锦州地区冰雹天气特征及物理量指标

白雪+纪源+史虹婷

摘要：利用地面观测资料Micaps常规天气图对2006-2015年锦州地区出现的27次冰雹过程从时空分布特征、环流形势特征及物理量特征3方面进行详细分析。结果表明，锦州冰雹日数的年际变化总体呈现减少的趋势，月分布呈双峰型；冰雹日变化十分明显，多出现在中午至傍晚；冰雹天气持续时间短、局地性强，且存在明显的地域差异。锦州市冰雹的大尺度环流背景场主要分为冷涡槽后类和槽前类。槽后类多受东北冷涡影响，高低空均受西北气流控制，涡后冷平流触发强对流天气；槽前类多受蒙古低涡影响，850 hPa增温增湿明显，低槽前的上升运动也为强对流的发生提供了有利条件，短波槽滑过或弱冷空气入侵触发不稳定能量释放。分析不同流型下强对流天气分析的关键内容，确定冰雹落区。选取15项物理量指标从动力、热力、水气条件等方面分析冰雹发生时物理量特征，确定锦州发生冰雹天气的物理量阙值。

关键词：冰雹；时空分布；环流形势；中尺度；物理量；锦州地区

中图分类号：P42 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）02-0055-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.02.014

Abstract： Based on the conventional data， the hail processes in Jinzhou during the past 2006-2015 years were analyzed in detail from three aspects， which were the temporal and spatial distribution characteristics， the circulation features and the physical quantity characteristics. The results showed that the interannual variation of hail days in Jinzhou showed a decreasing trend， and the monthly distribution showed bimodal type； The diurnal variation of hail was very obvious， mostly from noon to dusk. Hail duration was short， and local features was strong， and there were obvious regional differences. Large scale circulation background of hail was divided into cold vortex behind trough and ahead of trough. After trough hail more affected by the northeast cold vortex， the high and low air were controlled by the northwest air current， and the cold advection behind the vortex triggers the strong convection weather. The front trough hail was mostly affected by the Mongolia vortex， the increase of temperature and humidity of 850 hPa was obvious， and the ascending motion before the low trough also provided favorable conditions for the occurrence of strong convection， and short wave trough sliding or weak cold air intrusion triggered unstable energy release. The key contents of strong weather analysis of different circulations were analyzed， and the hail fall area was determined. 15 physical indexes were selected to analyze the physical characteristics of hail in terms of power， heat， water vapor and so on， physical value of hail weather in Jinzhou was determined.

Key words： hail； temporal and spatial distribution； circulation situation； mesoscale； physical quantity； Jinzhou

雷雨大風、冰雹、短时强降水等中尺度灾害性对流天气常常给国民经济和人民生命财产造成严重损失，但由于强对流天气空间尺度小、生命史短、突发性强等特点，强对流天气的预报和研究一直是气象工作者关注的重点之一，也是天气预报业务中的难点。而冰雹又是强对流天气中造成灾害较重，且比较难预报的，猛烈的冰雹会打毁庄稼，损坏房屋，特大的冰雹甚至会致人死亡、毁坏大片农田和树木、摧毁建筑物和车辆等，具有强大的杀伤力。

随着探测手段的发展，雷达、卫星、闪电定位等先进仪器的应用使人们对强对流天气临近时刻所表现出来的征兆、特征等认识不断深入，也有很多成熟的研究成果已经应用于短时临近预报[1-7]。但强对流天气的大尺度环境背景场、物理量要素等分析对于预报员预报强对流天气仍有重大作用。张素芬等[8]通过分析河南区域性冰雹天气过程的大尺度天气背景和物理量参数等，归纳出区域性冰雹产生的天气特征。农孟松等[9]将广西冰雹环流形势分为华北低槽型、高原东部低槽型和南支槽型，并检索出数值预报产品有物理意义的预报因子，采用判别分析法和指标叠套法制作广西冰雹的潜势预报。郑媛媛等[10]对2001-2010年安徽省强对流天气的物理机制和中尺度特征进行分析，得出在不同的大尺度环流背景下各个天气要素的重要性不同，产生的强对流天气也不同；彭治班等[11]研究指出，在对流活动中热力不稳定决定了对流发展的强度，而动力作用对触发对流起重要作用。孙明生等[12]分析了北京地区冰雹落区与中尺度天气系统及各种要素场的分布关系。陈传雷等[13]对辽宁省冰雹、龙卷、雷雨大风和短时强降雨4种强对流性天气的气候特征进行统计分析，表明辽宁冰雹沿海少、内陆多，内陆又以东、西部山区为最多；6月和9月为多发期；15：00-16：00出现最多；83.9%的冰雹持续时间为0～10 min。锦州地处辽宁省西南部，地势特征是西北高，东南低，东北部义县和北镇市交界处有医巫闾山脉，西北部有松岭山脉，地形复杂，春夏季节易遭受冰雹、雷雨大风等强对流天气侵袭，但对于锦州地区强对流天气的研究较少，基于2006-2015年锦州地区冰雹过程的统计分析研究，总结锦州地区冰雹天气的时空分布、环流形势、物理量等特征，将为今后冰雹天气的潜势预报提供一定参考。endprint

1 资料与样本

根据2006-2015年锦州地区5个常规观测站（锦州市区、凌海市、义县、北镇、黑山）的地面观测资料，确定冰雹天气样本。由于冰雹局地性较强，出现在观测站点的冰雹个例不多，选取近10年内所有冰雹个例进行时空分布和环流形势特征分析。若某日中有≥1个站出现冰雹，则将该日定为冰雹日。在一个冰雹日内有≥3个站出现冰雹，则定义为一次区域性冰雹过程，有≤2个站出现冰雹，则定义为一次局地性冰雹过程。冰雹环流形势分析选取Micaps常规高空和地面天气图进行分析研究。由于高空探测站较少，而冰雹天气不一定发生在探空本站，所以锦州地区内的冰雹天气均选取锦州站探空资料代替。另外，探空资料每天只有8：00和20：00两次，所以一般选取冰雹发生前1 h的探空资料，由于冰雹多发生在白天，所以一般选取8：00探空数据。由于锦州站探空资料的部分缺失，最终挑选出13次冰雹样本进行物理量统计分析。

2 冰雹时空分布特征

2.1 冰雹时间分布特征

2.1.1 冰雹日数的年际变化 锦州市冰雹日数的年际变化见图1。从图1可以看出，锦州冰雹日数的年际变化总体呈现减少的趋势。冰雹日数最多的为2012年，出现6次冰雹；2008年为次多年，共出现5次；2007年没有出现冰雹，年平均出现2.7个冰雹日。

2.1.2 冰雹日数的月分布 锦州市冰雹日数的月分布见图2。从图2可以看出，冰雹日数的月分布呈双峰型，1-3月为低值区，4月开始呈明显上升趋势，6月达到峰值，之后迅速下降，9月开始再次上升，之后下降。出现冰雹日数最多的月份是6月，2006-2015年共出现8个冰雹日，其次为5月，共出现6个冰雹日，这两个月出现冰雹的次数占了全年的52%，另一个峰值出现在9月，共出现4个冰雹日。冬季12月至次年2月无冰雹日出现。盛夏7-8月，冰雹出现次数仅为1～2次。从天气学背景分析，5-6月西南暖湿气流日趋活跃，辽宁多为东北冷涡控制下的不稳定天气形势，冷暖空气经常交汇对峙，水气条件、热力条件和动力条件均较好，大气不稳定性强，从而易形成局地的冰雹天气。夏季辽宁多受高空槽和副热带高压影响，易形成稳定的系统性降雨天气。

2.1.3 冰雹日数的旬分布 锦州市冰雹日数的旬分布见图3（1.1、1.2、1.3分别表示1月上旬、中旬和下旬，以此類推）。从图3可以看出，冰雹出现最多的时段是在5月中旬至6月中旬，6月中旬出现日数最多，共5次。其他有冰雹出现的时间段，大概每旬出现1次左右。

2.1.4 冰雹日变化 由冰雹日变化（图4）可以看出，冰雹日变化十分明显，多出现在中午至傍晚。12：00-19：00降雹次数占总降雹数的83.9%，其中以12：00-13：00和16：00-17：00出现次数最多，出现频率均为19.4%。其他时段出现频率较少。19：00-23：00之间无冰雹出现，夜间出现频率仅为6.5%（由于冰雹出现在夜间时，观测不计具体时间，所以在23：00至次日8：00出现的冰雹统一记为夜间）。这主要是由于午后太阳直接辐射加强，地面升温加快，地面加热和太阳辐射加热使近地层空气温度较高，若高层有冷空气活动，便形成了强烈的不稳定层结，配合水气条件和抬升触发机制，易导致冰雹发生。

2.1.5 冰雹持续时间 由于冰雹形成的环境条件的差异，造成冰雹云的尺度大小、强度不同，使得冰雹发生时持续时间的长短也不同。对锦州有持续时间记录的冰雹统计（表1）发现，降雹持续时间为2～5 min的最多，占41.4%；其次为0～2 min，占20.7%。持续时间超过20 min的仅占6.9%。持续时间最长的1次出现在义县，于2012年6月2日13：36-14：14、14：21-14：27义县本站降冰雹，冰雹最大直径10 mm，最大平均重量1 g。13：00-15：00头道河乡遭受冰雹袭击，冰雹持续30～40 min，冰雹最大直径30 mm，同时伴有强降水，头道河乡的头道河、黑山、张家湾和拉拉屯村767 hm2大田受灾，其中33 hm2绝收。

2.1.6 冰雹初、终日 锦州市冰雹初、终日对照见表2。由表2可知，冰雹初日出现在3月下旬至6月上旬，出现最早的时间是3月30日，出现在2008年；冰雹终日一般出现在9月中旬至11月上旬，出现最晚的时间是11月11日，出现在2010年。

2.2 锦州冰雹空间分布特征

2.2.1 冰雹日数空间分布 利用锦州5个常规站2006-2015年地面观测资料统计分析（图5）得出，锦州市各站冰雹日数存在地域差异，锦州和凌海出现次数最多，为8次，平均1年出现1次；北镇最少，仅4次，平均2年出现1次。总体呈现出南部多、北部少的特征。

2.2.2 冰雹局地性特征 统计锦州市5个常规观测站2006-2015年的地面观测资料，发现在27次冰雹过程中，仅有一次区域性冰雹过程，而在其余26次局地性冰雹过程中，有21次为单站次冰雹，可知冰雹的局地性很强。

3 冰雹环流形势分析

3.1 冰雹天气分型

对锦州市2006-2015年10年共27次冰雹过程的大尺度环流背景场分析显示，从500 hPa形势场来分主要分为两种类型，一是冷涡槽后类共出现14次；二是冷涡槽前类共出现13次。

3.2 冰雹环流形势分析

由图6可知，冷涡槽后型冰雹500 hPa多在35°-50°N、120°-140°E这一区域内有闭合低涡存在，一般有冷中心或冷槽相配合，冷中心或冷槽通常落后于低涡中心。冷涡在东移南下过程中，脊前冷空气不断补充，涡底南北向低槽发展，若低涡位置偏北，锦州地区受涡底槽后西北气流影响；若低涡位置偏南，低涡中心已经落到40°N以南，锦州地区则直接受冷涡后部偏北或东北气流影响。有时冷涡后部冷空气南下，在其后部形成横槽，冷空气堆积，锦州地区受横槽前部偏西气流影响，横槽下摆，冷空气东移南下，则触发强对流天气发生。endprint

由图7可知，涡后横槽型冰雹500 hPa也受低涡影响，在40°-50°N之间有锋区存在，涡前后有明显冷暖平流，锦州地区受涡后冷平流影响。有时冰雹天气发生在500 hPa脊前西北气流内，对应低层850 hPa受脊后槽前暖脊控制。冷涡槽后类冰雹对应地面多受蒙古低压、冷锋、弱低压或冷高压前部影响，冰雹天气多发生在午后，发生前地面多以晴好天气为主，由于强烈的太阳辐射地面增温明显，不稳定能量累积，高空涡后冷平流触发强对流天气。

由图8可知，冷涡槽前型冰雹500 hPa欧亚大陆中高纬度地区多受宽广的冷性低值系统控制，冷空气位置偏北，在蒙古地区或河套地区有低涡存在，锦州地区位于涡底槽前；有时无低涡存在，仅受南北向低槽前部影响。冰雹发生前500、700、850 hPa三层均受涡前西南气流控制，三层低涡或低槽位置相近或垂直，有时系统前倾，850 hPa辽宁地区多受涡前暖脊控制，地面系统一般为低压前部或内部、蒙古气旋冷锋控制，若高空系统较弱，则地面多受海上高压后部均压场或鞍型场控制。此类型虽然高低空均为西南气流控制，但由于副热带高压偏南，西南急流未建立，水气条件一般。低层锦州地区受涡前暖平流影响增温增湿明显，不稳定能量累积，850 hpa位于假相当位温高值区，同时低槽前的上升运动也为强对流的发生提供了有利条件，而低涡底部短波槽滑过，或高空槽前弱冷空气向东伸展，提供了中层干冷空气入侵条件，触发不稳定能量释放，产生强对流天气。

3.3 中尺度特征

冰雹天气一般发生在有较强的风切变环境场中，对湿度条件要求较低。冷涡槽前型冰雹500 hPa弱冷空气与850 hPa暖脊交汇，850 hPa与500 hPa温度差达到26 ℃以上，大气层结不稳定，且在冰雹天气发生前后地面有中尺度切变、中尺度辐合线等生成，可触发强对流天气的发生，或强对流风暴移经此处时明显加强。冰雹落区在槽前500 hPa弱冷空气与850 hPa暖脊交汇处附近、地面辐合线附近湿区一侧（图9）。槽后型冰雹发生在槽后西北气流内，中层干冷空气下沉增温，叠加在低层湿冷空气之上，在850 hPa以下形成干暖盖，其存在可以抑制弱对流的发生，从而有利于不稳定能量的增加和储存。850 hPa与500 hPa温度差达到28 ℃以上，大气层结为条件性不稳定，当有系统性扰动出现时，可触发强对流天气。地面伴随有中尺度切变、中尺度辐合线或干线生成，冰雹落区位于辐合線或干线附近湿区一侧（图10）。

4 冰雹物理量诊断分析

冰雹的产生会对应一定的动力、热力、水气条件，详细分析冰雹发生时各个物理量特征，总结各物理量因子指标，有利于客观预报冰雹的发生。

4.1 物理量类别

选取大气温湿类：A指数、整层比湿积分（IQ）、对流温度（Tg）、总指数（TT）；层结稳定度类：沙氏指数（SI）、K指数、850 hPa与500 hPa温差、700 hPa与500 hPa温差；热动力综合类：风暴强度指数（SSI）；能量类：对流有效位能（CAPE）、抑制对流有效位能（CIN）；特殊高度厚度：零度层高度（ZH）、-20 ℃层高度（H）、0 ℃层与-20 ℃层的位势高度差及动力参数850 hPa与500 hPa风向垂直切变共15项物理量进行统计分析。

4.2 锦州冰雹过程物理量统计

由于Micaps资料和锦州站探空资料的部分缺失，最终只挑选出13次冰雹样本，将其按上述物理量类别进行统计分析，结果见表3。由表3可知，冰雹发生前期A指数90%以上>0 ℃，约70%在10～20 ℃；对流温度（Tg）均>10 ℃，约70%在20～40 ℃；整层比湿积分（IQ）在800～4 300 g/kg，约70%小于3 000 g/kg；总指数（TT）在43～60 ℃，70%以上在50～60 ℃；沙氏指数（SI）范围较大，但约70%小于等于0 ℃，45%以上小于等于-3 ℃；指数（K）约70%在28～38 ℃；850～500 hPa温差在25～35 ℃，70%以上大于28 ℃；700 hPa与500 hPa温差在14～22 ℃，70%以上大于等于16 ℃；风暴强度指数（SSI）在196～345，70%以上在250～300；对流有效位能（CAPE）范围较大，分布在0～4 100 J/kg，70%以上小于1 000 J/kg，与相关冰雹研究得出结论相差较大，可能原因是锦州冰雹多发生在12：00后，与8：00相隔时间较远，而本研究使用的为未订正CAPE，与对流发生时CAPE相差较大；抑制对流有效位能（CIN）分布在0～900 J/kg，70%以上小于300 J/kg；0 ℃层高度在1 100～ 4 400 m，70%以上在2 000～4 400 m；-20 ℃层高度在4 200～7 500 m，约70%在5 000～7 000 m；0 ℃与-20 ℃层高度差约70%在2 500～3 500 m；850 hPa与500 hPa风向切变（500 hPa风向角度减去850 hPa风向角度）在-70°～100°，约70%在-40°～40°，当值大于0°时，多为500 hPa已经转为偏西风或西北风，而850 hPa仍为西南风；当值小于0°时，多为高低空均为西南到偏南风，或高空为西南风，低空已经转为偏西风。

4.3 锦州冰雹物理量阙值

经过上述物理量统计，将约70%冰雹样本数值作为锦州发生冰雹天气的物理量阙值进行统计，结果见表4，可为冰雹预报提供参考。

5 小结与讨论

1）2006-2015年锦州冰雹日数的年际变化总体呈现减少的趋势，年平均出现2.7个冰雹日；春末夏初辽宁多为东北冷涡控制下的不稳定天气形势，大气不稳定性强，易形成局地的冰雹天气，所以冰雹出现最多的时段是在5月中旬到6月中旬；冰雹日变化十分明显，多出现在中午至傍晚，其中以12：00-13：00和16：00-17：00出现次数最多；冰雹持续时间短，80%的降雹持续时间在10 min以内；冰雹最早出现在3月底，最晚出现在11月；冰雹的局地性很强，且存在明显的地域差异，总体呈现出南部多、北部少的特征。endprint

2）锦州市冰雹过程的大尺度环流主要分为两种类型，一是冷涡槽后型，共出现14次；二是冷涡槽前型，共出现13次。

3）冷涡槽后型环流形势特点是在500 hPa图上，多在35-50°N、120-140°E这一区域内有闭合低涡存在，有冷中心或冷槽相配合，高低空均受西北气流影响。地面多受蒙古低压、冷锋、弱低压或冷高压前部影响，冰雹天气多发生在晴朗的午后，太阳辐射使地面增温明显，不稳定能量累积，高空涡后冷平流触发强对流天气；冷涡槽前型，高低空均受涡前西南气流控制，三层低涡或低槽位置相近或垂直，低层锦州地区受涡前暖平流影响增温增湿明显，同时低槽前的上升运动也为强对流的发生提供了有利条件，而低涡底部短波槽滑过，或高空槽前弱冷空气向东伸展，提供了中层干冷空气入侵条件，触发强对流天气。

4）冰雹天气一般发生在有较强的风切变环境场中，对湿度条件要求较低。冷涡槽前型冰雹落区在槽前500 hPa弱冷空气与850 hPa暖脊交汇处附近、地面辐合线附近湿区一侧。槽后型冰雹发生在槽后西北气流内，中层干冷空气下沉增温，叠加在低层湿冷空气之上，形成干暖盖，地面有中尺度切变、中尺度辐合线或干线生成，冰雹落区位于干线附近湿区一侧。

5）从动力、热力、水气条件等方面分析冰雹发生时物理量特征，确定锦州发生冰雹天气的物理量阙值。A指数在10～20 ℃；对流温度（Tg）在20～40 ℃；整层比湿积分（IQ）小于3 000 g/kg；总指数（TT）在50～60 ℃；SI小于0；K指数在28～38 ℃；850 hPa与500 hPa温差大于28 ℃；700 hPa与500 hPa温差大于16 ℃；风暴强度指数（SSI）在250～300；对流有效位能（CAPE）小于1 000 J/kg；抑制对流有效位能（CIN）小于300 J/kg；0 ℃层高度在2 000～4 400 m； -20 ℃层高度在5 000～7 000 m；0 ℃与-20 ℃层高度差在2 500～3 500 m；850 hPa与500 hPa风向切变在-40°～40°。

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