2020年7月巴彦淖尔市两次冰雹过程对比分析

刘园园

（巴彦淖尔市气象局，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

巴彦淖尔市地处内蒙古高原西部，阴山山脉自西向东横亘中间，形成中部阴山山地、北部乌拉特草原、南部河套平原3 种不同的地形地貌，农业非常发达。巴彦淖尔市的气候特征和地形特征导致冰雹成为该地区主要气象灾害之一。阴山山脉南部因受地形影响而成为雹灾多发区，位于巴彦淖尔市南部河套地区的农作物经常遭受不同程度的冰雹袭击，轻则减产，重则颗粒无收[1]。

郭玉凤等[1]、方晓红等[2]认为巴彦淖尔市冰雹具有季节性强、雹日高度集中等特点，每年6月中旬至8月下旬为冰雹高发期，占降雹总次数的68.6%，降雹发生时间集中在中午至傍晚，且多发生在沿山、沿黄河地区；判断巴彦淖尔地区层结不稳定的指标为：沙氏指数SI≤1.0，K 指数≥40，A 指数≥10。张云惠等[3]、陈关清等[4]对两次强冰雹天气进行了对比分析，认为地面辐合线是重要的触发系统，冰雹出现在低层辐合线及切变线附近，并沿500 hPa 引导气流方向移动。截至目前，具体针对巴彦淖尔地区冰雹天气的对比分析较少。本文选取2020年7月4日和7月17日巴彦淖尔市两次典型的冰雹过程进行了分析，旨在提升巴彦淖尔本地小范围强天气临近预报及监测预警水平。

1 冰雹天气实况

2020年7月4日15:00—18:00，巴彦淖尔市（以下简称巴市）临河区新华镇、杭锦后旗（以下简称杭后）团结镇和蛮会镇、乌拉特中旗（以下简称中旗）海流图镇、巴音乌兰和中旗机场以及五原县丰裕等地区出现冰雹（以下简称“7·4”），最大瞬时风速出现在前旗白彦花，为29.4 m/s（11 级），造成经济损失0.78 亿元。2020年7月17日16:00—19:00，巴市乌拉特后旗（以下简称后旗）巴音镇，临河区白脑包镇、八一乡、乌兰图克镇、双河镇，杭后蛮会镇，五原县天吉泰镇等地区再次出现冰雹（以下简称“7·17”），最大瞬时风速出现在前旗乌梁素海，为20.3 m/s（8 级），造成经济损失3.6 亿元。两次冰雹过程都伴有短时强降水、短时大风、雷电等强对流天气，其发生地点散布在阴山以南，见图1。

图1 2020年7月巴彦淖尔市两次冰雹发生地点

2 天气尺度系统分析

2.1 高低空环流形势

7月4日08 时，500 hPa（图2a）欧亚范围环流为“两槽一脊”，中高纬受脊区控制，贝加尔湖附近有切断低压，巴市受高压槽后西北气流影响，有高空冷槽不断东移，存在风速辐合，西北气流携带冷空气在此地堆积，同时200 hPa 存在风速大于40 m/s 的高空西北急流；700 hPa（图2c）同受西北气流控制，表明中高层有干冷空气侵入；850 hPa 在阿拉善盟东南部及巴市中部有切变线影响，同时有暖舌伸入。地面场（图2e）中受地面鞍形场控制，上游地面低压东移，巴市受地面低压前部控制，西部有地面辐合线形成，致使低层辐合增强，有利于触发强对流天气。

7月17日08 时，500 hPa（图2b）欧亚范围环流为“两脊一槽”，巴市地区处于贝加尔湖高空槽底部，槽后有冷平流，主要以西北风为主，高空槽在巴市上空停留时间较长，移速缓慢，同时200 hPa 也存在风速大于40 m/s 的高空西北急流；700 hPa（图2d）槽后冷平流强烈，促使低层温度梯度增大，干冷空气不断南下，为强对流天气的发生提供强烈位势不稳定；850 hPa（图2f）切变线东移，为强对流天气发生提供触发条件。海平面气压场中，蒙古国受地面高压控制，高压中心位于蒙古国西部，阿拉善盟东部有一低压中心。两个系统在东移过程中，形成东北—西南向地面冷锋，巴市位于冷锋前部。

图2 风场，高度场、温度场，地面图

郭玉凤等[1]、方晓红等[2]对巴市降雹天气形势进行了分型，分为偏西气流型、西北气流型、西南气流型、低槽型、低涡型。比较“7·4”与“7·17”两次冰雹过程，可发现其环流特征存在共性：一是均属于西北气流型，冷空气沿槽后西北气流东南移影响巴市，为强对流发展提供动力条件；二是低层巴市南部有切变线东移，配合地面辐合上升，有利于低层暖湿空气辐合抬升，造成层结不稳定[5]。

2.2 探空资料分析

深厚的负温区（-20～0 ℃区域，也称为过冷水累积区）有利于冰雹生成，其厚度越小，越有利于降雹[6]。研究表明：0 ℃层高度在600 hPa，-20 ℃层高度在400 hPa 时，有利于冰雹的生成[7]。7月4日08 时，临河站0 ℃层高度在4 077 m，位于600 hPa 附近，-20 ℃层高度在7 341 m，位于400 hPa 附近；中旗站0 ℃和-20 ℃层高度分别为4 100 m，7 167 m。7月17日08 时，临河站0 ℃和-20 ℃层高度分别为4 425 m，7 460 m。以上均反映出适中的0 ℃和-20 ℃层高度有利于冰雹的形成及增长[8]。

两次冰雹过程均在午后呈现出对流不稳定增加的趋势，表明午后辐射升温，使对流有效位能（CAPE）继续增大，对流抑制消失。其中，7月4日08时，临河站（图3a）K 指数为32.9；14 时，订正后的临河CAPE 达到1 601.7 J/kg，对流抑制能量（CIN）降为0 J/kg；14 时之后产生了强对流天气。中旗站（图3b）08 时K 指数为36.9 ℃，SI 指数为-1.2 ℃，两指数符合降雹指标；14 时，订正后的中旗站CAPE 达到1 377 J/kg，CIN 降为0 J/kg。另外，海流图镇三面环山，气流停滞，有利于不稳定能量累积，是冰雹多发地带[1]。7月4日午后中旗海流图镇出现冰雹。

7月17日08 时由临河站和中旗站可知，巴市地区有较高的热力不稳定性，尤其是西部地区，临河探空（图3c）显示:600～250 hPa 为不稳定层结，K 指数为34 ℃，SI 指数为-3.25 ℃，低层垂直风场顺时针旋转，有暖平流；14 时临河CAPE 值增至1 573 J/kg。中旗探空图（图3d）显示:不稳定层结主要位于600～400 hPa，湿层（相对湿度≥80%）主要位于700～500 hPa，低层垂直风场顺时针旋转，有暖平流，K 指数为33 ℃，SI 指数为0.55 ℃。两站探空图反映出的较强垂直风场、较强对流有效位能以及强热力不稳定为午后强对流发生提供了热力和动力条件，中高层较好的湿度有利于雨滴的碰撞增长，为冰雹的形成提供了有利条件。

图3 临河站、中旗站T-ln P 图

3 物理量诊断分析

3.1 动力条件

本文由0.5°×0.5°ERA14 时再分析资料可知，850 hPa“7·4”过程中巴市西南部有西北风与西南风形成的风切变（图4a），“7·17”存在东北风和西北风形成的带状正涡度区（图4b 圆圈位置所示），其为高空干冷气流配合低层西南暖湿气流，上下层扰动明显，且高层冷槽和中低层切变线使得上升运动得以加强。这种大尺度动力抬升条件为降雹提供了一定的触发条件。由7月4日、7月17日850 hPa 涡度场（图5）可知，巴市存在低层正涡度（圆圈区域为正涡度区）和高层负涡度（方框区域为负涡度区），低层辐合、中高层辐散，其满足降雹发生、发展的抬升条件。“7·17”有明显的切变线位于巴市上游，巴市整层受西南气流控制，其上游地区850～300 hPa 均有强烈的上升运动，系统呈现后倾形势。

图4 涡度剖面（单位：10-3 s-1），风场（单位：m/s）

图5 850 hPa 涡度场（单位：10-3 s-1），风场（单位：m/s）

3.2 水汽条件

图6 显示两次过程在巴市比湿达到6 g/kg，850 hPa露点温度差为4～6 ℃，低层水汽处于饱和状态。当水汽随云底上升气流进入雷暴云、凝结成云滴或水晶时，释放潜热，驱动了雷暴的上升气流[8]。

图6 850 hPa 比湿（单位：g/kg）和温度露点差（单位：℃）

3.3 不稳定条件

图7 假相当位温显示：两次过程中降雹区均位于高值区，θse超过330 K 且水平梯度较大，不稳定能量聚集明显；“7·17”过程的能量更强，超过350 K，处于能量高值区偏东侧、南侧。假相当位温高能锋区的动力强迫有益于低层能量和水汽向上输送，强冰雹发生在高能区。

图7 850 hPa 假相当位温水平分布场（单位：K）

4 雷达产品分析

本文利用临河多普勒天气雷达资料分析两次降雹过程，发现两次过程均是以积状云为主的混合性回波，自西北向东南移动，降雹单体表现出结构紧实的块状结构，均有阵风锋过境。“7·4”过程源于小对流发展加强，自西北向东南移动，随后在发展中合并成片，持续时间较长；“7·17”回波比较分散，移动速度较快。

7月4日17:01 临河雷达探测到飑线系统（图8a），当时多对流单体已发展成熟，速度图上呈现弧线状大风速带（图8c），此时所影响区域的地面瞬时风速明显强于前一小时，并伴有冰雹等强对流天气。18:10 基本反射率图上有阵风锋出现（图8b），而在巴市东南部，阴山山体的阻挡使气流在山前辐合抬升，促使云系进一步加强，形成强对流天气（图8d）。

图8 7月4日基本反射率，径向速度，雷达回波与地形叠加

“7·4”降雹单体于16:43 生成并发展，17:07 强对流带状回波已从中旗机场移至其南部，组合反射率强度仍在58 dBZ 以上（图9a）。由其单体趋势图（图9b）看出，16:25—17:02 VIL 超过30 kg/m2，POH 持续20 min 为100%，符合已有研究（POH 为100%且POSH≥70%时，出现冰雹甚至大冰雹可能性高[9]）。单体质心位置在中旗机场附近维持时间较长且高度在4 km 以上，单体强度超过57 dBZ，最大反射率因子高度明显下降，而实际中旗机场降雹时间出现在16:43—16:58。以上分析表明：VIL 连续跃增3 个体扫或以上、强度超过50 dBZ、单体质心高度达到4 km时，出现降雹的概率较大。17:48 强对流回波移至中旗附近，最强回波强度为60 dBZ，17:24—17:36 VIL持续跃增或保持，单体回波强度保持在50 dBZ 以上，单体质心高度在4 km 左右（图9c～图9d）。实际监测到中旗在17:40—17:50 出现降雹，基本符合以上的分析判断。

图9 7月4日组合反射率和单体趋势

7月17日下午巴市西南部地区在0.5°仰角显示出现阵风锋的过程变化图。阵风锋过境前，杭后、临河区一带极大风速增大。16:01 回波移入杭后东北部，之后沿着东南方向移动且加强发展，影响杭后中部、临河区中部，VIL 连续3～4 个体扫跃增至40 kg/m2，回波强度保持在55～60 dBZ，最强反射率因子强度达到65 dBZ，单体质心高度为4～7 km，该过程持续到17:19，表明垂直对流发展旺盛且持久，其间杭后、临河区部分地区出现冰雹和雷电天气。由图10 可知，当VIL 连续3 个体扫跃增，且回波强度在50 dBZ以上、单体质心高度在4 km 以上时，出现冰雹概率极高。18:00 强回波单体逐渐移出临河区，其东移经过五原天吉泰镇时又产生了冰雹。

图10 7月17日组合反射率和单体趋势

5 结论

（1）巴彦淖尔市两次冰雹过程均属于西北气流型，槽后冷空气沿高空西北气流东移南下影响巴市，配置低层暖湿空气，形成上冷下暖的热力不稳定层结，为强对流发展提供能量不稳定条件。

（2）从冰雹落区来看，“7·4”触发机制是地面辐合线，冰雹云在地面辐合线附近发展加强；“7·17”触发机制是地面冷锋，冰雹云在冷锋前侧发展起来。两次过程均由地面中尺度辐合系统触发，都是沿500 hPa引导气流方向移动。

（3）两次过程均是低层正涡度、高层负涡度，低层辐合、中高层辐散，低层水汽处于饱和状态，假相当位温高能锋区的动力强迫利于低层能量和水汽向上输送和强冰雹发生。

（4）从冰雹发生时间来看，两次过程均发生在中午至傍晚，与午后太阳辐射有关。太阳辐射对下垫面不断加热，使对流不稳定增加。冰雹发生前，相应VIL值迅速增强，最大值出现的时间提前冰雹发生时间1～2 个体扫。

（5）雷达回波对冰雹天气参考作用显著，当降雹单体密实，VIL 连续跃增3 个体扫或以上、强度超过50 dBZ、单体质心高度为4～6 km 时，出现降雹的概率较大，且最强反射率因子强度达到65 dBZ 时，易出现强冰雹。