多源模式資料在湖南省一次防雹作業(yè)中的應(yīng)用

丁 莉，丁元武，李 蔚，唐 林，李 瓊，汪 玲

（1.湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，長(zhǎng)沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118；3.河南省南陽(yáng)市氣象局，河南 南陽(yáng) 473000；4.湖南省氣象臺(tái)，長(zhǎng)沙 410118）

湖南省每年3—8月多發(fā)生冰雹災(zāi)害，造成作物倒伏、房屋倒塌、人畜傷亡等，對(duì)農(nóng)業(yè)、交通、生命財(cái)產(chǎn)安全等造成嚴(yán)重危害。隨著科技發(fā)展，人工防雹已變成一項(xiàng)切實(shí)可行的人工影響天氣技術(shù)，即在冰雹云中加入催化劑，增加人工雹胚，以抑制或削弱云中冰雹的生長(zhǎng)，減輕或消除冰雹的危害。冰雹過(guò)程變化快，破壞性大，冰雹的預(yù)報(bào)一直以來(lái)都是預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，而人工影響天氣作業(yè)對(duì)冰雹預(yù)報(bào)的時(shí)效性和準(zhǔn)確度要求更高，而何時(shí)何地開(kāi)展防雹作業(yè)，提前制定作業(yè)計(jì)劃，安排部署高炮、火箭及作業(yè)人員，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，有效降低經(jīng)濟(jì)損失，是人工影響天氣作業(yè)亟需解決的問(wèn)題。

一些學(xué)者對(duì)典型冰雹過(guò)程進(jìn)行分析，以期為過(guò)程預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考，如徐璐璐等［1］指出中低層切變線、強(qiáng)垂直風(fēng)切邊和輻合抬升有利于風(fēng)雹天氣的發(fā)生；周長(zhǎng)青等［2］從環(huán)境背景條件和雷達(dá)資料對(duì)強(qiáng)冰雹的多普勒雷達(dá)回波特征進(jìn)行識(shí)別和分析，從而提高了對(duì)湖南省冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展成因的認(rèn)識(shí)；林文等［3］對(duì)閩西北地區(qū)冰雹天氣大氣垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析；黃榮等［4］發(fā)現(xiàn)顯著的三體散射回波、60 dBZ回波持續(xù)擴(kuò)展到-20℃層高度以上、風(fēng)暴頂強(qiáng)輻散等判據(jù)可作為判別強(qiáng)冰雹的雷達(dá)特征指標(biāo)。一些學(xué)者［5-9］通過(guò)總結(jié)分析多次冰雹個(gè)例，初步確定了一些適用于本地風(fēng)雹預(yù)報(bào)的指標(biāo)閾值和環(huán)境參數(shù)。也有學(xué)者對(duì)冰雹云的預(yù)報(bào)、識(shí)別及對(duì)如何開(kāi)展防雹作業(yè)進(jìn)行了研究［10-12］，為防雹作業(yè)找好作業(yè)時(shí)機(jī)、部位和確定催化劑量提供科學(xué)依據(jù)。段藝萍等［13］、方德賢等［14］基于新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用風(fēng)暴跟蹤（SCIT）算法實(shí)現(xiàn)風(fēng)暴跟蹤，確定防雹作業(yè)區(qū)域。

以往學(xué)者的研究多采用傳統(tǒng)天氣資料、雷達(dá)資料等對(duì)冰雹過(guò)程進(jìn)行判別分析，也有學(xué)者［15-18］試圖通過(guò)模式模擬冰雹過(guò)程，而人工影響天氣云模式對(duì)冰雹過(guò)程的預(yù)報(bào)效果如何，能否在防雹作業(yè)中發(fā)揮作用尚未有學(xué)者開(kāi)展此項(xiàng)研究。本研究嘗試性地在傳統(tǒng)冰雹預(yù)報(bào)方式的基礎(chǔ)上引入人工影響天氣GRAPES_CAMS模式，對(duì)2017年5月3—4日1次冰雹過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)，提前制定作業(yè)方案，臨近參考雷達(dá)資料對(duì)作業(yè)方案進(jìn)行調(diào)整，組織開(kāi)展了此次防雹作業(yè)。

1 資料與方法

所用的GRAPES_CAMS模式是以中尺度天氣數(shù)值模式GRAPES為框架，耦合中國(guó)氣象科學(xué)研究院研制的云降水顯式方案CAMS。

通過(guò)分析歐洲中心（EC）細(xì)網(wǎng)格模式產(chǎn)品中的風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)及其他物理量場(chǎng)，初判冰雹天氣發(fā)生的時(shí)間及區(qū)域，進(jìn)一步分析GRAPES_CAMS模式產(chǎn)品的云宏微觀物理量和0、-10℃等特征溫度的高度，了解云系的發(fā)展程度和演變趨勢(shì)，判斷降水機(jī)制，確定播云作業(yè)的溫度和高度范圍，判別分析冰雹天氣，設(shè)計(jì)作業(yè)方案，臨近再通過(guò)結(jié)合雷達(dá)資料對(duì)作業(yè)方案進(jìn)行調(diào)整，開(kāi)展作業(yè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣形勢(shì)和物理量場(chǎng)

2.1.1 天氣形勢(shì) 2017年5月3—4日湖南省受中低層低渦切邊、地面倒槽及冷空氣的影響，出現(xiàn)了1次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。3日20：00出現(xiàn)500 hPa南支槽東移現(xiàn)象，湖南省處于槽前西南氣流中，有利于輻合抬升，700、850 hPa低渦切變維持在湘中地區(qū)，冷鋒前沿位于湘中，不斷有冷空氣配合南下，低層配合水汽輸送，水汽條件較好，有利于出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。

2.1.2 物理量場(chǎng) EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)的5月3日23：00的850 hPa與500 hPa的溫度差在湘南一帶較大，大于24℃，部分地區(qū)大于25℃，700 hPa與500 hPa的溫度差也是在湘南一帶較大，大于16℃，最大達(dá)18℃，湘南層結(jié)不穩(wěn)定。23：00在邵陽(yáng)南部—永州北部—衡陽(yáng)一帶出現(xiàn)了帶狀的強(qiáng)垂直風(fēng)切帶，垂直風(fēng)切＞3×10-3s-1，有利于冰雹天氣發(fā)展。

2.1.3 典型站點(diǎn)層結(jié) 首先對(duì)比5月3日20：00郴州站實(shí)況層結(jié)曲線和EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)，驗(yàn)證EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)是否可靠?？梢钥吹紼C細(xì)網(wǎng)格模式對(duì)大氣層結(jié)狀況的預(yù)報(bào)較好，預(yù)報(bào)出了大氣上干下濕的狀況，基本趨勢(shì)預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，風(fēng)向基本一致，風(fēng)速預(yù)報(bào)偏小，也較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出了物理量場(chǎng)，詳見(jiàn)表1。

表1 2017年5月3日20：00郴州站物理量場(chǎng)實(shí)況與EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)對(duì)比

在檢驗(yàn)EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)可靠性的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)可信。EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)5月3日23：00桂陽(yáng)（112°30′E，26°N）的對(duì)流有效位能為2 036 J，K指數(shù)為39，大氣層結(jié)不穩(wěn)定能量大，0℃層在580 hPa左右，有利于冰雹的發(fā)展（圖1）。

圖1 EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)的桂陽(yáng)2017年5月3日23：00層結(jié)曲線

2.2 云模式產(chǎn)品

GRAPES_CAMS模式預(yù)報(bào)的5月4日2：00湘南一帶云水條件達(dá)到最佳，云帶在0.5 mm以上，垂直累積過(guò)冷水含量達(dá)0.1 mm，云頂高度達(dá)7 km以上，云頂溫度達(dá)-20℃以上，對(duì)流云高度較高，發(fā)展旺盛（圖2）。進(jìn)一步對(duì)湘南一帶做垂直剖面，可以看到0℃在600 hPa左右、-20℃在400 hPa左右，0℃層以下云中水凝物以云水、雨水為主，0～-20℃水凝物以冰晶、雪、霰為主，冰晶數(shù)濃度最大達(dá)50個(gè)∕L，雪霰混合比最大達(dá)0.5 g∕kg，有利于冰雹的形成發(fā)展（圖3）。初步制定作業(yè)方案，建議永州、郴州兩地密切關(guān)注此次過(guò)程，考慮在3日23：00至4日2：00開(kāi)展高炮防雹作業(yè)，作業(yè)高度考慮在-4～-10℃層，即5 200～6 200 m。

圖2 GRAPES_CAMS模式預(yù)報(bào)2017年5月4日2：00的云帶（a）、垂直累積過(guò)冷水含量（b）、云頂高度（c）、云頂溫度（d）

圖3 GRAPES_CAMS模式預(yù)報(bào)2017年5月4日2：00云宏微觀物理量沿湘南一帶的垂直剖面

2.3 雷達(dá)實(shí)況

5月4日0：23郴州雷達(dá)顯示寧遠(yuǎn)—新田—永興一帶出現(xiàn)了弓形回波，最強(qiáng)回波處回波強(qiáng)度大于60 dBZ，最大垂直累積液態(tài)水含量大于40 kg∕m（2圖4a）。進(jìn)一步對(duì)最強(qiáng)回波新田—桂陽(yáng)做空間剖面分析，0℃層位于4～5 km處，回波發(fā)展旺盛，大于30 dBZ的強(qiáng)回波中心高度大于5 km，回波頂高達(dá)12～14 km，可以看到明顯的穹隆回波，強(qiáng)回波下存在弱有界回波區(qū)，易發(fā)生冰雹（圖4b）。對(duì)作業(yè)方案進(jìn)行調(diào)整，建議重點(diǎn)對(duì)桂陽(yáng)、新田、寧遠(yuǎn)、永興、藍(lán)山、嘉禾進(jìn)行防雹作業(yè)，作業(yè)時(shí)間在0：00—1：00，作業(yè)高度建議5.8 km左右。

圖4 2017年5月4日00：23郴州雷達(dá)組合反射率（a）和新田—桂陽(yáng)處雷達(dá)組合反射率垂直剖面（b）（單位：d BZ）

2.4 作業(yè)實(shí)施情況

根據(jù)以上預(yù)報(bào)及實(shí)況資料，提前制定了作業(yè)實(shí)施方案，建議郴州、永州等地于5月4日0：00前后開(kāi)展防雹作業(yè)。各作業(yè)站點(diǎn)根據(jù)當(dāng)?shù)乇⒃瓢l(fā)展情況，開(kāi)展了防雹作業(yè)。2017年5月4日0：00—1：00，郴州桂陽(yáng)、安仁、永興、嘉禾、宜章，永州藍(lán)山、新田（圖5）開(kāi)展了防雹作業(yè)，具體作業(yè)實(shí)施情況見(jiàn)表2。以桂陽(yáng)為例，通過(guò)連續(xù)作業(yè)，可以明顯看到0：30左右雷達(dá)回波明顯減弱（圖6），作業(yè)后，收集災(zāi)情資料，未發(fā)現(xiàn)大冰雹產(chǎn)生，有效保護(hù)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物及煙葉，作業(yè)效果良好。

圖6 2017年5月4日0：00—1：00桂陽(yáng)雷達(dá)垂直剖面

表2 2017年5月4日湖南省防雹作業(yè)統(tǒng)計(jì)

圖5 開(kāi)展防雹作業(yè)的地區(qū)（紅色陰影）

3 小結(jié)與討論

1）此次天氣形勢(shì)有利于產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，EC細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)在2017年5月3日23：00湘南一帶出現(xiàn)了較大的高低層溫差，強(qiáng)垂直風(fēng)切，不穩(wěn)定能量大，初步預(yù)判了此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程。

2）進(jìn)一步結(jié)合人影云模式GRAPES_CAMS預(yù)報(bào)產(chǎn)品，5月4日2：00永州、郴州垂直累積過(guò)冷水充沛，0～-20℃層冰晶、雪、霰含量大，有利于冰晶、霰與過(guò)冷水撞凍形成雹胚，促進(jìn)冰雹發(fā)展。據(jù)此初步制定了作業(yè)方案，考慮在3日23：00至4日2：00在永州、郴州開(kāi)展高炮防雹作業(yè)，作業(yè)高度考慮在-4～-10℃層，即5 200～6 200 m。

3）臨近的雷達(dá)實(shí)況顯示，5月4日0：23寧遠(yuǎn)—新田—永興一帶出現(xiàn)了弓形回波，新田、桂陽(yáng)出現(xiàn)了明顯的穹隆回波，強(qiáng)回波下存在弱有界回波區(qū)，易發(fā)生冰雹。印證了此次通過(guò)結(jié)合EC細(xì)網(wǎng)格模式和GRAPES_CAMS模式有效預(yù)報(bào)了此次冰雹過(guò)程。臨近再通過(guò)結(jié)合雷達(dá)實(shí)況資料對(duì)作業(yè)方案進(jìn)行調(diào)整，開(kāi)展防雹作業(yè)，作業(yè)后效果較好，雷達(dá)回波明顯減弱，作業(yè)區(qū)未收集到冰雹災(zāi)情資料，有效保護(hù)了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物及煙葉。

通過(guò)引入人工影響云模式對(duì)冰雹過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)可以更精準(zhǔn)地判斷適宜作業(yè)高度、作業(yè)位置、作業(yè)時(shí)間，但本文只進(jìn)行了一個(gè)個(gè)例的研究，同時(shí)模式的預(yù)報(bào)存在不確定性，因此還需更多的個(gè)例研究來(lái)印證這種方法的效果。