層輻合線及切變線附近，并沿500 hPa引導(dǎo)氣流方向移動。但兩次冰雹也具有不同之處，主要表現(xiàn)在：

（1）中亞低渦位置及強度不同，“6·18”過程中亞低渦直接影響南疆西部，西北風(fēng)較大，低渦較強，有三條閉合等值線；而“6·23”過程中亞低渦在巴爾喀什湖附近，位置偏北，南疆西部處于渦旋后部及中亞低渦南部西北氣流下，西北風(fēng)較小，低渦較弱，只有一條閉合等值線。

（2）“6·18”過程中低層風(fēng)（垂直）切變、偏西北氣流、水汽輻合、垂直上升運動、強回波伸展高度、能量鋒區(qū)、低層高能高濕及中高層干冷空氣等要素變化均較“6·23”明顯偏強；“6·18”的0℃層和-20℃層的高度均比“6·23”的低300～400 m；“6·18”低層南疆盆地偏東風(fēng)日變化明顯，即傍晚到夜間增強并與西部翻山風(fēng)輻合，而“6·23”低層有西北風(fēng)風(fēng)速輻合及與偏東風(fēng)的切變。

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Comparative Analysis of Two Heavy Hail under the Background of the Central Asian Vortex in the West of Southern Xinjiang

ZHANG Yunhui1，Tan Yanmei2，YU Bixin1，Huang Yan3
（1.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China；2.Meteorological Center of Xinjiang Air Traffic Management Bureau，Urumqi 830016，China；3.Hotian Meteorological bureau，Hotian 848000，China）

By using observational data,encryption sounding data（14:00）and NECP reanalysis data（1°×1°）,the environment and physical mechanism of two hailstorm events under the background of the Central Asian Vortex in the west of southern Xinjiang on June 18th,2013（“6· 18”）and June 23rd,2014（“6·23”）are contrastively analyzed.The results show that the two events have much in common.Under the background of the Central Asian Vortex,heavy hail happened after obviously rain with northwesterly wind at the back of vortex.The dry and cold air advection in the high altitude,the warm and wet environment in the low layer,the large temperature lapse rate and the convergence or shear line in the low layer added to the unstable stratification and provided the dynamic trigger,which belonged to the cold-advection-forced-type.However,there are also some differences between the two processes as followed.The vortex was extended to the west of south Xinjiang in“6·18”while the vortex was around over Balkhash Lake.The intensity of vortex,northwest wind,strong echo,wind shear and stratification instability in“6·18”were obviously stronger than that in“6·23”.The variation of water vapor and driving force were huger in “6·18”.The height at-20℃and 0℃layer in“6·18”were lower about 300～400 m than that in “6·23”.In“6·18”,the daily variation of easterly wind in the low layer was more clearly and there was an obvious mesoscale vertical circulation.

Central Asian vortex；environment；cold advection forced；heavy hail

P458.121.2

A

1002-0799（2016）04-0010-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.002

2016-03-01；

2016-05-15

中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項目（CMAGJ2015M69），中國氣象局預(yù)報員專項（CAMYBY2015-087）共同資助。

張云惠（1968-），女，高級工程師，主要從事天氣預(yù)報業(yè)務(wù)及研究。E-mail：715208285@qq.com

張云惠，譚艷梅，于碧馨，等.中亞低渦背景下南疆西部兩次強冰雹環(huán)境場對比分析[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（4）：10-16.