朱府鴻，趙?？?/p>

(1.石屏縣氣象局，云南 石屏 662200；2.綠春縣氣象局，云南 綠春 662500)

0 引言

冰雹是從發(fā)展強(qiáng)盛的積雨云中落到地面的冰球，是一種季節(jié)性明顯、局地性強(qiáng)，且來勢兇猛、持續(xù)時間短，以機(jī)械損傷為主的氣象災(zāi)害[1]。研究冰雹發(fā)生規(guī)律，找到預(yù)警指標(biāo)，對科學(xué)開展人工防雹作業(yè)，是降低冰雹災(zāi)害的最有效手段。早在20世紀(jì)70年代，國內(nèi)外就有科學(xué)家在應(yīng)用雷達(dá)識別冰雹云方面做了大量的工作，Mather等把45 dBz高度≥0℃層高度(H0)+3.3 km作為地面降雹的判據(jù)，瑞士、法國、意大利等國將45 dBz高度≥H0+1.4 km作為冰雹識別指標(biāo)[2，3]，湖北恩施州把45 dBz強(qiáng)回波伸展高度≥7.5 km、累積液態(tài)含水量(VIL)密度≥3.2(g·m-3)作為有大冰雹的判據(jù)之一[4]，陜西省商洛地區(qū)用新一代天氣雷達(dá)的VIL密度值明顯躍增至5.5(g·m-3)提前24 min預(yù)警大冰雹，作為進(jìn)一步補(bǔ)充和完善陜西極端突發(fā)強(qiáng)天氣預(yù)警指標(biāo)[5]，這些研究為降雹的短臨預(yù)報提供了參考。但是，針對低緯高原地區(qū)的滇南冰雹的研究較少。石屏縣地處低緯高原地帶，季風(fēng)氣候典型，立體氣候顯著，氣象災(zāi)害種類多，主要?dú)庀鬄?zāi)害有干旱、冰雹、大風(fēng)、洪澇等。每年春季和夏季冰雹災(zāi)害易發(fā)多發(fā)，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響，不利于“農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)村穩(wěn)定、農(nóng)民增收”，甚至?xí)?dǎo)致脫貧戶的返貧。根據(jù)石屏縣民政局和縣應(yīng)急管理局不完全統(tǒng)計，2010～2019年，冰雹災(zāi)害對全縣每年農(nóng)經(jīng)作物造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5 000萬元，已成為嚴(yán)重影響石屏縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然災(zāi)害之一。為此，研究分析石屏縣冰雹的氣候特征及降雹指標(biāo)，以提升冰雹災(zāi)害防御能力，對實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

1 資料

選取2011～2020年石屏縣所有的冰雹天氣過程進(jìn)行分析，當(dāng)20∶00～20∶00時段內(nèi)，石屏縣出現(xiàn)≥1站次冰雹時，記為1個降雹日(同一塊冰雹云影響多個站點(diǎn)時計作1個降雹日)，統(tǒng)計得到35次冰雹天氣過程，46個降雹日。本文中的冬春季指1～5月，夏秋季指6～9月。冰雹實(shí)況取自石屏縣氣象臺、災(zāi)情直報系統(tǒng)和云南省人影作業(yè)信息管理系統(tǒng)所記載的全縣9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雹資料。雷達(dá)資料選取普洱、昆明多普勒雷達(dá)，紅河新一代天氣雷達(dá)觀測的2011～2020年冰雹天氣過程雷達(dá)數(shù)據(jù)。

2 石屏縣冰雹的特征分析

2.1 石屏縣冰雹的年變化特征

據(jù)不完全統(tǒng)計，石屏縣近10年共記載的冰雹日有46 d，平均每年4.6 d。從圖1可知2011～2015年石屏縣降雹日出現(xiàn)下降的趨勢，2015年到達(dá)低點(diǎn)。2016～2020年呈現(xiàn)波段上升的趨勢，期間，2017年出現(xiàn)了第一個高點(diǎn)，2018年出現(xiàn)上升途中的回落，2019年開始再次回升，2020年達(dá)近10年峰值(12 d)，整體來看冰雹天氣呈先下降后上升的波浪走勢。

圖1 石屏縣2011～2020年冰雹變化曲線圖Fig.1 The change curve of hail from 2011 to 2020 in Shiping County

2.2 石屏縣冰雹的月變化特征

從表1看出，近10年石屏冰雹天氣最早出現(xiàn)在1月份(2020年3個冰雹日)，最晚為12月份(僅2012 年出現(xiàn)過一次)。從月變化看，冰雹天氣主要集中出現(xiàn)在春季的4月、夏季的7～8月，4月降雹日為9d、7月降雹日為10 d、8月降雹日為13d，分別占整個冰雹總數(shù)的20%、22%、28%。

表1 石屏縣2011～2020年降雹日月度分布表Tab.1 Monthly distribution of hail days from 2011 to 2020 in Shiping County

2.3 石屏縣冰雹的日變化特征

從近10年46個降雹日24小時的降雹時刻分布看，一天中降雹最多的時段集中在14∶00～19∶00出現(xiàn)37次，占統(tǒng)計樣本的80.4%。其中15∶00～17∶00出現(xiàn)頻率最高，占總數(shù)的68%；21∶00～23∶00出現(xiàn)4次，占統(tǒng)計樣本的8.7%；00∶00～02∶00出現(xiàn)3次，占統(tǒng)計樣本的6.5%；18∶00～20∶00出現(xiàn)2次，占統(tǒng)計樣本的4.3%?？傮w看，降雹呈下午多于上午，白天多于夜間的特征。

2.4 石屏縣冰雹的入侵路徑和落區(qū)

利用昆明、普洱多普勒天氣雷達(dá)、紅河新一代天氣雷達(dá)的觀測資料，統(tǒng)計近10年35次強(qiáng)對流天氣過程冰雹云的運(yùn)動方向，得出影響石屏縣的冰雹路徑主要有4條(圖2)：第一條(西路)，出現(xiàn)在冬春季，冰雹云從元江縣自西向東進(jìn)入石屏縣，降雹地點(diǎn)主要出現(xiàn)在西部的大橋、中部的寶秀、異龍、新城和南部的牛街等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，共出現(xiàn)20次，占總數(shù)的43.5%；第二條(東北路)主要出現(xiàn)在夏季，冰雹云從通海縣進(jìn)入石屏影響龍朋、哨沖、龍武、大橋、新城、寶秀、異龍等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，共出現(xiàn)18次，占總數(shù)的39%；第三條(西北路)主要出現(xiàn)在7～8月，影響龍武、哨沖、大橋、寶秀、新城、異龍等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，出現(xiàn)3次，占總數(shù)的6.5%；第四條(北路)出現(xiàn)在夏秋季(8～9月)，出現(xiàn)2次，占總數(shù)的4.3%，其它路徑如東路、西南路、東南路各出現(xiàn)1次，占比較少，影響也較弱。

圖2 石屏冰雹主要路徑圖Fig.2 Shiping hail main path map

2.5 引發(fā)石屏降雹的主要天氣系統(tǒng)及季節(jié)特征

通過統(tǒng)計2011～2020年石屏縣降雹日的天氣系統(tǒng)，得出冬春季影響天氣系統(tǒng)有南支槽、靜止鋒和南支槽、冷空氣和南支槽，分別占總降雹日的25.4%、5.4%、3.2%。冬春季出現(xiàn)的南支槽天氣系統(tǒng)(圖3a)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)自西向東移動速度較快，地面常有超過17(m·s-1)以上的偏西大風(fēng)，冰雹直徑比夏季的更大、冰雹云從發(fā)展到成熟階段僅需10～12分鐘就形成降雹。夏秋季主要的影響天氣系統(tǒng)有輻合切變占16.6%、低壓外圍偏東氣流占16.5%，副高外圍東北氣流占15.1%，西行臺風(fēng)外圍云系占6.6%，副高外圍偏北氣流占4.0%，副高外圍西北氣流占3.6%，副高邊沿偏南氣流占3.2%等。夏秋季經(jīng)常出現(xiàn)的輻合切變、西行臺風(fēng)外圍云系、高壓外圍偏東氣流天氣系統(tǒng)形式圖分別見圖3b、圖3c、圖3d。近10年來，引發(fā)災(zāi)害最重的天氣系統(tǒng)是2017年8月23日出現(xiàn)的第13號臺風(fēng)“天鴿”，受其影響，此次冰雹天氣過程，造成全縣9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)經(jīng)作物不同程度受到大風(fēng)、冰雹襲擊，影響范圍和直接經(jīng)濟(jì)損失，為近10年來災(zāi)情最重的一次。

圖3 石屏縣近10年冬春季和夏秋季的典型影響天氣系統(tǒng)Fig.3 Typical impacting weather system in Winter-Spring season and Summer-Autumm Season of past 10 years in Shiping

(a)冬春季南支槽天氣系統(tǒng)500 hPa高度場(單位：dagpm)；(b)夏秋季輻合切變天氣系統(tǒng)槽700 hPa(單位：m·s-1)；(c)夏秋季西行臺風(fēng)天氣系統(tǒng)500 hPa高度場(單位：dagpm)；(d)夏秋季高壓外圍偏東氣流500hap高度場(單位：dagpm)

(a)500 hPa height field of weather system in South Branch Channel in winter and spring (unit：dagpm)；(b)700 hPa(unit：m·s-1)in the convergent shear weather system in summer and autumn；(c)500 hPa height field of westward typhoon weather system in summer and autumn(unit：dagpm)；(d)The 500hap height field of easterly airflow outside the high pressure in summer and autumn(unit：dagpm)

3 冰雹發(fā)生前的環(huán)境場特征

通過分析2011～2020年降雹日08∶00或20∶00，思茅(1～5月)、蒙自(6～9月)探空資料，(思茅探空站位于雷達(dá)站西南側(cè)，直線距離6.2 km，蒙自探空站位于雷達(dá)站東側(cè)，直線距離29 km)，總結(jié)出石屏縣冰雹發(fā)生前的環(huán)境場特征。由于冬季(12月)和秋季(9～11月)出現(xiàn)的降雹日數(shù)偏少，以下只分析冬春季和夏秋季。

3.1 水汽條件(700 hPa比濕)

比濕是指在一團(tuán)濕空氣中，水汽的質(zhì)量與該團(tuán)空氣總質(zhì)量(水汽質(zhì)量加上干空氣質(zhì)量)的比值。若濕空氣與外界無質(zhì)量交換，且無相變，則比濕保持不變，以g·kg-1為單位[6，7]。統(tǒng)計700 hPa比濕發(fā)現(xiàn)，冬春季比濕平均值、上下限值小于夏秋季。冬春季700 hPa平均比濕為7(g·kg-1)，下限值為5(g·kg-1)，最高10(g·kg-1)，80%以上降雹日比濕在6～9(g·kg-1)之間；夏秋季700 hPa平均比濕為11(g·kg-1)，下限值9(g·kg-1)，最高值12(g·kg-1)，90%降雹日數(shù)比濕在9～12(g·kg-1)。

3.2 不穩(wěn)定度與能量(K指數(shù)、SI指數(shù)、CAPE)

有研究指出冰雹發(fā)展的必要條件之一是有強(qiáng)的上升氣流，而上升氣流的強(qiáng)弱，主要取決于對流不穩(wěn)定能量[8-13]，穩(wěn)定度表征大氣層結(jié)的穩(wěn)定情況，一些表征穩(wěn)定度的參數(shù)對雷暴大風(fēng)、冰雹具有很強(qiáng)的指示意義，國外就曾使用沙氏指數(shù)的大小預(yù)報強(qiáng)對流天氣的等級[3]。俞小鼎等[8-10]研究表明：一定的SI指數(shù)、K指數(shù)、CAPE值等物理量加上適宜的 0℃與-20℃層高度均指示當(dāng)天有利的降雹環(huán)境。

3.2.1 K指數(shù)

K指數(shù)是一個綜合反映對流層中低層(850～500 hPa)溫度遞減率和濕度分布的組合物理量[1]。一般K值越大，潛能越大，大氣越不穩(wěn)定。統(tǒng)計得出石屏降雹日冬春季K指數(shù)平均值為35℃，下限值為30℃；夏秋季K指數(shù)平均值為39℃，下限值為36℃，可見K指數(shù)下限值和平均值冬春季比夏秋季都偏小。

3.2.2 沙氏指數(shù)SI

沙氏指數(shù)公式：

SI=T500-TS

式中：T500是500 hPa上的實(shí)際溫度；TS是 850 hPa等壓面上的濕空氣團(tuán)沿干絕熱線上升到達(dá)凝結(jié)高度后，再沿濕絕熱線上升至500 hPa時所具有的氣團(tuán)溫度，單位：℃。沙氏指數(shù)SI>0表示氣層較穩(wěn)定，SI<0表示氣層不穩(wěn)定，負(fù)值越大，氣層越不穩(wěn)定。

對石屏縣近10年46個降雹日SI值進(jìn)行統(tǒng)計得出，冬春季SI在-3.6～2.1℃；夏秋季SI在-3.3～1.0℃，其中SI<0時出現(xiàn)冰雹次數(shù)為42次，SI>0時出現(xiàn)冰雹次數(shù)為4次。

3.2.3 對流有效位能CAPE

CAPE用來衡量熱力不穩(wěn)定的最佳參量，指氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，是風(fēng)暴潛在強(qiáng)度的一個重要指標(biāo)。在 T-ln P圖上，CAPE正比于氣塊上升曲線(狀態(tài)曲線)和環(huán)境溫度曲線(層結(jié)曲線)從自由對流高度(LFC)至平衡高度(EL)所圍成的區(qū)域面積。CAPE數(shù)值的增大表示上升氣流強(qiáng)度及對流發(fā)展的潛勢增加。對石屏縣近10年46個降雹日CAPE值統(tǒng)計得出，冬春季CAPE<50(J·kg-1)出現(xiàn)7次，CAPE>1 000(J·kg-1)的1次，介于50～500(J·kg-1)出現(xiàn)8次，500～1 000(J·kg-1)出現(xiàn)3次；夏秋季CAPE<50(J·kg-1)出現(xiàn)1次，50～500(J·kg-1)出現(xiàn)18次，500～1 000(J·kg-1)出現(xiàn)7次，CAPE>1 000(J·kg-1)的1次。

3.3 T850-T500溫度差△T特征

850 hPa與500 hPa溫度之差，此指標(biāo)指示中低層溫度層結(jié)遞減程度，故稱△T為層結(jié)遞減參數(shù)，此數(shù)越大(說明上冷下暖)越不穩(wěn)定，它能加強(qiáng)和助長低層氣團(tuán)的上升運(yùn)動。統(tǒng)計得出降雹日850 hPa與500 hPa溫度之差，冬春季△T在22～35℃，平均值為26℃；夏秋季△T在20～25℃，平均值為24℃，可見，冬春季比夏秋季溫度差明顯偏大。

3.4 0℃和-20℃層高度

冰雹要求特殊的0和-20℃層高度，適宜的0和-20℃層高度是降雹必不可少的前提條件[1，8，11-14]，是冰雹預(yù)報中的一個重要因子。段鶴等[2]研究表明，降雹天氣過程對應(yīng)的H0為3.8～5.5 km，平均4.5 km，H-20為7.1～8.9 km，平均7.8 km；分析石屏縣近10年46個降雹日的探空資料得出，冬春季H0的高度在3.7～4.8 km，平均4.2 km，H-20的高度在6.6～8.5 km，平均7.4 km；夏秋季H0為5.0～5.5 km，平均5.3 km，H-20為8.1～9.1 km，平均8.7 km。冬春季H0高度和段鶴等的研究結(jié)果基本一致，夏秋季H-20的高度由于個例偏少，結(jié)果略高。

4 雷達(dá)回波產(chǎn)品的特征

4.1 冰雹云反射率因子的垂直分布特征

用云南省人影作業(yè)指揮系統(tǒng)(3DAiwComm)，對石屏縣近10年的46塊冰雹云作RHI垂直剖面分析發(fā)現(xiàn)，45 dBz頂高在6.0～11.6 km，平均高度為8.7 km；50 dBz頂高在4.6～10.5 km，平均高度為7.8 km；55 dBz高度在4.5～8.7 km，平均高度為7.0 km；≥60 dBz高度在4.0～7.7 km，平均高度值為6.3 km(表2)。根據(jù)對近10年冰雹云反射率因子的剖面統(tǒng)計分析，得出石屏縣降雹的雷達(dá)回波反射率因子垂直分布特征為：45 dBz頂高≥6.0 km、50 dBz頂高≥4.6 km、55 dBz頂高≥4.5 km、大于等于60 dBz頂高≥4.0 km，以上指標(biāo)作為石屏降雹預(yù)警的臨界值參考意義較大。

表2 成熟階段的46塊冰雹云的RHI垂直剖面數(shù)據(jù)特征表Tab.2 The characteristic table of RHI vertical profile data of 46 hail clouds in the mature stage

4.2 ≥45 dBz回波在-20℃層中的厚度特征

對46塊冰雹云作垂直剖面統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)雷達(dá)回波反射率因子Z≥45 dBz厚度到達(dá)或穿越-20℃等溫度層時，對應(yīng)地面即發(fā)生降雹。圖4為選取46塊冰雹云中的最弱、中等和最強(qiáng)冰雹云的雷達(dá)回波垂直剖面圖。圖4a 為2017年2月3日17∶36發(fā)在異龍鎮(zhèn)鴨子壩冰雹云的RHI圖(最弱的一次冰雹天氣過程)；圖4b 為2020年8月5日17∶23發(fā)生在龍武鎮(zhèn)龍車村的冰雹云RHI圖(中等強(qiáng)度的一次冰雹天氣過程)；圖4c 為2017年8月23日14∶43發(fā)生在大橋白尼莫村的冰雹云RHI圖(最強(qiáng)的一次冰雹天氣過程)。

圖4 降雹時最弱(a)、中等(b)和最強(qiáng)(c)的雷達(dá)回波垂直剖面圖Fig.4 Vertical profile of the weakest(a)，medium(b)and strongest(c)radar echoes during hail

4.3 冰雹云的VIL特征

垂直累積液態(tài)水含量(VIL)是判別冰雹、雷雨、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣的有效工具之一[9]。對石屏縣近10年46塊冰雹云的垂直累積液態(tài)水含量(VIL)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(表2)，冰雹云VIL下限值為8(k·m-2)，平均值為24.3(kg·m-2)，80%的降雹日VIL值在20～30(kg·m-2)。另外，降雹過程中VIL值也有不同程度的躍增變化，冰雹發(fā)生前冰雹云回波在一個體掃時間內(nèi)均出現(xiàn)5(kg·m-1)以上的躍增；有75%的冰雹云出現(xiàn)了10(kg·m-1)以上的躍增；有25%的冰雹云出現(xiàn)了15(kg·m-1)以上的躍增，達(dá)到最大后地面出現(xiàn)降雹，降雹后VIL值隨之減小。日常防雹減災(zāi)工作中，針對石屏地區(qū)，可以將VIL≥8(kg·m-1)和VIL出現(xiàn)5(kg·m-1)以上的躍增作為石屏降雹的臨界值作為參考。

5 石屏縣降雹的綜合預(yù)報預(yù)警指標(biāo)

(1)影響天氣系統(tǒng)：冬春季，出現(xiàn)南支槽天氣系統(tǒng)，有靜止鋒或冷空氣配合；夏秋季，受輻合切變、低壓外圍偏東氣流、副高外圍東北氣流、西行臺風(fēng)外圍云系等天氣系統(tǒng)影響。

(2)冰雹發(fā)生前的環(huán)境場特征：冬春季700 hPa 比濕≥5(g·kg-1)、K指數(shù)≥30℃、SI指數(shù)≤2.1、T850-T500≥22℃、H0≥3.7 km、H-20≥6.6 km。夏秋季700 hPa 比濕≥9(g·kg-1)、K指數(shù)≥36℃、SI指數(shù)≤1.1、T850-T500≥21℃、H0≥5.0 km、H-20≥8.1 km。

(3)雷達(dá)回波指標(biāo)：45 dBz頂高≥6.0 km、50 dBz頂高≥4.6 km、55 dBz頂高≥4.5 km、大于等于60 dBz的頂高≥4.0 km；≥45 dBz反射率因子頂高到達(dá)或穿越-20℃等溫度層；VIL≥8.0(kg·m-2)。

6 結(jié)語

(1)統(tǒng)計得出石屏縣近10年冰雹日為46 d，平均每年4.6 d。年際變化為2011～2015年降雹日出現(xiàn)下降的趨勢，在2015年出現(xiàn)低點(diǎn)；2016～2020年呈現(xiàn)波段上升的趨勢，2020年達(dá)近10年峰值(12 d)。

(2)統(tǒng)計得出石屏縣降雹日月際變化規(guī)律。冰雹主要出現(xiàn)在4月、7月和8月，分別占整個冰雹日數(shù)的20%、22%和28%。

(3)統(tǒng)計得出一天中降雹時段主要出現(xiàn)在14∶00～19∶00，其中15∶00～17∶00頻率最高；其余時段21∶00～02∶00也有少量降雹?？傮w來看，降雹時段在一天的分布主要是下午多于上午，白天多于夜間。

(4)近10年影響石屏的冰雹路徑主要有4條：第一條(西路)，主要出現(xiàn)在冬春季；第二條(東北路)，主要出現(xiàn)在夏季；第三條(西北路)，主要出現(xiàn)在夏季；第四條(北路)，主要出現(xiàn)在夏秋季。其它路徑如東路、西南路、東南路各出現(xiàn)1次，占比較少，影響也比較弱。

(5)石屏近10年冰雹的影響天氣系統(tǒng)在冬春季有南支槽、靜止鋒和南支槽、冷空氣和南支槽；夏秋季主要有輻合切變、低壓外圍偏東氣流、副高外圍東北氣流、西行臺風(fēng)外圍云系、副高外圍偏北氣流、副高外圍西北氣流、副高邊沿偏南氣流等。

(6)石屏縣降雹的綜合預(yù)報預(yù)警指標(biāo)：①影響天氣系統(tǒng)：冬春季，出現(xiàn)南支槽天氣系統(tǒng)，有靜止鋒或冷空氣配合；夏秋季受輻合切變、低壓外圍偏東氣流、副高外圍東北氣流、西行臺風(fēng)外圍云系、副高外圍偏北氣流、副高外圍西北氣流、副高邊沿偏南氣流等天氣系統(tǒng)影響；②物理量場參考指標(biāo)：冬春季700 hPa 比濕≥5(g·kg-1)、K指數(shù)≥30℃、SI指數(shù)≤2.1、T850-T500≥22℃、H0≥3.7 km、H-20≥6.6 km。夏秋季700 hPa 比濕≥9(g·kg-1)、K指數(shù)≥36℃、SI指數(shù)≤1.1、T850-T500≥21℃、H0≥5.0 km、H-20≥8.1 km；③雷達(dá)回波指標(biāo)：45 dBz頂高≥6.0 km、50 dBz頂高≥4.6 km、55 dBz頂高≥4.5 km、大于等于60 dBz的頂高≥4.0 km；≥45 dBz反射率因子頂高到達(dá)或穿越-20℃等溫度層；VIL≥8.0(kg·m-2)。