天津市北辰地区冰雹发生规律及预警指标初步分析

王 蒙，郑 煜，齐群生

(天津市北辰区人工影响天气办公室 天津300400)

0 引 言

冰雹是天津市北辰区的重要灾害性天气之一。冰雹发生季节性明显、突发性强、持续时间短，常常伴随着闪电雷鸣和短时大风等灾害天气，不仅给农业生产造成巨大的损失，还会威胁到交通、通讯及人们的日常生活。因此，开展针对冰雹天气的时间分布特征和预警指标分析研究，对于防御冰雹灾害、指导人工防雹作业具有重要意义。

目前有许多专家和学者开展了针对不同地区冰雹天气时空分布特征和预报预警的研究。李红斌等[1]研究了大连地区冰雹的分布规律及气候特征，并对产生降雹的天气背景条件及相关气象要素进行系统总结；张智等[2]统计分析了宁夏冰雹日数的空间分布、年际变化、月际变化和持续时间等时空分布特征；廖向花等[3]研究了重庆冰雹气候特征及人工防雹对策；宋薇等[4]研究了近年天津地区冰雹和雷暴天气特征，分析了天津地区降雹、雷暴的时空分布特点，并总结出当前雷暴云的移动路径，以及引发此类天气的主要影响系统。

由于目前针对天津北辰地区冰雹天气的研究还存在空白，本文对北辰地区的冰雹预警指标进行研究，利用2008—2017年北辰地区出现的40次冰雹天气过程资料，分析了出现冰雹天气的预警指标和降雹天气形势特征，为今后开展冰雹预报方法研究和人工防雹打下基础。

1 资料来源

本文冰雹资料选取2008—2017年间北辰区气象站地面定时观测资料、北辰区农业志和防雹炮站的降雹记录，内容包括冰雹发生的时间、强度等要素。规定00:00至23:59，北辰区境内任意地点出现冰雹时，定义该日为一个冰雹日。

2 北辰地区冰雹的时间分布特征

2.1 冰雹的年际变化

统计 2008—2017年 10年期间北辰地区出现的40次冰雹天气过程，冰雹天数的年际变化呈递减趋势。其中2009年冰雹出现最多达到7次，2017年最少为2次，平均每年出现4次冰雹天气(图1)。

图1 北辰地区2008—2017年冰雹天数年际变化Fig.1 Interannual variation of hail days in Beichen District from 2008 to 2017

2.2 冰雹的月际变化

统计 2008—2017年 10年期间北辰地区出现冰雹的月际变化，冰雹天数的月际变化呈单峰分布。冰雹天气基本出现在4～9月，特别是6月份达18次，占到了全年冰雹天气的45%。原因是进入春末夏初后，大气环流不断调整，其中6月份北辰地区低涡天气比较多，日气温升高，导致大气热力不稳定因子增加，含有大量水汽的热气流迅速升向高空，冷却变为水滴再变为冰珠，在强对流天气中产生了冰雹(图2)。

2.3 冰雹的日变化

冰雹是一种强对流天气过程，具有明显的日变化。统计 2008—2017年 10年期间北辰地区出现冰雹的日变化，可以看出冰雹大部分出现在13:00到次日凌晨 02:00，占冰雹总日数的 90%；其中 15:00～17:00和 23:00～00:00为冰雹高发时段，发生频次分别占冰雹总日数的 40%和 20%。是由于热力条件触发产生的，午后随着气温的不断升高，地面及近地层空气在太阳辐射下逐渐升温，地表的气层不稳定性加大，空气中的水分在地面空气的扰动下，容易产生强对流天气(图3)。

图3 北辰地区2008—2017年降雹时段统计Fig.3 Statistics on hail period in Beichen District from 2008 to 2017

3 冰雹天气形势特征

通过对2008—2017年10年期间的统计，分析冰雹出现时，基于08时500hPa环流形势，北辰地区冰雹的天气形势可分为高空冷涡型、高空槽型和西北气流型 3种类型。其中高空冷涡型主要分为东北冷涡和蒙古冷涡，占发生冰雹的 62.5%，以 6月份出现的最多。高空槽影响占 27.5%，西北气流影响仅占10.0%。这 3种天气形势有利于冷空气进入对流层，产生强烈的对流不稳定而形成冰雹(图4)。

图4 引发北辰地区冰雹天气的主要天气系统Fig.4 Main weather systems causing hail weather in Beichen District

4 不稳定参数

在对流产生的主要不稳定参数中，如果出现多个不稳定参数叠加在一起，表明出现冰雹等强对流天气的概率比较大。北辰地区冰雹发生主要受以下 3类不稳定参数影响：对流有效位能 CAPE；0℃层高度和-20℃层高度；850hPa和500hPa的温差和假相当位温差。高空资料采用北京探空资料，利用降雹发生前的北辰气象站整点气温对探空地面资料进行订正，可以更好地反映北辰本地特征(表1)。

表1 北辰地区降雹不稳定参数Tab.1 Unstable parameters of hail dropping in Beichen District

表1所列 40次冰雹过程中，冰雹最大直径在20mm以上、密度＞1000粒/m2造成灾害的有4次占10%，其中：4月有 1次，CAPE为 2099J/kg，0℃层高度在 2.4km，-20℃层高度在 5.9km，Δt850-500为28℃，Δθse850-500为 19.6℃；5月有 1次，CAPE 为2375J/kg，0℃层高度在 4.3km，-20℃层高度在7.0km，Δt850-500为 29℃，Δθse850-500为 15.6℃；7月有2 次，CAPE＞2700J/kg，0℃层高度＞4.9km，-20℃层高度＞7.5km 左右，Δt850-500为 28℃，Δθse850-500为13.9℃。冰雹最大直径在10～20mm之间的有17次，占 42.5%；冰雹最大直径在 10mm以下的有 19次，占47.5%。

在前面分别分析冰雹天气形势特征以及冰雹天气不稳定参数的基础上，总结出有利于降雹的具体的预警指标。

①500hPa环流形势下，北辰地区受到高空冷涡型、高空槽型或西北气流型等天气形势控制，对流层上层的干冷空气与下层的暖湿空气相遇，形成强烈位势不稳定，从而产生强对流天气导致冰雹发生。

②不稳定参数 CAPE≥600J/kg；0℃层高度2.4～5.1km，-20℃层高度主要集中在 6.0～8.1km，0～-20℃层厚度一般在 2.7～3.5km，0℃层和-20℃层高度之间厚度越小，越有利于冰雹的产生。Δt850-500≥28℃、Δθse850-500≥5℃时大气层结越不稳定。

对北辰地区 2008—2017年 4月 15日至 10月15日人工防雹作业期间的天气进行验证，其中有72个强对流天气过程，用以上冰雹预警指标进行识别，得到 48个强对流天气过程出现冰雹，正确率80%，空报率 20%，漏报率 0。出现空报的原因可能是由于 0℃层高度较高(超过 5km)，0℃层与-20℃的厚度较大，天气比较闷热，雹块在下落的过程中因为暖层较厚，融化非常明显，落地即化形成短时强降水；其次，不稳定参数达到最小阈值表示有可能出现冰雹天气，实际业务中还需要将不稳定参数结合雷达回波资料综合判断，才能更好地识别冰雹天气。冰雹云的雷达回波特征对流单体明显，强回波中心回波强度≥45dBZ，回波顶高≥10km，垂直积分液态水VIL≥30kg/m2，对出现冰雹的强对流天气进行预警提前量分析，均可以做出预警，最长时间为 48min，最短为 6min，平均为 10～16min。

5 总 结

①北辰地区近 10年来冰雹的时间分布特征：从年际变化上看，冰雹的年际变化有减少的趋势；从月际变化上看，冰雹的月际变化呈单峰分布，基本出现在 4～9月，特别是 6月份最多，这是由于 6月份北辰地区低涡天气比较多，日气温升高，导致大气热力不稳定因子增加，强对流天气产生了冰雹。从日变化上看，冰雹大部分出现在午后13:00到次日凌晨。

②北辰地区产生冰雹主要为高空冷涡型、高空槽型和西北气流型3种天气形势特征，其中以高空冷涡型为主。

③对流有效位能 CAPE在 612～2879J/kg，0℃层高度 2.4～5.3km，-20℃层高度主要集中在 6.7～8.1km，0～-20℃层厚度一般在 2.7～3.5km，Δt850-500≥28℃，Δθse850-500≥5℃。特别是 CAPE＞2000J/kg，0℃层高度 2.4～5.1km 之间，-20℃层高度 6.0～7.9km 之间，Δt850-500≥28 ℃，Δθse850-500≥13.9℃时，容易产生大的冰雹灾害。综合冰雹云的雷达回波特征，对流单体明显，强回波中心回波强度≥45dBZ，回波顶高≥10km，垂直积分液态水 VIL≥30kg/m2，可以更好地进行冰雹天气预警。对于防御冰雹灾害，指导人工防雹作业具有重要意义。