高空冷涡强迫下连续降雹的环境场特征及成因诊断分析

赵岳冀

呼伦贝尔市气象局，内蒙古呼伦贝尔 021000

冰雹等强对流天气是在一定的大尺度环流背景中，由各种物理条件相互作用形成的中尺度天气系统产生的结果[1]。孙继松等[2]分析了华东地区冷涡槽后类冰雹成因，指出强垂直风切变、中低层强的温度直减率、低层切变线、干线和地面辐合线是这类冰雹发生的有力的热力和动力条件，给出了概念模型和相关的物理量阈值。但是对这种连续降雹天气成因认识不足，会造成对冰雹的漏报。因此，分析了2017年7月22—26日连续降雹天气过程的特点、环流形势及要素场特征及形成机理，提高对此类冰雹天气的预报预警准确率提供有价值的参考。

1 天气实况

2017年7月22—26日呼伦贝尔市大部出现强对流天气，造成大风冰雹灾害。22—23日莫旗6个乡镇出现冰雹天气，并伴有短时雷暴大风，其中尼尔基极大风速达31.3 m/s，降水量15.8 mm，冰雹直径在5～13 mm；鄂伦春旗4个乡镇出现冰雹灾害，冰雹最大直径60 mm，最长持续时间为30 min；23日阿荣旗部分乡镇相继遭受冰雹袭击，并伴有雷暴大风，降雹持续约15 min，降雹厚度约5 mm，最大冰雹直径约15 mm；26日新左旗出现冰雹天气，降雹持续20 min，伴有短时强降水，小时降水量24.5 mm，冰雹最大直径达45 mm(人工观测)，平均重量22 g，创历史极值。

对冰雹发生区域逐3 h的闪电定位数据进行累加，冰雹发生区域闪电活动频繁。其中，直径达45 mm的冰雹落区中，负的闪频数出现在降雹前20 min，正的闪频数滞后于降雹发生时间，且相对集中。

2 天气系统配置

分析2017年7月21—27日500 hPa欧亚平均高度场，欧亚中高纬上空为两槽一脊的经向环流，东亚大槽位于135°E附近。贝加尔湖东北部的冷涡的维持和发展是造成7月23、26日冰雹大风天气的主要天气尺度系统，地面辐合线为中尺度天气系统触发条件[3]。22日形成于贝加尔湖东北部的冷涡，在涡后脊与补充南下的冷空气推动下，低涡东移南压，涡底伴随有短波扰动。从温度场的演变分析，22日08:00，500 hPa的-20.0 ℃闭合冷中心位于贝加尔湖的东北侧，与冷涡相配合，23日08:00，从冷涡底部分裂出低槽，冷中心逐渐向西南扩展，表明中高层有冷空气向东北地区侵入，且有一支风速为20.0 m/s的强西北风急流，这支急流引导中层干冷空气从中高纬度南下，为大气对流不稳定的产生提供了不稳定条件。从图1可以看到，26日08:00，700 hPa上呼伦贝尔市西部存在明显的切变线，切变线南侧对应一支偏南风急流，急流中心最大风速为18.0 m/s。这支急流不仅提供了充足的水汽来源，还与高层南下的冷空气相互作用，促进了呼伦贝尔市西部大气层结不稳定的发展。同时，可以看到850 hPa降雹区始终被暖脊控制。在地面图上，强对流天气区处于热低压倒槽，倒槽从河套向呼伦贝尔市西部延伸，同时配合有地面辐合线，地面辐合线是此次降雹天气的触发机制。且500 hPa上较强的西北气流与地面较弱的东南气流之间形成了较强的垂直风切变，加之地面辐合线的抬升作用，释放不稳定能量。

图1 2017年7月26日强对流天气落区(阴影区)天气系统配置图

总体而言，此次强对流天气随着深厚的冷涡东移南下，涡后偏北风急流建立，对流层中高层有冷平流向南扩散，对流层低层偏南风气流的发展，这种冷暖平流的垂直分布促进了大气层结不稳定发展。同时，副热带高压的西伸北抬和700 hPa低空急流的发展为此次强对流天气的发生、发展提供了水汽条件。

3 成因分析

3.1 大气温湿条件

26日08:00，冰雹发生在500～850 hPa温差为≥25.0 ℃区域中，温度垂直递减率较大，850 hPa低层有T-Td＜5.0 ℃的高湿区配合。湿度的垂直梯度较大，呈现出上干下湿的分布特征。从24 h变温场来看，850 hPa呼伦贝尔市大部为大范围的升温区，最大升温达8.0 ℃，500 hPa处于降温区，最大降温10.0 ℃，大气层结不稳定进一步发展，为强冰雹的发生提供了有力的层结不稳定条件。

选取发生冰雹区域的附近的海拉尔、嫩江探空站，从图2a上升明显加快可以看到此次对流过程的温湿场和动力场特征，以冰雹、雷暴大风为主。23日08:00，925～700 hPa温度层结曲线接近平行于干绝热线，对流层高层到500 hPa附近有干空气层，中低层风速随高度增加明显，风向随高度的上升有一定程度的逆转，925～400 hPa风垂直切变较强，达到20.0 m/s，600 hPa到地面的下沉对流有效位能较强；从嫩江站探空图可以看到，近地面层至600 hPa，条件不稳定特征显著，湿层较薄，仅700 hPa附近接近饱和，对流层高层到500 hPa附近有干空气层，中低层风速随高度上升明显加快，风向随高度的上升有一定程度的逆转，925～400 hPa风垂直切变较强，达到20.0 m/s，500～600 hPa以及850～700 hPa温度层结曲线接近平行于干绝热线，600 hPa到地面的下沉对流有效位能较强。上述表明，中高层干空气的卷入，促进蒸发，有利于下沉气流产生向下的加速度。同时，温度层结曲线平行于干绝热线又有利于下沉气流在下降的过程中一直保持向下的加速度，有利于雷暴大风的形成[4]。此外，0 ℃高度层在3.5 km左右，-20 ℃高度层为6.7 km左右，有利于产生冰雹。26日08:00海拉尔站的风的垂直变化(图2b)，中低层有较明显的垂直风切变，自地面向上至850 hPa，东风顺转为东南风，风速变化不大，850～500 hPa，风向顺转为西南风，风速增大，500 hPa以上，风向逆转，风速继续增大。风场的配置说明大气在500 hPa以下有暖平流，在500 hPa至对流层顶有较强的冷平流，有利于对流的进一步发展。925～700 hPa附近为不稳定层。在给定湿度、不稳定性的深厚对流中，垂直风切变对对流性风暴组织和特征影响最大，中等到强的垂直切变有利于风暴气流的发展，有利于组织完好的对流风暴。此外，0℃高度层在3.2 km左右，-20 ℃高度层在6.7 km左右。因此，26日08:00海拉尔站的T-lnP图所反映的强的垂直风切变提供了动力不稳定条件，0 ℃层和-20 ℃层的高度都较低，有利于出现冰雹。

图2 海拉尔站探空图

3.2 不稳定性分析

分析逐日850～500 hPa假相当位温之差，发现在降雹的过程中850～500 hPa强对流不稳定。在冰雹发生前后，假相当位温差大多为4.0～6.0 ℃，并且有迅速跃增的特征，降雹发生时降雹区假相当位温差达到9.0～12.0 ℃，冰雹基本发生在锋区南缘正值区内的强对流不稳定区内。22日、23日鄂伦春旗、阿荣旗、莫旗的冰雹降落在“0 ℃”线的南侧的正的弱对流不稳定区(图3)。其中，22日08:00～20:00，呼伦贝尔东南部大部850～500 hPa假相当位温差始终稳定在10.0 ℃以上，最大差值为12.0 ℃，呈东北—西南走向；7月23日冰雹发生区域850～500 hPa假相当位温差由08:00的0 ℃迅速扩展为8.0 ℃，且到20:00始终稳定在6.0～8.0 ℃；26日新左旗阿木古阿郎镇冰雹出现在正的弱对流不稳定区内，850～500 hPa假相当位温差稳定在5.0 ℃。

图3 850～500 hPa假相当位温(单位：℃)08:00、14:00、20:00分布图

4 雷达特征分析

分析反射率的垂直剖面图，可以明显看到多单体风暴发展的不同阶段的回波特征。多单体风暴有界弱回波区明显，有回波悬垂结构。14:07，反射率因子核心位于7 km的高空，强度超过60 dBz，随后，反射率因子核心持续下降，14:22，高度在4 km左右，强度超过65 dBz。此时这个多单体风暴产生了31.3 m/s的大风和强冰雹。14:49，风暴开始减弱，进入消亡阶段，其最大反射率因子仍维持较大的值，但整体的强度变弱。

通常降雹开始前VIL值迅速增长、在降雹开始后迅速减小，且冰雹发生在液态水含量分布的深厚大值区[5]。此次风暴VIL的最大值随时间的演变中可以看到，VIL的最大值变化趋势与最大反射率因子的变化基本一致，但变化更为剧烈。VIL达到最高值后迅速下降，说明风暴内部的对流旺盛，期间伴有破坏性大风的产生。

5 结论

(1)2017年7月22—26日冰雹天气发生在有力的环流形势下，期间欧亚中高纬度为两槽一脊、副热带高压偏北偏西偏强。

(2)500 hPa上，冷涡的维持和发展南压是此次强降雹天气的主要影响系统。从500～850 hPa高度场和风场上都有封闭的低涡。500 hPa冷槽叠加在850 hPa弱暖脊上，地面对应有低压倒槽，地面辐合线为中尺度天气系统的触发条件，是此次26日产生大冰雹的原因之一。

(3)此次连续降雹天气属于高空冷平流强迫类。冰雹发生期间，整个环境场上干下湿，低层700 hPa存在≥18.0 m/s的偏南风急流，且中低层有很强的风垂直切变，风矢差达到20.0 m/s，850～500 hPa温度差大，平均达到25.0 ℃以上，0 ℃层高度较低。

(4)这类冰雹形成的不稳定条件可能形成于中层850～500 hPa强对流不稳定。

(5)这类冰雹形成机理：中高层强烈干冷空气叠加在低层相对暖(湿)气流上，形成对流不稳定，热力结构使得大气温度垂直递减率很高，低层空气负浮力增大，促进了地面强对流天气冰雹、雷暴大风天气的出现。

(6)冰雹落区的潜势预报指标：△θse850-500＞6.0 ℃、T850-500≥25.0 ℃、700 hPa 有风速为18.0 m/s 的偏南风大风速轴，中低层有强的风速垂直切变区。