山东滨州市冰雹天气分型和预报方法研究

王培涛，王凤娇，张婷婷

（滨州市气象局，山东 滨州256600）

冰雹是滨州市多发灾害性天气之一，常对第一产业为农业的滨州市造成严重损失。据统计，仅2001—2006 年冰雹造成全市直接经济损失7.09 亿，其中2003 年6 月11 日冰雹过程造成直接经济损失1.5 亿元。黄河三角洲高效生态经济区建设以及滨州市现代农业、特色农业、生态农业建设亟需提高冰雹预报的准确率。

冰雹是由强对流系统引发的一种剧烈的天气，是产生于强对流云中固态的降水物，一般发生在暖背景下[1-2]，具有突发性、局地性强的特点，一直以来是天气预报的难点。近年来，国内外针对冰雹发生发展机制、预报方法以及分布特征和变化规律开展了大量的研究[3-8]。冰雹的时空分布特征研究是开展冰雹预报、预警业务的基础和重要前提，近年来国内专家对冰雹的时空分布和气候特征、突变等开展了一系列研究[9-11]。曹立新[12]统计分析了1998—2008 年降雹资料，揭示了阿克苏地区降雹时空分布特征和冰雹云主要活动路径，指出降雹次数呈线性增加趋势；黄武斌[13]等分析1974—2013 年甘肃省80 个气象台站降雹资料，得出降雹日数明显减少和具有3.3 a 显著周期的变化特征。李晓鹤等[14]分析甘肃省天水市1971—2010 年冰雹资料，得出冰雹日变化和年际变化明显，高海拔地区降雹较多，山区降雹次数一般多于平川地区。冰雹预报方法研究则主要是采用环流形势与物理量相结合的思路。农孟松等[15]在冰雹气候特征分析基础上，将广西省冰雹环流形势进行分型，检索出数值预报产品中有物理意义的因子，采用判别分析法和指标叠套法开展了基于环流分型的冰雹潜势预报研究。丁建芳等[16]通过天气形势分型、冰雹判别指标以及完全弹性三维冰雹云模式开展了河南省冰雹短期预报方法研究。斯琴等[17]选取敏感对流参数作为预报因子，通过权重分析建立了内蒙古地区强对流天气及落区的潜势预报方程，并确定了判别不同强对流天气的阈值。刘晓璐等[18]利用四川省宜宾探空资料，开展了基于因子组合分析方法的冰雹预报研究，用物理量资料作为预报因子，用因子组合分析方法对因子进行筛选，得到阈值和组合关系，建立了预报指标判别式。山东省针对冰雹的研究主要侧重于冰雹形成机制、环境条件以及人工防雹方面的研究[19-21]，冰雹预报方法研究主要是利用探空资料进行逐点判别和人工神经元网络方法[22-23]，但没有业务应用。滨州市冰雹天气研究主要是单个冰雹个例过程常规天气分析和雷达资料应用以及人工防雹中冰雹云的识别，没有建立冰雹天气形势场模型，物理量指标不明确，没有开展本地化冰雹预报方法的研究。

综上所述，冰雹时空分布特征分析和天气系统分型有助于掌握冰雹发生规律，但不同区域冰雹时空分布特征和影响系统有较大区别；利用环流形势和物理量指标相结合的方式可以得出适宜某地区的冰雹预报方法。因此，本文分析了滨州市降雹时空分布特征，对冰雹天气系统进行分型归类，在分析物理量特征的基础上，开展了基于物理量组合的滨州市冰雹预报方法研究，以期建立概念参考模型、提高冰雹预报准确率，从而促进滨州市乃至黄河三角洲防灾减灾和经济社会发展。

1 资料与方法

降雹实况主要选用2001—2011 年滨州市7 个国家气象观测站以及61 个人影作业站点地面实况、冰雹灾情以及人影作业记录等资料。环流形势场主要应用降雹前后500 hPa、700 hPa、850 hPa 的高度场、风场、温度场等实况资料以及500 hPa 高度场的EC 再分析资料。物理量数据采用降雹前物理量实况以及章丘（2001—2003 年为济南）站的探空资料。

运用统计学等方法，将滨州市降雹系统形势进行归纳分类，对时空分布特征、物理量特征和阈值等进行分析研究；采用单指标拟合和0、1 化方法对物理量按月分类进行单指标拟合，从而得出基于物理量阈值和组合的冰雹预报方法。

2 时空分布特征

2.1 时间分布统计

从2001—2011 滨州市降雹日数年际变化（图1）可以看出，总降雹天数为96 d，年均8.7 d，降雹日数年际分布总体呈现明显减少的趋势，其中2008—2011 年平均年降雹日数仅为5 d。

降雹月分布特征表现为，降雹均出现在4—10月，5—7 月降雹日数占78%，6 月降雹日数最多，共出现36 d（占38%），年均3.27 d，7 月次之，年均1.91 d，5 月年均1.64 d；降雹日最早为4 月7 日，最晚为10 月14 日。

将一天分为4 个时段（02—08 时、08—14 时、14—20 时、20—02 时），则降雹日分布特征表现为14—20 时最多为56 d、20 时—翌日02 时次之为25 d、08—14 时为24 d、02—08 时最少为15 d。68%的冰雹出现在14 时—翌日02 时,20%的冰雹出现在08—14 时,02—08 时降雹仅占12%；降雹持续时间比较短，大部分只有几分钟到十几分钟，也有少数过程持续时间超过1 h。

2.2 空间分布统计

规定1 个县（区）降雹为局地性降雹，2~3 个县（区）降雹为区域性降雹，4 个县（区）以上降雹为大范围降雹。局地型降雹过程占44.79%，区域性降雹过程占41.67%，大范围降雹过程占13.54%（表1）。北部沿海的沾化区降雹日数最多，达到36 d，北部沿海的无棣县和位于中部的博兴县为35 d，其它县（区）降雹日数为13～30 d，有山区的邹平降雹日数为全市第二少，仅22 d（图2）。

表1 滨州市降雹区域分布比例

3 冰雹天气形势分型

图2 滨州各县区降雹日数分布（单位：d）

地市级气象台日常业务中，预报员主要应用500 hPa 形势，配合700 hPa、850 hPa 系统进行分析，常规资料包括高度场、风场、温度场、湿度场等。降雹前12 h 的资料对于冰雹预报更具有代表性。为使研究结果更加贴合业务实际，同时具有较好的应用价值，本文应用降雹前最近的08 时或20 时高度场、风场和温度场等天气图资料对天气尺度系统特征进行分析研究，以500 hPa 环流形势为主，结合700 hPa、850 hPa 系统，将滨州市降雹天气形势和系统进行分型。

3.1 降雹形势和统计特征

对96 次降雹过程天气尺度系统特征进行普查和分析，将滨州市降雹形势归纳为5 种类型：冷涡型降雹、低槽型降雹、西北气流型降雹、横槽型降雹，以及其他小范围降雹。

各类型年际变化特征表现为，冷涡型降雹发生次数最多为49 次，仅2008 年未发生，5 次以上的年份占63.6%，2001 年最多为9 次，2007—2011 年呈现较明显减少趋势；低槽型降雹发生次数23 次，每年都有发生，其中有3 a 发生4 次，1 a 发生3 次，其它年份为1~2 次；横槽型和西北气流型降雹次数较少，分别为10 次、11 次，均有5 a 未发生，且每年均不多于3 次；其他类型的小范围降雹发生次数最少，共3 次， 分别发生在2001 年、2002 年、2004 年，2005—2011 年未发生。

各类型月变化特征表现为，冷涡型降雹发生在4—10 月，集中在6—7 月（33 次），占全年的67.3%，5 月次之，为6 次，4 月、8 月分别为4 次、3 次，9 月、10 月分别为2 次、1 次；低槽型降雹发生在4—8 月，主要集中在5—7 月（18 次），占全年的78.3%，4 月、8 月分别为2 次和3 次，其他月未发生；横槽型降雹发生在4—5 月和7—10 月，发生次数相对较少，除5 月4 次、7 月2 次外，其他月均为1 次；西北气流型均发生在5—7 月，集中在6 月（8 次），占全年的72.7%，5 月、7 月分别为2 次、1 次；其他小范围降雹均发生在8 月，共3 次。

3.2 各类降雹天气形势特征

3.2.1 冷涡型降雹

冷涡型降雹主要是500 hPa 上冷涡位于37°～45°N、105°～135°E，当滨州处于冷涡第三、第四象限的不稳定区和上升区时，产生降雹（图3a）。根据冷涡型降雹的冷涡中心分布情况和集中程度，确定了两个冷涡系统影响时降雹的关键区（图4）。当影响滨州市的冷涡中心处于关键区，尤其是第一关键区内时需特别注意冰雹的潜势预报。

3.2.2 低槽型降雹

低槽型降雹表现为，500 hPa 在35°～45°N、105°～120°E 范围内有低槽自西向东移动影响滨州（图3b）,且低层有低槽、切变或倒槽等低值系统相配合。根据高空槽的分布、高低空系统配置以及与其他系统相互作用，将低槽型降雹分为4 种：①前倾槽。前倾槽在移动过程中，高空槽后的干冷空气叠置于低层槽前的暖湿空气之上，在高空槽后发生强对流，出现降雹。②阶梯槽。当后槽赶上前槽，前槽发展加强，槽线附近发生强对流，出现降雹。③较深低槽。500、700、850 hPa 均有西风槽存在，且中低层槽后和槽前冷暖平流均比较强。④与中低纬系统共同作用的槽。当850 hPa 存在暖脊（鲁西北上空温度18 ℃以上），高空槽较深或加深时，如副热带高压强而稳定或中低层有东北—西南向切变、倒槽时，中低层转偏东风时，发生热对流天气，出现降雹。其中，前倾槽、阶梯槽型往往造成2 个县区以上范围降雹，另外两种大都是造成1～2 个县区降雹。几乎每次低槽型降雹，850 hPa 都伴随有强的暖脊。低槽型降雹大都发生在白天，午后到傍晚最多，很少出现在夜间。

3.2.3 横槽型降雹

图3 降雹典型形势（a 冷涡型；b 低槽型；c 横槽型；d 西北气流型）

图4 冷涡型降雹关键区划分

横槽型降雹表现为，影响前500 hPa 贝加尔湖附近存在高压脊（有时较弱），我国东北或俄罗斯东部存在冷涡或高空槽，脊前槽后有较强的西北或东北气流，在内蒙古东南部到华北上空存在西北气流与西或西南气流、东北气流与西北或西南气流形成的东—西向或东北—西南向横槽（常常700 hPa、850 hPa 也存在）（图3c），低层850 hPa 受暖脊控制。在西北引导气流下，横槽携较强冷空气在华北附近转竖南摆，影响暖下垫面的滨州，造成降雹。横槽型降雹范围广、破坏性大，大部分横槽降雹过程出现2 个县区以上降雹。

3.2.4 西北气流型降雹

西北气流型降雹表现为，500 hPa 上主要为两种环流形势，第一种是贝加尔湖附近有高压脊，我国东北到俄罗斯东部有槽或冷涡，脊前自蒙古到山东有强西北气流（图3d），第二种是贝加尔湖高压脊不明显，自新疆到山东为一致的西北气流，在贝加尔湖或贝加尔湖东部为低值系统，40°N、115°E 附近500 hPa 风速达16～20 m/s（当700 hPa 为西或西南风时，500 hPa 风速＞12 m/s）；700 hPa 大部分为西风或西北风(个别过程存在横槽）；850 hPa 上表现为存在稳定强暖脊、风场切变或者西南风加强，与高空西北气流和冷空气构成强垂直风切变和上冷下暖形势。低空暖脊强而稳定，降雹过后暖脊往往继续维持。高空稳定的西北气流、低空较强的暖脊和西南风致使该类型降雹存在连续性，第一天出现1 个县区降雹，第二天可能继续出现2～4 个县区降雹。西北气流型降雹主要出现在傍晚到夜间。

3.2.5 其他小范围降雹

在切变线、高压脊边缘和西南气流影响下，发生1 个县区的小范围降雹。

4 冰雹的物理量参数特征

对流物理量参数是用以指示大气是否处于不稳定状态和能否产生降雹的一个重要因子。物理量分析对于预报冰雹未来发生发展的潜势很有必要。张礼宝等利用物理量场开展了冰雹潜势预报的探索[24]，关于物理量与冰雹、暴雨等强对流天气的关系国内外专家进行了大量研究[25-27]。沙氏指数、K 指数等对于大气不稳定状态有比较好的指示作用，风暴相对螺旋度SRH 对于降雹发生区域有较强指示意义，0 ℃和-20 ℃层的高度以及两者之间的厚度某种程度上可以对产生冰雹的背景具有决定性意义。本文选取降雹前12 h 内最近时次13 种有代表性的探空物理量对大气状况和降雹背景进行统计分析，其中热力能量类4 种：温度直减率（T850-500）、K 指数（K）、总指数（TT）、对流有效位能（Cape），层结稳定度类3 种：抬升指数（LI）、850 hPa 与500 hPa 假相当位温差（θse850-500）、沙氏指数（SI），动力热力综合类3 种： 风暴强度指数（SSI）、 强天气威胁指数（SWEAT）、风暴相对螺旋度（SRH），特殊高度和厚度类3 种：0 ℃层高度（ZH）、-20 ℃层高度（ZH20）、0℃层和-20 ℃层两者间厚度（ΔH）。

4.1 物理量基本特征

统计得出了各物理量的平均值、标准差、最小值、最大值、变异系数和阈值（表2），可以看出96 次降雹过程物理量的最大值与最小值差别均较大。为研究各物理量的代表性和可用性，对衡量数据集中程度的变异系数进行统计。统计得出，热力能量类的T850-500、K 和TT 变异系数都较小，尤其是T850-500和TT 变异系数仅为0.12～0.13；Cape 比较离散，变异系数为1.27。反应层结稳定度类的LI、θse850-500和SI 变异系数均超过1.5，比较离散。动力热力综合类的SSI、SWEAT 变异系数较小，尤其是SSI 的变异系数为0.08；SRH 变异系数则较大为1.4。对于冰雹形成背景的ZH、ZH20、ΔH 3 个物理量指标都表现出了较好的稳定性，变异系数在0.12～0.22，数值集中程度较高。虽然Cape、LI、θse850-500、SI 和SRH 数据总体较离散，但5 个物理量的物理意义明确，而且上四分位数和下四分位数之差分别为954.25 J·kg-1、4.57 ℃、10.77 ℃、4.78 ℃、1.75 m2·s-2，仍具有一定的代表性，保留用于建立预报组合。

4.2 物理量分月分类特征

不同月、不同大气环流形势下影响某一区域的空气温湿特征会有较大差异。王立荣等[28]通过统计Cape、SI、K 指数等对流参数在雷暴日和强雷暴日的特征，得出不同强度对流天气、不同月物理量参数差别比较明显。在分析总结降雹分型结果和物理量基本特征的基础上，从降雹月、降雹影响程度、降雹系统3 个方面对物理量进行分析，其中降雹月分为6 月、7—8 月和其他月3 类，降雹系统分为低涡、低槽和其他3 类。

统计得出，7—8 月K、Cape、SSI、SWEAT、θse850-500、LI 数值、ZH、ZH20、ΔH 明显偏大，T850-500、SRH、SI 明显偏小；6 月物理量基本介于7—8 月和其他月之间，ΔH 明显偏小，SSI、SWEAT、SRH 与其他月接近；其他月SI、LI 明显偏大，ΔH 接近7—8 月、明显大于6月，θse850-500、ZH、ZH20明显偏小，TT 与7—8 月和6 月接近。

根据降雹影响程度统计，出现灾情时T850-500、LI数值明显偏大，SI、ZH、ZH20、ΔH 区别不大；降雹范围越 大，TT、T850-500、SRH、ΔH 越 大，Cape、SI、ZH、ZH20越小；冰雹直径越大，TT、LI、T850-500越大，θse850-500越小。

根据影响系统统计，冷涡和低槽系统影响时物理量指标总体差别不大，K、θse850-500、SRH、TT、ΔH 比其他系统影响时明显偏大，T850-500、SI 比其他系统影响时偏小，但冷涡影响时SRH、SI 比低槽影响时明显偏大，低槽影响时SRH 明显小于冷涡和其他系统影响时；不同影响系统下的Cape、SSI、LI、ZH、ZH20物理量指标差别不大。

5 预报方法的建立

5.1 物理量阈值的选取

将冰雹直径＜1 cm 且无灾情的物理量异常值剔除后，对应物理量变异系数和离散程度明显变小。从是否成灾、降雹范围和冰雹直径3 个方面，利用箱线图对不同月物理量分别进行分析，根据第一四分位数得出该物理量的阈值（表2），SI、LI≤阈值、其他物理量≥阈值时降雹。其中，降雹范围分为局地性、区域性和大范围降雹3 类，冰雹直径大小分为2 cm 以下和2 cm 以上两类。

5.2 物理量指标选取和预报方法的建立

应用三大类物理量指标，采用单指标拟合方法分月挑选冰雹预报指标。对各个物理量指标，根据不同阈值采用0、1 化方法进行处理，即当物理量SI、LI值≤阈值时取为1，否则取为0；其他物理量≥阈值时取为1，否则为0。依次将一类物理量指标中单个物理量逐个与其它两类中的单个物理量叠加拟合，组合方式共有36 种，当某种组合拟合值≥2 时，可预报冰雹。

从代表降雹影响程度的冰雹灾情、降雹范围和冰雹直径3 个方面分别确定不同月的物理量指标组合。将灾情严重、降雹范围广、冰雹直径大的降雹过程拟合作为高级别拟合。拟合时以高级别拟合率为主，兼顾整体拟合率，同时考虑尽量选取相同的物理量。比较组合拟合率得出，7—8 月拟合效果最好，30例冰雹过程中，3 个方面都是只有一种组合；T850-500、SRH 和LI，拟合结果仅1 例未入选；6 月拟合结果也较好，36 例冰雹过程中，对于冰雹灾情和冰雹直径，各有两种组合仅3 例未入选，对于降雹范围2 种组合分别有3 例、4 例未入选；其它月的拟合效果相对较差，选取冰雹灾情和降雹范围各1 种组合，冰雹直径的组合3 种。

表2 物理量指标统计结果

利用2012 年4 月到10 月每天08 时和20 时的资料，对所选的组合进行逐日检验，将预报效果较差组合剔除后，得到修正的分月冰雹预报物理量指标组合（表3）。6 月有3 种组合，7—8 月有1 种组合，其他月有3 种组合。当7—8 月对应物理量符合组合条件，6 月和其他月对应物理量符合其中2 个组合条件时，即可预报未来24 h 内冰雹概率较大。

表3 分月冰雹预报物理量指标组合

濮文耀等[29]指出，地面冰雹半径与0 ℃层高度和0 ℃层冰雹的半径相关，热融化的作用随着0 ℃层高度产生比较大的变化。俞小鼎[30]得出，冰雹融化层到地面的高度是冰雹尤其是强冰雹预报的重要参数之一。苏永玲等[31]指出冰雹都发生在0 ℃层和-20 ℃层高度适宜的情况下。0 ℃层太高或太低都不利于产生冰雹，本文将0 ℃层高度作为预报冰雹的必要条件，0 ℃层高度低于1370 m、高于5331 m 时不考虑降雹。

结合2015—2017 年23 次冰雹过程检验得出，冰雹潜势预报准确率达82.6%，对于非小雹粒和软雹的潜势预报准确率达100%，6—9 月剔除掉夜间对流能量释放造成探空物理量代表性不强的过程，仅1 次漏报，且为软雹，冰雹潜势预报准确率达95%。该方法对于滨州市冰雹潜势预报具有较强的指示意义和应用价值。

6 结论

本文对2001—2011 年滨州的降雹时空分布特征、天气系统和物理量特征进行统计分析，将降雹形势进行了分型，并结合物理量组合得出了可用的冰雹预报方法。主要结论如下：

（1）降雹日数总体呈现明显下降的年际变化特征，月分布特征和日变化特征较明显。降雹出现在4—10 月，6—7 月降雹最多，5 月次之；一天当中，冰雹集中出现在14 时—次日02 时，降雹持续时间短，一般只有几分钟到十几分钟，也有少数持续时间超过1 h。降雹具有一定的地理分布特征，北部沿海地区相对较多。

（2）滨州市降雹形势分为5 种类型：冷涡型降雹、低槽型降雹、横槽型降雹、西北气流型降雹、其他小范围降雹。冷涡型降雹可划分2 个关键区，当影响冷涡中心位于关键区内时需特别注意冰雹的潜势预报。低槽型降雹可分为4 种：前倾槽、阶梯槽、较深低槽、与中低纬系统共同作用的槽。横槽型降雹是在西北引导气流下携较强冷空气转竖南摆，影响暖下垫面造成降雹，降雹范围广、破坏性大。西北气流型降雹在500 hPa 主要有两种环流形势，存在强垂直风切变和上冷下暖高低空配置，大都出现在傍晚到夜间；西北气流型降雹相对较少，存在连续性。切变线、高压脊边缘和西南气流影响下会产生一个县区的局地降雹。

（3）4 类13 种物理量具有不同分布特征和变异系数，均具有较好的代表性。不同月、不同降雹影响程度和影响系统，物理量具有较明显差别。7—8 月K、Cape、SSI、θse850-500、SWEAT、LI 数值、ZH、ZH20、ΔH明显偏大，T850-500、SRH、SI 明显偏小；6 月基本介于7—8 月和其他月之间，ΔH 明显偏小，SSI、SWEAT、SRH 与其他月接近；其他月SI、LI 明显偏大，ΔH 接近7—8 月，明显＞6 月，θse850-500、ZH、ZH20明显偏小，TT 与7—8 月和6 月接近。TT、LI、T850-500、ΔH 越大，SI、ZH、ZH20越小，则降雹直径和降雹范围越大、易发生灾情。冷涡和低槽系统影响时差别不大，K、SRH、TT、θse850-500、ΔH 比其他系统影响时明显偏大，T850-500、SI 比其他系统影响时偏小；不同影响系统下的Cape、SSI、LI、ZH、ZH20差别不大。

（4）结合物理量特征和阈值，采用单指标拟合和0、1 化方法得到了分月的基于物理量组合的冰雹预报方法。6 月、7—8 月和其它月分别有3 种、1 种、3 种物理量指标组合可用于预报冰雹。6 月和其它月有2 个物理量指标组合符合条件、7—8 月物理量指标组合符合条件时，即可预报冰雹概率较大。经检验，该方法对于滨州市冰雹潜势预报具有较强的指示意义和应用价值。