北票地区近40 年冰雹气候特征与诊断分析

郭 玲 张 烨 姜 超 杨 勇 李天宇

（1、辽宁省北票市气象局，辽宁 北票122100 2、解放军31440 部队，辽宁 沈阳110000）

1 统计标准与使用资料

本文根据1980-2019 年北票地区观测站点冰雹实况记录，以当日发生一次或数次冰雹过程记为一个冰雹日。各类指数计算使用NCEP2.5*2.5 度（1980-2005 年）和1*1 度（2006-2019年）再分析资料。

2 北票地区冰雹气候特征

2.1 年际气候特征

近40 年北票地区有记录观测冰雹日共计58 天，年平均出现1.45 天。从年际整体分布特征来看，近40 年降雹日呈周期性震荡波动分布，且经历了3 个冰雹多发期（1983-1989 年、1993-1999 年、2011-2017 年）和2 个少发期（1990-1992 年、2000-2010 年），但40 年冰雹日总体趋势是减小的，3 个多发期峰值分别为5 天、4 天和3 天，且3 个多发期出现周期均为7年。在1990 年、1997 年、2000 年和2002-2004 年、2006-2009 年均未观测到冰雹天气，其它各年都有出现，一般出现1-2 次，1983、1985、1987 年出现次数最多，均出现5 次，2018、2019 年已连续2 年未出现冰雹日，从趋势发展可以推测北票地区目前正经历冰雹的另一个少发期。

2.2 月际气候特征

统计分析表明：北票地区冰雹最早出现在4 月份，最晚出现在10 月份，常见出现在5-9 月份，其中以6-7 月份出现次数最多，占总冰雹日的58.6%，而6 月份出现的概率较比7 月份高出61.5%。

2.3 日际气候特征

根据观测记录，北票地区的冰雹多出现在午后，13 时-17时出现次数最多，占总次数的69.0%，其次为09-12 时，占总次数的20.7%，01-03 时未观测到有冰雹出现，其它时次共计出现6 次。冰雹特征多数为小尺度冰雹，即发生范围小，冰雹强度弱、持续时间短，约为2-5 分钟。其中，降雹最大过程出现在2014年6 月18 日，当日连续出现两次降雹，从13 时58 分开始，至14 时14 分结束，整个过程时间持续长达16 分钟。

3 系统分型与特点

通过对北票地区近40 年冰雹日地面、高空图资料的分析发现：冰雹天气主要出现在东北低压、东北冷涡、副高后部、高空槽等天气系统的发展过程中，其中又以东北冷涡和东北低压出现的频率最高。在58 个冰雹日个例中，东北低压出现了24次，占总次数的41.4%，东北冷涡天气系统出现了16 次，占总次数的27.6%。

3.1 东北低压型冰雹

进入6 月，当500hpa 欧亚环流维持稳定的长波两槽一脊时（见图1，黑色实心五角星为北票位置，下同），受乌拉尔山高压加强的影响，中低层槽线加深东移南下，大量冷空气从蒙古不断入侵我区，加之在100-125°E，40-55°N 地面气旋或低压切变的配合，西南暖湿气流北上，大气处于上干冷下暖湿的极不稳定层结状态，易发生雷雨、冰雹。此型冰雹多集中在冷锋附近，常呈带状分布，产生时间相当于冷锋或高空槽迫近时间，且随冷锋和高空槽的移动而移动。

3.2 东北冷涡型冰雹

东北冷涡是指在500hpa 高空图上有一条以上闭合等高线的低中心，并有冷中心或冷槽相配合的天气系统。影响本区的冷涡系统主要来自于贝加尔湖-蒙古中部一线，系统在东移南下过程中不断加强、加深，移入本区后形成深厚系统，并引起高空不断降温，形成一个干冷盖；在115-125°E，35-45°N 范围内850hpa 高度有来自华北地区的暖湿空气，两者相遇促使低层潜在不稳定能量增强，出现潜在不稳定能量区，而冰雹的落区往往与这些潜在不稳定能量区相吻合。通过资料分析，以北票为中心点，以经、纬线为纵、横坐标的坐标系中，低涡中心在第二象限时，即位于北票西偏北部时，出现冷涡冰雹的频率最高;在第一、三象限时次之;在第四象限时无冰雹。

图1 东北低压型地面气压场示意图

3.3 副高后部型冰雹

副热带高压是夏季影响我区的最主要高压系统，当我区位于副高后部，且前一日东北500hPa 和700hPa 为一低槽区且低槽往往比较深厚时，常伴随较强的西南风，暖湿气流提供了充分的水汽和热量。当贝加尔湖、蒙古或河套北部有高空槽下滑或自西向东移过辽宁地区时，产生强烈的动力抬升作用，可造成该区出现降雹天气(见图2)。

3.4 高空槽型冰雹

此型降雹前一日20 时至当日08 时，从雅库茨克到鄂海皆为高脊或高压中心，低压中心在偏东位置，低层850hpa、700hpa存在短波槽线，槽后有明显的冷中心或冷槽，500hpa 平直偏西风气流稳定（见图3）。近地面层以偏南或东南风为主，积累大量的不稳定能量，在低层短波槽作用下释放，形成强雷暴降雹，伴随700hpa 槽线过境，过程结束。

图2 副高后部型地面气压场示意图

图3 高空槽型高空位势高度场示意图

4 物理量场诊断分析

4.1 K 指数

陆汉城[1]指出，强对流天气的出现，要求在对流层中低层有明显的对流不稳定。而K 指数作为判断大气稳定度常用的一种判据被广泛适用，K 指数越大，层结越不稳定。分析表明：北票地区6-9 月份发生冰雹时K 指数均达到了30 以上，5 月份和10月份冰雹日K 指数较小，在25-30 之间。一般研究认为K≥30可能有雷雨等不稳定天气，但在北票地区特定季节（5 月、10 月）K 指数在25 以上时就可能有强对流天气发生。

4.2 抬升指数

抬升指数（LI）指气块从自由对流高度沿干绝热线上升，到达凝结高度后再沿湿绝热上升至500hpa 时所具有的温度与500hpa 等压面环境温度的差值。为负值时表示气块不稳定，负值越大，对应的气块不稳定能量面积越大。分析表明：北票地区抬升指数（LI）在历年冰雹日中指标意义反映不是很明显，58 个冰雹日中LI 正值负值各占约50%，5 月份至6 月上旬和9 月下旬至10 月份多数为正值，其他时间多为负值。

4.3 强天气威胁指数

强天气威胁指数（SWEAT）是20 世纪70 年代引入的一个指数，综合反映了中低层热力稳定度特性及适宜风暴发生动力环境对风暴发生所产生的共同作用，其包含了低高层湿度、温度及风场信息，而且考虑了环境风在垂直方向的旋转[2]。统计分析结果显示：在北票地区出现冰雹的过程中，强天气威胁指数SWEAT 最小值为107，最大值为453。

4.4 对流有效位能指数

对流有效位能（CAPE）是现代强对流天气分析预报的重要参数，在中小尺度天气系统研究和强对流天气的预报中有着广泛的应用。Doswell 和Rasmussen[3]指出，在深对流可能发生的环境中，CAPE 是一个与环境联系最为密切的热力学能量变量，Cape 的值越大，发生强对流的可能性越大。统计分析结果显示：在北票地区出现冰雹的过程中，CAPE 最小值为:738，最大值为2836。

4.5 零度（0℃）层高度指数

0℃温度所在高度和冰雹的出现密切相关，研究指出[4]，90%的降雹出现在0℃层高度距地面高度为1524-3658m，当0℃层高度距地高度为2134-3353m 时，最可能出现大雹块。统计分析结果显示在北票地区出现的冰雹过程中，76%的冰雹个例零度层高度在2720-3370m 米之间，最低1950 米，最高达3670 米。

综合分析上述5 类指数结果发现：K 指数、对流有效位能（CAPE）有很好的相关性，在K 指数较大时，对流有效位能也较大，表明大气越不稳定，其对流有效位能越大。抬升指数（LI）在5 月至6 月上旬和9 月下旬至10 月多数为正值，其大气的不稳定性反应不明显，但此时强天气威胁指数（SWEAT）一般维持在200 以上。据此，在天气形势具备的情况下，预示北票地区极有可能出现冰雹天气的物理量场指数指标可归纳为：一是在高K指数场（K≥30）、高CAPE 场（CAPE≥700）、低LI 场（LI＜0）结合低SWEAT 场（SWEAT≥100）中；二是在高K 指数场（K≥30）、高CAPE 场（CAPE≥700）、高LI 场（LI＞0）结合高SWEAT场（SWEAT≥200）中。当然，还要再有效结合适宜的零度层高度（1950-3670 米）即可以预报预测冰雹的发生；三是在5 月至6月上旬和9 月下旬至10 月的时间，K 指数没有达到30，LI 指数大于0 的情况下，也要综合考虑其他几种指数和天气形势，准确作出冰雹等强不稳定天气的预报。