探空資料在大冰雹判別中的應用

黃 鈺，張小娟

(1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴陽 550082；2.貴州省冰雹防控技術工程中心，貴陽 550082)

0 引言

貴州處于南方多雹帶區域內，從高海拔的高原臺地逐漸過渡到低海拔的平原丘陵地區，主要經濟作物多為馬鈴薯、茶葉、烤煙等。冰雹災害與洪澇及干旱等氣象災害相比，雖然每次影響的面積相對較小，但其突發性強，破壞力大，造成的損失嚴重，致使冰雹災害與特色農業發展需求之間的矛盾加劇，提高冰雹的預警預報技術是減少農業經濟損失的迫切需求。對于冰雹的識別，主要以多普勒及雙偏振雷達的探測為主，很多氣象工作者基于雷達回波最大反射率因子強度、垂直液態水含量、回波頂高、強回波中心發展高度等參量建立了適用于本地化的識別參數指標[1-5]，同時很多研究也指出，探空資料能夠獲得大氣垂直方向的溫濕分布，反映層結穩定狀態，強的垂直風切變能夠維持強對流的發展，對冰雹的產生起到一定作用，0 ℃層高度、-20 ℃層高度、500 hPa與850 hPa溫差等條件因素能夠區分冰雹和短時強降水過程[6，7]。目前，0 ℃層及-20 ℃層高度是業務中識別冰雹云的主要參數，一般將0 ℃層(干球溫度0 ℃層高度，DBZ)作為冰雹開始融化的高度，0 ℃層高度越高越不容易產生降雹。但是俞小鼎[8]提出，在實際業務中，當對流中層大氣環境較干時將濕球溫度0 ℃層高度(WBZ)作為冰雹融化的實際高度更具科學意義。這種中高層干侵入對應于“上干下濕”的不穩定層結，本地研究也有提到[9]，十分有利于強對流的產生。文章將進行探空資料在大冰雹判別中的應用分析，以期提高對強冰雹的預報預警水平。

1 資料和方法

研究區域集中在貴州的中西部地區，該區域為貴州冰雹多發地。篩選了2016—2019年20個冰雹個例，盡可能涉及不同類型、強弱的降雹，探空資料為威寧、貴陽兩個站次(08：00、20：00時次)，降雹資料主要來源于臺站及作業點上報信息。20次冰雹個例中最大降雹粒徑為50 mm(2018-04-04，金沙)，此次過程由超級單體引起，此外常見多單體降雹，少量獨立單體及局地獨立對流單體，超級單體、多單體降雹時間一般由西部向東部發展移動，持續時間較長，并且冰雹落區范圍較大，農作物損失嚴重。

首先統計目前探空資料在冰雹識別中常用的一些參數：0 ℃層高度、-20 ℃層高度、500 hPa與850 hPa溫差、垂直風切變、對流有效位能，分析上述參數在本地冰雹過程中的體現特征，并著重討論對大冰雹(降雹粒徑≥20 mm)判別有用的參數。

2 探空資料在大冰雹判別中的應用

2.1 基本特征

整體上獨立單體的發展更為旺盛，發展高度更高，多單體融合(持續時間較長)和超級單體引起的過程更容易產生大冰雹。一般研究結果均認為較大的CAPE值、較強的垂直風切變和在0 ℃層高度適宜的條件下容易產生大冰雹。分析過程發現08：00 CAPE一般情況下并不顯著，但隨著午后氣溫上升，用地面14：00溫度進行訂正后，不穩定能量明顯提升，有利于強對流發展；從ΔT85可以明顯看出低層到高層的垂直溫度遞減率大，對應層結的不穩定性；此外，垂直風切變越大并未對應越大的降雹粒徑，相關性與ΔT85相比較差(圖1)，但是垂直風切變越大一般對應更長的過程持續時間。早春DBZ高度明顯較低，天氣越熱該數值越大，這也在一定程度上解釋了為什么降雹更容易發生在春天，而夏天主要以降水過程為主。

圖1 雹徑與500 hPa和850 hPa溫差(ΔT85)(a)、垂直風切變(b)的相關性

2.2 大冰雹判別討論

在實際業務過程中，很多情況下將探空得到的DBZ高度認為是冰雹開始融化的高度，但是當冰雹下落到DBZ高度位時，冰雹由于融化其表面出現一層水膜，如果當時大氣環境十分潮濕，相對濕度能達到100%，那么冰雹表面的水膜不會蒸發，則冰雹融化層高度大致就是DBZ的高度；但是如果當時大氣環境較干，冰雹表面的水膜會蒸發并吸收大量的蒸發潛熱，此時冰雹表面水膜外層溫度會因降到0 ℃以下而再次凍結，在降落到大約WBZ高度附近才開始真正融化，那么此時冰雹開始融化的實際高度應該更趨近于WBZ高度，將明顯低于DBZ高度。

利用俞小鼎[8]提到的T-logp圖上繪制WBZ高度的方法，對凌晨降水(2019-08-21T20：00 57816站探空資料)及下午降雹(2018-04-04T08：00 57816站探空資料)進行WBZ繪制，可以明顯看到當對流中層濕度較大時，WBZ與DBZ臨近；而對流中層為明顯干層時，WBZ的高度比DBZ的高度有明顯的下降，同時，DBZ的高度在夏季明顯高于春季。

文章基于T-logp圖估算了篩選的20次冰雹過程的冰雹融化層高度(WBZ)，對應時刻WBZ對于DBZ均有不同程度的下降，最小下降距離為0.21 km，最大為1.77 km。在降雹粒徑較大的過程中對流中層的干冷入侵現象更為明顯，對流中層較干的情況下，一方面由于冰雹表面的水膜蒸發并吸收大量的蒸發潛熱，實際的融化高度下降；另一方面，該層溫度較低時，干空氣的存在還會導致更強、更冷下沉氣流并在大氣邊界層形成強的冷池，進一步降低和地面間的平均溫度。2018-04-04個例貴陽站WBZ比DBZ下降了1.77 km，實際冰雹融化層高度低至2.8 km，大大縮短了冰雹落地時間，對應產生了50 mm粒徑冰雹；對應當日的威寧站資料，WBZ比DBZ下降了近0.7 km，雖不及貴陽站的WBZ低，但其環境溫度較低(6 ℃)，且威寧海拔較高，實際落地時間不長，故兩站的探空資料都有較好的響應。2016-04-14，WBZ比DBZ只下降了0.45 km，但是對應的環境溫度卻很低(2 ℃左右)，距地面的平均溫度較低，這使得冰雹顆粒在下降的過程中不易融化，最終也導致了大冰雹的產生。而2019-08-13，WBZ雖然比DBZ下降了1.39 km，但因距地面的平均溫度較高，干冷入侵的效果不明顯，故并未產生大冰雹，但冰雹融化層高度的降低是導致此次盛夏降雹的主要原因之一。剔除如2019-08-13這樣的極端個例，發現DBZ對應WBZ高度的下降值與降雹粒徑的對應性較好，在今后的監測預警中，應該注意冰雹實際融化層高度的因素，并綜合考慮干冷空氣入侵的影響(圖2)。

圖2 ΔH(濕球溫度0 ℃層與干球溫度0 ℃層的高度差)與雹徑的相關性

3 結束語

文章對2016—2019年貴州中西部地區20次不同類型降雹過程的探空資料分析發現：多單體融合(持續時間較長)和超級單體引起的過程更容易產生大冰雹，較大的CAPE值、一定程度的垂直風切變、高低空的溫差是產生降雹的一般條件，但不是必要條件，在上干下濕的水汽分布條件下，中高層的干入侵會大大降低冰雹融化層的高度，這對降雹與否(尤其夏季)及降雹粒徑大小有著明顯影響，干球溫度0 ℃層對應濕球溫度0 ℃層高度的下降值與降雹粒徑的對應性較好，在今后的監測預警中，需注意冰雹實際融化層高度，并綜合考慮干冷空氣入侵的影響，盡可能減輕大冰雹引起的損失。