探空资料在大冰雹判别中的应用

黄 钰，张小娟

(1.贵州省人工影响天气办公室，贵阳 550082；2.贵州省冰雹防控技术工程中心，贵阳 550082)

0 引言

贵州处于南方多雹带区域内，从高海拔的高原台地逐渐过渡到低海拔的平原丘陵地区，主要经济作物多为马铃薯、茶叶、烤烟等。冰雹灾害与洪涝及干旱等气象灾害相比，虽然每次影响的面积相对较小，但其突发性强，破坏力大，造成的损失严重，致使冰雹灾害与特色农业发展需求之间的矛盾加剧，提高冰雹的预警预报技术是减少农业经济损失的迫切需求。对于冰雹的识别，主要以多普勒及双偏振雷达的探测为主，很多气象工作者基于雷达回波最大反射率因子强度、垂直液态水含量、回波顶高、强回波中心发展高度等参量建立了适用于本地化的识别参数指标[1-5]，同时很多研究也指出，探空资料能够获得大气垂直方向的温湿分布，反映层结稳定状态，强的垂直风切变能够维持强对流的发展，对冰雹的产生起到一定作用，0 ℃层高度、-20 ℃层高度、500 hPa与850 hPa温差等条件因素能够区分冰雹和短时强降水过程[6，7]。目前，0 ℃层及-20 ℃层高度是业务中识别冰雹云的主要参数，一般将0 ℃层(干球温度0 ℃层高度，DBZ)作为冰雹开始融化的高度，0 ℃层高度越高越不容易产生降雹。但是俞小鼎[8]提出，在实际业务中，当对流中层大气环境较干时将湿球温度0 ℃层高度(WBZ)作为冰雹融化的实际高度更具科学意义。这种中高层干侵入对应于“上干下湿”的不稳定层结，本地研究也有提到[9]，十分有利于强对流的产生。文章将进行探空资料在大冰雹判别中的应用分析，以期提高对强冰雹的预报预警水平。

1 资料和方法

研究区域集中在贵州的中西部地区，该区域为贵州冰雹多发地。筛选了2016—2019年20个冰雹个例，尽可能涉及不同类型、强弱的降雹，探空资料为威宁、贵阳两个站次(08：00、20：00时次)，降雹资料主要来源于台站及作业点上报信息。20次冰雹个例中最大降雹粒径为50 mm(2018-04-04，金沙)，此次过程由超级单体引起，此外常见多单体降雹，少量独立单体及局地独立对流单体，超级单体、多单体降雹时间一般由西部向东部发展移动，持续时间较长，并且冰雹落区范围较大，农作物损失严重。

首先统计目前探空资料在冰雹识别中常用的一些参数：0 ℃层高度、-20 ℃层高度、500 hPa与850 hPa温差、垂直风切变、对流有效位能，分析上述参数在本地冰雹过程中的体现特征，并着重讨论对大冰雹(降雹粒径≥20 mm)判别有用的参数。

2 探空资料在大冰雹判别中的应用

2.1 基本特征

整体上独立单体的发展更为旺盛，发展高度更高，多单体融合(持续时间较长)和超级单体引起的过程更容易产生大冰雹。一般研究结果均认为较大的CAPE值、较强的垂直风切变和在0 ℃层高度适宜的条件下容易产生大冰雹。分析过程发现08：00 CAPE一般情况下并不显著，但随着午后气温上升，用地面14：00温度进行订正后，不稳定能量明显提升，有利于强对流发展；从ΔT85可以明显看出低层到高层的垂直温度递减率大，对应层结的不稳定性；此外，垂直风切变越大并未对应越大的降雹粒径，相关性与ΔT85相比较差(图1)，但是垂直风切变越大一般对应更长的过程持续时间。早春DBZ高度明显较低，天气越热该数值越大，这也在一定程度上解释了为什么降雹更容易发生在春天，而夏天主要以降水过程为主。

图1 雹径与500 hPa和850 hPa温差(ΔT85)(a)、垂直风切变(b)的相关性

2.2 大冰雹判别讨论

在实际业务过程中，很多情况下将探空得到的DBZ高度认为是冰雹开始融化的高度，但是当冰雹下落到DBZ高度位时，冰雹由于融化其表面出现一层水膜，如果当时大气环境十分潮湿，相对湿度能达到100%，那么冰雹表面的水膜不会蒸发，则冰雹融化层高度大致就是DBZ的高度；但是如果当时大气环境较干，冰雹表面的水膜会蒸发并吸收大量的蒸发潜热，此时冰雹表面水膜外层温度会因降到0 ℃以下而再次冻结，在降落到大约WBZ高度附近才开始真正融化，那么此时冰雹开始融化的实际高度应该更趋近于WBZ高度，将明显低于DBZ高度。

利用俞小鼎[8]提到的T-logp图上绘制WBZ高度的方法，对凌晨降水(2019-08-21T20：00 57816站探空资料)及下午降雹(2018-04-04T08：00 57816站探空资料)进行WBZ绘制，可以明显看到当对流中层湿度较大时，WBZ与DBZ临近；而对流中层为明显干层时，WBZ的高度比DBZ的高度有明显的下降，同时，DBZ的高度在夏季明显高于春季。

文章基于T-logp图估算了筛选的20次冰雹过程的冰雹融化层高度(WBZ)，对应时刻WBZ对于DBZ均有不同程度的下降，最小下降距离为0.21 km，最大为1.77 km。在降雹粒径较大的过程中对流中层的干冷入侵现象更为明显，对流中层较干的情况下，一方面由于冰雹表面的水膜蒸发并吸收大量的蒸发潜热，实际的融化高度下降；另一方面，该层温度较低时，干空气的存在还会导致更强、更冷下沉气流并在大气边界层形成强的冷池，进一步降低和地面间的平均温度。2018-04-04个例贵阳站WBZ比DBZ下降了1.77 km，实际冰雹融化层高度低至2.8 km，大大缩短了冰雹落地时间，对应产生了50 mm粒径冰雹；对应当日的威宁站资料，WBZ比DBZ下降了近0.7 km，虽不及贵阳站的WBZ低，但其环境温度较低(6 ℃)，且威宁海拔较高，实际落地时间不长，故两站的探空资料都有较好的响应。2016-04-14，WBZ比DBZ只下降了0.45 km，但是对应的环境温度却很低(2 ℃左右)，距地面的平均温度较低，这使得冰雹颗粒在下降的过程中不易融化，最终也导致了大冰雹的产生。而2019-08-13，WBZ虽然比DBZ下降了1.39 km，但因距地面的平均温度较高，干冷入侵的效果不明显，故并未产生大冰雹，但冰雹融化层高度的降低是导致此次盛夏降雹的主要原因之一。剔除如2019-08-13这样的极端个例，发现DBZ对应WBZ高度的下降值与降雹粒径的对应性较好，在今后的监测预警中，应该注意冰雹实际融化层高度的因素，并综合考虑干冷空气入侵的影响(图2)。

图2 ΔH(湿球温度0 ℃层与干球温度0 ℃层的高度差)与雹径的相关性

3 结束语

文章对2016—2019年贵州中西部地区20次不同类型降雹过程的探空资料分析发现：多单体融合(持续时间较长)和超级单体引起的过程更容易产生大冰雹，较大的CAPE值、一定程度的垂直风切变、高低空的温差是产生降雹的一般条件，但不是必要条件，在上干下湿的水汽分布条件下，中高层的干入侵会大大降低冰雹融化层的高度，这对降雹与否(尤其夏季)及降雹粒径大小有着明显影响，干球温度0 ℃层对应湿球温度0 ℃层高度的下降值与降雹粒径的对应性较好，在今后的监测预警中，需注意冰雹实际融化层高度，并综合考虑干冷空气入侵的影响，尽可能减轻大冰雹引起的损失。