1. 引言
冰雹天气作为典型的强对流性灾害天气之一，其形成机理复杂、突发性强、危害性大，是气象灾害防御的重点，也是气象短临监测预警的难点，因此长期以来备受国内外气象学者关注。目前，诸多研究依托野外观测实验、数值模拟与现场探测计划等手段，深入揭示了冰雹云的发展结构、微物理过程及其演变机制，逐步建立了较为完善的防雹评估与预警模型体系，为冰雹灾害防控提供了理论支撑[1]-[5]。我国作为全球冰雹灾害最为频发的国家之一，学者们围绕冰雹的发生机制、致灾时空演变规律及预警识别等方面开展了广泛而系统的研究，取得了丰硕的成果[6]-[8]。例如，衣娜娜通过对内蒙古地区冰雹个例的分析，构建了基于TT(地面温度)、850 hPa与500 hPa温度差、−20℃至0℃高度、大气可降水量等因素的冰雹预报模型，其判别准确率超过80% [9]。马中元利用雷达拼图中的(CR)、强回波面积(SEA)、强回波梯度(SEG)和云砧回波(CAE)四个要素，探讨了江西地区冰雹天气中的回波与冰雹云的对应关系[10]。刘杰在青海高原的研究中指出，冰雹发生时的温度垂直积分波动大，反映出对流强烈；高露点温度和500 hPa较大的东西风表明充沛水汽、层动力条件良好；而100 hPa低温则体现了高层大气的特征[11]。尉英华在研究天津地区冰雹特征时指出，高空冷涡型和西北气流型的环境物理量阈值差异并不显著，但与西来槽型的阈值差异明显[12]。强德厚基于观测结果，拟合得到了2020年7月23日拉萨地区冰雹降落过程中，冰雹平均末速度与直径之间的关系公式[13]。近年来，随着气候异常波动的加剧，新疆地区极端暴雨[14]、冰雹灾害等极端气候事件呈现频发、重发态势。为此，学者们从气候统计、物理机制与预警方法识别等多维角度开展了新疆地区冰雹个例的研究，揭示了冰雹天气的成因[15]-[18]；同时，基于冰雹灾害及短时强降水，系统地分析了该地区的雷达回波特征[19]-[21]。这些研究成果不仅丰富了对新疆地区冰雹特征的认知，也为区域防灾减灾提供了科学依据。然而，面对日益复杂的气候变化，如何进一步提升冰雹预警的精度与应对措施的有效性，仍是亟需深入探讨的重要课题。
近年来，新疆生产建设兵团第二师北部垦区及塔里木垦区的冰雹、短时强降水和雷暴大风等强对流天气频次显著增加，严重威胁着辖区农业生产和职工群众的生命财产安全。因此，深入开展本区域典型冰雹天气个例的综合分析，对于提升灾害性天气预警精度，加强农业防灾减灾能力具有重要的现实意义与紧迫性。本研究以2025年7月发生在新疆生产建设兵团第二师的两次典型冰雹个例为研究对象，综合利用多源气象观测资料、雷达图像产品、高空探测数据以及ERA5再分析资料，系统分析该地区冰雹发生的天气形势、对流触发机制、发展演变过程及冰雹落区特征。研究旨在揭示该地区冰雹天气形成与演变的关键影响因子，为优化新疆兵团第二师辖区短临预报预警服务流程、提升预警精准度和服务效率提供科学依据。此外，通过对比不同冰雹个例发生前后气象要素的变化特征，本研究可为辖区内科学指挥人工防雹作业、评估作业效果及制定后续防灾减灾策略提供关键判据，从而进一步提高区域农业防灾减灾能力和城市应急响应水平。
2. 研究区域概况及资料
新疆生产建设兵团第二师铁门关市，位于天山南麓的巴音郭楞蒙古自治州(以下简称“巴州”)境内，地处塔里木盆地东部，北依天山，南依阿尔金山，自北向南依次为焉耆垦区、库尔勒垦区、塔里木垦区、且若垦区(见图1)。随着全球气候变暖趋势的日益加剧，天山南麓及塔里木盆地东缘的强对流性天气过程呈现出空间分布复杂、突发性强和局地极端性增强的特点。本研究基于常规气象探测数据、库尔勒与铁门关市天气雷达资料以及ERA5再分析数据(欧洲中期天气预报中心提供的再分析数据，分辨率为0.25˚ × 0.25˚)，结合天气形势和物理量对比方法，深入探讨了冰雹天气的发生机理、触发机制及雷达回波特征，以揭示冰雹天气形成的关键背景条件，进一步丰富了对冰雹云生成与演变过程的理解。
3. 天气实况
2025年7月上旬，受伊朗副热带高压东伸北挺，西太平洋副热带高压西伸北抬影响，新疆受到副高外围的影响，导致南疆沿山一带出现间歇性的阵性风雨天气。与此同时，巴尔喀什湖低槽不断分裂，并伴随着短波扰动频繁出现，弱冷空气与副高的北抬南撤交替发生，加强了中小尺度天气系统的活动。这一环流背景为新疆生产建设兵团第二师辖区内间歇性降水天气提供了有利条件。2025年7月2日21:30，第二师33团局地出现冰雹天气，冰雹直径约10~18 mm (以下简称“2025702个例”)。2025年7月4日15:15前后，第二师30团局地出现冰雹，最大冰雹直径约10 mm，并伴随有短时强降水，累计降水量达38.5毫米(达到新疆暴雨标准)；该次降水事件的分钟降水量(见图2)，为当日新疆地区24小时累计降水量的最大值，具有显著的局地性、突发性的强降水特征(以下简称“2025704个例”)。
Figure 1. Topographic map of the study area and distribution of stations
图1. 研究区域地形及站点分布示意图
Figure 2. Minute-by-minute precipitation time series for 2025704 extreme precipitation events
图2. 2025704个例的极端降水事件逐分钟降水量时序图
4. 环境场特征对比分析
4.1. 200 hPa环流形势
2025年7月2日20时至7月4日20时期间，新疆生产建设兵团第二师先后出现两场冰雹天气。200 hPa风场显示，存在温带急流和副热带西风急流，对冰雹的发生起到重要作用。7月2日，温带急流南伸至42˚N附近，副热带西风急流则由30˚N附近向东推进(见图3(a)、图3(b))。冰雹发生区域附近的风速较强，导致该区域形成了明显的高空辐散区域，辐散抽吸作用为冰雹天气的发生提供了较好的动力条件。随着时间的推移，到7月4日08时，第二场冰雹发生时，副热带西风急流的强度较7月2日显著增强，急流区域的风速明显增大，进一步加剧了气流的辐散作用(见图3(c)、图3(d))；在风速增强和气流的辐散作用等因素共同作用，为第二次冰雹及短时强降水的发生提供了有利的动力条件。
Figure 3. Geopotential height at 200 hPa (black solid line, units: dagpm) and wind vectors (black arrows, units: m∙s−1) at 08:00 (a) and 20:00 (b) on July 2, 2025, and at 08:00 (c) and 20:00 (d) on July 4, 2025. The blue rectangular box represents the study area
图3. 2025年7月2日08时(a)和20时(b)、2025年7月4日08时(c)和20时(d) 200 hpa位势高度(黑色实线，单位：dagpm)，风矢量(黑色箭头，单位：m∙s−1)；蓝色矩形框为研究区域
4.2. 500 hPa环流形势
2025年7月2日08时，欧亚范围内500 hPa呈现“两槽一脊”环流形势，巴尔喀什湖至贝加尔湖一带为低槽活动区。至7月2日20时，伊朗副热带高压的588线已位于国境线外，南疆盆地西部位于副高外围；此时，阿克苏地区和巴州地区受副高外围及巴尔喀什湖低槽底部分裂短波的共同影响，导致该地区出现阵性风雨天气(见图4(a)、图4(b))。
7月3日至4日，伊朗副热带高压显著东伸、北挺至40˚N以北，588线已压至南疆喀什地区，并呈现进一步东移的趋势(见图4(c)、图4(d))。同时，巴尔喀什湖低槽在东南移的过程中逐渐影响南疆东部地区。7月3日20时至4日08时，新疆生产建设兵团第二师铁门关市位于伊朗副热带高压外围，受500 hpa偏北气流控制，500 hpa温度场滞后于高度场，大气的倾压性增大，且850 hpa出现偏东气流。副高外围的高温高湿气流与中高纬度的干冷空气交汇，导致大气垂直不稳定性增强，为不稳定能量的积聚提供了有利条件，进而引发了新疆生产建设兵团第二师强对流天气的发生。
Figure 4. Distribution of the 500 hPa geopotential height field (black solid line, units: dagpm), temperature field (red dashed line, units: ˚C), and wind field (wind barbs, units: m∙s−1) at 08:00 (a) and 20:00 (b) on July 2, 2025, and at 08:00 (c) and 20:00 (d) on July 4, 2025. The red star indicates the study area
图4. 2025年7月2日08时(a)和20时(b)、2025年7月4日08时(c)和20时(d) 500 hpa位势高度场(黑色实线，单位：dagpm)、温度场(红色虚线，单位：℃)与风场(风羽，单位：m∙s−1)分布；红色星为研究区域
4.3. 850 hPa、700 hPa环流形势
2025年7月2日20时，本研究区内700 hpa有西南气流，850 hpa由存在一支偏东急流，且该急流厚度较厚(北伸至40˚N以北)，对于南疆盆地起到气垫作用，有利于低层气团上升，增强了大气的不稳定性(见图5(a)、图5(b))。2025年7月4日08时，本研究区内700 hpa至850 hpa存在一致的西南气流，且850 hpa的水汽通量为6 kg∙m−2∙s−1，表现出较强的水汽输送，有利于强的对流风暴发展(见图5(c)、图5(d))。
Figure 5. Water vapor flux at 700 hPa and 850 hPa (contours, units: kg∙m−2∙s−1) and wind field (arrows, units: m∙s−1) at 20:00 on July 2, 2025 ((a), (b)) and 08:00 on July 4, 2025 ((c), (d)); the rectangular box denotes the study area
图5. 2025年7月2日20时((a)、(b))、2025年7月4日08时((c)、(d)) 700 hPa和850 hPa水汽通量(等值线，单位：kg∙m−2∙s−1)和风场(箭头，单位：m∙s−1)；矩形框为本研究区域
5. 层结稳定度及触发机制
5.1. 气层结特征对比分析
2025年7月2日20时，库尔勒探空图显示，在第二师33团冰雹发生前，500 hpa以下的垂直风切变相对较弱，而400 hpa以上呈现明显的垂直风切变特征。此时，受500 hPa干冷空气入侵影响，形成了典型的“上干下湿”层结结构，有利于不稳定能量的集聚(见图6(a)、图6(b))。随着午后气温升高，不稳定能量进一步加强；中高层的垂直风切变、层结的不稳定性以及较大的对流有效位能(CAPE)共同为强对流性天气的发生提供了有利的环境条件。至2025年7月4日冰雹天气发生前，垂直风切明显增强，700 Hpa以下的风速随高度呈现顺转，形成暖平流结构，而500 hpa以上的风场整体为偏北风(见图6(c)、图6(d)，并随高度的升高逐渐增强，这一风场结构导致了显著的层结不稳定，为强对流天气的发生提供了有利的动力条件。
5.2. 理量特征对比分析
从对流有效位能量(CAPE)来看，2025年7月2日20时的CAPE值(1669.5 J∙kg−1)明显大于7月4日08时的值，且不稳定层深度较大(见表1)。在强对流天气发生前，两次冰雹事件的沙氏指数(SI)均为负值，表明大气层结不稳定。尽管两次个例的地面温度差异不大，冰雹云的0℃层高度(4.5 km)接近，但7月4日的温度露点差(T-TD)值较小，表明近地面水汽含量较高，更有利于短时强降水的发生。
两次冰雹事件的共同特征包括−20℃层高度接近，均<7.2 km，−20℃距0℃高度差 ≤ 2.78 km；850 hPa与500 hPa温度差 ≥ 35℃；且都呈现“上干下湿”的不稳定层结，湿层浅薄。虽然两次过程均伴随强对流并产生冰雹，但其不稳定能量和风切变的配置存在差异。
Figure 6. T-lnP diagrams at the Korla upper-air sounding station at 08:00 (a) and 20:00 (b) on 2 July 2025, and at 08:00 (c) and 20:00 (d) on 4 July 2025
图6. 2025年7月2日08时(a)和20时(b)、2025年7月4日08时(c)和20时(d)库尔勒探空站T-lnP图
Table 1. Comparison of physical parameters for T-LnP diagram
表1. T-LnP图物理参量对比
时间 |
站点 |
K指数/℃ |
SI指数 /℃ |
CAPE /J∙kg−1 |
CIN /J∙kg−1 |
0℃层高度/gpm |
−20℃层高度/gpm |
T850℃~
T500/℃ |
垂直风切变/m∙s−1∙km−1 |
08时 |
20时 |
08时 |
20时 |
08时 |
20时 |
08时 |
20时 |
08时 |
20时 |
08时 |
20时 |
08时 |
20时 |
08时 |
20时 |
20250702 |
乌鲁木齐 |
31 |
30 |
0.71 |
0.48 |
3.3 |
273.9 |
249.5 |
0.0 |
3869.4 |
3996.7 |
6688.6 |
6791.5 |
29 |
33 |
0.81 |
0.97 |
库车 |
19 |
30 |
0.95 |
−1.21 |
0.0 |
169.2 |
0.0 |
0.0 |
4318.2 |
4455.0 |
6994.5 |
7174.5 |
37 |
38 |
1.78 |
1.08 |
库尔勒 |
18 |
25 |
2.07 |
−1.16 |
0.0 |
1669.5 |
0.0 |
0.0 |
4366.2 |
4455.0 |
6933.1 |
6913.6 |
35 |
39 |
1.53 |
1.48 |
20250704 |
乌鲁木齐 |
32 |
29 |
−1.22 |
−0.16 |
0.0 |
112.9 |
0.0 |
0.0 |
4041.0 |
4320.5 |
6663.8 |
7052.5 |
34 |
36 |
2.1 |
1.07 |
库车 |
30 |
31 |
−1.28 |
−2.74 |
319.8 |
0.0 |
0.0 |
0.0 |
4352.7 |
4465.0 |
7041.8 |
7184.5 |
35 |
35 |
1.76 |
1.22 |
库尔勒 |
31 |
22 |
−2.57 |
1.43 |
0.0 |
544.1 |
0.0 |
0.0 |
4274.3 |
4524.3 |
7029.1 |
7210.0 |
35 |
35 |
1.25 |
1.24 |
5.3. 中尺度分析
2025年7月2日20时，500 hPa存在明显的高空槽，槽前西南气流有利于将中低纬度的水汽输送至强对流发生区域，增强了大气的垂直不稳定性(见图7(a))。冰雹发生时间为7月2日21:30，500 hPa的干冷空气入侵与700 hPa暖湿气流交汇，形成了极为不稳定的大气层结，为冰雹的生成提供了充分的动力和热力条件。700 hPa层的整个南疆盆地处于显著湿区，比湿均在5~6 g∙kg−1，低层大气高温高湿为此次冰雹天气的发生提供了充足的水汽和热力支持。850 hP与700 hPa风场均存在明显的切变，进一步促进了垂直上升运动的发展。地面风场显示，在7月2日20:00前后，新疆巴州平原北部多站出现了8级及以上的偏北大风。与此同时，第二师塔里木垦区辖区内(31团、32团、33团、34团)出现了东南风与偏北风的辐合区，特别是33团恰好处于风向及风速的辐合中心，加剧了大气层结不稳定性，触发了不稳定能量的迅速释放，从而为强对流天气提供了强烈的触发机制，最终导致冰雹的发生。702冰雹个例发生在沙漠边缘地区，近地面风场辐合是触发强对流的关键因素。
2025年7月4日，第二师库尔勒垦区(29团、30团)处于槽后偏北气流区域，850 hPa存在切变线，且850 hPa为暖脊控制；受前期断续降水的影响，南疆盆地大部处于显著湿区，比湿也维持在5~6 g∙kg−1 (见图7(b))。30团位于沿山一带，受地形抬升影响，该区域为第二师辖区内对流天气频发区；当天，新疆巴州北部至阿克苏地区沿山一带存在明显的地面辐合线。2025704个例发生在库尔勒垦区沿山一带，该区域的地形抬升与显著的地面辐合线共同触发的强对流天气的发生。
Figure 7. (a) Mesoscale analysis at 20:00 on July 2, 2025, and (b) mesoscale analysis at 08:00 on July 4, 2025 (Purple solid line indicates the 200 hPa jet stream; brown solid line represents the 500 hPa trough; blue arrows denote the northerly flow behind the 500 hPa trough; green zigzag line indicates the 850 hPa moisture zone; red double solid line represents the 850 hPa shear line; brown double solid line represents the 700 hPa shear line; black dashed line represents the surface convergence line)
图7. (a) 2025年7月2日20时中尺度分析，(b) 2025年7月4日08时中尺度分析(紫色实线为200 hPa急流；棕色实线为500 hPa槽线；蓝色箭头为500 hPa槽后偏北气流；绿色锯齿线为850 hPa湿区；红色双实线为850 hPa切变线；棕色双实线为700 hPa切变线；黑色点画线为地面辐合线)
6. 雷达图像产品特征分析
6.1. 组合反射率因子(CR)特征分析
在2025702个例过程中，新疆铁门关市天气雷达图像产品显示：20:59，距雷达中心约20公里的正西方有对流单体生成，主体成自西向东移动，且在短时间内突然增强，21:04，回波强度 ≥ 50 dBz的面积均明显增大。至21:10，强回波中心达68 dBz，并具有一定的冰雹指数(HI为1)；随着对流风暴东移，21:26其分裂为两个单体，≥50 dBz回波面积继续有所增大，所经区域出现冰雹(见图8(a)~(f))。
Figure 8. Composite reflectivity factor from the weather radar in Tiemenguan, Xinjiang, on July 2, 2025. (a) 20:59, (b) 21:04, (c) 21:10, (d) 21:15, (e) 21:26, (f) 21:32 (units: dBZ)
图8. 2025年7月2日新疆铁门关市天气雷达组合反射率因子。(a) 20:59；(b) 21:04；(c) 21:10；(d) 21:15；(e) 21:26；(f) 21:32；(单位：dBZ)
在2025704个例中，新疆库尔勒新一代天气雷达图像产品资料：14:57，混合降水回波中出现了≥45 dBz的强回波，由西北向东南移动过程中有所增强，移动速度较慢。15:15，≥45 dBz的强回波面积增大，并维持了三个体扫。15:27，强回波对应的强时降水的开始，直至16:05前后，强回波逐渐移出30团区域(见图9(a)~(f))。
Figure 9. Composite reflectivity factor from the weather radar in Korla, Xinjiang, on July 4, 2025. (a) 14:57, (b) 15:03, (c) 15:15, (d) 15:21, (e) 15:27, (f) 15:57 (units: dBZ)
图9. 2025年7月4日新疆库尔勒天气雷达组合反射率因子。(a) 14:57；(b) 15:03；(c) 15:15；(d) 15:21；(e) 15:27；(f) 15:57 (单位：dBZ)
6.2. 风廓线(VWP)及垂直积分液态水含量(VIL)产品应用
在2025702个例中，风廓线VWP产品显示：20:53，高空(9 km)出现较强的偏西风，最大风速达20 m∙s−1；同时，中低层风场为较一致的东南风，导致中低层与中高层风场之间存在较为显著的垂直风切变(见图10(a))。到21:04，低层风向转为西南风，风速增强，垂直风切变进一步加剧，对流风暴的组织性较好，这一时段正是冰雹云的形成和强度急剧增强的关键时期。21:48，低层风场减弱，3~4 km高度处的风速明显降低，垂直风切变随之减弱，云团的垂直动能衰退，对流风暴逐渐向东偏南方向移动，离开33团营区。同时，垂直液态含水量(VIL)产品(图略)显示，在对流云发展初期，VIL值从20:59的3.5 kg∙m−2急剧增加至21:04的20.5 kg∙m−2，与回波急剧增强的时间点吻合。此后，VIL值在21:21时减至17.5 k∙m−2，反映了对流云的衰退过程。这表明，VIL值的跃增、衰减与冰雹云的形成及强度变化高度密切相关，且可作为南疆盆地沙漠边缘冰雹发生的重要判别指标之一。
在2025704个例中，风廓线VWP产品显示，从对流云生成至结束，低层风场持续为西南风。15:27至15:51期间，垂直风切变的强度波动较大，而16:03中高层风场表现为一致的西北风，对流单体逐渐的东南移出30团营区(见图10(b))。垂直积分液态含水量(VIL)产品(图略)分析显示，在对流云发展初期，14:57时VIL为12 kg∙m−2，随着云体增强，VIL值逐步增加至27.5 kg∙m−2 (15:03)，并在15:09时达到最大值39 kg∙m−2。伺候，VIL值在15:15至15:39间保持在34.5 kg∙m−2，直到16:09对流单体移出营区，VIL仍维持在31 kg∙m−2。VIL值的变化与对流云体发展及降水强度变化高度一致，表明VIL作为评估云体发展与降水强度的重要参数，能够有效反映降水量的变化。从回波强中心剖面图显示(图略)，强回波在15:17已部分接地，表现为低质心降水；随后降水从15:28开始，持续较强，小时降水量达37.4 mm，过程累计雨量为38.5 mm。低质心回波通常与强降水及强对流活动相关，进一步支持了此次强降水发生的可能性。
Figure 10. (a) Wind profiler (VWP) from the weather radar in Tiemenguan, Xinjiang, on July 2, 2025, and (b) Wind profiler (VWP) from the weather radar in Korla, Xinjiang, on July 4, 2025 (units: m∙s−1)
图10. (a) 2025年7月2日新疆铁门关市天气雷达风廓线(VWP)，(b) 2025年7月4日新疆库尔勒天气雷达风廓线(VWP) (单位：m∙s−1)
7. 结论和讨论
本研究基于多源气象观测数据、雷达图像产品及ERA5再分析数据，对2025年7月2日和7月4日发生在南疆盆地东部的两次冰雹事件进行了综合诊断。结果表明，两次强对流过程在环境场、触发机制、发展演变及雷达产品特征等方面存在差异，具体结论如下：
(1) 影响系统及触发机制。2025702个例受500 hpa槽底分裂短波影响，且700 hpa和850 hpa均存在切变线；2025704个例主要由槽后偏北气流造成的局地强对流。
(2) 风场辐合、高温高湿与对流发展。2025702个例发生在沙漠边缘，主要由局地热力对流触发，低层风场的辐合(偏北风和偏南风)增强了垂直上升运动，有利于对流风暴的快速增强；前期的弱降水形成的高温高湿环境条件则为其提供了较好的热力条件，对流风暴主体沿着自西向东的方向移动。2025704个例发生在第二师北部垦区沿山一带，垂直风切变相对较小，出现冰雹的时间相对较短,存在东南风与西北风的辐合，且近地面阿克苏至巴州地区存在地面辐合线，极有利于触发对流；对流风暴整体沿着呈西北–东南走向移动。
(3) 大气不稳定性。2025702个例的CAPE值达到1669.5 J∙kg−1，垂直风切变和深厚不稳定层为强对流提供了有利条件。相比之下，7月4日CAPE值较低，但地形和低层充足的水汽对冰雹事件的发生起到了关键作用。通过对比物理参数，两次个例−20℃层高度均 < 7.2 km，−20℃距0℃高度差 ≤ 2.78 km，850 hPa与500 hPa温度差 ≥ 35℃，以上环境参量阈值可用于本研究区域冰雹样本的判识，但普适性需要更多冰雹样本进行验证。
(4) 雷达图像产品特征。2025702个例中，雷达回波强度在短时间内急剧增强，强回波中心达68 dBz，伴随明显的冰雹指数；垂直液态含水量(VIL)的跃增和衰减与冰雹的发生及消亡有较好的对应关系，对该区域冰雹的发生预警较好的指示意义。相比之下，2025704个例的雷达回波强度变化较平稳，VIL值持保持高位，且有低质心降水回波特征，符合强降水的持续性特征，水汽持续供应也为强降水提供了支持。2025年7月发生在南疆盆地东部的两次冰雹天气过程，均表现为对流云发展并进入农业种植区后突然增强。由此引发的问题：植物的蒸腾作用对于对流的发展加强是否有促进作用？贡献率又如何定量评估？这一现象的深入探讨对于认识具有相似局地对流特征的天气系统都具有重要现实意义。
基金项目
新疆生产建设兵团第二师强青科技领军人才计划(2023HZ0105)、新疆生产建设兵团第二师科技创新人才计划(2025RC0301)、新疆科技创新团队(天山创新团队)项目(2022TSYCTD0007)、新疆气象局科技创新发展基金项目(MS202505)。
NOTES
*通讯作者。