中亚低涡背景下南疆西部两次强冰雹环境场对比分析

张云惠，谭艳梅，于碧馨，黄　艳

（1.新疆气象台，新疆　乌鲁木齐　830002；2.民航新疆空中交通管理局气象中心，新疆　乌鲁木齐　830016；3.和田地区气象局，新疆　和田　848000）

中亚低涡背景下南疆西部两次强冰雹环境场对比分析

张云惠1，谭艳梅2，于碧馨1，黄艳3

（1.新疆气象台，新疆乌鲁木齐830002；2.民航新疆空中交通管理局气象中心，新疆乌鲁木齐830016；3.和田地区气象局，新疆和田848000）

利用常规资料、14:00加密探空、NCEP1°×1°再分析资料，对比分析2013年6月18日和2014年6月23日南疆西部两次强冰雹环境场及物理机制，表明两次冰雹环境场有相同之处:在环流经向度较大的中亚低涡背景下，前期有明显降水，傍晚前后由中亚低涡后部西北气流下产生，高空干冷平流、低层暖湿环境、较大的垂直温度递减率及低层辐合线或切变线为冰雹天气提供了强不稳定层结和动力触发条件，为冷平流强迫类型。但两次冰雹中亚低涡位置、强度、物理机制变化等有所不同:“6·18”中亚低涡压至南疆西部，低涡强，西北风大，而“6·23”中亚低涡在巴尔喀什湖附近，位置偏北，低涡较弱，西北风较小；“6·18”偏西北气流、风（垂直）切变、强回波伸展高度、层结不稳定、水汽及动力等变化均较“6·23”明显偏强；“6·18”的0℃层和-20℃层的高度均比“6·23”的低300～400 m；“6·18”低层南疆盆地偏东风日变化明显，即傍晚到夜间增强，山前东西风辐合促使上升运动发展，并有明显的中尺度垂直环流圈，而“6·23”低层为西北风风速辐合及与偏东风的切变。

中亚低涡；环境场；冷平流强迫；冰雹

5—6月是南疆西部（喀什、克州及阿克苏）雷雨大风和冰雹等强对流天气的多发期[1]，强对流天气常常与高空冷涡或冷性低压系统相联系[2-5]，孙劲松等[6]、徐东蓓等[7]根据西北地区不同强对流过程主导因素的不同进行分类，总结了西北气流强迫类强对流天气的热力、动力机制，并给出其潜势预报重点。张一平等[8]分析一次槽后型大暴雨伴冰雹的形成机制和雷达观测表明，局地冰雹发生在西北气流控制和大气层结极不稳定的形势下。南疆西部位于塔里木盆地的西缘，三面环山，叶尔羌河贯穿其中，绿洲与戈壁相间，是新疆棉花种植生产重要基地。夏季傍晚前后因山谷风效应及下垫面差异，南疆西部容易产生冰雹、短时强降水等强对流天气，尤其冰雹天气生命史短、发展迅速，预报难度大，预报预警空报率高，对农作物危害重，损失大。预报员针对南疆西部冰雹天气个例做过一些分析，均以冰雹的雷达回波特征为主[9-13]，预警时效有限，而对于冰雹环境场尤其是中亚低涡影响的强冰雹落区、时段及强度的潜势预报研究欠缺。因此，很有必要分析研究南疆西部冰雹发生环境机制，提高冰雹落区潜势预报的准确率，为防雹消雹减轻农业损失提供指导依据。本文在MICAPS常规资料分析基础上，结合地面加密自动站、14:00加密探空及NCEP1°×1°资料，重点对比分析中亚低涡背景下南疆西部两次冰雹环境场特征、对流参数特点、大气层结不稳定、水汽及动力触发机制等，以期提高冰雹落区预报预警准确率。

1　冰雹天气实况及灾情

2013年6月18日18:00—22:00（简称“6·18”），南疆西部继大降水之后，6县市出现大冰雹天气（图1），其中19:17—19:45岳普湖出现直径达6 cm的特大冰雹，创喀什地区有气象记录以来的最大冰雹记录，造成农业生产直接经济损失约2.7亿元。

2014年6月23日20:00—21:00（简称“6·23”），南疆西部断续降水后，喀什北部3县市出现冰雹。最大冰雹直径2～3 cm（图1），并伴有短时雷阵雨、大风等，造成农业生产直接经济损失约1.3亿元。

两次冰雹的特点是前期有明显降水，冰雹自喀什北部东南移，均为西北路径，但“6·18”冰雹影响范围广，强度大，冰雹直径大，灾害重。

（阴影大椭圆区为“6·18”冰雹，小椭圆区为“6·23”冰雹）

2　环境场对比分析

2.1环流形势对比

“6·18”：从18日08:00的500 hPa环流及风场可以看到（图2a），欧亚范围为两脊一槽的经向环流，里咸海至乌拉尔山高压脊维持，同时下游贝加尔湖脊强烈发展，中亚低涡位于南疆西部上空，其北部和南部均为低槽活动，高、中、低纬影响系统相互作用明显。20:00受其北部西西伯利亚低压逆时针旋转的动力牵引作用，中亚低涡减弱东北移，喀什地区受低涡后部西北气流控制，西北风风速最大20 m·s-1，强冰雹就出现在低涡后部的西北气流中。

“6·23”：23日08:00 500 hPa欧亚范围为一脊一槽的经向环流（图2b），里咸海至乌拉尔山高压脊发展强盛并向东北伸，中亚低涡位于巴尔喀什湖北部，同时有另一浅薄低涡翻越帕米尔高原进入南疆西部并自西向东旋转影响盆地边缘强对流天气，这也使盆地低层湿度增大。20:00里咸海高压脊继续向北发展，推动中亚低涡南移，低涡后部西北气流翻山进入南疆西部，同时受南疆盆地低涡后部西北气流影响，南疆西部西北风风速达14 m·s-1，冰雹也出现在低涡后部的西北气流中。

因此，两次冰雹的影响系统都是在中亚低涡背景下，在低涡后部西北气流下产生。但低涡位置及强度不同，“6·18”过程中亚低涡直接影响南疆西部，西北风较大，低涡较强，有三条闭合等值线；“6·23”过程中亚低涡在巴尔喀什湖附近，位置偏北，南疆西部处于涡旋后部及中亚低涡南部西北气流下，西北风较小，低涡较弱，只有一条闭合等值线。

2.2中尺度分析对比

18日08:00中分析可以看出，700～850 hPa南疆西部开始受暖脊控制，受前期持续降雨影响，南疆盆地为高湿环境，850 hPa自阿克苏东部有支偏东气流伸向喀什，18日16:00—19:00区域自动站风场表明，南疆西部为一致的偏东风，地形作用下有偏西风与偏东风辐合,为水汽的集中辐合提供有利条件。14:00喀什气温25℃，T850-500 hPa达34℃，中低层之间的差动温度平流使大气不稳定层结加强，利于深厚湿对流的发生[6]。因此，18日傍晚500 hPa中亚低涡后部西北气流携带干冷空气翻越高原进入南疆盆地时，与低层辐合上升运动叠加，上干冷下暖湿的配置触发了喀什的强冰雹天气，冰雹出现在低层辐合线附近，并沿500 hPa西北气流向东南移动（图3a）。

23日08:00中分析发现，南疆盆地中低层风场为气旋性环流，700～850 hPa有明显的西北风和偏东风的切变，湿度大，水汽较充足。14:00喀什气温29℃，T850-500 hPa达33℃。另外，区域自动站风场显示，18:00—20:00自西北部山区到喀什-英吉沙-皮山一带为西北风且风速辐合明显，喀什东部有整齐的偏东风，风的切变及辐合在疏勒到伽师一带，与冰雹落区一致（图3b）。

3　大气层结稳定度对比分析

3.1风（垂直）切变

18日08:00喀什T-lnP上：0～6 km风矢量差为20 m·s-1达到强的风（垂直）切变；14:00加密探空0～ 6 km风矢量差也达20 m·s-1（图4a），850 hPa与700 hPa之间为东风和西风的垂直切变有暖平流，强的风（垂直）切变使得低层暖湿气流上升，增强大气垂直交换及对流不稳定。在喀什雷达回波强度剖面上，＞50 dBz的回波高度达10 km。

23日08:00喀什T-lnP：0～6 km风矢量差为4 m·s-1，700 hPa以上均为西北风，850 hPa为2 m·s-1弱西风，14:00的0～6 km风矢量差增大到10 m·s-1（图4b），风（垂直）切变较弱，850 hPa与700 hPa之间为东风和北风的垂直切变有暖平流，500 hPa以上为西北风且风速随高度增大。在喀什雷达回波强度剖面上，＞50 dBz的回波高度至7 km。

可见，“6·18”过程偏西北气流、风（垂直）切变及回波伸展高度较“6·23”明显偏强。

3.2对流参数对比

多年预报总结表明，当K指数＞28℃且沙氏指数SI＜0，CAPE突然增大时，对预报南疆西部雷暴、冰雹及短时强降水等局地强对流有一定的指示意义，分析两次冰雹当天08:00、14:00加密探空及17:00订正探空对流参数可见（表1），两次过程08:00到14:00的K指数、SI指数、CAPE、WCAPE、SWEAT等均有明显增大，而K指数、SI指数在17:00都表现最强，表明傍晚南疆西部具有明显的对流潜势。而上述参数值“6·18”的均明显比“6·23”的偏强或偏高，说明“6·18”对流潜势更强。3.30℃和-20℃高度

图4　14:00加密观测喀什T-lnP

表1 喀什站对流参数

0℃层和-20℃层的高度及高、低层的冷、暖平流和中空大气不稳定性密切相关，两层之间的高度差越小，说明高层冷平流越明显，可使-20℃层高度降低，低层暖平流使0℃层高度升高，造成中空大气越不稳定，越有利于强对流天气的发生、发展。一般0℃层位于600 hPa上下，-20℃层在400 hPa附近及以下可保证雹块长大后下落时不被完全融化，利于成雹[6-7、9-11]。

由表1可见，“6·18”的0℃层和-20℃层的高度均比“6·23”的低300～400 m，但两次过程两层之间的高度差相当，均在2650～2750 m，符合成雹条件。

4　触发机制

图5　θse（实线）和q（虚线）沿77°E的垂直剖面

4.1假相当位温θse和比湿q

假相当位温θse是代表大气中温、压、湿的综合特征量,其水平分布和垂直分布与强对流天气的发生、发展密切相关。一般认为，当低层的θse水平梯度足够大时说明有强的水平能量锋区存在，气层中θse随高度降低是对流不稳定层结,均有利于强对流天气发生和发展。

从θse和q沿喀什附近77°E经向垂直剖面图可以看到：

“6·18”（图5a）：18日08:00—14:00在南疆西部平原区域500 hPa以下θse随高度减小，700～600 hPa维持较强的能量锋区，θse700-600 hPa=12℃，且700 hPa以下比湿达6～8 g·kg-1，说明近地层高能高湿，而500 hPa附近喀什北部有低能舌南伸，对应比湿为1～2 g·kg-1，即有干冷空气侵入。14:00—20:00随着近地层加热不均匀，午后地面温度达到对流温度临界值使地面暖气团自由上升，低层高能高湿舌抬升，能量锋区抬高至650～550 hPa，同时500 hPa附近喀什北部干冷空气加强向南扩散，为触发强冰雹提供有利的动力及不稳定条件。

“6·23”（图5b）：23日08:00在南疆西部平原区域500 hPa以下θse随高度减小，850～700 hPa为较强的能量锋区，θse850-700 hPa=10℃，且700 hPa以下比湿达7～9 g·kg-1，说明近地层也高能高湿，500 hPa附近喀什北部有弱的冷平流。14:00随着地面加热能量锋区明显减弱抬升至 800～650 hPa，θse800-650 hPa=6℃，湿度也减小到4～6 g·kg-1，20:00能量锋区继续抬高至700～600 hPa，同时500 hPa附近喀什北部干冷空气侵入，触发对流发展。

上述对比可见，在能量锋区、低层高能高湿、中高层干冷空气侵入等变化上，“6·18”比“6·23”表现明显偏强，层结不稳定均在午后会有强烈发展，对流层中下层温度递减率更大。这与徐东蓓等[7]总结的西北地区高空冷平流强迫类区域性强对流天气，与大范围降水后地面增湿午后不稳定层结增强相一致。

4.2水汽条件

“6·18”：18日08:00水汽通量矢量和水汽通量散度可以看出，雹云形成前南疆西部上空对流层中层500 hPa为相对干燥区域（图略），而低层850 hPa为高湿区，偏东风携带较大水汽通量矢量西伸至喀什地区，水汽辐合中心位于伽师—岳普湖—麦盖提一带，最大值达-5×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。14：00随着500 hPa中亚低涡东移南压，南疆西部处于低涡底后部西北气流中（图6a），因地面加热水汽蒸发，850 hPa南疆盆地西缘水汽辐合减弱，但辐合中心仍位于降雹中心附近（图6c），这与强对流天气中，要求湿层较薄，低空暖湿，中层干燥的理论一致[7-8]。

“6·23”：23日08:00水汽通量矢量和水汽通量散度场上，500 hPa南疆西部也为相对干区，700 hPa水汽辐合较弱，水汽辐合区主要在850hPa，位于南疆西部的喀什、英吉沙、伽师上空，中心值-2.6×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1，说明水汽在低层聚集，而中高层较为干燥，这为强对流天气的发生聚集了充足的水汽条件和能量条件。14:00南疆西部500 hPa西北气流下湿度仍较小（图6b），850 hPa南疆西部西北风与偏东风切变明显，水汽辐合区和辐合中心值均有所增大（图6d），上干下湿的不稳定层结为对流提供热力条件。

4.3动力条件

在具备有利的热力不稳定及水汽条件时，如果没有一定的动力触发机制，也不会有明显的冰雹天气。从沿39°N冰雹落区纬向剖面的垂直速度可以看到：

“6·18”（图7a）：18日午后到傍晚，低层偏东气流开始增大，南疆西部低层有一个闭合的中尺度垂直环流圈，中心位于700 hPa附近，上升运动沿地形迎风坡增强，在500 hPa遇到偏西气流后向东向低层传播，与低层偏东气流汇合，风场补偿使次级环流圈进一步加强，有利于高低层冷暖空气的交汇，增强大气不稳定性，产生强对流天气。

图6　水汽通量矢量（箭头，单位:10-6g·cm-1·hPa-1·s-1）和水汽通量散度（阴影区，单位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1）的叠加

图7　垂直速度（彩色区，单位:10-2m·s-1）、风与垂直运动合成沿39°N的剖面（箭矢，阴影区为地形）

“6·23”（图7b）：23日08:00—14:00，南疆西部500 hPa以上为西北气流控制，20:00地面增温增湿情况下，南疆西部沿地形迎风坡上升运动增强，但低层风场补偿不明显，这也是此次冰雹范围小、时间短的原因之一。可见，“6·18”在动力激发及维持机制上比“6·23”明显偏强。

5　结论

通过对比分析南疆西部两次冰雹的环流背景、环境场分析、大气层结稳定度、0℃层和-20℃层高度、假相当位温与比湿特点，水汽及动力触发机制等，表明两次冰雹环境场均在环流经向度较大的中亚低涡背景下，前期有明显降水使低层处于高温高湿环境，傍晚前后由低涡后部西北气流及低层辐合线及切变线触发对流而产生冰雹，温度垂直递减率较大，为冷平流强迫类型；-20℃层与0℃层的高度差相当，14时K指数、SI、CAPE、WCAPE及SWEAT等均有明显增大；层结不稳定在午后有强烈发展，对流层中下层温度递减率更大；冰雹出现在低层辐合线及切变线附近，并沿500 hPa引导气流方向移动。但两次冰雹也具有不同之处，主要表现在：

（1）中亚低涡位置及强度不同，“6·18”过程中亚低涡直接影响南疆西部，西北风较大，低涡较强，有三条闭合等值线；而“6·23”过程中亚低涡在巴尔喀什湖附近，位置偏北，南疆西部处于涡旋后部及中亚低涡南部西北气流下，西北风较小，低涡较弱，只有一条闭合等值线。

（2）“6·18”过程中低层风（垂直）切变、偏西北气流、水汽辐合、垂直上升运动、强回波伸展高度、能量锋区、低层高能高湿及中高层干冷空气等要素变化均较“6·23”明显偏强；“6·18”的0℃层和-20℃层的高度均比“6·23”的低300～400 m；“6·18”低层南疆盆地偏东风日变化明显，即傍晚到夜间增强并与西部翻山风辐合，而“6·23”低层有西北风风速辐合及与偏东风的切变。

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Comparative Analysis of Two Heavy Hail under the Background of the Central Asian Vortex in the West of Southern Xinjiang

ZHANG Yunhui1，Tan Yanmei2，YU Bixin1，Huang Yan3
（1.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China；2.Meteorological Center of Xinjiang Air Traffic Management Bureau，Urumqi 830016，China；3.Hotian Meteorological bureau，Hotian 848000，China）

By using observational data,encryption sounding data（14:00）and NECP reanalysis data（1°×1°）,the environment and physical mechanism of two hailstorm events under the background of the Central Asian Vortex in the west of southern Xinjiang on June 18th,2013（“6· 18”）and June 23rd,2014（“6·23”）are contrastively analyzed.The results show that the two events have much in common.Under the background of the Central Asian Vortex,heavy hail happened after obviously rain with northwesterly wind at the back of vortex.The dry and cold air advection in the high altitude,the warm and wet environment in the low layer,the large temperature lapse rate and the convergence or shear line in the low layer added to the unstable stratification and provided the dynamic trigger,which belonged to the cold-advection-forced-type.However,there are also some differences between the two processes as followed.The vortex was extended to the west of south Xinjiang in“6·18”while the vortex was around over Balkhash Lake.The intensity of vortex,northwest wind,strong echo,wind shear and stratification instability in“6·18”were obviously stronger than that in“6·23”.The variation of water vapor and driving force were huger in “6·18”.The height at-20℃and 0℃layer in“6·18”were lower about 300～400 m than that in “6·23”.In“6·18”,the daily variation of easterly wind in the low layer was more clearly and there was an obvious mesoscale vertical circulation.

Central Asian vortex；environment；cold advection forced；heavy hail

P458.121.2

A

1002-0799（2016）04-0010-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.002

2016-03-01；

2016-05-15

中国气象局气象关键技术集成与应用项目（CMAGJ2015M69），中国气象局预报员专项（CAMYBY2015-087）共同资助。

张云惠（1968-），女，高级工程师，主要从事天气预报业务及研究。E-mail：715208285@qq.com

张云惠，谭艳梅，于碧馨，等.中亚低涡背景下南疆西部两次强冰雹环境场对比分析[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（4）：10-16.