渤海湾北部地区冰雹天气分型及预报方法研究

袁 潮 ，杨文艳 ，易希延 ，于增华 ，沈越婷

（1.盘锦市气象局，辽宁 盘锦124010；2.成都信息工程大学，四川 成都610225；3.辽宁省气象灾害监测预警中心，辽宁 沈阳110166；4.北京市怀柔区气象局，北京101400）

冰雹天气具有时间尺度小、生命史短、突发性强等特点，是最严重的自然灾害之一。渤海湾北部地区主要包括锦州、盘锦、营口和鞍山等市（图1中红色椭圆所框大致区域），地处辽河平原下游，是环渤海经济区重要组成部分，也是辽宁省冰雹灾害的重点防御区[1]。

图1 渤海湾北部及周边地区地形

冰雹天气潜势预报起初采用以建立天气学概念模型为主要手段的流型辨别法[2]，各地气象工作者对此做了大量研究工作[3-5]，李红斌等[6]统计分析大连地区冰雹天气分布特征和气候规律，从天气形势场、不稳定能量和卫星云图3个方面入手建立冰雹天气预警概念模型。蓝渝等[7]结合卫星资料分析云系的云型特征，将华北地区冰雹天气分为冷涡云系尾部型、低涡槽前型和偏北气流控制型3种类型，并指出大的亮温梯度值是辅助判断冰雹能否发生的重要参量。

随着探测手段的发展和探空资料的完善，对流参数在冰雹潜势预报中得到了很好的应用，基于构成要素的预报方法（俗称配料法）[8-9]在业务应用中日趋成熟。刘玉玲[10]通过对探空资料的统计分析，将CAPE、粗理查森数、螺旋度等对流参数引入冰雹等对流天气的潜势预报中，取得了较好的效果。雷蕾[11]等对18种物理参量及其时间变量进行统计分析，结果表明0℃层高度、-20℃层高度、逆温层高度、500 hPa和850 hPa温差、大气整层可降水量及其临近6 h的变化都对冰雹天气发生有着较好的指示意义。苏爱芳等[12]对豫北地区一次局地雹暴天气进行诊断分析，指出高空“上干下湿”的层结结构、适宜的0℃层高度和-20℃层高度、高低层温度差动平流对局地强对流潜势预报有一定指示意义。樊李苗等[13]对比分析了全国范围内强对流天气的环境参数的不同特征，利用T-LogP图直观地对强对流天气进行区分。吴迎旭[14]等分析在非典型性天气系统下黑龙江地区冰雹天气环境参数特征，发现地形条件及地面局地气压变化是影响冰雹天气的关键因子。

基于流型辨别法或“配料法”的冰雹天气潜势预报在业务中已得到较好的应用，但传统的天气学分型方式难以全面反映不同类型冰雹天气形成机制的本质差异，且与“配料法”结合度不够，不同天气背景、不同地域下对流参数的差异性往往被忽视。建立以季节、区域和天气型分类为基础的冰雹预报方法是业务上亟待解决的问题[15]。本文以天气系统配置所导致的对流条件差异性为着眼点，建立渤海湾北部地区冰雹天气的概念模型，进而对比分析不同冰雹天气类型下对流条件及环境参数的差异，选取合适的预报因子，运用指标叠套法进行冰雹潜势预报研究，以期提高本地区冰雹预报准确率。

图2 干冷强迫型冰雹天气形势概念模型

1 资料和方法

选取渤海湾北部地区2000—2016年共32次冰雹天气的常规观测资料和区域自动站资料，分析形势场的综合配置和冰雹产生的热力和动力机制，构建冰雹天气大气垂直结构，从而建立冰雹天气学概念模型。一是以冷涡后部西北气流为主导的高空干冷气流强迫型（简称“干冷强迫型”），占冰雹个例的57%；二是以低涡或西风槽前部低层冷暖气流交汇为主导的斜压锋生型（简称“锋生型”），占冰雹个例的43%。

遵循邻近与临近的探空资料选取标准[16]，时间上选择冰雹发生前最近时次，探空站选取最接近冰雹发生地探空站（或其上游探空）。剔除距离探空站较远的冰雹个例，对余下23次冰雹天气环境参数进行对比分析。统计筛选出合适的环境参数作为预报因子，运用指标叠套法确定不同天气形势下冰雹出现概率，从而建立流型识别与“配料法”相融合的冰雹天气短期潜势预报方法。

2 两类冰雹天气对比分析

2.1 环流背景及天气形势配置

干冷强迫型是对流层的中高层干冷空气为主要触发机制的一类冰雹天气（图2），其天气尺度环流主要有两种典型表现形式，一种是东北冷涡主体在35°～50°N、120°～140°E 区域内（图 2a），温度场有冷中心与之相配合，冷涡的后部通常有次天气尺度短波槽，有时温度平流不明显，而是表现为干平流。渤海湾北部地区处于低涡的西南部，低层通常有暖中心或暖脊相配合，地面多为热低压或均压场控制；另一种是高空西北冷平流强迫型（图2b），多出现在10—11月，200 hPa渤海湾北部地区处于高空急流出口区左侧，500 hPa贝加尔湖以北存在冷涡，内蒙东部至渤海湾地区受偏西北气流控制，温度场存在冷槽和强冷平流，850 hPa风场辽西地区存在南北向的切变线，其东侧有西南急流向渤海湾北部地区输送水汽和能量，地面常有低压倒槽向东北方向移动。中高层干冷平流加强了大气热力不稳定层结，同时高空急流形成强垂直风切变，产生强动力不稳定[17]，热力和动力不稳定共同作用是触发干冷强迫型冰雹的物理机制。

高空槽前斜压锋生导致地面气旋强烈发展是锋生型冰雹的形成机制（图3）。500 hPa内蒙古东部有低槽东移，温度槽落后于高度槽，正热成风涡度平流使低槽加深发展，有时闭合为低涡。200 hPa位于高空急流分流区，有辐散场与之配合。低层700、850 hPa同样存在低槽，不同高度槽线位置几乎垂直，槽前西南暖湿气流。地面锋面气旋发展，冰雹天气出现在冷锋附近。锋面辐合抬升形成的动力强迫是这类冰雹天气发生的重要条件。

图3 锋生型冰雹天气形势概念模型

2.2 对流条件对比

Doswell[18]总结出深厚对流系统发生发展的3个主要因素，但不同天气背景下，三者对冰雹发生的贡献有所差异。

2.2.1 水汽条件

干冷强迫型冰雹主要表现为湿层相对浅薄。探空分析近地面至850 hPa通常会出现T-Td≤2℃的显著湿区，对流层中层湿度条件迅速转差，温度廓线和露点廓线呈现“喇叭口”型，有时甚至只在近地面某一浅薄层出现湿度大值区，到近地面湿度又明显下降，大气整层可降水量通常不超过35 mm。

锋生型冰雹的低层湿度条件较好，西南风风速多超过12 m/s，大气整层可降水量35 mm以上，地面露点温度≥12℃。该类型冰雹通常发生在地面冷锋附近的线状对流中，伴有强降水、对流性大风天气。

两种类型的冰雹天气发生时对流层中层存在明显的干层，中层干空气有利于强风暴的维持和增强[19]。

2.2.2 层结条件

干冷强迫型冰雹中高层冷温度槽叠加于低层暖温度脊之上，大气垂直温度直减率大，为冰雹产生提供了有利的环境背景。锋生型冰雹低层700 hPa或850 hPa有较强的西南暖湿气流，500 hPa对应槽前通常为弱暖平流，有时中层强西风急流可使槽后干冷空气扩散到槽前而形成弱冷平流。该类型冰雹中低层温度直减率略低于干冷强迫型，探空图表现为更加明显的“上干下湿”的结构特征。

统计发现，83%的冰雹个例前期存在逆温，多由于对流层中层干空气绝热下沉增温，在低层形成“干暖盖”。逆温层通常有阻碍对流发展的作用，而对于冰雹天气，逆温层阻止热量和水汽的垂直交换，大气湍流运动减弱，有利于不稳定能量的积累，当低层存在较强的抬升作用，逆温条件被破坏，不稳定能量迅速释放，触发强雹暴。

2.2.3 动力条件

干冷强迫型冰雹发生前，上游地区500 hPa冷涡后部通常有横槽转竖，或表现为短波槽沿低涡底部快速东移，同时中低层有切变线存在，冰雹天气一般发生在切变线附近暖区一侧。地面图为热低压或均压场控制，本地处于露点温度大值区，上游地区存在露点锋（干线）。图4为2015年7月29日一次冰雹天气的地面风场，对流风暴沿地面辐合线发展，并向高温高湿区移动，冰雹出现在地面β-中尺度低压中心偏南一侧。

图4 2015年 7月 29日 02时（BT，下同）盘锦市区域自动站地面风场

锋生型冰雹天气形势表现为整层系统接近垂直有时甚至前倾，温度槽脊的经向度较大，且落后于高度槽脊，高空冷暖平流强，大气斜压性强。高空槽前正涡度平流使地面低压系统强烈发展。850 hPa存在闭合低涡，风场上存在“人”字形切变，锋面动力强迫是此类冰雹的主要触发机制。此外，200 hPa高空急流分流区存在较强的高空辐散，抽吸和通风作用使雹暴得以发展和维持。

2.3 差异性分析

2.3.1 环流背景

东北地区地形以及海陆分布形成独特的地理条件，同时高空两支锋区季节性南北摆动，切断低压易在东北地区维持（称之为东北冷涡）。东北冷涡发展期东南部区域、成熟期冷涡中心以及衰减期西南部区域均为冰雹天气易发区，统计发现本地半数以上降雹与东北冷涡有关，远多于我国其他地区，这与唐晓玲等[20]研究结果一致。我国西北、华北及中东部降雹亦受东北冷涡影响，不同在于西北地区更关注500hPa冷涡后部东北—西南向高压脊，脊前冷空气下滑所产生的冷平流强迫是该地区降雹的主要机制[21]；我国中东部地区冰雹多发生在东北冷涡外围的西南部区域，常伴随冷涡后部横槽下摆和低空西南暖湿气流输送。华南地区冰雹多发生于高原槽或南支槽前[4-5]，暖区型降雹以低层暖湿气流为主导，强暖平流造成静力不稳定使冰雹发生在暖输送带辐合区中，这种冰雹型在本地区并不多见。

2.3.2 环境参数

冰雹环境参数体现出一定的地域差异性。对比水汽条件，我国西北内陆地区冰雹天气湿度条件最差，偏南风风速一般较小，水汽主要集中在近地面层且湿层浅薄[21]；中东部地区水汽条件好，低层通常有偏南急流且湿层相对深厚[17，22]；渤海湾北部地区冰雹天气的湿度条件介于两者之间。

西北地区受下垫面影响，午后太阳辐射增温更加明显，低层甚至形成超绝热层，加之海拔高度高，层结最不稳定，渤海湾北部地区由于直接受到高空冷中心控制，且午后近地面加热作用强烈，同样表现出较强的不稳定层结，而中东部地区相比之下不稳定层结最弱。

3 冰雹天气潜势预报方法研究

3.1 物理量选取和说明

根据上述对不同类型冰雹天气发生物理机制的分析，从探空资料中选取16个物理量。按天气学意义划分，表示大气温湿类物理量包括：A指数、整层比湿积分（IQ）、对流温度（Tg）、总指数（TT）、400～600 hPa 温度露点差的最大值（Max（T-Td）h）、1000～850 hPa 温度露点差的最小值（Min（T-Td）l）。 层结稳定度类物理量包括：沙氏指数（SI）、K指数、850 hPa与 500 hPa温差（ΔT850-500）、逆温层高度（IZH）。 大气能量类物理量包括：对流有效位能（CAPE）、对流抑制（CIN）。大气动力稳定度的物理量：地面到500 hPa环境大气深层垂直风切变（SHRL1000-500）。特征层高度包括：干球0℃层高度（DBZ）、湿球0℃层高度（WBZ）、-20℃层高度（-20H）。两类冰雹天气下各物理量平均值（Ave）及标准差见表1。

表1 两类冰雹天气环境参数平均值及标准差

3.2 预报指标的确定

分析表1可知，两类冰雹天气环境参数存在一定的差异性，主要表现为干冷强迫型层结不稳定度和垂直风切变强于锋生型，水汽和能量条件弱于锋生型，同时特征层高度也低于锋生型。

3.2.1 环境参数筛选

通常情况下，对流天气发生时的抬升指数SI≤0，其值越小则代表强对流发生的可能性越大，而本研究中SI平均值为正值，原因为相当一部分个例中冰雹发生前850 hPa以上存在逆温层，使得SI失去指示意义；K指数受700 hPa温度露点差影响较大，本地区冰雹天气对700 hPa水汽要求不高，同样不能作为预报指标。

冰雹等强对流天气发生时通常需要较大的CAPE，但本文应用实况探空所统计冰雹天气多数个例的对流有效位能较小，有时甚至为0，且CAPE的标准差较大。由于冰雹天气多发生于午后和傍晚，08时探空与冰雹发生前相差较大，且CAPE对抬升气团的温湿状况敏感[23]。

3.2.2 特征层高度

0℃层是云中水分冻结高度的下限，而-20℃是大水滴自然成冰的温度，并且0℃层、-20℃层两层高度差越小，表示大气层结越不稳定[24]。统计发现（图5），本地区冰雹天气干球温度0℃层（DBZ）在3.2 km附近，-20℃层高度在6 km附近，低于一般意义上冰雹的特征层高度，这可能与统计个例多发生于冷季（非6—8月）有关。有研究指出[25]，湿球温度0℃层（WBZ）更接近冰雹的融化层高度。渤海湾北部地区冰雹天气WBZ在2.5 km附近，离散度较DBZ小，可作为本地区冰雹天气预报因子。图6为一次冰雹天气的探空图。DBZ位于4.4 km附近，根据本地的预报经验，0℃高度过高不利于冰雹降落到地面，但由于中层存在明显的干层，WBZ下降至3 km附近，冰雹融化层高度显著降低。

综上，基于各环境参数平均值、标准差以及所表征的物理意义，剔除离散度较大环境参数，同时结合辽宁省强对流预报员手册，筛选出层结稳定度参数（ΔT850-500、Max（T-Td）h、Min（T-Td）l、IZH）、动力稳定度参数SHRL1000-500及特征层高度WBZ，共6个环境参量作为渤海湾北部地区冰雹天气预报因子（表2）。

图5 冰雹天气特征层高度

图6 2017年7月10日08时锦州站探空

表2 两类冰雹天气预报因子统计分布特征

3.3 冰雹预报流程及方法

在天气学分型的基础上，采用指标叠套法[26]进行冰雹天气潜势预报，利用专家打分设定每个因子权重，ΔT850-500、SHRL1000-500、Max（T-Td）h及 Min（T-Td）l以50百分位以上作为100%权重，25百分位到50百分位作为50%权重，WBZ和IZH以25百分位到75百分位作为100%权重，最小值到25百分位、75百分位到最大值作为50%权重（表3）。将6个预报因子的权重相加，累加值的范围为0～100，越大代表出现冰雹的概率越高。当累加值≥75，则预报当天有冰雹天气发生。

3.4 预报检验

对2017、2018年5—11月进行逐日检验，预报站点半径30 km作为检验范围，以雷达、气象信息员和网络相关信息作为实况辅助手段，得到以下结果：预报出21次冰雹天气，包含全部7次实际发生的冰雹天气，预报结果无漏报，TS评分为0.12，高于国家级强对流天气24 h主观预报[27]。统计发现，空报多发生于7—8月，可能与该时段冰雹统计资料过少有关。

表3 两类冰雹天气预报因子阈值及权重

4 结论与讨论

通过对渤海湾北部地区冰雹天气形势配置讨论分析，从冰雹天气发生的3个基本条件的表现形式和相对重要性角度对冰雹天气进行天气学分型，对比分析不同冰雹类型的环境参数特征，利用指标叠套法进行冰雹天气的潜势预报，得到以下主要结论：

（1）干冷强迫型冰雹产生机制为对流层中高层干冷平流强迫，主要触发机制为中尺度低压或地面辐合线。锋生型冰雹天气多发生于锋面气旋的冷锋附近，锋前暖区内低空西南急流提供高温高湿环境，配合中层干冷空气入侵，形成“上干下湿”的对流性不稳定层结。干冷强迫型较锋生型主要表现为更强的静力不稳定层结，更大的风向垂直切变，相对较低的低层湿度和0℃层、-20℃层高度。

（2）渤海湾北部地区降雹多发生于东北冷涡天气背景之下，湿度条件高于西北地区、低于中东部地区，层结不稳定度高于中东部地区、低于西北地区。

（3）对冰雹天气环境参数进行统计分析发现：逆温层的存在，使得SI在冰雹天气中失去指示意义，K指数受700 hPa温度露点差影响较大，CAPE受抬升点及冰雹发生前近地面温湿条件变化的影响，无法直接将08时探空中的上述常用对流指数用于冰雹预报。

（4）WBZ高度在2.6 km附近，比DBZ更好地表征渤海湾北部地区冰雹天气的融化层高度。相比其他地区冰雹融化层高度较低，这可能与统计个例多发生于冷季有关。

（5）ΔT850-500、WBZ、Max（T-Td）h、Min（T-Td）l、IZH及SHRL1000-500对冰雹天气发生有着较好的指示意义。利用上述环境参数作为预报因子，采用指标叠套法进行冰雹潜势预报，对2017、2018年5—11月进行逐日检验，实际发生7次冰雹天气全部报出，TS评分高于国家级强对流天气24 h主观预报。