1. 引言
新疆生产建设兵团第三师图木舒克市是新疆棉花、粮油及瓜果的主要生产基地之一，因地表性质差异悬殊，冰雹、局地短时强降水、大风沙尘等气象灾害频繁，每年发生的各类气象灾害给当地的农业生产和人民群众的生活都造成了一定经济损失，制约了当地经济的可持续健康发展。因此，做好该区域冰雹、短时强降水等强对流性天气的短临预报预警，是提升本地区人影防灾减灾能力的关键和基础。国内诸多气象学者针对各区域冰雹天气的气候特征、环流背景、雷达图像产品特征等方面做了大量研究 [1] [2] [3] [4] [5]。近年些，南疆地区作为新疆的强对流性天气高影响区域之一，气象防灾减灾形势日益严峻，新疆气象学者则针对发生在新疆不同区域的局地短时强降水、冰雹等强对流性天气的成因进行了分析 [6] [7] [8] [9] [10]；与此同时，有些学者对冰雹潜势预报及预警指标深入研究 [11] [12] [13]。本文在其他气象学者的研究基础上，参照文献中的系列分析方法，重点分析新疆图木舒克市及其辖区冰雹天气的环流背景和多普勒天气雷达图像产品特征，从气候学角度揭示本区域冰雹天气的发生规律，分析本辖区内新一代天气雷达冰雹天气的雷达图像产品判识指标，为辖区内冰雹的预报预警方法研究及人工影响天气作业提供科技支撑，以期实现研判精准、预警及时、气象防灾减灾能力增强的长效防控格局。
2. 冰雹天气的影响系统和环流形势
冰雹天气属于中小尺度天气系统范畴，是在特定的大气环流背景下与中小尺度系统共同作用下而产生的 [14] [15]。在大气环流背景下而产生的影响系统的分析是冰雹天气预报预警的关键。本文依据NCEP 1˚ × 1˚及区域自动气象站常规资料，利用GrADS绘图软件绘制了冰雹个例的500 hpa高空天气图，总结分析了2012~2019年新疆图木舒克市及其辖区内近8a冰雹天气过程的影响系统，并对其环流形势进行了分型(图1)。
Figure 1. 500 hpa height field (solid line, gpm) and temperature field (dotted line, ˚C). (a) Balkhash Lake low trough; (b) Central Asia low trough (vortex); (c) Frontal zone short-wave trough
图1. 500 hpa高度场(实线，gpm)和温度场(虚线，˚C)。(a) 巴尔喀什湖低槽型；(b) 中亚低槽(涡)型；(c) 锋区短波槽型
2.1. 巴尔喀什湖低槽型
此类环流形势主要以经向环流为主，乌拉尔山至里海为高压脊区，西西伯利亚地区为低槽活动区，其槽前有分裂短波活动，移至巴尔喀什湖地区时切出低槽或低涡。巴尔喀什湖低槽(涡)属于北支影响系统，在欧亚范围内43˚~53˚N，70˚~85˚E出现的低槽称为巴尔喀什湖低槽，槽底可南伸至40˚N，槽线不超过40˚N。若此时新疆为弱脊发展，此类环流形势有利于新疆图木舒克市及其辖区内冰雹天气的发生。近8 a来辖区内冰雹天气共出现此影响系统9次，占39.2%。
2.2. 中亚低槽(涡)型
此类环流形势主要以经向环流为主，前期乌拉尔山高压脊发展旺盛，且位置稳定少动。欧亚35˚~50˚N、60˚~90˚E范围内脊前低槽(涡)发展，槽底南伸至40˚N以南区域。随着里海脊发展，推动脊前低槽(涡)东移，当新疆西部位于槽底前部时，该系统造成新疆图木舒克市及其辖区内的冰雹天气。近8 a来辖区内冰雹天气共出现此影响系统8次，占34.8%。
2.3. 锋区短波槽型
此类天气系统在欧亚范围内多呈纬向环流，副热带锋区主体位于40˚~50˚N，气压梯度和温度梯度较大，随着锋区加强东移，槽前不断分裂短波并影响南疆地区，南疆西部国境线外有低压发展，南疆位于低压底部锋区上，此类天气系统造成图木舒克市及其辖区内冰雹天气的发生。近8a来辖区内冰雹天气共出现此影响系统6次，占26%。
3. 冰雹天气发生前的环境条件
3.1. 资料来源和方法
国内诸多学者都利用雷达图像产品分析、总结出关于各区域内的冰雹预警研究成果，结果表明：在我国不同地区，即使应用同一种雷达图像产品，总结出的冰雹云判识标准及预警指标也差异较大。本中在上述研究基础上，选取2012~2019年新疆图木舒克市及而辖区内23次有连续雷达监测资料的冰雹个例天气过程，应用新疆图木舒克市(79˚05'09''E，39˚52'16''N)新一代天气雷达图像产品以及常规探空资料，对其辖区内冰雹天气的物理量场和雷达图像特征进行分析和研究，运用统计方法，分析适合于新疆图木舒克市新一代天气雷达冰雹天气的判识指标，为提高辖区内冰雹的预报预警能力和人工防雹减灾作业指挥提供有效参考。
3.2. 物理量特征分析
利用位于该区域内的代表探空站喀什站08时的探空资料对新疆图木舒克市及其辖区内冰雹天气的物理量阈值进行统计，结果表明4个指标在本区域内冰雹天气过程的预报有一定参考价值和指示意义。
Table 1. Atmospheric properties of hail cases collected from Tumxuk from 2012 to 2019
表1. 2012年至2019年新疆图木舒克辖区内冰雹个例天气的大气物理参量
通过统计分析2012~2019年图木舒克市及其辖区近8 a冰雹天气的大气物理参量，从表1可看出：当冰雹天气发生时，K值平均值为23.1℃，850 hap与500 hpa的中低层温差为32℃，0~6 km存在的垂直风切变，假相当位温 ≧ 330℃；CAPE值的分布离散度较大，如2016年8月9日、2018年7月2日冰雹个例的CAPE值分为1383 J∙kg−1、1139 J∙kg−1，但是也有部分冰雹个例天气CAPE < 10 J∙kg−1。因此，CAPE值的大小可作为未来强对流性天气潜势预报的度量之一，但不能作为冰雹有效的预警指标。
4. 冰雹天气的雷达图像产品判识指标
4.1. 组合反射率因子图像产品(CR)
组合反射率因子是在一个体扫中，将常定仰角方位扫描中发现的最大反射率因子投影到笛卡尔格点上的产品 [14]。经统计分析，降雹前15~30 min，冰雹个例的组合反射率因子强度CR在45~55 dBz，且CR ≧ 50 dBz达83%。
4.2. 垂直液态水含量图像产品(VIL)
云体垂直累积液态含水量(VIL)表示将反射率因子数据转换成等价的液态水值，是假设所有反射率因子返回都是由液态水引起，通过经验关系得到的。经统计分析：冰雹个例中，VILmax ≥ 15 kg∙m−2有7例，占32.6%；20 kg∙m−2≥ VILmax ≤ 35 kg∙m−2有12例，占51.4%；VILmax ≥ 35 kg∙m−2有4例，占16%。5月的VIL ≧ 20 kg∙m−2，相对较低，也易造成冰雹，这与春末夏初该区域特殊的气候条件、0℃层和−20℃层高度较低有关。跃增定义为VIL值在5个体扫时间内至少增加10 kg∙m−2，且跃增后VIL值超过30 kg∙m−2。共有16个例冰雹过程中的VIL值在降雹前出现跃增增长现象，如2014年6月16日，图木舒克市50团辖区内出现强单体风暴，其VIL值在18:40~19:25，从15 kg∙m−2跃增至30 kg∙m−2，最值大达33 kg∙m−2。
综上所述：与其他地区的研究结果相比，新疆图木舒克市的冰雹云VIL判别阈值相对较低。因此，可将组合反射率因子CR ≧ 50 dBz 、VIL ≧ 30 kg∙m−2(5月 ≧ 20 kg∙m−2)定为新疆图木舒克市辖区冰雹的预警指标之一。因收集到的冰雹样本不够全面，此项指标还需在今后的经验累计中进行修正和细化。
4.3. 基本径向速度图像产品(V)
分析径向速度产品发现，冰雹云形成时常伴有明显的风切变。如2014年6月10日0.5˚、1.5˚和2.4˚仰角的径向速度产品，如图2所示，在不同仰角的径向速度图上均出现大风速核区，且前沿风速梯度较大，存在风向的突变。2.4˚仰角负径向速度区中心最大值为−20 m/s，正速度区中心最大值为+27 m/s，且存在风向的辐合。从低层到高层存在西北风转西南风的切变，其结构呈“S”型的暖平流结构，风随高度顺时针旋转，表明低层有暖平流，具有辐合流场。这种风场特征表明上升气流较强，有利于风暴单体上升气流的维持和能量输送，有利于冰雹的形成和增长。
径向速度产品中出现的“逆风区”表明冰雹云体内存在较强的上升气流，而逆风区厚度越高，上升气流则越强，易造成强冰雹天气发发生，且逆风区对应着反射率因子梯度大值区。逆风区，即在径向速度图上成片的正速度区(负速度区)中出现小范围负速度区(正速度区) [15]。统计分析冰雹个例天气降雹前15~30 min的径向速度图像产品(V)和垂直风廓线产品(VWP)，发现部分强冰雹个例从低层到高层在2~8 km高度存在逆风区，平均厚度在4000 m左右。通过分析冰雹个例天气中的5个仰角的体扫资料，当逆风区的厚度超过3000~5000 m时，均出现了较强的冰雹天气。
4.4. 垂直风廓线产品(VWP)
通过分析冰雹个例降雹时的垂直风廓线(VWP)产品，发现从低层到高层均出现明显的风向、风速切变。如2014年6月16日、2015年6月30日、2019年6月19日(图略)等冰雹个例的雷达径向速度图像产品，选取3~5 km高度的图像资料分析发现，中低层存在明显的气旋性辐合，说明冰雹云发展强盛，也有利垂直上升运动发展以及低层水汽源源不断地向上输送。因此，速度场中的风场辐合、气旋性辐合、逆风区可作为冰雹天气识别与预警的参考指标。
Figure 2. Shear characteristics of velocity pair and wind direction and velocity shown by the VPPI velocity field at 20:27 on June 10, 2014. (a) 1.5˚ Elevation angle; (b) 2.4˚ Elevation angle
图2. 2014年6月10日20:27 VPPI速度场所示速度对和风向风速切变特征。(a) 1.5˚仰角；(b) 2.4˚仰角
4.5. 反射率因子垂直剖面图产品(RCS)
反射率因子垂直剖面图像产品(RCS)可以看出对流单体风暴反射率因子的垂直分布，还可监测到反射率因子最强中心的对流发展高度，对于冰雹的监测预警起到很好的指示意义。如2015年6月30日53团21:26的反射率因子垂直剖面图可看出(图略)，在对流单体入流一侧的反射率因子梯度为最大，中层 > 20 dBZ的回波廓线逐渐向低层入流伸展，并且悬垂于低层弱回波之上；从低层到中高层反射率因子的垂直剖面看有垂悬回波、弱回波区(WER)存在，50 dBZ强回波中心的高度上升至7~8 km，整个回波顶高达到10 km，已形成较为明显的冰雹云结构，对应的地面图木舒克市53团出现了冰雹天气，给该区域的棉花带来不同程度的损失。
4.6. 回波顶高产品( ET)
回波顶高(ET)是云体内上升气流发展强度的重要参数之一。因冰雹云中强烈的、有组织的上升气流加剧了云体在垂直方向的发展，所以冰雹云的回波顶高明显高于其它云体。统计2012~2019年新疆图木舒克市辖区内冰雹个例天气结果表明，在冰雹云发展旺盛及主要降雹时间段内，冰雹云ET在10~13 km，23个冰雹个例中占81%。图木舒克市及其辖区冰雹云的回波顶高最高出现在6~8月，冰雹云的回波高度超过11 km，ETmax ≥ 12 km；5月和9月的ET略低。可见，冰雹云顶高度随季节不同而发生变化，将其与组合反射率因子相结合进行分析，则更加有利于判识冰雹云。
4.7. 冰雹指数(HI)
冰雹指数(HI)产品是冰雹探测算法(HDA)的图形输出结果，以判断产生冰雹、强冰雹的可能性。在23冰雹个例中，每次强冰雹天气过程中HI均出现了实心大三角标识，且此标识最少持续出现5个体扫。如2014年6月10日、2014年6月16日的HI产品图上均持续5~7个体扫出现实心三角标识；对应实况，辖区内部分农牧团场出现了冰雹。因此，冰雹指数HI对冰雹预警具有指示意义，当实心大三角标识持续出现5个以上体扫时，降雹可能性较大，防雹指挥人员应高度重视。
5. 结论
(1) 新疆图木舒克市冰雹天气的3类影响系统和环流形势有：巴尔喀什湖低槽型、中亚低槽(涡) 型、锋区短波槽型。
(2) 当物理量参数满足K ≧ 23℃、T850 hPa-T500 hPa ≧ 32℃，假相当位温 ≧ 330℃，具有一定的对流有效位能(CAPE值)，适宜的0℃层和−20℃层高度，可作为判断该区域是否出现冰雹的环境场条件。
(3) 新疆图木舒克市及其辖区内冰雹天气的判识指标为：组合反射率因子(CR) ≥ 50 dBZ以上；强回波中心(45~50 dBZ)的高度 ≥ 7 km；6~8月冰雹云的回波顶高(ET) 10~12 km。径向速度场V常伴有逆风区，逆风区平均厚度4000米，具有风暴顶辐散特征；径向速度垂直剖面(RCS)出现垂悬回波、有界弱回波区(BWER)、穹窿回波等冰雹的特征回波。垂直风廓线产品(VWP)从低层到中高层出现风向、风速的垂直切变特征；云体垂直累积液态水含量5月VIL ≧ 20 kg∙m−2，6~8月VIL ≧ 30 kg∙m−2，且VIL在测站降雹前具有跃增增长现象；冰雹指数产品(HI)至少持续5个体扫出现实心大三角标识。
基金项目
2018年度新疆南疆重点产业创新发展支撑项目(KJ2018SF01)和新疆气象局面上项目(MS201903)共同资助。
NOTES
*通讯作者。