懷化近15年降雹時(shí)空分布及其環(huán)境參量特征分析

張 昆，王起喚，王 強(qiáng)，彭艷青

(懷化市氣象局，湖南懷化 418000)

冰雹是一種由強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)所引發(fā)的劇烈天氣現(xiàn)象，冰雹的出現(xiàn)具有典型的局地性和短時(shí)性，常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、通信電力以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了很大損失。懷化市地處湘中丘陵向云貴高原的過(guò)渡地帶，是冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)地，基本上每年都會(huì)出現(xiàn)冰雹天氣。2005年2月10日—2月17日出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)連續(xù)8天的冰雹天氣。2013年3月19日，在懷化市南部的靖州縣出現(xiàn)了最大雹徑達(dá)50 mm的強(qiáng)冰雹天氣，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)許多氣象工作者對(duì)冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣做了大量深入的研究，也得出了很多有意義的結(jié)論。許愛(ài)華等[1]通過(guò)對(duì)2000年以來(lái)中國(guó)近百次強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例的環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行分析,提出中國(guó)強(qiáng)對(duì)流天氣5種基本類(lèi)別:冷平流強(qiáng)迫類(lèi)、暖平流強(qiáng)迫類(lèi)、斜壓鋒生類(lèi)、準(zhǔn)正壓類(lèi)、高架對(duì)流類(lèi)，并分析了不同類(lèi)別的形勢(shì)配置；孫繼松等[2]研究了中國(guó)不同區(qū)域各類(lèi)強(qiáng)對(duì)流天氣的形勢(shì)配置表現(xiàn)形式及特殊性；鮑向東等[3]對(duì)河南省冰雹天氣環(huán)境參量特征進(jìn)行了分析；趙強(qiáng)等[4]對(duì)商洛地區(qū)冰雹天氣形勢(shì)及潛勢(shì)預(yù)報(bào)指標(biāo)進(jìn)行了研究。這些都是針對(duì)某個(gè)特定地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流特征研究。因此，針對(duì)懷化冰雹天氣時(shí)空分布、形勢(shì)配置和環(huán)境參量特征的研究，對(duì)本地冰雹天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警和防雹減災(zāi)有重要意義。

1 資料與方法

選用懷化地區(qū)11個(gè)國(guó)家氣象站2004—2018年降雹日資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。規(guī)定某日(20—20時(shí)，北京時(shí)，下同)，某站出現(xiàn)一次以上的地面降雹時(shí)，記為一個(gè)雹日。由于有些站夜間無(wú)觀測(cè)任務(wù)，只記錄20—08時(shí)是否降雹，不記錄降雹時(shí)間，故在做日變化統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，不統(tǒng)計(jì)這些沒(méi)有降雹時(shí)間的資料。冰雹大小只統(tǒng)計(jì)有記錄冰雹直徑的，無(wú)直徑的不在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。對(duì)于懷化地區(qū)冰雹天氣的形勢(shì)配置和環(huán)境參量的研究，主要選用2004—2018年地面、高空常規(guī)觀測(cè)資料。

2 懷化地區(qū)降雹時(shí)空分布特征

2.1 空間分布

分析懷化地區(qū)11個(gè)國(guó)家氣象站2004—2018年的雹日分布(圖1)，可以看出其分布具有一定的地域特點(diǎn)，最南部、最北部以及最西部降雹相對(duì)較少，其中新晃雹日最少為3 d。主要降雹區(qū)域位于懷化的中部一帶，其中辰溪、鶴城、麻陽(yáng)11個(gè)雹日，會(huì)同最多達(dá)13 d。

圖1 2004—2018年懷化地區(qū)雹日分布

2.2 時(shí)間變化

2.2.1 月變化 懷化地區(qū)冰雹的月變化特征非常明顯。2004—2018年懷化地區(qū)共計(jì)出現(xiàn)冰雹87站次，主要出現(xiàn)在冬、春季，其中2、3月出現(xiàn)頻次最多，占總頻次的83%(圖2)。夏、秋兩季不易出現(xiàn)冰雹，僅夏季的7月出現(xiàn)過(guò)一次。從中也可以得出結(jié)論，2、3月為懷化地區(qū)降雹期。造成這種明顯季節(jié)性差異的原因，主要是因?yàn)榻当⑴c副熱帶急流、極鋒急流及其鋒系位置的季節(jié)變化有密切的關(guān)系[5]。在這一時(shí)段，預(yù)報(bào)員對(duì)冰雹的預(yù)報(bào)要有高度的敏感性。

圖2 2004—2018年懷化地區(qū)降雹頻次占比月變化

2.2.2 日變化 從87條冰雹發(fā)生記錄中選取了有明確冰雹發(fā)生時(shí)間的59條記錄，計(jì)算了2004年以來(lái)一天中不同時(shí)段發(fā)生冰雹的頻率(圖3)。從圖3可以看出，懷化地區(qū)冰雹的日變化特征較明顯。除13—14時(shí)、20—21時(shí)、07—08時(shí)基本上未出現(xiàn)降雹以外，其他時(shí)段均有冰雹天氣出現(xiàn)，其中08—09時(shí)、16—17時(shí)以及23—00時(shí)發(fā)生頻次最多，占總頻次的10%。從不同時(shí)段來(lái)看，降雹的主要時(shí)段集中在午后到傍晚(14—20時(shí))，占34%。23—02時(shí)次之，占20%。05—08時(shí)出現(xiàn)最少，僅占5%。由此也可以說(shuō)明，熱力條件在冰雹天氣發(fā)生時(shí)起重要重用。

圖3 2004—2018年懷化地區(qū)降雹日出現(xiàn)頻率日變化

2.3 冰雹直徑

從70站次有效的冰雹直徑觀測(cè)記錄統(tǒng)計(jì)(圖略)發(fā)現(xiàn)，懷化地區(qū)冰雹直徑主要集中在10 mm以下，有65站次。直徑20 mm以上的大冰雹出現(xiàn)較少，僅出現(xiàn)4站次，最大冰雹為2013年3月19日晚靖州觀測(cè)到直徑50 mm的特大冰雹。

3 懷化地區(qū)冰雹天氣主要形勢(shì)

采用許愛(ài)華等[1]人的方法，選取了2004—2018年影響懷化的降雹過(guò)程，對(duì)懷化地區(qū)冰雹天氣主要形勢(shì)配置進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)高架對(duì)流類(lèi)天氣形勢(shì)是導(dǎo)致懷化產(chǎn)生冰雹的最主要類(lèi)型，且多為連續(xù)性過(guò)程。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2004—2018年的冰雹天氣過(guò)程中，高架對(duì)流類(lèi)占77%，低層暖平流強(qiáng)迫類(lèi)占13%，斜壓鋒生類(lèi)站6%，高空冷平流強(qiáng)迫類(lèi)和準(zhǔn)正壓類(lèi)各占2%。因此，高架對(duì)流類(lèi)的天氣形勢(shì)是重點(diǎn)研究的對(duì)象。

高架對(duì)流是發(fā)生在地面鋒線北部冷氣團(tuán)中，近地面附近為穩(wěn)定的冷空氣控制，同時(shí)低層有明顯的逆溫，近地面的氣塊難以穿透逆溫層繼續(xù)上升，而是逆溫層之上的氣塊在一定條件下絕熱上升產(chǎn)生的對(duì)流。懷化此類(lèi)型降雹主要發(fā)生在2—3月，冰雹發(fā)生前期有較強(qiáng)冷空氣南下，地面圖上，懷化一般處于冷高壓底部或底后部。高空?qǐng)D上850 hPa或925 hPa以下為冷墊，為北風(fēng)或東北風(fēng)影響；850 hPa有切變線、干線和鋒區(qū)，為逆溫層以上氣塊提供了動(dòng)力抬升條件，而此層急流軸往往位于華南中北部；700 hPa上急流軸位于江南中南部，強(qiáng)暖濕氣流沿低層冷墊做斜升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)700～500 hPa對(duì)流不穩(wěn)定以及急流軸附近強(qiáng)風(fēng)切變有利于形成對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定；500 hPa上往往有低槽東移，槽前正渦度平流造成局地渦度增加，系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，有時(shí)溫度槽略超前于高度槽，形成對(duì)流不穩(wěn)定，都非常有利于形成高架對(duì)流和冰雹。這種天氣形勢(shì)下，懷化地區(qū)冰雹直徑較小，一般在6 mm以下。

4 懷化地區(qū)產(chǎn)生冰雹的環(huán)境參量

高架對(duì)流是懷化產(chǎn)生冰雹的最主要天氣類(lèi)型，為了研究產(chǎn)生冰雹的條件，選取了2004—2018年高架對(duì)流天氣形勢(shì)下的冰雹事件，分別計(jì)算冰雹發(fā)生前最近時(shí)次懷化探空站代表不穩(wěn)定層結(jié)條件的700 hPa和500 hPa的溫度差(T700-500)、500 hPa和700 hPa假相當(dāng)位溫差(θse(500-700))，反映能量條件的訂正對(duì)流有效位能(CAPE)，反映水汽條件的850 hPa比濕(q850)和700 hPa比濕(q700)，以及850～500 hPa垂直風(fēng)切變，0 ℃層高度(H0)和-20 ℃層高度(H-20)等參量，分析相關(guān)閾值，為冰雹預(yù)報(bào)提供參考。主要的環(huán)境參量見(jiàn)表1。

表1 2004—2018年懷化地區(qū)高架對(duì)流類(lèi)環(huán)境參量

(1)不穩(wěn)定層結(jié)條件

溫度垂直遞減率越大，層結(jié)越不穩(wěn)定，越有利于產(chǎn)生冰雹。從表1可知，11 ℃≤T700-500≤20 ℃，700～500 hPa平均溫差為16 ℃。同樣，強(qiáng)假相當(dāng)位溫垂直遞減率也有利于冰雹的產(chǎn)生，根據(jù)表1，-13.41 K≤θse(500-700)≤11.42 K，平均溫差-1.77 K，θse(500-700)有正有負(fù)，且多數(shù)為負(fù)值，負(fù)值越大層結(jié)越不穩(wěn)定，越有利于冰雹的產(chǎn)生。

(2)能量條件

在強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的情況下，只要有觸發(fā)機(jī)制，便容易產(chǎn)生對(duì)流。強(qiáng)垂直溫度遞減率下出現(xiàn)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)主要依靠的斜壓有效位能，對(duì)流有效位能可以很小。當(dāng)然，如果這時(shí)對(duì)流有效位能也很大，更容易產(chǎn)生冰雹[6]。需要特別注意的是，在高架對(duì)流形勢(shì)下，懷化只有個(gè)別冰雹天氣發(fā)生前對(duì)流有效位能較大，大部分降雹前的對(duì)流有效位能都非常小，不具代表性和適用性。

(3)水汽條件

雹暴內(nèi)部含有大量水分，要求低層有足夠水汽供應(yīng)[7]。由表1可知，一般2.27 g/kg≤q850≤7.37 g/kg，平均3.69 g/kg。3.28 g/kg≤q700≤7.79 g/kg，平均5.45 g/kg。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，700 hPa比濕明顯高于850 hPa比濕，即較高層比濕大于較低層，與常見(jiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣以及暴雨天氣有明顯不同，700 hPa的水汽條件比850 hPa更具有意義，這與周明飛等[8]研究結(jié)果一致。

(4)垂直風(fēng)切變

強(qiáng)垂直風(fēng)切變有利于冰雹的形成。根據(jù)表1，850～500 hPa垂直風(fēng)氣切變?cè)?～41 m/s之間，基本都在20 m/s以上，只有個(gè)別個(gè)例較小，平均達(dá)28 m/s，說(shuō)明這類(lèi)降雹過(guò)程基本都有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。

(5)0 ℃和-20 ℃層高度

除了上述條件以外，產(chǎn)生冰雹還要求有特殊的0 ℃和-20 ℃層高度[9]。據(jù)表1統(tǒng)計(jì)，0 ℃高度基本為3.2～4.0 km，平均3.6 km左右。-20 ℃高度為6.3～8.0 km，平均6.7 km左右。且0 ℃到-20 ℃層的厚度≥2.7 km。

5 結(jié)論

(1)高架對(duì)流類(lèi)是懷化地區(qū)產(chǎn)生冰雹的最主要天氣形勢(shì)，主要發(fā)生在2月中旬到3月下旬，冰雹直徑較小。

(2)懷化冰雹天氣主要形勢(shì)配置為：地面處于冷高壓底部或底后部，850 hPa或925 hPa以下為東北風(fēng)或北風(fēng)，是一個(gè)強(qiáng)冷墊；850 hPa有切變線、干線和鋒區(qū)；700 hPa有強(qiáng)暖濕氣流沿鋒面(強(qiáng)冷墊)做斜升運(yùn)動(dòng)。懷化高架對(duì)流冰雹天氣發(fā)生的主要環(huán)境參量特征為：T700-500≥11 ℃；垂直風(fēng)切變≥20 m/s，越大越有利降雹；q700≥3.28 g/kg；0 ℃高度為3.2～4.0 km，-20 ℃高度為6.3～8.0 km，且0 ℃到―20 ℃層的厚度≥2.7 km。