新疆石河子地区冰雹天气的预警指标初探

魏 勇，刘 辉，鲁学浩

（石河子气象局，新疆 石河子 832000）

石河子垦区南依天山山脉，北邻古尔班通古特沙漠，地处新疆天山北坡经济带的腹心位置，是全国主要优质棉生产基地，是新疆的特色果蔬、花卉基地，是新疆精准农业和节水滴灌农业的示范区，农业是石河子垦区的基础产业。由于地理条件特殊，容易形成不稳定的下垫面，产生冰雹等强对流天气，造成冰雹灾害。由于冰雹等强对流天气又具有局地性和突发性强的特点，因此归纳石河子地区冰雹天气的主要背景和物理场特征，对石河子垦区冰雹天气的预警和防雹减灾工作有着重要的意义。

本文利用新疆石河子垦区2005—2017年37 次冰雹天气的NCAR/GFS 的再分析资料、探空资料、自动站资料和石河子垦区冰雹统计资料，运用统计学、天气学和中尺度天气学，分析总结了石河子垦区冰雹天气的5 种天气背景和物理量场主要参数特征，旨在为新疆石河子垦区冰雹天气预警及防雹减灾提供科学依据。

1 新疆石河子垦区冰雹天气的背景特征

冰雹天气是中小尺度天气系统，但其发生首先要具备一定的大尺度环流背景。冰雹天气一般是在大尺度环流背景下的对流风暴中发生、发展，对流风暴为冰雹天气制造了大气层结的不稳定条件，提供了强烈的上升运动条件和充沛的水汽，触发了冰雹天气的产生。因此，研究冰雹天气发生前的天气背景特征对冰雹天气的预警有着重要的指导意义。本文通过对新疆石河子垦区2005—2017年37 次冰雹天气的NCAR/GFS 的再分析资料，对冰雹天气发生前的500 hPa 环流形势进行了分析和归纳总结，得出产生冰雹的5 种天气背景，即乌拉尔山东部低槽型、横槽型、前倾槽型、过境槽型和北高南低型。

1.1 乌拉尔山东部低槽型

图1 低槽型

乌拉尔山东部低槽型分为低槽型和低涡型，在500 hPa 环流场上表现（图1）为：前期欧洲大陆受高压脊控制，在乌拉尔山东部（45°～60°N，60°～80°E）范围内有低槽或低涡形成，随着乌拉尔山东部低槽（或低涡）不断东移南下发展；在北至西伯利亚，南至帕米尔高原的区域中形成低槽（或低涡），东南移影响新疆西北部地区，产生降水天气，形成冰雹灾害。此类冰雹天气背景，一般发生在5月中旬至7月下旬，在午后至傍晚期间，形成的冰雹灾害较重，出现的频率约占53%左右。

1.2 横槽型

图2 横槽型

横槽型在500 hPa 环流场上表现（图2）为：在欧洲东部和蒙古至新疆北部为深厚的低值系统控制，乌拉尔山附近为明显的高压脊区，脊区前部受偏北气流控制，蒙古东部至新疆西北部为一横槽（45°～60°N，70°～110°E），随着横槽的南压，在新疆西北部形成降水，产生冰雹天气。此类型冰雹天气背景，一般发生在6月上旬至8月中旬，一般在傍晚前后出现，造成的冰雹灾害较为严重，出现的频率约占12%。

1.3 前倾槽型

图3 前倾槽型

前倾槽型在500 hPa 环流场上表现（图3）为：在新疆的西北部为明显的前倾低值系统控制，前倾槽区有明显的风向切变和强的辐合，风向切变和强的辐合使上升气流随高度前倾，将低层的暖湿气流强烈抬升，增加大气的不稳定度和提供充沛的水汽供应，从而在前倾的辐合区形成降水天气，产生冰雹灾害。此类型冰雹天气背景，出现的频率占17%左右，但形成的灾害较为严重。

1.4 过境槽型

过境槽型在500 hPa 环流场上表现（图4）为西伯利亚西部至新疆北部带是较为深厚的低值系统区（45°～55°N，80°～100°E）。在700 hPa 和850 hPa 上的温度槽与500 hPa 低槽位置大致相当。在700 hPa和850 hPa 上新疆南部为暖区。降雹区位于冷锋后方，新疆西北部的锋面和降雹区前冷锋形成阶梯型，且有先兆性降水出现。此类型冰雹天气背景，出现的频率占13%左右。

图4 过境槽型

1.5 北高南低型

过境槽型在500 hPa 环流场上表现为： 前期北支锋区特别偏北，副热带高压较偏南，中亚一带多短波活动。在西西伯利亚至新疆北部国境线附近为宽广的高压脊控制，在中亚有低值系统产生，低值中心位于新疆西部边境线附近。在850 hPa 上西西伯利亚南部为暖脊控制，新疆北部为冷槽活动区，这种天气形势场上的不稳定配置，增强了新疆北部的大气不稳定性，为冰雹天气的形成提供了条件。当低值系统东移时，在新疆北部形成降水天气，产生冰雹灾害。此类型冰雹天气背景，出现的频率占8%左右。

2 新疆石河子垦区冰雹天气的物理场特征

强对流天气是在特定的大气环流背景下，符合一定的物理量场条件，从而触发强对流天气的发生。雹暴发生的基本物理条件是： 位势不稳定、触发机制、水汽、0℃层和-20℃层高度和强的风切变[1]。

2.1 大气稳定度条件分析

假相当位温θse 的垂直分布情况反映大气的对流不稳定性，通过对石河子垦区37 次冰雹天气的θse（850～500）值进行对比分析，出现θse（850～500）＞0℃，θse/Z ＜0 情况的强对流天气造成的冰雹灾害较重，且冰雹的直径大。石河子冰雹天气的θse（850～500）值的范围是：10.17℃≥θse（850～500） ≥-6.59℃，平均在0.68℃左右。

K 指数和沙氏稳定度指数（SI）是冰雹天气不稳定层结的重要指征参数之一，对石河子垦区37 次冰雹天气K 指数和沙氏稳定度指数（SI）进行统计分析得出：K 指数最小值≥18℃，沙氏稳定度指数（SI）最大值≤5.62℃，且K 指数越小，沙氏稳定度指数（SI）越大，造成的冰雹灾害相对越重。

局地大气上冷下暖的垂直层结温度条件，可使局地的大气不稳定度增加，有利于强对流天气的产生，对石河子垦区37 次冰雹天气850 hPa 和500 hPa 温度差值进行统计分析，T（850～500）在27～36℃，平均在31℃左右。

2.2 水汽条件分析

水汽是任何降水天气的基本条件，通过对石河子垦区37 次冰雹天气水汽条件进行分析得出：（1）92%以上冰雹天气都有先兆性降水出现；（2） 水汽源地主要是石河子上游的托里山区、乌苏和奎屯南部山区；（3）700 hPa 水汽通量＞40×10-1g·cm-1·hPa-1·s-1、850 hPa 水汽通量＞20×10-1g·cm-1·hPa-1·s-1，且2个高度水汽通量散度＜0 g·kg-1·s-1。

先兆性降水和上游充沛的水汽供应为局地冰雹天气提供了很好的水汽条件。

2.3 垂直风切变

垂直风切变大小是指风向风速随高度的变化情况。通过对石河子垦区37 次冰雹天气发生前期低层（850 hPa）到高层（200 hPa）垂直风切变值进行统计分析，垂直风切变值最小值为1.1 m·s-1km-1，其中17 次较强的风垂直切变冰雹天气，形成的冰雹灾害普遍较重。强的垂直风切变增加了对流天气强度和风暴维持时间，有利于冰雹天气的形成。

2.4 特征层高度分析

0℃层和-20℃层分别是冷暖云分界线高度和大水滴的自然冰化区下界，是表示雹云特征的重要参数。根据观测分析，最有利于降雹的0℃层高度在3.0～4.5 km （700～600 hPa 附近），-20℃层高度在5.5～6.9 km（500～400 hPa 附近）[2]。对37 次冰雹天气特征层高度进行统计分析，得出石河子冰雹天气的特征高度：春季为0℃层高度2 699 m，20℃层高度5 327 m； 夏季为0℃层高度3 644 m，20℃层高度6 485 m。

3 小结

（1）石河子冰雹天气背景主要有以下5 种：乌拉尔山东部低槽型、横槽型、前倾槽型、过境槽型和北高南低型。（2）石河子冰雹天气大气稳定度条件：10.17℃≥θse（850～500） ≥-6.59℃，平均在0.68℃左右；K 指数最小值≥18℃，沙氏稳定度指数（SI） 最大值≤5.62℃；T（850～500）值在27～36℃，平均在31℃左右。（3）水汽源地主要是石河子上游的托里山区、乌苏和奎屯南部山区，充沛的水汽供应为冰雹天气的产生提供了条件。（4） 低层（850 hPa）到高层（200 hPa）垂直风切变值都≥1.1 m·s-1km-1，强的垂直风切变，有利冰雹天气的发展和维持。（5）石河子冰雹天气的特征高度，春季：0℃层高度2 699 m，20℃层高度5 327 m； 夏季：0℃层高度3 644 m，20℃层高度6 485 m。