一次強冰雹天氣過程的多源資料分析

魏 薇,李 靜

(1.呼和浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.包頭市氣象局，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

近年來，由于氣候環(huán)境的影響，呼和浩特地區(qū)雹災(zāi)發(fā)生頻率逐年遞減，但2021年春夏以來，呼和浩特地區(qū)強對流天氣頻繁發(fā)生，降雹天氣過程較多，2021年7月5日呼和浩特市市區(qū)南部更是出現(xiàn)罕見的強冰雹天氣，致使當(dāng)?shù)胤课蒈囕v和農(nóng)作物等嚴(yán)重受損。除傳統(tǒng)氣象觀測資料之外，因為冰雹天氣過程發(fā)生發(fā)展迅速，且持續(xù)時間較短，局地性較強，筆者將新型探測資料應(yīng)用于強對流天氣的分析和監(jiān)測中。微波輻射計可以連續(xù)觀測強對流天氣時大氣中溫濕度、液態(tài)水含量等微物理量的變化，較常規(guī)探測來說補全了探測時間間隔較長和探測信息內(nèi)容不全的問題，從而可以更完整清晰地分析強對流發(fā)生發(fā)展過程中各種微物理的變化特征。筆者利用地面及高空探測資料、當(dāng)?shù)匚⒉ㄝ椛溆嬞Y料等，對2021年7月5日呼和浩特市強冰雹天氣的發(fā)生環(huán)境背景條件、觸發(fā)機制、物理量變化特征等方面進行分析；利用新型資料對強對流發(fā)生時溫度、濕度、不穩(wěn)定層結(jié)等進行分析，研究新型資料在強對流預(yù)警監(jiān)測中的運用，為呼和浩特市今后冰雹天氣的臨近預(yù)報預(yù)警相關(guān)研究提供參考。

1 資料與方法

考慮到預(yù)報員日常工作的實用性及便利性，使用強冰雹發(fā)生當(dāng)日08時MICAPS高空及地面資料，以及SWAN的雷達回波演變過程分析強冰雹天氣過程；利用呼和浩特市MWP967KV型地基微波輻射計觀測資料，MWP967KV型地基多通道微波輻射計在垂直方向的輸出廓線分為58層，地表到0.5 km高度的分辨率為50 m，500 m～2 km的分辨率為100 m，2 km～10 km的分辨率為250 m。該微波輻射計是新型綜合處理設(shè)備，可以實現(xiàn)多個通道同時連續(xù)探測大氣中微物理狀態(tài)的微波輻射，地面到10 km可以實現(xiàn)自動實時計算相對濕度、溫度、云水相態(tài)分布等多種大氣參數(shù)，同時可以監(jiān)測地面氣壓、溫濕度、降水情況等基本要素，能夠較好地反映出大氣水汽的變化趨勢及量值的時空分布特征。

不穩(wěn)定指數(shù)可以有效反應(yīng)不穩(wěn)定能量的情況，因而常用來判別強對流天氣的發(fā)生，筆者利用微波輻射計資料計算了K指數(shù)、SI指數(shù)兩種不穩(wěn)定指數(shù)，利用微波輻射計反演計算公式如下:

K=T850-T500+Td850-(T700-Td700)

(1)

SI=T500-TS

(2)

2 天氣實況與環(huán)流背景

2021年7月5日14時至18時呼和浩特出現(xiàn)了一次強冰雹天氣，并伴有瞬時風(fēng)力加大、降水出現(xiàn)，各旗縣區(qū)7個氣象觀測站中，有3站人工監(jiān)測到冰雹，為近年罕見。因為該次強降雹天氣在市區(qū)持續(xù)時間相對較長，強度較大，觀測也更為清晰，所以本文僅分析市區(qū)發(fā)生的強冰雹天氣。

2021年7月4日20時500 hPa高空圖上，東亞大陸中高緯度為兩槽一脊環(huán)流形勢(圖略)，兩槽加深在貝加爾湖以南至蒙古地區(qū)及我國東北地區(qū)形成低渦，呼和浩特地區(qū)位于兩渦之間的脊區(qū)中，前期受不斷波動的小槽影響，呼和浩特市有分散性陣雨出現(xiàn)，為后續(xù)發(fā)生發(fā)展的天氣過程積累了一定的基礎(chǔ)濕度條件。2021年7月5日08時500 hPa高空圖上，蒙古冷渦東移減弱高空槽加強，貝加爾湖以南地區(qū)形成一個深厚的低槽系統(tǒng)，巴爾喀什湖東北部高壓脊向北經(jīng)向發(fā)展，環(huán)流經(jīng)向度加大，極區(qū)冷空氣沿脊前偏北氣流向高空槽中輸送，冷溫度槽落后于低壓槽，不斷有冷空氣沿西北氣流滲透，促使高空槽加強發(fā)展。同時受我國東北地區(qū)冷渦強度較穩(wěn)定維持，且移動緩慢；西太平洋副熱帶高壓584線在黃淮一帶穩(wěn)定維持，持續(xù)為呼和浩特市提供水汽。

該次冰雹產(chǎn)生過程中，低空急流也起了關(guān)鍵作用，700 hPa冷渦底部有西北風(fēng)與西南風(fēng)的切變，850 hPa冷渦底部也存在東北風(fēng)與西南風(fēng)的切變，低值系統(tǒng)深厚；呼和浩特位于低渦底部西南急流充沛的水汽中(最大風(fēng)速13.6 m/s)，西南急流使近地面層增溫增濕，呼和浩特有明顯的暖中心，使大氣層結(jié)不穩(wěn)定性增強。地面圖上，整個河套地區(qū)受地面氣旋控制，當(dāng)日14時至17時呼和浩特市位于氣旋前部，存在明顯的地面輻合線，呼和浩特當(dāng)天最高氣溫達到28 ℃，高層的干冷空氣疊加在低層暖濕空氣上，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的高低空配置為強冰雹天氣的發(fā)生提供了有利的熱力和動力條件。

根據(jù)2021年7月5日08時探空圖分析，對流有效位能為330.6 J/kg，K指數(shù)為36.3 ℃，對流儲存能量較大，層結(jié)不穩(wěn)定明顯，訂正下午14時的探空圖后，能夠看出對流有效位能增大，不穩(wěn)定能量加強；0～6 km風(fēng)切變達到2.4×10-2/s、風(fēng)速差達到22 m/s；3 km風(fēng)切變達1.2×10-2/s，為對流系統(tǒng)發(fā)展創(chuàng)造了條件。以上分析可得，中低層較強的垂直風(fēng)切變和數(shù)值明顯增大的對流不穩(wěn)定能量構(gòu)成了該次強冰雹產(chǎn)生的有利環(huán)境條件。

3 微波輻射計探測資料演變特征分析

3.1 相對濕度演變特征分析

該次強冰雹發(fā)生前從微波輻射計相對濕度圖上(圖1)可以看出，2021年7月5日13:00—15:00，4 km～6 km中層呈現(xiàn)出相對濕度>90%，0～2 km近地層、6 km～10 km高層相對濕度在80%左右，0～10 km整層呈現(xiàn)出“上下干，中間濕”的3層結(jié)構(gòu)；隨著降雹臨近整層相對濕度明顯下降，至16時左右降雹前，整層相對濕度數(shù)值又開始逐漸增加，降雹開始時3 km～6 km中層接近100%達到飽和狀態(tài)，2 km～3 km相對濕度接近90%，西南風(fēng)急流帶來的暖濕空氣為低層提供了水汽條件，近地面水汽明顯匯聚；降雹結(jié)束后，大氣整層相對濕度明顯減小，仍呈現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)，這種形式有利于冰雹的產(chǎn)生，所以后期仍有可能發(fā)生冰雹天氣，但由于站點分布稀疏，故只能從雷達圖上監(jiān)測分析出后期不停新生的強對流云團可能仍伴有冰雹出現(xiàn)。

在整個降雹過程中，大于8 g/m3的水汽密度集中在2 km以下，與2021年7月5日16:00時近地面層相對濕度出現(xiàn)增大的時間較為一致，在降雹前1 km處水汽密度超過12 g/m3，顯示大氣水汽飽和度較高。降雹發(fā)生時，2 km以下近地面處水汽密度也接近12 g/m3并且一直維持至結(jié)束，這是因為增大的冰晶逐漸下落到融化層時，冰晶融化液態(tài)水增加，近地層水汽密度增大。所以降雹結(jié)束后，2 km以下的水汽密度在逐漸減小。

圖1 2021年7月5日10時—6日0時微波輻射計相對濕度

3.2 0 ℃以下垂直液態(tài)水含量演變特征分析

過冷水含量是否充足可以決定冰雹的成長條件，垂直液態(tài)水含量的垂直廓線上顯示該次過程的演變情況：降雹前，2 km～5 km液態(tài)水含量在0.8 g/m3左右，2.8 km高度上出現(xiàn)最大值，0～2 km液態(tài)水含量在0.3 g/m3左右；降雹的同時伴有降水，大氣中液態(tài)水含量有所減小，2 km～5 km液態(tài)水含量均在0.7 g/m3左右,而0～2 km液態(tài)水含量為0.6 g/m3左右；過程結(jié)束后，2 km～6 km液態(tài)水含量基本恢復(fù)到降雹前的數(shù)值,而液態(tài)水含量0～2 km則下降到0.1 g/m3以下。大氣垂直液態(tài)水含量總體表現(xiàn)為“上下層小，中間層大”的特征。

分析計算-12 ℃～0 ℃層、-20 ℃～0 ℃層、-20 ℃以下層的累積液態(tài)水含量演變特征發(fā)現(xiàn)，垂直方向上0 ℃以下幾層累計液態(tài)水含量的數(shù)值大小基本一致，變化趨勢也基本一樣，峰值出現(xiàn)的時間與強冰雹發(fā)生的時間也較為一致。

3.3 不穩(wěn)定指數(shù)特征分析

根據(jù)微波輻射計監(jiān)測顯示，在降雹前1 h～2 h，4 km以下出現(xiàn)明顯的增溫，溫度增幅在10 ℃左右，-10 ℃和-20 ℃層也有小幅上升，0 ℃層在4.4 km、-10 ℃層在6.3 km、-20 ℃層在7.8 km左右，合適的0 ℃和-20 ℃層高度有利于雹胎生長；強冰雹發(fā)生前氣溫迅速下降，氣壓上升，這可能是由于地面冷空氣的逐漸侵入，導(dǎo)致地面氣壓迅速上升，16:00以后降雹開始，地面氣壓波動較大，而18:00以后地面氣壓趨于平穩(wěn)。

圖2 2021年7月5日10時—6日0時微波輻射計K指數(shù)和SI指數(shù)監(jiān)測

通過微波輻射計資料反演計算得到的K指數(shù)，可以指示出層結(jié)的不穩(wěn)定度，本文利用K指數(shù)分析此次降雹過程的不穩(wěn)定層結(jié)。由圖2可以看到，2021年7月5日白天開始呼和浩特的K指數(shù)就一直維持在30 ℃左右，降雹前14時至16時的K指數(shù)波動較頻繁，呈多個波峰波谷結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)的第一個明顯峰值超過40℃，表明這次冰雹天氣的大氣層結(jié)狀態(tài)一直處于不穩(wěn)定，且變化迅速。在降雹開始的同時，K指數(shù)有一個明顯的躍增，達到另一個波峰(約為38 ℃)，之后緩慢遞減，遞減幅度較小，整體一直維持在34 ℃左右，直到降雹結(jié)束；結(jié)束后K指數(shù)迅速波動下降至30 ℃以下，但還是維持一個較高的值，為后期的降雹提供了有利的不穩(wěn)定條件。

SI<0時，顯示大氣不穩(wěn)定，負值越大，不穩(wěn)定程度越大。SI指數(shù)的變化趨勢表明，在降雹前出現(xiàn)劇烈且頻繁的波動，但在降雹開始后緩慢下降，但整體態(tài)勢趨于平穩(wěn)，降雹結(jié)束后又迅速上升，繼續(xù)呈波動幅度大、波動頻繁的情況，這樣的波動狀態(tài)為后期出現(xiàn)冰雹提供了有利的不穩(wěn)定條件，見圖2。該次降雹結(jié)束后K指數(shù)下降與SI指數(shù)又恢復(fù)到降雹前的高值區(qū)，說明后期仍可能有冰雹產(chǎn)生，但強度較該次降雹可能會減小，結(jié)合后續(xù)雷達資料顯示，強回波區(qū)范圍及強度較前一次確有減弱。

4 結(jié)論

通過此次過程分析，該次降雹天氣發(fā)生在低層大尺度暖脊之中，對流層中高層高空槽加深加強使冷空氣入侵、低空急流加強等天氣系統(tǒng)的合理配置為觸發(fā)突發(fā)性冰雹提供了十分有利的天氣尺度背景條件。筆者利用微波輻射計觀測資料反演大氣相對濕度、溫度、液態(tài)水以及計算的不穩(wěn)定指數(shù)，分析了2021年7月5日發(fā)生在呼和浩特地區(qū)的罕見的強冰雹天氣過程，主要有以下結(jié)論：

①這次冰雹天氣過程發(fā)生在蒙古冷渦減弱并入高空槽，使高空槽加深加強的背景之下，高空槽加深使干冷空氣更好地向河套地區(qū)輸送，并疊加在低層大尺度的暖脊上，低渦底部西南急流帶來充沛水汽的同時輸送了大量的暖空氣，使得大氣層結(jié)擁有很強的不穩(wěn)定性。低層以及近地層充足的水汽，也為降雹提供了有利的環(huán)境基礎(chǔ)，而0～6 km整層深厚的垂直風(fēng)切變，清楚的地面中尺度輻合線都為不穩(wěn)定能量的觸發(fā)提供了有利條件。②根據(jù)微波輻射計監(jiān)測顯示呼和浩特降雹臨近時，大氣整層相對濕度一直維持“上下干，中間濕”三層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于冰雹的發(fā)生；垂直液態(tài)水在降雹前中層明顯增長，臨近降雹回落至低值，降雹時近地層則隨著降水和冰晶下落至融化層后融化、蒸發(fā)，導(dǎo)致低層相對濕度、水汽密度均比降雹前有所增大，液態(tài)水含量也明顯增長，降雹后又迅速回落。同樣原因2 km以下水汽密度在降雹發(fā)生時一直維持在較高數(shù)值，降雹后明顯回落，這些對預(yù)報冰雹天氣的發(fā)生與增強均有一定的指示意義。③從微波輻射計反演得到的K指數(shù)和SI指數(shù)的不穩(wěn)定演變來看，都可以顯示出該次強冰雹天氣的大氣穩(wěn)定度變化情況。降雹前K指數(shù)波動幅度大頻率快，最高可以達到40 ℃以上，為冰雹的產(chǎn)生提供了有利的不穩(wěn)定條件，降雹時K指數(shù)波動幅度小，但維持在一個較高的數(shù)值，說明此時大氣層結(jié)處于較不穩(wěn)定狀態(tài)，降雹后K指數(shù)迅速下降至30 ℃以下。