贵州遵义连续两次冰雹天气过程的诊断分析

2017-03-08张云秋陈茜茜

中低纬山地气象 2017年6期

张云秋，陈茜茜，唐海

(1.贵州省桐梓县气象局，贵州桐梓 563200；2.贵州省余庆县气象局，贵州余庆 564400；3.贵州省仁怀市气象局，贵州仁怀 564500)

1 引言

冰雹、大风等强对流天气容易对社会的工农业生产造成巨大的损失，也常常威胁到了人民的生命财产安全。而强对流天气是在一定大气环流背景下，由中小尺度系统触发形成[1]，因此预报很有难度。冰雹是遵义地区主要的气象灾害之一，根据肖蕾等[2]对历史资料的统计分析，遵义在4月和5月是冰雹的多发季节，降雹频次最多的是遵义中部和东部地区。张蕾等[3]也对遵义降雹天气系统的垂直配置进行了分类，其结论显示无地面锋面配合的降雹类型是占比最小的。本文中的两次冰雹天气过程都没有地面锋面的配合，因此希望通过这两次冰雹过程的异同点以及降雹雷达回波特征的分析，为此类型冰雹的预报和预警提供参考依据。

2 资料的分析与处理

本文收集了2016年4月2日和4月5日贵州省遵义市14个国家站、256个区域站的观测数据及冰雹实况，利用NCEP(1°×1°)再分析资料绘制了无探空站地区和无高空观测时次的TlogP图，计算了相关的物理量数据，利用“气象雷达产品生成软件”分析了遵义多普勒天气雷达(CD型)的观测数据，对4月2日和5日遵义两次冰雹过程的环境场和雷达回波特征进行了综合分析。

3 天气实况与环流形势

3.1 天气实况

2016年4月2日天气过程(简称“4.02”)降雹范围较大。降雹时段为17—21时，主要出现在仁怀、播州、余庆、凤冈、湄潭，最大冰雹直径为余庆构皮滩40 mm，最大雨量为湄潭抄乐47.5 mm。2016年4月5日天气过程(简称“4.05”)除降雹外还伴有区域性暴雨，降雹时段为19—21时，主要出现在汇川、红花岗、绥阳、习水，最大冰雹直径为绥阳县城15 mm，强降水集中在汇川、红花岗、湄潭、绥阳、道真，其中1乡镇出现大暴雨，2县(区)城13乡镇出现暴雨，最大雨量为红花岗新舟100 mm(最大小时雨强73.5 mm/h)。

3.2 环流形势

“4.02”冰雹发生前，500 hPa中高纬度位势高度场为2槽1脊型，贵州处于高空槽前，毕节地区在500 hPa上有弱冷平流，东北低涡的底部在河北—渤海一带，位置比较偏北，低层没有冷平流影响贵州；2日08时，200 hPa副热带急流轴在广西—江西—福建一线，850 hPa低空急流轴(最大风速16 m/s)在广西—贵州东南部—湖南一线，贵阳站为SSW风，风速10 m/s，遵义地区处于急流左前侧的风速辐合区和气旋性切变区，毕节—遵义—重庆万州有一条切变线，切变线较弱，偏北风仅为2 m/s；2日20时，200 hPa急流轴北抬，中心移到湖南中部，且风速明显增强，850 hPa低空急流范围略扩大，贵阳站为SSW风，风速12 m/s，遵义地区转为西南气流控制，如图1a。

图1 4月2日20时天气形势图(a)；4月5日20时天气形势图(b)Fig.1 Weather chart at 20∶00 April 2th (a); Weather chart at 20∶00 April 5th(b)

“4.05”冰雹、暴雨发生前，500 hPa中高纬度位势高度场也为2槽1脊型，我国北方受乌拉尔山东侧高压脊前的西北气流控制，贵州处于高空浅槽前部，高低层都为暖平流控制。5日08时，850 hPa低空急流轴(最大风速20 m/s)在广西西部—湖南西部一线，贵阳站为SSW风，风速14 m/s，遵义地区处于急流左前侧的风速辐合区和气旋性切变区；5日20时，200 hPa急流轴在广西—台湾一线，850 hPa低空急流范围略扩大，贵阳站为SSE风，风速12 m/s，贵州北部—湖南北部—湖北—安徽有一条暖式切变线，如图1b。

4 环境场与物理量

4.1 抬升触发机制

两次强对流天气发生前地面都为热低压控制，受偏南气流和地形影响，贵州西部有东西向的地面辐合线形成，低层的风速辐合、气旋性切变与地面辐合线共同作用，加剧了中尺度强对流天气的触发抬升作用，有利于辐合线上出现强对流天气。

4.2 “上干下湿”的不稳定形势[4]

定义相对湿度<60%为干区[5]，根据对NCEP(1°×1°)再分析资料的分析，2日14时，绥阳和思南地区650 hPa～250 hPa都为干区，其下都为湿区，5日14时，550 hPa～200 hPa都为干区，其下都为湿区，因此两次过程遵义中部、东部地区都存在“上干下湿”的不稳定形势。如图2。

图2 绥阳县(107°E，28°N)4月2日14时T-lnP图(a)与5日14时TlogP图(b)；思南县(108°E，28°N)4月2日14时T-lnP图(c)与5日14时TlogP图(d)Fig.2 The TlogP in Suiyang County (107 °E, 28 °N) at 14∶00 April 2th(a) and at 14∶00 April 5th (b); The TlogP in Sinan County (108 °E, 28 °N) at 14∶00 April 2th (c) and at 14∶00 April 5th注：4张TlogP图是用NCEP(1°×1°)再分析资料绘制，绿线代表相对湿度，红线代表状态曲线，黑线代表层结曲线，蓝线代表露点曲线。

4.3 水汽条件

2日08时赫章—湄潭一线850 hPa水汽通量和比湿都自西向东递增，水汽通量2～10 g/(s·hPa·cm)，比湿10～12 g/kg(700 hPa为4 g/kg)，遵义地区水汽通量散度自南向北递增，为-4～-7g·hPa-1；5日08时赫章—湄潭一线850 hPa水汽通量自西向东递增，为7.9～17.1 g/(s·hPa·cm)，比湿12.7 g/kg(700 hPa为8.1～8.9 g/kg)，遵义地区水汽通量散度自西南向东北递增，为-23～-33 g·hPa-1；5日20时850 hPa上遵义地区有暖式切变线，利于水汽聚集，2日20时850 hPa上重庆沙坪坝站已转为偏南风，遵义为西南气流控制，不利于水汽聚集。因此“4.05”的本地比湿条件、水汽输送和辐合条件都明显优于“4.02”，更有利于强降水天气的发生。

4.4 物理量特征

不稳定层结是对流性天气的3个基本条件之一，抬升指数(LI)、对流有效位能(CAPE)等能够反映不稳定层结情况，常用于强对流天气预报中。LI指数负值越大，表明层结越不稳定，CAPE值是大气不稳定程度的度量，发生对流必须满足CAPE为正。从表1、表2可知，4月2日遵义东部的对流有效位能(CAPE)和抬升指数(LI)明显比5日更有利于形成强对流天气。

表1 基于NCEP(1°×1°)再分析资料计算的4月2日绥阳、开阳、思南各项指数Tab.1 The various indexes were calculated based on the NCEP (1°×1°) reanalysis data on April 2th in Suiyang County, Kaiyang County, Sinan County

表2 基于NCEP(1°×1°)再分析资料计算的4月5日绥阳、开阳、思南各项指数Tab.2 The various indexes were calculated based on the NCEP (1°×1°) reanalysis data on April 5th in Suiyang County, Kaiyang County, Sinan County

注：遵义中部指桐梓、绥阳、汇川、红花岗、播州，遵义东部指湄潭、凤冈、余庆；受NCEP(1°×1°)再分析资料的分辨率影响，遵义东部的大气环境用距离最近的绥阳、开阳、思南3县的数据综合分析。

中等到强的垂直风切变有利于对流风暴有组织地发展。以地面至500hPa的风矢量差表示深层垂直风切变，15 m/s≤风矢量差<20 m/s，判定为中等以上垂直风切变，20 m/s≤风矢量差，判定为强垂直风切变。从表1、表2可知，2日的垂直风切变较强，5日都是中等偏弱的垂直风切变，因此4月2日比5日更容易出现强风暴。

5 雷达回波特征对比

5.1 速度图和反射率因子剖面特征

“4.02”中，从遵义雷达0.5°仰角的径向速度图可以看出，19时08分余庆构皮滩(图3a)有强低层辐合，最大入流速度-24 m/s，最大出流速度18 m/s，旋转速度21 m/s，利于形成强上升气流。从17时24分播州三合(图3b)和19时08分余庆构皮滩(图3c)两张反射率因子剖面图可以看出，低层都有弱回波区和反射率因子高梯度区，但图3b的反射率因子强度明显小于图3c，且图3c强回波伸展到8 km以上，远高于图3b和-20 ℃层高度(2日20时贵阳站为7 585 m)，更加有利于大冰雹的形成，实况为构皮滩最大冰雹直径40 mm远大于三合7 mm。

图3 4月2日19时08分余庆构皮滩0.5°仰角径向速度图(单位：m/s)(a)；17时24分播州三合(b)和19时08分余庆构皮滩(c)反射率因子剖面图(单位:dBz)Fig.3 The mean radial velocity chart on 0.5 ° elevation at 19∶08 April 2th in Goupitan Town,Yuqing County (unit:m/s) (a);The reflectivity factor profile at 17∶24 in Sanhe Town,Bozhou Distric (b) and at 19∶08 in Goupitan Town,Yuqing County (c) (Unit:dBz)

“4.05”中，汇川团泽(图4b)的反射率因子剖面图显示，受雷达体扫仰角的限制，在距离雷达较近处存在静锥区，雷达发射的最高仰角电磁波上方的降水物质不能被探测到，使得风暴结构不能完整展现，但从图中也可看到明显的低层弱回波区和中层回波悬垂结构，强回波中心值也超过了55 dBz。

从表1、表2可以看出，5日20时绥阳的不稳定能量相比14时已下降很多，CAPE值为0，最优对流有效位能(BCAPE)为213 J/kg，低的不稳定能量使得上升气流不够强，不利于形成强冰雹，有利的降雹条件是具有中等强度的垂直风切变。从图4b和图4c可以看到，对流系统的强度在向东北方向移动和传播的过程中已明显减弱。图4a显示，5日20时54分(绥阳县站20时57分开始降雹)，绥阳县城有强低层辐合，最大入流速度-24 m/s，最大出流速度12 m/s，旋转速度18 m/s，有利于形成强上升运动，雷达探测到的强回波(≥45 dBz)最高高度为4.5 km，也是最强回波49 dBz所在处，此高度正好在0 ℃层附近，有降雹的潜势，但雷达回波的各项降雹指标已明显减弱，这也使得冰雹指数(HI)未能识别该冰雹云。

图4 4月5日20时54分绥阳县城0.5°仰角径向速度图(单位：m/s)(a)，19时53分汇川团泽(b)和20时54分绥阳县城(c)反射率因子剖面图(单位:dBz)Fig.4 The mean radial velocity chart on 0.5 ° elevation at 20∶54 April 5th in Suiyang County seat(unit:m/s) (a);The reflectivity factor profile at 19∶53 in Tuanze Town,Huichuan Distric (b) and at 20∶54 in Suiyang County seat (c) (Unit:dBZ)

5.2 冰雹指数(HI)特征

将2日08时和5日08时贵阳探空站0 ℃和-20 ℃层高度植入冰雹指数算法里进行计算，分析结果如下：

表3 4月2日与5日两次冰雹过程冰雹指数(HI)识别情况Tab.3 The identify situation of hail index (HI) in two hail weather events on April 2th and 5th

备注：冰雹发生的具体时间不能准确统计，不能判断降雹为某一个风暴单体所致，因此以风暴组为单位进行统计，风暴组之间的区分以明显时间间隔和距离较远作为标准，人为判断，无量化指标。

根据郭晓超等[6]对遵义地区冰雹指数的研究，冰雹发生地距离雷达22 km内受静锥区影响，冰雹指数偏小，这也是“4.05”中汇川、红花岗冰雹未能识别的原因之一。冰雹指数中各项参数最高的为余庆构皮滩(距遵义雷达76 km)，强冰雹概率、冰雹概率、预期的最大冰雹尺寸分别为80%、100%和1.98 cm。总体来看，排除静锥区和绥阳县雹云外，冰雹指数对其他降雹云团都进行了识别，对强冰雹的指示性尤其明显。

5.3 垂直累积液态含水量(VIL)变化

表4 4月2日与5日两次冰雹过程降雹地区VIL数据对比Tab.4 The identify situation of hail index (HI) in two hail weather events on April 2th and 5th

备注：因为红花岗区和汇川区处于遵义雷达静锥区，因此VIL值失真，不参与统计。

降雹单体在成熟前有明显的VIL跃增[7]。“4.02”冰雹发生地中只有湄潭和余庆VIL跃增最明显，播州、仁怀和凤冈VIL跃增都较小。其中余庆构皮滩VIL一个体扫增加了7 kg/m2，达到18 kg/m2，湄潭新南一个体扫增加了8 kg/m2，达到15 kg/m2。从实况来看，湄潭出现的冰雹范围最大，最大冰雹直径(10 mm)也大于播州、仁怀和凤冈，而余庆则出现了最大直径的冰雹。因此VIL值越大、跃增越明显，则出现大冰雹或者大范围冰雹的可能性越大。