崔蕾， 朱育雷， 黃鈺， 張小娟 ， 唐辟如

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081； 2.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

冰雹是降落到地面的冰球，是由強(qiáng)對流天氣引起的一種氣象災(zāi)害，發(fā)生時(shí)間短、來勢兇猛且強(qiáng)度大，常伴有狂風(fēng)驟雨等災(zāi)害性天氣發(fā)生[1].貴州省冰雹具有生成發(fā)展快、降雹頻次高、影響范圍廣、局部災(zāi)害重、中部地區(qū)多發(fā)及防范難度大的特點(diǎn)[2]，對農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食生產(chǎn)等方面帶來嚴(yán)重威脅.

大氣中各個(gè)高度上的溫度、濕度和氣壓等的垂直分布特征及其變化是大氣水汽、熱力和動力特征的反映，對各類天氣系統(tǒng)的診斷分析及強(qiáng)天氣預(yù)警預(yù)報(bào)都具有十分重要的意義[3].特別是在弱天氣尺度系統(tǒng)影響下，天氣尺度分析不足以判斷強(qiáng)天氣發(fā)生的潛勢條件[4]，而探空資料能夠反映強(qiáng)對流天氣發(fā)生前周圍大氣垂直方向上的溫濕結(jié)構(gòu)和中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的局地垂直環(huán)境場特征，能夠清楚地呈現(xiàn)冷暖平流、干線、濕舌、顯著流線及切變線的位置，這些物理量的差異能夠一定程度上表征特定中尺度環(huán)境下某種強(qiáng)對流天氣發(fā)生的概率[1,5]，是強(qiáng)對流潛勢預(yù)報(bào)中的重要資料.已有研究表明：影響冰雹天氣發(fā)生的非常重要的因素是中層干空氣和強(qiáng)垂直風(fēng)切變，且在冰雹天氣發(fā)生前，對流層低層一般為上升運(yùn)動，來自大氣中層和上層的干冷空氣及其伴隨的下沉氣流有利于不穩(wěn)定層結(jié)的增強(qiáng)[6-7]；6 km以下過冷水滴與冰粒子消耗和貝吉隆過程等交替出現(xiàn)，產(chǎn)生相對濕度低于80%的區(qū)域，這是冰雹生長的有利環(huán)境，冰雹粒子群會快速累積[8].劉曉初等[9]利用探空資料對16個(gè)雷暴大風(fēng)過程進(jìn)行研究后表明：冰雹天氣相較于短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣而言，其0 ℃層和-20 ℃層更低；樊李苗等[10]對探空數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：不同強(qiáng)對流天氣溫濕廓線形態(tài)、關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)、靜力穩(wěn)定度、不穩(wěn)定能量以及垂直風(fēng)切變均有不同程度差異；李金輝等[11]對延安寶塔區(qū)冰雹云內(nèi)部進(jìn)行探測研究，揭示了冰雹云內(nèi)部溫度、濕度、風(fēng)場及垂直氣流的變化特征；李永[12]對南京2007-2014年強(qiáng)對流過程探空資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有些探空資料具有明顯的溫度跳變特征，溫度連線出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象或呈鋸齒狀，并具有一定的連續(xù)性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)極端劇烈的跳變現(xiàn)象均出現(xiàn)在0 ℃層附近；雷蕾等[5]在利用探空資料對2007-2008年北京地區(qū)夏季強(qiáng)對流天氣進(jìn)行分類時(shí)發(fā)現(xiàn)，0 ℃層高度、-20 ℃層高度、500 hPa與850 hPa溫差、逆溫層高度及低空風(fēng)切變等可較為顯著地區(qū)分冰雹和暴雨天氣.

以往對貴陽市冰雹天氣過程的研究多針對單次個(gè)例的天氣過程進(jìn)行分析，對冰雹天氣大氣垂直結(jié)構(gòu)變化特征研究較少，本文將基于貴陽市探空站及人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)相關(guān)資料，對冰雹天氣大氣垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，以期為冰雹等災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警以及垂直探測雷達(dá)的數(shù)據(jù)適用性研究提供科學(xué)參考.

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

氣象觀測資料是2017-2020年貴州省貴陽市探空站(57816)的逐日兩次(北京時(shí)間08:00和20:00)探空資料.該探空站位于貴州省貴陽市東山山頂，地理位置為106.72°E，26.58°N，海拔為1 074 m.所用貴陽市降雹資料為人工影響天氣作業(yè)站點(diǎn)記錄資料，貴陽市共計(jì)有51個(gè)人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)，各作業(yè)點(diǎn)記錄了降雹起止時(shí)間、冰雹粒徑及降雹密度.

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

對應(yīng)貴陽市作業(yè)點(diǎn)降雹時(shí)刻，以最小時(shí)間差原則匹配最為臨近的探空資料，共挑選出21個(gè)探空文件，其中19個(gè)為當(dāng)日20:00的探空資料，2個(gè)為當(dāng)日08:00的探空資料.為保證分析資料在大氣整體性質(zhì)上的相對統(tǒng)一，僅對20:00的探空資料進(jìn)行分析，下文簡稱為“降雹探空”.另選取降雹探空前一日和后一日對應(yīng)時(shí)刻探空資料作為對比，若出現(xiàn)多日傍晚連續(xù)降雹，則挑選降雹時(shí)段首末日期對應(yīng)時(shí)刻探空作為對比(例如降雹探空為2017年4月5日20:00的探空資料，則對比探空為2017年4月4日20:00和2017年4月6日20:00的探空資料；如連續(xù)降雹探空時(shí)段為2019年4月17日至19日20:00的探空資料，則對比探空為2019年4月16日20:00和2019年4月20日20:00的探空資料)，按此方法共計(jì)篩選出32個(gè)探空文件，下文簡稱為“對比探空”.

由于探空資料的觀測高度并不統(tǒng)一，為便于分析，將不同觀測高度的氣象要素插值到統(tǒng)一的高度.使用的插值方法是線性插值[13-14]，即將與插值高度相鄰的上下兩個(gè)觀測高度上的氣象要素值線性擬合至插值高度.

2 降雹探空與對比探空垂直特征分析

2.1 能量條件分析

對流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時(shí)的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，是大氣對流發(fā)生潛勢和潛在強(qiáng)度的重要指標(biāo)[15].將降雹探空與對比探空的CAPE值進(jìn)行比較，降雹探空平均CAPE值為776 J/kg，對比探空的平均CAPE值為646 J/kg，同時(shí)結(jié)合圖1可見，降雹探空與對比探空的CAPE中值分別為633 J/kg和539 J/kg，75百分位數(shù)值分別為160 J/kg和238 J/kg；整體看來，降雹探空較對比探空而言，大氣對流發(fā)生潛勢更高.

此外，強(qiáng)對流發(fā)生前期，逆溫層的存在有利于不穩(wěn)定能量的聚集[5]，且對于貴州而言，逆溫層在地面至700 hPa，一旦熱力或動力的抬升條件沖破逆溫，則有利于冰雹的發(fā)生，故對降雹探空對應(yīng)日期當(dāng)日08:00探空出現(xiàn)逆溫的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖2.由圖2可見，近地層至3 km高度存在逆溫的次數(shù)有11次，占比58%，逆溫層厚度在500 m至1.5 km之間，且逆溫層上下兩層溫差小，主要為等溫或弱逆溫，溫差范圍在0～2 ℃之間.說明近地層至700 hPa高度存在溫差小且厚度不大的淺薄逆溫有利于貴陽市冰雹天氣的形成.

2.2 不穩(wěn)定層結(jié)構(gòu)分析

對降雹探空和對比探空的部分參數(shù)的平均值進(jìn)行分析得到表1.由表1可見，對于凍結(jié)層平均高度而言，降雹探空0 ℃層、-5 ℃層、-15 ℃層和-20 ℃層高度均低于對比探空對應(yīng)溫度層高度，且降雹探空0 ℃層至-20 ℃層厚度為2 809 m，較對比探空對應(yīng)層厚度薄227 m.一方面較小的凍結(jié)層厚度意味著該厚度區(qū)間內(nèi)的溫度垂直遞減率大，即降雹探空較對比探空垂直溫度遞減率更大，條件不穩(wěn)定性越大；另一方面降雹探空較對比探空的垂直條件而言，冰球到地面的融化高度更低，發(fā)生冰雹或大冰雹的可能性更大[16-18].同時(shí)， 降雹探空700 hPa 與500 hPa 溫差、850 hPa 與500 hPa 溫差也較對比探空更大，二者差值分別為1 ℃和0.4 ℃.此外，降雹探空1.5 km高度露點(diǎn)溫度較對比探空的對應(yīng)露點(diǎn)溫度高1.1 ℃，且降雹探空1.5 km高度上溫度露點(diǎn)差較對比探空低2.2 ℃，說明降雹探空在低層濕度更大.

表1 降雹探空與對比探空部分參數(shù)統(tǒng)計(jì)

K指數(shù)是特殊層結(jié)溫度、水汽含量和大氣相對濕度的綜合表征，一般而言，K指數(shù)越大，代表對流潛勢越大[15].結(jié)合圖3可見，降雹探空與對比探空的K指數(shù)平均值分別為36.4 ℃和30.7 ℃，中值分別為37 ℃和33 ℃，75百分位數(shù)值分別為33 ℃和25.8 ℃.由此可見，降雹探空K指數(shù)整體上大于對比探空對應(yīng)值，降雹探空0 ℃層至-20 ℃層大氣層結(jié)溫度垂直變化較對比探空更大，且邊界層大氣層結(jié)濕度也更大，說明降雹探空所對應(yīng)的大氣層結(jié)較對比探空具有低層濕度更大且溫度垂直遞減變化更劇烈的特征.

進(jìn)一步計(jì)算降雹探空和對比探空中相同氣壓高度的平均氣溫、平均露點(diǎn)溫度差、相應(yīng)要素最大值、最小值以及平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.大氣層結(jié)溫度方面(圖4),貴陽市降雹探空近地層(850 hPa以下)平均溫度為19.5 ℃，低層(850 hPa至700 hPa)平均溫度為13.95 ℃，中層(700 hPa至500 hPa)平均溫度為0.5 ℃，高層(500 hPa以上)平均溫度為-36.6 ℃；對比探空對應(yīng)層平均溫度分別為17.1、13.3、0.6 ℃和-36.6 ℃，可見降雹探空中低層溫度(700 hPa以下)較對比探空溫度更高，高層以上溫度差異不大.此外，由圖4可見，對比廓線溫度最大值、最小值在邊界層高度變化范圍更廣，后隨高度升高呈現(xiàn)出變化范圍逐漸“縮緊”的變化規(guī)律，而降雹廓線在中低層變化范圍不大，在600 hPa至400 hPa高度變化范圍突增后，隨高度升高呈現(xiàn)出變化范圍平穩(wěn)“縮緊”的變化規(guī)律.

a和b分別為降雹探空和對比探空.

大氣露點(diǎn)溫度差見圖5，降雹探空(圖5a)近地層、低層、中層和高層的平均露點(diǎn)溫度差分別為5.1、3.7、6.4 ℃和16.1 ℃，對比探空(圖5b)對應(yīng)層平均露點(diǎn)溫度差分別為5.5、6.1、10.1 ℃和14.8 ℃.此外，降雹探空的平均露點(diǎn)溫度差在500 hPa-400 hPa間存在一個(gè)突增的走勢，較對比探空突增程度更大，降雹探空上層干、下層濕的層結(jié)特征更為明顯.此外，降雹探空最大值、最小值和平均值±標(biāo)準(zhǔn)差隨高度變化表現(xiàn)為地面至750 hPa高度呈現(xiàn)“縮緊”特征，750 hPa至500 hPa最大值和最小值變化范圍擴(kuò)大，至550 hPa高度達(dá)到變化范圍最大后隨高度升高“縮緊”；而對比探空在850 hPa至500 hPa高度上，溫度露點(diǎn)差最大值和最小值均保持在一個(gè)波動范圍較大的水平.

綜合看來，底層溫度較高，對應(yīng)有暖平流，同時(shí)配合中高層干空氣的大氣垂直結(jié)構(gòu)更有利于冰雹天氣的形成[19]，這也與黃鈺[20]的研究結(jié)果一致.

2.3 垂直風(fēng)切變分析

深層垂直風(fēng)切變指 6 km高度和地面之間風(fēng)矢量差的絕對值，其大小往往和形成對流的強(qiáng)度密切相關(guān)，一般而言，垂直風(fēng)切變的強(qiáng)度增強(qiáng)有利于上升氣流和下沉氣流長時(shí)間內(nèi)共存，從而促進(jìn)中層干冷空氣的吸入和低層暖濕氣流強(qiáng)烈地上升，有利于對流風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的發(fā)展[14-15].對降雹探空0-6 km垂直風(fēng)切變進(jìn)行分析得到圖6.由圖6a可見，降雹探空與對比探空0-6 km垂直風(fēng)切變分別為10.8 m/s和11.1 m/s，平均風(fēng)速分別為10.08 m/s和9.68 m/s，中值分別為10.73 m/s和9.70 m/s，75百分位數(shù)值分別為8.68 m/s和7.53 m/s；進(jìn)一步分析二者3-6 km和0-3 km相關(guān)數(shù)據(jù)得到圖6b和6c，降雹探空和對比探空3-6 km垂直風(fēng)切變分別為2.9 m/s和5.4 m/s，平均風(fēng)速分別為11.76 m/s和11.72 m/s，中值分別為11.71 m/s和11.69 m/s，75百分位數(shù)值分別為11.16 m/s和10.67 m/s；降雹探空和對比探空0-3 km垂直風(fēng)切變?yōu)?.3 m/s和5 m/s，平均風(fēng)速分別為8.22 m/s和7.41 m/s，中值分別為8.68 m/s和7.53 m/s，75百分位數(shù)值分別為7.57 m/s和7.13 m/s.綜合看來，降雹探空0-3 km垂直風(fēng)切變及平均風(fēng)速明顯大于對比探空，有利于對流強(qiáng)風(fēng)暴的生成[16].

a、b和c分別為0-6 km、3-6 km和0-3 km垂直風(fēng)切變.

3 結(jié)語

對2017年至2020年貴陽市降雹探空與對比探空進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)果:

(1)能量條件方面，降雹探空CAPE值較對比探空更大，大氣對流發(fā)生潛勢更高.且降雹發(fā)生前，近地層至3 km高度存在逆溫的次數(shù)占比58%，逆溫層上下兩層溫差小，主要為等溫或弱逆溫.

(2)不穩(wěn)定層結(jié)結(jié)構(gòu)方面，降雹探空0 ℃層、-5 ℃層、-15 ℃層和-20 ℃層高度均低于對比探空對應(yīng)溫度層高度，且降雹探空凍結(jié)層厚度為2 809 m，較對比探空對應(yīng)層厚度薄227 m，這一方面說明，降雹探空凍結(jié)層區(qū)間溫度垂直遞減率大，條件不穩(wěn)定性大；另一方面說明，降雹探空較對比探空的垂直條件而言，冰球到地面的融化高度更低，發(fā)生冰雹或大冰雹的可能性更大.同時(shí)，降雹探空“上干下濕”的層結(jié)結(jié)構(gòu)特征更為明顯.

(3)垂直風(fēng)切變方面，降雹探空與對比探空0-3 km垂直風(fēng)切變分別為7.3 m/s和5 m/s，平均風(fēng)速分別為8.22 m/s和7.41 m/s，降雹探空兩項(xiàng)指標(biāo)均明顯大于對比探空，說明降雹探空中低層垂直風(fēng)切變強(qiáng)于對比探空，更有利于對流風(fēng)暴的生成.