貴州省中西部一次冰雹天氣過程的渦度收支分析

羅 雄，羅喜平，曾 勇,2，黃 鈺,2，崔 蕾

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；2.貴州省氣象災害防御技術中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

冰雹是貴州省春夏季主要的災害性天氣之一，尤其是在3—5月，是冰雹天氣主要的發生時間，約占全年的61.8%[1]。貴州省地處云貴高原，由于特殊的地形特征和亞熱帶季風氣候等因素，冰雹天氣具有生成發展快、降雹頻次高、影響范圍廣、局部災害重、防范難度大的特點[2]。近年來，隨著理論知識的完善以及探測和數值模擬等技術的提高，在冰雹天氣的形成和發展機制方面取得很多研究成果。Dessens[3]研究表明，冰雹多發生在低層暖濕、垂直風切變強、具有較大不穩定能量的背景環境中，并且強對流天氣系統觸發釋放的不穩定能量對于強冰雹天氣的發生是十分有利的。700 hPa切變線的發展東移，配合地面輻合線，往往會形成有利于強對流云發展的天氣背景[4]。蔣瑛等[5]認為再生冰雹云發展的動力條件是在降雹區兩側形成較強的輻合上升運動。雖然對于冰雹的預報具有較大難度，但是結合雷達資料和衛星云圖，做出較準確的短時預報是可能的[6]。

本文針對2018年3月13日貴州省中西部地區出現的一次大范圍降雹天氣過程，分析其TBB演變特征和環境場特征，并結合渦度收支方程來分析冰雹云發生時渦度收支的變化情況。

1 資料

本文所用資料包括：①常規氣象觀測資料；②NCEP-FNL分析資料(時、空分辨率分別為6 h和1°×1°)；③FY-2F氣象衛星反演的黑體亮溫資料(TBB，時、空分辨率分別為1 h和0.1°×0.1°)。

2 冰雹天氣概況

2018年3月13日08時—3月14日08時(北京時，下同)，受500 hPa南支槽和高空槽、中低層切變線、中低空急流以及地面輻合線的影響，貴州省中西部出現大范圍冰雹天氣，此次過程持續時間長，影響范圍廣。根據貴州省氣象觀測站記錄，降雹發生的起止時刻分別為3月13日13時41分和3月14日00時33分，主要降雹時段在3月13日17—20時。受此次過程影響，貴州省畢節市、六盤水市、黔西南州、黔南州、貴陽市、安順市6個市州的21個縣46個鄉鎮觀測到冰雹，其中降雹直徑D<5 mm的有14個站點，5 mm≤D<20 mm的有47個站點，最大降雹直徑為16 mm(圖1)。

3 云頂亮溫

利用氣象衛星反演的高時空分辨率的TBB資料，不僅能夠觀測到中尺度云系的分布[7]，還可以直接展現中小尺度對流發展的旺盛程度，推斷云團發展的強度及所在階段[6]。3月13日14時以前貴州省大部基本為晴空區(圖略)，14時(圖2a)開始在畢節地區有對流云團A生成并向東移動發展，云團中心TBB大約為-24 ℃；15時(圖2b)A云團發展增強，TBB值降低為-42 ℃，受此云團影響，大方縣、水城縣、納雍縣等地降雹，與此同時在黔西南州西部有新的對流云團B生成；16時(圖2c)云團A繼續發展東移，云團強中心TBB為-46 ℃，16時01分—16時50分赫章縣、大方縣、織金縣先后降雹，云團B也進一步發展；17—20時(圖2d～2g)云團A發展為東—西向的帶狀云團，其長軸約為400 km，云團B中心TBB降低至-46 ℃，貴州省中西部被大片對流云團所覆蓋，19時(圖2f)A、B兩個云團連接、合并，且存在兩個強中心，其中心最強TBB值于達到-53 ℃，受A、B兩個對流云團影響，17—20時貴州省共計有45點降雹；21時(圖2h)云團中心移至26°N、107°E附近，雖然中心范圍有所減小，但是其中心值為-51 ℃，受此云團影響21時06分—21時54分惠水縣和平塘縣仍依次出現降雹；22時(圖2i)云團主體中心分裂減弱東移，并于次日移出貴州省境內(圖略)。

綜上所述，TBB的變化特征能夠很好地反映出此次冰雹天氣過程的云團演變特征。此次過程降雹發生的主要時段是在云團的生成到發展期，在云團發展初期，降雹時對應的TBB值約為-42 ℃，而在降雹主要時段TBB中心值在約為-46～-53 ℃之間。

4 降雹的物理條件分析

4.1 0 ℃層和-20 ℃層高度

0 ℃層和-20 ℃層高度是表征冰雹云特征的重要參數，其分別代表云中冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區下界[8]。從表1可知，3月13日08時和20時，貴陽站和威寧站的0 ℃層高度維持在3 500～3 800 m上下，-20 ℃層高度基本維持在6 500 m左右，這樣的高度可以使對流云在往高處發展的過程中雹粒不會因暖層過厚而被消融；此外，由表1可知3月18日08時，貴陽站和威寧站0 ℃層和-20 ℃層厚度分別為2 888 m和2 943 m，均在3 000 m以下，表明在垂直方向上大氣存在強的溫度梯度，并且存在不穩定層結，這樣的環境溫度條件對于冰雹的產生是有利的。

表1 貴陽和威寧探空站0 ℃和-20 ℃高度參數(單位：m)

4.2 不穩定條件

4.2.1 熱力不穩定 溫度平流可以使大氣層結變得不穩定，產生垂直上升運動[9]。圖3是3月13日14時沿106°E溫度平流的經向剖面圖，由圖可知，在降雹區(25～27°N)由低層至高層依次分布著暖平流、冷平流和暖平流，其中700 hPa以下為暖平流，中心值為10×10-5K·s-1，700～550 hPa存在一個-5×10-5K·s-1冷平流中心，高層550～200 hPa主要為暖平流，300 hPa中心值可達30×10-5K·s-1。這樣的分布使得低層的暖平流造成大氣升溫使層結趨于不穩定，有利于暖空氣產生上升運動，而在中層冷平流使大氣降溫，形成強烈的熱力不穩定，有利于觸發對流天氣，為冰雹的發生、發展創造了有利條件。

圖3 3月13日14時沿106°E溫度平流的經向—高度剖面(單位：×10-5K·s-1)

4.2.2 動力不穩定 強垂直風切變對于風暴強度的維持和發展具有重要作用，并且在強對流天氣的預報中常把垂直風切變作為判斷環境場動力不穩定的因子[8，10]。圖4給出了降雹區中心點風場在垂直方向上隨時間的變化，由圖可知，3月13日08時，對流層中低層風速隨高度明顯增強，500～850 hPa風速差為7.76 m·s-1，并且從850～500 hPa風向隨高度順轉，說明中低層有暖平流。14時，500 hPa和850 hPa的風速差增強為13.22 m·s-1，此時對流云團開始生成并發展，20時以后中低層的垂直風切變開始減弱。由于此次過程降雹主要集中在17—20時，說明中低層的垂直風切變在一定程度上為此次冰雹天氣的發生提供了動力不穩定條件。

圖4 3月13日沿(26°N，106°E)風速風向的時間—高度剖面(單位：m·s-1)

5 渦度收支分析

渦度收支方程具有顯著的動力學特征，其可以描述流體在運動過程中的渦度、散度變化情況，被廣泛應用于天氣學理論研究中[11]。本文采用不考慮摩擦耗散項的渦度方程[12]：

(1)

(2)

(3)

水平輻合輻散項C=-(f+ζ)▽·V

(4)

(5)

其中p為等壓面氣壓，β=?f/?y，f為科氏參數。本文通過計算降雹區(25～27°N，104～107°E)渦度方程各分量來分析冰雹云發生過程中渦度收支的變化。

圖5為3月13日14時降雹區渦度收支及其各分量區域平均的垂直分布，由圖可知，渦度的局地變化項在850～650 hPa為正值，600～300 hPa為負值，表明中低層局地渦度增加，輻合加強，有利于垂直上升運動的加強，其中渦度的水平輻合輻散項(C)在650 hPa以下為主要貢獻因子，表明低層渦度的輻合有利于局地渦度的增加，使輻合增強；在低層扭轉項(D)為負值，在中高層(700～400 hPa)扭轉項為正值，表明扭轉作用使低層的局地渦度減小，中高層局地渦度增大。此外，渦度的垂直輸送項(B)在整層基本為負值，對渦度局地變化起著負貢獻，表明隨著上升運動的發展，垂直輸送將低層的渦度向高層輸送，使得低層局地渦度減小；在中高層雖然渦度的水平輻合輻散項(C)為主要負貢獻項，但是較強的正渦度的水平輸送使得渦度收支依然為正值。從渦度方程各收支項垂直分布變化情況可見，渦度平流和水平輻合輻散是此次冰雹發生的主要動力條件。

圖5 3月13日14時降雹區(25～27°N，104～107°E)渦度收支(E)及其各分量區域平均的垂直分布(單位：×10-9s-2)

6 結論

①TBB的變化特征能夠很好地反映出此次冰雹天氣過程的云團演變特征。此次過程降雹發生的主要時段是在云團的生成到發展期，在云團發展初期，降雹時對應的TBB值約為-42 ℃，而在降雹主要時段TBB中心值在約為-46～-53 ℃之間。

②適宜的溫度環境條件有利于冰雹的發展；低層暖、中層冷、高層暖的溫度平流分布，以及中低層的垂直風切變為此次冰雹天氣的發生、發展創造了熱力和動力不穩定條件。

③渦度方程各項收支表明，影響渦度的局地變化的主要因子是渦度平流和水平輻合輻散項，但是二者的作用相反；在冰雹云發展初期，局地渦度中低層為正，高層為負，說明中低層輻合加強，有利于垂直上升運動的加強。