高空冷渦強迫下連續降雹的環境場特征及成因診斷分析

趙岳冀

呼倫貝爾市氣象局，內蒙古呼倫貝爾 021000

冰雹等強對流天氣是在一定的大尺度環流背景中，由各種物理條件相互作用形成的中尺度天氣系統產生的結果[1]。孫繼松等[2]分析了華東地區冷渦槽后類冰雹成因，指出強垂直風切變、中低層強的溫度直減率、低層切變線、干線和地面輻合線是這類冰雹發生的有力的熱力和動力條件，給出了概念模型和相關的物理量閾值。但是對這種連續降雹天氣成因認識不足，會造成對冰雹的漏報。因此，分析了2017年7月22—26日連續降雹天氣過程的特點、環流形勢及要素場特征及形成機理，提高對此類冰雹天氣的預報預警準確率提供有價值的參考。

1 天氣實況

2017年7月22—26日呼倫貝爾市大部出現強對流天氣，造成大風冰雹災害。22—23日莫旗6個鄉鎮出現冰雹天氣，并伴有短時雷暴大風，其中尼爾基極大風速達31.3 m/s，降水量15.8 mm，冰雹直徑在5～13 mm；鄂倫春旗4個鄉鎮出現冰雹災害，冰雹最大直徑60 mm，最長持續時間為30 min；23日阿榮旗部分鄉鎮相繼遭受冰雹襲擊，并伴有雷暴大風，降雹持續約15 min，降雹厚度約5 mm，最大冰雹直徑約15 mm；26日新左旗出現冰雹天氣，降雹持續20 min，伴有短時強降水，小時降水量24.5 mm，冰雹最大直徑達45 mm(人工觀測)，平均重量22 g，創歷史極值。

對冰雹發生區域逐3 h的閃電定位數據進行累加，冰雹發生區域閃電活動頻繁。其中，直徑達45 mm的冰雹落區中，負的閃頻數出現在降雹前20 min，正的閃頻數滯后于降雹發生時間，且相對集中。

2 天氣系統配置

分析2017年7月21—27日500 hPa歐亞平均高度場，歐亞中高緯上空為兩槽一脊的經向環流，東亞大槽位于135°E附近。貝加爾湖東北部的冷渦的維持和發展是造成7月23、26日冰雹大風天氣的主要天氣尺度系統，地面輻合線為中尺度天氣系統觸發條件[3]。22日形成于貝加爾湖東北部的冷渦，在渦后脊與補充南下的冷空氣推動下，低渦東移南壓，渦底伴隨有短波擾動。從溫度場的演變分析，22日08:00，500 hPa的-20.0 ℃閉合冷中心位于貝加爾湖的東北側，與冷渦相配合，23日08:00，從冷渦底部分裂出低槽，冷中心逐漸向西南擴展，表明中高層有冷空氣向東北地區侵入，且有一支風速為20.0 m/s的強西北風急流，這支急流引導中層干冷空氣從中高緯度南下，為大氣對流不穩定的產生提供了不穩定條件。從圖1可以看到，26日08:00，700 hPa上呼倫貝爾市西部存在明顯的切變線，切變線南側對應一支偏南風急流，急流中心最大風速為18.0 m/s。這支急流不僅提供了充足的水汽來源，還與高層南下的冷空氣相互作用，促進了呼倫貝爾市西部大氣層結不穩定的發展。同時，可以看到850 hPa降雹區始終被暖脊控制。在地面圖上，強對流天氣區處于熱低壓倒槽，倒槽從河套向呼倫貝爾市西部延伸，同時配合有地面輻合線，地面輻合線是此次降雹天氣的觸發機制。且500 hPa上較強的西北氣流與地面較弱的東南氣流之間形成了較強的垂直風切變，加之地面輻合線的抬升作用，釋放不穩定能量。

圖1 2017年7月26日強對流天氣落區(陰影區)天氣系統配置圖

總體而言，此次強對流天氣隨著深厚的冷渦東移南下，渦后偏北風急流建立，對流層中高層有冷平流向南擴散，對流層低層偏南風氣流的發展，這種冷暖平流的垂直分布促進了大氣層結不穩定發展。同時，副熱帶高壓的西伸北抬和700 hPa低空急流的發展為此次強對流天氣的發生、發展提供了水汽條件。

3 成因分析

3.1 大氣溫濕條件

26日08:00，冰雹發生在500～850 hPa溫差為≥25.0 ℃區域中，溫度垂直遞減率較大，850 hPa低層有T-Td＜5.0 ℃的高濕區配合。濕度的垂直梯度較大，呈現出上干下濕的分布特征。從24 h變溫場來看，850 hPa呼倫貝爾市大部為大范圍的升溫區，最大升溫達8.0 ℃，500 hPa處于降溫區，最大降溫10.0 ℃，大氣層結不穩定進一步發展，為強冰雹的發生提供了有力的層結不穩定條件。

選取發生冰雹區域的附近的海拉爾、嫩江探空站，從圖2a上升明顯加快可以看到此次對流過程的溫濕場和動力場特征，以冰雹、雷暴大風為主。23日08:00，925～700 hPa溫度層結曲線接近平行于干絕熱線，對流層高層到500 hPa附近有干空氣層，中低層風速隨高度增加明顯，風向隨高度的上升有一定程度的逆轉，925～400 hPa風垂直切變較強，達到20.0 m/s，600 hPa到地面的下沉對流有效位能較強；從嫩江站探空圖可以看到，近地面層至600 hPa，條件不穩定特征顯著，濕層較薄，僅700 hPa附近接近飽和，對流層高層到500 hPa附近有干空氣層，中低層風速隨高度上升明顯加快，風向隨高度的上升有一定程度的逆轉，925～400 hPa風垂直切變較強，達到20.0 m/s，500～600 hPa以及850～700 hPa溫度層結曲線接近平行于干絕熱線，600 hPa到地面的下沉對流有效位能較強。上述表明，中高層干空氣的卷入，促進蒸發，有利于下沉氣流產生向下的加速度。同時，溫度層結曲線平行于干絕熱線又有利于下沉氣流在下降的過程中一直保持向下的加速度，有利于雷暴大風的形成[4]。此外，0 ℃高度層在3.5 km左右，-20 ℃高度層為6.7 km左右，有利于產生冰雹。26日08:00海拉爾站的風的垂直變化(圖2b)，中低層有較明顯的垂直風切變，自地面向上至850 hPa，東風順轉為東南風，風速變化不大，850～500 hPa，風向順轉為西南風，風速增大，500 hPa以上，風向逆轉，風速繼續增大。風場的配置說明大氣在500 hPa以下有暖平流，在500 hPa至對流層頂有較強的冷平流，有利于對流的進一步發展。925～700 hPa附近為不穩定層。在給定濕度、不穩定性的深厚對流中，垂直風切變對對流性風暴組織和特征影響最大，中等到強的垂直切變有利于風暴氣流的發展，有利于組織完好的對流風暴。此外，0℃高度層在3.2 km左右，-20 ℃高度層在6.7 km左右。因此，26日08:00海拉爾站的T-lnP圖所反映的強的垂直風切變提供了動力不穩定條件，0 ℃層和-20 ℃層的高度都較低，有利于出現冰雹。

圖2 海拉爾站探空圖

3.2 不穩定性分析

分析逐日850～500 hPa假相當位溫之差，發現在降雹的過程中850～500 hPa強對流不穩定。在冰雹發生前后，假相當位溫差大多為4.0～6.0 ℃，并且有迅速躍增的特征，降雹發生時降雹區假相當位溫差達到9.0～12.0 ℃，冰雹基本發生在鋒區南緣正值區內的強對流不穩定區內。22日、23日鄂倫春旗、阿榮旗、莫旗的冰雹降落在“0 ℃”線的南側的正的弱對流不穩定區(圖3)。其中，22日08:00～20:00，呼倫貝爾東南部大部850～500 hPa假相當位溫差始終穩定在10.0 ℃以上，最大差值為12.0 ℃，呈東北—西南走向；7月23日冰雹發生區域850～500 hPa假相當位溫差由08:00的0 ℃迅速擴展為8.0 ℃，且到20:00始終穩定在6.0～8.0 ℃；26日新左旗阿木古阿郎鎮冰雹出現在正的弱對流不穩定區內，850～500 hPa假相當位溫差穩定在5.0 ℃。

圖3 850～500 hPa假相當位溫(單位：℃)08:00、14:00、20:00分布圖

4 雷達特征分析

分析反射率的垂直剖面圖，可以明顯看到多單體風暴發展的不同階段的回波特征。多單體風暴有界弱回波區明顯，有回波懸垂結構。14:07，反射率因子核心位于7 km的高空，強度超過60 dBz，隨后，反射率因子核心持續下降，14:22，高度在4 km左右，強度超過65 dBz。此時這個多單體風暴產生了31.3 m/s的大風和強冰雹。14:49，風暴開始減弱，進入消亡階段，其最大反射率因子仍維持較大的值，但整體的強度變弱。

通常降雹開始前VIL值迅速增長、在降雹開始后迅速減小，且冰雹發生在液態水含量分布的深厚大值區[5]。此次風暴VIL的最大值隨時間的演變中可以看到，VIL的最大值變化趨勢與最大反射率因子的變化基本一致，但變化更為劇烈。VIL達到最高值后迅速下降，說明風暴內部的對流旺盛，期間伴有破壞性大風的產生。

5 結論

(1)2017年7月22—26日冰雹天氣發生在有力的環流形勢下，期間歐亞中高緯度為兩槽一脊、副熱帶高壓偏北偏西偏強。

(2)500 hPa上，冷渦的維持和發展南壓是此次強降雹天氣的主要影響系統。從500～850 hPa高度場和風場上都有封閉的低渦。500 hPa冷槽疊加在850 hPa弱暖脊上，地面對應有低壓倒槽，地面輻合線為中尺度天氣系統的觸發條件，是此次26日產生大冰雹的原因之一。

(3)此次連續降雹天氣屬于高空冷平流強迫類。冰雹發生期間，整個環境場上干下濕，低層700 hPa存在≥18.0 m/s的偏南風急流，且中低層有很強的風垂直切變，風矢差達到20.0 m/s，850～500 hPa溫度差大，平均達到25.0 ℃以上，0 ℃層高度較低。

(4)這類冰雹形成的不穩定條件可能形成于中層850～500 hPa強對流不穩定。

(5)這類冰雹形成機理：中高層強烈干冷空氣疊加在低層相對暖(濕)氣流上，形成對流不穩定，熱力結構使得大氣溫度垂直遞減率很高，低層空氣負浮力增大，促進了地面強對流天氣冰雹、雷暴大風天氣的出現。

(6)冰雹落區的潛勢預報指標：△θse850-500＞6.0 ℃、T850-500≥25.0 ℃、700 hPa 有風速為18.0 m/s 的偏南風大風速軸，中低層有強的風速垂直切變區。