漳州市冰雹天气特征及物理量指标探究＊

林 辉，黄奕丹，程晶晶，蔡乐天，陈 慧，陈彬彬

（1.漳州市气象局，福建 漳州 363000；2.海峡气象开放实验室，福建 厦门 361000；3.福建省气象科学研究院，福建 福州 350001）

0 引言

冰雹天气是广大气象工作者关注的重点之一，也是天气预报业务中的难点，其特点是局地性强，生命史短、突发性强，并容易造成重大的社会和经济损失[1]。随着观测资料的增多和通信手段的提高，近年来发现漳州地区的冰雹天气发生频率有所增多。国内学者近年来开展了很多冰雹发生、发展机制和预报的方法。刘爱鸣等[2]和朱燕萍等[3]分别从福建省冰雹发生的气候背景、时空分布及物理量特征等方面进行了研究，初步揭示了福建冰雹发生的天气形势和环境场特征。余建华和黄秀芳[4]分析了闽北地区一次强冰雹天气过程，发现强回波中心高度、风暴顶高度、垂直液水含量等特征量的跃变，对地面冰雹的发生具有较好的指示意义。白雪等[5]总结了锦州地区冰雹天气的环流尺度和相应的物理量特征，确立了物理量阈值在冰雹预警中的重要性。刘晓璐等[6]研究了川西南山地冰雹的时空分布特征，结果表明冰雹日数与海拔高度显著正相关且多发生在春季。蔡义勇等[7]对福建地区1960—2008年的冰雹时空分布及春夏降雹天气气候特征进行分析，总结了福建地区冰雹的时空分布和春季、夏季降雹的天气气候特征，为预报员提供了有效的冰雹预报预警思路。

综上所述，除了大范围环流背景场分型外，还需要对水汽、不稳定能量等物理特征进行分析，才能给出较为准确的降雹潜势预报，对了解漳州市冰雹发生、发展的背景条件及天气特点，以及同样的环流形势能否产生冰雹具有重要意义。为开展漳州市冰雹天气环流背景分型研究，利用2015—2019年漳州市的高空地面观测、物理量场等资料，采用天气学、统计学等方法分析了全市冰雹的时空分布、天气系统、物理量指标等特征，凝练了一些重要的物理特征量阈值，有利于本地区冰雹预警提前量和预报准确率的提高，为地方政府科学决策和防灾减灾打下良好基础。

1 资料与方法

此次研究的降雹观测资料主要选取了漳州市10个国家级气象观测站和全市范围内2015—2019年风雹灾害情况，以及新闻资讯记录等资料；环流背景场主要利用冰雹发生之前的500 hPa、700 hPa、850 hPa和925 hPa的高度场、风场、温度场和地面实况资料；物理量资料则来自降雹前12 h内厦门探空站的实况数据。漳州市降雹系统环流形势的归纳分类，采取天气学诊断和传统统计方法，以天气形势为依据，以物理量指标为基础，分析冰雹时空分布特点和物理量演变特征，得出冰雹预报预警的指标与方法。

2 时空分布特征

图1 是漳州市1961—2019 年10 个国家气象观测站记录的冰雹次数分布，从中可以发现，漳州市降雹的空间分布具有明显的地域差异，降雹次数较多的集中在芗城、龙文、平和等中部县区，而南、北部县区次数明显减少，特别是东山和诏安都未在国家监测站中观测到降雹现象。

从漳州市1961—2019 年降雹次数年际变化可以看出（图2a），此时段的冰雹发生次数为36次，年均降雹次数为0.6 次，降雹次数在2003 年后的年份平均每三年会发生一次，2003—2015年国家观测站无降雹观测记录，2016年起降雹次数又开始呈现增多的趋势，新闻信息记录和灾情调查的资料统计的降雹次数显示，2008—2014年没有相关的降雹信息。从2015—2019 年漳州市降雹次数年际变化（图2b）可以看出，5年累计降雹18次，年均降雹3.6次，最多出现在2017 年，为6 次。此外，文章也分析漳州冰雹天气月分布特征表现，漳州市1961—2019年降雹除了9月、11月没有发生（图2c），其余月份均有降雹观测记录。从冰雹发生的频次来看，2—5月是冰雹的高发期，占比达82%，4 月降雹次数最多，共出现了10 次。以2015—2019 年新闻信息记录和灾情调查的数据统计降雹次数来看，漳州市4—6月降雹概率最高，占全年的77%；5月份降雹次数最多，共发生6次。由此可见，漳州市春季（3—6月）是冰雹的高发期。将一天分为4个时间段（02～08时、08～14时、14～20时、20～02时）进行统计，则2015—2019年漳州市冰雹日分布特点表现为14～20时最多，达16次，20时～次日02 时次之，为3 次，08～14 时为1 次，并且降雹持续时间比较短，大部分只有几分钟到十几分钟。综上所述，漳州市冰雹天气的时空分布具有中部地区和春季高发的特征，其中午后14时到晚间20时是高爆发的时段。

图2 漳州市降雹次数年际与月变化

3 冰雹天气形势分型

地市级气象台日常业务中，预报员主要应用500 hPa高度场分布情况，同时分析700 hPa、850 hPa、925 hPa 的风场、温度场、湿度场等。降雹前12 h 的资料对冰雹预报有较好的代表性。为使研究成果与实际业务预报更贴合，同时具备良好的应用推广价值，本研究选取降雹前的08：00 和20：00 的天气形势资料，开展漳州市降雹天气环流形势特征分析和系统分型。

通过对漳州市2016—2019 年共18 例冰雹过程的统计分析，根据天气形势特征将漳州降雹天气型归纳成锋前暖区、锋后冷区、入海高压后部和其他等4种类型。每一种类型的具体样本数和冰雹出现日期见表1。锋面降雹大多发生在春季，而入海高压后部降雹样本较少，多发生在夏季，其他类型中包含一次冬季降雹（20161221）和台风外围降雹过程（20180802）。

表1 2016—2019年共18例冰雹过程

漳州市多位于副高边缘，500 hPa有南支槽和中纬度高空槽相互配合，南支槽位置相对滞后于中纬度槽，形成引导冷空气南下的“阶梯槽”态势，具有典型的锋前暖区特征。700 hPa和850 hPa有冷式切变东移南压相配合，切变位置在湘赣中部至福建中北部一带，切变前后锋区明显，水汽能量充足，受切变南侧暖湿西南气流影响，漳州和南昌两地的温差达4～6 ℃。地面冷高位置偏北或入海，华西有低压倒槽东伸，甚至在云贵高原有西南暖低压生成，暖锋自低压中心伸向闽中地区。如图3以2016 年4月8日冰雹天气过程为例，500 hPa东亚大槽槽底延伸至长江流域，南支槽位置偏西，500～925 hPa闽南地区整体处于深厚的西南暖湿气流控制，为对流发展提供充足的水汽和能量，850 hPa切变位于贵州南部到浙江中部地区，地面有倒槽自西南向东北延伸，漳州地面温度22～23 ℃，福建省南北温差达到5 ℃，为冰雹天气的发生、发展提供较暖的下垫面。

图3 2016年4月8日08时500 hPa、700 hPa、850 hPa和地面天气图

锋后冷区的天气形势特点为华南地区500 hPa和700 hPa 多短波槽东移，闽南地区受其南侧西南气流影响，850 hPa和925 hPa冷切南压，地面冷空气扩散，低层转为西北偏西风控制，漳州已出现负变温，地面冷高位于长江流域或者偏北偏强，1 010 hPa等压线南压至漳州以南。图4以2017年4月11日冰雹过程为例，500 hPa短波槽东移，850 hPa和925 hPa切变位置偏西偏南，闽南地区受偏西到西北气流影响，冷空气已渗透至漳州西北部，850 hPa和925 hPa也已经分别出现3 ℃和6 ℃的负变温，地面冷高强大，在湖南地区形成弱冷高中心，1 010 hPa 等压线压至漳州以南。

图4 2017年4月11日08时500 hPa、850 hPa、925 hPa和地面天气图

4 冰雹的物理量参数特征

对流物理量参数是气象预报业务中重要的参考因子，可以用来表征大气状态的稳定程度，在冰雹发生、发展的潜势预报中具有重要意义。全方位开展降雹前各个物理特征量的分布和演变情况，凝练出各物理特征量的阈值和指标，能有效提高冰雹预报预警的准确率和提前量。

4.1 物理量类别

对大气状态不稳定程度有较好指示作用的物理量有沙氏指数、K 指数等，对冰雹发生区域有强烈指示意义的则有风暴相对螺旋度SRH，并且0 ℃至-20 ℃层高度以及两者之间的厚度在很大程度上能对冰雹产生的背景起到决定性作用。选取厦门探空站（59134）所具有代表性的13 个物理量，对降雹前12 h 内大气条件和降雹背景进行统计分析，其中4 类热力能量指标分别为：温度直减率（T850-500）、K 指数（K）、总指数The total index（TT）、对流有效位能Convective available potential energy（CAPE）；3 类层结稳定度指标分别为：抬升指数（LI）、850 hPa 与500 hPa 假相当温差（θse850-500）、沙氏指数（SI）；3 类动力热力综合指标分别为：风暴强度指数Storns severity index（SSI），强天气威胁指数（SWEAT）、风暴相对螺旋度Storm-Relatiue Helicity（SRH）；3 类特殊高度和厚度指标：0 ℃层高度（ZH）、-20 ℃层高度（ZH20）、0 ℃层和-20 ℃层两者间厚度（ΔH）。

4.2 降雹过程物理量统计

统计发现，热力能量类的T850-500、K、TT变异系数均较小，尤其是T850-500和TT 的变异系数仅为0.05～0.08。T850-500在23～28 ℃,70%以上在25～28 ℃；K指数在21～42 ℃,70%以上在32～42 ℃；TT 在37～51 ℃,70%以上在45～51 ℃；CAPE 变异系数稍微大一些，60%以上在1 000～2 890 J/Kg。

反应层结稳定类的LI、θse850-500、SI等3种物理量特征变异系数均超过1.0，比较离散。其中LI的70%以上均小于-1 ℃，在-7.36～-1.76 ℃；θse850-500有70%均大于5 ℃，在5.8～25.8 ℃；SI则70%均小于0，在-5.41～-1 ℃，见表2。

表2 物理量指标统计结果

反应动力热力综合类的SSI，SWEAT 的变异系数较少，仅为0.1～0.3。SSI在181～311.5，70%以上在257.9～311.5；SWEAT在46.7～434.5，70%以上在231.6～434.5；SRH 的变异系数比较大，表现离散，70%以上均大于0 m2/s2，0.1～4.6 m2/s2。此外，云中冷、暖云分界线高度和大水滴的自然冰化区可用0 ℃层高度ZH和-20 ℃层高度ZH20两个雹云特征参数来表示。适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度是降雹的必要条件，需要注意的是随着纬度和季节的不同，这个适宜高度也会有所区别。从表2 可以看出，漳州地区冰雹形成背景的ZH、ZH20，以及两者之间厚度ΔH 的变异系数在0.04～0.07，数值集中程度较高，均表现出较好的稳定性。0 ℃层高度ZH在4 200～5 200 m，70%以上在4 600～5 200 m；-20 ℃层高度ZH20在7 400～8 600 m，70%以上在7 900～8 600 m；0 ℃层和-20 ℃层两者间厚度ΔH 则有70%在3 200～3 800 m。

另外，降雹还需要考虑是否有逆温层。冰雹的产生，是由于0 ℃层和-20 ℃层高度垂直对流的强烈发展，使大气中潜在不稳定能量在局部地区集中释放的结果。而对流能不能发生和发展，还要看大气的稳定条件。很多学者的研究表明，对流层底部特别暖湿，中层有一定厚度的逆温层，并且上层空气异常干冷，这种形势下的大气层结条件极不稳定，往往容易发生强天气过程。另外，有研究也指出，低层逆温层的存在能够起到能量积聚的作用，有利于降雹天气的产生。通过全市的18个降雹个例分析，在08时的厦门探空共有17个个例有逆温层的存在，可见大气是否有逆温层可作为其中一项重要指标。

4.3 降雹物理量阈值

基于对4 类不同物理特征量的统计分析，我们梳理了70%冰雹样本的数值，建立了可供漳州市冰雹天气预报预警方法的物理量指标和阈值，结果见表3。

表3 漳州市降雹物理量指标

5 结论

文章统计分析了1961—2019 年漳州10 个国家气象观测站的冰雹过程的时空分布特征，梳理了2015—2019 年漳州市冰雹过程的天气环流系统和物理特征量，并归纳4 种容易产生降雹的天气形势概念模型，得出了以下主要结论：

（1）漳州市降雹主要发生在中部一带，春季更容易发生，多出现在午后到上半夜，持续时间相对较短，多数仅在几分钟至十几分钟。

（2）漳州市冰雹过程的天气尺度形势主要分为4 种类型，分别为锋前暖区、锋后冷区、入海高压后部和其他类型。

（3）分析降雹发生前后的物理量演变特征，漳州市冰雹天气过程可凝练出热力能量类、层结稳定度类、动力热力综合类和特殊高度厚度类4个大类，共计13个指标阈值（表3）。