探空資料在大冰雹判別中的應(yīng)用

黃 鈺，張小娟

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴陽(yáng) 550082；2.貴州省冰雹防控技術(shù)工程中心，貴陽(yáng) 550082)

0 引言

貴州處于南方多雹帶區(qū)域內(nèi)，從高海拔的高原臺(tái)地逐漸過(guò)渡到低海拔的平原丘陵地區(qū)，主要經(jīng)濟(jì)作物多為馬鈴薯、茶葉、烤煙等。冰雹災(zāi)害與洪澇及干旱等氣象災(zāi)害相比，雖然每次影響的面積相對(duì)較小，但其突發(fā)性強(qiáng)，破壞力大，造成的損失嚴(yán)重，致使冰雹災(zāi)害與特色農(nóng)業(yè)發(fā)展需求之間的矛盾加劇，提高冰雹的預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)是減少農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失的迫切需求。對(duì)于冰雹的識(shí)別，主要以多普勒及雙偏振雷達(dá)的探測(cè)為主，很多氣象工作者基于雷達(dá)回波最大反射率因子強(qiáng)度、垂直液態(tài)水含量、回波頂高、強(qiáng)回波中心發(fā)展高度等參量建立了適用于本地化的識(shí)別參數(shù)指標(biāo)[1-5]，同時(shí)很多研究也指出，探空資料能夠獲得大氣垂直方向的溫濕分布，反映層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變能夠維持強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展，對(duì)冰雹的產(chǎn)生起到一定作用，0 ℃層高度、-20 ℃層高度、500 hPa與850 hPa溫差等條件因素能夠區(qū)分冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程[6，7]。目前，0 ℃層及-20 ℃層高度是業(yè)務(wù)中識(shí)別冰雹云的主要參數(shù)，一般將0 ℃層(干球溫度0 ℃層高度，DBZ)作為冰雹開(kāi)始融化的高度，0 ℃層高度越高越不容易產(chǎn)生降雹。但是俞小鼎[8]提出，在實(shí)際業(yè)務(wù)中，當(dāng)對(duì)流中層大氣環(huán)境較干時(shí)將濕球溫度0 ℃層高度(WBZ)作為冰雹融化的實(shí)際高度更具科學(xué)意義。這種中高層干侵入對(duì)應(yīng)于“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)，本地研究也有提到[9]，十分有利于強(qiáng)對(duì)流的產(chǎn)生。文章將進(jìn)行探空資料在大冰雹判別中的應(yīng)用分析，以期提高對(duì)強(qiáng)冰雹的預(yù)報(bào)預(yù)警水平。

1 資料和方法

研究區(qū)域集中在貴州的中西部地區(qū)，該區(qū)域?yàn)橘F州冰雹多發(fā)地。篩選了2016—2019年20個(gè)冰雹個(gè)例，盡可能涉及不同類(lèi)型、強(qiáng)弱的降雹，探空資料為威寧、貴陽(yáng)兩個(gè)站次(08：00、20：00時(shí)次)，降雹資料主要來(lái)源于臺(tái)站及作業(yè)點(diǎn)上報(bào)信息。20次冰雹個(gè)例中最大降雹粒徑為50 mm(2018-04-04，金沙)，此次過(guò)程由超級(jí)單體引起，此外常見(jiàn)多單體降雹，少量獨(dú)立單體及局地獨(dú)立對(duì)流單體，超級(jí)單體、多單體降雹時(shí)間一般由西部向東部發(fā)展移動(dòng)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，并且冰雹落區(qū)范圍較大，農(nóng)作物損失嚴(yán)重。

首先統(tǒng)計(jì)目前探空資料在冰雹識(shí)別中常用的一些參數(shù)：0 ℃層高度、-20 ℃層高度、500 hPa與850 hPa溫差、垂直風(fēng)切變、對(duì)流有效位能，分析上述參數(shù)在本地冰雹過(guò)程中的體現(xiàn)特征，并著重討論對(duì)大冰雹(降雹粒徑≥20 mm)判別有用的參數(shù)。

2 探空資料在大冰雹判別中的應(yīng)用

2.1 基本特征

整體上獨(dú)立單體的發(fā)展更為旺盛，發(fā)展高度更高，多單體融合(持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng))和超級(jí)單體引起的過(guò)程更容易產(chǎn)生大冰雹。一般研究結(jié)果均認(rèn)為較大的CAPE值、較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變和在0 ℃層高度適宜的條件下容易產(chǎn)生大冰雹。分析過(guò)程發(fā)現(xiàn)08：00 CAPE一般情況下并不顯著，但隨著午后氣溫上升，用地面14：00溫度進(jìn)行訂正后，不穩(wěn)定能量明顯提升，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)展；從ΔT85可以明顯看出低層到高層的垂直溫度遞減率大，對(duì)應(yīng)層結(jié)的不穩(wěn)定性；此外，垂直風(fēng)切變?cè)酱蟛⑽磳?duì)應(yīng)越大的降雹粒徑，相關(guān)性與ΔT85相比較差(圖1)，但是垂直風(fēng)切變?cè)酱笠话銓?duì)應(yīng)更長(zhǎng)的過(guò)程持續(xù)時(shí)間。早春DBZ高度明顯較低，天氣越熱該數(shù)值越大，這也在一定程度上解釋了為什么降雹更容易發(fā)生在春天，而夏天主要以降水過(guò)程為主。

圖1 雹徑與500 hPa和850 hPa溫差(ΔT85)(a)、垂直風(fēng)切變(b)的相關(guān)性

2.2 大冰雹判別討論

在實(shí)際業(yè)務(wù)過(guò)程中，很多情況下將探空得到的DBZ高度認(rèn)為是冰雹開(kāi)始融化的高度，但是當(dāng)冰雹下落到DBZ高度位時(shí)，冰雹由于融化其表面出現(xiàn)一層水膜，如果當(dāng)時(shí)大氣環(huán)境十分潮濕，相對(duì)濕度能達(dá)到100%，那么冰雹表面的水膜不會(huì)蒸發(fā)，則冰雹融化層高度大致就是DBZ的高度；但是如果當(dāng)時(shí)大氣環(huán)境較干，冰雹表面的水膜會(huì)蒸發(fā)并吸收大量的蒸發(fā)潛熱，此時(shí)冰雹表面水膜外層溫度會(huì)因降到0 ℃以下而再次凍結(jié)，在降落到大約WBZ高度附近才開(kāi)始真正融化，那么此時(shí)冰雹開(kāi)始融化的實(shí)際高度應(yīng)該更趨近于WBZ高度，將明顯低于DBZ高度。

利用俞小鼎[8]提到的T-logp圖上繪制WBZ高度的方法，對(duì)凌晨降水(2019-08-21T20：00 57816站探空資料)及下午降雹(2018-04-04T08：00 57816站探空資料)進(jìn)行WBZ繪制，可以明顯看到當(dāng)對(duì)流中層濕度較大時(shí)，WBZ與DBZ臨近；而對(duì)流中層為明顯干層時(shí)，WBZ的高度比DBZ的高度有明顯的下降，同時(shí)，DBZ的高度在夏季明顯高于春季。

文章基于T-logp圖估算了篩選的20次冰雹過(guò)程的冰雹融化層高度(WBZ)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻WBZ對(duì)于DBZ均有不同程度的下降，最小下降距離為0.21 km，最大為1.77 km。在降雹粒徑較大的過(guò)程中對(duì)流中層的干冷入侵現(xiàn)象更為明顯，對(duì)流中層較干的情況下，一方面由于冰雹表面的水膜蒸發(fā)并吸收大量的蒸發(fā)潛熱，實(shí)際的融化高度下降；另一方面，該層溫度較低時(shí)，干空氣的存在還會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)、更冷下沉氣流并在大氣邊界層形成強(qiáng)的冷池，進(jìn)一步降低和地面間的平均溫度。2018-04-04個(gè)例貴陽(yáng)站W(wǎng)BZ比DBZ下降了1.77 km，實(shí)際冰雹融化層高度低至2.8 km，大大縮短了冰雹落地時(shí)間，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生了50 mm粒徑冰雹；對(duì)應(yīng)當(dāng)日的威寧站資料，WBZ比DBZ下降了近0.7 km，雖不及貴陽(yáng)站的WBZ低，但其環(huán)境溫度較低(6 ℃)，且威寧海拔較高，實(shí)際落地時(shí)間不長(zhǎng)，故兩站的探空資料都有較好的響應(yīng)。2016-04-14，WBZ比DBZ只下降了0.45 km，但是對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度卻很低(2 ℃左右)，距地面的平均溫度較低，這使得冰雹顆粒在下降的過(guò)程中不易融化，最終也導(dǎo)致了大冰雹的產(chǎn)生。而2019-08-13，WBZ雖然比DBZ下降了1.39 km，但因距地面的平均溫度較高，干冷入侵的效果不明顯，故并未產(chǎn)生大冰雹，但冰雹融化層高度的降低是導(dǎo)致此次盛夏降雹的主要原因之一。剔除如2019-08-13這樣的極端個(gè)例，發(fā)現(xiàn)DBZ對(duì)應(yīng)WBZ高度的下降值與降雹粒徑的對(duì)應(yīng)性較好，在今后的監(jiān)測(cè)預(yù)警中，應(yīng)該注意冰雹實(shí)際融化層高度的因素，并綜合考慮干冷空氣入侵的影響(圖2)。

圖2 ΔH(濕球溫度0 ℃層與干球溫度0 ℃層的高度差)與雹徑的相關(guān)性

3 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)2016—2019年貴州中西部地區(qū)20次不同類(lèi)型降雹過(guò)程的探空資料分析發(fā)現(xiàn)：多單體融合(持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng))和超級(jí)單體引起的過(guò)程更容易產(chǎn)生大冰雹，較大的CAPE值、一定程度的垂直風(fēng)切變、高低空的溫差是產(chǎn)生降雹的一般條件，但不是必要條件，在上干下濕的水汽分布條件下，中高層的干入侵會(huì)大大降低冰雹融化層的高度，這對(duì)降雹與否(尤其夏季)及降雹粒徑大小有著明顯影響，干球溫度0 ℃層對(duì)應(yīng)濕球溫度0 ℃層高度的下降值與降雹粒徑的對(duì)應(yīng)性較好，在今后的監(jiān)測(cè)預(yù)警中，需注意冰雹實(shí)際融化層高度，并綜合考慮干冷空氣入侵的影響，盡可能減輕大冰雹引起的損失。