1. 引言
强对流天气一般是指雷雨大风、冰雹、龙卷、短时强降水等天气，该类天气具有突发性和局地性强、生命史短、灾害重等特点。在西北干旱半干旱地区，地理环境恶劣，生态环境脆弱，干旱、洪涝、冰雹对农业生产的影响尤为突出 [1] [2] [3] [4] [5] ，一场冰雹袭击，轻者减产，重则绝收。由于降雹时间较短，预警时间有限，而现有的常规气象观测网又很难捕捉到冰雹云的发展，因此很难防范。
一般认为，冰雹等强对流天气是在有利的大尺度天气形势背景下，由中小尺度系统直接产生的 [6] [7] [8] [9] 。国内学者对于引起冰雹的大尺度环流背景进行了广泛的分析 [10] [11] [12] [13] ，研究结果表明了大尺度环流不但制约着对流系统的种类、演变过程，还可以影响对流系统内部结构、强度、运动和组织 [14] ，但在实际的预报工作中，仅仅通过环流形势来预测某地区出现冰雹天气的可能是非常困难的，因此多普勒天气雷达作为监测和预警强对流冰雹等天气的优势就凸显出来了，它具有时空分辨率高，能直观准确地提供有关对流单体、飑线等中小尺度位置、强度、大小、结构以及风场等的信息，为较早地判断冰雹的发生提供了可能。正因为如此，各地气象工作者利用雷达回波特征分析和总结了冰雹的判别和预警指标，取得了很好的效果 [15] [16] [17] [18] [19] 。
新疆是我国降水量最少的地区之一，但由于地形复杂和水利设施落后，每年春夏季出现的冰雹、短时强降水等引发的洪水和泥石流曾造成多次重大人员伤亡和财产损失。新疆天气雷达组网投入业务运行以来，气象学者利用常规气象资料、卫星资料和多普勒雷达产品对发生在干旱气候背景下冰雹天气发生的环流背景和回波特征进行了大量的研究和分析 [20] - [26] 。
以往的研究对了解局地冰雹天气的成因有些帮助，但大多注重单场冰雹天气的中小尺度分析且资料使用单一，对全疆冰雹天气开展大区域、多源数据系统研究的并不多。本文基于不同研究区冰雹天气的多样性和地理环境的差异，利用中尺度滤波技术、对流不稳定和能量学分析方法、采用对比分析和诊断合成方法，研究冰雹天气的动力学和热力学特性以及中小尺度发生发展规律，归纳给出新疆冰雹天气的地域格局特征，并分析了南疆西部一场冰雹与一场暴雨天气个例的中尺度特征。
2. 资料与方法
选取2007至2016年十年间南北疆不同区域出现的30场冰雹天气，采用常规探空资料，分析整理了冰雹发生期间500 hPa、700 hPa、850 hPa高空形势。利用距离冰雹出现点最近探空气象资料，计算了对应探空站点的A指数、K指数、沙氏指数、湿对流有效位能、最大上升速度、对流抑制有效位能、风暴强度指数、抬升凝结高度、平衡高度、自由对流高度、0度层位势高度等11种强对流参数。应用数理统计方法统计得到新疆区域各个强对流参数特征及强对流天气的预报预警指标。
利用风云2D卫星红外云图和NECP再分析资料，采用红外云图数字处理方法、低通滤波技术，对2012年5月22日喀什地区出现的强冰雹天气和2012年7月24日乌恰出现的强降雨天气做中尺度特征对比分析，研究两种天气类型的中尺度特征差异。
利用25点低通滤波算子进行尺度分离，同时滤去2倍和3倍格距的波动分量，滤波后保留原始气象场中尺度波动。计算方案为：
其中，
为实况要素场，
为平滑滤波后的要素，
为扰动要素场，
为滤波算子，该算子可从二维场中一次滤去一个短波分量，并对较长分量的振幅有恢复作用。
局地暴雨和冰雹的产生与中尺度系统有着密切的关系。气象场的中尺度变化是迭加在大尺度场上的扰动，可以用25点低通滤波器滤去大尺度波动来保留中尺度波动。滤波后暴雨和冰雹的中尺度特性就凸现出来，便于分析暴雨和冰雹的中尺度特征。
3. 结果分析
3.1. 中低空形势场及强对流参数特征
对2007年至2016年新疆境内出现的30场较强冰雹天气，分析对应500 hPa、700 hPa、850 hPa高空形势场发现，在500 hPa高空形势上，在新疆西部国境线有短波槽或冷槽(温度槽)，北疆沿天山或天山山区有>20 m/s的偏西急流(中空急流)。冰雹落区附近700 hPa或850 hPa总会有风切变和辐合区，并伴有温度露点差<5℃的湿区，有时会伴有>16 m/s的低空急流带。
计算了30场强冰雹天气发生时11种强对流天气指数，它们分别是：A指数(A)、K指数(K)、沙氏指数(SI)、湿对流有效位能(CAPE)、最大上升速度(W_CAPE)、对流抑制有效位能(CIN)、风暴强度指数(SSI)、抬升凝结高度(TCL_P)、平衡高度(ELC_P)、自由对流高度(LFC_P)、0度层位势高度(ZH)，计算结果见附录。通过归纳分析可以看出，新疆境内的强对流天气，A指数变化较大不具有预报指示意义，K指数通常都大于30℃ (个别情况下会出现大于20℃)，沙氏指数小于2℃，湿对流有效位能要大于150 J/kg；最大上升速度大于10 cm/s，对流抑制有效位能一般小于30 J/kg (通常为0居多)；风暴强度指数在230至280之间，抬升凝结高度在600 m之上；平衡高度一般在230至700 m之间，南疆较低，北疆较高；自由对流高度一般在550至1000 m之间，南疆较低，北疆较高；0度层位势高度北疆偏低在2800 m之上，南疆在3300 m之上。
3.2. 冰雹和暴雨天气中尺度分析
3.2.1. TBB特征
2012年5月22日17:30至21:20，南疆西部喀什、克州出现强冰雹天气，受灾损失严重。对应当天的17:30时风云-2D红外卫星云图TBB资料(见图1(a))显示在南疆西部出现明显云系，且表现为块状云系成串分布。从亮温值看，此云系应属于混合云，TBB大约在−32℃左右，有三个低值中心分别位于乌恰南部山区、叶城南部和皮山附近，其值小于−44℃，说明由于西南暖湿气流和空气下沉增湿的影响，再加上前期地面气温较高，引起山前浅山地区大气出现强不稳定层结，造成局地对流天气，此时南疆西部山区降水逐渐增大，喀什、克州多地出现冰雹；随着云系不断东北移动，对流活动增强，到20:30，如图1(b)，TBBmin < −52℃的区域出现在叶城县和阿克陶县上空，且面积不断增大，从形状看，应为中-β系统，此时冰雹范围增大、强度增强，但比18:00~19:00弱。从云图中可以看出，冰雹落区附近云图TBB的梯度强、亮温低(最低TBB值低于零下52℃)。
2012年7月23日08:00至25日20:00，南疆盆地大部出现降水，降水中心位于喀什地区乌恰县，主要降水时段为24日22:00~25日04:00时，降水量37.8 mm，为暴雨。其中，24日22:00~23:00乌恰最大小时降水量为19.2 mm，25日1:00~2:00克州阿克陶出现短时强降水，降水量为18.5 mm。
图1(c)显示了2012年7月24日22:30红外卫星云图TBB分布，从图中可以看出，乌恰县东北部和伊犁河谷西部出现范围较小的对流云团，TBB等值线最小值在−32℃左右，随后，对流活动扩大到乌恰县城，地面雨强开始增大，如图1(d)。后期，虽然乌恰附近也出现了对流云团，但面积较小，强度较弱。从TBB强度变化看，此次天气对流活动不是很强，降水主要以层状云降水为主，范围大，小时雨强不是很大，但持续时间较长。这场强降水天气的TBB梯度小于5月22日南疆西部冰雹天气的TBB梯度，最低TBB值高于−35℃，远比冰雹天气的TBB最低值高。
3.2.2. 中尺度滤波分析
针对南疆西部出现的强冰雹及强降水过程，通过滤波分析计算，从500 hPa高度场(见图2)可以看到，强冰雹天气过程中正环流区(槽区)存在负扰动，而反环流区(脊区)有正扰动，且扰动尺度小于2个格距，表明过程中存在明显的中尺度系统变化。强降水天气过程中的暴雨中心位于负环流区，同时伴有负扰动，中尺度系统加强。
对于强冰雹天气过程，700 hPa流场(见图3(a))滤波前强冰雹落区北部风速相对较大，风向自西向东由西北风逐渐转变为东北风，强对流区位于东、西风分量交界的区域；700 hPa流场(见图3(b))滤波后在强对流区出现了多个中-β尺度的系统，在东风气流中出现中尺度东风脉动，与850 hPa东风气流叠加，有利于东风急流带左侧气旋性系统的发展，增强了大气的不稳定程度，激发了对流云团的生成和发展，使得TBB达到−48℃，南疆西部多地出现强冰雹天气。
对于这场南疆西部强降水天气过程，通过滤波计算分析发现，700 hPa流场(见图3(c))滤波前降水区为偏西北风控制，东风分量非常弱；700 hPa流场(见图3(d))滤波后在降水区南部出现中尺度系统，范围约2个格距，为中-β尺度系统，降水中心位于中尺度系统外围，中尺度系统区为无人区，无观测记录。有东风脉动分量出现，一直西伸到降水区。
在南疆西部地区暴雨过程中，中低层存在中尺度系统，系统尺度大则降水强度小，但持续时间长，
(a) 2012年5月22日17:30(b) 2012年5月22日20:30
(c) 2012年7月24日22:30 (d) 2012年7月24日23:30
Figure 1. Distribution of TBB of infrared satellitic cloud image from FY-2D
图1. FY-2D红外卫星云图TBB分布
(a) 2012年5月22日14时 (b) 2012年7月24日20时
Figure 2. High field by low pass filter at 500 hPa (gpm)
图2. 滤波后500 hPa高度场(单位：gpm)
(a) 2012年5月22日14时滤波前(b) 2012年5月22日14时滤波后
(c) 2012年7月24日02时滤波前(d) 2012年7月24日02时滤波后
Figure 3. Flow field (arrowhead), high field (real line, gpm) and weight of east wind (shadow area, m/s) at 700 hPa
图3. 滤波前后700 hPa流场(箭头)和高度场(实线，单位：gpm)及东风分量(阴影区，单位：m/s)
尺度小则降水强度大，持续时间短。在降水过程中低层的东风有时强，有时弱，东风分量不是南疆西部暴雨的触发机制，仅加强了水汽输送和上升运动。
4. 讨论
较多的研究者选取冰雹天气个例，采用天气图、卫星云图、雷达回波资料，通过天气诊断方法对冰雹天气的动力学、热力学特性进行了分析和归纳总结，得到了一些有意义的结果。本文选取近10年新疆境内发生的30个冰雹天气个例，对11种对流参数进行了计算和分析，对比分析了南疆、北疆不同地域发生的冰雹天气的对流不稳定特性。国内外开展了冰雹天气的中尺度滤波分析，所选个例涉及新疆的较少，本文选取南疆西部一次冰雹天气和一次暴雨天气，通过中尺度滤波技术对比分析了南疆西部冰雹天气和暴雨天气的中尺度特征，分析表明冰雹和暴雨天气在中尺度场上具有明显的差异，冰雹天气的中尺度特征更加明显。FY-2D红外卫星云图TBB分析表明，TBB梯度暴雨天气小于冰雹天气，TBB数值暴雨天气高于冰雹天气。中尺度滤波后，在500 hPa高度场上，冰雹天气存在明显的中尺度系统变化，暴雨区中尺度系统加强。在对流层低层，冰雹天气由多个中-β尺度系统造成，暴雨天气由单个中-β尺度系统造成。
5. 结论
1) 在500 hPa上冰雹天气发生时，新疆西部国境线有短波槽或冷槽(温度槽)，北疆沿天山或天山山区有>20 m/s的偏西急流(中空急流)。在700 hPa或850 hPa上，冰雹落区附近总会有风切变或辐合区，并伴有温度露点差<5℃的湿区，有时会伴有>16 m/s的低空急流带。
2) 在强对流天气区，A指数没有预报意义，K指数通常大于30℃，沙氏指数小于2℃，湿对流有效位能要大于150 J/kg，最大上升速度大于10 cm/s，对流抑制有效位能小于30 J/kg，通常为0居多。风暴强度指数在230至280之间、抬升凝结高度在600 m之上、平衡高度一般在230至700 m之间，南疆较低，北疆较高。自由对流高度一般在550至1000 m之间，南疆较低，北疆较高。0度层位势高度北疆偏低在2800 m之上，南疆在3300 m之上。
3) 冰雹天气与强降水天气在卫星云图TBB表现出各自的特点。在卫星云图上冰雹天气TBB最低值低于−52℃，且TBB的梯度强。暴雨天气的TBB梯度较小，最低TBB值高于−35℃。
4) 南疆西部冰雹天气中尺度滤波后，强对流区出现了多个中-β尺度系统，东风气流中出现的中尺度东风脉动与850 hPa东风气流叠加，激发对流云团的生成和发展。在暴雨过程中，中低层也存在中尺度系统，中尺度系统尺度大则降水强度小，但持续时间长，尺度小则降水强度大，持续时间短。
基金项目
公益性行业(气象)科研专项经费项目《山区人工防雹关键技术及业务应用的研究》(GYHY201306047),新疆维吾尔自治区人民政府重大专项《新疆吐鲁番哈密地区空中云水资源开发利用》课题《新疆不同地域强天气的中尺度特性研究》(TUHA201513)联合资助。
附录
Table A1. Convection parameter when hail occurred
表A1. 冰雹出现日对应的对流参数
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