2020年7月巴彥淖爾市兩次冰雹過程對比分析

劉園園

（巴彥淖爾市氣象局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

巴彥淖爾市地處內(nèi)蒙古高原西部，陰山山脈自西向東橫亙中間，形成中部陰山山地、北部烏拉特草原、南部河套平原3 種不同的地形地貌，農(nóng)業(yè)非常發(fā)達(dá)。巴彥淖爾市的氣候特征和地形特征導(dǎo)致冰雹成為該地區(qū)主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。陰山山脈南部因受地形影響而成為雹災(zāi)多發(fā)區(qū)，位于巴彥淖爾市南部河套地區(qū)的農(nóng)作物經(jīng)常遭受不同程度的冰雹襲擊，輕則減產(chǎn)，重則顆粒無收[1]。

郭玉鳳等[1]、方曉紅等[2]認(rèn)為巴彥淖爾市冰雹具有季節(jié)性強(qiáng)、雹日高度集中等特點(diǎn)，每年6月中旬至8月下旬為冰雹高發(fā)期，占降雹總次數(shù)的68.6%，降雹發(fā)生時(shí)間集中在中午至傍晚，且多發(fā)生在沿山、沿黃河地區(qū)；判斷巴彥淖爾地區(qū)層結(jié)不穩(wěn)定的指標(biāo)為：沙氏指數(shù)SI≤1.0，K 指數(shù)≥40，A 指數(shù)≥10。張?jiān)苹莸萚3]、陳關(guān)清等[4]對兩次強(qiáng)冰雹天氣進(jìn)行了對比分析，認(rèn)為地面輻合線是重要的觸發(fā)系統(tǒng)，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。截至目前，具體針對巴彥淖爾地區(qū)冰雹天氣的對比分析較少。本文選取2020年7月4日和7月17日巴彥淖爾市兩次典型的冰雹過程進(jìn)行了分析，旨在提升巴彥淖爾本地小范圍強(qiáng)天氣臨近預(yù)報(bào)及監(jiān)測預(yù)警水平。

1 冰雹天氣實(shí)況

2020年7月4日15:00—18:00，巴彥淖爾市（以下簡稱巴市）臨河區(qū)新華鎮(zhèn)、杭錦后旗（以下簡稱杭后）團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)和蠻會鎮(zhèn)、烏拉特中旗（以下簡稱中旗）海流圖鎮(zhèn)、巴音烏蘭和中旗機(jī)場以及五原縣豐裕等地區(qū)出現(xiàn)冰雹（以下簡稱“7·4”），最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)在前旗白彥花，為29.4 m/s（11 級），造成經(jīng)濟(jì)損失0.78 億元。2020年7月17日16:00—19:00，巴市烏拉特后旗（以下簡稱后旗）巴音鎮(zhèn)，臨河區(qū)白腦包鎮(zhèn)、八一鄉(xiāng)、烏蘭圖克鎮(zhèn)、雙河鎮(zhèn)，杭后蠻會鎮(zhèn)，五原縣天吉泰鎮(zhèn)等地區(qū)再次出現(xiàn)冰雹（以下簡稱“7·17”），最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)在前旗烏梁素海，為20.3 m/s（8 級），造成經(jīng)濟(jì)損失3.6 億元。兩次冰雹過程都伴有短時(shí)強(qiáng)降水、短時(shí)大風(fēng)、雷電等強(qiáng)對流天氣，其發(fā)生地點(diǎn)散布在陰山以南，見圖1。

圖1 2020年7月巴彥淖爾市兩次冰雹發(fā)生地點(diǎn)

2 天氣尺度系統(tǒng)分析

2.1 高低空環(huán)流形勢

7月4日08 時(shí)，500 hPa（圖2a）歐亞范圍環(huán)流為“兩槽一脊”，中高緯受脊區(qū)控制，貝加爾湖附近有切斷低壓，巴市受高壓槽后西北氣流影響，有高空冷槽不斷東移，存在風(fēng)速輻合，西北氣流攜帶冷空氣在此地堆積，同時(shí)200 hPa 存在風(fēng)速大于40 m/s 的高空西北急流；700 hPa（圖2c）同受西北氣流控制，表明中高層有干冷空氣侵入；850 hPa 在阿拉善盟東南部及巴市中部有切變線影響，同時(shí)有暖舌伸入。地面場（圖2e）中受地面鞍形場控制，上游地面低壓東移，巴市受地面低壓前部控制，西部有地面輻合線形成，致使低層輻合增強(qiáng)，有利于觸發(fā)強(qiáng)對流天氣。

7月17日08 時(shí)，500 hPa（圖2b）歐亞范圍環(huán)流為“兩脊一槽”，巴市地區(qū)處于貝加爾湖高空槽底部，槽后有冷平流，主要以西北風(fēng)為主，高空槽在巴市上空停留時(shí)間較長，移速緩慢，同時(shí)200 hPa 也存在風(fēng)速大于40 m/s 的高空西北急流；700 hPa（圖2d）槽后冷平流強(qiáng)烈，促使低層溫度梯度增大，干冷空氣不斷南下，為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供強(qiáng)烈位勢不穩(wěn)定；850 hPa（圖2f）切變線東移，為強(qiáng)對流天氣發(fā)生提供觸發(fā)條件。海平面氣壓場中，蒙古國受地面高壓控制，高壓中心位于蒙古國西部，阿拉善盟東部有一低壓中心。兩個(gè)系統(tǒng)在東移過程中，形成東北—西南向地面冷鋒，巴市位于冷鋒前部。

圖2 風(fēng)場，高度場、溫度場，地面圖

郭玉鳳等[1]、方曉紅等[2]對巴市降雹天氣形勢進(jìn)行了分型，分為偏西氣流型、西北氣流型、西南氣流型、低槽型、低渦型。比較“7·4”與“7·17”兩次冰雹過程，可發(fā)現(xiàn)其環(huán)流特征存在共性：一是均屬于西北氣流型，冷空氣沿槽后西北氣流東南移影響巴市，為強(qiáng)對流發(fā)展提供動力條件；二是低層巴市南部有切變線東移，配合地面輻合上升，有利于低層暖濕空氣輻合抬升，造成層結(jié)不穩(wěn)定[5]。

2.2 探空資料分析

深厚的負(fù)溫區(qū)（-20～0 ℃區(qū)域，也稱為過冷水累積區(qū)）有利于冰雹生成，其厚度越小，越有利于降雹[6]。研究表明：0 ℃層高度在600 hPa，-20 ℃層高度在400 hPa 時(shí)，有利于冰雹的生成[7]。7月4日08 時(shí)，臨河站0 ℃層高度在4 077 m，位于600 hPa 附近，-20 ℃層高度在7 341 m，位于400 hPa 附近；中旗站0 ℃和-20 ℃層高度分別為4 100 m，7 167 m。7月17日08 時(shí)，臨河站0 ℃和-20 ℃層高度分別為4 425 m，7 460 m。以上均反映出適中的0 ℃和-20 ℃層高度有利于冰雹的形成及增長[8]。

兩次冰雹過程均在午后呈現(xiàn)出對流不穩(wěn)定增加的趨勢，表明午后輻射升溫，使對流有效位能（CAPE）繼續(xù)增大，對流抑制消失。其中，7月4日08時(shí)，臨河站（圖3a）K 指數(shù)為32.9；14 時(shí)，訂正后的臨河CAPE 達(dá)到1 601.7 J/kg，對流抑制能量（CIN）降為0 J/kg；14 時(shí)之后產(chǎn)生了強(qiáng)對流天氣。中旗站（圖3b）08 時(shí)K 指數(shù)為36.9 ℃，SI 指數(shù)為-1.2 ℃，兩指數(shù)符合降雹指標(biāo)；14 時(shí)，訂正后的中旗站CAPE 達(dá)到1 377 J/kg，CIN 降為0 J/kg。另外，海流圖鎮(zhèn)三面環(huán)山，氣流停滯，有利于不穩(wěn)定能量累積，是冰雹多發(fā)地帶[1]。7月4日午后中旗海流圖鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹。

7月17日08 時(shí)由臨河站和中旗站可知，巴市地區(qū)有較高的熱力不穩(wěn)定性，尤其是西部地區(qū)，臨河探空（圖3c）顯示:600～250 hPa 為不穩(wěn)定層結(jié)，K 指數(shù)為34 ℃，SI 指數(shù)為-3.25 ℃，低層垂直風(fēng)場順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有暖平流；14 時(shí)臨河CAPE 值增至1 573 J/kg。中旗探空圖（圖3d）顯示:不穩(wěn)定層結(jié)主要位于600～400 hPa，濕層（相對濕度≥80%）主要位于700～500 hPa，低層垂直風(fēng)場順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有暖平流，K 指數(shù)為33 ℃，SI 指數(shù)為0.55 ℃。兩站探空圖反映出的較強(qiáng)垂直風(fēng)場、較強(qiáng)對流有效位能以及強(qiáng)熱力不穩(wěn)定為午后強(qiáng)對流發(fā)生提供了熱力和動力條件，中高層較好的濕度有利于雨滴的碰撞增長，為冰雹的形成提供了有利條件。

圖3 臨河站、中旗站T-ln P 圖

3 物理量診斷分析

3.1 動力條件

本文由0.5°×0.5°ERA14 時(shí)再分析資料可知，850 hPa“7·4”過程中巴市西南部有西北風(fēng)與西南風(fēng)形成的風(fēng)切變（圖4a），“7·17”存在東北風(fēng)和西北風(fēng)形成的帶狀正渦度區(qū)（圖4b 圓圈位置所示），其為高空干冷氣流配合低層西南暖濕氣流，上下層擾動明顯，且高層冷槽和中低層切變線使得上升運(yùn)動得以加強(qiáng)。這種大尺度動力抬升條件為降雹提供了一定的觸發(fā)條件。由7月4日、7月17日850 hPa 渦度場（圖5）可知，巴市存在低層正渦度（圓圈區(qū)域?yàn)檎郎u度區(qū)）和高層負(fù)渦度（方框區(qū)域?yàn)樨?fù)渦度區(qū)），低層輻合、中高層輻散，其滿足降雹發(fā)生、發(fā)展的抬升條件?！?·17”有明顯的切變線位于巴市上游，巴市整層受西南氣流控制，其上游地區(qū)850～300 hPa 均有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，系統(tǒng)呈現(xiàn)后傾形勢。

圖4 渦度剖面（單位：10-3 s-1），風(fēng)場（單位：m/s）

圖5 850 hPa 渦度場（單位：10-3 s-1），風(fēng)場（單位：m/s）

3.2 水汽條件

圖6 顯示兩次過程在巴市比濕達(dá)到6 g/kg，850 hPa露點(diǎn)溫度差為4～6 ℃，低層水汽處于飽和狀態(tài)。當(dāng)水汽隨云底上升氣流進(jìn)入雷暴云、凝結(jié)成云滴或水晶時(shí)，釋放潛熱，驅(qū)動了雷暴的上升氣流[8]。

圖6 850 hPa 比濕（單位：g/kg）和溫度露點(diǎn)差（單位：℃）

3.3 不穩(wěn)定條件

圖7 假相當(dāng)位溫顯示：兩次過程中降雹區(qū)均位于高值區(qū)，θse超過330 K 且水平梯度較大，不穩(wěn)定能量聚集明顯；“7·17”過程的能量更強(qiáng)，超過350 K，處于能量高值區(qū)偏東側(cè)、南側(cè)。假相當(dāng)位溫高能鋒區(qū)的動力強(qiáng)迫有益于低層能量和水汽向上輸送，強(qiáng)冰雹發(fā)生在高能區(qū)。

圖7 850 hPa 假相當(dāng)位溫水平分布場（單位：K）

4 雷達(dá)產(chǎn)品分析

本文利用臨河多普勒天氣雷達(dá)資料分析兩次降雹過程，發(fā)現(xiàn)兩次過程均是以積狀云為主的混合性回波，自西北向東南移動，降雹單體表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)緊實(shí)的塊狀結(jié)構(gòu)，均有陣風(fēng)鋒過境?！?·4”過程源于小對流發(fā)展加強(qiáng)，自西北向東南移動，隨后在發(fā)展中合并成片，持續(xù)時(shí)間較長；“7·17”回波比較分散，移動速度較快。

7月4日17:01 臨河雷達(dá)探測到颮線系統(tǒng)（圖8a），當(dāng)時(shí)多對流單體已發(fā)展成熟，速度圖上呈現(xiàn)弧線狀大風(fēng)速帶（圖8c），此時(shí)所影響區(qū)域的地面瞬時(shí)風(fēng)速明顯強(qiáng)于前一小時(shí)，并伴有冰雹等強(qiáng)對流天氣。18:10 基本反射率圖上有陣風(fēng)鋒出現(xiàn)（圖8b），而在巴市東南部，陰山山體的阻擋使氣流在山前輻合抬升，促使云系進(jìn)一步加強(qiáng)，形成強(qiáng)對流天氣（圖8d）。

圖8 7月4日基本反射率，徑向速度，雷達(dá)回波與地形疊加

“7·4”降雹單體于16:43 生成并發(fā)展，17:07 強(qiáng)對流帶狀回波已從中旗機(jī)場移至其南部，組合反射率強(qiáng)度仍在58 dBZ 以上（圖9a）。由其單體趨勢圖（圖9b）看出，16:25—17:02 VIL 超過30 kg/m2，POH 持續(xù)20 min 為100%，符合已有研究（POH 為100%且POSH≥70%時(shí)，出現(xiàn)冰雹甚至大冰雹可能性高[9]）。單體質(zhì)心位置在中旗機(jī)場附近維持時(shí)間較長且高度在4 km 以上，單體強(qiáng)度超過57 dBZ，最大反射率因子高度明顯下降，而實(shí)際中旗機(jī)場降雹時(shí)間出現(xiàn)在16:43—16:58。以上分析表明：VIL 連續(xù)躍增3 個(gè)體掃或以上、強(qiáng)度超過50 dBZ、單體質(zhì)心高度達(dá)到4 km時(shí)，出現(xiàn)降雹的概率較大。17:48 強(qiáng)對流回波移至中旗附近，最強(qiáng)回波強(qiáng)度為60 dBZ，17:24—17:36 VIL持續(xù)躍增或保持，單體回波強(qiáng)度保持在50 dBZ 以上，單體質(zhì)心高度在4 km 左右（圖9c～圖9d）。實(shí)際監(jiān)測到中旗在17:40—17:50 出現(xiàn)降雹，基本符合以上的分析判斷。

圖9 7月4日組合反射率和單體趨勢

7月17日下午巴市西南部地區(qū)在0.5°仰角顯示出現(xiàn)陣風(fēng)鋒的過程變化圖。陣風(fēng)鋒過境前，杭后、臨河區(qū)一帶極大風(fēng)速增大。16:01 回波移入杭后東北部，之后沿著東南方向移動且加強(qiáng)發(fā)展，影響杭后中部、臨河區(qū)中部，VIL 連續(xù)3～4 個(gè)體掃躍增至40 kg/m2，回波強(qiáng)度保持在55～60 dBZ，最強(qiáng)反射率因子強(qiáng)度達(dá)到65 dBZ，單體質(zhì)心高度為4～7 km，該過程持續(xù)到17:19，表明垂直對流發(fā)展旺盛且持久，其間杭后、臨河區(qū)部分地區(qū)出現(xiàn)冰雹和雷電天氣。由圖10 可知，當(dāng)VIL 連續(xù)3 個(gè)體掃躍增，且回波強(qiáng)度在50 dBZ以上、單體質(zhì)心高度在4 km 以上時(shí)，出現(xiàn)冰雹概率極高。18:00 強(qiáng)回波單體逐漸移出臨河區(qū)，其東移經(jīng)過五原天吉泰鎮(zhèn)時(shí)又產(chǎn)生了冰雹。

圖10 7月17日組合反射率和單體趨勢

5 結(jié)論

（1）巴彥淖爾市兩次冰雹過程均屬于西北氣流型，槽后冷空氣沿高空西北氣流東移南下影響巴市，配置低層暖濕空氣，形成上冷下暖的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，為強(qiáng)對流發(fā)展提供能量不穩(wěn)定條件。

（2）從冰雹落區(qū)來看，“7·4”觸發(fā)機(jī)制是地面輻合線，冰雹云在地面輻合線附近發(fā)展加強(qiáng)；“7·17”觸發(fā)機(jī)制是地面冷鋒，冰雹云在冷鋒前側(cè)發(fā)展起來。兩次過程均由地面中尺度輻合系統(tǒng)觸發(fā)，都是沿500 hPa引導(dǎo)氣流方向移動。

（3）兩次過程均是低層正渦度、高層負(fù)渦度，低層輻合、中高層輻散，低層水汽處于飽和狀態(tài)，假相當(dāng)位溫高能鋒區(qū)的動力強(qiáng)迫利于低層能量和水汽向上輸送和強(qiáng)冰雹發(fā)生。

（4）從冰雹發(fā)生時(shí)間來看，兩次過程均發(fā)生在中午至傍晚，與午后太陽輻射有關(guān)。太陽輻射對下墊面不斷加熱，使對流不穩(wěn)定增加。冰雹發(fā)生前，相應(yīng)VIL值迅速增強(qiáng)，最大值出現(xiàn)的時(shí)間提前冰雹發(fā)生時(shí)間1～2 個(gè)體掃。

（5）雷達(dá)回波對冰雹天氣參考作用顯著，當(dāng)降雹單體密實(shí)，VIL 連續(xù)躍增3 個(gè)體掃或以上、強(qiáng)度超過50 dBZ、單體質(zhì)心高度為4～6 km 時(shí)，出現(xiàn)降雹的概率較大，且最強(qiáng)反射率因子強(qiáng)度達(dá)到65 dBZ 時(shí)，易出現(xiàn)強(qiáng)冰雹。