1. 引言
近年来，气候异常导致的极端危险天气频发，对航空运行的安全与正常造成了极大影响。其中冰雹天气是飞行安全的影响最为严重的重要天气之一，飞机如果在雹云中或下方飞行，很容易遭受冰雹的撞击和雷击，造成飞机损伤；飞机在起飞和降落过程中在雹云下飞行或穿越雹云，会遭遇低空风切变、雹击和雷击，严重时造成机毁人亡；雹击还会造成停场飞机、车辆的损伤，造成较大的经济损失。2021年10月1日凌晨，大连机场突遭民航史上前所未有的极端冰雹天气，造成几十架航空器严重受损。
贵阳地区地处云贵高原东侧的山地和丘陵地带，每年春季多冰雹等强对流天气，严重危及航空安全和正常运行。谌伟 [1] 等分析了贵州一次V型中尺度对流系统造成的冰雹天气过程触发机制、大气不稳定特征及VMCS特征；池再香 [2] 等分析了14时地面温度对冰雹天气的影响；曹俊武等 [3] 基于模糊逻辑法利用双偏振雷达观测资料建立识别模式；戴建华等 [4] 基于多源气象资料分析了飑前强降雹超级单体的风暴特征，指出飑前超级单体在飑线主体移动和演变的临近预报中有重要指示意义；Starzec等 [5] 利用双偏振多普勒雷达对冰雹云进行三维体扫描详细分析了风暴云的垂直结构并进行划分；徐芬等 [6] 对江苏沿江地区一次强冰雹过程从天气形势、中小尺度加密观测等角度进行细致的分析。强风暴冰雹天气是贵阳地区春季较常见，对飞行安全和正常有较大影响的重要航空天气，但1月初出现冰雹天气极为罕见，贵阳地区自有气象记录以来未出现过，贵阳机场自1968年建站以来也未曾在1月出现过冰雹天气。
2022年1月4日贵州省中西部地区遭受了一次大范围的强对流天气过程，伴随雷雨、冰雹和大风等天气；最大冰雹直径出现在普定、贵安新区，为20 mm，6个站出现8级以上大风，最大为普定县坪上站19.5 m/s。4日17:30~18:45 (北京时，下同)贵阳地区修文、清镇、花溪、平坝、观山湖、乌当、贵安新区等地相继出现强冰雹天气，贵安新区最大冰雹直径达20 mm。此次冰雹天气过程为贵阳地区有气象记录以来发生最早的一次。贵阳机场于18:37~19:35出现弱到中雷雨，瞬时阵风17 m/s，造成21个出港航班延误，1个航班备降，此次雷雨天气过程为1986年贵阳机场建站以来最早的一次初雷。本研究通过对2022年1月4日贵阳地区一次灾害性冰雹天气过程进行综合分析，探寻此次冬季极端冰雹天气的天气学规律，为今后冰雹天气的预报，减少其对航空运行影响等提供参考。
2. 资料和方法
本文利用常规气象资料、贵阳机场例行天气报告、自动观测系统资料对贵阳地区2022年1月4日的冰雹天气过程进行综合分析。对常规气象资料进行插值处理，采用逐步订正法将不规则探测站点资料插值到1˚ × 1˚的网格点上，格点数为61 × 51，格点距为100 km，中心网格点为(35˚N, 105˚E)，垂直分辨率为地面至100 hPa的10层网格点资料。
3. 环流背景分析
3.1. 天气形势和影响系统分析
2022年1月4日08:00，500 hPa (图1(a))，中高纬天气形势为两槽一脊型，东槽位于中西伯利亚东侧经鄂霍次克海至日本半岛北部，东槽有两个低压中心，分别位于中西伯利亚东侧和日本岛北部，中心值分别为504 hPa和508 hPa，西槽位于乌拉尔山，槽底延伸至咸海，脊位于中西伯利亚中西部地区，中纬度地区高空槽分别位于内蒙经甘肃和四川盆地中西部，中低纬地区，南支槽位于云南西部至孟加拉湾东侧，贵阳地区位于南支槽前，受槽前西南暖湿气流影响；700 hPa (图略)，空中槽分别位于新疆中南部至青藏高原西北部和四川盆地至云南北部，南支槽仍位于云南西部至孟加拉湾东侧，贵阳地区受西南低空急流影响，最大风速中心达18 m/s；850 hPa (图略)，四川、重庆、湖北至和贵州交界处有一条东-西向切变线，南支槽位于云南西侧至东南半岛东侧，贵阳地区受西南低空急流影响，最大风速中心达10 m/s；地面(图略)，冷高压位于中西伯利亚，呈西北–东南向，中心值达1050 hPa，冷高压脊经我国内蒙经河北、华东延伸至我国中东部地区，贵阳地区位于冷高脊西侧，云南受昆明热低压控制，中心值为1017.5 hPa，北面弱冷空气由湖北、湖南向西南方向回流南下，与昆明热低压带来的暖空气在贵州中西部交汇形成云贵静止锋，贵阳地区位于云贵静止锋附近。20:00，500 hPa (图1(b))，中高纬天气形势仍然维持两槽一脊型，低压槽和高压脊稳定少动，东槽减弱，位于中西伯利亚东侧低压中心消失，日本岛北部的低压中心值升至516 hPa，位于乌拉尔山西槽发展，形成闭合低压中心，中心值为496 hPa；中纬度地区高空槽发展东移，南北槽合并加深，自河北经陕西至贵州东部；中低纬地区，南支槽减弱，东移至中南半岛，贵
Figure 1. The distribution of GPH (unit: hPa) and Tem (unit: ˚C) on 500 hPa on Jan. 4th, 2022
图1. 2022年1月4日500 hPa高度场(单位：hPa)和温度场(单位：℃)分布
阳地区高空槽过境；700 hPa (图略)，位于新疆中南部至青藏高原西北部和四川盆地至云南北部的空中槽减弱并稳定少动，南支槽东移至贵州西部至中南半岛东部一线，贵阳地区仍受西南低空急流控制，最大风速为18 m/s；850 hPa (图略)，切变线发展东南移，在贵州省形成西南涡，低涡切变南压至贵州南部；地面(图略)，昆明热低压发展，中心值为1015 hPa，云贵静止锋北退至贵阳地区北部。
由此可见，高空槽、低层切变线和云贵静止锋是造成此次冰雹天气过程的主要影响系统。
3.2. 中尺度分析
对2022年1月4日冰雹发生前进行中尺度分析(图2)可知，08:00，200 hPa高空急流位于贵州省北部地区，最大风速达72 m/s，贵阳地区位于高空急流出口区右侧，500 hPa南支槽和高空槽前，槽前为西南气流大风速区，700 hPa切变位于四川中南部地区，西南低空急流位于贵州中部，影响贵阳地区，最大风速达16 m/s，将来自孟加拉湾的暖湿空气源源不断向贵阳地区输送，易产生不稳定层结，850 hPa切变线在四川南部维持，西南低空急流位于贵州省东南部，最大风速值达10 m/s，贵阳地区位于低空急流左侧，湿舌自云南经贵州延伸至重庆和湖南中西部地区，贵阳地区为高湿区；地面静止锋位于贵阳地区西侧，地面辐合线在贵州中部维持；T850-500hPa在23℃~24℃之间，贵阳地区处于高能区。综合以上分析，高低空急流的耦合作用使抽吸作用增强，利于低层汇聚的水汽和能量向高空输送，促进上升运动的发展，且贵阳地区处于高湿高能区，水汽条件较好，能量较高，且贵阳地区垂直风切变较强，并处于中低层系统前沿和地面系统附近，使贵阳地区形成强对流潜势区，当中低层系统过境，结合云贵静止锋、地面辐合线扰动触发不稳定能量，易产生强对流天气。
Figure 2. The Mesoscale Analysis of Guiyang area at 8:00 on Jan. 4th, 2022
图2. 2022年1月4日08:00贵阳地区中尺度分析
由贵阳站探空(图3)可知，2022年1月4日08:00，贵阳探空曲线呈上干下湿分布，700 hPa以下呈高湿，为饱和状态，这种探空结构有利于水汽和能量在低层聚集，一旦触发，易产生强烈的对流天气；整层风随高度顺转，低层有暖平流输送易促使层结呈现潜在不稳定；767 hPa~671 hPa假相当位温随高度上升而降低，k指数达34.1℃，Si为−0.14，能量较高，在贵阳冬季比较少见，且抬升凝结高度和对流凝结高度较低，易产生对流不稳定，0℃层。
Figure 3. The Sounding Analysis of Guiyang on Jan. 4th, 2022
图3. 2022年1月4日贵阳站探空分析
高度位于680 hPa，−20℃层高度位于470 hPa，虽然没有达到贵阳地区春季降雹的0℃层高度和−20℃层，但也比较接近；850 hPa风速达12 m/s，250 hPa风速达72 m/s，垂直风切变达到60 m/s，表明具有强的垂直风切变；随着高空槽、低层切变线和云贵静止锋的移入，强烈的辐合抬升导致水汽凝结释放潜热，突破自由对流高度后不稳定能量得到释放，强的垂直风切变促进上升气流斜升，增强中层干冷空气的吸入，利于超级单体的形成和发展，从而造成冰雹天气的发生。20:00，贵阳探空曲线虽然仍呈上干下湿分布，但饱和层降低至850 hPa以下，570~850 hPa之间转为近饱和层，这应是降雹期间高湿层升高，降雹后湿层虽然维持，但水汽含量明显下降，转为近饱和状态，且k指数降为24.1℃，Si为升至5.32，能量减小，风随高度逆转，低层冷平流影响促使层结趋于稳定，不利于强对流天气的维持。
4. 物理量分析
4.1. 能量条件
由于k指数反映大气层结稳定情况，k指数越大，层结越不稳定。分析贵阳站k指数可知，2022年1月4日08:00，k指数达到34℃，达到贵阳地区春季强对流天气发生的指标，说明降雹前大气层结不稳定，贵阳地区处于高能区；20:00，k指数降为24.1℃，说明降雹后，能量释放，大气层结趋于稳定。由T850-500hPa分布图可知，1月4日08:00 (图4(a))，我国长江流域以南、青藏高原以东地区、中南半岛和印度半岛呈现大范围高能区，T850-500hPa达到22℃以上，大值区位于印度半岛，为29℃，其中贵阳地区T850-500hPa达23°C以上，说明贵阳地区大气层结能量较高，利于触发产生强对流天气；20:00 (图4(b))，高能区范围扩大，强度增强，在中南半岛至云南出现大值中心，中心值为32℃，贵阳地区仍维持为23℃。
4.2. 动力条件
从垂直速度逐时演变来看(图5)，在冰雹发生前，上升运动逐渐增强，冰雹期间出现了强烈的上升运动，上升运动区从地面一直上升至250 hPa，其中400 hPa以下垂直速度在−0.8 hpa/s以上，这在1月的贵阳较为少见，利于对流天气发生；20:00以后转为下沉运动，天气过程结束分析散度沿106.5˚E垂直剖面图可知，2022年1月4日08:00 (图6(a))，贵阳地区上空700 hPa以下为辐合区，中心值为−8 × 10−6 s−1，700 hPa以上整层为上升运动区，在500 hPa~700 hPa之间和250 hPa有两个辐散中心，中心值分别为4 × 10−6 s−1和8 × 10−6 s−1，呈现较强的低层辐合高层辐散特征，利于上升运动发展；20:00 (图6(b))，贵阳地区上空的辐合区高度和强度维持不变，700 hPa以上的上升运动区降低至250 hPa，强度不变，对上升运动发展有一定的抑制作用。
Figure 4. The distribution figure of T850-500 (unit: ˚C) on Jan. 4th, 2022
图4. 2022年1月4日T850-500hPa (单位：℃)分布图
Figure 5. The Evolution figure of vertical velocity (unit: hPa/s) of Guiyang on Jan. 4th, 2022
图5. 2022年1月4日贵阳站上空垂直速度(单位：hPa/s)演变图
Figure 6. The vertical cross-section of divergence (unit: 10−6 s−1) along 106.5˚E on Jan. 4th, 2022
图6. 2022年1月4日散度(单位：10−6 s−1)沿106.5˚E垂直剖面图
4.3. 水汽条件
由比湿和水汽通量散度沿106.5˚E垂直剖面图分析此次冰雹发生前后水汽条件的分布特征。2022年1月4日08:00 (图7(a))，从比湿可知，贵阳上空湿舌伸展至500 hPa，18:00之前比湿呈显著上升趋势，800 hPa以下比湿达7 g/kg以上，700 hPa也突升至5 g/kg，由水汽通量散度可知，贵阳地区上空近地面至500 hPa为水汽通量辐合区，辐合中心在700 hPa以下，中心值为−1.4 * 10−7 g/(s*hPa*cm2)，500 hPa以上为水汽通量的辐散区，中低层水汽辐合，高层水汽辐散的结构，有利于水汽在中低层汇聚，为强对流天气提供有利的水汽条件；20:00 (图7(b))，贵阳地区上空的水汽通量辐合区将至700 hPa及以下，中心值不变，湿舌随之将至700 hPa及以下，比湿值明显下降，说明水汽层下降，水汽层降低不利于强对流天气的维持。
Figure 7. The vertical cross-section of water vapor flux dispersion (unit: 10−7 g/(s*hPa*cm2)) and specific humidity (unit: g/kg) along 106.5˚E on Jan. 4th, 2022
图7. 2022年1月4日水汽通量散度(等值线) (单位：10−7 g/(s*hPa*cm2))、比湿(阴影)(单位：g/kg)沿106.5˚E垂直剖面图
综合以上分析可知，此次冰雹发生前，中低层水汽条件较好，湿层较厚，达500 hPa层，中低层水汽辐合，高层水汽辐散的结构使大量水汽汇聚于400 hPa以下，形成较厚的高湿层；冰雹发生后，水汽层降低，不利于强对流天气维持。
5. 结论
2022年1月4日贵阳地区冰雹天气过程由于发生在冬季，属于贵阳地区建站以来出现最早的一次冰雹天气过程，本研究通过对2022年1月4日贵阳地区一次灾害性冰雹天气过程进行诊断分析，得到以下结论：
1) 高空槽、低层切变线和云贵静止锋是造成此次冰雹天气过程的主要影响系统。
2) 中尺度分析表明高低空急流的耦合作用使抽吸作用增强，利于低层汇聚的水汽和能量向高空输送，促进上升运动的发展，且贵阳地区处于高湿高能区，水汽条件较好，能量较高，垂直风切变较强，并处于中低层系统前沿和地面系统附近，促进上升气流斜升，增强中层干冷空气的吸入，利于超级单体的形成和发展，使贵阳地区形成强对流潜势区。
3) 探空曲线呈现上干下湿结构，利于水汽和能量在低层聚集。
4) k指数达34.1℃，Si为−0.14，能量较高，在贵阳冬季比较少见，且抬升凝结高度和对流凝结高度较低，易产生对流不稳定。
5) 适宜的0℃层高度和−20℃高度层，分别位于680 hPa和470 hPa，这可能是贵阳地区冬季降雹的适宜高度。
6) 冰雹发生前贵阳地区处于高能高湿状态，低层有水汽汇聚中心，利于发生强对流天气，冰雹发生后，水汽层降低。