魯東南冰雹時空分布特征與分類預報指標研究

崔廣暑,劉 晨,于懷征,程 月,遲慶紅,呂相娟

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室,濟南 250031;2.日照市氣象局,日照 276800;3.五蓮縣氣象局,五蓮 262300)

0 引言

冰雹是山東省典型的災害性天氣之一。冰雹多伴隨強對流天氣背景發生,具有明顯的季節性分布特點,同時具備空間尺度小、生命史短、突發性強等強對流天氣特征。強對流天氣的預報和研究一直是天氣預報業務中的難點,近年來,國內外很多專家對冰雹進行了大量研究[1-4]。張芳華等[5]指出中國的冰雹具有明顯的季節性變化特征且多發生在春夏兩季;高曉梅等[6]分析了魯中地區強對流天氣的氣候特征及相關環境參數;濮文耀等[7]研究發現0 ℃層高度與地面降雹的大小相關性較強;俞小鼎[8]認為冰雹的融化層高度更加接近于濕球0 ℃層高度,并指出冰雹的大小與濕球0 ℃層高度具有明顯的相關性;于懷征等[9]對山東強對流天氣過程分析發現,較強的干暖蓋有利于冰雹等強對流的發生;樊李苗等[10]認為抬升凝結高度、對流有效位能、0～6 km垂直風切變、850～500 hPa溫差、-20 ℃層高度對冰雹的發生具有很強的指示意義。

魯東南地形地貌多樣,復雜的地形地貌決定了魯東南冰雹天氣具有較明顯的空間分布特征,為進一步提高冰雹的預報預警水平,有必要對魯東南的冰雹進行分析,進而建立預警指標。

1 資料

文章主要統計了2000—2021年魯東南區域造成一定雹災的冰雹(簡稱“冰雹”)天氣過程,對這些冰雹過程的天氣形勢、天氣學物理量進行分析,對冰雹天氣形勢場進行歸類,對觸發冰雹的天氣學指標進行分析。冰雹實況資料來源于氣象記錄、民政部門記載、報紙報道、村民或氣象信息協理員報告;地面資料取自冰雹發生地點附近臨近時刻的觀測站資料;高空資料選自本地冰雹發生臨近時刻的鄰近探空站(青島探空站)資料。

2 魯東南冰雹時空分布特征

2.1 冰雹的時間分布特征

文章規定以20:00(北京時間,下同)為日界,在1 d內有1個及以上縣(區、市)行政區域內(簡稱“區域內”)出現降雹記為1個降雹日,如果1次降雹天氣過程跨20:00,僅統計為1個降雹日。按照上述規定,統計得到2000—2021年魯東南范圍內共出現46 個降雹日,年平均降雹日數為2.19。從降雹日數年份變化(圖1)來看,魯東南降雹日數年變化較大,呈不顯著的線性上升趨勢。

圖1 魯東南降雹日數年份變化

從降雹日數月分布(圖2)來看,魯東南降雹全部發生在3—9月,10月—次年2月無降雹記錄。降雹日數以6月最多,月際變化明顯,表現為初夏單峰值特征。

圖2 魯東南降雹日數月分布

將1 d分為08:00—14:00,14:00—20:00,20:00—08:00 3個時段,統計降雹日數的時段分布特征,并規定如果1次冰雹出現在多個時段,以最早出現的時段為統計時段統計為1個樣本。按照以上規定統計分析魯東南冰雹天氣出現時段分布(圖3)特征,結果顯示在魯東南統計年份內46個降雹日主要出現在14:00—20:00,其次為20:00—08:00,08:00—14:00最少。

圖3 魯東南冰雹天氣出現時段分布

2.2 冰雹的區域分布及雹粒大小特征

按照行政區域劃分,魯東南分為東港區、嵐山區、莒縣和五蓮縣。東港區和嵐山區具有明顯的沿海氣候特征,定義為沿海地區;莒縣和五蓮縣則表現為大陸性氣候特征,定義為內陸地區。文章規定:如一次天氣過程多個區縣出現冰雹,則出現冰雹的區縣分別記出現1次冰雹。經統計,2000—2021年4個區域共出現57次冰雹,而總的冰雹天氣過程有46 d,可見魯東南降雹主要是局地性的,一次冰雹出現在多個行政區域的頻次較少。從2000—2021年各區域降雹頻次及大冰雹(直徑≥20 mm的冰雹)頻次統計和空間分布來看,總體上內陸降雹頻次多于沿海,但各區縣出現冰雹頻次差別不明顯。其中,莒縣頻次最多,為18次,約占總頻次的31.6%;其次為五蓮縣,為15次,約占總頻次的26.3%;東港區和嵐山區最少,均為12次,分別占總頻次的21.1%左右。大冰雹共出現24次,以莒縣頻次最多,為10次,約占全市大冰雹總區域次的42%,直徑≥50 mm的冰雹多發生在莒縣或東港西部地區。不分區域的46個降雹日樣本共記錄有17次大冰雹樣本,約占總樣本量的37%。

3 冰雹影響天氣系統的分型

利用降雹前最近時次的500 hPa、700 hPa和850 hPa高空資料,以500 hPa為主,地面系統為輔,結合高低空系統配置,將魯東南降雹的主要天氣形勢分為低渦型(東北冷渦、蒙古冷渦)和高空槽型(橫槽、較深低槽)2種,冰雹發生時地面常有冷鋒、輻合線或低壓相配合。另外,在切變線、副高邊緣和西北氣流形勢下(其他類型)偶爾也會出現冰雹,但都是局地性降雹。從統計結果來看,低渦型降雹有23次,高空槽型降雹有18次,其他類型降雹5次;大冰雹主要出現在高空有低渦的形勢下,該形勢下大冰雹為11次,占大冰雹總頻次的64.7%,高空槽產生大冰雹的頻次為5次,占29.4%,另外一次大冰雹出現在高空為西北氣流的天氣形勢下。

4 魯東南冰雹分類型的天氣學物理參量特征分析

4.1 物理參數的確定與訂正方法

4.1.1 物理參數的確定

對流物理參數是判定大氣是否處于對流性不穩定中及冰雹能否生成的重要因子。研究顯示,能量類、層結穩定類、動力類、特殊層高度/厚度等物理量對冰雹的產生具有非常重要的指示意義。通過分析魯東南46個降雹日的物理量發現,對流有效位能、0～6 km風速矢量差、濕球0 ℃層高度、-20 ℃層高度、850 hPa與500 hPa溫度差、濕球0 ℃～-20 ℃層厚度、干暖蓋指數、K指數和抬升凝結高度9個物理量對魯東南地區冰雹產生及冰雹粒大小具有較好指示意義。

4.1.2 物理參數訂正方法

大多數冰雹發生前,近地面往往存在逆溫層,導致計算出的物理量存在誤差,很難反映大氣層結狀況。文章采用冰雹發生地當天的最高氣溫、冰雹發生前臨近時刻的地面氣壓和露點溫度對鄰近探空站的關鍵物理參量進行訂正,為了確保關鍵物理參量的可用性和代表性,減少冰雹的虛警,綜合考慮冰雹樣本量和關鍵參量的物理意義,對上述具有明顯指示意義的9個物理量分別繪制箱線圖(圖4),選用關鍵參量的20百分位、80百分位或20～80百分位作為冰雹潛勢預報的初猜值。

(a)對流有效位能;(b)K指數;(c)850與500 hPa溫度差;(d)干暖蓋指數;(e)0～6 km風速矢量差;(f)抬升凝結高度;(g)濕球0 ℃層高度;(h)-20 ℃層高度;(i)0～20 ℃層厚度。圖4 魯東南降雹各關鍵物理量箱線圖

4.2 物理參數分析

4.2.1 對流有效位能

對流有效位能是綜合水汽條件和條件不穩定的一個對流參數,其值越大,表明越容易產生對流,國內外專家統計發現當對流有效位能≥1000 J/kg時就有可能發生冰雹。分析統計年份內魯東南降雹過程的對流有效位能箱線圖(圖4a)發現,高空槽型降雹的箱體高度較低渦型降雹偏大,高空槽型降雹和大冰雹對流有效位能值離散度大。用對流有效位能分布下限的20百分位作為魯東南降雹潛勢預報最低閾值的初猜值,低渦型降雹、高空槽型降雹、大冰雹和小冰雹對應的對流有效位能閾值分別為1212 J/kg,1315 J/kg,1317 J/kg和1127 J/kg。

4.2.2 K指數

K指數可以反映大氣的層結穩定情況,K指數越大,表明層結越不穩定。有研究表明當K指數<20 ℃時,表明無雷雨,當20 ℃

4.2.3 850 hPa與500 hPa溫度差

根據研究,對流性天氣的850 hPa與500 hPa溫度差(ΔT85)在21～40 ℃,其值越大,代表條件不穩定性越強。據研究,ΔT85≥25 ℃將有雷暴發生并可能伴有冰雹。分析魯東南降雹過程的ΔT85箱線圖(圖4c)發現,如果用ΔT85分布的20百分位作為魯東南降雹潛勢預報的最低閾值,低渦型和高空槽型ΔT85分別為≥27.2 ℃和≥27.0 ℃,可以把不同類型降雹的溫度差ΔT85閾值統一為≥27.0 ℃;大小冰雹的ΔT85最低閾值的初猜值分別為≥27 ℃和≥26 ℃。

4.2.4 干暖蓋指數

研究表明,干暖蓋指數是冰雹等強天氣發生的一個重要特征,一般用Ls來表示其強度大小,Ls越小,表明干暖蓋越強,越有利于不穩定能量的積累和水汽的積聚。分析魯東南降雹的Ls箱線圖(圖4d)發現,低渦型降雹、大冰雹的Ls分別較高空槽型降雹、小冰雹明顯偏小,表明低渦型降雹和大冰雹需要更大的不穩定能量和水汽。用Ls的80百分位作為魯東南降雹潛勢預報的閾值,低渦型降雹和高空槽型降雹的Ls閾值分別為≤-31.8 ℃和≤-25.6 ℃;大小冰雹的Ls閾值則分別為≤-32.1 ℃和≤-26.9 ℃。

4.2.5 0～6 km風速矢量差

在給定水汽、靜力不穩定性及抬升觸發的情況下,風垂直切變對對流性風暴組織和特征的影響最大,垂直風切變越大,越有利于強對流產生。分析魯東南降雹的0～6 km風速矢量差箱線圖(圖4e)發現,低渦型降雹和大冰雹較高空槽型和小冰雹的0～6 km風速矢量差明顯偏大。采用0～6 km風速矢量差的20百分位作為魯東南降雹潛勢預報的閾值,低渦型降雹和高空槽型降雹的0～6 km風速矢量差閾值分別為≥15.0 m/s和≥12.1 m/s;大、小冰雹的0～6 km風速矢量差閾值則分別為≥13.1 m/s和≥11.9 m/s,表明無論如何劃分,魯東南產生降雹都基本達到中等深層風垂直切變(≥12 m/s)的強度。

4.2.6 抬升凝結高度

研究發現,稍高的抬升凝結高度發生大冰雹的概率較大。分析魯東南降雹的抬升凝結高度箱線圖(圖4f)發現,低渦型降雹和大冰雹的抬升凝結高度分別較高空槽型降雹和小冰雹略高,但是差別不大。采用20百分位確定魯東南降雹的抬升凝結高度閾值,低渦型降雹的抬升凝結高度閾值≥601 m,高空槽型降雹的抬升凝結高度閾值≥583 m;大小冰雹的抬升凝結高度閾值分別為≥619 m和≥606 m。

4.2.7 濕球0 ℃層高度

近年國內外很多專家指出,冰雹的融化層更接近于濕球溫度0 ℃層。根據濮文耀等研究,0 ℃層高度太高或太低均不利于冰雹的產生。據統計,中國低海拔地區發生強冰雹時濕球0 ℃層高度在3000 km～4000 km。分析魯東南降雹的濕球0 ℃層高度箱線圖(圖4g)發現,高空槽型降雹和小冰雹的箱體高度較低渦型降雹和大冰雹略高且平均值偏大。采用20～80百分位確定魯東南降雹的濕球0 ℃層高度閾值范圍,低渦型降雹和高空槽型降雹的濕球0 ℃層高度閾值范圍分別為2920～3587 m和2183～3570 m;大小冰雹的濕球0 ℃層高度閾值范圍分別為2911～3610 m和2782～3567 m。

4.2.8 -20 ℃層高度

根據朱乾根等的研究,一般-20 ℃層高度在6 km附近最容易發生冰雹。分析魯東南降雹的-20 ℃層高度箱線圖(圖4h)發現,高空槽型降雹和小冰雹的-20 ℃層高度平均值和箱體高度分別較低渦型降雹和大冰雹明顯偏低。采用20～80百分位確定魯東南降雹的-20 ℃層高度閾值,低渦型降雹和高空槽型降雹的-20 ℃層高度閾值范圍分別為6776～7451 m和5900～7256 m;大小冰雹的-20 ℃層高度閾值范圍分別為6467～7510 m和6167～7296 m。

4.2.9 0～-20 ℃層厚度

0～-20 ℃層厚度越小,說明大氣的溫度垂直遞減率越大,越容易形成強對流性天氣。有專家指出0～-20 ℃層厚度一般在3000～6000 m有利于強對流天氣發生。分析魯東南降雹的0～-20 ℃層高度箱線圖(圖4i)發現,高空槽型降雹和小冰雹的平均0～-20 ℃層厚度分別較低渦型降雹和大冰雹偏大,表明大冰雹和低渦型降雹的大氣更為不穩定。采用80百分位確定魯東南降雹的0～-20 ℃層厚度值,低渦型降雹和高空槽型降雹的0～-20 ℃層厚度閾值分別為≤3889 m和≤3997 m;大小冰雹的0～-20 ℃層厚度閾值則分別為≤3776 m和≤3958 m。

4.3 物理參量閾值

表1列出了將2000—2021年魯東南成災冰雹天氣系統及大小分型后,對流有效位能、K指數、ΔT85、Ls、0～6 km風速矢量差、抬升凝結高度、濕球0 ℃層高度、-20 ℃層高度、0～-20 ℃層厚度等9個關鍵參量對應的閾值。

表1 魯東南冰雹天氣系統及大小分型潛勢預報物理量優化指標

從表1可以看出,魯東南降雹的關鍵物理參數具有明顯的共性,具體表現為降雹需要較大的對流有效位能、中等強度及以上的深層(0～6 km)垂直風切變、顯著的條件不穩定層結和適宜的特征層高度/厚度。具體到不同劃分上,降雹的關鍵物理參數閾值都存在一定的差別?？傮w來說,大冰雹較小冰雹、低渦型降雹較高空槽型降雹的對流特征更加顯著,表現在低渦型降雹、大冰雹的對流有效位能明顯偏大、干暖蓋指數偏小(干暖蓋偏強)、深層垂直切變偏大、抬升凝結高度略偏高、0～-20 ℃層厚度偏小。

5 結束語

文章利用冰雹實況和高空地面資料,分析了2000—2021年魯東南46個降雹日天氣過程的時空分布特征及天氣學分型,在此基礎上對分型和分大小降雹前的關鍵環境參數進行了統計分析,結合關鍵參數的物理意義采用百分位方法總結出不同物理參量的閾值,得出以下結論:

1)魯東南降雹具有明顯的時空分布特征。魯東南降雹日數年際變化大,呈不顯著的線性上升趨勢;降雹主要集中在5—6月份,14:00—20:00是冰雹高發時段;內陸地區降雹多于沿海地區。

2)魯東南降雹過程多基于降雹月份的低渦和高空槽兩種環流背景產生,其環境參量在熱力能量、層結穩定度和熱力動力方面呈現出明顯的強對流天氣特征,并在特殊高度與厚度層上具備冰雹生長的基本條件,大冰雹和低渦型降雹物理參量的對流特性明顯強于小冰雹和高空槽型降雹。

3)分型降雹和分冰雹大小的關鍵參數雖然表現出一定的差別,但是也存在明顯的共性,都具有較大的對流有效位能、中等及以上強度的深層(0～6 km)垂直風切變、顯著的條件不穩定層結和適宜的特征層高度/厚度。

研究統計了2000—2021年魯東南46個降雹日的物理參數,可為魯東南冰雹預報預警及人工防雹作業提供參考依據,但受統計年份、記錄完整程度、研究方法等因素影響,分析結果有一定的局限性,研究成效尚有待進一步檢驗。