黑龍江省非典型天氣系統(tǒng)下短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹特征分析

吳迎旭，張慧君，周一，孟瑩瑩，周奕含

（黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江哈爾濱 150030）

黑龍江省非典型天氣系統(tǒng)下短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹特征分析

吳迎旭，張慧君，周一，孟瑩瑩，周奕含

（黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江哈爾濱 150030）

利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、區(qū)域自動(dòng)站加密觀測(cè)資料、FY-2衛(wèi)星云圖、新一代天氣雷達(dá)及NECP的1°×1°再分析資料對(duì)黑龍江省的2006—2014年冰雹和2008—2014年的強(qiáng)降水在非典型性天氣系統(tǒng)下表現(xiàn)出的局地要素特征以及衛(wèi)星和雷達(dá)特征進(jìn)行分析。分析結(jié)果顯示：較大的對(duì)流有效位能、低層強(qiáng)暖空氣為對(duì)流發(fā)生提供了熱力不穩(wěn)定；700 hPa濕區(qū)配合500 hPa干區(qū)使得冰雹具備了對(duì)流不穩(wěn)定性，700 hPa濕區(qū)與低層弱水汽輻合能夠?yàn)閺?qiáng)降水的產(chǎn)生獲得有利的水汽垂直分布；最終在地面輻合的觸發(fā)下產(chǎn)生對(duì)流；冰雹有較高的0℃層高度和較低的氣壓；冰雹和強(qiáng)降水有利的地形高度和對(duì)流有效位能分別為200～500 m、100～200 m和200～600 J/kg、400 J/kg以上。它們?cè)谛l(wèi)星云圖和雷達(dá)上的表現(xiàn)往往比較孤立，移動(dòng)較快，超過(guò)75%的云團(tuán)都是小云塊直接或間接產(chǎn)生，產(chǎn)生的時(shí)間與形狀和面積突變時(shí)一致，產(chǎn)生的位置與合并處相同，伴有大的云團(tuán)時(shí)，低層水汽輻合會(huì)明顯。雷達(dá)回波上很難探測(cè)到特征回波，強(qiáng)降水多由原地生消或列車效應(yīng)產(chǎn)生，一般在降水前1 h左右會(huì)出現(xiàn)小對(duì)流泡。

非典型性天氣系統(tǒng)；對(duì)流；冰雹；強(qiáng)降水

黑龍江省是一個(gè)災(zāi)害性天氣多發(fā)的省份，特別是夏季強(qiáng)對(duì)流天氣幾乎每年都給黑龍江帶來(lái)一定的人員和經(jīng)濟(jì)損失。強(qiáng)對(duì)流天氣突發(fā)性強(qiáng)，尺度小，預(yù)報(bào)較難。有利的環(huán)境條件比較容易掌握強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生狀況，我國(guó)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣背景和觸發(fā)條件提出過(guò)一些模型，鄭媛媛[1]等將安徽省強(qiáng)對(duì)流的天氣形勢(shì)分為冷渦槽后類和槽前類，指出強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展和一定的大尺度環(huán)流背景場(chǎng)有關(guān)，而且不同的大尺度環(huán)流背景下各要素的重要性也不盡相同，產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣類型也不相同；王穎[2]等也將天津局地暴雨分為蒙古冷渦、東北冷渦、高空槽前、高空槽后，不同影響系統(tǒng)預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)也隨之不同；金琪[3]等在分析2008年湖北老河口短時(shí)暴雨時(shí)指出，500 hPa干冷空氣入侵和地面風(fēng)場(chǎng)輻合線及中低層水汽輻合是構(gòu)成這次過(guò)程的關(guān)鍵；王秀明和鐘青[4]提出對(duì)流有效位能和水平風(fēng)垂直切變等對(duì)對(duì)流活動(dòng)有一定影響，分析了對(duì)流云與局地環(huán)境之間的相互作用；杭鑫[5]等指出強(qiáng)切變與暴雨的移動(dòng)和強(qiáng)度的關(guān)系，可為臨近預(yù)報(bào)和對(duì)流潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供細(xì)節(jié)；趙桂香[6]等分析了2013年5月22日山西南部的強(qiáng)對(duì)流天氣是孤立云團(tuán)在維持和發(fā)展過(guò)程中的中尺度演變?cè)斐傻?。這些研究多是在有利的環(huán)境條件下產(chǎn)生的對(duì)流天氣。彭軍[7]等對(duì)新疆巴州的一次罕見(jiàn)大暴雨做了中尺度環(huán)境場(chǎng)、衛(wèi)星和雷達(dá)分析，指出冷槽東移形成的不穩(wěn)定條件促進(jìn)中尺度云團(tuán)和多單體風(fēng)雹發(fā)展，使得中尺度天氣系統(tǒng)相互作用。支樹(shù)林[8]等在幾次連續(xù)的強(qiáng)降水過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了低空強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)輻合加強(qiáng)了垂直環(huán)流，并根據(jù)5 min雨量分布總結(jié)出預(yù)警可提前10 min左右發(fā)布。

有一些非典型天氣尺度系統(tǒng)的背景下也同樣可以造成嚴(yán)重災(zāi)害性天氣，劉勇和王川[9]針對(duì)2003年8月28—29日寧陜特大暴雨過(guò)程診斷分析了在高低層輻合不利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的情況下，發(fā)現(xiàn)在850 hPa有幾股不同的氣流相匯在寧陜上空，引發(fā)了局地特大暴雨；邢紀(jì)元和王建波[10]曾分析過(guò)泰安市一次非典型環(huán)境下強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波及能量演變等特征；謝向陽(yáng)[11]等對(duì)一次弱環(huán)流條件降雹成災(zāi)的雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，表明弱對(duì)流云降雹與0℃層高度較低及垂直風(fēng)切變有密切關(guān)系。

并不是所有的對(duì)流都是在非常有利的環(huán)境尺度下產(chǎn)生，祝青林[12]等分析了地形高度與大連冰雹分布有相關(guān)性，地形抬升下的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)有利于降雹，地形起伏顯著的區(qū)域更有利于冰雹的形成和降落，束宇[13]等對(duì)突發(fā)性熱對(duì)流進(jìn)行分析，探討了副熱帶高壓控制下的對(duì)流降水，發(fā)現(xiàn)熱對(duì)流降水概率與Tmax和Tc相關(guān)，且熱對(duì)流主要出現(xiàn)在13—18時(shí)，平均持續(xù)時(shí)間為50 min。一些對(duì)流是在大尺度環(huán)流背景不利時(shí)產(chǎn)生的，突發(fā)性更強(qiáng)，破壞力也不小，預(yù)報(bào)難度相對(duì)較大，特別容易出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象，為農(nóng)業(yè)、交通及人們的出行帶來(lái)諸多不便。但任何一種對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展都一定會(huì)具備它的產(chǎn)生條件，而且不利的大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的對(duì)流一定有很強(qiáng)的局地性特征。陳忠艷[14]等在總結(jié)遼寧一次失誤的暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)上指出:夏季暴雨預(yù)報(bào)不僅要考慮高層大尺度環(huán)流形勢(shì)的變化,也要考慮有利的大尺度環(huán)流背景下易產(chǎn)生的中小尺度天氣系統(tǒng)。我們也正是從這一點(diǎn)出發(fā)，了解該背景下對(duì)流發(fā)生概率，著眼于局地的中小尺度、衛(wèi)星和雷達(dá)上的表現(xiàn)特征以及與一般對(duì)流的區(qū)別，這會(huì)大大提高局地對(duì)流預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，可及時(shí)發(fā)布災(zāi)害預(yù)警，并通過(guò)該研究可為強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)做一個(gè)補(bǔ)充。

1 資料與方法

1.1 資料選取

時(shí)間范圍及資料選取標(biāo)準(zhǔn)。冰雹實(shí)況資料：2006—2014年黑龍江省所有冰雹。強(qiáng)降水實(shí)況資料：2008—2014年黑龍江省844個(gè)自動(dòng)雨量站，1 h雨量>30 mm和2 h雨量>50 mm的降水。分析資料選取時(shí)間為冰雹和強(qiáng)降水產(chǎn)生前1～12 h的常規(guī)資料、1～6 h的NCEP1°×1°再分析資料，0～6 h衛(wèi)星云圖和雷達(dá)資料。

本文中非典型天氣系統(tǒng)定義：環(huán)流尺度沒(méi)有嚴(yán)格的典型與非典型之分，只是簡(jiǎn)單提出幾項(xiàng)常規(guī)情況下并不是很利于產(chǎn)生強(qiáng)天氣的環(huán)境條件：500 hPa非冷渦控制；500 hPa冷槽不與925～850 hPa切變線同時(shí)存在；無(wú)地面鋒面；若是強(qiáng)降水，925～850 hPa為非濕區(qū)（本文定義濕區(qū)為相對(duì)濕度大于70%，干區(qū)為相對(duì)濕度小于50%）。

1.2 研究方法

采用逐個(gè)分析與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方式研究非典型環(huán)境中尺度、衛(wèi)星、雷達(dá)的局地特征。首先收集所有冰雹和強(qiáng)降水資料（強(qiáng)降水資料主要來(lái)源區(qū)域自動(dòng)站加密觀測(cè)資料），再根據(jù)本文定義的非典型天氣系統(tǒng)，逐個(gè)分析每一個(gè)研究對(duì)象的局地特征，最后總結(jié)它們的環(huán)境場(chǎng)、衛(wèi)星和雷達(dá)特征，并對(duì)各資料之間疊加效果做出分析。

2 對(duì)流局地環(huán)境特征分析

2.1 冰雹和強(qiáng)降水在弱天氣系統(tǒng)下發(fā)生概率和特征

冰雹數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍是2006—2014年，共計(jì)240站次（2006（40次），2007（21次），2008（34次），2009（35次），2010（26次），2011（39次），2012（23次），2013（10次），2014（12次））。計(jì)入本次研究的非典型天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的冰雹為20站次，占總數(shù)8.33%。

強(qiáng)降水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間范圍是2008—2014年，共計(jì)236站次（2008（26次）,2009（32次），2010（56次），2011（32次），2012（38次），2013（26次），2014（36次）），計(jì)入本次研究的非典型天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)降水為19站次，占總數(shù)8.05%。

由于研究對(duì)象的環(huán)境條件本身并不利于對(duì)流天氣的發(fā)生，對(duì)流天氣產(chǎn)生的局地性往往很強(qiáng)，歷時(shí)較短，強(qiáng)度較弱，造成的影響和破壞力相對(duì)較小，但存在基本條件、增強(qiáng)條件和自身表現(xiàn)特征。

2.2 產(chǎn)生對(duì)流的局地環(huán)境特征

按照非典型天氣系統(tǒng)定義，在剔除個(gè)別特例的情況下，提取主要影響因子為：基本條件和增強(qiáng)條件，基本條件包括溫度條件、水汽條件、地面輻合抬升，增強(qiáng)條件包括對(duì)流有效位能、0℃層與-20℃高度、地形條件、低層垂直速度、地面局地氣壓。

通過(guò)研究和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：風(fēng)暴潛在影響力在很大程度上取決于熱力不穩(wěn)定、風(fēng)的垂直切變、水汽的垂直分布，其中垂直風(fēng)切變主要針對(duì)的是可產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流的超級(jí)單體，另外地面的觸發(fā)抬升使得氣塊不至于重返原來(lái)位置而向上發(fā)展[15]。盡管我們分析的環(huán)境場(chǎng)為非典型天氣系統(tǒng)，但仍要滿足風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的基本條件，由于選取的資料缺少冷渦或冷槽提供的冷空氣，所以熱力不穩(wěn)定主要來(lái)自中層以下強(qiáng)暖空氣或暖脊，它們與中層的相對(duì)冷空氣形成了溫度不穩(wěn)定層結(jié)。風(fēng)暴發(fā)展要求低層水汽向上輸送，我們選擇的強(qiáng)降水在925～850 hPa本身相對(duì)濕度不大，所以700 hPa濕區(qū)和低層水汽輻合非常重要。因此，冰雹的中尺度分析有利條件主要集中在溫度條件和地面局部輻合線。強(qiáng)降水中尺度分析的有利條件主要表現(xiàn)為700 hPa的濕區(qū)、低層暖脊或暖空氣和地面局地輻合線。

2.2.1 溫度條件特征

較一般的對(duì)流天氣，該環(huán)境下的冰雹和強(qiáng)降水產(chǎn)生時(shí)的925～850 hPa熱力條件更好，存在相對(duì)明顯的上冷下暖的溫度不穩(wěn)定層結(jié)，大部分都處于明顯升溫區(qū)，低層通常會(huì)有暖脊或暖平流。統(tǒng)計(jì)中，該環(huán)境下冰雹850 hPa受明顯暖空氣控制的占62.5%；由于低層的強(qiáng)暖空氣，導(dǎo)致850 hPa與500 hPa的溫差很大，T850-500大于28℃的占75%（圖1a），有時(shí)甚至?xí)^(guò)32℃。強(qiáng)降水有暖空氣的比例可達(dá)到94.8%（圖1b），同時(shí)中層存在冷空氣占52.6%，T850-500主要集中在25～30℃，所占比例為89.5%，其中大于28℃的占47.4%，T850-500大于30℃的占10.5%，主要在6月下旬至7月中旬。而我們統(tǒng)計(jì)的黑龍江省一般性冰雹和強(qiáng)降水在低層925～850 hPa只受暖脊影響比例分別在10%和30%以下。所以當(dāng)有暖脊或明顯暖空氣進(jìn)入黑龍江時(shí)，低層較高的溫度易形成熱對(duì)流引發(fā)冰雹和強(qiáng)降水。

2.2.2 地面輻合抬升

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)黑龍江省一般冰雹和強(qiáng)降水出現(xiàn)地面輻合線的比例分別為80%和50%左右，且輻合線相對(duì)較長(zhǎng)。而非典型天氣系統(tǒng)下在925～850 hPa往往很難找到輻合性氣流時(shí)，地面存在影響范圍很小的局地性輻合，分析原因一方面是地面測(cè)站分布較高空密集，影響范圍較小的輻合線容易被找到，另一方面是地面高溫易形成局地的暖濕環(huán)境，產(chǎn)生輻合線。研究發(fā)現(xiàn)冰雹出現(xiàn)地面輻合比例約占93.75%（圖2a），強(qiáng)降水比例為78.9%（圖2b）。另外，研究統(tǒng)計(jì)表明對(duì)流天氣多發(fā)生于輻合線東北側(cè)。

圖1 T850-500溫差

圖2 對(duì)流天氣地面輻合線比例

2.2.3水汽條件特征

一般的對(duì)流由于低層的濕度較大，而水汽輻合及700 hPa濕度的指示意義較小，本文研究對(duì)象中冰雹和強(qiáng)降水在925～850 hPa常常不屬于濕區(qū)，它們?cè)?00 hPa的空氣濕度相對(duì)較小，但700 hPa以濕區(qū)為主（圖3），說(shuō)明700～500 hPa還是存在對(duì)流不穩(wěn)定條件，同時(shí)低層的濕度雖然不大，但常伴有低層水汽輻合（圖4）。

冰雹925～850 hPa水汽輻合占37.5%，700 hPa為非濕區(qū)時(shí)候僅有一次過(guò)程低層沒(méi)有水汽輻合，在本次統(tǒng)計(jì)中可作為剔除項(xiàng)。另外，500 hPa以干區(qū)為主，當(dāng)700～500 hPa都為濕區(qū)時(shí)，低層往往沒(méi)有水汽輻合，說(shuō)明該環(huán)境下冰雹濕層厚度還是較小。

一場(chǎng)明顯的降水總是離不開(kāi)源源不斷的水汽，即使我們選擇的資料中低層相對(duì)濕度小于70%，也會(huì)發(fā)現(xiàn)存在補(bǔ)充的水汽資源。強(qiáng)降水的低層水汽輻合占68.4%，850 hPa有水汽輻合為13次，有明顯較大比濕（比濕中心值為10 g/kg以上）為3次，有較弱的水汽輸送共12次，當(dāng)700 hPa為干區(qū)時(shí)，低層925～850 hPa一定存在水汽輻合，500 hPa的相對(duì)濕度沒(méi)有明顯特征。

2.2.4 對(duì)流有效位能

用來(lái)衡量熱力不穩(wěn)定大小的最佳參量就是對(duì)流有效位能[15]。一些發(fā)生在午后對(duì)流的環(huán)境場(chǎng)在早上08時(shí)往往對(duì)流有效位能值還很小，甚至為零，但通過(guò)NECP的1°×1°再分析資料發(fā)現(xiàn)對(duì)流天氣特別是冰雹發(fā)生前幾個(gè)小時(shí)或者午后的對(duì)流有效位能會(huì)突然增大，不像一般對(duì)流天氣的對(duì)流有效位能變化相對(duì)緩慢。統(tǒng)計(jì)中臨近冰雹發(fā)生前的對(duì)流有效位能主要集中在1600 J/kg以下（表1），其中冰雹有68.7%集中在200～600 J/kg。強(qiáng)降水的對(duì)流有效位能分布比較均勻（圖5），其中有兩次比較大的有效位能達(dá)1000 J/kg，400 J/kg以上對(duì)流有效位能所占比例較大，達(dá)62.2%。

表1 冰雹和強(qiáng)降水對(duì)流有效位能所占比例

2.2.50 ℃層與-20℃層高度

圖6展示了產(chǎn)生冰雹和強(qiáng)降水關(guān)鍵層高度情況，冰雹的0℃層和-20℃層都在有利高度范圍的僅占25%（統(tǒng)計(jì)黑龍江省2006—2011年所有冰雹的0℃層高度5—9月有利區(qū)間分別為1.1～2.7、2.5～2.7、3.3～4.1、3.2～4.2、3.1～3.5 km，-20℃層高度5—9月有利區(qū)間分別為4.3～5.9、5.2～6.7、6.4～7.1、6.5～6.8、5.9～6.4 km），該環(huán)境下冰雹的0℃層高度大多偏高，沒(méi)有0℃和-20℃偏低的情況；強(qiáng)降水0℃層和-20℃層都在有利高度的占36.8%（統(tǒng)計(jì)黑龍江省2008—2013年強(qiáng)降水0℃層高度6—9月有利區(qū)間分別為3.1～3.2、3.8～4.3、4.0～4.4、3.1～3.5 km，-20℃層高度5—9月有利區(qū)間分別為5.5～5.7、6.1～6.4、7.0～7.7、7.5～7.8、6.1～6.3 km），主要發(fā)生在7月，6月偏高情況較多，-20℃層高度和全部偏低的情況極少。

圖3 不同高度相對(duì)濕度

圖4 水汽通量散度垂直剖面

圖5 不同對(duì)流有效位能所占比例

圖60 ℃層和-20℃層高度與常規(guī)對(duì)流高度比較

2.2.6 地形高度影響

不同區(qū)域海拔不同，不但影響著對(duì)流發(fā)生的可能性，還影響對(duì)流的種類，圖7a說(shuō)明產(chǎn)生冰雹的地形高度主要為200～1000 m，特別是200～500 m，其次為0～200 m，500～1000 m的海拔高度占地面積較小，產(chǎn)生的冰雹概率相對(duì)較大，研究對(duì)象中1000 m以上個(gè)例沒(méi)有。

強(qiáng)降水地形高度主要在100～200 m（圖7b），占據(jù)比例為63.2%，除1000 m以上的海拔高度分布極少外，其它高度分布比較均勻。平原地帶夏季由于太陽(yáng)輻射影響本身較有利于降水，另外黑龍江省西北部的大興安嶺地區(qū)和伊春北部自動(dòng)站較少。

2.2.7 其它條件

冰雹發(fā)生處附近常常與局地氣壓相關(guān)，會(huì)經(jīng)常性伴有局地性很強(qiáng)的低值系統(tǒng)或氣壓值比周圍低，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，受局地低氣壓（僅1～3個(gè)站次的氣壓明顯低于周圍）控制或者氣壓比周圍偏低占62.5%。

強(qiáng)降水存在低層上升區(qū)的比例比冰雹大一些，但仍然小于一般的強(qiáng)降水，大概占25.9%（一般強(qiáng)降水為60%），總體而言，該物理量對(duì)非典型天氣系統(tǒng)下產(chǎn)生強(qiáng)降水的作用仍然較小。

2.2.8 局地要素及指標(biāo)

將某種要素在對(duì)流中作用比例大于20%的記為影響因子，比例大于40%記為主要影響因子。對(duì)流的產(chǎn)生需要基本條件（溫度條件、水汽條件、地面輻合抬升）和增強(qiáng)條件（對(duì)流有效位能、0℃層和-20℃層高度、地形作用、冰雹的局地氣壓、強(qiáng)降水的低層垂直速度）：

冰雹：T+rh+W+C+H+d+P，強(qiáng)降水：T+rh+W+C+ H+d+o。

T：溫度，低層有暖空氣，存在不穩(wěn)定層結(jié)，冰雹T850-500>28℃，強(qiáng)降水T850-500為25～30℃；

rh：水汽，700 hPa為濕區(qū)，低層有水汽輻合滿足其一；

W：地面輻合抬升，存在地面輻合抬升；

C：對(duì)流有效位能，冰雹CAPE值為200～600 J/ kg，強(qiáng)降水CAPE值大于400 J/kg；

圖7 對(duì)流發(fā)生出地形高度

H：0℃層和-20℃層高度，冰雹0℃層高度偏高，強(qiáng)降水兩者高度適中；

d：地形高度，冰雹地形高度200～500 m，強(qiáng)降水地形高度100～200 m；

P：局地氣壓影響，冰雹氣壓偏低；

o：垂直速度，強(qiáng)降水有低層垂直上升速度。

冰雹的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有任何一次過(guò)程可以同時(shí)滿足以上提出的所有要素，剔除前面提到的極特殊個(gè)例，有92.3%的過(guò)程可以同時(shí)滿足以上提出的3個(gè)基本條件和至少2個(gè)增強(qiáng)條件；剩余的7.7%次過(guò)程會(huì)滿足2個(gè)基本條件和幾乎所有增強(qiáng)條件。

強(qiáng)降水中，僅有2次過(guò)程滿足所有關(guān)鍵要素，73.7%次過(guò)程同時(shí)滿足3個(gè)基本條件，此外還會(huì)滿足對(duì)流有效位能和地形高度條件中至少一項(xiàng)；剩余的26.3%次過(guò)程至少可以滿足增強(qiáng)條件中的2個(gè)；低層垂直速度出現(xiàn)的概率相對(duì)較低但都與較大對(duì)流有效位能并存。

3 強(qiáng)對(duì)流的衛(wèi)星與雷達(dá)表現(xiàn)特征

由于衛(wèi)星和雷達(dá)分辨率以及時(shí)空尺度的特征，在非典型天氣系統(tǒng)下這些對(duì)流天氣往往能夠表現(xiàn)出一些較弱的對(duì)流性特征。

3.1.1 冰雹衛(wèi)星云圖特征

在衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波上非典型天氣系統(tǒng)下產(chǎn)生的對(duì)流也都表現(xiàn)出了它們的普遍性特征，它們不像常規(guī)的強(qiáng)對(duì)流有明顯的面積較大的對(duì)流云團(tuán)或大面積帶狀回波，分布相對(duì)孤立，面積較小，常常被忽略。

冰雹云的面積整體偏小，主要是由面積不超過(guò)15 000 km2小云塊產(chǎn)生，有的小云塊（面積一般小于5000 km2）直接產(chǎn)生冰雹，這一部分占33.3%，它們高低層溫差很大，甚至?xí)^(guò)30℃，地面輻合線非常??；還有一部分小對(duì)流云塊合并過(guò)程中生成小云團(tuán)（幾個(gè)小云塊合并的云團(tuán)）產(chǎn)生了冰雹，這一部分占41.7%，它們的對(duì)流有效位能一般較大，地面一定會(huì)存在輻合線；而真正的大面積云團(tuán)（面積一般超過(guò)30 000 km2）很少（圖8），它們往往發(fā)生在我們分析的低層水汽條件較好，并出現(xiàn)水汽輻合的情況下。

圖8 不同類型及尺度云團(tuán)所占比例

孤立云塊型（圖9a）：這些孤立云塊云頂溫度不低，邊界也比較模糊，與發(fā)展早期的對(duì)流云泡有明顯區(qū)別。對(duì)流云泡變化相對(duì)較快，變化的同時(shí)往往是若干個(gè)對(duì)流云泡迅速長(zhǎng)大，而該云塊相對(duì)孤立，且維持時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)展相對(duì)較慢，會(huì)有一個(gè)面積擴(kuò)大的過(guò)程，但面積擴(kuò)大后也比較小，冰雹就是在面積增加最快的時(shí)間產(chǎn)生。

小云團(tuán)合并型（圖9b）：與上一類型相似，是由幾個(gè)孤立的云塊合并而成，它們的發(fā)展過(guò)程與第一類基本相同，只是它們本身的面積沒(méi)有變化，而是合并形成一個(gè)面積相對(duì)大一些的云團(tuán)，冰雹就在云塊合并時(shí)產(chǎn)生，且產(chǎn)生的位置與合并處相同。

大面積云團(tuán)型（圖9c）：有明顯大面積的強(qiáng)云團(tuán)，這種情況多是一個(gè)小云塊與大的云團(tuán)合并或是在大的云團(tuán)后部新生小云塊形成，它們多位于大的云團(tuán)西部并向前發(fā)展，這種情況下云頂亮溫會(huì)很低，溫度梯度也較大，有時(shí)會(huì)在云團(tuán)前部看到云砧，冰雹的產(chǎn)生與合并和新生的位置及時(shí)間重合（圖9中箭頭處）。

3.1.2 強(qiáng)降水衛(wèi)星云圖特征

產(chǎn)生強(qiáng)降水的云團(tuán)比冰雹云團(tuán)面積要大，衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)特征整體分為兩類：一是小的云塊或云團(tuán)逐步壯大產(chǎn)生強(qiáng)降水，這種情況小云團(tuán)很難長(zhǎng)得太大或發(fā)展得太強(qiáng)，在它們?cè)鲩L(zhǎng)速度最快階段結(jié)束時(shí)是強(qiáng)降水即將開(kāi)始的時(shí)候（圖10），此時(shí)對(duì)流有效位能往往比較大，低層常伴有很弱的水汽輻合，高低層溫差相對(duì)較大，一般26～28℃；二是大的云團(tuán)分裂后或者大云團(tuán)本身會(huì)經(jīng)常性在西部有新生小對(duì)流泡，當(dāng)對(duì)流泡迅速長(zhǎng)大，強(qiáng)降水即將開(kāi)始，此時(shí)地面輻合線相對(duì)較長(zhǎng)，低層會(huì)有明顯的水汽輻合（圖11）。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)50%的強(qiáng)降水在產(chǎn)生前2 h都是由小的孤立云塊在強(qiáng)度和面積上逐步壯大產(chǎn)生的；有33%的強(qiáng)降水是發(fā)生在云團(tuán)周圍特別是西部新生的小云塊處，它們主要分布在黑龍江省西北部。還有一部分是大的云系或云帶內(nèi)部由小的對(duì)流云塊產(chǎn)生。

圖9 不同云型產(chǎn)生的冰雹

圖10 2009年7月27日紅外云圖

圖11 2010年7月11日紅外云圖

強(qiáng)降水云團(tuán)與冰雹云最大區(qū)別是：孤立云塊一般不會(huì)直接產(chǎn)生強(qiáng)降水，因?yàn)樾≡茐K或孤立云塊本身難以長(zhǎng)時(shí)間維持，只有當(dāng)它們壯大后才可能產(chǎn)生強(qiáng)降水，由小云塊壯大產(chǎn)生的強(qiáng)降水都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)度和面積迅速增長(zhǎng)階段，當(dāng)增長(zhǎng)變緩慢時(shí)，強(qiáng)降水開(kāi)始。它們的另外一個(gè)差異是，由大面積云團(tuán)產(chǎn)生的對(duì)流天氣中，冰雹云一般云頂亮溫較高，經(jīng)?？吹皆普?，而強(qiáng)降水云團(tuán)邊界相對(duì)模糊，但他們一般都發(fā)生在云團(tuán)邊界云頂亮溫梯度最大的地方。

3.2 對(duì)流的雷達(dá)回波特征

本文研究的冰雹回波最明顯的特征一個(gè)是強(qiáng)度特別強(qiáng)，普遍在50～65 dBz，另一個(gè)是大部分回波都出現(xiàn)了強(qiáng)反射率因子懸垂，這與一般性冰雹回波特征一致，但鉤狀回波、有界弱回波等很難探測(cè)得到，強(qiáng)降水回波中大面積有組織的回波較少，主要分3種情況：一是強(qiáng)降水前1 h左右有小對(duì)流泡出現(xiàn)，由于它們的組織性差，降水主要是由它們?cè)厣蛘吆喜⒃鲩L(zhǎng)導(dǎo)致，這種情況所占比例為50%，這種情況與衛(wèi)星云圖中的孤立云團(tuán)生長(zhǎng)壯大一般對(duì)應(yīng)較好，對(duì)應(yīng)地面輻合線較短，高低層溫差很大；二是出現(xiàn)組織性一般的回波帶或者面積不大的對(duì)流群，它們本身不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間維持，但一般小塊回波群會(huì)經(jīng)過(guò)同一地點(diǎn)或者回波走向與移動(dòng)方向一致，這種情況占33.3%，它們的低層水汽輻合較明顯；最后一種少數(shù)情況是出現(xiàn)組織性較強(qiáng)的大片混合云回波或者颮線，此時(shí)常有低層垂直風(fēng)切變和較高的對(duì)流有效位能。

與衛(wèi)星云圖表現(xiàn)特征類似，冰雹回波比較分散、孤立，沒(méi)有大面積的對(duì)流云或混合云回波，甚至連帶狀回波也沒(méi)有，生消和移動(dòng)很快，面積非常小的對(duì)流單體，特別是消散階段減弱十分迅速，明顯的對(duì)流特征有時(shí)僅維持2個(gè)體掃，只有一小部分弱冰雹回波是由多個(gè)單體連在一起相互作用合并產(chǎn)生，這種情況下移動(dòng)相對(duì)緩慢。強(qiáng)降水回波本身強(qiáng)度不是特別強(qiáng)，多是由原地生消、合并或列車效應(yīng)使得回波在同一地點(diǎn)維持較長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生。冰雹回波頂高一般為8～ 10 km，比同時(shí)期的冰雹回波頂高（統(tǒng)計(jì)的2006—2011年所有冰雹）略低；強(qiáng)降水回波強(qiáng)中心高度主要在4～6 km，極少數(shù)回波頂高出現(xiàn)在3～4 km或者6～7 km。

4 結(jié)論

（1）黑龍江省非典型環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生冰雹和強(qiáng)降水分別占總數(shù)的8.33%和8.05%，并具有很強(qiáng)局地性。

（2）非典型環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生冰雹和強(qiáng)降水的主要因子有：基本條件包括不穩(wěn)定層結(jié)、低層水汽輸送或輻合、地面輻合抬升，其它條件包括對(duì)流有效位能、0℃層與-20℃高度、地形高度、地面局地氣壓（冰雹）。

（3）冰雹統(tǒng)計(jì)中，都有同時(shí)滿足我們提出的所有因子，92.3%會(huì)滿足3個(gè)基本條件和至少兩個(gè)增強(qiáng)條件，7.7%會(huì)滿足2個(gè)基本條件；強(qiáng)降水中，73.7%同時(shí)滿足3個(gè)基本條件以及對(duì)流有效位能和地形高度中的至少一項(xiàng)；26.3%至少可以滿足2個(gè)增強(qiáng)條件。

（4）與一般對(duì)流比較，低層有更強(qiáng)暖空氣，冰雹T850-500一般大于28℃，強(qiáng)降水一般為25～30℃；地面輻合線比例為93.75%和78.9%，天氣區(qū)多發(fā)生于輻合線東北部；濕層厚度較小，700 hPa多為濕區(qū)，或伴有低層水汽輻合；對(duì)流有效位能指標(biāo)分別為200～600 J/kg和400 J/kg以上；冰雹0℃高度偏高，強(qiáng)降水0℃和-20℃層高度適中；地形高度分別集中在200～500 m和100～200 m；冰雹多次出現(xiàn)局地低氣壓。

（5）在衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波上的表現(xiàn)比較孤立，移動(dòng)較快，冰雹云多是小孤立云塊直接產(chǎn)生，而強(qiáng)降水要在壯大過(guò)程中產(chǎn)生。當(dāng)高低層溫差很大，地面輻合線非常小時(shí)，對(duì)流云的面積一般偏??；當(dāng)對(duì)流有效位能較大，地面輻合線比較明顯時(shí)，會(huì)有小對(duì)流云塊與大云團(tuán)合并產(chǎn)生對(duì)流天氣；極少情況下也會(huì)出現(xiàn)低層水汽輻合明顯時(shí)伴有的大云團(tuán)。

（6）雷達(dá)回波上的特征往往與衛(wèi)星云圖特征相對(duì)應(yīng)，冰雹云回波更加零散，變化較迅速，低層水汽輻合很差時(shí)回波會(huì)很孤立，并且很難探測(cè)到特征回波，強(qiáng)降水多是由原地生消或列車效應(yīng)產(chǎn)生，降水前1 h左右會(huì)出現(xiàn)小對(duì)流泡。

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Features of Short-term Heavy Rainfall and Hail under Non-typical Weather System in Heilongjiang

WU Yingxu，ZHANG Huijun，ZHOU Yi，MENG Yingying，ZHOU Yihan
（Heilongjiang Meteorological Observatory，Ha’erbin 150030，China）

In this paper,we analyzed the local elment features,satellites and radar of local hail from 2006 to 2014 and heavy rainfall from 2008 to 2014 under the typical weather system based on conventional data,zone automatic encryption station observations,NECP1°×1°resolution,FY-2 satellite images,radar in the central region of Heilongjiang Province.The results showed that large convection effective bit energy and low-level warm air provides thermal instability for convection. Wet Areas on 700 hPa with dry area on 500 hPa made hail and weak low-level moisture convergence,provide favorable conditions of vertical distribution for heavy precipitation so that convection can develop，and local convergence can trigger convection.0℃hail have higher height and low pressure,while the favorable altitude and convective available potential energy for hail and heavy precipitation are not more than 200～500 m,100～200 m and 200～600 J/kg,400 J/kg respectively.They tend to be more isolated and move faster in the satellite images and radar performance.More than 75%of the clouds are directly or indirectly generated by small cloud blocks,and hail and heavy precipitation occurs in the same time,shape and location as the area mutation or merger.Low-level moisture convergence may be obvious when accompanied by a large clouds.It is difficult to detect characteristic echoes on radar echoes,heavy rain are mostly produced in place and extinction of fire or by train effect.A small convective bubble appears around 1 h before precipitation.

atypical weather system;convection;hail;heavy rain

P426.6

：B

1002-0799（2016）06-0059-09

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.009

2016-02-05；

2016-06-27

預(yù)報(bào)員專項(xiàng)“2014年黑龍江省三次局地大暴雨過(guò)程對(duì)比分析”（CMAYBY2015-022）和黑龍江省氣象局項(xiàng)目“弱天氣尺度下強(qiáng)對(duì)流發(fā)展和局地要素特征”（hq2015039）共同資助。

吳迎旭（1980-），高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星、雷達(dá)、短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的研究。E-mail：wuyingxu281@163.com

吳迎旭，張慧君，周一，等.黑龍江省非典型天氣系統(tǒng)下短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（6）：59-67.