延安降雹天氣環(huán)流特征及產(chǎn)生條件分析

鄭小陽(yáng)，雷崇典，楊金海，李冬娟，楊 麗

(陜西省延安市氣象局，陜西延安 716000)

產(chǎn)生降雹的強(qiáng)對(duì)流天氣是延安的主要災(zāi)害性天氣之一，而比較準(zhǔn)確的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)可以將災(zāi)害減少到最低限度，在我國(guó)許多氣象工作者和科研人員在不同的角度做出了許多有益的工作，并取得了相當(dāng)大的進(jìn)展［1］。我國(guó)強(qiáng)對(duì)流天氣是指出現(xiàn)短歷時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷雨大風(fēng)、龍卷、雷電等現(xiàn)象的災(zāi)害性天氣，其中冰雹天氣一般是指降落于地面的直徑≥5 mm的固體降水過(guò)程。幾乎所有的強(qiáng)風(fēng)暴事件均與深厚濕對(duì)流有關(guān)，Doswell等研究表明要達(dá)到深厚濕對(duì)流必須具備水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)、抬升條件3個(gè)要素［2－3］。雖然許多預(yù)報(bào)員對(duì)當(dāng)?shù)乇⒌膹?qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)模型和指標(biāo)進(jìn)行了有益的研究，但到目前為止尚沒(méi)有一套系統(tǒng)的、詳實(shí)的、完整的關(guān)于冰雹的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)分析方法。筆者在此結(jié)合國(guó)家氣象中心的中尺度天氣分析規(guī)范，通過(guò)延安13個(gè)測(cè)站2005～2011年間的117個(gè)冰雹個(gè)例分析了延安市降雹天氣氣候特征以及降雹天氣出現(xiàn)的環(huán)境場(chǎng)、物理量特征。

1 冰雹天氣的氣候概況

延安市降雹主要出現(xiàn)在4月下旬～10月上旬，歷史上有資料記載的最早降雹出現(xiàn)在3月15日(1963年宜川)，最晚降雹出現(xiàn)在11月21日(1977年洛川)。分析2005～2011年間降雹資料發(fā)現(xiàn)，延安市出現(xiàn)降雹年日數(shù)變化幅度較大，最多年份出現(xiàn)在2006年(32個(gè)雹日)，最少年份出現(xiàn)在2009年(9個(gè)雹日)。根據(jù)近20年降雹日數(shù)普查和近7年降雹日數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，延安年平均降雹日數(shù)為17 d左右。延安市降雹有明顯的月變化特征，其變化與大氣環(huán)流的月變化及季風(fēng)氣候特點(diǎn)相一致［4］，由表1可看出，6月是降雹最頻繁的時(shí)期，月平均降雹日為6 d左右，占全年總次數(shù)的34%;7、8月次之，月平均降雹日為3 d左右，10月最少，僅占全年總次數(shù)的4%。

2 降雹天氣環(huán)流分型

通過(guò)對(duì)2005～2011年的降雹資料及降雹日500 hPa環(huán)流形勢(shì)分析，將降雹的500 hPa環(huán)流形勢(shì)分為西北氣流型、低渦切變型、蒙古冷渦型和階梯槽型4種類(lèi)型。

表1 2005～2011年延安市降雹日數(shù)月分布 d

2.1 西北氣流型 西北氣流型是指河套地區(qū)處于槽后脊前，延安及以西為一致性西風(fēng)或西北氣流控制，溫度槽落后于高度槽，在河套西部有冷平流(圖1a)。此型在冰雹個(gè)例中共出現(xiàn)54個(gè)雹日，占總?cè)諗?shù)的50%，是產(chǎn)生冰雹的主要環(huán)流形勢(shì)。西北氣流型在各月出現(xiàn)頻率也不同，最多出現(xiàn)在6月，其次是5月，在10月出現(xiàn)頻次最少。

2.2 低渦切變型 低渦切變型是指在河套地區(qū)有切變線(xiàn)生成或有低渦發(fā)展(圖1b)。此型在冰雹個(gè)例中共出現(xiàn)38個(gè)雹日，占總?cè)諗?shù)的35%。低渦切變型在6月出現(xiàn)頻次最多，最少是5月。

2.3 蒙古冷渦型 蒙古冷渦型是指在河套地區(qū)北部蒙古一帶出現(xiàn)冷空氣堆或有閉合冷渦(圖1c)。此型在冰雹個(gè)例中共出現(xiàn)11個(gè)雹日，占總?cè)諗?shù)的10%。蒙古冷渦型在6月出現(xiàn)頻次最多，其次是7月。

2.4 階梯槽型 階梯槽型指歐亞為一槽兩脊型，河套地區(qū)處于歐亞大槽底部，且西側(cè)有短波槽配合冷空氣下滑(圖1d)。此型在冰雹個(gè)例中共出現(xiàn)6個(gè)雹日，占總?cè)諗?shù)的5%。階梯槽型最多出現(xiàn)在5月。

3 降雹天氣環(huán)境場(chǎng)及物理量特征

強(qiáng)對(duì)流中尺度系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展受環(huán)流形勢(shì)和天氣尺度系統(tǒng)所制約，與高、中、低層的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)等環(huán)境條件密切相關(guān)。由于對(duì)流活動(dòng)大部分受低層大氣狀態(tài)即中小尺度系統(tǒng)活動(dòng)，尤其是邊界層輻合以及能量場(chǎng)配置的影響，所以降雹天氣表現(xiàn)出明顯的物理量特征。通過(guò)對(duì)2005～2011年的降雹資料及降雹日500 hPa環(huán)流形勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)延安出現(xiàn)降雹天氣具有典型的環(huán)境場(chǎng)及物理量特征。

圖1 延安市降雹天氣分型

3.1 適中的水汽條件 上干下濕且濕層厚度超過(guò)100 hPa有利于強(qiáng)對(duì)流。從08:00高空環(huán)境場(chǎng)和延安測(cè)站探空資料可以看出，近地面層有偏南氣流進(jìn)入河套，一般在邊界層附近有薄的相對(duì)濕度≥80%的濕層，中層700～400 hPa相對(duì)濕度為35% ～70%，對(duì)應(yīng)850 hPa高度上有一自南向北的假相當(dāng)位溫高能舌進(jìn)入河套，延安上空T－Td為4～7℃。此時(shí)低空往往有一支≥4 m/s的偏南風(fēng)和輻合區(qū)。當(dāng)對(duì)流中下層濕層較厚時(shí)，且河套上游500 hPa有干冷平流，一般伴有強(qiáng)降水(圖2)。

圖2 延安探空站降雹無(wú)強(qiáng)降水日(a)和降雹并伴有強(qiáng)降水日(b)08:00探空資料

3.2 強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)或有潛在不穩(wěn)定存在 高層的冷空氣活動(dòng)和低層的暖濕空氣構(gòu)成強(qiáng)的對(duì)流性不穩(wěn)定，是冰雹云形成的重要環(huán)境場(chǎng)條件之一。大氣層結(jié)的不穩(wěn)定常與高空的顯著降溫有關(guān)，資料統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)流層中上層冷空氣的入侵容易出現(xiàn)降雹天氣，表現(xiàn)出－20℃層高度較前期非降雹日的高度低，延安出現(xiàn)降雹天氣其上空一般－20℃層高度在8 000～7 000 m，0℃層高度各月表現(xiàn)不一(表2)。在500 hPa銀川與延安的溫差為負(fù)，河套西北側(cè)一般表現(xiàn)有較強(qiáng)的冷平流，T銀川－延安≤－2℃。延安測(cè)站上空T500－850≤－25℃。通過(guò)資料分析，無(wú)論是不穩(wěn)定能區(qū)的面積還是沙氏指數(shù)SI的大小分布，降雹日與前期非降雹日有明顯的差別，未來(lái)都是在向不穩(wěn)定層結(jié)在轉(zhuǎn)化。一般延安測(cè)站上空存在一定的正不穩(wěn)定能區(qū)，沙氏指數(shù)SI為負(fù)值。

3.3 垂直風(fēng)切變 分析08:00延安測(cè)站探空資料可見(jiàn)，0℃層高度一般在600 hPa附近，中低層有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變存在，一般500 hPa以下風(fēng)速較小(＜8 m/s)。當(dāng)08:00 700 hPa和850 hPa有切變和輻合存在時(shí)，便構(gòu)成了較強(qiáng)的觸發(fā)機(jī)制。

4 大范圍區(qū)域性降雹和連續(xù)性降雹的環(huán)境場(chǎng)及物理量特征

4.1 大范圍區(qū)域性降雹 根據(jù)2005～2011年的降雹資料分析，產(chǎn)生區(qū)域性降雹多為西北氣流型和低渦切變型，分別占總降雹日數(shù)的54%和27%，其次為蒙古冷渦型，占15%，而階梯槽型僅占總降雹日數(shù)的4%。延安出現(xiàn)大范圍的區(qū)域性冰雹時(shí)一般具有以下特征:①在850 hPa層面上河套區(qū)存在一定面積濕層，水汽通量散度場(chǎng)對(duì)應(yīng)有輻合區(qū)。②500 hPa層面上河套上游有較強(qiáng)干冷空氣侵入河套，一般延安測(cè)站處于假相當(dāng)位溫鋒區(qū)附近，850 hPa層面上河套區(qū)有高能舌配置，延安測(cè)站假相當(dāng)位溫6～9月為50～70℃、5和10月為40～55℃。③500 hPa層面上銀川和延安500 hPa的溫度差T銀川－延安≤－2 ℃。延安測(cè)站上空 T500－850≤ －25 ℃，即中層有一定強(qiáng)度的冷平流。

表2 延安氣象觀(guān)測(cè)站歷史雹日0℃層高度 km

4.2 連續(xù)性降雹 根據(jù)2005～2011年的降雹資料分析，產(chǎn)生連續(xù)性降雹的日數(shù)中有23 d屬于西北氣流型，占總降雹日數(shù)的62%，低渦切變型有8 d，占總降雹日數(shù)的22%，蒙古冷渦型和階梯槽型均占總降雹日數(shù)的8%。從2005～2011年間連續(xù)性降雹過(guò)程中的08:00延安探空資料分析出以下特征:①垂直風(fēng)切變均較低，大多數(shù)在850～700 hPa。②中層500～400 hPa有較明顯的干冷空氣。③低層有逆溫層出現(xiàn)，基本在近地面到850 hPa之間;有時(shí)地面伴有鋒面，探空?qǐng)D上有鋒面逆溫。④0℃層高度在600 hPa及其附近，－20℃高度在6 km附近。⑤一般低層相對(duì)濕度＞80%的濕層淺薄，若濕層較深厚，則在降雹時(shí)伴有不同程度的降水。⑥不穩(wěn)定層較深厚，一般在850～500 hPa。⑦當(dāng)?shù)蛯佑心鏈貙哟嬖跁r(shí)，SI指數(shù)的參考意義不大，K指數(shù)＞30℃，當(dāng)K指數(shù)在30℃以上時(shí)，降雹的同時(shí)伴有強(qiáng)降水產(chǎn)生。⑧在連續(xù)性降雹中垂直風(fēng)若低層(850～700 hPa)和中層(700～500 hPa)均有風(fēng)切變存在，則可能出現(xiàn)區(qū)域性冰雹。

5 小結(jié)

(1)延安年平均降雹日數(shù)為17 d左右。延安市降雹有明顯的月變化特征，6月是降雹最頻繁的時(shí)期，月平均降雹日為6 d左右，占全年總次數(shù)的34%;7、8月次之，月平均降雹日為3 d左右;10月最少，僅占全年總次數(shù)的4%。

(2)延安降雹日的500 hPa環(huán)流形勢(shì)可以分為西北氣流型、低渦切變型、蒙古冷渦型和階梯槽型4種類(lèi)型。

(3)由08:00高空環(huán)境場(chǎng)和延安測(cè)站探空資料得出，近地面層有偏南氣流進(jìn)入河套，一般在邊界層附近有薄的相對(duì)濕度≥80%的濕層，對(duì)應(yīng)850 hPa上有一自南向北的假相當(dāng)位溫高能舌進(jìn)入河套。當(dāng)對(duì)流中下層濕層較厚時(shí)，且河套上游500 hPa有干冷平流，一般伴有強(qiáng)降水。

(4)對(duì)流層中上層冷空氣的入侵容易出現(xiàn)降雹天氣，延安出現(xiàn)降雹天氣其上空一般－20℃層高度在8 000～7 000 m，0℃層高度各月表現(xiàn)不一。在500 hPa銀川與延安的溫差為負(fù)，河套西北側(cè)一般表現(xiàn)有較強(qiáng)的冷平流。

(5)中低層有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變存在，一般500 hPa以下風(fēng)速較小(＜8 m/s)。當(dāng)08:00 700 hPa和850 hPa有切變和輻合存在時(shí)，便構(gòu)成了較強(qiáng)的觸發(fā)機(jī)制。

［1］熊秋芬，章麗娜，王秀明.強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)員培訓(xùn)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)氣象局培訓(xùn)中心，2012:3 －60.

［2］DOSWELL C A Ⅲ，BROOKS H E，MADDOX R A.Flash flood forcasting:An ingredients－ based methodology［J］.Weather and Forcasting，1996，11:560－581.

［3］DOSWELL C A Ⅲ.The distinction between large－scale and mesoscale contribution to severe convection:A case study example［J］.Wea Forecasting，1987，2:4 －16.

［4］雷崇典，張愛(ài)麗，吳春青，等.延安市降雹氣候特征及雹云回波移動(dòng)路徑的考證［J］.陜西氣象，2013(1):11－14.