金華區(qū)域性冰雹天氣過(guò)程的綜合分析

陸　韜　張行才　嚴(yán)紅梅

(金華市氣象臺(tái)，浙江 金華 321000)

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金華區(qū)域性冰雹天氣過(guò)程的綜合分析

陸韜張行才嚴(yán)紅梅

(金華市氣象臺(tái)，浙江 金華 321000)

摘要：選取發(fā)生在金華的5次區(qū)域性冰雹天氣過(guò)程，應(yīng)用常規(guī)觀測(cè)資料和多普勒天氣雷達(dá)資料，從天氣形勢(shì)背景、下墊面、物理?xiàng)l件和雷達(dá)回波演變等方面進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明：區(qū)域性冰雹天氣多發(fā)在午后到前半夜，落區(qū)多是引導(dǎo)氣流前方山地的迎風(fēng)坡或是被大山包圍、水體附近的迎風(fēng)坡上；需要具備不穩(wěn)定的大氣層結(jié)(IC指數(shù)<-5 ℃)和適宜冰雹成長(zhǎng)的溫度層結(jié)(0 ℃層高度位于620 hPa附近，-20 ℃層高度位于420 hPa附近)；垂直風(fēng)切變和CAPE值都是區(qū)域性冰雹天氣條件發(fā)生很好的表征；區(qū)域性冰雹天氣按照風(fēng)暴類(lèi)型可以分為多個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴和強(qiáng)烈多單體風(fēng)暴兩種，前者在雷達(dá)回波上反映更為明顯和劇烈。

關(guān)鍵詞：區(qū)域性冰雹 下墊面 不穩(wěn)定大氣層結(jié) 溫度層結(jié) 雷達(dá)特征

0引言

冰雹災(zāi)害是由強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起的一種局地性強(qiáng)、破壞性大、季節(jié)性明顯、具有突發(fā)性和陣性特征的氣象災(zāi)害。一場(chǎng)強(qiáng)烈的降雹會(huì)給農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、交通、通信、城市建筑等造成巨大損失，出現(xiàn)了多處降雹的冰雹風(fēng)暴(定義為區(qū)域性冰雹)更是給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。本文對(duì)金華地區(qū)觀測(cè)到的5次區(qū)域性冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行整理分析，以求尋找出此類(lèi)冰雹天氣出現(xiàn)前的環(huán)境場(chǎng)、雷達(dá)產(chǎn)品的共同特征。

1天氣形勢(shì)背景

5次區(qū)域性冰雹天氣過(guò)程發(fā)生的時(shí)間均為午后到前半夜對(duì)流旺盛的階段。影響系統(tǒng)具有代表性，其中2009年2月份的兩次過(guò)程出現(xiàn)在上干冷下暖濕的條件下，對(duì)流性不穩(wěn)定增強(qiáng)，中低層切變線和地面弱冷空氣是觸發(fā)機(jī)制；“2009.06.05”過(guò)程為東北冷渦后部西北氣流影響，觸發(fā)了對(duì)流不穩(wěn)定能量；“2009.11.09”過(guò)程為高空短波槽、地面弱冷空氣影響；“2013.07.09”過(guò)程為副熱帶高壓內(nèi)部熱力不穩(wěn)定，由地面中尺度輻合線觸發(fā)造成(表1)。

表1　5次區(qū)域性冰雹天氣過(guò)程信息表

2下墊面的影響

為了分析地形對(duì)風(fēng)暴形成的作用，將5次過(guò)程的11個(gè)降雹落區(qū)地點(diǎn)疊加在地形高程圖上(圖1)，圖中帶紅色圓圈的白色標(biāo)記表示降雹落區(qū)，淺藍(lán)色線為河流水系。在5個(gè)區(qū)域性冰雹過(guò)程中，2009年6月5日夜里發(fā)生在浦江縣花橋鄉(xiāng)、義烏市大陳鎮(zhèn)的降雹過(guò)程的引導(dǎo)氣流為西北氣流，除此之外其余過(guò)程的引導(dǎo)氣流均為西南氣流。從圖1可以看到，有7個(gè)降雹落區(qū)位于引導(dǎo)氣流前方山地的迎風(fēng)坡，有2個(gè)位于大山周?chē)?、水體附近、山區(qū)迎風(fēng)坡，另外2個(gè)處于盆地，附近有河流或水體包圍。

上述特點(diǎn)表明不同性質(zhì)的下墊面對(duì)冰雹的形成產(chǎn)生影響：山谷對(duì)氣流起到強(qiáng)迫阻擋作用并使其折轉(zhuǎn)匯合，引起輻合上升，加速劇烈的垂直運(yùn)動(dòng)，提供了冰雹形成所需的強(qiáng)烈上升的動(dòng)力條件，同時(shí)水汽聚集，溫度增加，引起不穩(wěn)定能量累積，對(duì)冰雹云形成和發(fā)展有加強(qiáng)作用。

水體的影響較為復(fù)雜，一方面對(duì)局地有降溫作用，擾動(dòng)溫度梯度加大，廖玉芳[1]研究發(fā)現(xiàn)大的溫度梯度不但加強(qiáng)了有利于強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)形成的垂直風(fēng)切變，而且地形熱力環(huán)流的上升運(yùn)動(dòng)支也提供了雷暴的觸發(fā)機(jī)制，同時(shí)水體的蒸發(fā)使得空氣濕度增大，為強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)在水體附近的發(fā)展提供了有利的層結(jié)不穩(wěn)定條件；另一方面，河流流域、大中型水庫(kù)水體的對(duì)風(fēng)向風(fēng)速有一定阻滯作用，下墊面濕度大，水汽過(guò)于充沛，不利于冰雹的發(fā)生發(fā)展，因此在平原或盆地地區(qū)的寬闊水體附近很少觀測(cè)到降雹。

圖1　5次區(qū)域性冰雹天氣過(guò)程落區(qū)示意圖

3降雹發(fā)生前期物理?xiàng)l件分析

冰雹天氣屬于中小尺度天氣系統(tǒng)的強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象，它的發(fā)展既取決于大尺度環(huán)流場(chǎng)的物理?xiàng)l件，反過(guò)來(lái)它又影響大尺度環(huán)流場(chǎng)。因此，區(qū)域性冰雹的形成條件是在有利的天氣環(huán)流背景下，一定范圍內(nèi)的大氣具備不穩(wěn)定層結(jié)、溫度層結(jié)、觸發(fā)機(jī)制和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變[2]。

5次區(qū)域性冰雹過(guò)程發(fā)生的時(shí)間從2月到11月，跨越了春季、夏季和秋季，對(duì)流參數(shù)在每個(gè)過(guò)程中體現(xiàn)了不同的指示意義。表2對(duì)5次區(qū)域性冰雹過(guò)程發(fā)生前的物理?xiàng)l件進(jìn)行了歸納，從表2可以看到，IC指數(shù)是判別大氣穩(wěn)定度的很好指標(biāo)，適宜的0 ℃和-20 ℃層高度是影響冰雹生長(zhǎng)的重要因子，垂直風(fēng)切變和CAPE值分別是表征冰雹天氣發(fā)生的動(dòng)力學(xué)條件和熱力學(xué)條件。

3.1穩(wěn)定度指數(shù)

K指數(shù):K=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)。既考慮了垂直溫度梯度，又考慮了低層水汽，一般K值越大表示層結(jié)越不穩(wěn)定。4次冰雹天氣發(fā)生前期K指數(shù)均≥32 ℃，最大達(dá)到了37 ℃，尤其是2009年冬末春初的兩次過(guò)程，在冷季環(huán)境溫度較低的情況下，中低層較好的水汽條件對(duì)出現(xiàn)較大的K值做出了主要貢獻(xiàn)。但K指數(shù)受環(huán)境溫度影響較大，例如2009.06.05過(guò)程由于前期出現(xiàn)過(guò)降水天氣，溫度剛剛回升，K指數(shù)較低，不具有指示作用。

VT(Vertical Totals指數(shù))：VT=T850-T500,反映了大氣垂直溫度遞減率。冰雹發(fā)生前期上冷下暖，從表2可見(jiàn)850 hPa和500 hPa溫度差在23～29 ℃，且多有高層干冷平流和低層暖濕平流的輸送，加大了高低層的溫差，使大氣層結(jié)不穩(wěn)定度加大。與K指數(shù)類(lèi)似，不同季節(jié)的環(huán)境溫度造成VT數(shù)值差別較大，指示意義不明顯。

IC指數(shù)：IC=θse(500-850)。假相當(dāng)位溫(θse)的垂直分布反映了大氣層結(jié)對(duì)流不穩(wěn)定度的狀況,利用冰雹出現(xiàn)前距離最近的探空站850 hPa與500 hPa的θse差值來(lái)判斷大氣的穩(wěn)定性，5次過(guò)程θse均隨高度而減小,大氣呈對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)。IC指數(shù)越小，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，5次區(qū)域性冰雹過(guò)程IC指數(shù)<-5，4次過(guò)程IC指數(shù)<-10，利于冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。

3.2適宜冰雹成長(zhǎng)的溫度層結(jié)

適宜的0 ℃和-20 ℃層高度是影響冰雹生長(zhǎng)的重要因子，以有利于冰雹胚胎在生長(zhǎng)層內(nèi)不斷增大。0 ℃層高度一般在620 hPa(3.3～4.3 km)，-20°層在420 hPa附近(6.6～7.5 km)附近或以下有利于冰雹的增長(zhǎng)，二者厚度在200 hPa之間。

4次過(guò)程在低層都有逆溫層存在，逆溫層的厚度在30～80 hPa之間，適宜的厚度既利于低層能量的累積，又使得在一定的觸發(fā)機(jī)制下能沖破阻擋層，使聚積的能量得到釋放。

3.3熱力動(dòng)力指數(shù)

CAPE(對(duì)流有效位能)：是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時(shí)的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，可以反映大氣層結(jié)垂直穩(wěn)定度和水汽條件。CAPE可以很好的預(yù)示強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生[3]，數(shù)值越大表示上升的強(qiáng)度越強(qiáng)。區(qū)域性冰雹的發(fā)生發(fā)展需要一定范圍內(nèi)存在高能量區(qū)，“2009.11.09”和“2013.07.09”兩次過(guò)程CAPE值大于900，尤其是2013年7月9日受副高邊緣影響具有很大的熱力不穩(wěn)定，表明強(qiáng)雷暴有較好的發(fā)展?jié)搫?shì)。但也應(yīng)該注意到，由于CAPE與上升氣塊起始高度、空氣濕度的關(guān)系很敏感，計(jì)算出來(lái)的數(shù)值變化很大，對(duì)其余幾次多單體強(qiáng)風(fēng)暴并沒(méi)有很好的反映。

垂直風(fēng)切變指的是風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化，是決定對(duì)流風(fēng)暴的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)弱的關(guān)鍵因子之一。一般來(lái)說(shuō)，在一定的熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)將導(dǎo)致風(fēng)暴進(jìn)一步加強(qiáng)和發(fā)展。其主要原因在于：在切變環(huán)境下能夠使上升氣流傾斜，這就使得上升氣流中形成的降水質(zhì)點(diǎn)能夠脫離上升氣流，而不會(huì)因拖帶作用減弱上升氣流的福利；其次，垂直風(fēng)切變可以增強(qiáng)中層干冷空氣的吸入，加強(qiáng)風(fēng)暴中的下沉氣流和底層冷空氣外流。再通過(guò)強(qiáng)迫抬升使得流入的暖濕氣流更強(qiáng)烈地上升，從而加強(qiáng)對(duì)流[4]。

垂直風(fēng)切變?cè)黾恿藢?duì)流的組織性，使對(duì)流風(fēng)暴能夠持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，有利于強(qiáng)冰雹的形成。在較強(qiáng)垂直風(fēng)切變條件下，有利于組織完好的對(duì)流風(fēng)暴，通常呈現(xiàn)出強(qiáng)烈多單體風(fēng)暴和超級(jí)單體風(fēng)暴形態(tài)。表2中的風(fēng)垂直切變是利用距離降雹地最近的探空站高層(200 hPa)與低層(850 hPa)風(fēng)矢量之間的差值，根據(jù)公式α= ln(S2/S1)/ln(H2/H1)進(jìn)行計(jì)算。其中：S1和S2分別是距地面高度H1和H2處的風(fēng)速。S的單位是 m/s，H的單位是 m。

鐘偉研究認(rèn)為，CAPE可以表征熱力學(xué)條件，垂直風(fēng)切變可以表征動(dòng)力學(xué)條件[5]?？梢钥闯?，“2009.06.05”、“2013.07.09”過(guò)程CAPE數(shù)值較大(>1000 J·kg-1f)、垂直風(fēng)切變小于2.5 m·s-1·km-1，屬于浮力能量大于風(fēng)垂直切變的情況，分別是東北冷渦后部冷平流引發(fā)干冷空氣入侵的熱力不穩(wěn)定與副高邊緣的熱力不穩(wěn)定引起的，弱動(dòng)力條件下發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流天氣。2009年2月份的兩次過(guò)程CAPE數(shù)值較小，垂直風(fēng)切變都大于4 m·s-1·km-1，屬于垂直切變大于浮力能量的情況，為強(qiáng)動(dòng)力抬升、弱熱力學(xué)條件的強(qiáng)對(duì)流天氣?！?009.11.09”過(guò)程CAPE接近1000 J·kg-1，垂直風(fēng)切變大于4 m·s-1·km-1，屬于強(qiáng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的強(qiáng)對(duì)流天氣，對(duì)流強(qiáng)度為5個(gè)過(guò)程中最大，冰雹的直徑達(dá)到30～50 mm。

表2　冰雹出現(xiàn)前期環(huán)境特征

4雷達(dá)特征分析

多個(gè)對(duì)流單體組成的冰雹風(fēng)暴可以分為多個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴和強(qiáng)烈多單體風(fēng)暴兩種。在這5次過(guò)程中，3個(gè)為多個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴、2個(gè)為強(qiáng)烈多單體風(fēng)暴。在多普勒天氣雷達(dá)的監(jiān)測(cè)產(chǎn)品中，這兩種風(fēng)暴分別有不同的特征，以下根據(jù)基本反射率因子、風(fēng)暴相對(duì)平均徑向速度和反射率剖面等產(chǎn)品進(jìn)行分析。

4.1反射率因子

11個(gè)冰雹單體中(圖2)，冬末春初溫度較低，對(duì)流發(fā)展不是特別的旺盛，單體2a、2b、2c、2d、2e的回波強(qiáng)度最大只有58 dBz；其余的過(guò)程發(fā)生在夏季或者秋初，最大回波強(qiáng)度達(dá)到了68 dBz。從回波的形態(tài)來(lái)看，有4個(gè)過(guò)程表現(xiàn)為弓狀回波(圖2a、2b、2e、2i)，5個(gè)沿低層入流方向有明顯的突出物(圖2f、2g、2h、2i、2j、2k)，有2個(gè)為塊狀回波(圖2c、2d)。單體a、b出現(xiàn)了鉤狀回波，單體i不但具有鉤狀回波，在風(fēng)暴右側(cè)還出現(xiàn)了入流缺口。

圖2　冰雹單體0.5°仰角回波圖

4.2垂直剖面結(jié)構(gòu)

由于部分過(guò)程基數(shù)據(jù)資料的缺失，以及排除雷達(dá)靜錐區(qū)對(duì)站點(diǎn)附近降雹的剖面影響，本文對(duì)“2009.02.23”和“2013.07.09”兩次區(qū)域性冰雹過(guò)程中進(jìn)行了垂直剖面結(jié)構(gòu)的分析圖3。從冰雹過(guò)程成熟階段的剖面來(lái)看，“2009.02.23”過(guò)程中，冷季強(qiáng)回波(>50 dBz)伸展到5 km高度，達(dá)到了一般冰雹云體發(fā)展強(qiáng)烈的高度(5～6 km)下限，低層有弱回波區(qū)，中高層有回波懸垂，強(qiáng)烈的抬升氣流使得水汽形成了冰晶或霰，但由于缺乏足夠動(dòng)力繼續(xù)向上撞凍增長(zhǎng)，最后形成的冰雹直徑較小，多為10 mm以下；“2013.07.09”過(guò)程中暖季強(qiáng)回波(>60 dBz)伸展到6～8 km高度，低層沿入流一側(cè)反射率因子具有很大的梯度，低層弱回波區(qū)，中高層懸垂的強(qiáng)回波，并出現(xiàn)了三體散射(圖3b)，是比較典型的冰雹回波特征，可以判斷出現(xiàn)大冰雹。

圖3　冰雹單體垂直剖面結(jié)構(gòu)圖

4.3風(fēng)暴相對(duì)平均徑向速度

出現(xiàn)持續(xù)的中氣旋是確定超級(jí)單體的重要依據(jù)。在11個(gè)冰雹單體中(圖4)，發(fā)生在2009年2月份的a、b、c、d、e冰雹過(guò)程沒(méi)有探測(cè)到中氣旋，風(fēng)場(chǎng)上主要以低層的輻合或“逆風(fēng)區(qū)”的形態(tài)出現(xiàn)，屬于多單體風(fēng)暴引起的降雹； “2009.06.05”“2009.11.09”和“2013.07.09”均探測(cè)到了中氣旋，其中單體f、i出現(xiàn)了雙中氣旋，預(yù)示著強(qiáng)天氣的出現(xiàn)[6]。中氣旋的尺度不一，最大旋轉(zhuǎn)速度為21 m·s-1。

圖4　冰雹單體風(fēng)暴相對(duì)平均徑向速度圖

5結(jié)語(yǔ)

1)區(qū)域性冰雹天氣過(guò)程發(fā)生的時(shí)間均為午后到前半夜對(duì)流旺盛的階段。山谷對(duì)冰雹的發(fā)生發(fā)展有抬升作用，水體對(duì)冰雹的發(fā)生發(fā)展既有促進(jìn)作用又有阻滯作用。因此，區(qū)域性冰雹天氣的落區(qū)多是引導(dǎo)氣流前方山地的迎風(fēng)坡或大山包圍、水體附近的迎風(fēng)坡上，而較少出現(xiàn)在大型水體附近的盆地上。

2)判別是否存在有利于區(qū)域性冰雹天氣發(fā)生的不穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，K指數(shù)，VT指數(shù)受到環(huán)境溫度的影響，有一定的局限性；IC指數(shù)<-5 ℃有很好的指示作用。適宜冰雹生長(zhǎng)的溫度層結(jié)為：0 ℃層高度位于620 hPa附近，-20 ℃層高度位于420 hPa附近；低層(800～1000 hPa之間)存在厚度為在30～80 hPa之間逆溫層；。

3)垂直風(fēng)切變和CAPE值是區(qū)域性冰雹天氣條件發(fā)生很好的表征。較大CAPE值、強(qiáng)垂直風(fēng)切變的環(huán)境和較小CAPE值、弱垂直風(fēng)切變的環(huán)境都有可能產(chǎn)生區(qū)域性冰雹天氣，大CAPE值、強(qiáng)垂直風(fēng)切變的環(huán)境下有利于出現(xiàn)直徑大于30mm的區(qū)域性冰雹天氣。

4)區(qū)域性冰雹天氣按照風(fēng)暴類(lèi)型可以分為多個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴和強(qiáng)烈多單體風(fēng)暴兩種。二者在回波形狀、面積上、結(jié)構(gòu)屬性上的差異并不

明顯。二者的共同點(diǎn)是強(qiáng)回波伸展到0 ℃層以上高度甚至更高，具有低層弱回波區(qū)，中高層強(qiáng)回波垂懸的結(jié)構(gòu)，其中，強(qiáng)回波伸展到冰雹云的發(fā)展下限5 km時(shí)就可產(chǎn)生弱降雹。但多個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴比強(qiáng)烈多單體風(fēng)暴更為劇烈，表現(xiàn)回波強(qiáng)度更強(qiáng)、發(fā)展高度更高，能夠探測(cè)到入流缺口、中氣旋、三體散射等典型特征，而強(qiáng)烈多單體風(fēng)暴在速度圖上的表現(xiàn)形式則為低層輻合或逆風(fēng)區(qū)。

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收稿日期：2015-04-15