摘要:为提高冰雹多发、地形复杂的贵州威宁地区冰雹预报准确率，利用探空资料、NCEP(0.5°×0.5°)逐6h再分析资料、多普勒双偏振雷达资料，对2018年25个冰雹天气的环境条件演变特征进行分类对比研究。结果表明:(1)以500hPa主要影响系统将2018年贵州威宁冰雹天气分3类，高原槽型在云贵川小槽影响下水汽垂直输送等条件主要存在于中层。南支槽型主要在中层冷平流的动力强迫下触发对流，水汽垂直输送等条件主要存在于中低层。副高型主要在热低压影响下形成位势不稳定，整层都处在较强的不稳定、抬升条件中，水汽以水平积聚为主。(2)以SI<-0.02℃、BLI<0℃、(T-Td)700<5℃、垂直速度位于-0.2×10-2～-1.2×10-2Pa·s-1、垂直风切变大于12m·s-1判定3类过程环境条件时，总体趋势有相似的分布特征，可捕获至少50%的冰雹日。(3)冰雹典型回波特征结合H40-H0阈值识别雹暴单体的方法，可提高正确率、降低漏报率。这些物理量指标为贵州威宁冰雹天气潜势预报提供了客观统计基础，可为预报预警提供一定参考依据。
关键词:气象学;强对流;雹暴;环流背景;环境物理量;雷达回波
0引言
雹暴是贵州常见的灾害天气之一，常对农作物造成严重危害，带来极大的经济损失，严重时还会影响人们的生活、危及生命财产安全。贵州威宁为冰雹多发区，每年都会有冰雹发生，影响农业生产、民众生活，全面认识威宁冰雹特征，提高威宁冰雹预报预警准确率，是针对威宁冰雹研究的重点。
对于雹暴天气的预报，目前主要以天气形势主观分析结合环境参数诊断分析对强对流天气进行潜势预报[1]，结合回波特征进行预报预警。边界层辐合线、地形、海陆分布、重力波等中小尺度天气系统都是对流活动的触发抬升机制[2-3]。干冷空气入侵、垂直风切变、高低空急流的耦合都是促进对流持续发展的重要环境条件[4]。不同环境条件下，强对流的触发维持机制等会有所不同[5-6]。对贵州地区冰雹环境场的研究中，利用三维冰雹云模式模拟研究发现黔东南地区低0℃层高度、地面气流辐散区为对流发展提供了良好的热动力条件[7]。贵州铜仁冰雹过程主要是中层干冷空气的入侵激发对流，强垂直风切变维持对流发展[8]。对于强对流系统的结构特征，主要通过雷达回波分析。强冰雹的单体易出现三体散射、有界弱回波、回波悬垂、中气旋、三体散射长钉等特征[9-10]。对于不同地域的强对流单体回波特征也存在一定差异[11-13]。刘小艳等[14]基于安顺冰雹的回波特征总结了一些能有效指导防雹工作的识别指标。陈军等[8]通过分析铜仁冰雹回波特征，总结了有关回波顶高、VIL的冰雹指标。除利用典型回波特征主观识别强对流单体外，Donavon使用50dBZ回波高度和MLT结合的方法判别雹暴[15]。以上研究通过环境背景场特征、雷达回波特征，分析不同物理机制下的强对流个例。通过环流形势、物理量、雷达产品特征了解不同地区环境条件、触发维持机制、对流结构特征，总结相关指标用于雹暴预报预警。对于像贵州威宁这样冰雹多发、地形复杂特定区域的雹暴研究不多，结合各尺度特征分析得出相关物理量指标的研究较少。文中针对威宁雹暴分类分析其环境背景场特征，提炼出结合当地特征的物理量指标进行指示预测，将会达到更好的预报效果。
1资料方法
主要利用2018年威宁站08时探空资料、NCEP(0.5°×0.5°)逐6h再分析资料、多普勒双偏振雷达观测资料，在天气学原理和数理统计理论指导下，根据500hPa主要影响系统对威宁冰雹日分类，分析不同类型雹暴天气的环境条件和对流结构特征，了解不同环境背景下雹暴回波特征。计算表征不稳定、水汽、辐合抬升条件的相关物理量，总结对冰雹预警有指示意义的物理量分布特征，为冰雹预报预警提供参考依据。有助于提高对不同类型环流背景下冰雹天气的短时、临近预报水平。其中雷达回波资料采用的是位于威宁县雪山镇的X波段双偏振雷达观测数据，其采用VCP21扫描模式，可得到有效范围75km内的基本反射率因子、径向速度、差分反射率因子等数据产品。
2天气形势分类
威宁位于云贵高原东部地区乌蒙山腹地，纬度低、海拔高，平均海拔2.2km。具体经纬度为东经103°36'～104°45'，北纬26°30'～27°25'。威宁历年来冰雹灾害频发，利用贵州威宁2018年25个冰雹个例对其天气特征进行研究分析。以高空500hPa主要影响系统将冰雹日的环流形势分为高原槽型、南支槽型、副高型3类(表1)。
3月12日、4月25日、7月22日分别为高原槽型、南支槽型、副高型个例。各类型冰雹日的环流形势特征可通过图1中的个例体现。高原槽型的环流形势特点为:500hPa中高纬呈现稳定的一槽一脊或两槽一脊形势，有利于北方冷空气沿新疆南下向中国西南地区输送。冷涡分裂的小槽东移携带冷空气南下，小槽从青藏高原东移至云贵川地区触发维持强对流生成发展。主要以云贵川小槽触发维持对流发生发展，结合高低空急流、切变线为强对流提供良好动力抬升背景。南支槽型的环流形势特点为:500hPa南支槽影响下中国西南地区处于西南气流控制下，绕青藏高原南下的冷平流沿西南气流影响降雹地。中层干冷空气向降雹地输送，上干下湿的层结条件形成对流不稳定环境，在冷平流的动力强迫作用下触发对流形成。副高型主要的环流形势特点为:500hPa中国中东部地区处于副热带高压控制下。降雹地位于副热带高压轴前沿，偏东气流为降雹地带来干暖空气;副高北侧冷空气入侵促进对流不稳定形成。副高前沿的切变线触发维持对流发展。常在低层热低压作用下，以地面干线等系统触发对流发生发展。
3环境场物理量特征利用
NCEP再分析资料计算得θse、水汽垂直螺旋度、热力切变平流参数、水汽通量散度、垂直速度与威宁站探空资料计算得出的SI指数、BLI指数、温度露点差、垂直风切变等，可用于分析各类型雹暴日环境条件特征。
3.1不稳定条件特征
高原槽型主要受北方强冷空气影响形成不稳定层结，高空冷空气沿槽后西北气流南下输送至低层暖湿空气之上，对流层中高层形成不稳定层结条件，θse主要在对流层中高层垂直梯度明显。3月12日北方冷空气下滑趋势明显，降雹地中高层θse垂直梯度大，为显著对流不稳定(图2a)。南支槽型冷空气主要沿偏西气流从中层入侵与低层湿区重叠在对流层中低层生成不稳定层结区域。4月25日500hPa以下θse随高度迅速减小，等值线相对密集，存在显著对流不稳定(图2b)。副高型在副高和低层热低压影响下，降雹地整层为暖气团控制，副高北侧冷空气入侵降雹地整层存在不稳定形势。7月22日高层冷空气向南伸，θse等值线密集并且在垂直方向呈现一定梯度，整层存在显著对流不稳定形势(图2c)。
由于冷空气入侵层次和强度不同，3种类型的不稳定条件特征都有一定差异，但用SI指数、BLI指数对整层不稳定条件进行潜势判定时，各类型都遵循相似趋势(图3)。因此可根据统计情况选取阈值为预报预警提供相关依据。将SI<0℃作为判定阈值范围时，每种类型都可捕捉至少75%的冰雹日(图3)，BLI<0可捕捉到接近50%的冰雹天气(表2)。据统计可选择SI<-0.02℃和BLI<0℃作为冰雹天气预警指标，结合θse分布趋势进行具体分析，可了解个例不稳定条件特征、类型。
3.2水汽条件特征水汽
垂直螺旋度是垂直螺旋度与有关水汽物理量比湿的乘积，能反映水汽通量涡度的垂直输送情况[16]。因此可利用温度露点差、水汽通量及其散度、水汽垂直螺旋度分析各类型雹暴日水汽条件特征。
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高原槽型、南支槽型的水汽垂直输送条件较好，降雹地中低层存在水汽垂直螺旋度大值区。副高型垂直输送较弱，水汽主要依靠水平输送积聚。通过主观趋势分析可知水汽主要在低层700hPa附近积聚，通过700hPa温度露点差诊断水汽条件，90%冰雹日700hPa温度露点差小于5℃，低层水汽接近饱和;与水汽通量及其散度、水汽垂直螺旋度分析结果一致。据统计，南支槽型75%的个例温度露点差达到2.5℃以下，有更好的水汽条件(图6)。总体冰雹日温度露点差的第80百分位数为4.8℃(表3)，根据温度露点差小于5℃，每种类型都可捕获到超过50%的冰雹日，总体可捕捉80%的冰雹日。
4雹暴的回波特征分析
4.1雷达回波特征
双偏振雷达回波为冰雹天气的监测预警提供了有利的数据支撑。雪山镇位于威宁较高地势处，因此位于雪山镇的雷达有效避免了威宁特殊地形地势对观测带来的影响。据回波统计可知，不同环境条件下形成的雹暴单体，其回波强度与高度等存在一定差异。反射率因子的值越大，回波高度越高时，产生强冰雹的可能性越大[19]。回波顶高度反映水汽和上升气流的垂直发展情况，回波顶高度越高，说明有更强的上升气流来促进冰相粒子的形成与发展。
据统计可知25例雹云中最大回波强度在55～65dBZ，最强回波顶高在6km左右。副高型和高原槽型回波发展强盛，最大反射率整体分布高于南支槽型，存在雹暴单体强中心达到65dBZ的个例(图9a)。南支槽型发展较弱，最强回波中心达到62dBZ。以35dBZ回波顶高作为单体回波顶高的依据时，副高型75%回波顶高达到8km(图9b)。副高型垂直对流发展强盛，单体发展高度远高于其它两类。高原槽型次之，当出现像飑线一类的对流单体时，回波中心强度达到65dBZ，35dBZ回波顶高可达到8km。南支槽型对流发展较弱，35dBZ回波顶高多在5km左右(图9b)。
如图10所示，3个个例降雹前强回波中心都达到4km左右。由于高原槽型、南支槽型0℃、-20℃层高度比副高型低，3月12日、4月25日强回波中心可向上延伸至-20℃以上，强对流将水汽向高层输送有利于大冰雹的生成。3月12日为对流发展强盛的飑线系统，回波中心强度最大。并且0℃～-20℃层较厚，有利于冰雹反复增长且降落时不易融化。因此3月12日单体发展更加强盛且形成冰雹更大。4月25日冰雹在-20℃以上快速增长，但由于较薄的0℃～-20℃厚度，下落过程中较厚的暖层易造成冰雹融化，导致冰雹粒子大小、回波强度小于3月12日。7月22日在强上升气流作用下整体发展高度较高，有利于形成较大冰雹。
4.2冰雹回波参数与0℃层高度
冰雹在0℃层以上反复增长发展到上升气流不能支撑时降落地面，降落前在雷达图上观察到发展至0℃层以上的强回波区，可作为上升气流强度的指标[20]。25例雹云中，只有11块雹云具有冰雹云的典型回波特征;说明只根据典型回波特征判别冰雹，虽然准确率高却会出现漏报。典型回波特征结合回波顶高与0℃高度关系阈值共同判别雹暴单体的方法，将会在提高准确率的同时减少漏报率。Mather等[21]、Federer等[22]把强回波顶高与0℃层高度之差作为地面降雹的判据，樊鹏等[23]把H45≥H0+2.3km作为山西冰雹的判据之一，可针对贵州威宁冰雹，研究分析40～50dBZ回波高度与0℃层高度对冰雹的指示作用。研究分析0℃层高度与强回波高度之间的关系，找出适合贵州威宁冰雹发生的指标阈值。考虑到雹云的发展和6min的时间间隔可能会错过雹云强烈发展阶段，选取降雹前30min至降雹时段的雷达数据针对强回波强度及其回波高度进行统计分析。
雷达的回波高度和中心强度会根据0℃层高度的季节变化产生一定变化。当0℃层高度超过2500m时，强回波顶高度与0℃层高度之差也会产生变化(图11)。因此可针对0℃层高度是否超过2500m，根据0℃层高度与强回波顶高度的差值来判别冰雹。根据40～50dBZ回波顶高与0℃层高度相关性分析可知H50与H0之间的关系不可靠，未通过95%的显著性检验。H40与H0的相关性达到75%，因此根据H40与H0的差值作为冰雹判据的可行性更高(表5)。如表6，当H0>2.5km时，H40-H0>2.7901km;当H0<2.5km时，H40-H0>1.4913km可作为指标为冰雹预报预警提供参考。——论文作者：向淑君1，周筠珺1，2
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