塔里木盆地西缘两次致灾冰雹环境场和雷达特征对比分析

希热娜依·铁里瓦尔地，胡素琴*，玛依热·艾海提，毛子卿，尼加提江·买买提吐尔逊

（1.喀什地区气象局，新疆 喀什 844000；2.塔什库尔干县气象局，新疆 塔什库尔干 845250）

冰雹作为由强风暴系统产生的强对流天气，具有来势凶猛、发展速度快、持续时间短、破坏力强等特点[1]，虽然是一种局部灾害性天气，但往往灾害较为严重。周嵬[2]、刘德祥等[3]对我国西北地区冰雹气候特征进行分析，给出了西北地区冰雹的时空分布特征，并得出西北地区冰雹呈现出明显的局地性，这与当地特殊的地形和海拔密切相连。张桂莲等[4]提出中高层干冷侵入是大气不稳定性的重要条件，它与低层暖湿气流叠加触发对流。陈关清、陈军等[5-8]对冰雹过程进行研究，发现强天气前对流指数明显增大，0 ℃层和-20 ℃层高度适宜，深层风切变加强；雷达径向速度图上有逆风区出现并伴有VIL值跃增。新疆不少学者也对南疆的冰雹天气进行过大量的研究。黄艳等[9-10]对喀什地区冰雹的气候特征进行分析，得出冰雹多出现在绿洲、戈壁交界处，冰雹出现概率由南向北依次递增，伽师、英吉沙、岳普湖是春夏季冰雹频发区，5—7 月为降雹多发季节，其中6月最多，秋冬季极少出现，总结了冰雹的3 类主要天气分型，给出强冰雹对流参数指标。对比分析两次强冰雹，指出强的垂直风切变、高悬的强回波、中气旋等特征可以作为判断强冰雹的参数。张云惠等[11]分析喀什地区两次中亚低涡背景下产生的冰雹过程的环流背景、中尺度和物理条件，找出两次冰雹环境场的异同点，为冰雹落区潜势预报提供了参考依据。

上述研究主要侧重于南疆西部强冰雹的雷达回波特征和环境条件分析，而对中等强度冰雹和小冰雹的形成机理、中小尺度特征的研究较少。据历年灾情直报系统统计发现，南疆西部大部分的中等强度冰雹，虽然直径小，但持续时间长的情况下也能造成重大灾害。故开展这方面的研究，对于提高冰雹短临预报提前率，从而有效减小冰雹灾害有一定的帮助。2018 年春末和盛夏喀什地区出现2 次冰雹天气，与以往强冰雹过程相比，这两次冰雹过程中低层风切变及雷达特征各项指标较强冰雹明显偏弱，冰雹直径均≤2 cm，属中等强度冰雹，但由于冰雹持续时间长，且正处农事关键期，给当地农业、林果业带来了严重损失。本文通过对这两次冰雹天气进行综合对比分析，找出喀什地区春夏季冰雹产生的环境场及雷达特征的异同点，凝炼出预报指标，以期为今后同类冰雹天气的短临预报提供参考。

1 资料和方法

选取南疆西部喀什地区2018 年5 月19 日和7月29 日两次冰雹天气过程，利用常规气象观测资料、NCEP（1°×1°）再分析资料及雷达资料，从环流形势、中尺度环境场、物理条件和雷达特征等方面进行对比分析。

2 冰雹实况对比

2018 年5 月19 日（简称“5·19”过程）18 时—20 日08 时（北京时，下同），喀什地区大部出现降雨，部分地区伴有雷电、短时强降水、冰雹等强对流天气，有4 站出现暴雨，25 站出现大雨。19：48—20：13 岳普湖东南部出现冰雹，最大直径15 mm。这次强对流天气发生在春季农事关键期，导致当地农业、林果业受到严重灾害，直接经济损失406.76万元。

2018 年7 月29 日（简称“7·29”过程）17 时—30日08 时，南疆西部出现了强对流天气。阿图什市和伽师县多个乡镇先后遭受冰雹暴雨袭击，共有12 站出现暴雨，22 站出现大雨。冰雹出现时段在19：05—19：57，最大冰雹直径20 mm，积雹厚度近6～10 cm，这次冰雹天气受灾严重，造成农牧业、林果业直接经济损失2 682 万元。

两次冰雹过程前期都有明显降水，冰雹均在降水过程中出现，并伴有雷暴大风、短时强降水等强对流天气。“7·29”过程的降雨强度明显强于“5·19”过程；“7·29”过程冰雹持续时间、强度、冰雹最大直径、雹灾范围、经济损失均强于“5·19”过程，且冰雹落区偏北。

3 冰雹天气环境场分析

3.1 环流形势对比

“5·19”过程，冰雹发生前，500 hPa 中高纬度以“两脊一槽”经向环流为主，乌拉尔山脊向东北发展，脊前西西伯利亚低槽受低涡后部偏北气流南下补充影响分段成南北两支，北支在东疆稳定维持，南支西退南压与中亚槽合并成低涡，形成有利于南疆西部大降水的“东西夹攻”环流形势，低涡前的西南气流与乌拉尔山南下的冷空气在塔什库尔干附近汇合，逐渐东移进入南疆西部，造成岳普湖的冰雹。

“7·29”过程，冰雹发生前，500 hPa 中高纬度为“ 一槽一脊”的环流形势，乌拉尔山高压脊向东北发展，西西伯利亚至贝加尔湖为宽广的低槽区，中亚低涡前部已进入南疆西部，喀什、克州处于槽前明显的西南气流中，伊朗副高发展强盛，588 线北伸至里咸海一带；08—20 时中亚低涡减弱并快速向东北移过南疆西部上空，造成了阿图什、伽师的冰雹。

3.2 中尺度环境对比

“5·19”过程，19 日08 时（图1a），700～850 hPa受暖脊控制，500～850 hPa 温度露点差＜7 ℃，说明中低层湿度条件较好，加上前期降水影响，南疆西部处于高湿环境。700 hPa 南疆西部上空有中尺度切变线。850 hPa 喀什至和田有风向辐合，自盆地中部有明显偏东气流吹向喀什，最大风速达12 m/s，有利于冷空气东灌形成“冷池”。地面场上盆地受热低压控制，喀什偏北地区存在一条中尺度辐合线，岳普湖位于气旋性辐合区内。18—19 时喀什北部为一致的西北风，东部为东风，为水汽的集中辐合提供了有利条件。19 日午后至傍晚，500 hPa 西北气流携带干冷空气南下到低层暖湿气流之上，增强了层结不稳定，触发了岳普湖的冰雹天气。

“7·29”过程，29 日08 时（图1b）700 hPa 喀什—和田、喀什—阿克苏有中尺度切变线，500～850 hPa 温度露点差＜5 ℃，中低层湿度大，水汽条件好，400 hPa 以上的温度露点差＞20 ℃，大气处于上干下湿的不稳定状态，有利于对流的发展。从冰雹发生前的18—19 时区域自动站风场上可以看到，巴楚—伽师的偏东风与喀什—疏勒—英吉沙的西北风在伽师一带辐合切变，冰雹出现在风场辐合区。

图1 中尺度环境分析（a 为2018 年5 月19 日08 时；b为7 月29 日08 时；灰色阴影区为冰雹落区）

综上，两次冰雹过程都有切变线、辐合线等中尺度触发系统，低层湿度条件好。冰雹发生在风场辐合区内。“5·19”冰雹在地面中尺度辐合线附近触发、500 hPa 有干冷空气侵入、850 hPa 有偏东急流输送冷空气，而“7·29”冰雹是在700 hPa 切变线附近触发。

4 冰雹发生前物理条件分析

4.1 大气稳定度和水汽条件对比

T850-500表示对流层中低层环境温度随高度的垂直递减率，差值越大，表示“上干冷、下暖湿”垂直配置越强，大气层结越不稳定，越有利于强对流的产生。两次过程08 时T850-500均在28～30 ℃，14 时平原地区气温迅速上升，37°～40°N，75°～77°E 区域内T850-500值达30～34 ℃（图2），其中冰雹落区岳普湖和伽师T850-500分别高达34、32 ℃，大气热力不稳定性加强。“5·19”过程T850-500更大，大气层结更不稳定，更有利于强对流发生。

图2 850 hPa 与500 hPa 温度差T850-50（0单位：℃）（▲为冰雹落区，a 为2018 年5 月19 日14 时，b 为7 月29 日14 时）

假相当位温θse的垂直分布能很好地反映大气的对流不稳定性。一般来说，大气层中假相当位温随高度降低，表明大气层结不稳定，有利于强对流发生；而水汽在垂直方向上的分布也是影响大气层结稳定度的一个重要因素。从两次冰雹过程假相当位温θse和比湿q的垂直分布（图3）可知，两次过程14时南疆西部平原400 hPa 以下θse随高度减小，850～600 hPa 存在较强的高能锋区，θse850-500分别为8、10 ℃，700 ～850 hPa 比 湿 分 别 为6 ～8 g/kg 和10～12 g/kg，说明两次过程近地层高能高湿，而中层500 hPa 附近有明显的低能舌伸向南疆西部，比湿在2 g/kg 左右，说明中层为干冷空气。午后随着地面温度的升高，低层高能锋区抬高，同时中高层的干冷空气往南扩散，不稳定能量和水汽在θse高能锋区动力强迫作用下向上输送，为触发冰雹天气提供了较好的动力、不稳定和水汽条件。“7·29”过程在低层高能高湿、高能锋区等变化上，比“5·19”过程偏强。

图3 比湿q（实线，单位：g/kg）和假相当位温θs（e彩色阴影，单位：K）沿77°E 的垂直剖面（灰色阴影为地形，▲为冰雹落区，a 为5 月19 日14 时，b 为7 月29 日14 时）

分析两次冰雹当日08 时探空及14 时订正探空对流参数（表1）得到，两次过程08 和14 时的K指数、CAPE、SWEAT等均有明显增大，SI指数明显减小，而上述各项指数在14 时最强，表明午后南疆西部具有明显的对流潜势。对流指数在“7·29”过程明显高于“5·19”过程，“7·29”过程午后对流潜势更强。“5·19”过程中CAPE由08 时的0 J/kg突增到14 时的1 180 J/kg，“7·29”过程CAPE由08时的255.4 J/kg 突增到14 时的890 J/kg，冰雹发生前的14 时喀什上空有强的对流不稳定能量。另外，两次过程08 时低层均有明显的逆温层，即低层有不稳定能量的累积，14 时后逆温层破坏，不稳定能量释放，强对流天气爆发。“5·19”过程和“7·29”过程冰雹发生前的14 时SWEAT指数分别为269.6 和340，意味着“7·29”过程发生冰雹的可能性更大。

表1 探空对流参数

比较对流指数发现，两次冰雹前大气均表现为“上干冷、下暖湿”的不稳定层结，午后K指数、CAPE、SWEAT等强对流天气参数均明显增大，SI指数明显减小。区别是两次过程能量条件不同，“7·29”过程14 时订正后的CAPE值比“5·19”过程小，但K指数、SI指数和强天气指数SWEAT明显强于“5·19”过程，因而产生的冰雹范围和冰雹直径更大。

4.2 特征层高度

0 ℃层和-20 ℃层高度是业务工作中识别冰雹云特征的主要参数，高度分别在600 和400 hPa 附近，且两个特征层之间的厚度越小时，越有利于成雹[11]。

由表2 可知，“5·19”过程的0 ℃层高度为3 775 m，“7·29”过程为4 280 m，均在600 hPa 左右。两次过程-20 ℃层高度分别为6 555、7 157 m，均在400 hPa 以下，这样的高度使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达到该高度，为冰雹生成提供了丰沛的水汽条件[12-18]。7 月底正值盛夏，受副热带高压影响，“7·29”过程的0 ℃层和-20 ℃层高度均比“5·19”过程高，因此产生的冰雹直径比“5·19”过程的大。虽然“5·19”过程0 ℃层和-20 ℃层高度较低，但两个特征层之间的厚度较小，表示大气层结不稳定，仍有利于降雹[14]。两次冰雹过程0 ℃层和-20 ℃层之间的厚度分别为2 780、2 886 m，均＜3 000 m，符合成雹条件。

表2 两次冰雹过程当日08 时0 ℃层和-20 ℃层高度 m

4.3 中低层风切变

通过分析沿39°N 的0～6 km 的中低层风切变随时间的演变，发现“5·19”过程（图4a）19 日02 时的冰雹发生地岳普湖上空垂直风切变为6 m/s，随后持续增强，14—17 时达到最强，为13 m/s，是中等强度风切变。由14 时风向的垂直分布（图5a）可知，低层700～850 hPa 有东北风与偏西风的风向切变，风向顺转，中层700～500 hPa 风向随高度逆转，说明低层有暖平流、中层有冷平流，大气处于上冷下暖的热力不稳定状态。特殊层分析显示700～850 hPa 有不稳定层，因前期喀什地区出现少量降水，低层湿度较好，大气转为上层干冷、低层暖湿的状态，说明此时大气层结不稳定，有利于强对流的发生。

“7·29”过程（图4b），08 时冰雹发生地伽师上空垂直风切变＞15 m/s，14 时达到最强，为19 m/s，是中等强度风切变。近地层风由南风转为西北风（图5b），顺转幅度不大，说明暖平流不强，700 hPa 以上为冷平流。T-lnP特殊层分析显示地面到400 hPa 表现为深厚的湿层和不稳定层，而400 hPa 以上为干层，大气层不稳定，为强对流的发生提供了不稳定条件。

图4 沿39°N 的垂直风切变剖面（单位：m/s）（a 为5 月18 日20 时—19 日20 时，b 为7 月28 日20 时—29 日20 时）

图5 5 月19 日14 时（a）与7 月29 日14 时（b）订正探空资料

5 雷达回波特征对比分析

5.1 回波形态

“5·19”过程的雷达反射率因子图（图6a）上，18：03 在岳普湖东部和西南部形成＞45 dBZ 回波单体，周边不断有强对流回波单体生成并发展，19：22—19：44 在岳普湖—伽师东部形成由多个强对流单体合并组成的具有高反射率因子梯度的多单体线性强风暴，其中位于岳普湖东南方向的单体发展最强，强度超过55 dBZ，19：56 回波强度达61 dBZ，岳普湖出现冰雹。

“7·29”过程的雷达基本反射率因子图（图6b）上，17：52 阿图什上空及伽师县北部50 km 处分别出现两个强回波单体，回波单体不断发展增强、面积扩大，在阿图什—伽师东北部形成带状回波，19：00—19：52 伽师西北方向的强回波单体继续发展加强，并在强西北气流的作用下向东南移至克州与伽师的西北边界，发展成多单体强风暴，最强回波强度达65 dBZ，此时间段内阿图什市、格达良乡及伽师县夏阿瓦提乡、克孜勒苏乡先后出现冰雹，最大冰雹直径达20 mm。

图6 5 月19 日19：56 反射率因子（a）、7 月29 日19：36 反射率因子（b）

5.2 反射率因子剖面特征

“5·19”过程最强回波中心反射率因子的任意方向垂直剖面图上，呈现出悬垂回波、回波墙、弱回波区等回波结构特征（图7a），表示风暴具有降雹的潜势。悬垂回波位于离地面6 km 处，其下为弱回波区。60 和55 dBZ 以上强回波中心高度分别达到4.4、8 km，超过了当日0 ℃层（3 775 m）和-20 ℃层（6 555 m）高度，这种结构有利于冰雹的形成。同时4 km 以下超过60 dBZ 强回波已接地，表示已经降雹。

“7·29”过程回波最强时次的反射率因子垂直剖面图上，可以看到冰雹云体倾斜结构和悬垂回波、弱回波区等冰雹云特有的特征（图7b）。弱回波区之上的高悬回波在7 km 高度，悬垂特征比“5·19”过程更明显，60～65 dBZ 强回波高度接近8 km，远远超过当日-20 ℃层（7 157 m）高度。中低层强度超过70 dBZ强回波已接地，伽师出现了直径20 mm 的冰雹。

图7 最强回波位置反射率因子的任意方向垂直剖面（a 为5 月19 日19：56，b 为7 月29 日19：36）

5.3 基本径向速度特征

“5·19”过程，19：56 在1.5°～4.3° 仰角的径向速度图上有明显的中小尺度辐合特征，在2.4°上最明显（图8a），雹区附近有正负速度的径向辐合气旋，并持续了2 个体扫的时间。该气旋直径＜10 km，从1.5°仰角伸展到2.4°仰角，旋转速度为18 m/s。19：48—20：13 在雹区附近观察到有风场的气旋式辐合，有利于上升气流的维持和增强，为冰雹的增长和持续提供了有利的条件。

“7·29”过程，距离雷达65 km 处1.5°～6.0°仰角的径向速度图上，19：05—19：52 有5 个体扫出现具有类似于中气旋特征的风暴结构，19：36 在1.5°仰角最为明显（图8b），此风暴垂直伸展高度为5.4 km，1.5° 仰角旋转速度为20 m/s，2.4°仰角上旋转速度为15 m/s，不满足中气旋的判别条件，故判定为弱切变。3.4° 仰角上冰雹出现前的5 个体扫清晰地看到有逆风区存在，逆风区附近有正负速度的辐合气旋。

图8 5 月19 日19：56 时2.4° 径向速度（a）和7 月29 日19：36 时1.5° 径向速度（b）

5.4 垂直累积液态含水量变化

对比分析两次冰雹过程的VIL的变化，发现两次过程在冰雹发生前后均出现VIL值跃增和迅速减小等现象，其中“7·29”过程VIL值大小、跃增幅度、峰值持续时间均大于“5·19”过程。

“5·19”过程19：28VIL值为18 kg/m2（图9a），19：44 达到最大值38 kg/m2，VIL峰值维持了2 个体扫的时间，随后迅速减小，20：01 降到28 kg/m2，VIL迅速增大和减小期间岳普湖出现冰雹。

“7·29”过程VIL值出现两次明显的跃增（图9b），第一次为19：05—19：10，VIL由18 kg/m2跃增到39 kg/m2，1 个体扫增幅为20 kg/m2，这时阿图什格达良乡开始降雹；第二次为19：10—19：16，VIL由39 kg/m2跃增到48 kg/m2，并维持6 个体扫的时间，19：31—19：36 达到峰值为53 kg/m2，大VIL值维持时间段内阿图什、伽师先后出现了冰雹。

图9 2018 年5 月19 日19：28—20：07（a）与7 月29 日19：05—19：57（b）VIL的演变

6 结论

利用常规资料、NCEP（1°×1°）资料和雷达资料，对比分析了塔里木盆地西缘两次致灾冰雹的环境场和雷达特征，得出如下结论：

（1）两次冰雹天气的中高纬度环流经向度大并有中亚低涡配合，前期出现明显降水。但中亚低涡的强度和南伸的位置不同，“5·19”过程中亚低涡南伸较明显，并有东灌冷空气的配合。“5·19”过程低层触发系统为地面中尺度辐合线、低层切变线和低空偏东急流，“7·29”触发系统为700 hPa 切变线。

（2）两次冰雹过程均由中高层干冷空气向南扩散叠加在低层暖湿气流之上，形成不稳定层结；午后中低层环境温度直减率增大，大气不稳定性加剧，中低层湿度大，水汽充沛，冰雹均发生在θse高能区附近。“7·29”过程在低层高能高湿、高能锋区等变化上比“5·19”过程强。中低层环境温度直减率变化幅度“5·19”过程比“7·29”过程大，“5·19”过程冰雹区14时达34 ℃，这在春季罕见。

（3）两次过程冰雹发生前各项强对流参数明显增大，尤其CAPE指数突增明显，“5·19”过程由0 J/kg突增到1 180 J/kg，不稳定能量明显比“7·29”过程强，但K、SI、SWEAT等强对流指数“5·19”过程小于“7·29”过程。两次过程的0 ℃层和-20 ℃层高度差异较大，但两层之间的厚度相当，有利于形成冰雹。

（4）两次冰雹均在中等强度垂直风切变条件下产生的小冰雹，跟以往研究不同的是，由于中等强度风切变的长时间维持，使得冰雹持续时间较长，带来的灾害较为严重，所以在往后的预报服务中应引起关注。

（5）两次冰雹均由多单体风暴产生，反射率因子剖面图上出现弱回波区和悬垂回波，≥50 dBZ 的强回波伸展高度远超过-20 ℃层高度；径向速度均有中小尺度辐合特征；VIL值均有跃增，表明雹云内部较大的雹粒已形成，冰雹粒子浓度增加，对冰雹的临近预报有指示意义。“7·29”过程VIL大值及其维持时间明显较“5·19”过程偏强，这也是“7·29”冰雹持续时间更长的一个重要原因。