浙西地區(qū)春季和盛夏兩次冰雹過程的對比分析

藍(lán)俊倩 李娜 王健疆 廖君鈺

(衢州市氣象局，浙江 衢州 324000)

0 引 言

冰雹是強(qiáng)對流天氣所伴隨的破壞力較大的天氣現(xiàn)象之一。雹災(zāi)在我國分布甚廣，且危害較大，特別是中高緯地區(qū)內(nèi)陸的山地、丘陵地區(qū)是雹災(zāi)的多發(fā)頻發(fā)區(qū)。通過對冰雹天氣的統(tǒng)計分析可以有效地了解某個地區(qū)冰雹天氣的時空分布特征[1-2]。從業(yè)務(wù)預(yù)報和診斷方面，孫瑩等[3]從動力診斷方面得出中低層風(fēng)切變的增加可促進(jìn)了高低層能量的交換，觸發(fā)強(qiáng)對流的爆發(fā)。劉一瑋等[4]發(fā)現(xiàn)熱力不均勻分布造成的次級環(huán)流和上升運動可觸發(fā)冰雹的發(fā)生。陳曉紅等[5]指出CAPE(對流有效位能)、NCAPE(歸一化對流有效位能)、SSI(風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù))和SHR(密度加權(quán)平均垂直風(fēng)切變)等參數(shù)較好地反映出強(qiáng)風(fēng)雹天氣過程的出現(xiàn)。隨著全國多普勒雷達(dá)站點布局的完善，雷達(dá)資料在短時臨近分析中的運用越來越為廣泛[6]，利用雷達(dá)資料分析和研究強(qiáng)降雹過程不僅可以監(jiān)測和跟蹤強(qiáng)回波區(qū)域的發(fā)展移動還可以更好地了解冰雹云的垂直結(jié)構(gòu)特征，通過對冰雹云回波特征的研究分析還可以找到能夠指示強(qiáng)降雹發(fā)生可能性的重要指標(biāo)[7-12]，為日常業(yè)務(wù)工作提供有益的指導(dǎo)。同時利用中尺度數(shù)值模式對冰雹過程進(jìn)行模擬分析，可以更好地了解冰雹產(chǎn)生的機(jī)制以及雹云的物理結(jié)構(gòu)特征[13]。

1 兩次冰雹過程概況

浙西地區(qū)由于其特殊的地形和氣候特征，強(qiáng)對流天氣常伴有短歷時強(qiáng)降水、強(qiáng)雷電和短時大風(fēng)等天氣現(xiàn)象，冰雹出現(xiàn)的概率相對較小。2015年4月5日晚20:00—23:00和7月29日傍晚17:00—17:30浙西衢州地區(qū)各出現(xiàn)了一次冰雹天氣過程，這種過程實屬罕見。兩次過程一次發(fā)生在春季，另一次發(fā)生在盛夏，前一次過程影響范圍較大且冰雹強(qiáng)度較強(qiáng)，系統(tǒng)自西向東影響衢州地區(qū)時間約3 h左右，開化東南部、衢州中部一線自常山-柯城-衢江-龍游一線均有冰雹出現(xiàn)(圖1a)，最大強(qiáng)度出現(xiàn)在市本級及附近區(qū)域，最大冰雹直徑達(dá)5 cm左右，這次過程對衢州城區(qū)以及20余個鄉(xiāng)鎮(zhèn)造成影響，農(nóng)業(yè)蔬菜大棚、農(nóng)村房屋頂棚均出現(xiàn)不同程度的損毀情況，衢州主城區(qū)車輛被冰雹砸出很多凹陷更有甚者擋風(fēng)玻璃被砸碎，冰雹發(fā)生后不到24 h，僅人保衢州分公司就受理了1600余起冰雹導(dǎo)致車損的案件，所幸這次過程并沒有造成人員傷亡；后一次過程降雹主要集中在衢州市區(qū)和衢江區(qū)沈家附近(圖1b)，系統(tǒng)影響時間約30 min左右，最大冰雹直徑約為2 cm左右，由于范圍和強(qiáng)度均比前一次過程明顯偏弱，未造成顯著的災(zāi)害。

圖1 冰雹落區(qū)分布圖

2 環(huán)流形勢比較

4月5日20時的環(huán)流場顯示(圖2)500 hPa(圖2a)和700 hPa(圖2b)高空圖上浙西地區(qū)均為南支槽前西南氣流控制，低層850 hPa(圖2c)在安徽湖北交界處有低壓環(huán)流中心，與其配合的暖式切變線和冷式切變線分別位于江蘇中部和湖北東部上空，浙江中部至江西東北部一線有干線的存在，浙西地區(qū)位于低渦東南部的干線附近，925 hPa(圖d)在浙中至贛東北有風(fēng)場輻合線。7月29日08時至20時(圖略)，500 hPa高緯地區(qū)有淺槽下滑東移，低緯地區(qū)華南沿海有低壓系統(tǒng)北抬，因此海上副高588線迅速減弱東撤，至20時在浙南至閩北有一條風(fēng)場的輻合線生成，700 hPa一直為偏南氣流控制，850 hPa由偏西氣流轉(zhuǎn)偏南氣流。

(a)500 hPa (b)700 hPa (c)850 hPa(黑實線為切變線，黑虛線為干線) (d)925 hPa(雙實線為風(fēng)場輻合線)圖2 2015年4月5日20時環(huán)流形勢(陰影區(qū)相對濕區(qū)>80%，高度場等值線(10gpm))

從環(huán)流形勢的對比來看，前一次過程主要是由中高層南支槽前強(qiáng)盛的西南氣流提供不穩(wěn)定能量，配合低層有低渦切變和干線的輻合抬升觸發(fā)條件而產(chǎn)生冰雹天氣，大尺度天氣系統(tǒng)對冰雹過程的加強(qiáng)和維持起到了重要作用；后一次過程由于副高減弱東退，低壓環(huán)流北抬生成輻合線，中低層偏南氣流提供水汽和不穩(wěn)定能量，午后局地?zé)崃μ龔亩|發(fā)對流性天氣產(chǎn)生冰雹。前一次過程的天氣系統(tǒng)比后一次過程強(qiáng)，且天氣尺度的輻合上升條件也有利于強(qiáng)冰雹的形成和維持。

3 探空資料的對比分析

對比兩次過程冰雹發(fā)生前衢州站的探空圖發(fā)現(xiàn)，4月5日20時(圖3a)和7月29日14時(圖3b)本站均有很強(qiáng)的對流不穩(wěn)定能量且后一次CAPE值更大；從風(fēng)速的垂直切變來看，4月5日過程0～6 km風(fēng)速垂直切變達(dá)到22 m/s，而7月29日過程在下午14時中低層沒有明顯的垂直風(fēng)切變，從垂直風(fēng)切變對強(qiáng)對流的發(fā)展來看前一次過程更有利；從風(fēng)速的垂直分布來看，春季冰雹過程500 hPa以下風(fēng)速的垂直切變很大，而盛夏冰雹過程風(fēng)速的垂直切變在400 hPa以上很大，400 hPa以下風(fēng)速及其垂直切變均很小，結(jié)合風(fēng)矢端圖分析，春季冰雹過程在500 hPa以下表現(xiàn)為基本單一方向的風(fēng)切變而盛夏冰雹過程則表現(xiàn)為環(huán)境風(fēng)隨高度的無序分布，從這一特點可以看出春季冰雹過程為多單體風(fēng)暴的影響而盛夏冰雹環(huán)境風(fēng)的垂直變化特征更傾向于產(chǎn)生普通單體風(fēng)暴，結(jié)合實況來7月29日14時還沒有對流風(fēng)暴的產(chǎn)生，可見3 h后的降雹應(yīng)該是其后不穩(wěn)定能量的觸發(fā)引發(fā)的對流過程所產(chǎn)生。

圖3 衢州站探空資料圖

對比這兩個時次主要對流參數(shù)和特征高度(表1)，從K指數(shù)和SI指數(shù)來看兩個時次均有較強(qiáng)的大氣不穩(wěn)定層結(jié)存在，對流有效位能CAPE值均很大但盛夏冰雹過程更明顯，這或許是盛夏過程后期熱對流發(fā)展旺盛進(jìn)一步產(chǎn)生冰雹的原因；從風(fēng)暴相對螺旋度(SRH)來看，春季過程明顯大于夏季過程，其可以反映一定氣層厚度內(nèi)環(huán)境風(fēng)場的旋轉(zhuǎn)程度和輸入到對流體內(nèi)環(huán)境渦度的多少，可以用以估算垂直風(fēng)切變環(huán)境中風(fēng)暴運動所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)潛勢，這說明春季過程的風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)潛勢較大，而夏季過程在對流單體獲得發(fā)展以前環(huán)境風(fēng)場的旋轉(zhuǎn)潛勢很弱。

從降雹的物理條件來看，適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度對冰雹的產(chǎn)生有重要的作用，一般來說0 ℃層高度在600 hPa上下、-20 ℃層高度在400 hPa附近最有利于冰雹的生成，這兩次過程0 ℃層和-20 ℃層高度都在適宜的高度層附近。目前我們在業(yè)務(wù)中所使用的0 ℃層和-20 ℃層均為干球溫度所在高度，俞小鼎在對冰雹的融化層高度研究中[14]指出濕球溫度0 ℃層高度更接近于冰雹的融化層高度，通過計算得出春季和夏季降雹前的濕球溫度0 ℃層高度分別在625 hPa和650 hPa附近均低于干球溫度0 ℃層高度(600 hPa附近)，因此不太高的融化層高度有利于冰雹的產(chǎn)生，特別是夏季出現(xiàn)650 hPa的融化層高度實屬罕見，從而在盛夏出現(xiàn)了此次冰雹過程。

表1 兩次冰雹過程前的對流指數(shù)和特征高度

4 觸發(fā)條件的對比

4.1 垂直速度和散度分析

這兩次降雹過程，在冰雹出現(xiàn)前溫度都較高，因而會有深厚的不穩(wěn)定能量的堆積，抬升力條件的強(qiáng)弱對不穩(wěn)定能量的釋放和對流發(fā)展的強(qiáng)度具有重要作用。

對兩次過程冰雹產(chǎn)生前的時次分別沿29°N進(jìn)行剖面分析，4月5日20時(圖4a)118°～119°E(即浙西地區(qū))700 hPa以下有明顯的輻合存在，同時該區(qū)域600 hPa以下均有上升速度配合，可見抬升力條件非常好。7月29日14時(圖4b)118°～119°E(即浙西地區(qū))中低層輻合輻散均較弱，119°E上700 hPa附近有一個弱的輻合中心存在，垂直速度在該范圍內(nèi)均較弱。可見4月5日對流發(fā)展有很好的抬升觸發(fā)條件，高低層天氣系統(tǒng)對抬升力條件的貢獻(xiàn)不可忽視，而7月29日14時的抬升觸發(fā)條件很一般，此次過程應(yīng)以局地?zé)崃μ|發(fā)為主。

圖4 沿29°N散度(陰影)和垂直速度(等值線)的垂直剖面(散度單位：10-5s-1；垂直速度單位：Pa·s-1)

4.2 冷暖平流的影響

將兩次過程發(fā)生前的溫度平流沿119°E進(jìn)行剖面分析，對比發(fā)現(xiàn)4月5日20時(圖5a)28°～31°N之間850 hPa以下有顯著的冷平流侵入，這種低層強(qiáng)冷平流的侵入使得暖空氣被強(qiáng)迫抬升而觸發(fā)強(qiáng)對流；而7月29日14時的溫度平流剖面上(圖5b)28°～31°N之間只在500 ～600 hPa之間有弱暖平流的影響，其它區(qū)域溫度平流均不明顯。可見4月5日過程低層冷空氣的侵入影響進(jìn)一步加劇了其對流發(fā)展的強(qiáng)度。

圖5 溫度平流沿119°E的垂直剖面(單位：10-5K·s-1)

5 雷達(dá)組合反射率特征的對比分析

4月5日組合反射率20:05(圖略)在衢州西北側(cè)的安徽祁門至江西婺源-萬年一線已有對流性回波發(fā)展，其后回波東北向移動進(jìn)入開化并進(jìn)一步發(fā)展，至21:12在開化縣城北部地區(qū)有塊狀強(qiáng)回波出現(xiàn)，最大反射率因子達(dá)到69 dBz，而該區(qū)域正好與開化的降雹區(qū)域相吻合。隨后在常山西側(cè)的回波也加強(qiáng)發(fā)展并與開化地區(qū)的回波合并向偏東方向移動，至22:00在強(qiáng)回波帶南部有反射率因子達(dá)63 dBz的紫色區(qū)域，此后其一路向東移動并于22:18加強(qiáng)發(fā)展至最大強(qiáng)度達(dá)72 dBz，位置正好處于衢州城區(qū)上空，實況與其相對應(yīng)，此時衢州城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雹，最大冰雹直徑達(dá)5 cm。對比強(qiáng)冰雹出現(xiàn)的時間和落區(qū)與最強(qiáng)反射率回波的區(qū)域和移向極為吻合，在實際短臨分析預(yù)報業(yè)務(wù)中可直接用組合反射率因子的最強(qiáng)區(qū)域指示冰雹落區(qū)。

7月29日組合反射率15:31衢州地區(qū)在雷達(dá)站的東北部有回波開始發(fā)展，同時在衢州東南側(cè)的麗水地區(qū)和西南側(cè)的江西玉山地區(qū)回波發(fā)展旺盛，其后雷達(dá)站東北部的回波迅速發(fā)展，同時玉山地區(qū)的回波加強(qiáng)發(fā)展進(jìn)入衢州常山，開化地區(qū)也有回波開始發(fā)展，這說明整個衢州區(qū)域的熱對流條件較好，在周圍對流系統(tǒng)的不斷發(fā)展下，衢州地區(qū)對流也得以觸發(fā)發(fā)展。16:13衢州市區(qū)有小塊回波出現(xiàn)，此后該塊回波迅速發(fā)展且位置穩(wěn)定少動，16:55有60 dBz以上的回波出現(xiàn)，冰雹開始出現(xiàn)，17:07最大回波強(qiáng)度達(dá)70 dBz，降雹明顯且降雹區(qū)域擴(kuò)大。

對兩次衢州市區(qū)出現(xiàn)冰雹的時段內(nèi)的強(qiáng)回波分別沿強(qiáng)回波的移動方向進(jìn)行垂直剖面，對比分析可以發(fā)現(xiàn)，兩次過程均有明顯的回波墻存在，且回波均伸長到9 km以上高度，說明兩次過程對流發(fā)展均很旺盛。4月5日過程低層有明顯的弱回波區(qū)存在同時回波墻呈現(xiàn)略微傾斜狀，對比垂直剖面時刻1.5°仰角的速度場圖發(fā)現(xiàn)，與強(qiáng)回波帶相對應(yīng)的位置速度場上有一條不連續(xù)的逆風(fēng)區(qū)存在，而7月29日過程則沒有發(fā)現(xiàn)弱回波區(qū)和對應(yīng)逆風(fēng)區(qū)，這說明4月5日過程的對流風(fēng)暴存在明顯的入流和出流特征，對流風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性均比7月29日過程要好，這也是前一次過程持續(xù)時間長、強(qiáng)度大的重要原因。

6 結(jié) 語

通過對2015年春季和盛夏發(fā)生在浙西地區(qū)兩次較為罕見冰雹過程的對比分析，得到了以下結(jié)論。

1)兩次冰雹過程分別產(chǎn)生于春季和盛夏，春季過程低層有渦切、干線和風(fēng)場輻合線配合，天氣系統(tǒng)影響明顯，而盛夏過程主要是由午后的熱對流產(chǎn)生。

2)兩次降雹過程發(fā)生前的探空資料顯示，兩次過程對流指數(shù)條件均較好并有很強(qiáng)的對流不穩(wěn)定能量，且0 ℃和-20 ℃層高度均在適宜范圍。春季過程500 hPa以下的風(fēng)速垂直切變和相對風(fēng)暴螺旋度均大于盛夏過程，表明春季過程更有利于強(qiáng)風(fēng)暴的形成。風(fēng)矢端圖顯示春季過程的環(huán)境風(fēng)場有利于多單體風(fēng)暴的生成，盛夏過程則比較有利于普通單體風(fēng)暴的形成。

3)低層的輻合上升和冷空氣侵入為春季降雹過程提供了較好的動力觸發(fā)條件，而盛夏降雹過程則以熱力觸發(fā)為主。

4)兩次冰雹過程的強(qiáng)度和落區(qū)與最強(qiáng)回波強(qiáng)度和超過60 dBz強(qiáng)回波區(qū)域的移向一致。春季降雹過程對應(yīng)的雷達(dá)回波有弱回波區(qū)，速度場上強(qiáng)對流帶位置對應(yīng)有逆風(fēng)區(qū)存在，表明對流風(fēng)暴有強(qiáng)入流和出流特征；春季降雹風(fēng)暴的組織結(jié)構(gòu)性較盛夏降雹風(fēng)暴強(qiáng)是春季冰雹過程持續(xù)時間長、強(qiáng)度大的重要原因。