甄雅鑫

（巴彥淖爾市五原縣氣象局，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015100）

五原縣地處內(nèi)蒙古河套平原腹地，黃河“幾”字灣最北端，是典型的農(nóng)業(yè)大縣。冰雹作為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、破環(huán)性大、區(qū)域性明顯的特征，同時(shí)伴有雷電大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水，對(duì)五原縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的危害。郭玉鳳、方曉紅等[1—2]對(duì)巴彥淖爾市冰雹天氣的氣候特征、移動(dòng)路徑和預(yù)報(bào)指標(biāo)等進(jìn)行研究與分析，認(rèn)為沙氏指數(shù)SI≤1.0，K指數(shù)≥40，A 指數(shù)≥10 是判斷五原縣層結(jié)不穩(wěn)定的指標(biāo)；李一平等[3—4]通過(guò)內(nèi)蒙古中西部降雹的指標(biāo)及一些物理量對(duì)冰雹的形成和影響進(jìn)行研究，但是對(duì)五原縣的研究不多。本文通過(guò)2016 年巴彥淖爾市五原縣發(fā)生的一次典型冰雹天氣過(guò)程分析，對(duì)冰雹天氣有更清楚的認(rèn)識(shí)，為災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)、預(yù)警與服務(wù)提供依據(jù)。

1 天氣實(shí)況及災(zāi)情

2016 年6 月3 日下午，受蒙古冷渦影響，五原縣自西向東遭受冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，小時(shí)最大降水量為22.7 mm/h，極大風(fēng)速達(dá)21.5 m/s，均出現(xiàn)在3 日15：00 隆興昌。降雹最大持續(xù)時(shí)間8 min。強(qiáng)降雹造成五原縣隆興昌、和勝、套海、勝豐、復(fù)興、塔爾湖、銀定圖、新公中、天吉泰等9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，49 個(gè)自然村，220 個(gè)社、73 150 人受災(zāi)，成災(zāi)面積35 068 hm2，絕收面積5 866.67 hm2，受災(zāi)農(nóng)作物主要有玉米、葫蘆、葵花、甜瓜、小麥、番茄、小菜籽，直接經(jīng)濟(jì)損失18 021.08 萬(wàn)元。

2 環(huán)流背景分析

該次降雹過(guò)程環(huán)流形勢(shì)比較典型。從高空環(huán)流形勢(shì)（圖1）可知，6 月3 日08：00 500 hPa 亞歐大陸為兩槽一脊環(huán)流形勢(shì)。中高緯度影響五原縣降雹的天氣系統(tǒng)是蒙古低渦底部低槽，伴隨著冷槽的東移進(jìn)入五原縣境內(nèi)，低渦底部的氣旋式切變影響五原縣，造成輻合上升運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，低渦內(nèi)部及降雹區(qū)的濕度較大，為冰雹的形成提供了足夠的水汽條件。700 hPa 高空?qǐng)D（圖2）上，五原縣同樣受冷槽底部偏西氣流影響，700 hPa 槽線落后于500 hPa 槽線，形成前傾槽結(jié)構(gòu)。850 hPa 高空?qǐng)D（圖3）上，在五原縣上游有切變線，配合有12℃暖舌向內(nèi)蒙古中部伸去，五原縣的東部有渤海偏南的暖濕水汽輸送。由圖4 可知，五原縣受地面倒槽影響。這樣的高低空形勢(shì)配置，造成上冷下暖的溫度差動(dòng)平流，加大了層結(jié)的不穩(wěn)定性，配合地面倒槽的抬升，為該次冰雹天氣的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的條件。

圖1 五原縣2016 年6 月3 日08：00 500 hPa 高空?qǐng)D

圖2 五原縣2016 年6 月3 日08：00 700 hPa 高空?qǐng)D

圖3 五原縣2016 年6 月3 日08：00 850 hPa 高空?qǐng)D

圖4 五原縣2016 年6 月3 日08：00 地面海平面氣壓場(chǎng)

3 物理量診斷分析

3.1 動(dòng)力條件

分析6 月3 日08：00 的散度場(chǎng)（圖5a）可知，從低層到高層，矢量散度場(chǎng)出現(xiàn)了整層輻合，850 hPa大負(fù)值中心恰好位于套區(qū)東北部，有利于對(duì)流發(fā)展。對(duì)形成冰雹的渦度場(chǎng)而言，500，700，850 hPa 都為正渦度區(qū)（圖5b～5d），且渦度值隨高度的增加而增大，有上升運(yùn)動(dòng)。正渦度值的高低層配置，非常有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展。

3.2 水汽條件

水汽不僅是對(duì)流云形成的原料，而且它的垂直分布是影響氣層穩(wěn)定度的重要因子。6 月3 日08：00，五原縣上空（N41°05’20”、E108°28’15”）850，700，500 hPa 比濕分別為10，7，1.5 g/kg（圖6）。隨著高度的遞增比濕逐漸減小，500 hPa 相對(duì)濕度場(chǎng)（圖7）僅為60%，700，850 hPa 迅速增加為90%，100%。分析其他濕度參量可以得到類似的結(jié)果，說(shuō)明五原縣上空上干下濕的配置很明顯，有利于不穩(wěn)定能量的形成。由水汽通量散度場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)（圖8）分析表明，08：00 冰雹落區(qū)850 hPa 為水汽輻合區(qū)，中心強(qiáng)度為-3.6×10-4g/（hPa·cm2·s），為冰雹的生成提供了充足的水源。

3.3 穩(wěn)定度條件

大氣對(duì)流是有效能量之間的相互轉(zhuǎn)換和釋放。對(duì)流有效位能CAPE 為可以轉(zhuǎn)換成氣塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的能量。對(duì)流抑制能量是氣塊獲得對(duì)流必須超越的能量臨界值。這2 個(gè)值已經(jīng)成為強(qiáng)對(duì)流天氣分析預(yù)報(bào)中的常用參數(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用[5—6]。分析08：00臨河站的探空資料（圖9）發(fā)現(xiàn)，CAPE 值為83 J/kg，能量值較低，說(shuō)明08：00 的不穩(wěn)定能量條件較差，而20：00 的CAPE 值明顯增大，為下午的冰雹提供了不穩(wěn)定能量；而20：00 的CIN 值較08：00 相比明顯減小，促進(jìn)了冰雹的發(fā)生（圖10）。

08：00 冰雹發(fā)生前，套區(qū)大部分地區(qū)處于不穩(wěn)定區(qū)，臨河站850 hPa 和500 hPa 的假相當(dāng)位溫的差值在10 ℃以上，且假相當(dāng)位溫的值隨高度的增加而減小，沙氏指數(shù)SI=-1.4℃，表明大氣呈對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)。

大量文獻(xiàn)表明，K 指數(shù)主要用作對(duì)流性天氣的一個(gè)熱力指標(biāo)。它既能考慮垂直溫度梯度，又考慮了低層水汽條件，還間接表示了濕層的厚度[7]。臨河站08：00 的K 指數(shù)為33.6℃，表明氣層很不穩(wěn)定且低層為暖濕，具有發(fā)生強(qiáng)雷暴的可能性。

3.4 0℃和-20℃層高度

深厚的負(fù)溫區(qū)有利于冰雹尤其是強(qiáng)冰雹生成，即-20℃～0℃的區(qū)域，也稱過(guò)冷水累積區(qū)，其厚度越小越有利于降雹[8]。0℃和-20℃層高度分別是云中冷暖云分界線和大水滴自然冰化區(qū)的下界，是判斷環(huán)境大氣是否有利于冰雹云生成的重要參數(shù)。劉曉輝[9]研究表明，0℃層的高度在600 hPa 上下，-20℃高度層在400 hPa 附近時(shí)有利于冰雹的生成。由圖9 可知，0℃層的高度為3 654 m，在600 hPa 附近；-20℃層高度為6 987 m，在400 hPa 附近，都滿足冰雹產(chǎn)生的條件。

圖5 2016 年6 月3 日08：00 五原縣850 hPa 散度場(chǎng)和不同高度渦度場(chǎng)分布圖

圖6 2016 年6 月3 日08：00 不同高度層比濕場(chǎng)分布圖

3.5 垂直風(fēng)切變

垂直風(fēng)切變是指水平風(fēng)隨高度的變化。大量文獻(xiàn)[10—11]指出，在一定的熱力條件下，風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)垂直切變對(duì)雷暴的發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。由圖9 分析表明，中下層500 hPa 以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)顯著，為暖平流；對(duì)流層中層（500～300 hPa）風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流侵入，風(fēng)向的高低空配置有利于不穩(wěn)定的加強(qiáng)，而且風(fēng)速隨高度明顯增加，垂直切變加大有利于上升氣流和下沉氣流在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里共存發(fā)展，有利于中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展。

圖7 2016 年6 月3 日08：00 不同高度層相對(duì)濕度場(chǎng)分布圖

3.6 強(qiáng)天氣威脅指標(biāo)

美國(guó)天氣預(yù)報(bào)員提出強(qiáng)天氣威脅指標(biāo)SWEAT,朱乾根等[11]研究表明，河套地區(qū)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的可能性極大。郭玉鳳等[1]得出，在巴彥淖爾發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的SWEAT 值一般在180 左右。查看當(dāng)天08：00探空?qǐng)D可知，降雹區(qū)附近的臨河站SWEAT 為219，超過(guò)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)值。到20：00 臨河站SWEAT 值明顯減小到187，有利于強(qiáng)天氣的產(chǎn)生。

圖8 2016 年6 月3 日08：00 不同高度層水汽通量散度場(chǎng)分布圖

4 雷達(dá)產(chǎn)品分析

從13：58 開始，對(duì)流回波進(jìn)入五原縣并自西向東移動(dòng)，直至16：29 逐漸減弱消散。通過(guò)對(duì)臨河C波段新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品的分析發(fā)現(xiàn)，該次有多個(gè)對(duì)流單體生成，共同構(gòu)成一個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)影響五原縣發(fā)生降雹天氣，現(xiàn)就強(qiáng)度最強(qiáng)及最典型的G7單體進(jìn)行分析，見圖11。

圖9 2016 年6 月3 日08：00 臨河探空?qǐng)D

G7 于14：46 生成于黃河沿岸，自西南向東北方向移動(dòng)。生成后迅速加強(qiáng)，于第2 個(gè)體掃，雷達(dá)回波最大反射率因子由45 dBZ 躍升到60 dBZ，VIL 值也出現(xiàn)躍增，由不足5 kg/m2上升為39 kg/m2，降雹概率和強(qiáng)降雹概率分別為100%和90%；回波頂高由3 km 躍增到7 km，強(qiáng)天氣概率為75%。隨著時(shí)間推移，云體逐漸發(fā)展壯大，且東移北抬，說(shuō)明此時(shí)云體上部處于西南偏西風(fēng)的環(huán)境場(chǎng)中，與此時(shí)引導(dǎo)氣流為西南風(fēng)的高空風(fēng)保持一致。單體趨勢(shì)產(chǎn)品顯示，反射率因子、回波頂高、質(zhì)心高度、VIL、冰雹及強(qiáng)冰雹指數(shù)的數(shù)值都非常大，預(yù)期最大的冰雹尺寸達(dá)7.6 cm（3 英寸），強(qiáng)天氣概率為99%。

圖10 2016 年6 月3 日20：00 臨河探空?qǐng)D

圖11 G7 單體趨勢(shì)圖

從徑向速度圖上看（圖12），單體北部有中氣旋結(jié)構(gòu)生成，周圍還有龍卷式渦旋配合，同時(shí)其邊緣0.5°，1.5°，2.4°，3.4°每個(gè)仰角都存在逆風(fēng)區(qū)，在向陽(yáng)村存在明顯的輻合區(qū)，說(shuō)明此處風(fēng)向發(fā)生了劇烈的變化，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的風(fēng)切變和輻合，而另一側(cè)的輻散區(qū)有利于水汽的垂直輸送和降水粒子的降落。陳鮑發(fā)等[13—15]研究也表明，“逆風(fēng)區(qū)”范圍內(nèi)回波發(fā)展更加強(qiáng)盛，強(qiáng)度增強(qiáng)，可作為發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的重要指標(biāo)之一。15：10，G7 南側(cè)不斷有新的回波單體產(chǎn)生，并與之合并持續(xù)發(fā)展加強(qiáng)為弓形回波。15：34 合并后的體掃產(chǎn)品顯示，單體又一次加強(qiáng)，對(duì)流最旺盛，VIL 值又一次躍增為50 kg/m2，且強(qiáng)冰雹概率為100%。劉治國(guó)等[16]將垂直累積液態(tài)水的這種變化稱為爆發(fā)式增長(zhǎng)現(xiàn)象，對(duì)冰雹的預(yù)警有很好的指示意義。

由此時(shí)的不同仰角反射率因子剖面圖（圖13）可知，在垂直高度上，低層的弱回波區(qū)對(duì)應(yīng)著中高層強(qiáng)回波，說(shuō)明中高層存在著懸垂回波，單體風(fēng)暴云有傾斜和強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，存在明顯的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)的徑向速度圖上有17 m/s 的大風(fēng)區(qū)，即風(fēng)暴的最大上升氣流區(qū)。15：52 雷達(dá)回波頂高、冰雹及強(qiáng)冰雹概率、垂直累積液態(tài)水含量分別降為5 km、70%和20 kg/m2，單體逐漸開始減弱。

Amburn 和Wolf[17]定義VIL 與風(fēng)暴高度之比為VIL 密度，并做了大量研究，表明幾乎所有VIL 密度值超過(guò)4 g/m3的風(fēng)暴都會(huì)產(chǎn)生直徑超過(guò)2 cm 的大冰雹。計(jì)算此單體的VIL 密度值發(fā)現(xiàn)，從單體生成的第1 個(gè)體掃開始到15：59 單體開始減弱消亡，期間的VIL 密度值始終都高于4 g/m3，而且冰雹是在3 個(gè)體掃即18 min 后降落的，說(shuō)明VIL 密度值對(duì)于這種局地突發(fā)性冰雹的預(yù)警具有很好的指示意義，這與丁建芳[18]的研究結(jié)論一致。冰雹指數(shù)產(chǎn)品是對(duì)每個(gè)被識(shí)別的風(fēng)暴單體，提供其風(fēng)暴單體結(jié)構(gòu)，對(duì)是否有助于冰雹形成具有較好的指示意義[19]。對(duì)比單體的冰雹指數(shù)產(chǎn)品，從第2 個(gè)體掃開始至冰雹成熟結(jié)束，持續(xù)出現(xiàn)“POS”報(bào)警，說(shuō)明此時(shí)應(yīng)該警惕強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。該次冰雹指數(shù)算法有較好的指示意義。

圖12 15：34 五原縣不同仰角的徑向速度圖

圖13 15：34 五原不同仰角的反射率因子

5 結(jié)論

（1）蒙古冷渦、低層切變線、地面倒槽的抬升，配合上高冷、下暖濕的不穩(wěn)定配置環(huán)境場(chǎng)，為該次冰雹的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件和觸發(fā)機(jī)制。

（2）從物理量條件來(lái)看，正渦度場(chǎng)、大片輻合區(qū)、不穩(wěn)定能量、風(fēng)的強(qiáng)垂直切變、合適的濕球溫度0℃和-20℃層高度等條件都可以作為冰雹預(yù)報(bào)的著眼點(diǎn)。

（3）回波頂高≥7 km、垂直累積液態(tài)水含量及其密度≥4 g/m3、最大反射率因子≥55 dBZ、中氣旋、逆風(fēng)區(qū)、低層的弱回波區(qū)、中高層存在著懸垂回波、弓形回波、強(qiáng)天氣威脅指標(biāo)≥180 等對(duì)冰雹天氣的監(jiān)測(cè)、識(shí)別和預(yù)警有很好的指示意義。