甘南高原冰雹的氣候特征和雷達回波分析

吉哲君 安華銀 趙惠珍 羅王軍

摘要 利用甘南州8個國家氣象觀測站1976—2015年冰雹觀測資料，對甘南高原冰雹天氣的氣候特征進行詳細分析。同時，利用2002—2012年5—9月合作站探空資料和2013—2015年甘南新一代天氣雷達資料對甘南各站冰雹日層結特征和多普勒雷達回波特征進行統計分析。結果表明：甘南州冰雹隨海拔高度的升高而呈線性增加趨勢。20世紀80—90年代是降雹的高峰期，降雹總體趨勢是減少的。一日中冰雹天氣主要發生在午后至傍晚，冰雹天氣當日合作站探空參數有明顯的特征。甘南冰雹云回波強度>40 dbz，回波頂高度在3 km以上，垂直液態含水量在0.5 kg/m2，60%的冰雹云速度場有明顯的輻合和中氣旋。

關鍵詞 冰雹；氣候特征；回波特征；甘南高原

中圖分類號 P429 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）06-0210-03

Analysis on Climate Features and Radar Echo of Hail Weather in Gannan Plateau

JI Zhe-jun AN Hua-yin ZHAO Hui-zhen LUO Wang-jun

（Gannan Meteorological Bureau of Gansu Province，Gannan Gansu 747000）

Abstract Used meteorological station hail observation data of Gannan in 1976—2015 to analyze the climate characteristics of Gannan Plateau hail weather，used cooperation standing sounding data in May to September at 2002—2012 in Gannan and a new generation of weather radar data of Gannan hail in 2013—2015 to analyze stratification and doppler radar echo characteristics. The results showed that the Gannan hail had increase tendency with the rising of altitude. In the 1980s to 1990s the hail peak was down，the overall trend reduced.The hail occured mainly in the afternoon to the evening.The hail weather cooperation standing sounding parameters had obvious characteristics.Gannan hail cloud echo intensity was >40 dbz，echo top height was above 3 km，vertical liquid water content was in the 0.5 kg/m2，60% hail cloud velocity had obvious convergence and cyclone.

Key words hail weather；climatic characteristic；radar echo characteristic；Gannan Plateau

甘南州地處青藏高原向黃士高原的過渡地帶，地形復雜，天氣多變，災害性天氣種類多易發生，冰雹天氣是甘南高原主要的自然災害之一。另外，甘南是西北地區多雹區之一，瑪曲縣是甘肅省冰雹中心，同時甘南也是影響甘肅省定西市西南部的冰雹云東移的加強區和必經之地[1-4]。目前，多普勒雷達資料的分析應用逐步成為防災減災和保護人民生命財產安全的重要手段。吳愛敏等[5]通過新一代天氣雷達觀測資料，分析了慶陽市冰雹過程中雷達回波強度、速度、垂直積分液態含水量等的變化特征，為冰雹預報提供了可靠的依據。王若生等[6]利用平涼近47年冰雹基本觀測資料和2009—2011年的雷達回波資料，分析了冰雹天氣的層結特征和雷達回波特征，為平涼市人工消雹和防災減災工作提供了參考和依據。本文利用甘南州8縣市1976—2015年冰雹基本觀測資料、2013—2015年甘南新一代天氣雷達觀測資料分析了甘南高原冰雹的時空分布特征、層結特征和多普勒雷達回波特征，探索研究適合甘南高原冰雹的天氣雷達預報指標，以期為甘南州人工消雹和防災減災工作提供科學參考。

1 資料來源

所用資料為甘南州8縣市1976—2015年國家氣象觀測站冰雹觀測資料，2013—2015年5—9月合作高空站探空資料，2013—2015年5—9月甘南新一代天氣雷達觀測資料，包括基本反射率、組合反射率、徑向速度、回波頂高、垂直液態積分水含量等產品。

2 甘南高原冰雹天氣的氣候特征

2.1 甘南高原冰雹天氣的空間分布特征

分析甘南州8個國家氣象站1976—2015年降雹次數分布，結果見圖1。可以看出，降雹頻次分布有明顯的地域特點，近40年西南部海拔超過3 000 m的瑪曲、碌曲降雹次數最多，分別達343、291次，平均每年8.6、7.3次，而東南部海拔相對較低的迭部、舟曲降雹次數最少，只有104、28次，平均每年2.6、0.7次。

近40年來，全州各地降雹次數自東向西隨海拔高度的升高而增加（圖2），年降雹次數隨海拔高度的升高呈明顯的線性增加趨勢，海拔高度平均升高100 m，年降雹次數增加15.86次。

2.2 甘南高原冰雹的時間變化特征

2.2.1 甘南高原冰雹的年代際和年際變化特征。近40年來，甘南高原8個氣象站共出現冰雹1 692次，其中1976—1980年出現302次，20世紀80年代出現617次，90年代出現477次，進入21世紀以來，2001—2010年出現224次，2011—2015年出現72次。可以看出，20世紀80、90年代是降雹的高峰期，總的趨勢來看，冰雹發生的趨勢是減少的。從1976—2015年降雹日數的年際變化（圖3）可以看出，近40年來甘南高原降雹日數的年際變化顯著，降雹出現最多的年份是1994年，達到76次，1992年次之，達74次，降雹日數最少的年份是2009年和2013年，僅有12次。降雹次數呈現線性減少趨勢，每10年減少15.773次。

2.2.2 甘南高原冰雹的月變化特征。甘南高原冰雹天氣的季節變化特征非常明顯，40年來甘南降雹天氣最早的月份為3月，出現在舟曲縣，最晚結束在10月，全州各地均可出現，可見甘南高原降雹期長達8個月，從降雹總次數分布（圖4）可以看出，從3月開始，降雹次數逐月增加，5月達到最大，降雹總數為385次，每年5月平均降雹12.4 d，隨后又呈逐月下降趨勢，主要降雹時段為5—9月，占降雹總數的93.1%。

2.2.3 甘南高原冰雹的日變化特征。甘南高原降雹有明顯的日變化特征，對近40年全州降雹起始時間進行統計分析，發現甘南高原降雹多在午后出現，11：00前和23：00后沒有降雹發生，降雹時間出現在11：00—13：00的占10%，出現在14：00—17：00的占58%，出現在18：00—23：00的占32%，根據各地降雹出現的時間，大致可以分為3種類型，分別為午后型、傍晚型、午后傍晚雙峰型。

3 甘南高原冰雹天氣的天氣學特征

3.1 甘南高原冰雹天氣的環流背景

冰雹天氣往往是在一定的大尺度環流背景下的發生的[7]，對2002—2012年5—9月全州共出現冰雹195站（次）進行統計分析，按照環流形勢可以分為3種類型：高空冷槽型、高空冷渦型、緯向環流型。

3.1.1 高空冷槽型。降雹總數的70%屬于此種類型，5—7月較多。500 hPa蒙古中部到河西西部為一冷槽，溫度槽落后于高度槽，河套以東為一長波脊，在33～40°N、90～105°E范圍內有明顯鋒區。此形勢下24 h內甘南州大部分地方可能出現冰雹天氣。降雹機制是鋒面移動抬升鋒前不穩定的暖濕空氣產生強烈對流。

3.1.2 高空冷渦型。降雹總數的25%屬于此種類型，6—8月較多。500 hPa河套一帶有冷中心或有冷槽配合的低壓中心，系統深厚，移動緩慢，本地位于低渦后低部，有時可連續幾天降雹。其降雹機制是低渦的輻合作用使低層暖濕空氣在高空冷平流的影響下產生強烈對流。

3.1.3 緯向環流型。此型較少，約占降雹總數的5%，但5—9月均可出現。500 hPa中緯度以緯向環流為主，青藏高原上有西南氣流發展，30～40°N、90～100°E范圍內有短波槽或切變線東移，則在未來24 h內甘南州局地會出現冰雹。

3.2 甘南高原冰雹天氣的探空層結特征

冰雹天氣是一種強烈的對流運動，其發生要求有一定的不穩定能量的積累[8-12]。利用2002—2012年甘南州8縣市發生的192次冰雹天氣過程，統計過程前一日和當日合作站的探空資料發現，冰雹發生日8：00或20：00合作探空層結有明顯的特征。

3.2.1 層結穩定度。選取700 hPa比濕、SI指數、700～300 hPa溫差、700～500 hPa風速切變、700 hPa假相當位溫等探空參數進行分月統計發現，冰雹日當天700 hPa比濕≥5.0，7月、8月≥7.3，SI指數除5月<6外，其余各月冰雹日當天均<4， 700～300 hPa溫差均≥34 ℃，700～500 hPa風速切變均≥5 m/s，700 hPa假相當位溫均≥50 ℃（表1）。

3.2.2 0 ℃層高度和-20 ℃～0 ℃層厚度。冰雹的形成需要一定的環境場溫度，合適的0 ℃層高度和-20 ℃～0 ℃層厚度是冰雹形成的必要條件。統計發現，冰雹日當天合作站0 ℃層高度在3.0～5.5 km之間，其中5月和9月略低，7月和8月略高，-20 ℃～0 ℃層厚度在2.5～4.0 km之間，各月之間差異不大。

4 甘南高原冰雹天氣的新一代天氣雷達產品特征

甘南新一代天氣雷達從2013年汛期開始投入試運行，利用2013—2015年5—9月合作雷達產品資料、冰雹觀測資料，用回波強度、回波頂高、強回波底高、強回波頂高、VIL、速度場（輻合、中氣旋、逆風區等）進行分析（表3），統計冰雹發生時雷達產品資料，通過統計方法建立冰雹雷達臨近預報指標。

通過對甘南州雷達有效探測距離內36個站次的冰雹雷達資料統計分析，得出了甘南州冰雹雷達回波特征。

4.1 回波強度

通過對出現冰雹站點附近的雷達回波強度統計分析發現，冰雹發生時最大回波強度在30～50 dbz之間，超過40 dbz的占92%以上，因此，把冰雹發生前雷達回波強度閾值確定為40 dbz。

4.2 強回波頂高

對流的強弱和回波的伸展高度有關，回波高度結合回波強度可以判斷冰雹天氣發展的強弱[7]。在多普勒雷達資料中，新的冰雹算法中判斷冰雹的主要判據是檢驗0 ℃與-20 ℃以上有無超過45 dbz的反射率因子，0 ℃層高度與45 dbz的反射率因子回波頂高度的距離差用于判斷冰雹的有無。由于甘南州海拔高，2013—2015年所有冰雹個例中強中心超過45 dbz的個例較少，而往往強中心高度超過40 dbz的個例占92%以上，因此確定40 dbz反射率因子頂高為甘南州強回波頂高度較高。經統計，40 dbz反射率因子頂高度高于3 km時，降雹的可能性很大。通過對回波頂高統計分析發現，40 dbz回波頂高平均高度為3.5 km，0 ℃層平均高度為3.0 km，因此40 dbz反射率因子頂高平均略高于0 ℃層高度。

4.3 VIL和VIL躍變

VIL（垂直液態水含量）和VIL激增（躍變）是判別強對流天氣冰雹和短時強降水的主要指標[9]。VIL值表示的是將反射率因子數據轉化成等價的液態含水值，因此VIL值隨著反射率因子的增強而增強。通過對降雹前1h VIL值統計發現，當垂直液態含水量超過0.5 kg/m2時即有降雹的可能。通過對冰雹發生時和發生前VIL激增（躍變）值統計分析，所有個例中VIL激增（躍變）不明顯。

4.4 速度場特征

對冰雹發生前1 h到冰雹發生時的速度圖進行分析，發現有超過60%的個例有明顯的速度場特征，其中超過50%的個例速度圖中發現明顯的輻合特征，超過10%的個例中發現明顯的中氣旋特征。因此，當速度場中出現明顯的輻合和中氣旋特征也是對甘南州出現冰雹天氣的一種指示。

5 結論

（1）甘南高原冰雹的分布有明顯的地域特點，降雹次數隨海拔高度的升高而呈線性增加趨勢，海拔高度平均升高100 m，年降雹次數增加15.86次。

（2）甘南高原冰雹的年代際變化顯著，20世紀80、90年代是降雹的高峰期，總的趨勢來看，冰雹發生的趨勢是減少的。

（3）甘南高原降雹季節性變化顯著，最早出現在3月，最遲出現在10月，雹期長達8個月，其中5月出現次數最多，6月次之，5—9月冰雹次數占全年的93.1%。

（4）甘南高原降雹多在午后出現，根據各地降雹出現的時間，大致可以分為午后型、傍晚型、午后傍晚雙峰型3種類型。

（5）甘南高原冰雹當日合作探空站層結有明顯的特征：700 hPa比濕≥5.0，SI指數除5月<6外，其余各月冰雹日當天均<4，700～300 hPa溫差均≥34 ℃，700～500 hPa風速切變均≥5 m/s，700 hPa假相當位溫均≥50 ℃，0 ℃層高度在3.0～5.5 km之間，-20 ℃～0 ℃層厚度在2.5～4.0 km之間。

（6）甘南高原冰雹云雷達回波強中心強度大于40 dbz，垂直發展旺盛，回波頂高都在3.0 km以上，垂直液態水含量超過0.5 kg/m2，60%的冰雹云速度場有明顯的輻合或中氣旋特征。

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