2. 山东省气象台,山东 济南 250031
2. Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031,China
冰雹是山东省重要灾害性天气之一。与干旱、洪涝等其他气象灾害相比, 冰雹发生范围小, 持续时间短, 突发性强, 破坏性大。一次范围较大、强度较强的降雹, 往往伴随着各种阵性极端灾害性天气过程, 如狂风、暴雨、急剧降温等。山东和我国许多其他地方一样经常受到冰雹的袭击, 由于冰雹多出现在农作物生长的关键时期, 短短几分钟的降雹就可使得农作物遭受毁灭性损害。据《中国气象灾害年鉴》(2013-2015年)记载, 我国平均每年雹灾面积170余万hm2, 重灾年达400万hm2, 冰雹所造成的直接经济损失约为数亿元至十余亿元。
鉴于冰雹产生的巨大灾害, 近几十年来, 随着探测技术和手段的发展, 国内外许多专家对产生冰雹的雷暴云的形成机理、云体结构进行了不少探索, 取得了一些有益的研究成果[1-6]。MONCRIEFF and MILLER[7]与COLBY[8]研究表明, 利用对流有效位能和对流抑制能量表示整层大气的对流潜势时, 对流有效位能越大, 对流抑制能量越小, 深厚湿对流越容易发展, 越容易产生大冰雹。WILSON and REUM[9]、ZRNIC[10]研究发现雷达图上探测到大冰雹时可能会出现虚假回波。LEMON[11]进一步将此虚假回波现象定义为"三体散射长钉"(three body scatter spike, TBSS)。从20世纪90年代开始, 随着我国新一代多普勒雷达的布网, 国内的许多气象学者也对产生冰雹的超级单体进行了研究。从环流形势上, 学者们将产生冰雹的强对流天气进行分型, 归纳为低涡类、低槽类、横槽类与西北气流类, 其中山东产生降雹最多的类型是低涡类, 占降雹类型总数的56.3%[12-13]。雷达回波图上, 大冰雹的雷达回波特征归纳为高悬的强回波, 低层的弱回波区, 中高层的回波悬垂和有界弱回波区以及中气旋等[14]。大量的研究表明, 冰雹的产生受3个环境参量的制约, 分别是对流有效位能(CAPE)、垂直风切变与0℃层高度。一般来讲, 冰雹天气产生时对流有效位能值在1000J·kg-1之上, 且该值越高, 越有利于大冰雹的产生;大冰雹对应的垂直风切变值主要集中在 2×10-3s-1之上, 即发生在中等以上强度的垂直风切变下;大冰雹对应的0℃层高度主要集中在4.0 ~ 5.0km 之间, 超过5.0km, 几乎很难产生大冰雹[15-16]。AMBURN and WOLF[17]利用多普勒雷达的日常产品垂直累积液态水含量(VIL)与风暴顶高度之比定义了VIL密度, 研究发现大冰雹发生时对应的垂直累积液态水密度阈值是3.5g·m-3, 如果达到4g·m-3, 几乎肯定发生大冰雹。据研究, 大多数冰雹发生需要充足的水汽条件, 这也是冰雹发生时往往伴随强降水的原因。但是在西北和东北地区, 在水汽条件不是很好的情况下也可能出现冰雹, 而此时天气往往只伴随弱的降水, 称为干雹暴[18-19]。王婷婷等[20]通过数值模拟实验表明当改变水汽条件时, 干湿雹暴天气可相互转化。
2019年6月上中旬, 黄河入海口出现了6次局地小冰雹天气, 有5次伴有不足3mm的弱降水, 1次伴随的降水量为21.9mm。尽管冰雹的最大直径均在10mm以下, 降雹时间也仅有几分钟, 但是恰逢麦收时节, 给当地的农业丰收造成了很大的损害。历年6月也会出现冰雹天气, 可是像2019年这样高的降雹频率实属罕见。产生这些冰雹的大气环流有哪些特征, 为什么这些冰雹天气大都伴有弱降水, 这些冰雹云中冰水粒子的分布是怎样的, 这些问题值得我们去研究, 为今后准确预报与防御冰雹提供参考依据。
1 冰雹天气过程概况2019年6月1日、4日、8日与13日的14-16时, 2日的05-07时, 3日的00-02时在黄河入海口地区连续出现了6次冰雹天气, 冰雹的最大直径为5~8mm, 观测到的冰雹下落时间仅有1~3min, 下落的地点集中在1~3个乡镇。下落的具体位置见图 1。从图 1中可以看到, 冰雹的下落地点主要在沾化县、博兴县、河口区、利津县北部、垦利区的东北部及广饶县境内。降雹的覆盖范围几公里至几十公里, 观测到的降雹站点仅有1~3个。这6次降雹天气呈现出雹暴云发展迅猛, 降雹范围小, 冰雹尺寸小, 下降时间短等特点。
冰雹产生于强对流天气过程中, 有利的大尺度环流背景是必不可少的。图 2给出了6次强对流天气产生的大尺度环流背景及天气系统配置。由图 2可以看到, 6月1日、2日、3日与4日(图 2a-d), 500hPa中纬度多为西北气流, 弱的浅槽位于河套地区。贝加尔湖或其西北部有冷槽, 随着系统的东移, 高纬度冷空气自槽底沿西北气流向东南方向推进。由高空三层(500、700、850hPa)槽的配置来看, 6月1日与4日属于前倾槽, 2日与3日属于后倾槽。6月8日(图 2e), 影响黄河口地区的系统是华北冷涡, 黄河口处于冷涡的东南象限。6月13日(图 2f), 东北冷涡已移入鄂霍次克海, 其后的横槽即将影响黄河口地区。低层850hPa温度场上, 这6次过程在华北地区均存在东西向的暖脊或暖中心。这样在形势上构成了"上冷下暖"的大气层结。地面图(图略)上, 在山东北部一直存在一条东西向的地面辐合线, 对6次对流天气的发生起到了触发作用。
由对流天气发生前3h的要素场分布情况(表 1)可以看到, 这6次对流天气发生之前, 黄河口地区850hPa与500hPa的气温差t850-t500为28~33℃。山东在t850-t500≥28℃时即可产生对流天气[21]。1日与2日的 CAPE 值分别为520J·kg-1与650J·kg-1, 其余4次的CAPE值大都在900J·kg-1以上。500hPa与1000hPa之间的垂直风切变为5~7×10-1s-1。普查这6次天气过程的比湿情况, 发现水汽条件最好的层次在925hPa以下。据统计, 1日与2日925hPa的比湿均为6g·kg-1, 3日与4日均为8g·kg-1, 8日与13日分别为12g·kg-1与11g·kg-1。在对流天气发生前3h, 黄河口地区处于对流不稳定的层结中, 有一定的能量积累, 加之近地面层水汽较充沛, 这为雹暴云在该地的发生发展提供了有利条件。
为了弄清楚对流天气即将发生时部分要素的垂直分布, 本文利用第五代欧洲中心再分析资料ERA5(分辨率0.1°×0.1°, 间隔1h)制作Skew t-Logp图。在制作该图时, 选择如下方案:假设气块从最低层(1000hPa)处抬升, 先沿干绝热线上升至抬升凝结高度(LCL), 再沿湿绝热线上升, 且假设湿绝热上升为可逆过程(液态水和冰都包含在上升气块中), 另外假设气块温度低于0℃时里面的液态水进一步变成冰。
由图 3可以看到, 2019年6月发生在黄河口地区的局地冰雹天气呈现出一些共性特征。1)有5次过程在近地面层存在逆温:6月1日、4日、8日与13日的逆温层在1000~950hPa之间;3日的逆温层略高, 在900~800hPa之间;2日没有逆温层, 但是700hPa以下气块温度与空气温度基本重合, 近干绝热变化。2)环境空气大都比较干:在这6次天气过程中, 空气的温度曲线与露点曲线距离均比较远, 说明降雹过程中环境空气比较干;相对而言, 6月4日温度线与露点线在对流层中层较接近, 也仅有这一次, 降雹过程伴有21.9mm的降水, 其余过程伴有的降水量均不足3mm。3)存在对流抑制能量:这6次天气过程均存在对流抑制能量, 相对来讲, 越靠近降雹时刻, 对流抑制能量越小, 这可能与对流已经激发或即将激发有关, 其对流有效位能大都超过1000J·kg-1。4)6 次降雹天气过程中, 0℃层与-20℃层之间的厚度在1.8~2.3km之间:0℃层高度位于650~620hPa, -20℃层高度在460~420hPa之间, 0℃层与-20℃层的高度均较经验值偏低[21]。
由6次降雹天气发生前1h的相对湿度、风场及垂直速度分布(图 4)可以看到, 临近降雹前, 这6次过程在降雹点上空均存在强的上升运动, 上升运动的高度可达500hPa以上, 低层偏南风与高层偏北风的交汇层也在500hPa附近, 这为冰雹天气的产生提供了动力条件。由相对湿度的分布来看, 水汽条件虽然不及强降水时的深厚, 但从400hPa至地面, 相对湿度在70%左右。相对而言, 6月4日对流层中低层的水汽条件明显偏好, 这可能是其伴随降水偏多的原因。6月8日与13日,120°E以东靠近莱州湾海面上空的水汽条件明显偏好, 这与其地理位置有关。
6月1日上午, 自河北至河南的高空槽云系逐渐向东移动, 10:00雷达图上观测到对流回波前沿进入黄河口滨州市境内, 狭长的南北走向的雷达回波带上回波中心强度达45dBZ。在此主回波带的后方不断有新生对流单体生成, 并随主回波带一起移动。13:00主回波带逐渐东移进入莱州湾, 没有产生冰雹天气。其后部的新生回波中有一长度仅几公里的对流回波迅速发展(图 5a1), 在一个体扫间隔时间内回波强度由45dBZ猛增至55dBZ, 并在滨州的沾化县境内降下小冰雹。随后此回波东移, 强度略有增强, 缓慢进入东营市。14:39在利津的虎滩乡、河口的义和乡观测到直径3~5mm的冰雹(图 5a2)。10min之后, 回波带减弱, 东移进入莱州湾。
6月2日03时, 黄河口北部沿岸有对流单体生成。03-05时, 回波范围逐渐扩大, 强度在35dBZ以下。05时前后, 天津附近出现新的对流回波带, 并逐渐东移进入渤海。回波带的南端在沿渤海西海岸处激发出若干新的对流单体(图 5b1), 这些对流单体随对流回波带一起东移。当其经过黄河口北部沿岸时, 原来位于此处强度并不强的对流单体突然增强。十几分钟后, 回波强度由35dBZ增至55~60dBZ。06:51黄河口北岸的回波在河口北部新户乡附近降下如玉米粒大小的冰雹(图 5b2)。07:00回波强度减弱至45dBZ, 之后回波东移进入东部沿海。
6月2日夜间, 随着高空槽东移南下, 23时华北北部有对流回波自天津向东移动, 靠近渤海西海岸时, 回波呈南-北向的带状, 中心强度为50dBZ。回波带南部伸入至黄河口的河口境内, 强度仅有40dBZ(图 5c1)。随后回波继续东移, 3日01:09, 回波强度达50dBZ以上, 强回波区域也逐渐扩大, 并在河口区观测到小冰雹(图 5c2)。随后, 对流回波带继续东移, 于02:20进入莱州湾。
6月4日12:09, 在鲁中山区及其北部地区有对流单体生成, 范围仅几公里, 单体在原地发展, 强度逐渐增强, 范围逐渐扩大。14:38在回波的前沿发展出几块中心强度达50dBZ的小范围回波单体(图 5d1)。在高层引导气流的作用下, 这几块小对流单体缓慢向东北方向移动并逐渐聚合成一条东西向的中尺度对流复合体, 中心强度达60dBZ以上。随后, 此对流复合体进入东营和滨州境内。15:38, 在东营的广饶县和滨州的博兴县观测到冰雹(图 5d2)。
6月8日11-12时, 在黄河口北部和东部沿海岸地区, 雷达图(图略)上可见2~3条中尺度辐合线。12:12在靠近北部海岸的辐合线上出现对流单体, 12 min之后对流单体迅猛发展, 强度增强至50dBZ。12:36对流回波进一步发展成一个密实的对流复合体, 且越靠近莱州湾的回波强度越强(图 5e1)。之后, 此对流回波一边向东扩展, 一边缓慢南压。13:36其回波中心强度达60dBZ(图 5e2)。在黄河口的孤岛乡附近观测到最大直径5~8mm的冰雹。随后, 对流回波带向东南方向移动, 14:53强回波全部移入莱州湾, 对流天气结束。
6月13日12:00-12:30, 雷达回波图(图略)上可见在黄河口沿海岸线附近有 条相接的呈"八"字形的中尺度辐合线。12:50在其中一条辐合线上生成对流单体, 6 min之后, 沿着辐合线出现了多个小尺度对流回波, 并逐渐聚合。13:55发展成一条东北-西南向的对流回波带, 回波带的两端出现中心强度达50dBZ以上的强回波单体(图 5f1)。回波带移动缓慢, 强回波范围逐渐扩展, 发展成一条带状(图 5f2), 14:55在河口区及其附近观测到小冰雹。
以上分析可知, 黄河口地区冰雹天气频发主要来源于两种形式, 一是强回波从上游移入, 比如从天津、河北沿西北路径东移, 到达黄河口地区强度增强, 产生冰雹;二是在适宜的环境场下, 在黄河口本地生成对流单体, 然后迅猛发展, 产生冰雹。后者雹暴云具有发展迅猛, 降雹时间短, 冰雹直径小等特点。通过普查这6次冰雹过程, 总结出降雹时刻的部分雷达产品信息(表 2)。从表 2中可以看到, 黄河口地区产生冰雹, 回波顶高(ET)一般在10km以上, 垂直累积液态水含量(VIL)在23kg·m-2以上, 最大组合反射率(MaxREF)在55dBZ以上, 这可以作为黄河口地区6月降雹的预警指标。其中, 回波顶高和最大组合反射率因子与其他地区总结的降雹指标没有差别, 但是垂直累积液态水含量的指标下限比其他地区的值(30kg·m-2)要小[19, 22]。
在风暴发生发展过程中, MaxREF、ET 与VIL都会出现不同程度的增长[23-24], 即雹云发展的跃增阶段。本文统计了降雹天气过程中MaxREF、ET与VIL的跃增量。在6次过程中, 距离降雹时刻跃增时间最短的是4个体扫, 最长的是17个体扫。为了便于比较, 给出了距离降雹时刻提前4个体扫的跃增量(表 2)。由表 2可以看出, 4日与8日MaxREF的跃增量最大, 可达40dBZ, 1日的最小, 为15dBZ。回波顶高ET的跃增量为4~6km。VIL的最大增量出现在3日, 达40kg·m-2, 最小的出现在1日与13日, 也有15kg·m-2的增量。与以往的研究结果(三参数的平均增量分别为7dBZ, 2.7km, 17kg·m-2)[23-24]相比, MaxREF与ET的跃增量明显偏高, VIL的增量除了1日与13日较统计结果略偏低外, 其余4次均偏高。可见发生在2019年6月上中旬的6次雹暴云属于迅猛发展个例。
在降雹天气发生时, 雷达可探测到雹暴云内部的风场特征。由图 6可以看到, 6月1日与3日, 雷达图上表现为风速脉动, 这种脉动伴随着风速的辐合, 有利于对流的发展加强。其余4次强对流天气, 雷达径向速度图上可见流入雷达与流出雷达径向速度的辐合, 尤其是6月8日与13日, 靠近莱州湾的沿岸地区, 可见流入雷达的10~15m·s-1狭长的风速流, 这支来自莱州湾水面上方的气流, 一是加强了对流层低层的水汽输送, 二是加强了对流区域风速的辐合, 利于对流天气的发展。为了弄清楚强对流天气发生时雹暴云内风场的垂直分布特征, 以6月1日(径向速度图上表现为风速脉动)与13日(径向速度图上表现为风速辐合)为例, 利用滨州多普勒雷达的风廓线资料进行分析。从图 7中可以看到, 6月1日对流天气区域的风场结构表征为对流层中层的高空槽, 槽的高度为3.4~5.2km, 槽的低层为西南风, 高层为西北风。13日的风场结构在垂直方向上分为两层, 上层是西北气流, 为冷层, 下层是偏南气流, 为暖层, 垂直切变的高度为4.9~5.2km。
为了弄清楚这6次雹暴云发展如此迅猛, 降下冰雹却大都伴有弱降水的原因, 文中分析了雹暴云气柱内的冰水含量(湿空气内冰粒子、水蒸气、云液和雪粒子的总和)、液态水含量(湿空气内液体水滴的质量, 不包括雨水)与雨水含量(大尺度云内的水滴含量, 降落到地面即为降水)的微粒子特征(图 8)。从图 8中可以看到, 6月1日08时开始, 云内的冰水含量开始突增, 并于11-12时达到当日冰水含量的最大值(0.33kg·m-2), 这为对流回波在此地发展加强提供了有利条件(图 8a)。云内的液态水含量与雨水含量尽管也有所增加, 但是增加的幅度较冰水含量偏少约3倍多。6月2日, 云内的冰水含量于降雹时刻前4h开始增加, 并在降雹前1h冰水含量达到最大值(0.18kg·m-2), 这个时段对应着雷达反射率因子的突增(图 8b), 但是云内的雨水含量几乎没有变化, 液态水含量在降雹前稍有增加, 仅为0.05kg·m-2。6月3日, 云内的冰水含量不断积累, 出现了3次弱的峰值, 这个过程伴随着雷达反射率因子与垂直累积液态水含量的迅猛增加(表 2)。6月4日, 云内冰水含量在14-17时达到最大值(0.35kg·m-2), 液态水含量在这个时段也达到了其含量的高值(0.2kg·m-2), 雨水含量也有小幅度的增加(0.02kg·m-2), 使得雷达组合反射率因子强度逐渐增至60dBZ以上(图 8d)。6月8日, 雷暴云在近地面辐合线上生成之后, 逐渐加强并缓慢南压。降雹区气柱内提前12 h冰水含量开始缓慢增加, 云内的液态水含量与雨水含量也略有增加。临近降雹时刻时, 冰水含量与液态水含量出现了第二次迅猛增长, 尤其是冰水含量, 这时恰对应着雹暴云的迅猛发展(图 8e)。6月13日的降雹区靠近莱州湾西岸, 在偏东气流的作用下, 云内的冰水含量与液态水含量均出现了长达10个多小时的增长过程, 最大值分别为0.18kg·m-2与0.14kg·m-2, 雨水含量则在0.01kg·m-2上下浮动。
通过以上分析可知, 6次冰雹天气雹暴云气柱内冰水含量均较液态水含量和雨水含量明显偏多, 且其数值在短时间内增加迅猛, 一般只需2~3h就可达到峰值(比如1日、2日、3日、4日), 然后再积累再增加(8日、13日), 而云内的雨水含量异常偏少, 大都在0.5kg·m-2以下, 液态水含量较雨水含量偏多, 但较云内冰水含量明显偏少, 这可能是对流天气只降雹不伴有明显降水的原因。这6次对流天气, 云内冰水含量均增长得快, 有突增现象, 在适宜的背景场下, 随着雹暴云内垂直运动的发展, 利于雹胚碰并过冷雨水而形成冰雹。
5 小结本文利用多种资料对2019年6月发生在黄河口地区的6次局地冰雹天气进行了分析, 发现该时段的冰雹天气具有发展迅猛, 降雹时间短, 降雹区域小, 降水偏弱等特点。同时, 这6次对流天气在环流形势与要素方面具有如下特征:
1)局地冰雹天气产生的大尺度影响系统多为高空槽, 前倾槽更有利于对流天气的发生, 另一种影响系统是东北或华北冷涡与横槽。即将产生冰雹天气时, 对流层低层多存在逆温层, 存在对流抑制。对流有效位能在1000J·kg-1以上, 0℃层与-20℃层之间的厚度在1.8~2.3km之间, 两层的高度均较经验值偏低。
2)雹暴云内的风场特征表现为雷达径向风的水平切变与垂直切变, 而在对流层的低层则表现为风向辐合与风速脉动。雹暴云气柱内冰水含量偏多, 且积累得很快, 液态水含量次之, 雨水含量最少, 几乎没有变化, 因而造成对流天气产生冰雹却伴有弱降水的现象。
3)雹暴云在发展加强阶段, 存在最大组合反射率(MaxREF), 回波顶高(ET)与垂直累积液态水含量(VIL)的迅猛跃增。在水汽条件与强的上升运动条件具备的前提下, 地面中尺度辐合线起到了触发作用。另外, 由于黄河口北面与东面环水, 水陆差异容易引起风场的差异, 这往往也是触发对流或使对流得到进一步发展的一个原因。
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