關(guān)中西部致災(zāi)大冰雹天氣分析

孟妙志，任 歡，李靜睿，喬丹楊

(1.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；2.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721006；3.安康市氣象局，陜西安康 725000)

冰雹天氣研究一直受到學(xué)者們的重視[1-5]，研究表明，冰雹天氣在有利的天氣背景下產(chǎn)生，小冰雹發(fā)生頻次高，特殊地形不僅成為產(chǎn)生冰雹的源地，而且影響冰雹路徑。陜西關(guān)中渭北有兩個冰雹源地[6]：子午嶺和六盤山冰雹源地。關(guān)中西部寶雞市的隴縣位于六盤山冰雹源地直接影響區(qū)，是寶雞市冰雹最多的縣區(qū)，年均降雹5.2次，最多1983年達12次，但直徑≥2 cm的大冰雹出現(xiàn)頻次較少(年均不到1次)，針對大冰雹天氣的分析研究也較少。2015年7月18日、2016年6月12日隴縣均出現(xiàn)大冰雹且降雹時間長，為寶雞近5年少見的大冰雹天氣，造成隴縣烤煙、玉米等農(nóng)作物絕收。多普勒雷達為短時臨近監(jiān)測冰雹提供了有效工具。本文對這兩次大冰雹天氣產(chǎn)生背景特別是多普勒雷達特征進行分析，為短時臨近預(yù)報預(yù)警提供經(jīng)驗指標(biāo)。

1 天氣概況

2015年7月18日15—17時，寶雞市的隴縣出現(xiàn)冰雹天氣(簡稱“2015-07-18”冰雹過程)，降雹持續(xù)30～40 min，冰雹最大直徑4 cm左右，同時出現(xiàn)短時強降水和7級以上大風(fēng)。2016年6月12日18—20時，隴縣出現(xiàn)雷陣雨伴冰雹天氣(簡稱“2016-06-12”冰雹過程)，先后兩次降雹時間累計35 min，冰雹最大直徑2 cm。這兩次冰雹天氣均發(fā)生在隴縣，其特點為局地性強、強度大、降雹時間長、每次都出現(xiàn)兩輪降雹。從寶雞多普勒雷達反射率因子可以看出，這兩次冰雹天氣原始風(fēng)暴均在上游華亭生成，向東南移動，進入隴縣并發(fā)展。

2 環(huán)流形勢及大氣層結(jié)穩(wěn)定度

“2015-07-18”冰雹過程 2015年7月18日08—20時天氣圖上，500 hPa陜西處在蒙古冷渦后部的偏北氣流中并配有-8 ℃的溫度槽。700 hPa自河西地區(qū)有干舌伸到平?jīng)?，平?jīng)觥⑽靼仓g有風(fēng)向切變；850 hPa有暖脊移入河套，關(guān)中有濕區(qū)。陜西具有上干冷、下暖濕的大氣層結(jié)，是利于陜西強對流天氣出現(xiàn)的天氣形勢背景[7]。14時地面圖上，平?jīng)鲇幸宦饵c鋒，從衛(wèi)星云圖可以看出沿干線有對流云形成，將發(fā)展東移影響寶雞。露點鋒是這次強對流天氣的觸發(fā)系統(tǒng)。

“2016-06-12”冰雹過程 2016年6月12日08—20時天氣圖上，500 hPa陜西處于槽后西北氣流中，溫度槽位于陜西西側(cè)平?jīng)龈浇?，溫度槽后河西有?6 m/s明顯西北氣流，有較強的冷平流輸送到陜西。700 hPa河西地區(qū)到平?jīng)鲇懈缮?，并配合有?2 m/s顯著西北氣流；850 hPa上關(guān)中有濕舌，平?jīng)龊臀靼仓g有風(fēng)向切變。08—14時地面圖上平?jīng)龈浇新饵c鋒，利于觸發(fā)強對流天氣。

可以看出，兩次冰雹天氣過程有相似的天氣系統(tǒng)配置(圖略)，冷渦后部西北氣流攜帶干冷空氣侵入，低層有暖濕氣流并配合有切變，為這兩次強對流天氣發(fā)生提供了有利的天氣背景。不同之處，“2016-06-12”冰雹過程溫度槽后河西有顯著西北氣流，冷平流顯著。從中尺度分析可見，強對流發(fā)生于溫度槽、低層切變、地面露點鋒、t(850-500)>28 ℃疊置區(qū)域。

分析距隴縣最近的平?jīng)鎏娇照镜拇髿鈱咏Y(jié)。2015年7月18日08時，平?jīng)鼋貙佑心鏈?。由平?jīng)鰧α髦笖?shù)(表1)可見，沙氏指數(shù)(SI)為2.9 ℃，K指數(shù)為19 ℃，CAPE為0 J/kg，風(fēng)垂直切變?yōu)?.5×10-3s-1，即平?jīng)稣揪哂胁环€(wěn)定能量小、層結(jié)穩(wěn)定的特征；但500 hPa以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流，以上風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流，有利于層結(jié)向不穩(wěn)定發(fā)展。20時，平?jīng)鯯I為-1.1 ℃，K指數(shù)增大為33 ℃，CAPE增大為234 J/kg，風(fēng)垂直切變增大為2.6×10-3s-1，與08時比較，平?jīng)霾环€(wěn)定能量增加，風(fēng)垂直切變增大，層結(jié)演變?yōu)閷α鞑环€(wěn)定，有利于強對流天氣發(fā)生發(fā)展。08—20時0 ℃層、-20 ℃層高度均上升，分別為4 440 m和7 750 m，符合本地冰雹指標(biāo)值(Z0<5 km、Z-20<8 km，-20 ℃層位于400 hPa等壓面上)[6]，有利于冰雹形成。合適的Z0和Z-20非常重要[8]。

2016年6月12日08時，平?jīng)稣維I為2.9 ℃，K指數(shù)為19 ℃，CAPE為0 J/kg，風(fēng)切變?yōu)?.3×10-3s-1，層結(jié)穩(wěn)定，近地層有逆溫有利于能量積累。20時，平?jīng)鯯I為-3.3 ℃，K指數(shù)為33 ℃，CAPE為1 060 J/kg，風(fēng)垂直切變增大為3.1×10-3s-1，即平?jīng)鰧咏Y(jié)不穩(wěn)定，對流不穩(wěn)定能量大，非常有利于強對流發(fā)展。

綜上可見，隴縣兩次冰雹過程中，08時近地層有逆溫利于能量積累，由于高層冷平流、低層暖平流，08—20時大氣層結(jié)由穩(wěn)定演變?yōu)閷α鞑环€(wěn)定，非常利于對流發(fā)展。0 ℃層、-20 ℃層高度達到本地冰雹指標(biāo)值(Z0<5 km、Z-20<8 km)。

表1 兩次冰雹過程平?jīng)鰧α髦笖?shù)

3 “2015-07-18”冰雹過程雷達特征

3.1 回波演變特征

“2015-07-18”冰雹過程歷時2 h，即15—17時，先后受尺度為26 km左右的兩個單體風(fēng)暴(圖1中A、B)影響。 單體A是15：00自上游華亭移入隴縣，15：09—16：04影響隴縣，其中15：15—15：40時反射率因子(R)連續(xù)5個體掃出現(xiàn)三體散射和旁瓣回波，回波中心強度為55～65 dBz，回波頂高(ET)為11～14 km，垂直累積液態(tài)含水量(VIL)為55～64 kg/m2且梯度很大。受單體A的影響，隴縣出現(xiàn)第一次大冰雹天氣，持續(xù)時間為20 min左右。單體A在16：11減弱，在其右后側(cè)形成單體B，16：11—17：00影響隴縣，其中16：23—16：41反射率因子連續(xù)4個體掃出現(xiàn)三體散射，中心強度達50～64 dBz，ET為11～12 km，VIL為50～68 kg/m2且梯度大。受單體B的影響，隴縣出現(xiàn)第二次降冰雹，持續(xù)時間15 min左右。圖1為寶雞多普勒雷達圖上顯示的單體主要時段VIL演變，由圖1可見，單體A、B為中心強度大、結(jié)構(gòu)緊密、梯度大的風(fēng)暴。對照分析可見當(dāng)兩個單體R值≥60 dBz且VIL值≥55 kg/m2出現(xiàn)三體散射特征時對應(yīng)降大冰雹。

圖1 2015-07-18寶雞多普勒雷達風(fēng)暴單體A、B主要發(fā)展時段垂直累積液態(tài)含水量演變

3.2 反射率因子勾狀回波特征

雷達PUP四分屏可以顯示風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)[9]。圖2為15：21單體A反射率因子(a 0.5°，c 2.4°，d 6.0°)和徑向速度(b 1.5°)圖。0.5°、2.4°仰角的反射率因子圖中，單體A具有明顯的三體散射特征和有勾狀回波形態(tài)，圖2b雙箭頭處低層入流指向風(fēng)暴的缺口，圖2d中 6.0°仰角反射率因子≥55 dBz強回波中心落在低層弱回波處，即低層入流缺口對應(yīng)的弱回波區(qū)之上存在強回波懸垂。沿雷達徑向通過最強反射率因子核心所作垂直剖面(圖2e)顯示強回波懸垂明顯，回波懸垂上反射率因子≥50 dBz高度達到9 km，遠在當(dāng)日-20 ℃層(7.6 km)高度以上,剖面左側(cè)的強回波(達65 dBz)區(qū)域?qū)?yīng)大冰雹的下降通道，回波已經(jīng)接地，與隴縣出現(xiàn)的直徑為4 cm的大冰雹相對應(yīng)。

圖2 2015-07-18T15：21寶雞多普勒雷達上單體A反射率因子(a 0.5°；c 2.4°；d 6.0°)和徑向速度(b 1.5°)及沿雷達徑向通過最強反射率因子核心垂直剖面圖(e)

3.3 中氣旋特征

中氣旋是雹暴的重要特征，“2015-07-18”冰雹過程中雷達產(chǎn)品未識別出中氣旋，經(jīng)過人工退模糊后，可識別出中氣旋。圖3是單體A在4.3°仰角上的徑向速度圖15：09(a)和15：34(b)，圖中雙箭頭處中氣旋持續(xù)5個體掃。中氣旋、勾狀回波形態(tài)表明單體A是超級單體風(fēng)暴。

4 “2016-06-12”冰雹過程雷達特征

隴縣強對流歷時1 h 40 min，即17：56—19：36，先后受尺度為25 km左右的兩個單體風(fēng)暴A1、A2影響(圖4)，A1是自上游華亭移入發(fā)展的單體風(fēng)暴，A2是A1減弱時右前發(fā)展的新單體風(fēng)暴。

圖3 2015-07-18寶雞多普勒雷達4.3°仰角上的徑向速度圖(a 15：09；b 15：34)

圖4 2016-06-12寶雞雷達VIL(a 18：21；c 18：58 )和6.0°仰角上反射率因子(b 18：21；d 18：58)圖

17：56—18：45，風(fēng)暴單體A1影響隴縣，其中18：02—18：33(圖4a、圖4b)風(fēng)暴A1發(fā)展持續(xù)6個體掃并出現(xiàn)三體散射和旁瓣回波特征，回波頂高ET為12～14 km，反射率最大強度為60～65 dBz，VIL中心值達60 kg/m2且梯度大，隴縣降雹時間持續(xù)20 min，降雹最大直徑約為2 cm。18：45風(fēng)暴A1減弱時其右前發(fā)展新單體A2，18：51—19：36風(fēng)暴A2影響隴縣，其中18：51—19：16(圖4c、圖4d)風(fēng)暴A2快速加強并持續(xù)5個體掃的三體散射特征，回波頂高ET為13～15 km，反射率達 60～65 dBz，VIL中心值達69 kg/m2且梯度很大，對應(yīng)隴縣出現(xiàn)15 min降雹，冰雹最大直徑為2 cm。19：36時風(fēng)暴A2減弱。

由6月12日隴縣產(chǎn)生冰雹時兩個單體在旺盛階段的剖面圖(圖5a、圖5c，見第7頁)可見，兩個單體的強反射率中心高度達到6 km以上，強回波達到9 km(遠高于當(dāng)日-20 ℃高度7.6 km)，三體散射特征明顯。徑向速度剖面(圖5b、圖5d，見第7頁)顯示，A1單體和A2單體在強反射率中心6 km高度上均有徑向輻合，這是風(fēng)暴強烈發(fā)展的動力，在風(fēng)暴后側(cè)低層都有徑向輻散。

圖5 2016-06-12寶雞雷達反射率因子剖面(a 18：21，A1單體；c 18：58，A2單體)和徑向速度剖面(b 18：21，A1單體；d 18：58，A2單體)(文見第5頁)

實線為STI產(chǎn)品預(yù)測風(fēng)暴1小時路徑；虛線是風(fēng)暴的實際軌跡。圖6 “2015-07-18”和“2016-06-12”冰雹過程(STI)產(chǎn)品風(fēng)暴路徑和風(fēng)暴實際軌跡比較(文見第6頁)

綜上可以看出，17：56—19：36隴縣兩次降雹先后受兩個強單體風(fēng)暴影響，A1風(fēng)暴持續(xù)6個體掃、A2風(fēng)暴持續(xù)5個體掃維持三體散射和旁瓣回波特征但未出現(xiàn)勾狀回波，也未識別到中氣旋。

5 兩次過程垂直累積液態(tài)含水量(VIL)特征

VIL產(chǎn)品是判斷冰雹等災(zāi)害性天氣的有效指標(biāo)之一。降雹單體尤其是強降雹單體在成熟前期有明顯VIL躍增現(xiàn)象[10]，在VIL達到最大值后開始降雹。從“2015-07-18”冰雹過程和“2016-06-12”冰雹過程中風(fēng)暴單體主要時段VIL最大值演變可以看出，兩次過程中第一個風(fēng)暴單體(A、A1)有共同特征：發(fā)展迅速，經(jīng)1～2個體掃VIL值躍增至最大為60 kg/m2，其后長時間持續(xù)高值，6個體掃的VIL值≥55 kg/m2，對應(yīng)維持三體散射特征并降大冰雹。第二個風(fēng)暴單體(B、A2)的VIL值呈脈沖式變化、在45～69 kg/m2之間變動，即新單體生成后，VIL值躍增明顯，在降雹時段VIL值≥55 kg/m2，降雹后VIL值<40 kg/m2。VIL的躍增反映了冰雹粒子在生長區(qū)碰并增長。

進一步分析大冰雹發(fā)生期間VIL的變化特征，定義風(fēng)暴單體VIL值與頂高之比為VIL密度。有研究表明[11]風(fēng)暴單體VIL密度超過4 kg/m3，單體會產(chǎn)生大冰雹。

表2為兩次大冰雹風(fēng)暴單體在其強盛階段的最大反射率因子及其高度、回波頂高和45 dBz回波高度、VIL和VIL密度。從表2可見，兩次風(fēng)暴單體內(nèi)最大反射率因子均超過60 dBz，最大為65 dBz，對應(yīng)高度在6～7 km；45 dBz回波高度在10～11 km；回波頂高為13～15 km。其中VIL值為60～69 kg/m2，VIL密度為4.4～4.7 kg/m3。

表2 隴縣兩次大冰雹過程最強時間風(fēng)暴單體特征值

綜上分析，兩次過程中風(fēng)暴單體出現(xiàn)三體散射和旁瓣回波時，R值≥60 dBz、VIL值持續(xù)≥55 kg/m2且VIL的密度大于4 kg/m3，對應(yīng)有大冰雹產(chǎn)生。劉嘉慧敏等[12]對陜北陜南冰雹個例中VIL密度進行統(tǒng)計，顯示 VIL密度值與大冰雹關(guān)系有地域差別。

6 冰雹指數(shù)和風(fēng)暴追蹤信息產(chǎn)品使用檢驗

對流風(fēng)暴能否產(chǎn)生冰雹及風(fēng)暴未來影響區(qū)域是短臨預(yù)報預(yù)警的重點和難點，寶雞雷達冰雹指數(shù)(HI)和風(fēng)暴追蹤信息(STI)產(chǎn)品是短臨預(yù)報業(yè)務(wù)的重要參考依據(jù)。通過這兩次大冰雹過程，對雷達預(yù)測產(chǎn)品也進行了檢驗。

6.1 風(fēng)暴產(chǎn)生冰雹概率

冰雹指數(shù)(HI)產(chǎn)品可以識別出兩次大冰雹天氣過程中產(chǎn)生的冰雹：預(yù)測產(chǎn)生大冰雹的概率為100%，冰雹最大直徑約為6 cm左右。

“2015-07-18”冰雹過程 冰雹指數(shù)(HI)產(chǎn)品給出18日15：15—15：46時段、16：23—16：48時段大冰雹概率為100%，預(yù)測冰雹直徑為5.7 cm，較實況冰雹直徑4 cm略偏大。

“2016-06-12”冰雹過程 冰雹指數(shù)(HI)產(chǎn)品6月12日18：08—19：16時段持續(xù)預(yù)測風(fēng)暴產(chǎn)生大冰雹的概率為100%，冰雹直徑為3～6 cm，與實況冰雹直徑2 cm相比，預(yù)報值偏大。

比對分析HI產(chǎn)品和風(fēng)暴發(fā)展特征可見，當(dāng)單體R值≥60 dBz且VIL值≥55 kg/m2，單體出現(xiàn)三體散射時段，HI產(chǎn)品預(yù)測大冰雹的概率為100%，且預(yù)測大冰雹出現(xiàn)(較實況)早、結(jié)束晚，即預(yù)測降雹時間長、有提前量，因此可參考冰雹指數(shù)產(chǎn)品發(fā)布預(yù)警。

6.2 風(fēng)暴路徑

風(fēng)暴追蹤信息(STI)產(chǎn)品提供未來1 h、每15 min的風(fēng)暴移動路徑。比對兩次過程風(fēng)暴實際軌跡和預(yù)測風(fēng)暴路徑(圖6)。兩次過程引導(dǎo)氣流均為西北氣流。圖6中風(fēng)暴是即將影響隴縣的單體，兩次過程風(fēng)暴起始位置比較一致?！?015-07-18”冰雹過程中，與風(fēng)暴實際路徑比較，預(yù)測路徑偏向風(fēng)暴右側(cè)、移速差別小，略偏快；“2016-06-12”冰雹過程中預(yù)測路徑偏向風(fēng)暴左側(cè)、移速偏快。雷達預(yù)測風(fēng)暴路徑呈直線勻速、風(fēng)暴實際軌跡呈曲折非勻速；預(yù)測路徑與風(fēng)暴實際軌跡夾角在30°以內(nèi)。風(fēng)暴移動主要受引導(dǎo)氣流和地形等影響，由于風(fēng)暴移動的復(fù)雜性，雷達預(yù)測風(fēng)暴路徑與風(fēng)暴軌跡存在誤差，使用時可考慮預(yù)測風(fēng)暴路徑左右30°區(qū)域受風(fēng)暴影響。

7 結(jié)論

(1)冷渦槽后西北氣流攜帶的冷空氣為兩次大冰雹強對流發(fā)生提供對流不穩(wěn)定的條件，地面露點鋒是強對流的觸發(fā)系統(tǒng)。有利大背景下形成強單體風(fēng)暴、超級單體風(fēng)暴。

(2)雷達分析表明，隴縣兩次大冰雹均是強單體風(fēng)暴產(chǎn)生，其中“2015-07-18”過程是具有勾狀回波形態(tài)且存在中氣旋的超級單體風(fēng)暴。強單體風(fēng)暴及其右后產(chǎn)生新單體風(fēng)暴，造成兩輪降雹。監(jiān)測預(yù)警中需關(guān)注強單體風(fēng)暴降雹后減弱時激發(fā)的新生強單體可能造成第二波降雹。

(3)大冰雹產(chǎn)生于風(fēng)暴反射率因子≥60 dBz且VIL值≥55 kg/m2，可觀測到三體散射特征；大冰雹產(chǎn)生時，VIL密度大于4 kg/m3。風(fēng)暴三體散射出現(xiàn)1～2個體掃開始降冰雹。

(4)可參考雷達雷達冰雹指數(shù)(HI)、風(fēng)暴追蹤信息(STI)產(chǎn)品提前發(fā)布冰雹預(yù)警。當(dāng)(HI)產(chǎn)品預(yù)報冰雹直徑>4 cm時，可出現(xiàn)大冰雹，但預(yù)測冰雹尺寸偏大。未來風(fēng)暴影響地可考慮(STI)產(chǎn)品預(yù)測風(fēng)暴路徑左右30°區(qū)域。