王 旭，張立清，楊奎廣，冀玉超，王青利

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250031;2.東營(yíng)市氣象局，山東東營(yíng) 257091)

冰雹天氣發(fā)生時(shí)間短，局地性強(qiáng)，容易造成嚴(yán)重的災(zāi)害，直接威脅人們的生產(chǎn)生活。張芳華[1]等研究了我國(guó)冰雹的季節(jié)性分布特征和發(fā)生時(shí)段日變化特征，彭力[2]、高曉梅[3]、侯淑梅[4]等研究了冰雹的觸發(fā)機(jī)制及動(dòng)力熱力結(jié)構(gòu)的演變特征，王秀玲[5]、楊敏[6]、趙海軍[7]、鮑向東[8]、趙強(qiáng)[9]等分別對(duì)當(dāng)?shù)乇r(shí)空等分布特征進(jìn)行了研究，總結(jié)出的規(guī)律和預(yù)警指標(biāo)對(duì)當(dāng)?shù)乇㈩A(yù)警和人影作業(yè)提供了很好的參考價(jià)值。吳迎旭[10]等對(duì)冰雹在非典型環(huán)境條件下的局地要素特征進(jìn)行了分析探究。

東營(yíng)市位于魯西北東部，黃河三角洲中心城市，是冰雹多發(fā)區(qū)域之一。近十年來(lái)，東營(yíng)市多次出現(xiàn)冰雹天氣，其中6次造成嚴(yán)重雹災(zāi)。冰雹一般產(chǎn)生于中小尺度對(duì)流系統(tǒng)中，天氣尺度系統(tǒng)制約中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展演變，大尺度環(huán)流形勢(shì)為中小尺度系統(tǒng)提供了背景條件。根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)大尺度環(huán)流形勢(shì)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性明顯高于中小尺度系統(tǒng)。本文利用東營(yíng)1994—2019年冰雹觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析冰雹的時(shí)空分布特征，利用MICAPS常規(guī)觀測(cè)資料、第五代歐洲再分析資料(ERA5)對(duì)冰雹日的大尺度環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行天氣學(xué)分型并分析相關(guān)物理量，為提高東營(yíng)冰雹天氣短期、臨近預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

利用東營(yíng)市52個(gè)人工影響天氣作業(yè)站點(diǎn)和大氣監(jiān)測(cè)站1994—2019年共26 a冰雹觀測(cè)資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，分析東營(yíng)市轄區(qū)內(nèi)冰雹日的時(shí)空分布特征。2010—2019年20 a間共有冰雹日55 d，利用MICAPS常規(guī)觀測(cè)資料分析冰雹日天氣學(xué)特征，采用第五代歐洲再分析資料(ERA5)分析冰雹天氣對(duì)應(yīng)的典型物理量特征。

2 冰雹時(shí)空分布特征

將北京時(shí)00時(shí)作為日界，一天內(nèi)有一個(gè)及以上站點(diǎn)出現(xiàn)了冰雹即記為一個(gè)冰雹日。從1994—2019年冰雹日數(shù)分布圖(圖1a)可看出，平均年冰雹日數(shù)為6.7 d，2005年最多為15 d，2018年最少為2 d，2001年、2004—2006年、2019年較平均值明顯偏多。

冰雹日數(shù)月分布如圖1b所示，冰雹日出現(xiàn)在3—10月，春末夏初(5—7月)最多，占總冰雹日的73.9%。其中6月最多，其次是7月，3月冰雹日數(shù)最少。冰雹具有顯著季節(jié)特征，冰雹日最早出現(xiàn)在3月4日(2016年)，最晚為10月27日(2001年)。3月冰雹多發(fā)生在月初，10月冰雹月初、月末均有發(fā)生。

冰雹有明顯的日變化，以3 h為一時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖1c)，發(fā)現(xiàn)冰雹出現(xiàn)的主要時(shí)段為午后到傍晚(12—21時(shí))和午夜前后(21—03時(shí))，并以午后到傍晚為主，占總冰雹日數(shù)的64%。其中，15—18時(shí)最多，其次分別是12—15時(shí)、18—21時(shí)。09—12時(shí)出現(xiàn)的冰雹，一般持續(xù)至下午。

東營(yíng)市冰雹日數(shù)空間分布情況如圖1d所示。利津虎灘冰雹日數(shù)最多，1994—2019年出現(xiàn)23 d。冰雹落區(qū)集中在兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)位于沿黃河兩岸，北岸較南岸偏多；另一個(gè)位于河口區(qū)的西部。

3 天氣學(xué)特征分型

利用降雹前最近時(shí)次500 hPa高空觀測(cè)資料，對(duì)2010—2019年區(qū)域內(nèi)55 d冰雹日對(duì)應(yīng)的環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分型，分為西風(fēng)槽型、高空冷渦型、脊前西北氣流型和副高邊緣型四大類，其中西風(fēng)槽型21 d，高空冷渦型28 d，脊前西北氣流型4 d，副高邊緣型2 d。

3.1 高空冷渦型

高空冷渦是影響冰雹天氣的主要影響系統(tǒng)(圖2)。高空冷渦型共有冰雹日28 d，根據(jù)高空冷渦的相對(duì)位置，分為渦前、渦后和渦附近三種類型，占比分別為67.9%、21.4%和10.7%。

3.1.1 渦前型 冰雹區(qū)位于高空冷渦的東南象限，根據(jù)冷渦中心的位置，分為內(nèi)蒙古東南部和內(nèi)蒙古以北。

(1)內(nèi)蒙古東南部

此型500 hPa高度平均場(chǎng)(圖2a)貝加爾湖附近有強(qiáng)大高壓脊，冷渦東部，日本海上空為弱脊，冷渦中心位于內(nèi)蒙古東南部。由圖2a可看出，500 hPa冷渦中心在110°E～120°E，40°N～57°N。此類型冰雹日共12 d，多出現(xiàn)在6月(6月8 d，5月2 d，7、10月各1 d)，出現(xiàn)時(shí)段主要在夜間至早晨(只有3 d出現(xiàn)在午后)。此外，此型易出現(xiàn)連續(xù)冰雹日。2012年6月、2014年6月，均為受同—冷渦系統(tǒng)分裂冷空氣影響，連續(xù)2 d出現(xiàn)冰雹，降雹時(shí)段均為第一天夜間和第二天凌晨或中午，且在午夜后有間歇。

圖2 黃河入海口地區(qū)冰雹日高空冷渦型環(huán)流500 hPa平均高度場(chǎng)(a 渦前型-內(nèi)蒙古東南部型；b 渦前型-內(nèi)蒙古以北型；c 渦后型-東北冷渦型；d 渦附近型)

(2)內(nèi)蒙古以北

此型500 hPa高度平均場(chǎng)(圖2b)中，兩個(gè)強(qiáng)大的高壓脊分別位于貝加爾湖以西和日本島以西，冷渦中心位于內(nèi)蒙古以北、貝加爾湖以東區(qū)域。冷渦中心在110°E～120°E，46.5°N～55°N。此類型冰雹日共6 d，集中在春末夏初(5月下旬至7月上旬)，冰雹出現(xiàn)時(shí)段主要在午后到夜間。08時(shí)冷渦中心位于50°N以南時(shí)，冰雹天氣出現(xiàn)在午后；08時(shí)冷渦中心位于50°N以北時(shí)，冰雹天氣出現(xiàn)在傍晚到前半夜。

3.1.2 渦后型(東北冷渦型) 此型500 hPa高度平均場(chǎng)(圖2c)上，貝加爾湖附近有強(qiáng)大高壓脊，冷渦東部，日本島上空為較強(qiáng)高壓脊，冷渦中心位于東北地區(qū)，東營(yíng)市位于冷渦的西南象限。500 hPa冷渦中心在123.5°E～132.5°E，42°N～47°N。此類型冰雹日共7 d，主要出現(xiàn)在夏季(5 d夏季，1 d春季)，時(shí)段均在午后。2015年8月28—29日，受同一個(gè)冷渦系統(tǒng)影響，連續(xù)2 d出現(xiàn)冰雹，均發(fā)生在午后。

3.1.3 渦附近型 此型500 hPa高度平均場(chǎng)(圖2d)上，山東省上空有渦，渦中心西側(cè)有緯向切變線，渦北側(cè)40°N以北為高壓脊，渦南側(cè)30°N以南為西風(fēng)槽，渦位于南、北系統(tǒng)之間，渦中心同緯度附近，南北經(jīng)向環(huán)流弱。此類型冰雹日共3 d，發(fā)生在夏季6、7月，午后。冷空氣相對(duì)比較弱，西南或偏西氣流較強(qiáng)，高低空冷暖平流配置不同于其他類型，冷暖平流不明顯，不穩(wěn)定層結(jié)主要源于上干下濕的濕度分布。

3.2 西風(fēng)槽型

西風(fēng)槽是冰雹天氣的另一重要天氣系統(tǒng)。西風(fēng)槽型共有冰雹日21 d，根據(jù)波長(zhǎng)分為長(zhǎng)波槽型和短波槽型兩類，占比分別為33.3%和66.7%。

3.2.1 長(zhǎng)波槽型 此型500 hPa高度平均場(chǎng)(圖3a)為一槽一脊，高壓脊位于東北地區(qū)上空。西風(fēng)槽位于110°E～118°E，經(jīng)向至少有10個(gè)緯距。冰雹區(qū)位于西風(fēng)槽槽前10個(gè)緯距內(nèi)。此類型冰雹日有7 d，多發(fā)生在春季和夏季(3 d出現(xiàn)在春季，4 d出現(xiàn)在夏季)，出現(xiàn)時(shí)段在午后到前半夜(5 d出現(xiàn)在午后，2 d出現(xiàn)在前半夜)。

3.2.2 短波槽型 此型500 hPa高度平均場(chǎng)(圖3b)中高緯度受脊前西北氣流中的短波槽影響出現(xiàn)冰雹天氣。此類型冰雹日有14 d，季節(jié)化特征不明顯，冰雹時(shí)段集中在午后，只有3 d出現(xiàn)在午夜到早晨。

圖3 黃河入海口地區(qū)冰雹日500 hPa平均高度場(chǎng)(單位為dagpm；a 長(zhǎng)波槽型；b 短波槽型；c 脊前西北氣流型；d 副高邊緣型)

3.3 脊前西北氣流型

此型500 hPa高度平均場(chǎng)(圖3c)為兩槽一脊型，兩槽分別位于烏拉爾山附近和日本島附近，高壓脊位于貝加爾湖附近。東營(yíng)市受脊前西北氣流控制。此類型冰雹日有4 d，季節(jié)性變化特征不明顯，冰雹時(shí)段集中在后半夜到清晨。

3.4 副高邊緣型

副高邊緣型冰雹日只有2 d，分別為2017年7月14日、2019年8月1日，環(huán)流形勢(shì)相似(圖3d)，海上副熱帶高壓呈塊狀分布，副高西脊點(diǎn)位于110°E附近，冰雹區(qū)位于副高邊緣強(qiáng)西南氣流控制下。冰雹天氣出現(xiàn)在7月下旬至8月上旬，午后到傍晚。冰雹日之前有持續(xù)高溫天氣，如2017年7月14日已連續(xù)5 d日最高氣溫超過(guò)36 ℃，當(dāng)日日最高氣溫超過(guò)36 ℃；2019年8月1日已連續(xù)2 d日最高氣溫超過(guò)35 ℃，當(dāng)日日最高氣溫超過(guò)35 ℃。

4 物理量特征分析

利用ERA5再分析數(shù)據(jù)，對(duì)2010—2019年55 d冰雹日冰雹發(fā)生前1 h冰雹區(qū)的強(qiáng)天氣威脅指數(shù)(ISWEAT)、總溫度(TT)、K指數(shù)(K)及850 hPa與500 hPa溫差(T(850-500))等物理量進(jìn)行計(jì)算。為探究季節(jié)和不同影響系統(tǒng)下物理特征的差異，對(duì)55 d冰雹日按影響系統(tǒng)類型進(jìn)行月統(tǒng)計(jì)分析。

4.1 強(qiáng)天氣威脅指數(shù)(ISWEAT)和總溫度(TT)

ISWEAT既考慮了850 hPa的露點(diǎn)溫度、垂直遞減率、氣塊的穩(wěn)定度，又考慮了850 hPa和500 hPa的風(fēng)速及風(fēng)向的切變。其表達(dá)式為

ISWEAT=12Td850+20(TT-49)+4f850+2f500+125(S+0.2),

(1)

TT=(T+Td)850-2T500，

(2)

其中(1)式中Td850表示850 hPa露點(diǎn)溫度(℃)，若Td850為負(fù)數(shù)，此項(xiàng)為0；TT為總溫度，若TT小于49，則20(TT-49)項(xiàng)為0；f850為850 hPa風(fēng)速(m/s)；f500為500 hPa風(fēng)速(m/s)；S=sin(α500-α850)(α為風(fēng)向角度)。最后一項(xiàng)125(S+0.2)在下列4個(gè)條件中任何一個(gè)條件不具備時(shí)為零：α850在130°～250°之間；500 hPa風(fēng)向在210°～310°之間；α500-α850為正；850 hPa及500 hPa風(fēng)速至少等于7.5 m/s。(2)式中，T為溫度，Td為露點(diǎn)濕度，T500為500 hPa溫度。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，ISWEAT集中在100～300 ℃間，平均值為206 ℃。渦前型(內(nèi)蒙古東南)較其他型ISWEAT偏高。TT介于36.2～60.9 ℃之間，集中在45～55 ℃，平均值為49.7 ℃。

4.2 K指數(shù)(K)和850 hPa與500 hPa溫差(T(850-500))

K指數(shù)表征大氣中低層溫濕狀況。由圖4a可見(jiàn)，93%的冰雹日K>25 ℃，85%的冰雹日K>27 ℃，只有22%冰雹日K>35 ℃，平均32 ℃。其中5—10月K呈增大趨勢(shì)，7—10月K超過(guò)25 ℃，5—6月K閾值范圍大，部分冰雹日低于25 ℃。

850 hPa與500 hPa溫差(T(850-500))表征大氣的垂直穩(wěn)定度，溫差越大，大氣越不穩(wěn)定。由圖4b可見(jiàn)，T(850-500)介于22～36 ℃間，93%的冰雹日T(850-500)>25 ℃，51%的冰雹日T(850-500)>28 ℃，平均29 ℃，集中在25～32 ℃。

圖4 2000—2019年各類型冰雹日物理量月分布圖(a為K；b為T(850—500))

5 結(jié)論

對(duì)1994—2019年黃河入海口地區(qū)冰雹日數(shù)進(jìn)行了時(shí)空分布特征分析，同時(shí)基于500 hPa天氣系統(tǒng)，對(duì)2010—2019年冰雹日進(jìn)行分型，然后利用ERA5數(shù)據(jù)對(duì)冰雹前1 h物理量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要得出以下結(jié)論。

(1)入?？诘貐^(qū)年平均冰雹日數(shù)為6.7 d，冰雹分布在3—10月， 春末夏初(5—7月)偏多， 其中6月冰雹日數(shù)最多，其次是7月；有明顯的日變化特征，冰雹主要出現(xiàn)在午后到傍晚(12—21時(shí))和午夜前后(21—03時(shí))，以午后到傍晚為主。

(2)冰雹落區(qū)集中在兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)位于沿黃河兩岸，北岸較南岸偏多；另一個(gè)位于河口區(qū)的西部。其中，利津虎灘出現(xiàn)冰雹最多，1994—2019年間出現(xiàn)23 d。

(3)根據(jù)500 hPa環(huán)流形勢(shì)，將2010—2019年55 d冰雹日分為西風(fēng)槽型、高空冷渦型、脊前西北氣流型和副高邊緣型四大類。其中內(nèi)蒙古東南部型、東北冷渦型和短波槽型在同一系統(tǒng)影響下連續(xù)多日出現(xiàn)冰雹，其中短波槽型連續(xù)日數(shù)最多。

(4)根據(jù)冰雹發(fā)生前1 h物理量特征，發(fā)現(xiàn)有利冰雹的大環(huán)流形勢(shì)下，強(qiáng)天氣威脅指數(shù)150～250 ℃，平均值為206 ℃，總溫度45～55 ℃，T(850-500)>25 ℃時(shí)更容易出現(xiàn)冰雹。不同季節(jié)，不同影響系統(tǒng)下冰雹日物理量指標(biāo)有所差異。