一次冰雹天气过程的潜势条件和中尺度特征分析

李晓霞，李常德，马国涛，常 臻，马 真，张婧莉

（1.平凉市气象局，甘肃 平凉744000；2.固原市气象局，宁夏 固原756000；3.新疆气象局，新疆 乌鲁木齐830002）

强对流天气一般是指伴随雷暴发生的大雹、强风、龙卷风等天气，在世界范围内都有广泛的分布。我国是世界上强对流天气频发地区之一[1]。强对流天气也是我国的主要灾害性天气之一，它的发生发展往往能给人们日常生活、农业、航空等带来巨大影响，由于尺度小、突发性强、局地性强、生命史短，这类天气不能用短期天气预报方法预报，其预报仍是业务工作中的难点。平凉市地处黄土高原，位于甘肃省东部，紧邻六盘山山系，地形复杂，天气多变，是甘肃省冰雹天气的多发地带，冰雹天气多发生于夏半年，由于特殊的山谷地形，此类天气破坏性大，危害严重，极易造成巨大的经济损失和严重的人员伤亡。

近些年来有许多气象学者通过分析中尺度特征来研究强对流天气的形成发展机制[2-8]，取得一定的研究成果。气象卫星和多普勒天气雷达资料被广泛应用到强对流天气的预报和研究中[9-12]。有相关学者重点分析了融化层高度对冰雹天气的影响[13-14]。另外，关于冰雹和对流性天气的气候特征和变化趋势等方面也有不少研究[15-20]。郑永光等[21]提出了强对流天气预报的一些基本问题。李聪等[22]探讨了新型探测资料在冰雹监测预警中的应用。近年来，围绕甘肃省陇东地区及平凉市的冰雹强对流天气一直有不断的研究，樊晓春等[23]指出冰雹是甘肃省仅次于干旱的一种灾害性天气，是预报服务工作的难点和重点。王若升等[24]指出平凉市冰雹高发区位于六盘山和关山山脉两侧的华亭、庄浪和崆峒区，主要发生在午后至傍晚时分，尤以傍晚时分发生频率最高。路亚奇等[25]对陇东地区产生冰雹天气的环流特征、物理量特征、雷达产品特征等进行统计性研究，为冰雹的潜势预报及临近预警提供参考。

2018年6月10日傍晚前后发生在甘肃省平凉市的这次冰雹天气属于典型的西北气流型。从引发平凉市冰雹天气环流形势的分布概率来看，发生在西北气流形势下的冰雹天气过程较少，而针对西北气流引发的冰雹天气的研究也很少，本文在分析环流背景的基础上，利用卫星、雷达等资料重点分析此次强天气的中尺度特征及对流触发机制等，为平凉市冰雹天气的短时临近预报、预警提供一些参考。

1 天气实况和环流背景条件

1.1 天气实况和灾情

2018年6月10日14：00—20：00，甘肃省平凉市出现伴有短时强降水和雷雨大风的强雷电、冰雹天气。主要冰雹天气出现在崆峒区、华亭市和静宁县（图1），15：10—16：00，崆峒区峡门乡和华亭市安口镇、神峪乡等多个乡镇先后出现冰雹。17：10左右，静宁县界石铺镇、李店镇、深沟乡等11个乡镇开始不断出现冰雹，最强冰雹时段集中在17：30—18：30，冰雹最大直径为1～2 cm。另外，静宁县治平乡、高界乡伴有短时强降水，最强降水出现在治平乡，1 h雨量为39.1 mm，过程雨量达51.2 mm。

图1 2018年6月10日甘肃省平凉市冰雹落区

据不完全统计，受雷雨大风和冰雹灾害影响造成静宁县部分乡镇直接经济损失5610万元，其中农业经济损失5478万元，家庭财产损失12万元，基础设施经济损失120万元。崆峒区寨河、安国、崆峒等乡镇部分村，以及华亭市安口、神峪等乡镇部分村出现冰雹，受灾相对较轻。

1.2 环流背景

引发2018年6月10日甘肃省平凉市冰雹天气过程的环流形势为典型的西北气流型（图2）。从6月10日08时500 hPa环流场可以看出东亚中高纬度为两槽一脊型，贝加尔湖附近有一冷涡，中国西北地区受西北气流控制，新疆东部及河西西部冷槽底部有分裂小槽东移南下，河西西部有温度槽配合，出现冰雹和短时强降水的甘肃省平凉市地区等温线和等高线近于平行，温度平流不明显。700 hPa甘肃省河西东部到庆阳市西部、临夏市到甘南州附近各有一切变线；10日20时，500 hPa冷涡略有东移，原来冷涡底部的小槽有所东南压，河西西部的小槽加强并移至河西东部，平凉区域高空西北风转为北风，风向与等温线交角增大，冷平流加强。再分析该时次的综合图（图2b）发现，此时700 hPa切变线位于蒙古南部—宁夏西—甘肃河东中部，平凉市中西部有明显的辐合抬升条件，另外，平凉市位于T700-500≥20℃的不稳定区域内，500 hPa位于相对湿度≤30%的干区内，表明在对流层中层有干冷空气存在，上冷下暖、上干下湿的不稳定特征明显，华亭市、崆峒区南部和静宁县南部局部地方位于ki≥28℃的不稳定区域内，静宁县及华亭市西部部分地方位于850 hPaθse≥60℃的高能量舌内，从上述物理量场可以看出，此次强冰雹发生区具备较好的不稳定条件和能量条件。

图2 6月10日20：00BT 500 hPa环流背景场（a）以及高空综合图（b）

2 强冰雹发生的潜势条件分析

2.1 触发机制

分析地面要素图发现，14时（图3a）在青海高原东部有一干冷中心，陕西省南部有一暖湿中心，两个区域之间分布着宽广的等温度和等露点密集带，同时也是干线、中尺度辐合线和对流云团的分布区。其中庆阳市北部一带对流云团发展强烈，在青海高原东侧和六盘山东侧分别伴有-5℃和-4℃的24 h负变温，间接反映中高层干冷空气较强。偏北风携带干冷空气南下与东南暖湿气流交汇，在兰州—白银—固原形成一明显的地面中尺度辐合线；17时（图3b）地面干冷中心仍位于青海省东侧，暖湿中心从陕西省南部向东伸展至与河北省、河南省三省交汇处，其间仍是干线、中尺度辐合线和对流云团的分布区。强对流云团西伸南压至宁夏省固原市一带，预示着强对流系统有南压发展趋势。在宁夏省南部和甘肃省陇东一带出现冰雹和阵性降水，六盘山和同心市附近出现12 m/s的地面大风，对应该时段强天气区的雷雨大风天气，固原市附近有2.2 hPa的3 h变压中心，同时，在白银市南部到定西市形成一地面中尺度辐合线，平凉市静宁县位于辐合线附近，具有较好的抬升触发机制。

图3 2018年6月10日14时BT（a）和17时BT（b）地面图

在冰雹研究区的北部有显著流线从干线的干区一侧吹向湿区，预示着该地区将极易发生对流性天气。可见，在此次过程中，冰雹发生区地面辐合线和干线的存在起到触发对流的作用，高层气流引导地面辐合线附近生成的对流系统，可以解释对流云团自北向南移动的实况路径。

2.2 风暴水平螺旋度

水平螺旋度正值异常增大对应大气的异常状态，对预报强对流风暴有一定的预示性[26]。由于水平风场资料较易获取，国外一般将螺旋度＞150 m2·s-2作为强对流风暴发生发展的临界值[27]。将该临界值应用到本文，发现其对此次冰雹天气过程诊断具有较好的指示意义。

图4为风暴水平螺旋度的分布，可以看出冰雹发生前14时（图4a），平凉市位于水平螺旋度的负值区，即螺旋度低值区，中心值在-160～-120 m2·s-2。随着对流风暴的强烈发展，到20：00（图4b），冰雹发生区的螺旋度异常增大，中心值达到240～280 m2·s-2，远远超过上述临界值150 m2·s-2。引发此次冰雹天气的对流风暴具有高螺旋度特征，而且其螺旋度还可从环境场中获得并在浮力效应下进一步得到增强，使得强对流风暴维持更长的生命史，可以说稳定的强对流风暴常发生在螺旋度值增大的环境场中，而雷达站上空螺旋度的增大也为移入该区域雹暴系统的进一步发展增强提供强有力的环境场。

图4 6月10日14时BT（a）和20时BT（b）风暴水平螺旋度的变化（单位：m2·s-2）

2.3 垂直风切变

在一定的热力条件下，环境风场的垂直风切变特征对雷暴的结构、形态、生命史及活动有重要影响，垂直风切变会导致风暴进一步加强和发展，高低空垂直风切变增强，有利于位势不稳定层结的建立[28]。另外，如果垂直风切变对应风向从低到高顺时针旋转，那么这种微差平流可能导致大气对流层低层和中层之间温差加大，温度递减率增大，因而条件不稳定增大。

本文应用间隔为6 h的NCEP再分析资料分别计算了6月10日地面到700 hPa和500 hPa的垂直风切变，可以看出，从08—20时（图5），冰雹发生区的对流层中、低层均维持有较强的垂直风切变。整个对流时段内，对应的垂直风切变值分别在2.0×10-3s-1、1.0×10-3s-1左右。其中，地面～500 hPa深层垂直风切变值达到并超过了甘肃省陇东地区降雹天气的阈值1.0×10-3s-1[25]。

图5 6月10日20：00 BT地面与700 hPa（a）和500 hPa（b）的垂直风切变（单位：10-3 s-1）

另外通过对比分析还可发现垂直风切变从低层到高层的增幅也较大，属于强垂直风切变，而强垂直风切变可促使低层暖湿空气不稳定能量的释放，有利于强对流系统的发生发展以及冰雹等天气的形成。

2.4 湿斜压作用

湿位涡是能够反映大气动力、热力和水汽作用的综合物理量。在p坐标系中，湿位涡守恒的表达式为：

本文利用NCEP再分析资料沿35.4°N分别作MPV1和MPV2的纬向垂直剖面，发现在此次冰雹天气发生前后，研究区内（106°～107°E）MPV1和MPV2的值均发生了较大的变化，都出现了明显增大、由正值转为负值的现象。根据上一节分析可知，冰雹天气发生时，垂直风切变明显增强，这与MPV2值的明显变大相对应。

另外，MPV1和MPV2的变化又有所不同，先分析MPV1的 分布情况，10日08时，600 hPa以上MPV1为正值。14时（图6a），过程刚刚开始，MPV1负值区开始变得深厚，绝对值增大，表明大气对流不稳定性大大增强。20时（图6b），主要强天气趋于结束，MPV1负值区明显减小，只有600～500 hPa有一弱的负值区，其他层已转为正值，说明不稳定能量已释放。再分析MPV2的分布，10日08时700 hPa以上MPV2为负值，对流层中低层为正值。14时（图6c），MPV2负值区变深厚，从近地层到对流层中高层均为负值，大气斜压性加强。20时（图6d），MPV2仍维持深厚的负值区，而且到对流层中高层其绝对值还有所加强。直到次日02时，其值才减弱，并逐渐转为正值，可见MPV2的转变要比MPV1更迟一些。

可以看出，对流不稳定、湿斜压作用和垂直风切变对此次强冰雹天气的发生发展均起了很重要的作用，而后两者的持续作用要更久。

2.5 大冰雹生成条件

0℃层和-20℃高度是否适宜是判断冰雹发生的一个重要条件。因为0℃等温线和-20℃等温线之间的区域主要由过冷水滴、冰晶、雪花组成，这个区域是冰雹生成的“雹源区”。分析图7发现，14时和20时，冰雹发生区（106°～107°E）0℃层高度均在600 hPa（4000 m）左右。这样的高度使得对流云可向更高处发展，使低层的水汽通过强烈的上升运动能够到达该高度，为雷雨、大风、冰雹及局部强降雨提供了丰富的水汽条件。且当雹粒增长到足够大而下落时，不至于因暖层过厚而被融化。-20℃层高度均维持在400 hPa（8000 m）左右。另外，14时和20时强对流发生区-20℃层和0℃层的高度差也适宜，从崆峒区20时探空资料可以看到其高度差为2745 m，表明过冷水所在的负温区厚度适宜，使得雹胚在过冷水含量丰富的环境中相互碰撞的机会较多，雹粒增长快，有利于形成大冰雹。

图6 6月10日沿35.4 °N MPV1 14时BT（a）、20时BT（b）和MPV2 14时BT（c）、20时BT（d）的纬向剖面（单位：10-6 m2·K·s-1·kg-1）

图7 6月10日14时BT（a）和20时BT（b）沿35.4°N的温度剖面（单位：℃）

3 天气雷达回波特征分析

3.1 反射率因子特征

3.1.1 反射率因子

利用固原市C波段多普勒雷达研究平凉市此次冰雹过程前后的雷达反射率因子特征，发现12时前后，在固原市西北部和南部均有回波发展，13时后，多个小范围的对流单体出现在六盘山东侧，形成西北—东南移向的强回波区，并逐渐影响平凉市崆峒区，到14：24崆峒区境内回波强度达最盛，中心强度为55 dBZ左右。15时前后多个对流单体出现在六盘山区域及其西侧，位置接近14时地面辐合线的位置。华亭市境内存在一单一对流单体，此对流单体实质上为崆峒区对流系统的不连续传播造成。根据天气实况，崆峒区和华亭市的冰雹出现在该区域对流单体强盛时段。17时前后静宁县北部开始出现强回波，最强中心达55～60 dBZ，之后强回波缓慢南压逐渐影响静宁全县。18时左右，在静宁县中部偏西地区出现钩状回波和弱回波区，钩状回波的出现，表明雷暴云已经发展得非常强盛，往往会造成冰雹等灾害性天气，这与该时段出现在静宁县的强冰雹、雷雨大风和短时强降水天气特别吻合。

因静宁县为此次冰雹过程的主要落区点和受灾区，所以着重分析了影响静宁县的组合反射率因子的演变情况（图8）。16：36已有强单体位于静宁县以北的地区（图8a），最大回波中心强度为55～60 dBZ，对流单体范围和强度均大于前期影响崆峒区和华亭市的单体。17：24开始从静宁县中东部自北向南移动（图8b），造成静宁县境内的强冰雹、雷雨等天气。到19：06回波中心强度开始减弱（图8f），基本移出静宁县，整个冰雹天气也逐渐结束。

静宁县境内的强冰雹基本出现在强回波单体附近，足以说明在此次过程中组合反射率因子对冰雹落区的预报具有很好的指示性（图8）。

图8 平凉市静宁县组合反射率因子的演变特征（单位：dBZ）

3.1.2 反射率因子剖面

对影响崆峒区的对流单体沿回波反射率大值中心西侧西北—东南向作垂直剖面，可以看到明显的回波墙、回波悬垂和弱回波区特征。且强回波大值中心及地，最大反射率因子达50 dBZ左右，回波由西北向东南向伸展；再沿反射率大值中心附近西北—东南向做垂直剖面（图9a）发现基本与前述回波特征一致，只是强回波大值中心及地特征更加明显。而回波反射率大值中心及地特征意味着强对流天气，如冰雹、强降水已经在对应区域发生。由分析可知，弱回波区位于大值中心偏西南位置，强对流单体的继续向南传播造成了华亭市一带的冰雹天气。

对静宁县的强对流单体选取其反射率大值中心偏西南位置作西北—东南向剖面，根据冰雹出现时间选取了具有代表意义的3个时间点进行分析。17：06可见明显的强反射率因子中心（图9b），高度较低，配合弱回波区和较14：42更明显的回波悬垂，此时静宁县以北固原市已有冰雹出现。18—19时治平乡附近区域出现冰雹，治平站出现39.1mm/h的短时强降水，对应三维反射率剖面上有回波及地和前伸强回波特征。

图9 6月10日14：42 BT（a）和17：06 BT（b）反射率因子垂直剖面（单位：dBZ）

通过反射率因子剖面分析还可发现，实况冰雹出现位置和强回波及地位置以及回波悬垂位置对应较好，回波悬垂位置基本位于强回波中心以西附近。

3.2 径向速度特征

4.3°仰角径向速度图上显示，17：00—18：30在静宁县东北部、中东部先后出现了中层径向辐合MARC，它的存在表明下沉气流较强。其中，18：16，MARC叠加有12 m/s左右的风暴移动速度（图10a），使得下沉气流以更快更强的速度下沉到地面，这与六盘山及其西侧静宁县境内的雷雨大风天气相对应。从6.0°仰角径向速度图上还可看到18时前后六盘山西侧及静宁县东部地区存在一定的风暴顶辐散（图10b），雷暴云的这种风场结构有利于对流系统的维持和发展。

另外，14：13前后在平凉市崆峒区南部的对流风暴中形成了中气旋，持续3个体扫，1.5°仰角（图10c）和2.4°仰角对应旋转速度分别在23.5 m/s和15.5 m/s左右，属于强中气旋和弱中气旋。14：47开始华亭市东部出现强度较弱的中气旋，持续时间略为1 h。18时左右从不同仰角上可观察到静宁县自北向南有多个强度不等的中气旋出现，其中，最强中气旋的旋转速度达23.5 m/s左右（图10d）。中气旋是强对流风暴的上升气流和后侧下沉气流紧密相连的小尺度涡旋，它的形成将预示着强烈天气（灾害性大风、冰雹、暴洪等）的出现[29]，由本次冰雹天气分析可以看出，中气旋的出现具有很好的指示意义。

3.3 垂直累积液态水含量VIL和回波顶高ET

图10 2018年6月10日固原多普勒雷达径向速度（单位：m/s）

与强回波中心对应的垂直累积液态水含量VIL（下同）大值中心也与强对流单体移动方向一致。出现短时强降水的静宁县界石铺镇、治平乡基本位于VIL大值中心的移动路径上。而出现冰雹天气的静宁县界石铺镇、李店镇、深沟乡、治平乡、新店乡、甘沟镇、红寺乡、细巷镇等地，位于VIL大值中心及其略偏西位置。另外，此次强对流天气过程中VIL值达到了陇东地区降雹前12～18 min垂直累积液态水含量＞31 kg/m2的标准[25]，最大达35 kg/m2以上。

另外，崆峒区、华亭市、静宁县的回波单体均发展旺盛，回波顶高达15 km以上，大于陇东地区回波顶高的降雹标准12 km[25]。静宁县强对流单体发展明显高于崆峒区和华亭市，对应造成的冰雹天气也是强于崆峒区和华亭市。对流单体反射率强中心高度可达8 km左右，符合产生冰雹天气的高度条件，并远远超过了陇东地区降雹时强中心高度在2 km以上的高度条件[25]。

4 结论

本文应用多种气象资料对发生在甘肃省平凉市的一次典型强冰雹天气过程进行了中尺度诊断分析，得到如下结论：

（1）此次冰雹天气过程发生在西北气流环流背景之下，上游有冷槽分裂南压，使得冰雹发生区出现冷平流加强特征。另外有700 hPa切变线、地面辐合线以及高层气流引导地面辐合线附近生成的中尺度对流系统MCS配合，形成此次强天气的主要影响系统。从研究区的物理量场来看，强对流期间，具有较强的大气不稳定层结特征和高温高湿高能量的环境场条件。

（2）冰雹发生区东西走向地面辐合线的存在利于触发对流，也可以解释对流云团自北向南移动的实况路径，配合干线为此次冰雹天气的发生发展提供了较好的触发机制。引发此次冰雹天气的对流风暴具有高螺旋度特征，而高螺旋度对强对流单体的维持有重要作用，螺旋度的异常增大和为雹暴系统的发展增强提供了强有力的环境场条件。从不同高度垂直风切变大小的变化可以看出，在冰雹过程期间，高低空垂直风切变有明显增强趋势，而较强垂直风切变可导致风暴进一步加强和发展，促使低层暖湿空气的不稳定能量释放并形成冰雹等天气。对流不稳定、湿斜压作用和垂直风切变是促使MCS发生发展的有利条件。另外，冰雹发生区0℃层和-20℃层高度以及二者之间的厚度均有利于大冰雹的形成。

（3）多普勒雷达资料显示，引发此次冰雹天气的回波单体附近，悬垂回波、弱回波区、钩状回波等特征明显。对应径向速度图有明显的中气旋、中层径向辐合及风暴顶辐散等特征配合，对此次冰雹天气有很好的指示作用。另外，此次冰雹天气过程中，回波强度、回波顶高、垂直累积液态水含量等都达到或超过陇东地区降雹前或降雹时的统计标准。