張曉輝，高艷春，易永力，譚國明，相 云

（1.承德市氣象局，河北 承德 067000；2.河北省氣象科學(xué)研究所，河北 石家莊 050021）

冰雹作為一種自然災(zāi)害，對人民群眾的生命財產(chǎn)危害巨大，一場強(qiáng)烈的冰雹會對農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、交通、通信、城市建筑等造成毀滅性的打擊。近年來，已有許多國內(nèi)外的專家學(xué)者對冰雹天氣特征進(jìn)行了分析研究，Po akal等[1]、Tuovinen等[2]、Berthet等[3]、Mohr等[4]研究發(fā)現(xiàn)，山脈附近和中緯度地區(qū)是歐洲冰雹的多發(fā)地，且冰雹發(fā)生的時間主要集中在5—9月的下午和傍晚時段；López等[5]、Winston等[6]通過對雷達(dá)探測冰雹的判別方法研究，提出以垂直累積液態(tài)含水量、最大反射率因子等雷達(dá)參量作為變量的判別分析模型。符琳等[7]通過對近50 a我國北方冰雹趨勢的成因分析發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)80年代末至今降雹次數(shù)基本低于近50 a的平均值；蘇永玲等[8]通過對比不同環(huán)流背景下冰雹特征發(fā)現(xiàn)，冰雹發(fā)生在冷渦背景下以動力強(qiáng)迫為主，在副高背景下以熱力強(qiáng)迫為主；吳迎旭等[9]通過分析發(fā)現(xiàn)，在非典型環(huán)流系統(tǒng)下，產(chǎn)生冰雹的主要因子有不穩(wěn)定層結(jié)、低層水汽輸送或輻合、地面輻合抬升；魏勇等[10]對石河子地區(qū)3次冰雹天氣過程的雷達(dá)回波特征分析發(fā)現(xiàn)，回波強(qiáng)度和回波頂高度的變化、速度對和逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)以及垂直累積液態(tài)含水量增加等，都對產(chǎn)生冰雹有指示意義；王存亮等[11]分析了石河子一次強(qiáng)冰雹天氣的多普勒天氣雷達(dá)特征，得到＞50 dBZ強(qiáng)回波區(qū)及＞60 dBZ強(qiáng)回波中心和中氣旋及逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)、＞50 dBZ強(qiáng)回波區(qū)高度遠(yuǎn)高于當(dāng)天0℃層的高度等特點，對冰雹的預(yù)報有很好的指示作用。

河北省冰雹天氣的時空分布及雷達(dá)產(chǎn)品特征分析表明[12-15]，20世紀(jì)80年代末—90年代初降雹達(dá)到高峰期，冰雹日數(shù)在1994年發(fā)生明顯突變，冰雹云回波強(qiáng)度普遍＞60 dBZ，垂直累積液態(tài)含水量普遍＞35 kg/m2，回波頂高普遍在8～11 km，基本徑向速度圖上表現(xiàn)為輻合。這些研究都為冰雹災(zāi)害的研究提供了理論依據(jù)。承德地處華北東北部，多山地，地形地貌十分復(fù)雜，易于冰雹天氣的發(fā)生，復(fù)雜地形也使冰雹預(yù)報難度加大，需深入細(xì)致的研究。目前承德本地冰雹的研究取得了一定進(jìn)展，王宏等[16]通過分析一次颮線過程的雷達(dá)產(chǎn)品，得到大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣與垂直累積液態(tài)含水量的劇減、躍增和持續(xù)高的回波頂高存在一定的關(guān)系；高艷春等[17]分析發(fā)現(xiàn)，冰雹等強(qiáng)對流天氣發(fā)生在低云頂亮溫發(fā)展前端高梯度區(qū)的概率較大；彭九慧等[18]利用GIS技術(shù)總結(jié)了承德市冰雹災(zāi)害的風(fēng)險區(qū)劃，得到豐寧冰雹災(zāi)害風(fēng)險最高。但這些研究主要是針對承德市冰雹個例和冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃分析，并未對冰雹的氣候特征及雷達(dá)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的歸納總結(jié)，因此本文利用1981—2016年承德市冰雹資料、2012—2016年11次冰雹天氣過程的多普勒雷達(dá)回波資料，詳細(xì)分析了承德市冰雹的時空分布特征以及冰雹天氣的多普勒雷達(dá)回波特征，并得到承德市冰雹預(yù)警定量指標(biāo)和定性的判別依據(jù)，以期為承德市冰雹天氣的災(zāi)害研究和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料及來源

1981—2016年承德市9個氣象觀測站的冰雹觀測資料，2012—2016年承德市C波段雷達(dá)觀測資料，均來源于承德市氣象局。

1.2 資料處理與方法

本文規(guī)定在各站冰雹觀測記錄中，某站在某日（00—24時BT，下同）觀測記錄有冰雹，不論時間長短，都記為一個冰雹日。

考慮到承德市觀測站處于雷達(dá)靜錐區(qū)，而豐寧、圍場、平泉、興隆和寬城距雷達(dá)站＞100 km，受地形影響，低仰角的雷達(dá)回波無法被探測到。因此本文選取距離雷達(dá)站20～50 km的隆化、灤平、承德縣的11次冰雹過程進(jìn)行分析。

利用線性變化傾向率方法[19]對承德市冰雹的氣候趨勢進(jìn)行分析。

2 承德市冰雹的時空分布特征

2.1 冰雹的空間分布特征

承德市1981—2016年出現(xiàn)冰雹總次數(shù)為717次，年平均為19.9次。從1981—2016年冰雹次數(shù)空間分布（圖1）可知，冰雹次數(shù)由北向南總體趨于減少，北部高海拔地區(qū)冰雹最多，尤其是豐寧和圍場，冰雹次數(shù)＞100次，東部的平泉也是冰雹的多發(fā)區(qū)，冰雹次數(shù)接近90次，寬城最少，為64次，其他地區(qū)為65～77次。承德市冰雹多發(fā)區(qū)在東北部高海拔的區(qū)域。

圖1 1981—2016年承德市各站冰雹次數(shù)空間分布（單位：次）

2.2 冰雹的時間變化特征

2.2.1 冰雹的年變化特征

由1981—2016年冰雹時間序列（圖2）得出，承德市冰雹年代際變化顯著，總體呈先增后減的趨勢，冰雹出現(xiàn)次數(shù)最多的是1990年，為58次；出現(xiàn)次數(shù)最少的是2009年，僅3次。從冰雹的線性趨勢線可知，1981—1990年承德市冰雹次數(shù)以24.3次/10 a的速度遞增，20世紀(jì)90年代以后，出現(xiàn)頻率趨于減少，每10 a減少10.8次，此傾向率通過了0.01的顯著性檢驗。

圖2 1981—2016年承德市冰雹次數(shù)逐年變化和線性趨勢

2.2.2 冰雹的月變化特征

統(tǒng)計1981—2016年承德市冰雹出現(xiàn)時間發(fā)現(xiàn)，承德市冰雹出現(xiàn)在3—11月，主要集中在5—8月。月冰雹出現(xiàn)次數(shù)呈明顯的“單峰型”分布，3—6月冰雹次數(shù)迅速增加，6月達(dá)到峰值，7月以后呈逐月下降的趨勢。5—8月降雹總數(shù)為569次，占全年降雹總數(shù)的79.4%，其中6月冰雹出現(xiàn)次數(shù)最多，為220次，占全年降雹總數(shù)的30.7%（圖3）。每年的5—8月河北省受冷渦影響頻繁，90%的降雹是由冷渦造成的[20]，500 hPa形勢場上，冷渦中心一般位于貝加爾湖附近或內(nèi)蒙古中部到河北北部一帶，其南部為低槽[12]，冷渦攜帶的冷空氣沿高空槽南下到達(dá)河北上空，而低層受暖平流影響，形成“上冷下暖”的不穩(wěn)定層結(jié)，午后到傍晚時段隨著熱力和動力條件的加強(qiáng)，在地面冷鋒、中尺度輻合線、干線等觸發(fā)下，導(dǎo)致降雹發(fā)生[21]。

圖3 1981—2016年承德市冰雹次數(shù)的月分布

2.2.3 冰雹的日變化及持續(xù)時間

熱力條件在冰雹天氣發(fā)生時起重要作用[22]。由承德市各時段出現(xiàn)冰雹的百分比（圖4a）可知，承德市冰雹日變化特征明顯，主要出現(xiàn)在08—20時，占冰雹出現(xiàn)幾率的84.5%，其中12—20時，冰雹出現(xiàn)幾率占78.9%。12—16時冰雹出現(xiàn)幾率逐漸增加，14—17時是全天冰雹出現(xiàn)幾率最大的幾個時次，均＞10%。這是因為此時段地面氣溫較高，不穩(wěn)定能量易累積，導(dǎo)致近地層大氣極不穩(wěn)定，只要有中小尺度系統(tǒng)觸發(fā)，就極易發(fā)生冰雹天氣[23]。由此可見，日輻射通過下墊面對邊界層的增熱作用，是導(dǎo)致冰雹天氣發(fā)生的重要熱力因素。

冰雹持續(xù)時間長短是影響冰雹災(zāi)害輕重的因素之一，一般持續(xù)時間越長災(zāi)害越嚴(yán)重[24]。從冰雹的持續(xù)時間（圖4b）來看，承德市冰雹持續(xù)時間在10 min以內(nèi)的占總次數(shù)的87.4%，在10～20 min的占10.4%，＞20 min的僅占2.1%。

圖4 1981—2016年承德市冰雹發(fā)生時段（a）及持續(xù)時間（b）的百分比序列

3 冰雹雷達(dá)預(yù)警指標(biāo)分析

3.1 冰雹的雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

表1是承德市11次冰雹過程的組合反射率、回波頂高、垂直累積液態(tài)含水量、垂直累積液態(tài)含水量躍增的特征統(tǒng)計。

表1 冰雹的雷達(dá)產(chǎn)品統(tǒng)計

冰雹過程最大回波強(qiáng)度均＞58 dBZ，其中僅有2014年6月9日承德縣冰雹過程最大回波強(qiáng)度為58 dBZ，其余過程最大回波強(qiáng)度均＞60 dBZ，占99%，2014年5月19日灤平和2014年8月21日隆化冰雹過程出現(xiàn)的最大回波強(qiáng)度最強(qiáng)，達(dá)65 dBZ。因此可將最大回波強(qiáng)度＞60 dBZ，作為承德市冰雹預(yù)警的一個參考依據(jù)。

回波頂高是對流天氣強(qiáng)弱程度的重要標(biāo)志，它反映了云內(nèi)垂直上升氣流的強(qiáng)度，上升氣流又是決定云內(nèi)所能形成的最大水滴或冰雹尺度的重要因素[25]，且回波頂高的高度為雹胚生長提供了足夠長的增大路徑[26]，回波頂高度越高，云內(nèi)上升氣流越強(qiáng)，雹胚生長路徑越長，越易產(chǎn)生冰雹。根據(jù)河北本地冰雹的預(yù)警指標(biāo)，發(fā)生冰雹的回波頂高一般在8～11 km[12-14]。由表1可知，除2013年6月11日灤平和2014年6月9日承德縣冰雹過程的回波頂高＜10 km外，其余均＞10 km，占82%，2014年5月19日和2016年5月1日灤平冰雹過程的回波頂高最高，達(dá)13 km。因此可將回波頂高＞10 km作為冰雹預(yù)警的參考依據(jù)之一。必須指出的是，一些回波頂高達(dá)到上述的高度時也未曾有冰雹的發(fā)生，所以在冰雹預(yù)報時要把回波頂高和其他回波特征聯(lián)系起來分析，以減少冰雹空報的發(fā)生。

上述冰雹過程的最大垂直累積液態(tài)含水量VILmax最小為33 kg/m2，分別出現(xiàn)在2013年6月11日和2014年6月16日灤平的冰雹過程中；VILmax最大為63 kg/m2，出現(xiàn)在2012年6月18日隆化的冰雹過程中。冰雹過程主要發(fā)生在5—8月，路亞奇等[27]研究發(fā)現(xiàn)，5—9月降雹的VILmax指標(biāo)分別為36、31、33、33、39 kg/m2，因此上述冰雹過程5—6月降雹的VILmax指標(biāo)與此研究結(jié)果相差不大，而7—8月本文得到的VILmax較后者的明顯偏大，由于本文研究的個例中，7和8月的個例僅各一次，得到降雹的VILmax指標(biāo)不具普遍性，因此可將VILmax＞38、33 kg/m2分別作為承德市5、6月冰雹的預(yù)警指標(biāo)之一。垂直累積液態(tài)含水量的躍增可作為降雹的主要指標(biāo)[28-29]。在冰雹發(fā)展初期的2～4個體掃垂直累積液態(tài)含水量一般會有一個跳躍性增長，除2014年5月19日灤平冰雹過程外，其余過程降雹前相鄰2個體掃垂直累積液態(tài)含水量均有明顯躍增，且2個相鄰體掃躍增值在20～33 kg/m2，這與王福俠等[14]得到的“降雹前相鄰2個體掃垂直累積液態(tài)含水量的躍增值在10～30 kg/m2”基本一致。因此可將相鄰2個體掃垂直累積液態(tài)含水量的躍增值＞20 kg/m2作為承德市冰雹的預(yù)警指標(biāo)之一。

3.2 冰雹的雷達(dá)回波特征分析

3.2.1 回波形狀和移速

分析上述冰雹過程的回波形狀和移速發(fā)現(xiàn)，除2013年5月19日和2016年5月1日冰雹過程回波呈帶狀外，其余過程冰雹云回波都呈塊狀。在冰雹云發(fā)展初期，一般移動速度不大，發(fā)展較成熟時，移速明顯加大，不同回波移動速度相差較大，一般在30～60 km/h。

3.2.2 徑向速度

冰雹云回波因持續(xù)時間短、突發(fā)性強(qiáng)，在基本徑向速度資料中，以分析中小尺度特征為主。分析上述冰雹過程的基本徑向速度資料可知，出現(xiàn)冰雹天氣時基本徑向速度資料上一般伴有風(fēng)場的輻合，在11次冰雹個例中中尺度徑向輻合占9次，其中出現(xiàn)弱風(fēng)切變2次，反氣旋式輻合3次（圖5a），氣旋式輻合2次（圖5b），純輻合2次，無明顯特征的冰雹過程占2次，無明顯特征的冰雹過程則是在西南氣流的背景下出現(xiàn)。因此中尺度徑向輻合是承德市冰雹云回波的典型風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

圖5 2012年7月11日14：36 1.5°V（a，反氣旋式輻合）和2014年8月21日16：24 1.5°V（b，氣旋式輻合）

3.2.3 風(fēng)暴頂輻散

風(fēng)暴頂輻散是與風(fēng)暴中強(qiáng)上升氣流密切相關(guān)的小尺度特征[29-30]，產(chǎn)生冰雹需要強(qiáng)烈的上升運(yùn)動。上述冰雹過程中，6次過程出現(xiàn)風(fēng)暴頂輻散（圖6），說明風(fēng)暴頂輻散可以作為承德市判斷冰雹發(fā)生的依據(jù)，但是在利用風(fēng)暴頂輻散判斷地面冰雹時，檢驗風(fēng)暴頂輻散有時非常困難，必須使用適當(dāng)?shù)难鼋菍︼L(fēng)暴頂取樣，當(dāng)風(fēng)暴距雷達(dá)較近時，必須使用高仰角，此時穿過風(fēng)暴頂取樣將不在同一高度。因此，風(fēng)暴頂輻散不可以獨立作為地面降雹的判據(jù)，應(yīng)與反射率因子特征配合使用以增加其可靠性。

圖6 徑向速度圖中的風(fēng)暴頂輻散

3.2.4 “V”型缺口

根據(jù)“V”型缺口的定義和最佳觀測仰角[31-32]，分析上述冰雹過程的反射率因子圖發(fā)現(xiàn)，7次冰雹過程出現(xiàn)“V”型缺口（圖7），因此，可將“V”型缺口作為承德市冰雹的預(yù)警依據(jù)之一。雖然“V”型缺口可以作為冰雹的預(yù)警依據(jù)，但是它同樣給其他天氣的預(yù)報預(yù)警帶來弊端，由于出現(xiàn)“V”型缺口時，缺口區(qū)內(nèi)回波出現(xiàn)空缺或嚴(yán)重衰減，對缺口區(qū)內(nèi)晴雨預(yù)報錯誤或降水預(yù)報量級偏小，導(dǎo)致缺口區(qū)內(nèi)冰雹、雷暴、大風(fēng)等漏報。

圖7 反射率因子圖上的“V”型缺口

4 結(jié)論

通過分析承德市1981—2016年冰雹資料和2012—2016年11次冰雹天氣過程的多普勒雷達(dá)回波資料，得出以下結(jié)論：

（1）承德市冰雹分布呈北多南少的特點，主要分布于東北部的高海拔地區(qū)，東南部低海拔地區(qū)較少。

（2）承德市冰雹年代際變化顯著，20世紀(jì)80年代是冰雹高峰，每10 a增加24.3次，90年代至今呈逐漸減少的趨勢，每10 a減少10.8次。

（3）承德市出現(xiàn)冰雹的季節(jié)性顯著，最早出現(xiàn)在3月，最晚出現(xiàn)在11月。冰雹次數(shù)的月變化呈“單峰型”分布，冰雹主要集中在5—8月，6月冰雹最多。從冰雹的日變化來看，冰雹主要出現(xiàn)在14—17時。冰雹的持續(xù)時間較短，一般在10 min以內(nèi)，持續(xù)時間＞20 min的很少。

（4）最大回波強(qiáng)度＞60 dBZ、回波頂高＞10 km、相鄰2個體掃垂直液態(tài)累積含水量的躍增值＞20 kg/m2，在5、6月時垂直液態(tài)累積含水量分別＞38、33 kg/m2等雷達(dá)產(chǎn)品特征，可以作為承德市冰雹預(yù)警的定量指標(biāo)。中尺度徑向輻合、風(fēng)暴頂輻散、“V”型缺口等都可以作為承德市冰雹預(yù)警的定性判斷依據(jù)。

致謝：感謝河北省氣象局正高級工程師付桂琴對本文提出的寶貴修改意見。