粵北一次冰雹過程的特征與模式檢驗結(jié)果

羅瑞婷，阮楚雯，殷美祥，高建秋，李鑄杰

（1.廣東省突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東廣州 510640；2.連州市氣象局，廣東連州 513400；3.廣東省氣象公共服務中心，廣東廣州 510640）

近年來，數(shù)值模擬在冰雹云的預報中取得了些成果，吳偉［1］利用MODIS衛(wèi)星云產(chǎn)品的云頂溫度和積分云水含量兩個物理量，檢驗、對比GRAPES全球模式不同微物理方案對預報云宏觀特征的能力，發(fā)現(xiàn)模式對積分云水的模擬與衛(wèi)星云產(chǎn)品基本吻合；孫晶等［2］利用中尺度模式MM5對河北一次降水層狀云系進行模擬，分析西風槽云系宏微觀結(jié)構(gòu)及冷云催化增雨作業(yè)條件，表明槽線附近存在強可播區(qū)；高亮書等［3］利用中尺度模式WRF對六盤山地區(qū)一次低槽低渦云系進行模擬，重點研究了降水過程的有利環(huán)流形勢及降水機制；趙益帆等［4］通過批量試驗和一個個例檢驗GRAPES_YY模式對梅雨鋒降水對平均環(huán)流和強降水的模擬能力較好，但受分辨率限制以及濕物理過程影響，暴雨以上量級降水還存在一定的強度預報偏差；劉俊卿等［5］對冰雹天氣發(fā)生期間的GRAPES_CAMS云降水模式預報結(jié)果進行了高原地區(qū)適用性檢驗。綜合來看，人工影響天氣業(yè)務中對模式的研究，大部分針對WRF、GRAPES、MM5等模式。廣東省應用的云模式產(chǎn)品是中國氣象局人工影響天氣中心研發(fā)的云降水顯示預報系統(tǒng)（CPEFS）［6］，該模式嵌入了中國氣象局人工影響天氣中心研發(fā)的云降水顯式方案（CAMS云分辨方案）。目前，缺乏CPEFS模式對廣東本地云降水預報能力的評估，因此研究CPEFS模式在廣東省冰雹天氣過程的預報效果對人工防雹決策指揮有重要意義。

1 資料與方法

CPEFS每日兩次發(fā)布云宏觀場、云微觀場、云垂直剖面和降水場等4類宏微觀預報產(chǎn)品，產(chǎn)品的空間分辨率為3 km，垂直方向為35層，提升了對對流云的預報能力。廣東人影綜合業(yè)務系統(tǒng)對CPEFS云模式進行了本地化開發(fā)，應用于地面火箭及飛機人工增雨作業(yè)潛力分析、作業(yè)方案制定［7］，為人工影響天氣5段實時業(yè)務的開展提供技術(shù)支撐。

本研究利用2020年2月14日CPEFS模式預報的云系發(fā)展演變、云宏觀場、微觀場、垂直結(jié)構(gòu)與多種實況資料進行對比檢驗［8］。實況資料包括FY2C／D／E／F衛(wèi)星反演云特征參量、雙偏振雷達、地面及探空觀測資料等［9］。檢驗評估工作主要通過對比CPEFS模式預報的云帶產(chǎn)品與雷達組合發(fā)射率，分析對流云系的發(fā)展演變趨勢；通過對比預報的云頂高度和溫度與FY2C／D／E／F衛(wèi)星反演云頂高度和溫度［10］，分析云系宏觀發(fā)展特征；通過對比預報的云垂直結(jié)構(gòu)與雷達剖面，分析云系垂直結(jié)構(gòu)特征、檢驗特征溫度層的高度、判斷降水機制、確定播云作業(yè)的高度與溫度范圍。

2 天氣形勢背景分析

2020年2月13日20：00（北京時，下同），500 hPa上歐亞中高緯環(huán)流為“一槽一脊”型，蒙古中東部有一閉合低渦系統(tǒng)在發(fā)展，低緯的南支槽位于桂川一帶。13日20：00到14日08：00，925 hPa的切變線隨著南支槽的東移，從渝鄂一帶南壓到湖南的北部，而且廣東的西南風明顯加大，在粵北的南部出現(xiàn)風速輻合，水汽在此匯聚。熱低壓中心位于江西北部，地面低槽呈西南-東北走向，并從廣西一直伸展到長江三角州，覆蓋了整個廣東。2月14日08：00，廣東省處在南支槽前的西南氣流控制下（圖1a），最大風速為28 m／s，槽前有正渦度平流，為強對流的發(fā)展提供了有利的動力背景條件［11］。強對流發(fā)生前，廣東長時間處于地面低槽中，這有利于不穩(wěn)定能量累積和不穩(wěn)定層結(jié)的建立。對比CPEFS模式（圖1b）可以看出，2月13日08：00起報的預報產(chǎn)品，2月14日08：00 500 hPa上華南地區(qū)有小波動東移，廣東受槽前西南氣流影響，最大風速達28 m／s（圖1c）。此時華南地區(qū)850 hPa盛行西南風，其中廣東大部則是一條風速為14～18 m／s西南低空急流（圖1d）。2月14日08：00 850 hPa高度上，實況廣東中部盛行西南風，風速為10～18 m／s（圖1d），CPEFS模式預報此時850 hPa上廣東中部也存在西南低空急流（圖1e），但預報低空急流位置略偏南，強度及范圍略偏小?？梢娔Ｊ綄μ鞖庑蝿輬龅念A報具有一定的指示意義，能預報出廣西上空的南支槽，風向風速與實況基本吻合，對于廣東中部的西南低空急流預報位置、強度及范圍略有偏差。

圖1 2020年2月14日08：00 500 hPa南支槽的實況（a）、CPEFS模式預報（b）及風場（c）和850 hPa風場（d）及24 h預報（e）

2月13日20：00清遠和陽江探空站顯示（圖略），清遠和陽江的不穩(wěn)定能量CAPE分別為295.8和81.4 J／kg，雖然不大，但是上干下濕層結(jié)明顯，850 hPa以下溫度露點差≤2℃，為基本飽和狀態(tài)。清遠的K指數(shù)從20：00的24.3℃，到次日08：00躍增到35.9℃，同時SI指數(shù)也從1.9℃下降到-1.1℃，說明大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對流單體的發(fā)生發(fā)展。此時0℃層高度為4 km左右，-20℃層高度在7 km左右，高度和厚度對大冰雹發(fā)展很有利。

3 云系特征檢驗分析

3.1 云系的發(fā)展演變檢驗

從全省雷達CAPPI 3 km發(fā)展演變看（圖略），13日21：00起，來自廣西的云系自西南向東北方向移動，移速約76 km／h，對流云系主要分布在粵北、粵西和珠三角西側(cè)。00：00—02：00為云系初生階段、02：00—04：00為冰雹云發(fā)展旺盛階段、14：00后云系進入減弱階段。14日，強降水中心位于清遠-肇慶和湛江-茂名地區(qū)，最大回波強度達到70 dBz。模式總體對云帶位置和云系發(fā)展強度的把握準確度較高，對于強對流中心預報范圍較大，位置略偏南，在珠江口及西側(cè)地區(qū)存在漏報情況，在珠三角北部、粵東北地區(qū)存在空報現(xiàn)象。

通過對比2020年2月14日CPEFS模式預報產(chǎn)品與實況（表1）可知，CPEFS模式預報云系的宏觀特征和演變與實況大體一致，但預報廣東該次對流云的生命期偏長，預報的云系位置在珠江口附近和實況有一定偏差。在冰雹云發(fā)展的旺盛階段，衛(wèi)星反演云頂溫度為-60到-70℃，云頂高度為10～14 km，模式預報發(fā)展旺盛程度比實況稍偏弱。

表1 2020年2月14日廣東春季一次冰雹云的CPEFS模式預報產(chǎn)品與實況對比

3.2 冰雹云系宏觀特征及模式檢驗

2020年2月14日02：00—04：00，廣東省雙偏振雷達5 km等高面相態(tài)圖（圖2a）顯示，粵西北及粵西南部5 km高度上存在大范圍的干雪、冰雹，在清遠地區(qū)存在帶狀冰雹云系。分析此帶狀風暴云結(jié)構(gòu)（圖2b）、垂直累積液態(tài)水含量（VIL）（圖2c）及雷達組合發(fā)射率（圖略），研究清遠、韶關(guān)地區(qū)降雹風暴云的三維空間結(jié)構(gòu)和發(fā)展過程。00：48—01：12，在降雹風暴云移入陽山楊梅鎮(zhèn)的過程中，風暴云的強回波核心和VIL值從60 dBz和36 kg／m2增加到71 dBz和59 kg／m2，風暴云頂也從11.1 km躍增到17.1 km，最大反射率因子高度在2到4 km，說明風暴云發(fā)展較強。01：18—01：30，風暴云最大反射率因子的高度躍增至78 dBz，對應風暴云頂高為17.0～17.5 km，最大反射率因子高度在4.5～5.5 km，高層懸垂回波強于低層，說明此時風暴云發(fā)展旺盛。此后，隨著強回波核高度的降低，清新浸潭鎮(zhèn)、禾云鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，之后隨著強風暴的東移，英德連江口鎮(zhèn)、大站鎮(zhèn)、大洞鎮(zhèn)、青塘鎮(zhèn)、白沙鎮(zhèn)、水邊鎮(zhèn)、九龍鎮(zhèn)相繼出現(xiàn)冰雹，降雹期間強回波核心保持在67～78 dBz之間。03：36后，風暴頂明顯降低，VIL值降至22 kg／m2以下，風暴明顯減弱。風暴發(fā)展到減弱期間，VIL隨時間的變化趨勢與雷達回波強度的變化趨勢成正比。

圖2 2020年2月14日02：00—04：00雙偏振雷達5 km等高面相態(tài)圖（a）、回波參數(shù)（b）、VIL（c）分布

分析CPEFS模式2020年2月13日08：00起報的14日03：00雷達回波垂直最大反射率、云頂高度、VIL等預報產(chǎn)品（圖略），可以看出，清遠、韶關(guān)、肇慶也存在強對流云系，雷達回波垂直最大反射率中心位于清遠南部、韶關(guān)南部、肇慶中部、云頂高度在11～14 km之間、最大反射率達66 dBz、最大VIL為20 kg／m2，可見該區(qū)域模式預報的強對流云系與實況基本吻合，位置略偏南，最大云頂高度偏低3 km左右、最大反射率偏低10 dBz、最大VIL偏低25 kg／m2。

3.3 冰雹云微物理特征分析及模式檢驗

根據(jù)雙偏振雷達反演數(shù)據(jù)（表略）顯示，清遠地區(qū)強對流云所在區(qū)域4.5～11.5 km垂直高度上存在一定數(shù)量的干雪，最大值達0.19 g／m3，位于5.5 km高度上；垂直高度5.5～6 km可觀測到冰雹，質(zhì)量在6.33～8.1 g／m3之間。模式預報此時清遠地區(qū)4～12 km存在霰及冰雹，干雪、冰雹預報最大值為1.5 g／m3?？梢姡Ｊ筋A報能預報出干雪、冰雹的存在，但對干雪質(zhì)量的預報偏大，對冰雹質(zhì)量的預報偏小。

3.4 冰雹云垂直結(jié)構(gòu)分析及模式檢驗

模式預報云體垂直結(jié)構(gòu)顯示（圖3），2月14日02：00清遠地區(qū)有強對流云系覆蓋，回波頂高10 km，云水主要分布10～0℃層（1.5～3.8 km），云水最大含量可達2 g／kg。過冷水主要位于0～-20℃層（3.8～7.5 km），固態(tài)降水物質(zhì)（雪、霰、冰晶）的含量豐富（圖略），冰相粒子大值區(qū)高度在5 km左右?？梢娔Ｊ筋A報云系垂直結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的準確度較高，總體上能預報出過冷水與液態(tài)水的分布特征，預報回波底與實況一致，能大致預報出冰雹胚胎所在的高度范圍，但對于零度層高度的預報偏低0.2 km，對于局部地區(qū)回波頂高的預報偏低約7 km，對于強中心高度的預報偏低0.7 km左右。

圖3 2月14日02：00清遠地區(qū)雷達剖面圖（a）和CPEFS模式預報云系垂直結(jié)構(gòu)圖（b）

4 結(jié)論

1）該次天氣過程是發(fā)生在南支槽前西南氣流和低層風速輻合的大尺度環(huán)流背景下，由地面低槽觸發(fā)強對流，且上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)和合適的0℃層、-20℃層高度，都為強對流天氣的發(fā)展提供了十分有利的條件。在這種典型天氣背景下，模式對天氣形勢場的預報具有一定的指示意義，能預報出廣西上空的南支槽，風向風速與實況基本吻合，對于廣東中部的西南低空急流預報位置略偏南、強度略偏小、范圍略偏小。

2）CPEFS模式模擬云系的宏觀特征、發(fā)展演變與實況大體一致，但對于強對流中心預報范圍較大，位置略偏南，移速偏慢了18 km／h、對流云生命期偏長。在珠江口及西側(cè)地區(qū)存在漏報情況，在珠三角北部、粵東北地區(qū)存在空報現(xiàn)象。

3）在云垂直特征和性質(zhì)上，CPEFS模式預報云系的冷暖性質(zhì)、垂直結(jié)構(gòu)、0℃層高度與實況接近。

4）總體上能預報出過冷水與云水的分布特征，對于0℃層高度、局部地區(qū)回波頂高、強中心高度的預報均略有偏低。

綜上所述，CPEFS模式能較準確地預報該次廣東冰雹天氣過程，為人工防雹決策指揮提供一定的參考依據(jù)。