姚丽花1，屈新军2，程 琛3，康 巍1，刁 平4，宋玉玲1
（1.兵团第七师气象局，新疆 奎屯 833200；2.博州地区气象局；3.兵团第十师气象局；4.乌鲁木齐市气象局）
摘要：利用常规地面资料、天气图、探空资料、FY2F卫星云图资料、多普勒雷达资料以及天文动力特征分析的单站定量分析和全球范围的定性分析等资料和分析方法，分析了2011年6月22日发生在新疆奎屯河流域强冰雹天气过程。结果表明，此次冰雹天气过程是由于乌拉尔山脊受西北方冷空气侵袭东南跨，促使西西伯利亚低涡中心分裂短波不断东南下，与槽前的西南暖湿气流汇合，地面偏东风和高层偏西气流辐合抬升，触发不稳定能量释放产生了强对流天气。在天文动力场的垂直力分量场中，由上升力区转变成下沉力区有利于引导北方冷空气成规模南下进入北疆盆地，在天山大地形的强迫抬升作用下，有效地破坏干冷盖，成为奎屯地区形成夏季冰雹的有力触发动力因素。同时，此次冰雹天气发生发展过程中正不稳定能量面积区域扩大，高度升高，卫星云图和多普勒雷达回波的演变较好的监测了冰雹发生的强度和落区。
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关键词 ：冰雹天气；天文动力特征；不稳定度条件；云图；雷达回波
2011年6月22日，新疆奎屯河流域车排子垦区的一二三团、一二六团、一二七团、一二八团、一二九团5个团场遭受严重冰雹袭击，棉花、番茄、小麦、玉米、甜菜等作物大面积受到严重雹灾。6月22日凌晨零点至1点，车排子垦区发生严重灾害性天气过程，大风、暴雨夹冰雹持续6 min，一二六团出现11.5 mm雷阵雨夹冰雹，一二三团出现4.9 mm雷阵雨夹冰雹， 一二八团出现12.1 mm雷阵雨夹冰雹，冰雹直径0.3 ~ 0.8 cm，降雹密度大，降雹厚度2 ~ 5 cm，此次降雹受害团场之多、受灾面积之大、灾害程度之严重，是第七师历史上前所未有的。由于降雹强度大，影响范围大，过雹区棉花等农作物均遭受了严重的冰雹灾害。
１ 环流形势和影响系统分析
１.1 对流层顶环流形势分析
100 hPa环流形势为：南亚高压呈稳定的带状分布，高压有2个中心分别位于伊朗高原上空和青藏高原东部上空，并且伊朗高原上空的高压（中心1 684）强度发展强于青藏高原东部上空高压（中心1 680）强度（见图1）。奎屯正处于强盛的南亚高压北侧的较宽阔急流槽中，表明大气层结处于不稳定状态。
200 hPa北半球范围内的环流演变，主导对流层中上层系统的运动。大西洋欧洲沿岸低槽的发展，促使欧亚大陆地区2支锋区上的短波槽由反位相配置向同位相转变，原来位于新疆西侧的南支低槽得到乌拉尔山低槽的补充后东移到北疆盆地上空，造成22日奎屯地区的冰雹天气（见图1）。
１.2 对流层环流形势分析
500 hPa环流形势（图2）：冰雹天气发生前，欧亚环流形势为三槽两脊型，乌拉尔山为强大的高压脊，欧洲、西西伯利亚为低涡活动区。21日08 时里海脊与东移的欧洲脊在乌拉尔山地区叠加深厚的脊，高压脊线北伸到新地岛，欧亚范围内环流经向度进一步加大，脊前部不断有冷空气沿着偏北气流南下，使中亚低涡加深东南移（中心强度为548），低涡前部为西南气流， 21日20时，由于乌拉尔山脊受脊顶西北方冷空气侵袭东南跨，促使中亚低涡中心分裂短波不断东南下，与槽前的西南暖湿气流汇合，移进入北疆西部地区，加上天山山脉地形阻挡，地面偏东风和高层偏西气流辐合抬升，为新疆奎屯河流域冰雹强对流提供不稳定能量。
影响系统为中亚低涡分裂短波与南支系统西南气流共同作用，其特点是波长短，移速快，为强对流的发展提供较为充足的水汽。
２ 天文动力特征分析
根据目前天文动力结构分析方法研究的水平和业务实践成果，天文动力特征分析主要从单站的定量分析（动力不稳定度）和全球范围的定性分析（动力触发机制）2个方面进行。
２.1 单站定量分析
根据动力周期回归调制原理，月球公转1周的时间（27.5日），天文引潮力变量等级（或距平等级）总和为零的时刻往往就是不稳定能量被强迫释放，从而形成较明显的天气过程。这是对灾害性天气过程的定时分析方法。这次奎屯地区强冰雹天气就发生在5月26日开始到6月22日的一个天文周期上，22日变量等级值时间积累效果为零，天文动力强迫大气层释放动力不稳定层结，同步释放热力不稳定能量，形成强冰雹天气过程。其中，6月4 ~ 14日变量等级的持续低值高频振荡，对中空小股冷空气侵入北疆盆地上空有利，15 ~ 21日较强的变量等级负值区域有利于近地面迅速增温增湿，有效积累潜热不稳定能量。天文动力欧氏距离的分布特征也显示，22日位于16 ~ 20日天文动力欧氏距离值的负值时段之后，表明冰雹是由动力压缩作用破坏了潜热不稳定层结的保护层结而爆发的。
２.2 全球范围定性分析
全球范围天文动力结构分析是对月相变化的分析，通过分析可以发现天文动力不稳定层结在被强迫回归的时刻可以很好地把握爆发天气的区域，构成天文动力对灾害性天气的定点分析方法。天文动力全球范围日平均位置的三维结构分析，因为垂直力场最稳定，具有较好的连续性。所以可以用来做代表进行重点分析（见图3）。
从图3中可以看到，22日全球范围天文动力垂直分量有利于纬向环流的维持和发展。其中，新疆北疆地区位于上升力中心的西北侧，由于天文动力水平分量动力辐散作用，这个位置正是天文动力场最有利于形成较强的整层下沉运动的关键区域，与西面的上升力中心东北侧形成的动力辐合上升关键区形成较强的的动力对流偶。由于动力背景为纬向环流，下沉力作用范围较小，可以激发的上升运动区域也相对较小，从而引发了奎屯地区的冰雹强对流性天气过程。由此可以看出，从21日到22日，在天文动力场的调制作用下，强的下沉动力将高空冷空气直接灌入北疆准噶尔盆地，破坏了前期在奎屯地区建立起来的对流层中层干冷盖，使近地面层的潜热不稳定能量得以释放，形成冰雹天气。
３ 不稳定度条件
不稳定大气中可供气块作垂直运动的潜在能量，E = -∫△T·RdlnP分析层结曲线和状态曲线之间所包围的面积。便可得到正不稳定能量面积（即位于状态曲线左方和层结曲线右方之间的面积）。
３.1 对流有效位能（CAPE）分析
大气对流是对流有效位能（CAPE）向对流运动动能的转换的强弱，反应了对流层低层的气块参与对流的难易程度，这个参量在近年的强对流天气预报中得到广泛的应用[1-2]。本文运用克拉玛依探空站来分析温度-对数压力图，距车排子55 km。
20时正不稳定能量面积扩大升高，从680 hPa至250 hPa，20时各要素值：K = 36，SI = -1.22，CAPE = 876.2（湿对流有效位能） ，CIN = 341.7（对流抑制有效位能），ZH = 3 896.8（0度层位势高度），LFC - p = 694.2（自由对流高度），TCL - p = 832（抬升凝结高度），SSI = 295.6（风暴强度指数）。
３.2 K指数和稳定度指标沙氏指数（SI）
K指数是综合了垂直温度梯度、低层水汽含量和湿层厚度的一个气团属性，它可以用来表示大气中低层暖湿程度和大气稳定度，对强对流天气的预报具有一定的指导意义[3]，沙氏指数是大气层结稳定度的判据，如果SI ＞ 0，则表示稳定，SI ＜ 0，则表示不稳定。2011年6月21日08时K指数K08 = 21，沙氏指数SI08 = 1.82，稳定；20时K指数K20 = 36，沙氏指数SI20 = -1.22，不稳定（见图3）。
４ FY2E气象卫星红外云图分析
2011年6月21日20时至22日2时奎屯河流域冰雹天气过程，从FY2F红外云图上可以看出，时间尺度在6 h之内，空间尺度在25 km之内，是中-γ尺度系统。另外，冰雹云发展比较有特点，对流云系发展在高空低涡主云系的后部，而不是系统性云系的前部。主要原因是高空低涡云系过境后，大气层结处在不稳定，有较好的水汽凝结，又处于负涡度区向正涡度区过度，上升气流强，使得冰雹对流云系发展。冰雹对流云系的发展过程：22时对流云团开始在奎屯河流域西北部区出现，23时对流云团的面积扩大，强度增强，22日0时至1时对流云团强度达最强，发展的比较完整，并且在奎屯河流域北部车排子垦出现强冰雹，22日2时该对流云系逐渐减弱西北移。
５ 多普勒雷达回波特征
利用克拉玛依多普勒天气雷达资料对此次强对流系统的演变和结构特征进行分析。
５.1 对流的演变
2011年6月21日23：50，在相对雷达位置“255°，95 km” 托里东南方向一二六团西面及“150°，35 km”2处出现强回波中心。此后，相对雷达位置“255°，95 km”托里南方向的一二六团西面强回波不断发展加强，并向东偏南方向移动，22日00：12左右，对流系统发展达到强盛，已进入车排子垦区，交替发展并维持到00：34，随后减弱。
在VIL图上，23：50对流单体中心VIL值已经较大。随着对流向深厚发展，VIL大值范围出现增大，局部地区有冰雹生成，00：12前后达到最强盛，00∶34时对流减弱VIL值也减小。
00：12 ~ 00：17的2个体扫中（图4），对流单体进一步加强，VIL值也出现迅增。在1.5°仰角强度图上，可以看到沿其前进方向的右侧，低层反射率因子等值线在入流一侧出现很大的梯度。垂直剖面显现出对流云团的回波悬垂结构及有界弱回波区（BWER）的结构。显现出强对流单体的回波特征。位于该风暴移动方向前沿，沿入流方向穿过最强回波位置的反射率因子剖面可见明显的弱回波悬垂结构。
从垂直剖面图上可见50 dBz 回波顶高达6 km以上，弱回波区和弱回波区之上的回波悬垂结构清晰可见，并在其顶部可见高达16 km的指装回波，判断该时刻强对流风暴内冰雹已经形成。
５.2 速度分析
23：50开始，在1.5仰角的速度图上，低层对流单体强回波中心运动前方有大片的逆风区，这里是由东南方向进入对流风暴的有界弱回波区域，为上升气流区。径向速度图上逆风区与其西南方向的相对速度中心组成辐合气旋式速度对，表明单体底部为辐合弱气旋结构。对流中心后部，靠近强度中心的部分速度小，远离强度中心的后部速度大，为明显的风速辐合结构，00：39以后减弱。
６ 结论
（1）夏季当100 hPa高空图上南亚高压呈稳定的带状分布，新疆北疆地区处于南亚高压北侧平直西方急流带控制之下，整层大气处于动力不稳定状态。乌拉尔山高压脊顶受西北方冷空气侵袭东南跨，促使西西伯利亚低涡中心分裂短波不断东南下，对中低空冷暖空气分层交汇形成干冷盖层结有利。（2）夏季，天文引潮力单站资料中，总力的变量等级（或距平等级）和五维欧氏距离值维持7 ~ 10 d的正值的低幅高频振荡形式，对奎屯地区上空形成有利于潜热不稳定能量的干冷盖有利。总力的距平等级或变量等级值在一个天文公转周期内实现动力回归，才是决定天气过程爆发的时间段的关键。（3）在天文动力场的垂直力分量场中，以上升力域为主导的中心区在水平动力辐散辐合作用的配合下，可以在上升力中心周围形成对大气作用完全不同的运动效果。注意对不同区域所对应的天文动力结构的分析，是确定天气过程发生关键区域的基本方法。（4）温度 - 对数压力图，正不稳定能量面积区域扩大，高度升高，达250 hPa；K ＞ 30， SI ＜ 0。（5）FY2F红外云图上要注意高空涡云系后部，对流云团面积的扩大发展。（6）多普勒雷达回波特征，在VIL图上，低层反射率因子等值线在入流一侧出现很大的梯度。垂直剖面显现出对流云团的回波悬垂结构及有界弱回波区（BWER）的结构。从垂直剖面图上可见50 dBz回波顶高达6 km以上，弱回波区和弱回波区之上的回波悬垂结构清晰可见，并在其顶部可见高达16 km的指装回波，判断该时刻强对流风暴内冰雹已经形成。径向速度图上逆风区与其西南方向的相对速度中心组成辐合气旋式速度对，表明单体底部为辐合弱气旋结构。
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参考文献
[1]李耀东，埃玛图微机制作及对流有效位能的计算[J].气象，1998，24（5）：24-28.
[2]赵秀英，彭治班，吴宝俊，等.下沉对流有效位能[J].气象，2000，26（6）：61-66.
[3]王军，周官辉，杜滨鹤，等.豫北一次飚线天气过程分析[J].气象，2002，28（11）：37-40.