一次大冰雹天气过程分析

一次大冰雹天气过程分析

袁觅1 罗忠旭1 衮毅1 胡妍妍1 张欣1 张智森1

贵州省大方县气象局

摘要：在分析2018年4月2日贵州省发生的大范围冰雹天气过程时，本研究深入探讨了冰雹形成的气象条件、动力学和热力学机制以及微物理增长过程。雷达回波和卫星云图的分析揭示了强对流系统的典型特征，明显的带状回波结构和云顶极端低温。动力热力条件的分析表明，强烈的垂直上升运动和深厚的对流不稳定层结是冰雹形成的关键因素。这些发现不仅提升了我们对冰雹形成机制的理解，也为未来天气预报和防灾准备工作提供了科学依据。

关键词：冰雹形成；大气不稳定性；微物理过程

引言

冰雹是一种具有极大破坏力的高影响天气事件，能对农业、交通运输、建筑及人民生命财产安全造成严重影响。理解冰雹的形成机制对于提高预报准确率、减少其所带来的损失具有重要意义。尽管过去的研究已经确定了一些影响冰雹形成的大气条件，但由于其生成过程的复杂性，涉及的变量众多，冰雹预测仍然是一个具有挑战性的领域。

一、冰雹形成的理论与机制

（一）冰雹形成的气象条件

冰雹的形成涉及到特定的气象条件，这些条件共同作用于大气层中，促使冰雹粒子的生成和发展。首要条件是大气的不稳定性，这通常由地表温度的快速升高和上层冷空气的叠加所引起。当地表因太阳辐射加热而温度升高时，空气会变得较轻并上升，形成上升气流。如果此时上方存在一个较冷的空气层，就会形成一个显著的温带梯度，增加了大气的垂直对流。高湿度也是非常关键的，因为冰雹的生长需要大量的水汽。冰雹通常在含有丰富水汽的对流云中形成，如积雨云。这种云类型常伴随着强烈的上升气流，可以将暖湿的气流迅速带到高空，提供理想的环境让冰雹粒子能够在云中生长到较大的尺寸。

（二）动力学和热力学机制

冰雹形成过程中的动力学和热力学机制是相互关联的。从动力学角度看，冰雹的形成与强上升气流密切相关，这种气流能够将冰雹粒子保持在云中较长时间，允许它们增长到较大尺寸。上升气流的速度和范围直接影响冰雹的大小和形状。从热力学角度考虑，温度和湿度的分布对冰雹的形成同样至关重要。温度梯度必须足够大，以支持水汽的快速凝结和冻结过程。同时，云内的液态水含量必须充足，以保证冰雹在生长过程中有足够的水分供应。云顶的温度需要足够低，以防止冰雹在下降过程中融化。这些热力学条件确保了冰雹可以在云中持续生长，直到它们因重量过大而开始下落到地面。

（三）冰雹增长的微物理过程

冰雹的增长是一个复杂的微物理过程，涉及到冰雹粒子与云中的其他粒子之间的相互作用。初始阶段，冰雹由小的冰晶或霰粒开始，这些初级冰粒子通过碰撞收集过冷水滴而逐渐增大。随着粒子变大，它们在云中的运动受到气流的影响，包括上升气流和湍流。这些气流可以导致冰雹粒子在云中不同高度和温度区域内循环移动，从而经历复杂的融化和再冻结过程。冰雹粒子还可能通过聚集过程合并，即较小的冰粒子相互碰撞并粘附在一起形成更大的冰雹。这整个过程不仅取决于大气条件，还受到冰雹粒子之间碰撞效率和粒子大小分布的影响。冰雹的增长是一个多阶段、多过程的微物理现象，涉及粒子的成核、聚集、融化及再冻结等复杂相互作用。

二、大冰雹天气过程分析

（一）环流背景分析

在分析2018年4月2日贵州省发生的大范围冰雹天气过程的环流背景时，我们不难发现几个关键的气象系统相互作用为这场天气事件提供了必要的条件。首先，500hPa高空的槽后西北气流成为影响该天气形成的重要角色。这种流向不仅促进了冷空气的南下，还增强了大气的垂直运动，为冰雹的形成创造了有利的动力条件。而低层700hPa和850hPa高度上，水汽通量的明显辐合则从热力条件方面提供了支持，这种水汽的汇聚不仅增加了大气的湿度，还提高了降水的可能性和强度。地面冷锋的过境与低层暖湿气流的抬升作用相结合，是此次大冰雹天气的直接触发机制。冷锋的到来加强了地面气温的水平梯度，而低层暖湿气流则为冰雹的成长提供了充足的水汽和上升运动。这种复杂的气象条件配合，最终导致了强对流天气的发展，进而形成了破坏性强且影响范围广的大冰雹天气。

（二）数值模拟与雷达同化

在气象预报领域，结合数值模拟与雷达资料同化技术为精确预测极端天气事件提供了新的途径。对流层中层的雨水和冰相粒子含量得到了增加，更贴近实际降水情况，同时改善了大气热力结构的模拟。同化雷达数据带来的正温度扰动对促进云中液态水向冰相转化并维持对流系统发展起到了关键作用，这对于冰雹形成尤为重要。高分辨率的雷达观测还显著提升了降水预报的准确性和及时性。这些成果不仅科学支撑了冰雹预报，也为减少相关灾害损失提供了有效工具。

（三）雷达回波特征

在大冰雹发生前，雷达回波强度迅速增强，这是由于冰雹形成过程中，冰相粒子浓度增加，导致雷达波束反射增强。同时，出现了明显的“三体散射”现象，即雷达回波在水平和垂直方向上呈现出三个明显的区域，分别对应于不同大小的冰相粒子。回波顶高显著上升，超过12公里。这是因为在强对流天气过程中，大气中的上升气流速度加快，将更多的水汽和冰相粒子带到高空。这种上升气流速度在垂直剖面上表现为强烈的上升气流速度，进一步促进了冰雹的形成和增长。

（四）卫星云图特征

在大冰雹天气发展初期，可见光云图上呈现了明显的对流云团。这些云团在初始阶段就显示出了较强的对流活动，随着时间的推移，这些云团逐渐合并加强，最终呈现出典型的“带状回波”结构。这种结构在气象学中通常与强烈的天气系统相关联，尤其是那些能够产生大范围冰雹的系统。

在红外云图上，我们观察到云顶亮温低于-60℃，这是另一个关键指标。云顶温度的低值表明云团顶部高度较高，且云团内部的上升气流非常强盛。这种低温通常与云顶的冰晶或冰粒有关，这些冰相粒子在云团中不断凝结、凝聚，形成冰雹。云团发展旺盛，强对流活动明显，为冰雹的形成提供了有利条件。

（五）动力热力条件

我们观测到，大气中存在着强烈的垂直上升运动，其最大上升速度甚至超过了20m/s。这种强烈的垂直上升运动为冰雹的形成提供了重要的动力条件。在强上升气流的作用下，云中的水汽和冰相粒子被迅速抬升，促进了冰雹粒子的生长和发展。

同时，我们还发现大气中存在深厚的对流不稳定层结。这种不稳定层结意味着大气中的气温随高度升高而降低的速度更快，从而使得云中的水汽更容易凝结成冰，形成冰雹粒子。这种深厚的对流不稳定层结为冰雹粒子的生长提供了良好的热力条件。强烈的垂直上升运动和深厚的对流不稳定层结共同构成了此次大范围冰雹天气过程的动力热力条件。这些条件不仅有利于冰雹粒子的形成，还促进了冰雹粒子的生长和发展，最终导致了此次严重的冰雹灾害。

三、结语

通过这次对2018年4月2日贵州省发生的大范围冰雹天气过程的深入分析，我们得以全面理解了冰雹形成的气象条件、动力学和热力学机制以及微物理增长过程。冰雹的形成不仅需要大气不稳定性、高湿度和强烈的上升气流，还涉及到温度和湿度分布的精确配合，以及云中冰雹粒子复杂的动态互动。

我们进一步探讨了该事件的环流背景，包括高空槽后西北气流、低层水汽通量辐合以及地面冷锋与暖湿气流的相互作用，这些都是形成大范围强对流天气的关键因素。雷达回波和卫星云图的分析进一步揭示了强对流系统的典型特征，如明显的带状回波结构和云顶极端低温。动力热力条件的分析表明，强烈的垂直上升运动和深厚的对流不稳定层结是冰雹形成的决定性因素。这些发现不仅提升了我们对冰雹形成机制的认识，也为未来的天气预报和防灾准备工作提供了宝贵的科学依据。

参 考 文 献

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