贵州省中西部一次冰雹天气过程的涡度收支分析

罗 雄，罗喜平，曾 勇,2，黄 钰,2，崔 蕾

(1.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；2.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州 贵阳 550081)

0 引言

冰雹是贵州省春夏季主要的灾害性天气之一，尤其是在3—5月，是冰雹天气主要的发生时间，约占全年的61.8%[1]。贵州省地处云贵高原，由于特殊的地形特征和亚热带季风气候等因素，冰雹天气具有生成发展快、降雹频次高、影响范围广、局部灾害重、防范难度大的特点[2]。近年来，随着理论知识的完善以及探测和数值模拟等技术的提高，在冰雹天气的形成和发展机制方面取得很多研究成果。Dessens[3]研究表明，冰雹多发生在低层暖湿、垂直风切变强、具有较大不稳定能量的背景环境中，并且强对流天气系统触发释放的不稳定能量对于强冰雹天气的发生是十分有利的。700 hPa切变线的发展东移，配合地面辐合线，往往会形成有利于强对流云发展的天气背景[4]。蒋瑛等[5]认为再生冰雹云发展的动力条件是在降雹区两侧形成较强的辐合上升运动。虽然对于冰雹的预报具有较大难度，但是结合雷达资料和卫星云图，做出较准确的短时预报是可能的[6]。

本文针对2018年3月13日贵州省中西部地区出现的一次大范围降雹天气过程，分析其TBB演变特征和环境场特征，并结合涡度收支方程来分析冰雹云发生时涡度收支的变化情况。

1 资料

本文所用资料包括：①常规气象观测资料；②NCEP-FNL分析资料(时、空分辨率分别为6 h和1°×1°)；③FY-2F气象卫星反演的黑体亮温资料(TBB，时、空分辨率分别为1 h和0.1°×0.1°)。

2 冰雹天气概况

2018年3月13日08时—3月14日08时(北京时，下同)，受500 hPa南支槽和高空槽、中低层切变线、中低空急流以及地面辐合线的影响，贵州省中西部出现大范围冰雹天气，此次过程持续时间长，影响范围广。根据贵州省气象观测站记录，降雹发生的起止时刻分别为3月13日13时41分和3月14日00时33分，主要降雹时段在3月13日17—20时。受此次过程影响，贵州省毕节市、六盘水市、黔西南州、黔南州、贵阳市、安顺市6个市州的21个县46个乡镇观测到冰雹，其中降雹直径D<5 mm的有14个站点，5 mm≤D<20 mm的有47个站点，最大降雹直径为16 mm(图1)。

3 云顶亮温

利用气象卫星反演的高时空分辨率的TBB资料，不仅能够观测到中尺度云系的分布[7]，还可以直接展现中小尺度对流发展的旺盛程度，推断云团发展的强度及所在阶段[6]。3月13日14时以前贵州省大部基本为晴空区(图略)，14时(图2a)开始在毕节地区有对流云团A生成并向东移动发展，云团中心TBB大约为-24 ℃；15时(图2b)A云团发展增强，TBB值降低为-42 ℃，受此云团影响，大方县、水城县、纳雍县等地降雹，与此同时在黔西南州西部有新的对流云团B生成；16时(图2c)云团A继续发展东移，云团强中心TBB为-46 ℃，16时01分—16时50分赫章县、大方县、织金县先后降雹，云团B也进一步发展；17—20时(图2d～2g)云团A发展为东—西向的带状云团，其长轴约为400 km，云团B中心TBB降低至-46 ℃，贵州省中西部被大片对流云团所覆盖，19时(图2f)A、B两个云团连接、合并，且存在两个强中心，其中心最强TBB值于达到-53 ℃，受A、B两个对流云团影响，17—20时贵州省共计有45点降雹；21时(图2h)云团中心移至26°N、107°E附近，虽然中心范围有所减小，但是其中心值为-51 ℃，受此云团影响21时06分—21时54分惠水县和平塘县仍依次出现降雹；22时(图2i)云团主体中心分裂减弱东移，并于次日移出贵州省境内(图略)。

综上所述，TBB的变化特征能够很好地反映出此次冰雹天气过程的云团演变特征。此次过程降雹发生的主要时段是在云团的生成到发展期，在云团发展初期，降雹时对应的TBB值约为-42 ℃，而在降雹主要时段TBB中心值在约为-46～-53 ℃之间。

4 降雹的物理条件分析

4.1 0 ℃层和-20 ℃层高度

0 ℃层和-20 ℃层高度是表征冰雹云特征的重要参数，其分别代表云中冷暖云分界线高度和大水滴的自然冰化区下界[8]。从表1可知，3月13日08时和20时，贵阳站和威宁站的0 ℃层高度维持在3 500～3 800 m上下，-20 ℃层高度基本维持在6 500 m左右，这样的高度可以使对流云在往高处发展的过程中雹粒不会因暖层过厚而被消融；此外，由表1可知3月18日08时，贵阳站和威宁站0 ℃层和-20 ℃层厚度分别为2 888 m和2 943 m，均在3 000 m以下，表明在垂直方向上大气存在强的温度梯度，并且存在不稳定层结，这样的环境温度条件对于冰雹的产生是有利的。

表1 贵阳和威宁探空站0 ℃和-20 ℃高度参数(单位：m)

4.2 不稳定条件

4.2.1 热力不稳定 温度平流可以使大气层结变得不稳定，产生垂直上升运动[9]。图3是3月13日14时沿106°E温度平流的经向剖面图，由图可知，在降雹区(25～27°N)由低层至高层依次分布着暖平流、冷平流和暖平流，其中700 hPa以下为暖平流，中心值为10×10-5K·s-1，700～550 hPa存在一个-5×10-5K·s-1冷平流中心，高层550～200 hPa主要为暖平流，300 hPa中心值可达30×10-5K·s-1。这样的分布使得低层的暖平流造成大气升温使层结趋于不稳定，有利于暖空气产生上升运动，而在中层冷平流使大气降温，形成强烈的热力不稳定，有利于触发对流天气，为冰雹的发生、发展创造了有利条件。

图3 3月13日14时沿106°E温度平流的经向—高度剖面(单位：×10-5K·s-1)

4.2.2 动力不稳定 强垂直风切变对于风暴强度的维持和发展具有重要作用，并且在强对流天气的预报中常把垂直风切变作为判断环境场动力不稳定的因子[8，10]。图4给出了降雹区中心点风场在垂直方向上随时间的变化，由图可知，3月13日08时，对流层中低层风速随高度明显增强，500～850 hPa风速差为7.76 m·s-1，并且从850～500 hPa风向随高度顺转，说明中低层有暖平流。14时，500 hPa和850 hPa的风速差增强为13.22 m·s-1，此时对流云团开始生成并发展，20时以后中低层的垂直风切变开始减弱。由于此次过程降雹主要集中在17—20时，说明中低层的垂直风切变在一定程度上为此次冰雹天气的发生提供了动力不稳定条件。

图4 3月13日沿(26°N，106°E)风速风向的时间—高度剖面(单位：m·s-1)

5 涡度收支分析

涡度收支方程具有显著的动力学特征，其可以描述流体在运动过程中的涡度、散度变化情况，被广泛应用于天气学理论研究中[11]。本文采用不考虑摩擦耗散项的涡度方程[12]：

(1)

(2)

(3)

水平辐合辐散项C=-(f+ζ)▽·V

(4)

(5)

其中p为等压面气压，β=∂f/∂y，f为科氏参数。本文通过计算降雹区(25～27°N，104～107°E)涡度方程各分量来分析冰雹云发生过程中涡度收支的变化。

图5为3月13日14时降雹区涡度收支及其各分量区域平均的垂直分布，由图可知，涡度的局地变化项在850～650 hPa为正值，600～300 hPa为负值，表明中低层局地涡度增加，辐合加强，有利于垂直上升运动的加强，其中涡度的水平辐合辐散项(C)在650 hPa以下为主要贡献因子，表明低层涡度的辐合有利于局地涡度的增加，使辐合增强；在低层扭转项(D)为负值，在中高层(700～400 hPa)扭转项为正值，表明扭转作用使低层的局地涡度减小，中高层局地涡度增大。此外，涡度的垂直输送项(B)在整层基本为负值，对涡度局地变化起着负贡献，表明随着上升运动的发展，垂直输送将低层的涡度向高层输送，使得低层局地涡度减小；在中高层虽然涡度的水平辐合辐散项(C)为主要负贡献项，但是较强的正涡度的水平输送使得涡度收支依然为正值。从涡度方程各收支项垂直分布变化情况可见，涡度平流和水平辐合辐散是此次冰雹发生的主要动力条件。

图5 3月13日14时降雹区(25～27°N，104～107°E)涡度收支(E)及其各分量区域平均的垂直分布(单位：×10-9s-2)

6 结论

①TBB的变化特征能够很好地反映出此次冰雹天气过程的云团演变特征。此次过程降雹发生的主要时段是在云团的生成到发展期，在云团发展初期，降雹时对应的TBB值约为-42 ℃，而在降雹主要时段TBB中心值在约为-46～-53 ℃之间。

②适宜的温度环境条件有利于冰雹的发展；低层暖、中层冷、高层暖的温度平流分布，以及中低层的垂直风切变为此次冰雹天气的发生、发展创造了热力和动力不稳定条件。

③涡度方程各项收支表明，影响涡度的局地变化的主要因子是涡度平流和水平辐合辐散项，但是二者的作用相反；在冰雹云发展初期，局地涡度中低层为正，高层为负，说明中低层辐合加强，有利于垂直上升运动的加强。