李润春　高源　董文晓　艾静　梁潇　尉锦昌

摘 要：分析了2014年阳泉市6次（9 d）局地风雹灾害天气过程，研究了灾情发生当天的实况观测结果、数值预报产品、多普勒雷达观测和雷达拼图产品等常用气象业务资料，并总结了阳泉市该类天气发生的天气学特征和雷达观测特征。结果显示：①阳泉市风雹灾害天气的环流形式主要有蒙古冷涡型、脊前横槽型、西风带冷槽型三类；②有高层干冷、低层暖湿的层结条件；③08：00 500 hPa天气图上有明显的冷空气影响阳泉，东胜、呼和浩特、张家口的温度低于-10 ℃，太原、邢台的温度低于-8 ℃；④低层相对湿度大于或等于60%；⑤雷达观测45 dBz强回波发展到-20 ℃层高度（7～8 km）以上；⑥SWAN资料垂直液态水含量VIL≥15 g/m3。这些可作为经验性数据应用于实际预报业务。

关键词：风雹天气；局地灾害；单体风暴；灾情报告

中图分类号：P429 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.030

山西省阳泉市地处山西省中东部的太行山山区，年平均降雹日数为1～3 d，在我国属于风雹偏多地区。当风雹灾害发生时，多伴有大风灾害，偶尔伴有强降水天气，进而导致农、林业遭受巨大的损失，甚至人畜伤亡。近年来，与风雹相关的研究方向主要有风雹的气候特征、天气学分析、数值模式产品的应用、多普勒雷达资料的应用、人工防雹等。风雹灾害具有局地性强的特点，这增加了天气预报的难度。而多方位的研究，特别是多普勒天气雷达在我国的布设和应用大大增强了人们对风雹天气的综合认识。风雹灾害与强对流天气的发展有关，一般由超级单体风暴和较强的多单体风暴产生，风暴中强烈的上升气流是其形成的必要条件，较大的对流有效位能（CAPE）、垂直风切变和强对流上升至0 ℃层，特别是-20 ℃层的等温线以上是形成风雹灾害的基本环境。本文利用常用气象资料对阳泉市的风雹天气进行了预报总结，这对提高当地风雹灾害预报水平和防御、减轻灾害有重要意义。

1 研究资料和2014年发生的风雹灾害

本文采用了常用气象业务资料，主要包括高空和地面观测资料、欧洲中心数值预报模式资料、山西省WRF中尺度数值预报模式资料、太原多普勒雷达资料、山西雷达拼图产品、强天气短时临近预报系统的SWAN资料等。

2014年，阳泉市多次出现局地风雹灾害，发生时间、地点为2014-06-16—17日阳泉市郊区、2014-08-17盂县（根据自动站雨量、雷达资料分析订正为2014-08-16）、2014-08-21平定县、2014-08-23阳泉市郊区和平定县、2014-08-27—2014-08-28盂县和平定县、2014-09-01—2014-09-02阳泉市郊区。此次灾害主要出现在午后到夜间。风雹灾害对当地农业生产造成了严重的破坏，如表1所示。国家级气象站记录的风雹灾害日包括2014-06-16阳泉市、2014-06-17盂县、2014-07-03盂县、2014-07-17平定县、2014-08-23平定县。其中，2014-07气象站记录的风雹灾害日未形成灾害。因此，气象站的记录并不能完全反映境内风雹灾害的程度。而依据灾情资料研究风雹天气更具有合理性，这样只存在民政部门灾情报告时间不准确的问题。

2 2014年阳泉市风雹天气的天气学特征

2.1 500 hPa天气系统

2014年，阳泉市风雹天气可分为3类：①蒙古冷涡型。主要集中在2014-06出现。②脊前横槽型。该类型的天气环流经向度大，东北部存在低涡活动，涡后脊前有横槽滑下，是2014年出现最多的风雹天气。③西风带冷槽型。该类型的天气有较强的冷平流，呈阶梯槽或低涡切断。上述3类天气具体如图1所示。

2.2 700 hPa影响系统

如图2所示，700 hPa影响系统共分为3类：①西北气流中有风向扰动（蒙古冷涡型对应的低空系统）；②切变线或西风槽辐合（脊前横槽型、西风带冷槽型对应的低空系统），抬升运动增强；③槽前暖区型（西风带冷槽型、脊前横槽型对应的低空系统）。700 hPa低空有较强的西南风大值区，低层暖平流、高层冷平流提升了天气的不稳定性，类似于西南风低空急流对暴雨的作用，低层一致的西南风有时也具有引发风雹天气的作用。

2.3 低层至地面的扰动系统

当700 hPa系统不明显时，仍可在850 hPa至地面分析出风场的扰动。比如，2014-08-21T17：00的数值预报资料显示，850 hPa、10 m风场下平定县附近有东西向的风向切变。而平定县气象站的实测资料显示，2014-08-21T17：00的地面风偏南，2014-08-21T18：00转为北风。图3为地面自动站记录的2014-08-21T17：00—18：00的地面极大风速，阳泉市北部存在风向切变。

2.4 地面形势

大部分个例08：00海平面气压场有致使冷空气活动的冷高压影响阳泉市的天气。2014-09-01—02个例阳泉市处于暖低压后部，未来转受西北部移来的冷高压影响。

2.5 热力和水汽条件

9个个例天气图上，高空500 hPa有明显的冷空气活动影响阳泉。08：00东胜、呼和浩特、张家口（站号分别为53543、53463、54401）的温度低于-10 ℃，太原、邢台（站号分别为53772、53798）的温度低于-8 ℃；低层850 hPa相对湿度较大，均大于或等于60%.分析08：00的T-lnp图后发现，太原、邢台的上干、下湿层个例分别占其总数的6/9和7/8.850 hPa处与500 hPa处温差T850-T500≥25 ℃的个例分别占7/9、6/8.这种高层干冷、低层相对暖湿，且高低层温差大的分布有利于对流的不稳定。对流的不稳定程度可用T-lnp资料计算得出的对流稳定度指数IC 分析，IC=θse500-θse850.当IC<0时，为对流性不稳定。8个个例太原对应的IC范围为-12.2～-5.9 ℃，邢台的IC范围为-12.1～-0.5 ℃；08：00太原或邢台的IC>0可作为阳泉当日风雹灾害的消空条件。

9个个例数值模式在风雹灾害日14：00沿太行山东部的对流有效位能（CAPE）值较大，如图4所示。对流有效位能易在阳泉市形成这样的分布，说明阳泉市局地风雹灾害是在一定的环流形势下产生的，与地形有一定的关系（太行山以东的海拔高度低，夏季低层盛行偏东南气流，利于低层暖湿能量的积聚）。

2.6 垂直剖面分析

利用山西省WRF数值预报资料中的垂直剖面产品，分析了风雹灾害前一天20：00起报的阳泉未来12～36 h风速、垂直速度、相对湿度等要素的垂直分布，分析结果如下：①9个个例中有6个个例伴有高空槽过境；②7个个例有明显的水平风辐合；③阳泉近地面层至高空存在垂直上升运动的个例有5个，灾害范围较大的风雹灾害日均有明显的垂直上升运动，如图5所示；④9个个例垂直方向上均存在相对湿度大于等于60%的区域；⑤垂直风切变是生产强雷暴天气的条件，且随着高度的增加，7个个例的低层为偏南风，高层为偏北风或偏西风。

2.7 T-lnp图中0 ℃层和-20 ℃层分析

2014年阳泉市风雹灾害日08：00太原T-lnp图上0 ℃层和-20 ℃层的高度统计如表2所示。风雹灾害日0 ℃层的高度范围为601～663 hPa，约4 km；-20 ℃层的高度在408～430 hPa，约7 km；-20 ℃与0 ℃之间的厚度为186～254 hPa，约3 km。

分析太原2014年夏季逐日08：00的0 ℃层和-20 ℃层的数据后发现，6月、7月和8月的0 ℃层、-20 ℃层的高度接近表2中的平均值，已满足0 ℃层高度在600 hPa附近、-20 ℃层高度在400 hPa附近或以下的成雹基本条件。而在7月的大部分时段，0 ℃层和-20 ℃层的高度明显较高。

进一步分析阳泉市2014-07国家级气象站有2 d出现小冰雹，而境内没有出现雹灾时的0 ℃、-20 ℃高度。与统计的风雹日相比，2014-07-03，太原0 ℃层高度（604 hPa、4 435 m）适宜，但-20 ℃层高度（380 hPa、7 726 m）较高；2014-07-17，0 ℃、-20 ℃高度（586 hPa、4 842 m与394 hPa、7 679 m）均偏高。由此可见，这2 d冷空气势力弱，0 ℃、-20 ℃层高度不利于成雹。

3 雷达资料分析

分析发现，致灾风雹判别中最直接的判断依据是反射率因子（即雷达回波强度）、强回波（45 dBZ）高度和形态特征等。分析2014-08-16、2014-08-21、2014-08-23、2014-08-27太原多普勒雷达基数据后发现，4个个例回波反射率最高时达65 dBZ，低层有入流缺口，且垂直剖面都具有因强上升气流而形成的悬垂特征。2014-08-16，回波高度最高达16 km，强回波高度达8 km；2014-08-21，强回波早期已接地，以强降水为主，只在运动中短时间具有低层入流缺口、悬垂等典型风雹云特征，回波高度最高达20 km，强回波高度达7 km。

上述前两个个例的强回波的长轴最长达10 km，且速度图中存在逆风区，可识别出多单体发展为强单体；后两个个例在20 min内持续出现65 dBZ强回波。

30 dBZ回波面积更大，长轴可达20 km，甚至30 km，且其速度图中含有气旋。此外，2014-08-23，单体后部的下沉气流出现缺口；2014-08-27，径向方向风雹衰减形成“V”形缺口。根据反射率因子的强度，强回波、高度、面积、持续时间和中气旋分析，2014-08-23和2014-08-27的风雹天气为多单体发展为的超级单体。

基于2014年的9个个例，并结合近年来阳泉市气象台对太原多普勒雷达资料的分析认为，当反射率因子达到65 dBZ、强回波高度达到8 km，风雹灾害便已经发生；当反射率因子达到45 dBZ、强回波发展至8 km（个别达7 km）以上时，易发生风雹灾害。但此结论的应用还需考虑0 ℃层和-20 ℃层的高度。图6中的a为2014-08-21T16：00风雹灾害发生时的PPI、VCS雷达回波图，已满足反射率因子达到45 dBZ、强回波发展至8 km以上的条件；图6中的b为2014-07-17T17：00的PPI、VCS雷达回波图，雷达观测到阳泉市东部的对流云发展非常强盛，反射率因子为45 dBZ时的强回波范围更大、高度更高，但反射率因子未发展至65 dBZ，且未发生风雹灾害。

分析2014-07-17高空观测资料后发现，08：00 500 hPa东胜、呼和浩特、张家口的温度为-10～-8 ℃，太原、邢台的温度为-7～-6 ℃，明显高于阳泉2014年9个风雹灾害日的统计温度。2014-07-17，太原0 ℃层、-20 ℃层的高度高于上述风雹灾害日的统计高度，不利于形成大风雹。此外，该地区气象站的观测结果也证实了强对流发展到-20 ℃层的高度以上时才有利于大风雹产生。

分析常用的山西雷达拼图组合反射率后发现，9个个例中有6个个例的反射率因子最强可达60 dBZ及以上，强回波面积长轴长10 km及以上，2014-06-17、2014-09-01、2014-09-02的3个个例的回波相对较弱，最强达55 dBZ及以上，强回波面积长轴明显小于10 km。强天气短时临近预报系统的SWAN拼图产品显示，9个个例中8个个例回波顶高产品的数值为15～18 km。此外，9个个例的垂直液态水含量VIL均有所提升，数值为15～65 g/m3。

4 结论

综上所述，笔者总结了以下6个预报要点，可在实际预报工作中参考：①500 hPa天气系统主要包括蒙古冷涡型、脊前横槽型、西风带冷槽型三类；700 hPa影响系统包括西北气流中有风向扰动、切变线或西风槽辐合、槽前暖区三类。当700 hPa系统不明显时，850 hPa至地面的空间中存在风场的扰动和风切变，通过08：00的地面图可分析得出冷空气活动的高压。②具备高层干冷、低层暖湿的层结条件。08：00 500 hPa天气图上有明显的冷空气活动（冷平流），导致阳泉、东胜、呼和浩特、张家口的温度低于-10 ℃，太原、邢台的温度低于-8 ℃。低层相对湿度大于或等于60%.③阳泉市出现的风雹灾害天气与其山地地形有一定的关系，因此，需分析沿太行山东部因低层较暖湿气流而形成对流有效位能的大值区。④9个个例发生灾害的时间为12：00—21：00，阳泉市局地风雹灾害一般发生在

午后至夜间，这与午后气流层结不稳定增强有关。此外，并不是所有风雹灾害都是在系统过境时发生的，部分在700 hPa系统过境前发生，部分在700 hPa系统过境后发生。⑤一般情况下，每年的6月、7月、8月有降雹形势时，0 ℃层、-20 ℃层的高度大多能满足基本成雹条件。当夏季暖空气势力较强时，500 hPa阳泉附近锋区的温度较高，且0 ℃层、-20 ℃层的高度较高，即使对流发展强盛，也不利于成雹和形成风雹灾害。⑥多普勒雷达资料中的反射率因子超过65 dBZ，且入流缺口、悬垂等是典型的冰雹云特征，会造成风雹灾害。在天气潜势条件满足的前提下，45 dBZ强度回波发展到7～8 km及以上时，则考虑该地区可能发生风雹灾害。山西雷达拼图组合的反射率因子达到55 dBZ，SWAN资料中的回波顶高大于或等于15 km，垂直液态水含量VIL≥15 g/m3，也可作为判别本地是否发生风雹灾害的指标。

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作者简介：李润春（1967—），女，山西盂县人，2006年毕业于兰州大学气象学专业，理学硕士，副研级高级工程师。

〔编辑：张思楠〕