漳州市冰雹天氣特征及物理量指標探究＊

林 輝，黃奕丹，程晶晶，蔡樂天，陳 慧，陳彬彬

（1.漳州市氣象局，福建 漳州 363000；2.海峽氣象開放實驗室，福建 廈門 361000；3.福建省氣象科學研究院，福建 福州 350001）

0 引言

冰雹天氣是廣大氣象工作者關注的重點之一，也是天氣預報業務中的難點，其特點是局地性強，生命史短、突發性強，并容易造成重大的社會和經濟損失[1]。隨著觀測資料的增多和通信手段的提高，近年來發現漳州地區的冰雹天氣發生頻率有所增多。國內學者近年來開展了很多冰雹發生、發展機制和預報的方法。劉愛鳴等[2]和朱燕萍等[3]分別從福建省冰雹發生的氣候背景、時空分布及物理量特征等方面進行了研究，初步揭示了福建冰雹發生的天氣形勢和環境場特征。余建華和黃秀芳[4]分析了閩北地區一次強冰雹天氣過程，發現強回波中心高度、風暴頂高度、垂直液水含量等特征量的躍變，對地面冰雹的發生具有較好的指示意義。白雪等[5]總結了錦州地區冰雹天氣的環流尺度和相應的物理量特征，確立了物理量閾值在冰雹預警中的重要性。劉曉璐等[6]研究了川西南山地冰雹的時空分布特征，結果表明冰雹日數與海拔高度顯著正相關且多發生在春季。蔡義勇等[7]對福建地區1960—2008年的冰雹時空分布及春夏降雹天氣氣候特征進行分析，總結了福建地區冰雹的時空分布和春季、夏季降雹的天氣氣候特征，為預報員提供了有效的冰雹預報預警思路。

綜上所述，除了大范圍環流背景場分型外，還需要對水汽、不穩定能量等物理特征進行分析，才能給出較為準確的降雹潛勢預報，對了解漳州市冰雹發生、發展的背景條件及天氣特點，以及同樣的環流形勢能否產生冰雹具有重要意義。為開展漳州市冰雹天氣環流背景分型研究，利用2015—2019年漳州市的高空地面觀測、物理量場等資料，采用天氣學、統計學等方法分析了全市冰雹的時空分布、天氣系統、物理量指標等特征，凝練了一些重要的物理特征量閾值，有利于本地區冰雹預警提前量和預報準確率的提高，為地方政府科學決策和防災減災打下良好基礎。

1 資料與方法

此次研究的降雹觀測資料主要選取了漳州市10個國家級氣象觀測站和全市范圍內2015—2019年風雹災害情況，以及新聞資訊記錄等資料；環流背景場主要利用冰雹發生之前的500 hPa、700 hPa、850 hPa和925 hPa的高度場、風場、溫度場和地面實況資料；物理量資料則來自降雹前12 h內廈門探空站的實況數據。漳州市降雹系統環流形勢的歸納分類，采取天氣學診斷和傳統統計方法，以天氣形勢為依據，以物理量指標為基礎，分析冰雹時空分布特點和物理量演變特征，得出冰雹預報預警的指標與方法。

2 時空分布特征

圖1 是漳州市1961—2019 年10 個國家氣象觀測站記錄的冰雹次數分布，從中可以發現，漳州市降雹的空間分布具有明顯的地域差異，降雹次數較多的集中在薌城、龍文、平和等中部縣區，而南、北部縣區次數明顯減少，特別是東山和詔安都未在國家監測站中觀測到降雹現象。

從漳州市1961—2019 年降雹次數年際變化可以看出（圖2a），此時段的冰雹發生次數為36次，年均降雹次數為0.6 次，降雹次數在2003 年后的年份平均每三年會發生一次，2003—2015年國家觀測站無降雹觀測記錄，2016年起降雹次數又開始呈現增多的趨勢，新聞信息記錄和災情調查的資料統計的降雹次數顯示，2008—2014年沒有相關的降雹信息。從2015—2019 年漳州市降雹次數年際變化（圖2b）可以看出，5年累計降雹18次，年均降雹3.6次，最多出現在2017 年，為6 次。此外，文章也分析漳州冰雹天氣月分布特征表現，漳州市1961—2019年降雹除了9月、11月沒有發生（圖2c），其余月份均有降雹觀測記錄。從冰雹發生的頻次來看，2—5月是冰雹的高發期，占比達82%，4 月降雹次數最多，共出現了10 次。以2015—2019 年新聞信息記錄和災情調查的數據統計降雹次數來看，漳州市4—6月降雹概率最高，占全年的77%；5月份降雹次數最多，共發生6次。由此可見，漳州市春季（3—6月）是冰雹的高發期。將一天分為4個時間段（02～08時、08～14時、14～20時、20～02時）進行統計，則2015—2019年漳州市冰雹日分布特點表現為14～20時最多，達16次，20時～次日02 時次之，為3 次，08～14 時為1 次，并且降雹持續時間比較短，大部分只有幾分鐘到十幾分鐘。綜上所述，漳州市冰雹天氣的時空分布具有中部地區和春季高發的特征，其中午后14時到晚間20時是高爆發的時段。

圖2 漳州市降雹次數年際與月變化

3 冰雹天氣形勢分型

地市級氣象臺日常業務中，預報員主要應用500 hPa高度場分布情況，同時分析700 hPa、850 hPa、925 hPa 的風場、溫度場、濕度場等。降雹前12 h 的資料對冰雹預報有較好的代表性。為使研究成果與實際業務預報更貼合，同時具備良好的應用推廣價值，本研究選取降雹前的08：00 和20：00 的天氣形勢資料，開展漳州市降雹天氣環流形勢特征分析和系統分型。

通過對漳州市2016—2019 年共18 例冰雹過程的統計分析，根據天氣形勢特征將漳州降雹天氣型歸納成鋒前暖區、鋒后冷區、入海高壓后部和其他等4種類型。每一種類型的具體樣本數和冰雹出現日期見表1。鋒面降雹大多發生在春季，而入海高壓后部降雹樣本較少，多發生在夏季，其他類型中包含一次冬季降雹（20161221）和臺風外圍降雹過程（20180802）。

表1 2016—2019年共18例冰雹過程

漳州市多位于副高邊緣，500 hPa有南支槽和中緯度高空槽相互配合，南支槽位置相對滯后于中緯度槽，形成引導冷空氣南下的“階梯槽”態勢，具有典型的鋒前暖區特征。700 hPa和850 hPa有冷式切變東移南壓相配合，切變位置在湘贛中部至福建中北部一帶，切變前后鋒區明顯，水汽能量充足，受切變南側暖濕西南氣流影響，漳州和南昌兩地的溫差達4～6 ℃。地面冷高位置偏北或入海，華西有低壓倒槽東伸，甚至在云貴高原有西南暖低壓生成，暖鋒自低壓中心伸向閩中地區。如圖3以2016 年4月8日冰雹天氣過程為例，500 hPa東亞大槽槽底延伸至長江流域，南支槽位置偏西，500～925 hPa閩南地區整體處于深厚的西南暖濕氣流控制，為對流發展提供充足的水汽和能量，850 hPa切變位于貴州南部到浙江中部地區，地面有倒槽自西南向東北延伸，漳州地面溫度22～23 ℃，福建省南北溫差達到5 ℃，為冰雹天氣的發生、發展提供較暖的下墊面。

圖3 2016年4月8日08時500 hPa、700 hPa、850 hPa和地面天氣圖

鋒后冷區的天氣形勢特點為華南地區500 hPa和700 hPa 多短波槽東移，閩南地區受其南側西南氣流影響，850 hPa和925 hPa冷切南壓，地面冷空氣擴散，低層轉為西北偏西風控制，漳州已出現負變溫，地面冷高位于長江流域或者偏北偏強，1 010 hPa等壓線南壓至漳州以南。圖4以2017年4月11日冰雹過程為例，500 hPa短波槽東移，850 hPa和925 hPa切變位置偏西偏南，閩南地區受偏西到西北氣流影響，冷空氣已滲透至漳州西北部，850 hPa和925 hPa也已經分別出現3 ℃和6 ℃的負變溫，地面冷高強大，在湖南地區形成弱冷高中心，1 010 hPa 等壓線壓至漳州以南。

圖4 2017年4月11日08時500 hPa、850 hPa、925 hPa和地面天氣圖

4 冰雹的物理量參數特征

對流物理量參數是氣象預報業務中重要的參考因子，可以用來表征大氣狀態的穩定程度，在冰雹發生、發展的潛勢預報中具有重要意義。全方位開展降雹前各個物理特征量的分布和演變情況，凝練出各物理特征量的閾值和指標，能有效提高冰雹預報預警的準確率和提前量。

4.1 物理量類別

對大氣狀態不穩定程度有較好指示作用的物理量有沙氏指數、K 指數等，對冰雹發生區域有強烈指示意義的則有風暴相對螺旋度SRH，并且0 ℃至-20 ℃層高度以及兩者之間的厚度在很大程度上能對冰雹產生的背景起到決定性作用。選取廈門探空站（59134）所具有代表性的13 個物理量，對降雹前12 h 內大氣條件和降雹背景進行統計分析，其中4 類熱力能量指標分別為：溫度直減率（T850-500）、K 指數（K）、總指數The total index（TT）、對流有效位能Convective available potential energy（CAPE）；3 類層結穩定度指標分別為：抬升指數（LI）、850 hPa 與500 hPa 假相當溫差（θse850-500）、沙氏指數（SI）；3 類動力熱力綜合指標分別為：風暴強度指數Storns severity index（SSI），強天氣威脅指數（SWEAT）、風暴相對螺旋度Storm-Relatiue Helicity（SRH）；3 類特殊高度和厚度指標：0 ℃層高度（ZH）、-20 ℃層高度（ZH20）、0 ℃層和-20 ℃層兩者間厚度（ΔH）。

4.2 降雹過程物理量統計

統計發現，熱力能量類的T850-500、K、TT變異系數均較小，尤其是T850-500和TT 的變異系數僅為0.05～0.08。T850-500在23～28 ℃,70%以上在25～28 ℃；K指數在21～42 ℃,70%以上在32～42 ℃；TT 在37～51 ℃,70%以上在45～51 ℃；CAPE 變異系數稍微大一些，60%以上在1 000～2 890 J/Kg。

反應層結穩定類的LI、θse850-500、SI等3種物理量特征變異系數均超過1.0，比較離散。其中LI的70%以上均小于-1 ℃，在-7.36～-1.76 ℃；θse850-500有70%均大于5 ℃，在5.8～25.8 ℃；SI則70%均小于0，在-5.41～-1 ℃，見表2。

表2 物理量指標統計結果

反應動力熱力綜合類的SSI，SWEAT 的變異系數較少，僅為0.1～0.3。SSI在181～311.5，70%以上在257.9～311.5；SWEAT在46.7～434.5，70%以上在231.6～434.5；SRH 的變異系數比較大，表現離散，70%以上均大于0 m2/s2，0.1～4.6 m2/s2。此外，云中冷、暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區可用0 ℃層高度ZH和-20 ℃層高度ZH20兩個雹云特征參數來表示。適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度是降雹的必要條件，需要注意的是隨著緯度和季節的不同，這個適宜高度也會有所區別。從表2 可以看出，漳州地區冰雹形成背景的ZH、ZH20，以及兩者之間厚度ΔH 的變異系數在0.04～0.07，數值集中程度較高，均表現出較好的穩定性。0 ℃層高度ZH在4 200～5 200 m，70%以上在4 600～5 200 m；-20 ℃層高度ZH20在7 400～8 600 m，70%以上在7 900～8 600 m；0 ℃層和-20 ℃層兩者間厚度ΔH 則有70%在3 200～3 800 m。

另外，降雹還需要考慮是否有逆溫層。冰雹的產生，是由于0 ℃層和-20 ℃層高度垂直對流的強烈發展，使大氣中潛在不穩定能量在局部地區集中釋放的結果。而對流能不能發生和發展，還要看大氣的穩定條件。很多學者的研究表明，對流層底部特別暖濕，中層有一定厚度的逆溫層，并且上層空氣異常干冷，這種形勢下的大氣層結條件極不穩定，往往容易發生強天氣過程。另外，有研究也指出，低層逆溫層的存在能夠起到能量積聚的作用，有利于降雹天氣的產生。通過全市的18個降雹個例分析，在08時的廈門探空共有17個個例有逆溫層的存在，可見大氣是否有逆溫層可作為其中一項重要指標。

4.3 降雹物理量閾值

基于對4 類不同物理特征量的統計分析，我們梳理了70%冰雹樣本的數值，建立了可供漳州市冰雹天氣預報預警方法的物理量指標和閾值，結果見表3。

表3 漳州市降雹物理量指標

5 結論

文章統計分析了1961—2019 年漳州10 個國家氣象觀測站的冰雹過程的時空分布特征，梳理了2015—2019 年漳州市冰雹過程的天氣環流系統和物理特征量，并歸納4 種容易產生降雹的天氣形勢概念模型，得出了以下主要結論：

（1）漳州市降雹主要發生在中部一帶，春季更容易發生，多出現在午后到上半夜，持續時間相對較短，多數僅在幾分鐘至十幾分鐘。

（2）漳州市冰雹過程的天氣尺度形勢主要分為4 種類型，分別為鋒前暖區、鋒后冷區、入海高壓后部和其他類型。

（3）分析降雹發生前后的物理量演變特征，漳州市冰雹天氣過程可凝練出熱力能量類、層結穩定度類、動力熱力綜合類和特殊高度厚度類4個大類，共計13個指標閾值（表3）。