引言

赤峰市位于内蒙古的东南部, 41°17′~ 45°24′N、116°20′~120°58′E, 总面积90021.22km²。冰雹是赤峰地区夏半年极具破坏性的天气现象之一, 多发生在4—9月, 正是农作物生长和发育的季节, 常给农作物、大棚和人们的生产、生活带来重大损失。

冰雹是一种中小尺度系统, 具有很强的局地性, 是在一定的环流背景下, 在不稳定层结、触发机制和云物理机制等有利的条件下产生的, 是一种小概率事件, 预报难度较大^[1]。多年来, 国内外许多专家致力于冰雹预报方法的研究, 通过寻找与云中能够降雹的种种相关因素, 建立天气形势预报、物理量参数预报和相关统计预报等方法^[2~4]。通过大量的观测研究, 特别是数值模拟方法的广泛使用, 人们对强对流天气发生的物理机制有了更为深入的了解, 并在业务预报中引入了许多新的物理参数^[5~8]。为了检验这些参数在本地冰雹预报中的指示意义, 我们引进了空军气象研究七所的“强对流天气分析预报参数软件包”。在分析了影响赤峰地区降雹的天气环流类型的基础上, 根据拟合率大小选择入选参数, 确定阈值范围, 用多指标集成法建立了本地冰雹预测方法, 在业务预报中取得了较好的效果。

1 资料的选取

在划分产生雹暴的天气环流型时, 既考虑到上干冷、下暖湿的不稳定条件, 又考虑到促使不稳定能量释放的动力条件, 即低值触发系统。分析了降雹当日500hPa、850hPa和地面三层历史资料, 依据温压场、风场和天气系统的上下配置情况, 把赤峰地区降雹环流形势分为4种类型: 西北气流型、前倾槽型、冷涡型、后倾槽型。

资料选用的是1988—1997年4—9月赤峰地区13个测站的降雹资料、赤峰站07时(北京时, 下同)探空资料。选择雹日标准是: 一日内至少有两个测站出现冰雹, 记为一个雹日。据此, 10年间满足雹日标准的共有71个个例。

2 冰雹分布特征

从全市1961—2000年冰雹的地理分布(图 1)可以看出, 该地降雹分布特征是西部沿山地区最多, 随着海拔高度的降低, 冰雹由西向东逐渐减少。最多的是西部的克什克腾旗, 40年降雹170天, 平均每年4.3天; 天山站最少, 40年出现了50天, 平均每年1.2天。

据统计, 赤峰冰雹天气出现的季节是每年的4月初到10月底, 主要集中出现在6—7月, 占60%左右(表略), 主要原因是6、7月该地冷暖空气活跃, 对流旺盛, 极易形成冰雹云。

由1980—2002年资料统计的不同站次冰雹出现的次数显示(表略), 该地冰雹发生的局地性很强, 单站冰雹过程出现频率最高, 占73%, 同一天两站产生冰雹的频率也较大, 占27%左右。一日内大于或等于3站出现冰雹的次数相对较少, 约占总数的8%, 表明该地出现大范围的降雹过程很少。

3 产生冰雹的环流型 3.1 西北气流型

这是一种本地最常见的降雹天气形势, 1988—1997年间共有33次, 占总数的46.5%。在关键区(指38~52°N、105~ 115°E, 下同)内, 500hPa高度场上无低值系统, 受西北气流控制, 850hPa上是低槽前的西南暖湿气流, 地面有冷锋或低值区。这样的高低空形势配置, 既造成上冷下暖的温度差动平流^[1], 有利于雹区未来层结不稳定度的增大, 又有利于低值系统的抬升作用。

3.2 前倾槽型

此型共有17次, 占总数的23.9%。在关键区内, 500hPa槽线比850hPa槽线前倾2~7个经距, 这样, 高层是500hPa槽后干冷的西北气流, 低层是850hPa槽前的暖湿西南气流。前倾槽型与西北气流型的区别在于: 西北气流型在关键区内无明显槽线, 而前倾槽型在关键区内有明显的槽线。

3.3 冷涡型

此型共有18次, 占总数的25.4%。在关键区内, 500hPa有冷性闭合低压, 低空是槽前的暖湿西南气流。这种环流形势降雹范围较大, 多为连续2天降雹。

3.4 后倾槽型

此型只有3次, 占总数的4.2%。在关键区内, 500hPa槽前暖高压脊明显, 槽前是冷平流。500hPa与850hPa槽线垂直或后倾。此型出现大范围降雹的可能性小。降雹时, 常是850hPa影响槽或相应的地面冷锋是从西北或偏北方向移来的。850hPa槽前的西南风速小于12m·s^-1, 且层结不稳定。

4 预报因子的选取

我们以天气动力学理论为基础, 从降雹形成的物理原因、天气背景等因素出发, 对各降雹型都选取大量的个例进行分析统计, 最后选用物理意义明确、相关好、历史拟合率高和稳定可靠的因子作为预报因子。

产生冰雹的环流型中, 以西北气流型最多。因此, 这里以西北气流型为例, 介绍一种客观的冰雹预报方法。西北气流型共有10个反映大气层结状况的指数入选。

(1) 沙瓦特指数SI

SI是把850hPa等压面上的湿空气团沿干绝热线上升, 到达抬升凝结高度后再沿湿绝热线上升至500hPa时所具有的气团温度(T_s)与500hPa等压面上的环境温度T₅₀₀的差值。

SI=T₅₀₀-T_s, 表示这个层次中的条件性不稳定情况。SI是反映大气状况的一个指数。当SI < 0时, 大气层结不稳定, 且负值越大, 不稳定程度越大, 反之, 大气层结是稳定的。

统计表明:SI < 0有雹的概率为15/ 31, 这样就有半数以上的冰雹漏报, 为了减少漏报, 以SI≤1℃为界, 确定有无冰雹更为明显。因此规定: SI≤1℃, 预报有冰雹, 拟合率为23/31。SI > 1℃, 预报无冰雹。

(2) 抬升指数LI

LI是把气块从起始高度沿干绝热线上升, 到达抬升凝结高度后再沿湿绝热线上升至500hPa时所具有的气团温度(T_s)与500hPa等压面上的环境温度T₅₀₀的差值。

LI=T₅₀₀-T_s, 表示这个层次中的条件性不稳定情况。它也是反映大气状况的一个指数。当LI < 0℃时, 大气层结不稳定, 且负值越大, 不稳定程度越大, 反之, 大气层结是稳定的。

实际统计表明: 以LI≤0.5℃为界, 确定有无冰雹最为明显。因此规定: LI≤ 0.5℃, 预报有冰雹, 拟合率为26/31, LI > 0.5℃, 预报无冰雹。

(3) 下沉对流有效位能DCAPE

DCAPE从理论上反映出下沉发生后, 气块下沉到达中性浮力层时所具有的最大动能。其数学表达式为:

其中, p_n是下沉气块到达中性浮力层时所在高度的气压或者地面气压, p_i是气块开始下沉高度的气压。T_v表示虚温, R_d是干空气气体常数; 温度下标“p”和“a”分别为气块和周围环境的相应量。

当DCAPE≥450时, 预报有冰雹, 拟合率为23/31; DCAPE < 450, 无冰雹。

(4) 深厚对流指数DCI

DCI用于确定有发展为深厚对流潜势的区域。

第一项为850hPa上的气温与露点之和, 第二项为地面至500hPa的抬升指数。在DCI高值区, 常有明显的对流发生。当DCI≥20℃时, 有冰雹, 拟合率为24/31, 当DCI < 20℃时, 无冰雹。

(5) 0℃层高度H₀

0℃层高度是云中水分凝结高度的下限, 适当的0℃层高度是冰雹增长和降落的主要条件之一。当H₀在3.3~4.4km之间时, 有冰雹, 拟合率为25/31, 否则无冰雹。

(6) 850hPa与500hPa温度差ΔT

ΔT值越大, 表明上冷下暖越显著, 越有利于对流的发展。当ΔT≥28℃时, 有冰雹, 拟合率为21/31, 否则无冰雹。

(7) 瑞士雷暴指数SWISS

Shr_3~6为3000~6000m气层内密度加权平均垂直风切变。当SWISS≤7, 有冰雹, 拟合率27/31; 否则无冰雹。

(8) 总指数TT

TT越大, 表示越不稳定。当TT≥ 46℃, 有冰雹, 拟合率20/31; 否则无冰雹。

(9) 山崎指数KYT

其中SI为沙瓦特指数, ΔT_a为500~ 850hPa层的温度平流。当KYT≥0℃, 有冰雹, 拟合率20/31; 否则无冰雹。

(10)KI指数

当KI≥24℃, 有冰雹, 拟合率26/31; 否则无冰雹。

5 多因子集成判别

以西北气流型为例, 选取以上10个对冰雹有指示意义的因子(见表 1)。从统计分析可以看出: 并不是每个雹日, 这10个因子都能同时达到预报指标, 大多数情况是只有若干个因子满足条件。因此规定: 入西北气流型后, 如果有≥5个因子同时达到预报冰雹的指标, 那么就报有冰雹, 否则, 无冰雹。

按上述标准, 对赤峰地区1988至2002年4至9月降雹资料进行计算检验, 得出有冰雹日的拟合率为75.8%。该方法已投入当地冰雹预报业务应用, 取得了较好的预报效果。

6 总结与讨论

实践表明, 应用多因子集成法制作赤峰地区冰雹预报, 优于其它方法, 提高了冰雹预报的准确率。但由于赤峰只有一个探空站, 所以只能作出有无冰雹的预报, 而不能作出具体的冰雹落区预报。目前赤峰市新一代天气雷达已正式运行, 根据雷达提供的PPI、RHI等资料, 将能够判别云的强度、位置、高度、移动方向、速度及强弱变化等, 使冰雹的落区及实效预报成为可能。