黑龙江省冰雹的物理量指标研究

高倩楠 ，孙鹏飞 ，李冬楠，林嘉楠，贺 铮

(1.黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江 哈尔滨 150030；2.伊春市气象局，黑龙江 伊春 153000）

1 引言

冰雹是由中小尺度天气系统所引起的一种剧烈的天气，易引发气象灾害，一直以来都是天气预报中的难点。 其空间尺度小，强度大，生命史短，来势猛，非常容易造成大面积农作物受损绝产， 甚至危及到人们的生命安全。 近年来，国内很多学者针对冰雹灾害的分布特征、成因等进行了研究，研究表明合适的0 ℃层、-20 ℃层的高度、较好的对流不稳定条件、水汽条件和垂直上升运动等都对冰雹的发生有一定的指示意义[1-4]。 本文利用 2001-2020年80个气象观测站的数据资料，MICAPS 常规气象观测资料等对黑龙江省冰雹天气的物理量指标进行研究。

2 黑龙江省冰雹天气分型及物理量指标分析

本文通过对2001-2020年黑龙江省20 a 的654个冰雹个例中物理量的统计分析得出以下16个物理量特征值，分别为K 指数、沙氏指数（SI）、总指数（TT）、0 ℃层高度、 湿球 0 ℃层高度、-20 ℃层高度、抬升指数（LI）、风暴强度指数（SSI）、抬升凝结高度（LCL），对流有效位能CAPE，风暴相对流螺旋度，强天气威胁指数，850-500 hPa 温差，0-1 km 垂直风切变，0-3 km 垂直风切变，0-6 km 垂直风切变获得了相应的物理量指标特征，为冰雹的预报提供了参考。

2.1 K 指数

K 指数可以反映大气的层结稳定情况。K 指数的单位为摄氏度， 计算公式：K=(T850-T500)+Td850-(T700-Td700)其中 T 为温度，Td 为露点温度，K 指数计算式中第一项表示温度直减率，第二项表示低层水汽条件，第三项表示中层饱和度。

K 指数总体特征最大值为40 ℃，最小值为4 ℃，平均值为 23.1 ℃，中位数为 25 ℃。

K 指数整体分布，夏季明显高于春秋季节。 4-5月冰雹最易发生的K 指数区间在12-25 ℃。 6-8月冰雹最易发生的K 指数区间在22-33 ℃。 9-10月冰雹最容易发生的K 指数区间为16-28 ℃。 所以根据不同季节和月份， 易发生冰雹的K 指数区间也在变化。

2.2 沙氏指数SI

沙氏指数SI 是小块空气由850 hPa 开始， 干绝热线上升到抬升凝结高度（LCL），然后再按湿绝热递减率上升到500 hPa时，在500 hPa 上的大气实际温度（T500）与该上升气块到达 500 hPa时的温度（Ts）的差值，SI=T500-Ts。

沙氏指数总体特征最大值为11.3 ℃，最小值为-6.6 ℃，平均值为 2.7 ℃，中位数为 2.3 ℃。

沙氏指数整体分布， 夏季沙氏指数比春秋两季小。 4-5月冰雹最易发生的沙氏指数区间在 2.1-7.8℃。 6-8月冰雹最易发生的沙氏指数区间在-0.3-3.2℃。 9-10月冰雹最容易发生的沙氏指数区间为1.2-5.5 ℃。

2.3 总指数 TT

总指数TT 为850 hPa 的温度和露点之和减去2倍的 500 hPa 温度，即 TT=（T+Td）850-2T500。

总指数总体特征最大值为59 ℃， 最小值为32℃，平均值为 47.4 ℃，中位数为 48 ℃。

总指数整体分布，各个月份区间变化不大。 冰雹最容易发生的总指数集中在48 ℃左右。

2.4 0 ℃，湿球 0 ℃层高度，-20 ℃层高度

0 ℃层总体特征最大值为5205 m，最小值为530 m，平均值为2856 m，中位数为3000 m。

湿球0 ℃层高度最大值为4903 m， 最小值为263 m，平均值为2434 m，中位数为2590 m。

-20 ℃层高度，最大值为5600 m，最小值为3369 m，平均值为5909 m，中位数为6096 m。

4-7月平均高度随月份增大，8月开始下降。 5-9月高度相对集中，0 ℃层高度在1400-4200 m 之间，-20 ℃层高度在4400-6700 m 之间。

2.5 抬升指数

抬升指数LI 指一个气块从自由对流高度出发，沿湿绝热线上升到500 hPa 处的温度与500 hPa 实际温度之间的差值，LI=TS-T500。

抬升指数总体特征最大值为12.6 ℃，最小值为-7.7 ℃，平均值为 1.9 ℃，中位数为 1.3 ℃。

夏季抬升指数比春秋两季偏小， 春秋季易发生冰雹的抬升指数区间在3-7 ℃。 夏季易发生冰雹的抬升指数区间在-2-1 ℃。

2.6 风暴强度指数

风暴强度指数SSI 表征雷暴发生的强弱，SSI=100[2+（0.276ln（Shr））+（2.011×10-4Eh）]，Shr 是平均垂直风切变。 Eh 是浮力能， 近似等于对流有效位能CAPE。

风暴强度指数总体特征最大值为294，最小值为194，平均值为247，中位数为248。

各月的风暴强度指数变化范围不大， 主要集中在250 左右。

2.7 抬升凝结高度LCL

抬升凝结高度（LCL）是未饱和湿空气块干绝热上升，刚开始凝结的高度。

抬升凝结高度总体特征最大值为989 m，最小值为769 m，平均值为907 m，中位数为916 m。

5-6月抬升凝结高度最低，4月和9月抬升凝结高度最高， 易发生冰雹的抬升凝结高度区间主要集中在890-940 m。

2.8 对流有效位能CAPE

对流有效位能CAPE 是气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分， 是对流发生潜势和潜在强度的一个重要指标。

7月CAPE 值分布范围最广，数值也更大，春季4-5月和秋季9-10月CAPE 值分布范围小， 数值也偏小。 可见在夏季，CAPE 值大对冰雹的形成有着重要的指示作用。

2.9 风暴相对螺旋度

风暴相对螺旋度特征最大值为 3.8 m2·s-2， 最小值为-2.3 m2·s-2，平均值为 0.97 m2·s-2，中位数为 0.5 m2·s-2。

4月和9月的风暴相对螺旋度最大，6月强天气威胁指数最小，其他月份相差不大。

2.10 强天气威胁指数

强天气威胁指数特征最大值为322， 最小值为11.7，平均值为 150，中位数为 140。

7-8月的强天气威胁指数最大，10月强天气威胁指数最小，其他月份相差不大。

2.11 850-500 hPa 温差

850-500 hPa 温差特征最大值为34 ℃， 最小值为 21 ℃，平均值为 27.5 ℃，中位数为 28 ℃。

5-6月850-500 hPa 温差最大，10月次之， 其他月份相差不大。 可见在春夏季，中高层干冷空气的入侵对于冰雹的形成有着重要的指示作用。

2.12 垂直风切变

0-1 km 垂直风切变特征最大值为 16.2 m·s-1，最小值为 0.1 m·s-1， 平均值为 6.8 m·s-1， 中位数为 6.1 m·s-1。 6-8月0-1 km 垂直风切变最小，春秋两季 0-1 km 垂直风切变较大。

0-3 km 垂直风切变特征最大值为 23.5 m·s-1，最小值为 0.6 m·s-1，平均值为 10.2 m·s-1，中位数为 9.5 m·s-1。

0-6 km 垂直风切变特征最大值为 36.2 m·s-1，最小值为 0.4 m·s-1，平均值为 14.5 m·s-1，中位数为 13 m·s-1。

高层垂直风切变6月最小，4-5月和9-10月垂直风切变的数值范围较大， 高层垂直风切变春秋季节比夏季的值要大。

3 结论

对2001-2020年20 a 冰雹个例的物理量指标统计得出：K 指数在夏季明显高于春秋季节，4-5月冰雹最易发生的K 指数区间在12-25 ℃。6-8月冰雹最易发生的K 指数区间在22-33 ℃，9-10月冰雹最容易发生的K 指数区间为16-28 ℃。 夏季沙氏指数比春秋两季小，4-5月冰雹最易发生的沙氏指数区间在2.1-7.8 ℃，6-8月冰雹最易发生的沙氏指数区间在-0.3-3.2 ℃，9-10月冰雹最容易发生的沙氏指数区间为 1.2-5.5 ℃。 总指数各个月份区间变化不大，冰雹最容易发生的总指数集中在48 左右。 5-9月特征高度相对集中，0 ℃层高度在1400-4200 m 之间，-20℃层高度在4400-6700 m 之间。夏季抬升指数比春秋两季偏小，春秋季易发生冰雹的抬升指数区间在3-7℃。夏季易发生冰雹的抬升指数区间在-2-1 ℃。各月的风暴强度指数变化范围不大， 主要集中在250 左右。 各月的抬升凝结高度变化范围不大，易发生冰雹的抬升凝结高度区间主要集中在890-940 m。夏季易发生冰雹的CAPE 值区间主要在150-470 J·kg-1，春秋季CAPE 值区间主要在35-160 J·kg-1。风暴相对螺旋度指数变化范围主要集中在 0.7-2.4 m2·s-2。 7-8月的强天气威胁指数最大，10月强天气威胁指数最小，其他月份相差不大。 850-500 hPa 温差主要集中在26-28 ℃。 垂直风切变春秋季比夏季平均值大，数值范围更广。