2014年陽泉市局地風雹災害的天氣預報分析

李潤春　高源　董文曉　艾靜　梁瀟　尉錦昌

摘 要：分析了2014年陽泉市6次（9 d）局地風雹災害天氣過程，研究了災情發生當天的實況觀測結果、數值預報產品、多普勒雷達觀測和雷達拼圖產品等常用氣象業務資料，并總結了陽泉市該類天氣發生的天氣學特征和雷達觀測特征。結果顯示：①陽泉市風雹災害天氣的環流形式主要有蒙古冷渦型、脊前橫槽型、西風帶冷槽型三類；②有高層干冷、低層暖濕的層結條件；③08：00 500 hPa天氣圖上有明顯的冷空氣影響陽泉，東勝、呼和浩特、張家口的溫度低于-10 ℃，太原、邢臺的溫度低于-8 ℃；④低層相對濕度大于或等于60%；⑤雷達觀測45 dBz強回波發展到-20 ℃層高度（7～8 km）以上；⑥SWAN資料垂直液態水含量VIL≥15 g/m3。這些可作為經驗性數據應用于實際預報業務。

關鍵詞：風雹天氣；局地災害；單體風暴；災情報告

中圖分類號：P429 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.030

山西省陽泉市地處山西省中東部的太行山山區，年平均降雹日數為1～3 d，在我國屬于風雹偏多地區。當風雹災害發生時，多伴有大風災害，偶爾伴有強降水天氣，進而導致農、林業遭受巨大的損失，甚至人畜傷亡。近年來，與風雹相關的研究方向主要有風雹的氣候特征、天氣學分析、數值模式產品的應用、多普勒雷達資料的應用、人工防雹等。風雹災害具有局地性強的特點，這增加了天氣預報的難度。而多方位的研究，特別是多普勒天氣雷達在我國的布設和應用大大增強了人們對風雹天氣的綜合認識。風雹災害與強對流天氣的發展有關，一般由超級單體風暴和較強的多單體風暴產生，風暴中強烈的上升氣流是其形成的必要條件，較大的對流有效位能（CAPE）、垂直風切變和強對流上升至0 ℃層，特別是-20 ℃層的等溫線以上是形成風雹災害的基本環境。本文利用常用氣象資料對陽泉市的風雹天氣進行了預報總結，這對提高當地風雹災害預報水平和防御、減輕災害有重要意義。

1 研究資料和2014年發生的風雹災害

本文采用了常用氣象業務資料，主要包括高空和地面觀測資料、歐洲中心數值預報模式資料、山西省WRF中尺度數值預報模式資料、太原多普勒雷達資料、山西雷達拼圖產品、強天氣短時臨近預報系統的SWAN資料等。

2014年，陽泉市多次出現局地風雹災害，發生時間、地點為2014-06-16—17日陽泉市郊區、2014-08-17盂縣（根據自動站雨量、雷達資料分析訂正為2014-08-16）、2014-08-21平定縣、2014-08-23陽泉市郊區和平定縣、2014-08-27—2014-08-28盂縣和平定縣、2014-09-01—2014-09-02陽泉市郊區。此次災害主要出現在午后到夜間。風雹災害對當地農業生產造成了嚴重的破壞，如表1所示。國家級氣象站記錄的風雹災害日包括2014-06-16陽泉市、2014-06-17盂縣、2014-07-03盂縣、2014-07-17平定縣、2014-08-23平定縣。其中，2014-07氣象站記錄的風雹災害日未形成災害。因此，氣象站的記錄并不能完全反映境內風雹災害的程度。而依據災情資料研究風雹天氣更具有合理性，這樣只存在民政部門災情報告時間不準確的問題。

2 2014年陽泉市風雹天氣的天氣學特征

2.1 500 hPa天氣系統

2014年，陽泉市風雹天氣可分為3類：①蒙古冷渦型。主要集中在2014-06出現。②脊前橫槽型。該類型的天氣環流經向度大，東北部存在低渦活動，渦后脊前有橫槽滑下，是2014年出現最多的風雹天氣。③西風帶冷槽型。該類型的天氣有較強的冷平流，呈階梯槽或低渦切斷。上述3類天氣具體如圖1所示。

2.2 700 hPa影響系統

如圖2所示，700 hPa影響系統共分為3類：①西北氣流中有風向擾動（蒙古冷渦型對應的低空系統）；②切變線或西風槽輻合（脊前橫槽型、西風帶冷槽型對應的低空系統），抬升運動增強；③槽前暖區型（西風帶冷槽型、脊前橫槽型對應的低空系統）。700 hPa低空有較強的西南風大值區，低層暖平流、高層冷平流提升了天氣的不穩定性，類似于西南風低空急流對暴雨的作用，低層一致的西南風有時也具有引發風雹天氣的作用。

2.3 低層至地面的擾動系統

當700 hPa系統不明顯時，仍可在850 hPa至地面分析出風場的擾動。比如，2014-08-21T17：00的數值預報資料顯示，850 hPa、10 m風場下平定縣附近有東西向的風向切變。而平定縣氣象站的實測資料顯示，2014-08-21T17：00的地面風偏南，2014-08-21T18：00轉為北風。圖3為地面自動站記錄的2014-08-21T17：00—18：00的地面極大風速，陽泉市北部存在風向切變。

2.4 地面形勢

大部分個例08：00海平面氣壓場有致使冷空氣活動的冷高壓影響陽泉市的天氣。2014-09-01—02個例陽泉市處于暖低壓后部，未來轉受西北部移來的冷高壓影響。

2.5 熱力和水汽條件

9個個例天氣圖上，高空500 hPa有明顯的冷空氣活動影響陽泉。08：00東勝、呼和浩特、張家口（站號分別為53543、53463、54401）的溫度低于-10 ℃，太原、邢臺（站號分別為53772、53798）的溫度低于-8 ℃；低層850 hPa相對濕度較大，均大于或等于60%.分析08：00的T-lnp圖后發現，太原、邢臺的上干、下濕層個例分別占其總數的6/9和7/8.850 hPa處與500 hPa處溫差T850-T500≥25 ℃的個例分別占7/9、6/8.這種高層干冷、低層相對暖濕，且高低層溫差大的分布有利于對流的不穩定。對流的不穩定程度可用T-lnp資料計算得出的對流穩定度指數IC 分析，IC=θse500-θse850.當IC<0時，為對流性不穩定。8個個例太原對應的IC范圍為-12.2～-5.9 ℃，邢臺的IC范圍為-12.1～-0.5 ℃；08：00太原或邢臺的IC>0可作為陽泉當日風雹災害的消空條件。

9個個例數值模式在風雹災害日14：00沿太行山東部的對流有效位能（CAPE）值較大，如圖4所示。對流有效位能易在陽泉市形成這樣的分布，說明陽泉市局地風雹災害是在一定的環流形勢下產生的，與地形有一定的關系（太行山以東的海拔高度低，夏季低層盛行偏東南氣流，利于低層暖濕能量的積聚）。

2.6 垂直剖面分析

利用山西省WRF數值預報資料中的垂直剖面產品，分析了風雹災害前一天20：00起報的陽泉未來12～36 h風速、垂直速度、相對濕度等要素的垂直分布，分析結果如下：①9個個例中有6個個例伴有高空槽過境；②7個個例有明顯的水平風輻合；③陽泉近地面層至高空存在垂直上升運動的個例有5個，災害范圍較大的風雹災害日均有明顯的垂直上升運動，如圖5所示；④9個個例垂直方向上均存在相對濕度大于等于60%的區域；⑤垂直風切變是生產強雷暴天氣的條件，且隨著高度的增加，7個個例的低層為偏南風，高層為偏北風或偏西風。

2.7 T-lnp圖中0 ℃層和-20 ℃層分析

2014年陽泉市風雹災害日08：00太原T-lnp圖上0 ℃層和-20 ℃層的高度統計如表2所示。風雹災害日0 ℃層的高度范圍為601～663 hPa，約4 km；-20 ℃層的高度在408～430 hPa，約7 km；-20 ℃與0 ℃之間的厚度為186～254 hPa，約3 km。

分析太原2014年夏季逐日08：00的0 ℃層和-20 ℃層的數據后發現，6月、7月和8月的0 ℃層、-20 ℃層的高度接近表2中的平均值，已滿足0 ℃層高度在600 hPa附近、-20 ℃層高度在400 hPa附近或以下的成雹基本條件。而在7月的大部分時段，0 ℃層和-20 ℃層的高度明顯較高。

進一步分析陽泉市2014-07國家級氣象站有2 d出現小冰雹，而境內沒有出現雹災時的0 ℃、-20 ℃高度。與統計的風雹日相比，2014-07-03，太原0 ℃層高度（604 hPa、4 435 m）適宜，但-20 ℃層高度（380 hPa、7 726 m）較高；2014-07-17，0 ℃、-20 ℃高度（586 hPa、4 842 m與394 hPa、7 679 m）均偏高。由此可見，這2 d冷空氣勢力弱，0 ℃、-20 ℃層高度不利于成雹。

3 雷達資料分析

分析發現，致災風雹判別中最直接的判斷依據是反射率因子（即雷達回波強度）、強回波（45 dBZ）高度和形態特征等。分析2014-08-16、2014-08-21、2014-08-23、2014-08-27太原多普勒雷達基數據后發現，4個個例回波反射率最高時達65 dBZ，低層有入流缺口，且垂直剖面都具有因強上升氣流而形成的懸垂特征。2014-08-16，回波高度最高達16 km，強回波高度達8 km；2014-08-21，強回波早期已接地，以強降水為主，只在運動中短時間具有低層入流缺口、懸垂等典型風雹云特征，回波高度最高達20 km，強回波高度達7 km。

上述前兩個個例的強回波的長軸最長達10 km，且速度圖中存在逆風區，可識別出多單體發展為強單體；后兩個個例在20 min內持續出現65 dBZ強回波。

30 dBZ回波面積更大，長軸可達20 km，甚至30 km，且其速度圖中含有氣旋。此外，2014-08-23，單體后部的下沉氣流出現缺口；2014-08-27，徑向方向風雹衰減形成“V”形缺口。根據反射率因子的強度，強回波、高度、面積、持續時間和中氣旋分析，2014-08-23和2014-08-27的風雹天氣為多單體發展為的超級單體。

基于2014年的9個個例，并結合近年來陽泉市氣象臺對太原多普勒雷達資料的分析認為，當反射率因子達到65 dBZ、強回波高度達到8 km，風雹災害便已經發生；當反射率因子達到45 dBZ、強回波發展至8 km（個別達7 km）以上時，易發生風雹災害。但此結論的應用還需考慮0 ℃層和-20 ℃層的高度。圖6中的a為2014-08-21T16：00風雹災害發生時的PPI、VCS雷達回波圖，已滿足反射率因子達到45 dBZ、強回波發展至8 km以上的條件；圖6中的b為2014-07-17T17：00的PPI、VCS雷達回波圖，雷達觀測到陽泉市東部的對流云發展非常強盛，反射率因子為45 dBZ時的強回波范圍更大、高度更高，但反射率因子未發展至65 dBZ，且未發生風雹災害。

分析2014-07-17高空觀測資料后發現，08：00 500 hPa東勝、呼和浩特、張家口的溫度為-10～-8 ℃，太原、邢臺的溫度為-7～-6 ℃，明顯高于陽泉2014年9個風雹災害日的統計溫度。2014-07-17，太原0 ℃層、-20 ℃層的高度高于上述風雹災害日的統計高度，不利于形成大風雹。此外，該地區氣象站的觀測結果也證實了強對流發展到-20 ℃層的高度以上時才有利于大風雹產生。

分析常用的山西雷達拼圖組合反射率后發現，9個個例中有6個個例的反射率因子最強可達60 dBZ及以上，強回波面積長軸長10 km及以上，2014-06-17、2014-09-01、2014-09-02的3個個例的回波相對較弱，最強達55 dBZ及以上，強回波面積長軸明顯小于10 km。強天氣短時臨近預報系統的SWAN拼圖產品顯示，9個個例中8個個例回波頂高產品的數值為15～18 km。此外，9個個例的垂直液態水含量VIL均有所提升，數值為15～65 g/m3。

4 結論

綜上所述，筆者總結了以下6個預報要點，可在實際預報工作中參考：①500 hPa天氣系統主要包括蒙古冷渦型、脊前橫槽型、西風帶冷槽型三類；700 hPa影響系統包括西北氣流中有風向擾動、切變線或西風槽輻合、槽前暖區三類。當700 hPa系統不明顯時，850 hPa至地面的空間中存在風場的擾動和風切變，通過08：00的地面圖可分析得出冷空氣活動的高壓。②具備高層干冷、低層暖濕的層結條件。08：00 500 hPa天氣圖上有明顯的冷空氣活動（冷平流），導致陽泉、東勝、呼和浩特、張家口的溫度低于-10 ℃，太原、邢臺的溫度低于-8 ℃。低層相對濕度大于或等于60%.③陽泉市出現的風雹災害天氣與其山地地形有一定的關系，因此，需分析沿太行山東部因低層較暖濕氣流而形成對流有效位能的大值區。④9個個例發生災害的時間為12：00—21：00，陽泉市局地風雹災害一般發生在

午后至夜間，這與午后氣流層結不穩定增強有關。此外，并不是所有風雹災害都是在系統過境時發生的，部分在700 hPa系統過境前發生，部分在700 hPa系統過境后發生。⑤一般情況下，每年的6月、7月、8月有降雹形勢時，0 ℃層、-20 ℃層的高度大多能滿足基本成雹條件。當夏季暖空氣勢力較強時，500 hPa陽泉附近鋒區的溫度較高，且0 ℃層、-20 ℃層的高度較高，即使對流發展強盛，也不利于成雹和形成風雹災害。⑥多普勒雷達資料中的反射率因子超過65 dBZ，且入流缺口、懸垂等是典型的冰雹云特征，會造成風雹災害。在天氣潛勢條件滿足的前提下，45 dBZ強度回波發展到7～8 km及以上時，則考慮該地區可能發生風雹災害。山西雷達拼圖組合的反射率因子達到55 dBZ，SWAN資料中的回波頂高大于或等于15 km，垂直液態水含量VIL≥15 g/m3，也可作為判別本地是否發生風雹災害的指標。

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作者簡介：李潤春（1967—），女，山西盂縣人，2006年畢業于蘭州大學氣象學專業，理學碩士，副研級高級工程師。

〔編輯：張思楠〕