黑龍江省冰雹的物理量指標研究

高倩楠 ，孫鵬飛 ，李冬楠，林嘉楠，賀 錚

(1.黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江 哈爾濱 150030；2.伊春市氣象局，黑龍江 伊春 153000）

1 引言

冰雹是由中小尺度天氣系統(tǒng)所引起的一種劇烈的天氣，易引發(fā)氣象災害，一直以來都是天氣預報中的難點。 其空間尺度小，強度大，生命史短，來勢猛，非常容易造成大面積農(nóng)作物受損絕產(chǎn)， 甚至危及到人們的生命安全。 近年來，國內(nèi)很多學者針對冰雹災害的分布特征、成因等進行了研究，研究表明合適的0 ℃層、-20 ℃層的高度、較好的對流不穩(wěn)定條件、水汽條件和垂直上升運動等都對冰雹的發(fā)生有一定的指示意義[1-4]。 本文利用 2001-2020年80個氣象觀測站的數(shù)據(jù)資料，MICAPS 常規(guī)氣象觀測資料等對黑龍江省冰雹天氣的物理量指標進行研究。

2 黑龍江省冰雹天氣分型及物理量指標分析

本文通過對2001-2020年黑龍江省20 a 的654個冰雹個例中物理量的統(tǒng)計分析得出以下16個物理量特征值，分別為K 指數(shù)、沙氏指數(shù)（SI）、總指數(shù)（TT）、0 ℃層高度、 濕球 0 ℃層高度、-20 ℃層高度、抬升指數(shù)（LI）、風暴強度指數(shù)（SSI）、抬升凝結(jié)高度（LCL），對流有效位能CAPE，風暴相對流螺旋度，強天氣威脅指數(shù)，850-500 hPa 溫差，0-1 km 垂直風切變，0-3 km 垂直風切變，0-6 km 垂直風切變獲得了相應的物理量指標特征，為冰雹的預報提供了參考。

2.1 K 指數(shù)

K 指數(shù)可以反映大氣的層結(jié)穩(wěn)定情況。K 指數(shù)的單位為攝氏度， 計算公式：K=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)其中 T 為溫度，Td 為露點溫度，K 指數(shù)計算式中第一項表示溫度直減率，第二項表示低層水汽條件，第三項表示中層飽和度。

K 指數(shù)總體特征最大值為40 ℃，最小值為4 ℃，平均值為 23.1 ℃，中位數(shù)為 25 ℃。

K 指數(shù)整體分布，夏季明顯高于春秋季節(jié)。 4-5月冰雹最易發(fā)生的K 指數(shù)區(qū)間在12-25 ℃。 6-8月冰雹最易發(fā)生的K 指數(shù)區(qū)間在22-33 ℃。 9-10月冰雹最容易發(fā)生的K 指數(shù)區(qū)間為16-28 ℃。 所以根據(jù)不同季節(jié)和月份， 易發(fā)生冰雹的K 指數(shù)區(qū)間也在變化。

2.2 沙氏指數(shù)SI

沙氏指數(shù)SI 是小塊空氣由850 hPa 開始， 干絕熱線上升到抬升凝結(jié)高度（LCL），然后再按濕絕熱遞減率上升到500 hPa時，在500 hPa 上的大氣實際溫度（T500）與該上升氣塊到達 500 hPa時的溫度（Ts）的差值，SI=T500-Ts。

沙氏指數(shù)總體特征最大值為11.3 ℃，最小值為-6.6 ℃，平均值為 2.7 ℃，中位數(shù)為 2.3 ℃。

沙氏指數(shù)整體分布， 夏季沙氏指數(shù)比春秋兩季小。 4-5月冰雹最易發(fā)生的沙氏指數(shù)區(qū)間在 2.1-7.8℃。 6-8月冰雹最易發(fā)生的沙氏指數(shù)區(qū)間在-0.3-3.2℃。 9-10月冰雹最容易發(fā)生的沙氏指數(shù)區(qū)間為1.2-5.5 ℃。

2.3 總指數(shù) TT

總指數(shù)TT 為850 hPa 的溫度和露點之和減去2倍的 500 hPa 溫度，即 TT=（T+Td）850-2T500。

總指數(shù)總體特征最大值為59 ℃， 最小值為32℃，平均值為 47.4 ℃，中位數(shù)為 48 ℃。

總指數(shù)整體分布，各個月份區(qū)間變化不大。 冰雹最容易發(fā)生的總指數(shù)集中在48 ℃左右。

2.4 0 ℃，濕球 0 ℃層高度，-20 ℃層高度

0 ℃層總體特征最大值為5205 m，最小值為530 m，平均值為2856 m，中位數(shù)為3000 m。

濕球0 ℃層高度最大值為4903 m， 最小值為263 m，平均值為2434 m，中位數(shù)為2590 m。

-20 ℃層高度，最大值為5600 m，最小值為3369 m，平均值為5909 m，中位數(shù)為6096 m。

4-7月平均高度隨月份增大，8月開始下降。 5-9月高度相對集中，0 ℃層高度在1400-4200 m 之間，-20 ℃層高度在4400-6700 m 之間。

2.5 抬升指數(shù)

抬升指數(shù)LI 指一個氣塊從自由對流高度出發(fā)，沿濕絕熱線上升到500 hPa 處的溫度與500 hPa 實際溫度之間的差值，LI=TS-T500。

抬升指數(shù)總體特征最大值為12.6 ℃，最小值為-7.7 ℃，平均值為 1.9 ℃，中位數(shù)為 1.3 ℃。

夏季抬升指數(shù)比春秋兩季偏小， 春秋季易發(fā)生冰雹的抬升指數(shù)區(qū)間在3-7 ℃。 夏季易發(fā)生冰雹的抬升指數(shù)區(qū)間在-2-1 ℃。

2.6 風暴強度指數(shù)

風暴強度指數(shù)SSI 表征雷暴發(fā)生的強弱，SSI=100[2+（0.276ln（Shr））+（2.011×10-4Eh）]，Shr 是平均垂直風切變。 Eh 是浮力能， 近似等于對流有效位能CAPE。

風暴強度指數(shù)總體特征最大值為294，最小值為194，平均值為247，中位數(shù)為248。

各月的風暴強度指數(shù)變化范圍不大， 主要集中在250 左右。

2.7 抬升凝結(jié)高度LCL

抬升凝結(jié)高度（LCL）是未飽和濕空氣塊干絕熱上升，剛開始凝結(jié)的高度。

抬升凝結(jié)高度總體特征最大值為989 m，最小值為769 m，平均值為907 m，中位數(shù)為916 m。

5-6月抬升凝結(jié)高度最低，4月和9月抬升凝結(jié)高度最高， 易發(fā)生冰雹的抬升凝結(jié)高度區(qū)間主要集中在890-940 m。

2.8 對流有效位能CAPE

對流有效位能CAPE 是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分， 是對流發(fā)生潛勢和潛在強度的一個重要指標。

7月CAPE 值分布范圍最廣，數(shù)值也更大，春季4-5月和秋季9-10月CAPE 值分布范圍小， 數(shù)值也偏小。 可見在夏季，CAPE 值大對冰雹的形成有著重要的指示作用。

2.9 風暴相對螺旋度

風暴相對螺旋度特征最大值為 3.8 m2·s-2， 最小值為-2.3 m2·s-2，平均值為 0.97 m2·s-2，中位數(shù)為 0.5 m2·s-2。

4月和9月的風暴相對螺旋度最大，6月強天氣威脅指數(shù)最小，其他月份相差不大。

2.10 強天氣威脅指數(shù)

強天氣威脅指數(shù)特征最大值為322， 最小值為11.7，平均值為 150，中位數(shù)為 140。

7-8月的強天氣威脅指數(shù)最大，10月強天氣威脅指數(shù)最小，其他月份相差不大。

2.11 850-500 hPa 溫差

850-500 hPa 溫差特征最大值為34 ℃， 最小值為 21 ℃，平均值為 27.5 ℃，中位數(shù)為 28 ℃。

5-6月850-500 hPa 溫差最大，10月次之， 其他月份相差不大。 可見在春夏季，中高層干冷空氣的入侵對于冰雹的形成有著重要的指示作用。

2.12 垂直風切變

0-1 km 垂直風切變特征最大值為 16.2 m·s-1，最小值為 0.1 m·s-1， 平均值為 6.8 m·s-1， 中位數(shù)為 6.1 m·s-1。 6-8月0-1 km 垂直風切變最小，春秋兩季 0-1 km 垂直風切變較大。

0-3 km 垂直風切變特征最大值為 23.5 m·s-1，最小值為 0.6 m·s-1，平均值為 10.2 m·s-1，中位數(shù)為 9.5 m·s-1。

0-6 km 垂直風切變特征最大值為 36.2 m·s-1，最小值為 0.4 m·s-1，平均值為 14.5 m·s-1，中位數(shù)為 13 m·s-1。

高層垂直風切變6月最小，4-5月和9-10月垂直風切變的數(shù)值范圍較大， 高層垂直風切變春秋季節(jié)比夏季的值要大。

3 結(jié)論

對2001-2020年20 a 冰雹個例的物理量指標統(tǒng)計得出：K 指數(shù)在夏季明顯高于春秋季節(jié)，4-5月冰雹最易發(fā)生的K 指數(shù)區(qū)間在12-25 ℃。6-8月冰雹最易發(fā)生的K 指數(shù)區(qū)間在22-33 ℃，9-10月冰雹最容易發(fā)生的K 指數(shù)區(qū)間為16-28 ℃。 夏季沙氏指數(shù)比春秋兩季小，4-5月冰雹最易發(fā)生的沙氏指數(shù)區(qū)間在2.1-7.8 ℃，6-8月冰雹最易發(fā)生的沙氏指數(shù)區(qū)間在-0.3-3.2 ℃，9-10月冰雹最容易發(fā)生的沙氏指數(shù)區(qū)間為 1.2-5.5 ℃。 總指數(shù)各個月份區(qū)間變化不大，冰雹最容易發(fā)生的總指數(shù)集中在48 左右。 5-9月特征高度相對集中，0 ℃層高度在1400-4200 m 之間，-20℃層高度在4400-6700 m 之間。夏季抬升指數(shù)比春秋兩季偏小，春秋季易發(fā)生冰雹的抬升指數(shù)區(qū)間在3-7℃。夏季易發(fā)生冰雹的抬升指數(shù)區(qū)間在-2-1 ℃。各月的風暴強度指數(shù)變化范圍不大， 主要集中在250 左右。 各月的抬升凝結(jié)高度變化范圍不大，易發(fā)生冰雹的抬升凝結(jié)高度區(qū)間主要集中在890-940 m。夏季易發(fā)生冰雹的CAPE 值區(qū)間主要在150-470 J·kg-1，春秋季CAPE 值區(qū)間主要在35-160 J·kg-1。風暴相對螺旋度指數(shù)變化范圍主要集中在 0.7-2.4 m2·s-2。 7-8月的強天氣威脅指數(shù)最大，10月強天氣威脅指數(shù)最小，其他月份相差不大。 850-500 hPa 溫差主要集中在26-28 ℃。 垂直風切變春秋季比夏季平均值大，數(shù)值范圍更廣。