罗 继，曲良璐，穆热扎·吾守尔

(1.新疆自治区阿克苏地区气象台，新疆 阿克苏 843000；2.新疆自治区阿克苏市气象局，新疆 阿克苏 843000 )

2016年5月新疆第一师三团一次强冰雹天气成因分析

罗 继1，曲良璐1，穆热扎·吾守尔2

(1.新疆自治区阿克苏地区气象台，新疆 阿克苏 843000；2.新疆自治区阿克苏市气象局，新疆 阿克苏 843000 )

利用FY-2F/G云图、CINRAD/CC雷达、NCEP以及ECWMF、T639细网格资料和阿克苏自动站资料对2016年5月5日兵团1师3团强冰雹天气进行分析。结果表明：天气发生前阿克苏地区形成“上冷下暖、上干下湿”的不稳定层结，中高层干冷空气侵入与地面中尺度辐合线是触发冰雹天气的主要系统；短波槽自身携带水汽和低层东风输送水汽为冰雹天气提供水汽来源，低层东西风辐合与地形抬升作用为对流发展提供初始动力条件。对流云在东移南下的过程中合并加强形成对流复合体，头部有穿透性云顶凸起，尾部有长达250 km卷云砧，TBB<-50 ℃冷云区面积达750 km2，云体南侧有明显的“弧状云线”。对流单体生命史长达2 h，组织结构完整、有明显的悬垂结构、高悬强回波核、弱回波区和回波墙，风暴顶有类似三体散射的“假象”回波，具有明显的强风暴回波特征。

冰雹;中分析;云图;雷达回波特征

Abstract：By using the FY-2F/G products,CINRAD/CC data,NCEP data,ECWMF data,T639 data and regional meteorological automatism station data in Aksu,this paper analyzed a strong hail weather in Three Corps of Xinjiang on May 5th.The results show that:The Central Asian short wave trough with transit groove top dry cold air intrusion had triggered this hail weather.Water vapor source was the water vapor carried by the short wave trough itself and the lower layer of the East wind.While the growing convective clouds moved toward to the Southeast it had merged to a convective complex.The head of convective cluster had been penetrating top and tail about length of 250 km cirrus plume.The TBB under -50℃of cold cloud area were more than 750 km2.The front of the convective clouds had appeared a obvious arc cloud line.The Convective development maturity had strong storm echo features，obvious overhanging structure,weak echo region,high strong echo nucleus and storm top appear false echo.

Keywords：hail; mesoscale analysis; cloud chart; characteristics of radar echo

1 引言

阿克苏地区地处天山南麓，冰雹是地区主要的气象灾害，每年冰雹给当地农业生产造成的经济损失上亿元。春季4—5月冷暖空气活动频繁，冰雹灾害时有发生，5月尤为明显。近年来，阿克苏地区柯坪县、阿瓦提县、沙雅县等地5月出现多次严重雹灾，2016年5月5日兵团一师三团再次出现严重雹灾。为进一步总结阿克苏地区5月冰雹天气发生背景和演变规律，提高阿克苏地区西南部柯坪县、沙井子垦区(1-3团)等冰雹灾害易发区的分析预警能力，本文利用阿克苏区域自动站气象站、FY-2F/G云图、阿克苏CINRAD/CC雷达资料、NECP(1°×1°)、ECWMF(0.25°×0.25°)、T639(0.28°×0.28°)细网格资料对3团此次强冰雹天气进行了分析研究。在此之前，有不少学者对阿克苏地区及南疆冰雹天气开展了相关研究，张振宪[1]、张俊兰[2]、热苏力·阿布拉[3]等先后对阿克苏冰雹天气的环流形势分型开展研究，总结出冰雹天气环流系统有中亚低涡(槽)型、巴尔喀什湖低涡(槽)型、西西伯利亚低涡(槽)型、锋区短波槽型、南北槽汇合型等。同时，张俊兰对阿克苏冰雹气候特征[2]以及雷达产品与探空物理量在冰雹预警方面的应用开展相关研究[4-5]，得出了阿克苏冰雹发生频次时空分布特征，总结出阿克苏雷达VIL、ET产品和探空CAPE、K、SI指数等冰雹预警指标。张磊[6]对2009年7月27日乌什强冰雹天气的环流配置和雷达回波特征进行分析研究，李圆圆[7]对2013年6月喀什地区一次强冰雹天气成因进行分析，张云慧[8]、李如琦[9]等对中亚低涡背景下南疆西部冰雹、暴雨天气进行分析研究。上述专家以及其他学者[10-20]的相关研究工作，为进一步分析阿克苏地区冰雹天气的环流背景、形成机理及演变规律提供了较大帮助。

2 冰雹天气实况及灾情

2016年5月5日19时20分—20时20分兵团一师三团出现强冰雹天气，强降雨夹杂高密度冰雹，最大冰雹直径1～1.5 mm，累计降雹时间近1 h，三团自动气象站(降雹区外围)监测雨量12.5 mm。从雹云的移动路径可以看出，对流云团由乌什县南山发展而来，翻越南山后沿西北路径一路东移南下，途经柯枰县启浪乡、一团、二团，最终在三团集中爆发形成降雹。冰雹造成1-3连、8连、10连、13连、22连、科技连等8个农业单位3 565 hm2棉花和林果受灾，其中2 220 hm2棉花绝收，经济总损失3 096万元。

3 环境场特征分析

3.1 大尺度环流背景

5月3日20时亚欧范围维持纬向型环流，副热带锋区压在40°～50°N，锋区上多扰动。锋区以北、乌拉尔山以西的低涡稳定少动，里咸海处于低涡底部槽区，新疆仍维持西风气流。4日20时，里海北部低涡缓慢东移南下并在咸海减弱成槽，同时部分冷空气快速东移南下至塔什干地区形成低槽(国境线西部)。5日08时(图1a)短波槽快速东移至阿克苏地区，同时残留冷空气南落至伊朗东部切涡，低涡前部西南风与短波槽前西南风连接打通形成水汽通道，将阿拉伯海水汽向输送至南疆盆地，和田、阿克苏及库尔勒500 hPa T-Td仅1～2 ℃，水汽接近饱和。短波槽的快速东移增加了大气层结不稳定度，有利于对流天气的发生发展。

图1 2016年5月5日08时500 hPa高度场(a)与中尺度分析图(b)Fig.1 500 hPa height field (a) and medium analysis (b) at 08∶00 on May 5,2016

3.2 中尺度分析

从5月5日08时中尺度分析(图1b)可以看出：高层200 hPa副热带西风急流横穿南疆盆地，增强了垂直风切变强度。高空急流右侧的下方必然强迫产生辐合运动，为低空气块提供了抬升机制，有利于触发对流不稳定能量的释放[11]。中层500 hPa槽线过境，槽前为暖湿西南气流(阿克苏10 m·s-1，T-Td<2 ℃)，槽后为干冷西北气流(喀什12 m·s-1，T-Td=22 ℃)，冷暖平流导致斜压锋生和强烈辐合抬升形成的动力强迫有利于对流的发生。700 hPa地区西部存在T-Td<4 ℃近饱和湿区，阿克苏与喀什存在冷式切变(NW 6 m·s-1与SW 6 m·s-1)，中低层切变线常常诱发中尺度天气系统[11]。850 hPa南疆盆地存在气旋式环流，阿克苏与喀什、和田地区存在冷式切变(NW 8 m·s-1与NE 10 m·s-1)；若羌偏东急流(16 m·s-1)的存在有利于热力不稳定增长、水汽输送和低空垂直切变的维持。高空急流、500 hPa槽线、中低层切变线与高湿区都高度重叠在阿克苏地区西部，导致该区域对流潜势更加明显，发生对流性天气机率极大。

4 层结稳定度及触发机制

4.1 不稳定层结

层结稳定度与温度、湿度的垂直分布差异有关，静力稳定度是由温度垂直梯度的演变造成的[9]。5日08时500 hPa槽线叠加在850 hPa暖脊上，△T850-500≥30 ℃，形成上冷下暖的热力不稳定层结。假相当位温θse是反映温度、气压、湿度的综合物理量，θse随高度减小表明有不稳定层结[8]。从5日14时假相当位温θse与比湿q沿41°N垂直剖面(图2a)可以看出：地区中西部地面至500 hPa 呈位势不稳定层结，700～600 hPa等位温线密集，存在不稳定能量锋区，比湿也呈现“上干下湿”的垂直分布结构特征，有利于对流天气的发生发展。地区西部乌什县处于高能高湿的状态，θse850-500=10 ℃、q=7～8g·kg-1，其上游喀什—克州地区850～600hPa有干冷空气向下传导至阿合奇县近地面，而后东移进入乌什县境内触发对流发展。14时NCEP不稳定能量参数也表明地区西部存在CAPE值为200～400 J·kg-1的不稳定能量区(图2b)，乌什县CAPE最大值>400 J·kg-1。

图2 2016年5月5日14时θse与q沿41°N剖面(a.实线为θse，单位：℃；色斑为比湿，单位：g·kg-1；▲为冰雹落区)和CAPE空间分布(b.单位:J·kg-1)Fig.2 θse and Q along 41°N profile at 14∶00 on May 5,2016 (a.Solid line isθse,unit:℃;color spot is wet,unit:g·kg-1; ▲ is hail drop area) and Cape Space distribution (b.Units:J·kg-1)

4.2 垂直风切变

动力不稳定是对流能够发展和维持的关键因素，大气水平与垂直风切变是造成动力不稳定的重要原因[11]。低层偏东风、中层西南风与高层偏西急流形成了有利产生垂直上升运动的“三支气流”，高低空急流、中低层风切变与地面辐合线的存在，加强了低层的辐合抬升与垂直风切变强度，动力不稳条件增强。5日08时阿克苏探空站850～700 hPa存在明显的垂直风切变(SW/NE)，风向差达180°(对头风)，风速切变值达16 m·s-1。0～3km风切变达10.6 m·s-1，0～6 km风切变为14.8 m·s-1。至20时850～700 hPa仍存在南风(4 m·s-1)与东南风(10 m·s-1)切变，0～3 km风切变维持10.1 m·s-1、0～6 km风切变增强至21.8 m·s-1。一般而言，0～6 km垂直风切变达15～20 m·s-1为中等强度风切变[11]。

中低层中等强度垂直风切变的长时间维持，不仅有利于雷暴的发生发展，同时垂直涡度与风切变相互作用产生向上垂直气压梯度力会进一步增加上升气流强度，更加有利于冰雹天气的产生。此外，08—20时850～700 hPa暖平流(风向随高度顺转)与500～200 hPa冷平流叠加(风向随高度逆转)造成的垂直差动平流也加剧了大气层结的静力不稳定，有利于产生对流性天气。

4.3 触发机制

5月5日3团冰雹是在中亚短波槽快速东移的环流背景下产生的，短波槽前伴有系统性的抬升运动，冷暖平流差异造成层结不稳定增长，有利于对流天气的产生。分析14时温度平流、风场与相对湿度沿41°N垂直剖面(图3a)发现：500～300 hPa对流层中高层随槽后西北气流有明显干冷空气侵入，且中高层冷平流强劲、350 hPa变温中心幅度达-20 ℃；同时部分冷空气已侵入低层影响阿图什市、阿合奇县(76°～78°E)。阿克苏地区低层850～700 hPa维持弱的暖平流，低层东南暖湿气流与中高层干冷西北气流在700～600 hPa附近交汇，形成一条水汽辐合带，为冰雹天气的发生起到了提供、聚集水汽的作用。从高低空冷暖平流强度判断，此次天气是中高层干冷气流发挥主导作用，属高空冷平流强迫引发的对流天气。

图3 2016年5月5日14时垂直速度剖面与温度平流剖面(a.风羽为各层次风场；等值线为温度平流等温线，单位：℃，其中>0 ℃为黑实线，≤0 ℃为红色虚线；色斑图为相对湿度，单位：%)与19时地面图(b.黑色点叉线为地面辐合线)Fig.3 *Vertical velocity profile and temperature advection profile at 14∶00 on May 5,2016l (a.Wind plume for all levels of wind field; The isoline is the temperature advection isotherm,Unit:℃,which >0 ℃ is black solid line,≤0 ℃ is red dotted line;The color pattern is relative humidity,unit:%)and ground chart at 19∶00(b.Black Point fork Line is ground convergence line)

地面辐合线是造成对流天气的主要影响系统，对中小尺度对流云团的产生与维持起到重要作用。分析19时地面加密观测资料(图3b)发现：阿克苏市与阿瓦提县为大面积的偏东风，起到了一定的整层垫高抬升作用；偏东风与对流云团翻山西北大风在1-3团附近交汇形成一条东北—西南向的中尺度辐合线，辐合线的强迫抬升作用触发了3团强中小尺度对流(冰雹)天气的发生。

5 水汽与动力条件

5.1 水汽条件

5日14时500 hPa水汽通量显示：短波槽自身携带4～6g·cm-1·hPa-1·s-1水汽经过阿克苏地区，并与孟加拉湾至和田地区西南风输送的水汽在地区西南部聚集(图4a)。低层850 hPa也有一支明显水汽(图4b)随着偏东风输送至阿克苏地区，水汽输送时间从5日02—14时持续12 h，最大水汽通量达8～10 g·cm-1·hPa-1·s-1。中、低层水汽在阿克苏地区水汽西部汇聚，为此次冰雹天气提供水汽来源。

5.2 动力条件

对流天气除了需要高能高湿的环境外，还需要一定初始抬升条件将气块强迫抬升至自由对流高度才能产生对流天气。分析5日08时垂直速度与流场沿41°N剖面(图5a)发现：低层850～700 hPa区域性偏东风已伸至阿克苏市及3团附近(80°E)，并随地形强迫抬升。上游喀什、克州地区500 hPa冷空气随西北气流向下传导至地面，西北气流与偏东气流在阿克苏附近强烈辐合，在地区形成尺度为200 km的辐合上升区，最大垂直上升速度-9 m·s-1，东西风的辐合为上升运动发展与水汽聚集起到了积极作用。14时沿80°E剖面(图5b)表明：低层偏南气流与中层偏北气流形成闭合垂直环流圈，垂直环流的存在有利于产生持续的上升运动。因天山山脉阻挡，低层偏南气流强迫抬升，在乌什及温宿北部山区形成较强的上升运动区，最大垂直上升速度-9m·s-1，为乌什对流云团发生发展提供初始动力条件。

图4 2016年5月5日14时500 hPa(a)、850 hPa(b)水汽通量(单位：10-6 g·cm-1·hPa-1·s-1)Fig.4 500 hPa (a),850 hPa (b) Water vapor fluxes at 14∶00 on May 5,2016 (unit:10-6 g·cm-1·hPa-1·s-1)

图5 2016年5月5日08时沿41°N剖面(a)与14时沿80°E剖面(b)(▲为冰雹落区；灰色阴影区为地形；箭头线为流线；色斑为垂直速度，单位：m·s-1)Fig.5 May 5,2016 08 o'clock along the 41°N profile at 08∶00 (a) and along the 80°E section at 14∶00 on May 5,2016 (b)(▲ is hail drop area; Gray shaded area is terrain; the arrow line is streamline; the color spot is vertical speed,unit:m·s-1)

6 云图与雷达演变特征分析

6.1 云图演变特征

由于下垫面加热差异和地形抬升的作用，可见光云图(图6)15时阿合奇县、乌什县山区开始有中γ尺度积云发展。16时积云A、B、C发展为中β尺度积雨云，云顶出现褶皱和暗影区，TBB中心强度-36 ℃(图略)，阿合奇县西南部淡积云D也开始发展。17时积雨云A、B、C合并形成长约130 km、宽约40 km的对流复合体E，西侧上风方向云顶有褶皱和凸起，存在穿透性对流云顶，TBB中心强度-46 ℃，下风方向云体尾部出现薄雾状卷云羽，云体组织结构趋于完整。18时对流复合体E面积继续扩大，与D接近。D与E“头部”褶皱(上升云顶)更为明显，TBB中心强度达-49 ℃，云体发展成熟。E南侧出现东西向弧状云线(柯坪县启浪乡、1-3团至阿瓦提北部)，表明对流复合体南侧存在强烈的下沉气流形成阵风锋，地面启浪沟、启浪乡出现17.1～21.8 m·s-1西北大风。阵风锋也触发对流天气，柯枰启浪乡18时左右出现降水并伴有冰雹，持续时间约20min，最大冰雹直径1 cm，启浪沟17时51分—18时10 min雨量达8.5 mm。

图6 2016年5月5日可见光云图Fig.6 Visible cloud on May 5,2016

19时积雨云D与对流复合体E合并加强，云体“头部”出现明显的穿透性对流云顶凸起、上升运动强烈，TBB中心强度增致-51 ℃，TBB<-50 ℃冷云面积达150 km2。E南侧的阵风锋触发出新的积云且没有远离母体，表明对流云仍处于维持或加强趋势。19时13分—19时30分三团1-3连、8连、22连、13连相继出现降雹。20时对流复合体E达到最强阶段、结构完整，头部有气旋性弯曲的迹象，凸起和褶皱明显，TBB中心强度-53 ℃，TBB<-50 ℃冷云面积继续增大至750km2；南侧有明显的暗影区，云体发展高度较高；云体尾部有纤维状卷云，表明高空风强劲，地面至高空的垂直风切变也较大，地面19时47分—20时三团3连、13连和科技连出现降雹，至20时20分左右降水基本结束。

6.2 反射率因子演变特征

18时22分对流单体在启浪乡降雹后最大回波强度衰减至40 dBz(图7a1)，2.4°仰角速度图上(图7b1)对流层中层存在辐合式旋转，出(入)流速度12 m·s-1(10 m·s-1)，这有利于对流单体的维持与增强。对流单体前侧入流明显，弱回波区和悬垂结构仍然维持(图7c1)。18时45分对流单体经过2团水库，水汽得到迅速补充，回波强度迅速增强至53 dBz(图7a2)；速度图中层气旋式辐合仍然存在。对流单体具有典型的弱回波区和悬垂结构特征(图7c2)，弱回波区左侧有近乎垂直的强大回波墙，强回波中心对应的风暴顶部有凸起，表明前侧入流强劲、垂直风切变强、上升运动剧烈，对流单体发展旺盛。强回波中心“接地”表明地面出现降雹。18时45分—19时36分对流单体经历了多次“降雹衰减→再增强→再降雹”的过程(图略)，3团1～3连、8连相继出现冰雹。19时47分对流单体进入科技连范围，强回波中心再次增强(图7a3)，前侧出现“V”型缺口，强回波核面积明显增大(图7c3)，高度3～6 km，并且出现类似三体散射的“假象回波”，此时科技6连也出现冰雹。20时10分回波减弱(图7a4)，≥50 dBz强回波消失，对流单体垂直结构处于消亡阶段(图7c4)，至20时30分降水结束，3团气象站2 h累计降水量12 mm。

图7 雷达组合反射率与垂直剖面图Fig.7 The combination of radar reflectivity and vertical section

7 结论

①中亚短波槽快速东移破坏了大气层结的静力不稳定，系统性的抬升运动、较强的垂直风切变与差异性冷暖平流使阿克苏地区形成“上冷下暖、上干下湿”的不稳定层结，高空急流、槽线、中低层切变线与地面辐合线在三团附近叠加形成高能、高湿的不稳定能量区，为对流天气的发生发展提供了有利的环境条件。

②槽后干冷空气侵入与地面中尺度辐合线是触发冰雹天气的主要影响系统。地形强迫抬升为对流云团初生、发展提供了初始动力条件，低层暖湿偏东气流与中高层干冷西北气流在阿克苏地区的强烈辐合为对流天气的发展提供了充足的动力条件，同时起到聚集水汽的作用。而垂直风切变的长时间维持会增加上升气流强度，更加有利于风暴进一步加强和发展。

③对流云发展成熟时有典型的雹暴云团特征：红外云图上呈椭圆形、色调明亮，TBB<-50 ℃冷云区面积达750 km2，TBB中心强度达-53 ℃。可见光云图上出现穿透性云顶区(风暴核)，云团上风方边界光滑、下风方有卷云砧，表明对流云体非常旺盛、发展高度很高，有利于冰雹天气的产生，而云体移动前侧(南侧)由阵风锋引起的“弧状云线”不断触发新的雷暴单体融入母体，使雹暴云团得以加强和维持。

④雷达回波显示对流单体是沿西北路径移动并影响三团，经历多次“增强→降雹衰减→再增强→再降雹”过程，风暴生命史长达2 h。对流单体反射率因子强度≥50 dBz，前侧有"V"型缺口；垂直剖面有明显悬垂结构和弱回波墙，回波顶高8～10 km，19时47分出现类似三体散射的“假象”回波，表明对流云中上部有直径较大冰雹粒子存在，这与地面降雹时间也十分吻合。速度图上对流层中层气旋式辐合的存在有利于对流单体维持和加强，并保持完整的组织结构。

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ThecauseanalysisofastronghailqeatheroccurredinthreecorpsofXinjianginMay2016

LUO Ji1,QU Lianglu1,MirZA·A shur2

(1.The Metrological Observatory of Aksu Prefecture,Xinjiang,Aksu 843000,China;2.The Meteorological Bureau of Aksu Prefecture,Xinjiang,Aksu 843000,China)

P458.1+21.2

B

1003-6598(2017)04-0045-07

2016-12-13

罗继(1982-)，男，工程师，主要从事天气预报与气候预测工作，Email:lj2002aaa@163.com。

中国沙漠气象科学研究基金(Sqj2015006) 新疆气象局青年骨干人才培养计划。