奎玛流域两次冰雹天气成因分析

栾亚睿，陈春艳*，汪雪云，芒苏尔，郑育琳

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；
2.新疆机场集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016）

冰雹是在中小尺度天气系统作用下形成危害极大的局地灾害性天气现象，因此做好冰雹天气的预报预警服务，对防灾减灾具有重要的意义。王培涛等[1]指出山东滨州地区的降雹形势主要有冷涡型等五种类型。陈军等[2]对贵州铜仁两次大范围冰雹过程进行对比分析，发现雷达回波形态的不同特征。张微等[3]发现垂直累积液态含水量（VIL）在降雹前出现跃增，是判断降雹潜势的关键指标。张芳等[4]通过研究青海省东部农业区冰雹天气预警指标指出，风暴顶部辐散正负速度差值对雹灾预警有指示意义。吴芳芳等[5]指出经典超级单体更多地产生在对流有效位能较高和垂直风切变较强环境下。金米娜等[6]通过对江西省一次冰雹天气成因的分析，指出地面辐合线和温度锋区以及边界层θse能量锋区为暖区中非“高架雷暴”类对流的触发提供了启动机制。孙继松等[7]指出地形热力环流和动力强迫构成的上升运动有利于强对流系统的启动；
敖泽建[8]发现甘肃省不同地区的雹云特征存在一定的差异。新疆是冰雹天气的多发地，张俊兰等[9]对比分析得出阿克苏地区降雹的探空物理量参数范围；
魏勇等[10]综合分析得出石河子市有出现冰雹可能性的回波强度、垂直累积液态水含量特征。

新疆天山北坡的奎屯河—玛纳斯河流域（简称奎玛流域）包括昌古州的玛纳斯县，塔城地区的沙湾县和乌苏市，新疆生产建设兵团第六师和第七、第八师的28个团场，是重要的粮、棉、畜产区。其地形复杂，天气多变，雹灾是主要的气象灾害之一，但预报预警难度大，有必要针对不同类型的冰雹天气进行深入分析。2013年6月11日和2017年6月18日，奎玛流域分别发生了以冰雹为主的强对流天气，雹灾对农作物破坏严重，造成了巨大的经济损失。本文利用新疆克拉玛依站的多普勒雷达资料、区域自动站资料和气象常规资料，结合NCEP1°×1°再分析资料，对两次冰雹过程的环境场、雷达回波特征及冰雹成因进行分析，以期找到规律，为夏季奎玛流域冰雹天气的预报预警提供参考依据。

2013年6月11日17：50沙湾县北区局部出现冰雹天气（简称“6·11”），持续3 min，冰雹直径10～12 mm；
18：20—18：35石河子下野地垦区也出现冰雹天气，冰雹直径10 mm，上述区域同时伴有6～10级短时大风，局部区域出现了短时强降水。“6·11”过程造成沙湾县北区、石河子下野地等地1 333.3 hm2棉花严重受损，直接经济损失达1 260万元。2017年6月18日19：15沙湾县局部出现冰雹天气（简称“6·18”），持续3 min，冰雹直径＞10 mm；
19：51乌兰乌苏乡降雹，直径5～8mm，伴有17.8mm/h的短时强降水和6～7级短时大风。“6·18”过程沙湾县、乌兰乌苏乡棉花、玉米、番茄、辣椒、小麦等2 413 hm2作物受灾，直接经济损失达2 323万元。

两次冰雹过程均发生在17—20时，利用ECWMF细网格预报场作为实况场分析两次冰雹天气发生前的高低层配置及潜势条件。

2013年6月11日08时，500 hPa欧亚范围内中高纬为两脊一槽的经向环流，东欧和贝加尔湖为高压脊区，西西伯利亚为低槽活动区，新疆受低槽底部偏西气流控制，北疆上空锋区明显加强（图1a），中层冷平流明显；
850 hPa克拉玛依站08—17时维持西北偏西风，且风速在12 m/s以上；
700 hPa塔城站温度露点差＜5℃；
200 hPa偏西急流核位于克拉玛依上空，处于偏西急流的分流区，高空强辐散，抽吸作用明显（图1c）。14时冷空气自西部国境线东南移进入北疆，17时辐合线位于克拉玛依、乌苏等站上游，克拉玛依、乌苏等站露点温度24 h升高4～5℃，近地层增湿明显。

2017年6月18日08时，500 hPa欧亚范围内中高纬为两槽一脊，东欧和贝加尔湖为低槽活动区，西西伯利亚为高压脊区，北疆由高压脊内中纬度偏西气流控制，北疆西部国境线附近有一短波槽，槽线位于精河上空（图1b），17时低槽东移、槽线位于克拉玛依至乌苏上空，沙湾县冰雹发生时间与短波槽过境密切相关；
700 hPa伊宁站、塔城站08时温度露点差＜5℃，17时切变线移至克拉玛依东侧炮台至莫索湾，切变线后部西北风与偏西风有风向辐合（图1d）；
850 hPa克拉玛依由08时的东北风转为西北风且风速增大至8 m/s。14时地面1 007.5 hPa的高压中心位于伊宁以西，17时1 005.0 hPa等压线已移过博乐、塔城一线，精河东侧有风的辐合线，20时乌苏、沙湾的偏南风与北侧偏北风形成辐合，乌苏至乌兰乌苏沿线各站露点温度高达15～17℃，17时温度在32℃以上，近地层高温高湿。

图1 500 hPa环流形势和中尺度分析

3.1 雷达基本反射率因子（BR）演变和剖面特征

利用克拉玛依站雷达资料在GR2软件上每5 min一次、扫描半径为150 km的基本产品和导出产品，对比分析“6·11”和“6·18”冰雹天气过程中基本反射率因子（BR）的演变特征。

2013年6月11日16：27造成沙湾县冰雹天气的对流单体生成于乌苏市车排子镇沙枣村西侧，1.5°仰角上回波生成后快速发展、东移南下，移速约30 km/h。17：29回波分裂成两部分，偏东的回波移至五五新镇街道南侧十五连附近，强度为53 dBZ，强回波向上、向下发展迅速，在1.5°仰角上强回波区前侧存在V型缺口（图2a），表明有强的入流气流进入上升气流。17：45偏西的回波减弱消失，偏东的强回波东移至沙湾县西北部60 km，0.5°仰角图中回波最强为68 dBZ，顶高在9 km以上；
17：50强回波区移至沙湾县北区，强度为67 dBZ，其左侧的回波墙区域对应冰雹的下降通道，强回波区接地（图2b），出现冰雹；
之后强回波沿西南偏西路径继续向石河子北部下野地垦区方向移动，18：18与其西南侧的弱回波合并加强，演变为小的弓形回波并东移，最强处为60 dBZ（图2c）；
18：34再次分裂成2个块状回波，西部的单体水平尺度增大至20 km左右，强度为58 dBZ（图2d），强回波到达沙湾县老沙湾镇西侧，前侧出现V型缺口[11]，石河子下野地垦区也出现了冰雹。18：40强回波减弱并东南移，降雹结束。

2017年6月18日17：31，乌苏市夹河子乡南侧0.5°仰角有回波生成，以40 km/h的移速向东移动并有所减弱。18：17回波移至奎屯市开干齐乡西北侧，且强度再次＞40 dBZ（简称“A”回波）。18：29回波加强，＞50 dBZ的中心强度第一次出现，南移到开干齐乡南侧，之后回波沿312国道东移并持续加强。18：57强度为60.5 dBZ、顶高为12 km以上，表现为长约4 km、宽约12 km的回波单体，剖面图可见悬垂结构（图2e）。在“A”回波东移过程中，其西南侧和北侧又有3个回波块生成并发展，19：02沙湾县安集海镇南侧至南戈壁村西侧，共有4个强回波块，其中“A”回波西南侧的强度为59 dBZ，19：07西侧的3个回波合并发展（简称“B”回波），中心强度达62.5 dBZ，回波前沿出现V型缺口（图2f），垂直方向可见穹窿结构。19：15回波东移至沙湾县南五宫村西侧时，强度最强，为63 dBZ并接地，出现冰雹。19：38该回波减弱至45 dBZ，同时在其北侧，乌兰乌苏北部大泉乡北部新生一中心强度为55.5 dBZ的新对流单体（简称“C”回波），19：49回波强度为53.5 dBZ，19：51乌兰乌苏监测到冰雹。

图2 基本反射率因子和剖面

3.2 基本径向速度（BV）特征

利用克拉玛依站雷达资料，分析两次冰雹天气过程的基本径向速度（BV）。低层辐合是短时对流天气产生和维持的重要的动力机制，高层辐散使对流加强发展[12]。“6·11”过程在0.5°仰角17：13出现正负速度对，随着回波的纵向发展和向东移动，17：45克拉玛依255县道五泉段北侧，在0.5°仰角有辐合型速度对出现（图3a），对应的5.3°仰角速度图上可见辐散型速度对（图3b），此时回波强度增至60 dBZ以上，随后出现冰雹。17：40—17：55出现了维持2个体扫以上的尺度20 km左右的较弱的中尺度涡旋特征[13]（图3a），中尺度涡旋也是雹暴的一个重要特征，在其他条件类似的情况下，即使有比较弱的雷暴尺度涡旋，也有利于雹径增加。“6·18”过程18：35在1.5°和4.3°仰角可以看到较明显的低层辐合和高层辐散区（图3c、3d），此时回波强度中心增至50 dBZ以上，19：15沙湾降雹前，低层辐合和高层辐散的机制始终维持，其所经之地，出现了大风、冰雹等强对流天气。

图3 径向速度

3.3 垂直累积液态水含量（VIL）及其密度（VILD）特征

垂直累积液态水含量（VIL）对冰雹的出现有很好的判别作用，但VIL具有日变化和地区变化，同时受雷达扫描仰角、距离雷达远近的限制[14]，因此垂直积分液态水含量密度（VILD）更适合作为冰雹识别指标对两次冰雹过程进行分析。

由图4a可知，“6·11”降雹前30 min内VIL和VILD都迅速增大，由17：23的9 kg/m2和2.06 g/m3增至17：50的18.1 kg/m2和2.26 g/m3，表明有冰粒子处于碰撞增长中，17：53沙湾北部降雹。降雹结束后VIL和VILD并没有快速减小，18：07达峰值19.6 kg/m2和2.31 g/m3，之后强度维持；
18：20对流云东移至石河子下野地，并出现冰雹；
18：34降雹结束，VIL和VILD才逐渐减小至13.6 kg/m2和1.59 g/m3。由图4b可知，“6·18”过程VIL和VILD由18：03的8.53 kg/m2和0.77 g/m3跃增至19：12的峰值35.1 kg/m2和3.2 g/m3，19：15沙湾降雹，之后VIL和VILD稳定维持了2个体扫。由于降雹时间多出现在VIL最大值出现后的2～4个体扫[15]，因此4个体扫后的乌兰乌苏上空也具备一定水汽。19：39 VIL和VILD降至15.6 kg/m2和1.51 g/m3，19：51乌兰乌苏降雹，20时之后快速减弱。

图4 “6·11”（a）、“6·18”（b）过程VIL、VILD演变

冰雹发生前期，雹暴发生的基本物理条件是：不稳定条件、水汽条件、触发机制、0℃层和-20℃层高度等[16]。选取两次冰雹过程发生前的2013年6月11日沙湾站（85.62°E，44.33°N）和2017年6月18日乌苏站（84.68°E，44.43°N）08、17时的ECWMF细网格模式探空资料进行对比分析。

4.1 大气稳定度条件分析

降雹前雹区低层一般都存在潜在不稳定能量的累积过程。温度和假相当位温的垂直递减率可以较好地反映大气层结的稳定性[16]，由表1可知，“6·11”过程08时850与500 hPa的温度差为32℃，17时降至30.7℃，由于500 hPa温度不降反升，高低层温差仍然维持，存在促进对流发生和加强的条件；
两次过程，08—17时，850～500 hPa假相当位温维持在4～5℃，表示大气层结维持了对流性不稳定状态；
K指数和沙氏指数（SI）是表示局地大气层结稳定度的参数，K指数既考虑了气团的垂直温度梯度，又考虑了低层水汽，还间接表示了湿层的厚度[16]。“6·11”K指数由08时的31.9℃增至17时的37.1℃，SI指数由0℃降至-1.1℃，说明降雹前本地对流潜势明显。“6·18”过程08—17时850与500 hPa的温度差维持在30℃左右；
假相当位温差维持在4.2～4.4℃；
17时K指数为34℃、SI指数为-0.2℃，表明降雹前层结不稳定。

表1 2013年6月11日沙湾站和2017年6月18日乌苏站08、17时探空物理量参数

CAPE表示对流发生有效位能，CAPE越大，对流发展的高度越高、强度越强[16]。“6·11”CAPE值由08时的0 J/kg增至17时的90.4 J/kg，“6·18”过程CAPE值从08时的0 J/kg增至17时的34.4 J/kg，表明两次冰雹天气发生前期（17时）有效位能条件都利于对流高度和强度的加强；
抬升指数LI与CAPE有较好的负相关，两次过程的LI都存在减小的现象，表示层结向不稳定方向发展，其中“6·11”过程LI降至-1.26℃，大气层结更不稳定。

从两次过程降雹前（17时）的温湿层结曲线也可以看出，“6·11”过程中层湿度大，层结曲线呈“x”型（图5a），更利于风雹型强对流发展；
“6·18”过程湿层从中层拓展到高层，水汽条件充足，有利于局地雹云的发生，层结曲线由低到高稳定少变化（图5b）。

图5 ECWMF细网格模式探空图

4.2 水汽条件和垂直风切变

要形成高大的雹云，必须具备较大的不稳定层结，水汽与温度的垂直分布都是影响气层稳定度的重要原因[16]。“6·11”过程前期（08时）700 hPa温度露点差为6.1℃，17时降至2.1℃，表明该层大气处于逐渐饱和状态，为降雹提供了潜在水汽条件。

用地面到高空6 km的风矢量差表示深层垂直风切变。“6·11”过程08时沙湾站低层至500 hPa有较明显的东北—西南风切变，0～6 km风矢量差为15.5 m/s，17时降为12.4 m/s，属于中等强度的垂直风切变，有利于对流单体长时间维持、发展。“6·18”过程500 hPa锋区较“6·11”偏弱，低层至500 hPa东西风切变不明显，垂直风切变由08时的7.2 m/s降至17时的6.2 m/s，较弱的垂直风切变更易启动自毁机制[16]，故“6·18”过程每个雹云单体生命史都较短。

4.3 0℃和-20℃层高度

0℃和-20℃层分别是冷暖云分界线高度，是表示雹云特征的重要参数[16-17]。“6·11”过程发生前期0℃层高度由08时的4 112 m降至17时的3887 m，-20℃层高度由08时的7 339 m降至7 318 m；
“6·18”过程0℃层高度由08时的3 978 m增至17时的4 138 m，-20℃层高度由08时的7 061 m增至7 191 m（表1），表明低层暖层加厚，能量积累增多。两次过程0℃和-20℃层的高度使得冰雹下落中被融化的可能性较小。

4.4 触发条件

“6·11”冰雹天气过程前，对流云团沿乌苏上游辐合线初生，对流云团走向与地面辐合线平行，并快速东南移，17时乌苏至132团13连由偏东风转为偏西风，下游为偏南或偏东风（图6a），在东西风辐合点有一对流云团快速发展加强、移速变慢，18时乌苏维持偏西风，风速增至8 m/s，132团13连北部站转为偏北风，与沙湾等东部站形成辐合，东南移的较强回波在辐合中心东北侧发展成雹云单体。

“6·18”冰雹天气过程前，乌苏、奎屯等站转为偏北风，南部浅山区站点为偏南风，辐合线维持在沿山一带，初始对流云团沿辐合线生成、沿天山北坡东移，19时沙湾站转为偏北风、下游乌兰乌苏为东南风、西南部安集海站为偏西风、南部浅山区为偏南风，形成小尺度辐合（图6b），对流云团移至沙湾附近向辐合中心移动、快速发展成雹云单体。和“6·11”过程类似，初始对流沿地面辐合线生成、发展，雹云单体在地面小尺度辐合中心附近生成。

图6 地面风场

（1）两次冰雹过程发生的环流背景不同：“6·11”过程发生在西西伯利亚低槽底部锋区上短波东移，中层冷侵入明显，850 hPa低空急流、200 hPa高空急流与之配合，700 hPa增湿明显。“6·18”过程发生在西伯利亚高压脊内中纬度西风带上短波槽沿天山北坡东移，仅有700 hPa切变线与之配合。两次过程地面均有冷空气与之配合，但冷空气进入北疆的路径不同。

（2）两次降雹过程降雹单体基本反射率因子强度均＞60 dBZ，且回波顶高＞9 km。但路径和降雹单体特征不同。“6·11”过程回波在东南移过程中回波有合并也有分裂，但前后两次降雹都是由同一单体造成。“6·18”过程为偏西路径；
沙湾县降雹单体是3个单体合并加强后降雹，乌兰乌苏降雹是新生单体造成；
基本径向速度图上低仰角径向速度的辐合区都对应高仰角径向速度的辐散区。两次过程降雹前VIL和VILD峰值分别达到19.6～35.1 kg/m2和2.31～3.2 g/m3，但“6·11”过程回波生命史长，降雹前40 min内均出现VIL和VILD增大的现象，而“6·18”过程前后两次降雹均伴随单体新生，降雹单体生命史短，因此VIL和VILD随回波的生消而快速增减。

（3）两次过程假相当位温随高度增加而减小，大气层结维持对流性不稳定状态，K指数增至34～37.1℃、SI指数降至-0.2～-1.1℃；
均有一定的对流有效位能增大，抬升指数LI降为负数，表明降雹前大气层结不稳定度增强；
两次过程700 hPa水汽条件较好；
“6·11”过程降雹时垂直风切变明显，层结曲线呈“x”型，更利于风雹型强对流发展。“6·11”和“6·18”过程类似，初始对流沿地面辐合线生成、发展，雹云单体在地面小尺度辐合中心附近生成。