鲁东南冰雹时空分布特征与分类预报指标研究

崔广暑,刘 晨,于怀征,程 月,迟庆红,吕相娟

(1.山东省气象防灾减灾重点实验室,济南 250031;2.日照市气象局,日照 276800;3.五莲县气象局,五莲 262300)

0 引言

冰雹是山东省典型的灾害性天气之一。冰雹多伴随强对流天气背景发生,具有明显的季节性分布特点,同时具备空间尺度小、生命史短、突发性强等强对流天气特征。强对流天气的预报和研究一直是天气预报业务中的难点,近年来,国内外很多专家对冰雹进行了大量研究[1-4]。张芳华等[5]指出中国的冰雹具有明显的季节性变化特征且多发生在春夏两季;高晓梅等[6]分析了鲁中地区强对流天气的气候特征及相关环境参数;濮文耀等[7]研究发现0 ℃层高度与地面降雹的大小相关性较强;俞小鼎[8]认为冰雹的融化层高度更加接近于湿球0 ℃层高度,并指出冰雹的大小与湿球0 ℃层高度具有明显的相关性;于怀征等[9]对山东强对流天气过程分析发现,较强的干暖盖有利于冰雹等强对流的发生;樊李苗等[10]认为抬升凝结高度、对流有效位能、0～6 km垂直风切变、850～500 hPa温差、-20 ℃层高度对冰雹的发生具有很强的指示意义。

鲁东南地形地貌多样,复杂的地形地貌决定了鲁东南冰雹天气具有较明显的空间分布特征,为进一步提高冰雹的预报预警水平,有必要对鲁东南的冰雹进行分析,进而建立预警指标。

1 资料

文章主要统计了2000—2021年鲁东南区域造成一定雹灾的冰雹(简称“冰雹”)天气过程,对这些冰雹过程的天气形势、天气学物理量进行分析,对冰雹天气形势场进行归类,对触发冰雹的天气学指标进行分析。冰雹实况资料来源于气象记录、民政部门记载、报纸报道、村民或气象信息协理员报告;地面资料取自冰雹发生地点附近临近时刻的观测站资料;高空资料选自本地冰雹发生临近时刻的邻近探空站(青岛探空站)资料。

2 鲁东南冰雹时空分布特征

2.1 冰雹的时间分布特征

文章规定以20:00(北京时间,下同)为日界,在1 d内有1个及以上县(区、市)行政区域内(简称“区域内”)出现降雹记为1个降雹日,如果1次降雹天气过程跨20:00,仅统计为1个降雹日。按照上述规定,统计得到2000—2021年鲁东南范围内共出现46 个降雹日,年平均降雹日数为2.19。从降雹日数年份变化(图1)来看,鲁东南降雹日数年变化较大,呈不显著的线性上升趋势。

图1 鲁东南降雹日数年份变化

从降雹日数月分布(图2)来看,鲁东南降雹全部发生在3—9月,10月—次年2月无降雹记录。降雹日数以6月最多,月际变化明显,表现为初夏单峰值特征。

图2 鲁东南降雹日数月分布

将1 d分为08:00—14:00,14:00—20:00,20:00—08:00 3个时段,统计降雹日数的时段分布特征,并规定如果1次冰雹出现在多个时段,以最早出现的时段为统计时段统计为1个样本。按照以上规定统计分析鲁东南冰雹天气出现时段分布(图3)特征,结果显示在鲁东南统计年份内46个降雹日主要出现在14:00—20:00,其次为20:00—08:00,08:00—14:00最少。

图3 鲁东南冰雹天气出现时段分布

2.2 冰雹的区域分布及雹粒大小特征

按照行政区域划分,鲁东南分为东港区、岚山区、莒县和五莲县。东港区和岚山区具有明显的沿海气候特征,定义为沿海地区;莒县和五莲县则表现为大陆性气候特征,定义为内陆地区。文章规定:如一次天气过程多个区县出现冰雹,则出现冰雹的区县分别记出现1次冰雹。经统计,2000—2021年4个区域共出现57次冰雹,而总的冰雹天气过程有46 d,可见鲁东南降雹主要是局地性的,一次冰雹出现在多个行政区域的频次较少。从2000—2021年各区域降雹频次及大冰雹(直径≥20 mm的冰雹)频次统计和空间分布来看,总体上内陆降雹频次多于沿海,但各区县出现冰雹频次差别不明显。其中,莒县频次最多,为18次,约占总频次的31.6%;其次为五莲县,为15次,约占总频次的26.3%;东港区和岚山区最少,均为12次,分别占总频次的21.1%左右。大冰雹共出现24次,以莒县频次最多,为10次,约占全市大冰雹总区域次的42%,直径≥50 mm的冰雹多发生在莒县或东港西部地区。不分区域的46个降雹日样本共记录有17次大冰雹样本,约占总样本量的37%。

3 冰雹影响天气系统的分型

利用降雹前最近时次的500 hPa、700 hPa和850 hPa高空资料,以500 hPa为主,地面系统为辅,结合高低空系统配置,将鲁东南降雹的主要天气形势分为低涡型(东北冷涡、蒙古冷涡)和高空槽型(横槽、较深低槽)2种,冰雹发生时地面常有冷锋、辐合线或低压相配合。另外,在切变线、副高边缘和西北气流形势下(其他类型)偶尔也会出现冰雹,但都是局地性降雹。从统计结果来看,低涡型降雹有23次,高空槽型降雹有18次,其他类型降雹5次;大冰雹主要出现在高空有低涡的形势下,该形势下大冰雹为11次,占大冰雹总频次的64.7%,高空槽产生大冰雹的频次为5次,占29.4%,另外一次大冰雹出现在高空为西北气流的天气形势下。

4 鲁东南冰雹分类型的天气学物理参量特征分析

4.1 物理参数的确定与订正方法

4.1.1 物理参数的确定

对流物理参数是判定大气是否处于对流性不稳定中及冰雹能否生成的重要因子。研究显示,能量类、层结稳定类、动力类、特殊层高度/厚度等物理量对冰雹的产生具有非常重要的指示意义。通过分析鲁东南46个降雹日的物理量发现,对流有效位能、0～6 km风速矢量差、湿球0 ℃层高度、-20 ℃层高度、850 hPa与500 hPa温度差、湿球0 ℃～-20 ℃层厚度、干暖盖指数、K指数和抬升凝结高度9个物理量对鲁东南地区冰雹产生及冰雹粒大小具有较好指示意义。

4.1.2 物理参数订正方法

大多数冰雹发生前,近地面往往存在逆温层,导致计算出的物理量存在误差,很难反映大气层结状况。文章采用冰雹发生地当天的最高气温、冰雹发生前临近时刻的地面气压和露点温度对邻近探空站的关键物理参量进行订正,为了确保关键物理参量的可用性和代表性,减少冰雹的虚警,综合考虑冰雹样本量和关键参量的物理意义,对上述具有明显指示意义的9个物理量分别绘制箱线图(图4),选用关键参量的20百分位、80百分位或20～80百分位作为冰雹潜势预报的初猜值。

(a)对流有效位能;(b)K指数;(c)850与500 hPa温度差;(d)干暖盖指数;(e)0～6 km风速矢量差;(f)抬升凝结高度;(g)湿球0 ℃层高度;(h)-20 ℃层高度;(i)0～20 ℃层厚度。图4 鲁东南降雹各关键物理量箱线图

4.2 物理参数分析

4.2.1 对流有效位能

对流有效位能是综合水汽条件和条件不稳定的一个对流参数,其值越大,表明越容易产生对流,国内外专家统计发现当对流有效位能≥1000 J/kg时就有可能发生冰雹。分析统计年份内鲁东南降雹过程的对流有效位能箱线图(图4a)发现,高空槽型降雹的箱体高度较低涡型降雹偏大,高空槽型降雹和大冰雹对流有效位能值离散度大。用对流有效位能分布下限的20百分位作为鲁东南降雹潜势预报最低阈值的初猜值,低涡型降雹、高空槽型降雹、大冰雹和小冰雹对应的对流有效位能阈值分别为1212 J/kg,1315 J/kg,1317 J/kg和1127 J/kg。

4.2.2 K指数

K指数可以反映大气的层结稳定情况,K指数越大,表明层结越不稳定。有研究表明当K指数<20 ℃时,表明无雷雨,当20 ℃

4.2.3 850 hPa与500 hPa温度差

根据研究,对流性天气的850 hPa与500 hPa温度差(ΔT85)在21～40 ℃,其值越大,代表条件不稳定性越强。据研究,ΔT85≥25 ℃将有雷暴发生并可能伴有冰雹。分析鲁东南降雹过程的ΔT85箱线图(图4c)发现,如果用ΔT85分布的20百分位作为鲁东南降雹潜势预报的最低阈值,低涡型和高空槽型ΔT85分别为≥27.2 ℃和≥27.0 ℃,可以把不同类型降雹的温度差ΔT85阈值统一为≥27.0 ℃;大小冰雹的ΔT85最低阈值的初猜值分别为≥27 ℃和≥26 ℃。

4.2.4 干暖盖指数

研究表明,干暖盖指数是冰雹等强天气发生的一个重要特征,一般用Ls来表示其强度大小,Ls越小,表明干暖盖越强,越有利于不稳定能量的积累和水汽的积聚。分析鲁东南降雹的Ls箱线图(图4d)发现,低涡型降雹、大冰雹的Ls分别较高空槽型降雹、小冰雹明显偏小,表明低涡型降雹和大冰雹需要更大的不稳定能量和水汽。用Ls的80百分位作为鲁东南降雹潜势预报的阈值,低涡型降雹和高空槽型降雹的Ls阈值分别为≤-31.8 ℃和≤-25.6 ℃;大小冰雹的Ls阈值则分别为≤-32.1 ℃和≤-26.9 ℃。

4.2.5 0～6 km风速矢量差

在给定水汽、静力不稳定性及抬升触发的情况下,风垂直切变对对流性风暴组织和特征的影响最大,垂直风切变越大,越有利于强对流产生。分析鲁东南降雹的0～6 km风速矢量差箱线图(图4e)发现,低涡型降雹和大冰雹较高空槽型和小冰雹的0～6 km风速矢量差明显偏大。采用0～6 km风速矢量差的20百分位作为鲁东南降雹潜势预报的阈值,低涡型降雹和高空槽型降雹的0～6 km风速矢量差阈值分别为≥15.0 m/s和≥12.1 m/s;大、小冰雹的0～6 km风速矢量差阈值则分别为≥13.1 m/s和≥11.9 m/s,表明无论如何划分,鲁东南产生降雹都基本达到中等深层风垂直切变(≥12 m/s)的强度。

4.2.6 抬升凝结高度

研究发现,稍高的抬升凝结高度发生大冰雹的概率较大。分析鲁东南降雹的抬升凝结高度箱线图(图4f)发现,低涡型降雹和大冰雹的抬升凝结高度分别较高空槽型降雹和小冰雹略高,但是差别不大。采用20百分位确定鲁东南降雹的抬升凝结高度阈值,低涡型降雹的抬升凝结高度阈值≥601 m,高空槽型降雹的抬升凝结高度阈值≥583 m;大小冰雹的抬升凝结高度阈值分别为≥619 m和≥606 m。

4.2.7 湿球0 ℃层高度

近年国内外很多专家指出,冰雹的融化层更接近于湿球温度0 ℃层。根据濮文耀等研究,0 ℃层高度太高或太低均不利于冰雹的产生。据统计,中国低海拔地区发生强冰雹时湿球0 ℃层高度在3000 km～4000 km。分析鲁东南降雹的湿球0 ℃层高度箱线图(图4g)发现,高空槽型降雹和小冰雹的箱体高度较低涡型降雹和大冰雹略高且平均值偏大。采用20～80百分位确定鲁东南降雹的湿球0 ℃层高度阈值范围,低涡型降雹和高空槽型降雹的湿球0 ℃层高度阈值范围分别为2920～3587 m和2183～3570 m;大小冰雹的湿球0 ℃层高度阈值范围分别为2911～3610 m和2782～3567 m。

4.2.8 -20 ℃层高度

根据朱乾根等的研究,一般-20 ℃层高度在6 km附近最容易发生冰雹。分析鲁东南降雹的-20 ℃层高度箱线图(图4h)发现,高空槽型降雹和小冰雹的-20 ℃层高度平均值和箱体高度分别较低涡型降雹和大冰雹明显偏低。采用20～80百分位确定鲁东南降雹的-20 ℃层高度阈值,低涡型降雹和高空槽型降雹的-20 ℃层高度阈值范围分别为6776～7451 m和5900～7256 m;大小冰雹的-20 ℃层高度阈值范围分别为6467～7510 m和6167～7296 m。

4.2.9 0～-20 ℃层厚度

0～-20 ℃层厚度越小,说明大气的温度垂直递减率越大,越容易形成强对流性天气。有专家指出0～-20 ℃层厚度一般在3000～6000 m有利于强对流天气发生。分析鲁东南降雹的0～-20 ℃层高度箱线图(图4i)发现,高空槽型降雹和小冰雹的平均0～-20 ℃层厚度分别较低涡型降雹和大冰雹偏大,表明大冰雹和低涡型降雹的大气更为不稳定。采用80百分位确定鲁东南降雹的0～-20 ℃层厚度值,低涡型降雹和高空槽型降雹的0～-20 ℃层厚度阈值分别为≤3889 m和≤3997 m;大小冰雹的0～-20 ℃层厚度阈值则分别为≤3776 m和≤3958 m。

4.3 物理参量阈值

表1列出了将2000—2021年鲁东南成灾冰雹天气系统及大小分型后,对流有效位能、K指数、ΔT85、Ls、0～6 km风速矢量差、抬升凝结高度、湿球0 ℃层高度、-20 ℃层高度、0～-20 ℃层厚度等9个关键参量对应的阈值。

表1 鲁东南冰雹天气系统及大小分型潜势预报物理量优化指标

从表1可以看出,鲁东南降雹的关键物理参数具有明显的共性,具体表现为降雹需要较大的对流有效位能、中等强度及以上的深层(0～6 km)垂直风切变、显著的条件不稳定层结和适宜的特征层高度/厚度。具体到不同划分上,降雹的关键物理参数阈值都存在一定的差别。总体来说,大冰雹较小冰雹、低涡型降雹较高空槽型降雹的对流特征更加显著,表现在低涡型降雹、大冰雹的对流有效位能明显偏大、干暖盖指数偏小(干暖盖偏强)、深层垂直切变偏大、抬升凝结高度略偏高、0～-20 ℃层厚度偏小。

5 结束语

文章利用冰雹实况和高空地面资料,分析了2000—2021年鲁东南46个降雹日天气过程的时空分布特征及天气学分型,在此基础上对分型和分大小降雹前的关键环境参数进行了统计分析,结合关键参数的物理意义采用百分位方法总结出不同物理参量的阈值,得出以下结论:

1)鲁东南降雹具有明显的时空分布特征。鲁东南降雹日数年际变化大,呈不显著的线性上升趋势;降雹主要集中在5—6月份,14:00—20:00是冰雹高发时段;内陆地区降雹多于沿海地区。

2)鲁东南降雹过程多基于降雹月份的低涡和高空槽两种环流背景产生,其环境参量在热力能量、层结稳定度和热力动力方面呈现出明显的强对流天气特征,并在特殊高度与厚度层上具备冰雹生长的基本条件,大冰雹和低涡型降雹物理参量的对流特性明显强于小冰雹和高空槽型降雹。

3)分型降雹和分冰雹大小的关键参数虽然表现出一定的差别,但是也存在明显的共性,都具有较大的对流有效位能、中等及以上强度的深层(0～6 km)垂直风切变、显著的条件不稳定层结和适宜的特征层高度/厚度。

研究统计了2000—2021年鲁东南46个降雹日的物理参数,可为鲁东南冰雹预报预警及人工防雹作业提供参考依据,但受统计年份、记录完整程度、研究方法等因素影响,分析结果有一定的局限性,研究成效尚有待进一步检验。