甘南高原冰雹的气候特征和雷达回波分析

吉哲君 安华银 赵惠珍 罗王军

摘要 利用甘南州8个国家气象观测站1976—2015年冰雹观测资料，对甘南高原冰雹天气的气候特征进行详细分析。同时，利用2002—2012年5—9月合作站探空资料和2013—2015年甘南新一代天气雷达资料对甘南各站冰雹日层结特征和多普勒雷达回波特征进行统计分析。结果表明：甘南州冰雹随海拔高度的升高而呈线性增加趋势。20世纪80—90年代是降雹的高峰期，降雹总体趋势是减少的。一日中冰雹天气主要发生在午后至傍晚，冰雹天气当日合作站探空参数有明显的特征。甘南冰雹云回波强度>40 dbz，回波顶高度在3 km以上，垂直液态含水量在0.5 kg/m2，60%的冰雹云速度场有明显的辐合和中气旋。

关键词 冰雹；气候特征；回波特征；甘南高原

中图分类号 P429 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）06-0210-03

Analysis on Climate Features and Radar Echo of Hail Weather in Gannan Plateau

JI Zhe-jun AN Hua-yin ZHAO Hui-zhen LUO Wang-jun

（Gannan Meteorological Bureau of Gansu Province，Gannan Gansu 747000）

Abstract Used meteorological station hail observation data of Gannan in 1976—2015 to analyze the climate characteristics of Gannan Plateau hail weather，used cooperation standing sounding data in May to September at 2002—2012 in Gannan and a new generation of weather radar data of Gannan hail in 2013—2015 to analyze stratification and doppler radar echo characteristics. The results showed that the Gannan hail had increase tendency with the rising of altitude. In the 1980s to 1990s the hail peak was down，the overall trend reduced.The hail occured mainly in the afternoon to the evening.The hail weather cooperation standing sounding parameters had obvious characteristics.Gannan hail cloud echo intensity was >40 dbz，echo top height was above 3 km，vertical liquid water content was in the 0.5 kg/m2，60% hail cloud velocity had obvious convergence and cyclone.

Key words hail weather；climatic characteristic；radar echo characteristic；Gannan Plateau

甘南州地處青藏高原向黄士高原的过渡地带，地形复杂，天气多变，灾害性天气种类多易发生，冰雹天气是甘南高原主要的自然灾害之一。另外，甘南是西北地区多雹区之一，玛曲县是甘肃省冰雹中心，同时甘南也是影响甘肃省定西市西南部的冰雹云东移的加强区和必经之地[1-4]。目前，多普勒雷达资料的分析应用逐步成为防灾减灾和保护人民生命财产安全的重要手段。吴爱敏等[5]通过新一代天气雷达观测资料，分析了庆阳市冰雹过程中雷达回波强度、速度、垂直积分液态含水量等的变化特征，为冰雹预报提供了可靠的依据。王若生等[6]利用平凉近47年冰雹基本观测资料和2009—2011年的雷达回波资料，分析了冰雹天气的层结特征和雷达回波特征，为平凉市人工消雹和防灾减灾工作提供了参考和依据。本文利用甘南州8县市1976—2015年冰雹基本观测资料、2013—2015年甘南新一代天气雷达观测资料分析了甘南高原冰雹的时空分布特征、层结特征和多普勒雷达回波特征，探索研究适合甘南高原冰雹的天气雷达预报指标，以期为甘南州人工消雹和防灾减灾工作提供科学参考。

1 资料来源

所用资料为甘南州8县市1976—2015年国家气象观测站冰雹观测资料，2013—2015年5—9月合作高空站探空资料，2013—2015年5—9月甘南新一代天气雷达观测资料，包括基本反射率、组合反射率、径向速度、回波顶高、垂直液态积分水含量等产品。

2 甘南高原冰雹天气的气候特征

2.1 甘南高原冰雹天气的空间分布特征

分析甘南州8个国家气象站1976—2015年降雹次数分布，结果见图1。可以看出，降雹频次分布有明显的地域特点，近40年西南部海拔超过3 000 m的玛曲、碌曲降雹次数最多，分别达343、291次，平均每年8.6、7.3次，而东南部海拔相对较低的迭部、舟曲降雹次数最少，只有104、28次，平均每年2.6、0.7次。

近40年来，全州各地降雹次数自东向西随海拔高度的升高而增加（图2），年降雹次数随海拔高度的升高呈明显的线性增加趋势，海拔高度平均升高100 m，年降雹次数增加15.86次。

2.2 甘南高原冰雹的时间变化特征

2.2.1 甘南高原冰雹的年代际和年际变化特征。近40年来，甘南高原8个气象站共出现冰雹1 692次，其中1976—1980年出现302次，20世纪80年代出现617次，90年代出现477次，进入21世纪以来，2001—2010年出现224次，2011—2015年出现72次。可以看出，20世纪80、90年代是降雹的高峰期，总的趋势来看，冰雹发生的趋势是减少的。从1976—2015年降雹日数的年际变化（图3）可以看出，近40年来甘南高原降雹日数的年际变化显著，降雹出现最多的年份是1994年，达到76次，1992年次之，达74次，降雹日数最少的年份是2009年和2013年，仅有12次。降雹次数呈现线性减少趋势，每10年减少15.773次。

2.2.2 甘南高原冰雹的月变化特征。甘南高原冰雹天气的季节变化特征非常明显，40年来甘南降雹天气最早的月份为3月，出现在舟曲县，最晚结束在10月，全州各地均可出现，可见甘南高原降雹期长达8个月，从降雹总次数分布（图4）可以看出，从3月开始，降雹次数逐月增加，5月达到最大，降雹总数为385次，每年5月平均降雹12.4 d，随后又呈逐月下降趋势，主要降雹时段为5—9月，占降雹总数的93.1%。

2.2.3 甘南高原冰雹的日变化特征。甘南高原降雹有明显的日变化特征，对近40年全州降雹起始时间进行统计分析，发现甘南高原降雹多在午后出现，11：00前和23：00后没有降雹发生，降雹时间出现在11：00—13：00的占10%，出现在14：00—17：00的占58%，出現在18：00—23：00的占32%，根据各地降雹出现的时间，大致可以分为3种类型，分别为午后型、傍晚型、午后傍晚双峰型。

3 甘南高原冰雹天气的天气学特征

3.1 甘南高原冰雹天气的环流背景

冰雹天气往往是在一定的大尺度环流背景下的发生的[7]，对2002—2012年5—9月全州共出现冰雹195站（次）进行统计分析，按照环流形势可以分为3种类型：高空冷槽型、高空冷涡型、纬向环流型。

3.1.1 高空冷槽型。降雹总数的70%属于此种类型，5—7月较多。500 hPa蒙古中部到河西西部为一冷槽，温度槽落后于高度槽，河套以东为一长波脊，在33～40°N、90～105°E范围内有明显锋区。此形势下24 h内甘南州大部分地方可能出现冰雹天气。降雹机制是锋面移动抬升锋前不稳定的暖湿空气产生强烈对流。

3.1.2 高空冷涡型。降雹总数的25%属于此种类型，6—8月较多。500 hPa河套一带有冷中心或有冷槽配合的低压中心，系统深厚，移动缓慢，本地位于低涡后低部，有时可连续几天降雹。其降雹机制是低涡的辐合作用使低层暖湿空气在高空冷平流的影响下产生强烈对流。

3.1.3 纬向环流型。此型较少，约占降雹总数的5%，但5—9月均可出现。500 hPa中纬度以纬向环流为主，青藏高原上有西南气流发展，30～40°N、90～100°E范围内有短波槽或切变线东移，则在未来24 h内甘南州局地会出现冰雹。

3.2 甘南高原冰雹天气的探空层结特征

冰雹天气是一种强烈的对流运动，其发生要求有一定的不稳定能量的积累[8-12]。利用2002—2012年甘南州8县市发生的192次冰雹天气过程，统计过程前一日和当日合作站的探空资料发现，冰雹发生日8：00或20：00合作探空层结有明显的特征。

3.2.1 层结稳定度。选取700 hPa比湿、SI指数、700～300 hPa温差、700～500 hPa风速切变、700 hPa假相当位温等探空参数进行分月统计发现，冰雹日当天700 hPa比湿≥5.0，7月、8月≥7.3，SI指数除5月<6外，其余各月冰雹日当天均<4， 700～300 hPa温差均≥34 ℃，700～500 hPa风速切变均≥5 m/s，700 hPa假相当位温均≥50 ℃（表1）。

3.2.2 0 ℃层高度和-20 ℃～0 ℃层厚度。冰雹的形成需要一定的环境场温度，合适的0 ℃层高度和-20 ℃～0 ℃层厚度是冰雹形成的必要条件。统计发现，冰雹日当天合作站0 ℃层高度在3.0～5.5 km之间，其中5月和9月略低，7月和8月略高，-20 ℃～0 ℃层厚度在2.5～4.0 km之间，各月之间差异不大。

4 甘南高原冰雹天气的新一代天气雷达产品特征

甘南新一代天气雷达从2013年汛期开始投入试运行，利用2013—2015年5—9月合作雷达产品资料、冰雹观测资料，用回波强度、回波顶高、强回波底高、强回波顶高、VIL、速度场（辐合、中气旋、逆风区等）进行分析（表3），统计冰雹发生时雷达产品资料，通过统计方法建立冰雹雷达临近预报指标。

通过对甘南州雷达有效探测距离内36个站次的冰雹雷达资料统计分析，得出了甘南州冰雹雷达回波特征。

4.1 回波强度

通过对出现冰雹站点附近的雷达回波强度统计分析发现，冰雹发生时最大回波强度在30～50 dbz之间，超过40 dbz的占92%以上，因此，把冰雹发生前雷达回波强度阈值确定为40 dbz。

4.2 强回波顶高

对流的强弱和回波的伸展高度有关，回波高度结合回波强度可以判断冰雹天气发展的强弱[7]。在多普勒雷达资料中，新的冰雹算法中判断冰雹的主要判据是检验0 ℃与-20 ℃以上有无超过45 dbz的反射率因子，0 ℃层高度与45 dbz的反射率因子回波顶高度的距离差用于判断冰雹的有无。由于甘南州海拔高，2013—2015年所有冰雹个例中强中心超过45 dbz的个例较少，而往往强中心高度超过40 dbz的个例占92%以上，因此确定40 dbz反射率因子顶高为甘南州强回波顶高度较高。经统计，40 dbz反射率因子顶高度高于3 km时，降雹的可能性很大。通过对回波顶高统计分析发现，40 dbz回波顶高平均高度为3.5 km，0 ℃层平均高度为3.0 km，因此40 dbz反射率因子顶高平均略高于0 ℃层高度。

4.3 VIL和VIL跃变

VIL（垂直液态水含量）和VIL激增（跃变）是判别强对流天气冰雹和短时强降水的主要指标[9]。VIL值表示的是将反射率因子数据转化成等价的液态含水值，因此VIL值随着反射率因子的增强而增强。通过对降雹前1h VIL值统计发现，当垂直液态含水量超过0.5 kg/m2时即有降雹的可能。通过对冰雹发生时和发生前VIL激增（跃变）值统计分析，所有个例中VIL激增（跃变）不明显。

4.4 速度场特征

对冰雹发生前1 h到冰雹发生时的速度图进行分析，发现有超过60%的个例有明显的速度场特征，其中超过50%的个例速度图中发现明显的辐合特征，超过10%的个例中发现明显的中气旋特征。因此，当速度场中出现明显的辐合和中气旋特征也是对甘南州出现冰雹天气的一种指示。

5 结论

（1）甘南高原冰雹的分布有明显的地域特点，降雹次数随海拔高度的升高而呈线性增加趋势，海拔高度平均升高100 m，年降雹次数增加15.86次。

（2）甘南高原冰雹的年代际变化显著，20世纪80、90年代是降雹的高峰期，总的趋势来看，冰雹发生的趋势是减少的。

（3）甘南高原降雹季节性变化显著，最早出现在3月，最迟出现在10月，雹期长达8个月，其中5月出现次数最多，6月次之，5—9月冰雹次数占全年的93.1%。

（4）甘南高原降雹多在午后出现，根据各地降雹出现的时间，大致可以分为午后型、傍晚型、午后傍晚双峰型3种类型。

（5）甘南高原冰雹当日合作探空站层结有明显的特征：700 hPa比湿≥5.0，SI指数除5月<6外，其余各月冰雹日当天均<4，700～300 hPa温差均≥34 ℃，700～500 hPa风速切变均≥5 m/s，700 hPa假相当位温均≥50 ℃，0 ℃层高度在3.0～5.5 km之间，-20 ℃～0 ℃层厚度在2.5～4.0 km之间。

（6）甘南高原冰雹云雷达回波强中心强度大于40 dbz，垂直发展旺盛，回波顶高都在3.0 km以上，垂直液态水含量超过0.5 kg/m2，60%的冰雹云速度场有明显的辐合或中气旋特征。

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