彭 力,趙 強(qiáng),陳小婷，徐浩天

(1.銅川市氣象局，陜西銅川 727000；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；3.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

陜西冰雹天氣有明顯的季節(jié)變化和空間分布差異，冰雹一般出現(xiàn)在4—9月，冰雹災(zāi)害主要集中分布在關(guān)中平原及以北的地區(qū)[1-2]。強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生需要不穩(wěn)定層結(jié)、垂直風(fēng)切變、初始的抬升觸發(fā)機(jī)制和適當(dāng)?shù)乃a(bǔ)充條件。孫繼松等[3]從預(yù)報(bào)實(shí)踐的角度討論了與強(qiáng)對(duì)流有關(guān)的一些基本概念、基礎(chǔ)理論；俞小鼎等[4]總結(jié)了不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展的環(huán)境條件、中尺度結(jié)構(gòu)特征等；王秀明等[5]研究了大氣層結(jié)不穩(wěn)定與對(duì)流，雷暴觸發(fā)機(jī)制與抬升作用及天氣系統(tǒng)的關(guān)系等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，許愛(ài)華等[6]對(duì)中國(guó)中東部強(qiáng)對(duì)流天氣的天氣形勢(shì)進(jìn)行了分類，總結(jié)了各類強(qiáng)對(duì)流天氣的基本要素配置；路亞奇等[7]建立了隴東強(qiáng)對(duì)流天氣概念模型，歸納了兩種強(qiáng)對(duì)流天氣的物理量閾值；對(duì)于冰雹天氣發(fā)生時(shí)的天氣學(xué)特征和多普勒天氣雷達(dá)特點(diǎn)，許慶娥等[8-11]進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的分析研究；鮑向東等[12]還對(duì)河南冰雹天氣的環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行了分型，統(tǒng)計(jì)了冰雹天氣發(fā)生前的環(huán)境參量；此外，許新田等[13]對(duì)陜西初夏冰雹氣候特點(diǎn)和降雹同期的環(huán)流背景進(jìn)行了分析，指出了地面影響系統(tǒng)對(duì)降雹的指示意義；趙強(qiáng)等[14]對(duì)商洛市初夏和盛夏冰雹天氣形勢(shì)進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)了與商洛冰雹天氣關(guān)系密切的11個(gè)物理量指標(biāo)；姚靜等[15]統(tǒng)計(jì)分析了陜西雷暴、冰雹等對(duì)流性天氣的氣候特征，探討了強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)的物理量指標(biāo)。近年來(lái)，陜西四月多次出現(xiàn)了冰雹天氣，由于4月并非陜西強(qiáng)對(duì)流天氣的多發(fā)時(shí)段，加之在汛期值班之前，冰雹的預(yù)報(bào)常常容易被忽視。以往對(duì)陜西4月強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的總結(jié)較少，本文從潛勢(shì)預(yù)報(bào)及短臨預(yù)報(bào)角度分析和探討在汛前陜西冰雹天氣預(yù)報(bào)需要關(guān)注的重點(diǎn)，總結(jié)陜西4月冰雹天氣發(fā)生的天氣形勢(shì)特征，凝練冰雹天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)指標(biāo)，從而為陜西4月冰雹天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 資料及方法介紹

以陜西省內(nèi)99個(gè)國(guó)家自動(dòng)氣象站2015—2020年4月的地面觀測(cè)資料、地面危險(xiǎn)報(bào)、災(zāi)情報(bào)告為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)陜西近6 a內(nèi)4月冰雹天氣的典型個(gè)例。國(guó)家自動(dòng)氣象站1站以上有冰雹記錄或冰雹災(zāi)情記錄記為一次冰雹過(guò)程。國(guó)家自動(dòng)氣象站1站以上1 h降水量≥20 mm記為一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程。共統(tǒng)計(jì)4月冰雹過(guò)程8次，其中冰雹并伴有短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程有1次。利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、衛(wèi)星、雷達(dá)資料等，在考慮熱力、動(dòng)力、水汽條件的基礎(chǔ)上，對(duì)典型相似冰雹個(gè)例的高低空系統(tǒng)配置進(jìn)行分型，總結(jié)出陜西4月冰雹天氣的概念模型。統(tǒng)計(jì)陜西探空站點(diǎn)08時(shí)探空資料中的物理量，篩選具有指示意義的熱力不穩(wěn)定層結(jié)、能量、水汽、垂直風(fēng)切變等環(huán)境參數(shù)，凝練陜西4月冰雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)的指標(biāo)。

2 冰雹天氣特點(diǎn)及天氣學(xué)特征

對(duì)2015—2020年陜西4月冰雹個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)發(fā)現(xiàn)，陜西4月雹發(fā)生的主要時(shí)段在午后至傍晚(12—20時(shí))。從降雹地域分布來(lái)看，陜北、關(guān)中、陜南均有冰雹出現(xiàn)，其中陜北南部、關(guān)中降雹次數(shù)較多,為4月陜西降雹的高頻區(qū)。8次降雹過(guò)程僅有1站次冰雹伴有短時(shí)強(qiáng)降水(2020年4月9日)，出現(xiàn)在陜南。

表1 2015—2020年陜西4月典型冰雹天氣過(guò)程統(tǒng)計(jì)

由于降雹的主要時(shí)段在午后至傍晚，因此利用降雹日08時(shí)的高低空氣象觀測(cè)資料對(duì)陜西4月冰雹個(gè)例的天氣學(xué)特征進(jìn)行分析。按環(huán)流形勢(shì)和影響系統(tǒng)將4月冰雹天氣類型分為槽后西北氣流型和冷槽型2種。統(tǒng)計(jì)(表1)發(fā)現(xiàn)，槽后西北氣流型在4月降雹過(guò)程中最為常見(jiàn)，占比達(dá)到62.5%；冷槽型占比為37.5%。分別針對(duì)槽后西北氣流型和冷槽型冰雹天氣過(guò)程選取典型個(gè)例，在高低空系統(tǒng)配置及環(huán)境場(chǎng)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上凝煉出陜西4月冰雹天氣的概念模型。

2016年4月27日08時(shí)陜北南部、關(guān)中的冰雹天氣類型為槽后西北氣流型，其概念模型圖(圖1a)：500 hPa天氣圖上在110°E以東有低槽東移，槽后有冷溫度槽配合，溫度槽冷中心小于-20 ℃；陜西上空盛行西北氣流，陜西中部存在風(fēng)速超過(guò)20 m/s的西北風(fēng)急流，500 hPa西北風(fēng)急流給陜西中部帶來(lái)明顯的干冷空氣；陜西上空700 hPa以西北氣流為主，850 hPa處于濕區(qū)中；地面圖上陜西為氣壓場(chǎng)的低值區(qū)。500 hPa西北風(fēng)急流帶來(lái)強(qiáng)的干冷空氣疊加在低層暖濕區(qū)之上，形成上冷下暖強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，陜北南部、關(guān)中t(850-500)達(dá)到30 ℃以上。隨著午后地面輻射增溫，大氣不穩(wěn)定度進(jìn)一步加大，在地面中尺度系統(tǒng)(輻合線、干線)觸發(fā)下，產(chǎn)生對(duì)流，新生對(duì)流沿500 hPa西北氣流引導(dǎo)，向東南方向移動(dòng)并不斷增強(qiáng)，在關(guān)中北部產(chǎn)生降雹。槽后西北氣流型冰雹天氣的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為中層強(qiáng)的干冷空氣侵入，造成強(qiáng)熱力不穩(wěn)定層結(jié)。

圖1 陜西4月冰雹天氣典型概念模型(a 槽后西北氣流型；b 冷槽型)

2015年4月26日08時(shí)陜北南部、關(guān)中的冰雹天氣類型為冷槽型，其概念模型圖(圖1b)：500 hPa天氣圖上陜西上空有冷槽東移，冷槽后部冷中心強(qiáng)度小于-16 ℃，槽后冷空氣侵入陜西中部上空；700、850 hPa陜西中部上空有切變線配合，陜北南部、關(guān)中位于切變線右側(cè)偏南氣流中；850 hPa華北至陜北南部存在溫度脊，陜北南部—陜南為濕區(qū)；500 hPa槽后冷空氣疊加低層暖濕中心，形成上暖下冷的位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，陜北南部、關(guān)中t(850-500)達(dá)到30 ℃以上，在地面輻合線觸發(fā)下，易產(chǎn)生對(duì)流，高空槽前正渦度平流配合低層切變線附近的動(dòng)力抬升，對(duì)流快速發(fā)展。高層冷空氣疊加低層暖濕氣流，配合低層天氣尺度動(dòng)力抬升是冷槽型冰雹天氣產(chǎn)生的主要原因。

3 冰雹天氣潛勢(shì)指標(biāo)

冰雹產(chǎn)生的環(huán)境條件包括大氣熱力不穩(wěn)定層結(jié)、水汽分布、觸發(fā)機(jī)制和適宜的0 ℃、-20 ℃層高度。熱力不穩(wěn)定層結(jié)決定了產(chǎn)生對(duì)流風(fēng)暴的強(qiáng)度和類型，對(duì)流能量決定了對(duì)流上升氣流的強(qiáng)度和對(duì)流發(fā)展的程度，因此分析大氣熱力不穩(wěn)定層結(jié)、對(duì)流能量、水汽、0 ℃和-20 ℃層高度可以為冰雹潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供有效指標(biāo)。陜西4月冰雹天氣主要出現(xiàn)在午后至傍晚(12—20時(shí))。選取08時(shí)陜西探空站為研究對(duì)象，分別對(duì)延安(53845)、涇河(57131)、漢中(57127)、安康(57245)(其中延安站代表陜北，涇河站代表關(guān)中，漢中、安康站代表陜南)的探空資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共篩選出了11個(gè)指標(biāo)(表2)在陜西4月冰雹天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)中有較好的指示意義，這些指標(biāo)代表了產(chǎn)生冰雹天氣的熱力不穩(wěn)定層結(jié)、能量、水汽、垂直風(fēng)切變等環(huán)境條件。

表2 陜西4月冰雹天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)指標(biāo)

3.1 水汽條件

用850 hPa露點(diǎn)溫度(td850)表示低層大氣的水汽條件。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)陜北、關(guān)中降雹日td850的平均值在1～3 ℃左右，陜南降雹日td850平均值達(dá)到了15 ℃，陜南降雹前低層水汽條件優(yōu)于陜北、關(guān)中。對(duì)比4月td850的氣候平均值，陜北、關(guān)中降雹日的td850偏高3～5 ℃，陜南偏高達(dá)10 ℃，這表明降雹之前，大氣低層水汽有明顯增加；陜南緯度偏南，同時(shí)由于秦嶺山脈地形的阻擋作用，陜南大氣低層的水汽很難輸送到關(guān)中、陜北，造成了秦嶺兩側(cè)降雹前低層水汽明顯的差異。

3.2 不穩(wěn)定條件

分析降雹日850 hPa與500 hPa溫度差(t(850-500))。降雹日陜北t(850-500)達(dá)到30 ℃以上，關(guān)中t(850-500)在28 ℃左右，陜南為25～26 ℃。與4月氣候平均值相比較，陜北、關(guān)中降雹日t(850-500)偏高4～5 ℃，陜南偏高2～3 ℃， 表明陜北、關(guān)中大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定。分析降雹日850 hPa溫度與4月氣候平均值差異，陜北、關(guān)中偏高1～2 ℃，陜南偏高6 ℃。4月大氣低層溫度較低，當(dāng)高層有較強(qiáng)冷空氣自北向南侵入時(shí)，容易形成上冷下暖的熱力不穩(wěn)定層結(jié)；高空冷空氣強(qiáng)度自陜北向陜南逐漸減弱，低層溫度自陜北向陜南逐漸增加，大氣上下溫差自北向南減小，陜北—關(guān)中高低層溫度遞減率較陜南更大，更易形成強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定層結(jié)。

K指數(shù)、總指數(shù)與大氣溫度遞減率和低層水汽條件密切相關(guān)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，降雹前陜北K指數(shù)達(dá)到了22 ℃，總指數(shù)達(dá)到50 ℃；關(guān)中K指數(shù)達(dá)到19 ℃，總指數(shù)達(dá)到47 ℃；陜南K指數(shù)達(dá)到28～31 ℃，總指數(shù)達(dá)到49 ℃以上。對(duì)比4月K指數(shù)、總指數(shù)的氣候平均值，陜北降雹日的K指數(shù)偏高15 ℃，關(guān)中偏高8 ℃，陜南偏高10～14 ℃；陜北降雹日的總指數(shù)偏高14 ℃左右，關(guān)中、陜南偏高10 ℃左右。由于陜北溫度遞減率更大，陜南低層水汽條件更好，陜北及陜南K指數(shù)、總指數(shù)均大于關(guān)中。分析SI指數(shù)表明，陜北降雹日SI指數(shù)為1 ℃，關(guān)中在2 ℃左右，陜南SI指數(shù)<-3 ℃時(shí)降雹可能性大。計(jì)算對(duì)流穩(wěn)定度指數(shù)，陜北、關(guān)中降雹日對(duì)流穩(wěn)定度指數(shù)在-1 ℃左右，陜南為-18～-16 ℃。

冰雹的發(fā)展主要取決于強(qiáng)的上升氣流，而強(qiáng)的上升氣流則由環(huán)境熱浮力(對(duì)流不穩(wěn)定能量CAPE)轉(zhuǎn)化而來(lái)。不同的季節(jié)，CAPE作用不同。統(tǒng)計(jì)CAPE分析發(fā)現(xiàn)，4月降雹前，08時(shí)代表探空站的CAPE值均較小，因此不能直接用來(lái)判斷大氣不穩(wěn)定能量的大小。CAPE較小，主要由于低層溫度較低影響，午后隨著輻射增溫，CAPE明顯增大。利用午后14時(shí)地面溫度和露點(diǎn)溫度對(duì)降雹地代表探空站進(jìn)行訂正，訂正后的CAPE達(dá)到500～1 500 J/kg，因此，4月將CAPE在強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)中應(yīng)用時(shí)必須要經(jīng)過(guò)探空訂正。

強(qiáng)天氣威脅指數(shù)(SWEAT)、瑞士第一雷暴指數(shù)(SWISS00)、瑞士第二雷暴指數(shù)(SWISS12)是表征大氣水汽條件、不穩(wěn)定條件、垂直風(fēng)切變的綜合指數(shù)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)這幾種指數(shù)在冰雹天氣出現(xiàn)前有較好的指示意義。降雹日陜北SWEAT在120左右，關(guān)中在80左右，陜南在200～220，陜北、陜南較氣候平均值明顯偏多。SWISS00、SWISS12陜北為4左右，關(guān)中為6～7左右時(shí)，容易出現(xiàn)冰雹，陜南出現(xiàn)冰雹時(shí)SWISS00在0左右，SWISS12在2～5。

3.3 0 ℃、-20 ℃層高度

降水強(qiáng)回波擴(kuò)展到0 ℃等溫層以上，才會(huì)對(duì)降雹潛勢(shì)有較大貢獻(xiàn)，積云伸展到-20 ℃層以上有利于大冰雹產(chǎn)生，適宜的0 ℃、-20 ℃層高度是冰雹產(chǎn)生的重要參數(shù)[16]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)4月降雹日陜北0 ℃層高2.9 km，-20 ℃層高5.7 km；關(guān)中0 ℃層高3.4 km，-20 ℃層高6.4 km；陜南0 ℃層高4.2～4.4 km,-20 ℃層高7.3 km。對(duì)比4月0 ℃、-20 ℃層高度氣候平均值，陜北降雹日0 ℃、-20 ℃層高度明顯偏低，陜南降雹日0 ℃、-20 ℃層高度明顯偏高，這是由于陜北受高層強(qiáng)冷空氣影響，陜南受低層暖濕空氣影響所致。陜西6—9月冰雹天氣發(fā)生當(dāng)日的0 ℃、-20 ℃層高度分別在4 km左右和7 km左右[15]。相比而言，4月陜北、關(guān)中0 ℃、-20 ℃層高度較6—9月明顯偏低，這主要是冷空氣活動(dòng)較頻繁所致，較低的0 ℃、-20 ℃層高配合4月午后陜北、關(guān)中較強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)，利于冰雹雹胚的生長(zhǎng)。

4 冰雹天氣觸發(fā)機(jī)制及雷達(dá)回波特征

從4月冰雹天氣的雷達(dá)回波來(lái)看，造成冰雹天氣的對(duì)流云團(tuán)大多數(shù)在降雹地上游地區(qū)被觸發(fā)，隨后向下游移動(dòng)不斷增強(qiáng)，造成降雹。槽后西北氣流型冰雹天氣，雷達(dá)回波較為分散，局地性更強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間較短；冷槽型冰雹天氣由于低層天氣尺度動(dòng)力抬升配合，雷達(dá)回波范圍更廣，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。分析對(duì)流云團(tuán)的觸發(fā)機(jī)制，對(duì)流云團(tuán)均為地面中尺度系統(tǒng)(輻合線、干線、鋒面)觸發(fā)(表1)，對(duì)流云團(tuán)被觸發(fā)后，常移出初生地并不斷增強(qiáng)，在移動(dòng)過(guò)程中重新觸發(fā)新生對(duì)流。從產(chǎn)生降雹對(duì)流云團(tuán)形態(tài)來(lái)看，降雹主要由普通單體風(fēng)暴、多單體風(fēng)暴、線風(fēng)暴造成，其中以多單體風(fēng)暴為主。多單體風(fēng)暴及線風(fēng)暴中降雹對(duì)流單體最大反射率因子強(qiáng)度達(dá)到60 dBz以上，單體中大于50 dBz的強(qiáng)回波擴(kuò)展到-20 ℃層高度以上，垂直累積液態(tài)水含量達(dá)到30 kg/m2以上。以2015年4月26日午后冷槽型冰雹天氣過(guò)程發(fā)展為例，強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前，高層冷空氣疊加在低層暖濕空氣上，中層有切變線配合，大氣層結(jié)具有明顯的位勢(shì)不穩(wěn)定。08時(shí)地面天氣圖上，陜西位于海上高壓后部，風(fēng)場(chǎng)上延安中南部存在地面輻合線，受太陽(yáng)輻射增溫影響，大氣不穩(wěn)定度增加，11時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)上輻合線(圖2a)依然存在，11：46左右地面輻合線附近(延安西北部及南部)有對(duì)流回波被觸發(fā)(圖2b)，對(duì)流單體在切變線輻合抬升作用下迅速發(fā)展，多個(gè)單體合并,沿500 hPa引導(dǎo)氣流向東移動(dòng)，逐漸加強(qiáng)為多單體風(fēng)暴及線風(fēng)暴。

圖2 2015年4月26日11時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)(a 風(fēng)羽，單位為m/s，黑色實(shí)線為地面輻合線)和11：46延安多普勒天氣雷達(dá)組合反射率因子(b 單位為dBz)

5 結(jié)論

對(duì)2015—2020年陜西省4月冰雹天氣發(fā)生的天氣學(xué)特征、對(duì)流潛勢(shì)指標(biāo)及雷達(dá)回波特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)陜西4月冰雹天氣多發(fā)生在午后至傍晚(12—20時(shí))，降雹相對(duì)高頻區(qū)位于陜北南部和關(guān)中。

(2)按典型個(gè)例環(huán)流形勢(shì)將冰雹天氣分為槽后西北氣流型和冷槽型，槽后西北氣流型的主要特征表現(xiàn)在中層強(qiáng)的干冷空氣侵入造成強(qiáng)熱力不穩(wěn)定層結(jié)，冷槽型冰雹天氣產(chǎn)生的主要原因?yàn)楦邔永淇諝獐B加低層暖濕氣流造成強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定，天氣尺度抬升促進(jìn)對(duì)流進(jìn)一步發(fā)展。

(3)共篩選出11個(gè)指標(biāo)為陜西4月冰雹天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供參考，這些指標(biāo)代表了大氣的熱力不穩(wěn)定層結(jié)、能量、水汽、垂直風(fēng)切變等環(huán)境條件，實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中可重點(diǎn)分析相比氣候平均值差異較大的K指數(shù)、總指數(shù)、對(duì)流穩(wěn)定度指數(shù)，作為冰雹天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)中不穩(wěn)定層結(jié)及低層水汽條件的判別指標(biāo)，同時(shí)需注意其他指標(biāo)的配合使用；CAPE在強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)中應(yīng)用，必須要經(jīng)過(guò)探空訂正。

(4)降雹云團(tuán)受地面中尺度系統(tǒng)觸發(fā)，降雹單體中最大反射率因子達(dá)到60 dBz以上，大于50 dBz的強(qiáng)回波擴(kuò)展到-20 ℃層高度以上；槽后西北氣流型冰雹的雷達(dá)回波分散、局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短，冷槽型冰雹的雷達(dá)回波范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。