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，長沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室，長沙 410118；3.河南省南陽市氣象局，河南 南陽 473000；4.湖南省氣象臺，長沙 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，對農(nóng)業(yè)、交通、生命財產(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切實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，減輕或消除冰雹的危害。冰雹過程變化快，破壞性大，冰雹的預(yù)報一直以來都是預(yù)報的難點，而人工影響天氣作業(yè)對冰雹預(yù)報的時效性和準(zhǔn)確度要求更高，而何時何地開展防雹作業(yè)，提前制定作業(yè)計劃，安排部署高炮、火箭及作業(yè)人員，實現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)，有效降低經(jīng)濟損失，是人工影響天氣作業(yè)亟需解決的問題。

一些學(xué)者對典型冰雹過程進行分析，以期為過程預(yù)報預(yù)警提供參考，如徐璐璐等［1］指出中低層切變線、強垂直風(fēng)切邊和輻合抬升有利于風(fēng)雹天氣的發(fā)生；周長青等［2］從環(huán)境背景條件和雷達資料對強冰雹的多普勒雷達回波特征進行識別和分析，從而提高了對湖南省冰雹等強對流天氣發(fā)生發(fā)展成因的認(rèn)識；林文等［3］對閩西北地區(qū)冰雹天氣大氣垂直結(jié)構(gòu)特征進行分析；黃榮等［4］發(fā)現(xiàn)顯著的三體散射回波、60 dBZ回波持續(xù)擴展到-20℃層高度以上、風(fēng)暴頂強輻散等判據(jù)可作為判別強冰雹的雷達特征指標(biāo)。一些學(xué)者［5-9］通過總結(jié)分析多次冰雹個例，初步確定了一些適用于本地風(fēng)雹預(yù)報的指標(biāo)閾值和環(huán)境參數(shù)。也有學(xué)者對冰雹云的預(yù)報、識別及對如何開展防雹作業(yè)進行了研究［10-12］，為防雹作業(yè)找好作業(yè)時機、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組網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用風(fēng)暴跟蹤（SCIT）算法實現(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、雷達資料等對冰雹過程進行判別分析，也有學(xué)者［15-18］試圖通過模式模擬冰雹過程，而人工影響天氣云模式對冰雹過程的預(yù)報效果如何，能否在防雹作業(yè)中發(fā)揮作用尚未有學(xué)者開展此項研究。本研究嘗試性地在傳統(tǒng)冰雹預(yù)報方式的基礎(chǔ)上引入人工影響天氣GRAPES_CAMS模式，對2017年5月3—4日1次冰雹過程進行預(yù)報，提前制定作業(yè)方案，臨近參考雷達資料對作業(yè)方案進行調(diào)整，組織開展了此次防雹作業(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，耦合中國氣象科學(xué)研究院研制的云降水顯式方案CAMS。

通過分析歐洲中心（EC）細網(wǎng)格模式產(chǎn)品中的風(fēng)場、相對濕度場及其他物理量場，初判冰雹天氣發(fā)生的時間及區(qū)域，進一步分析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，判斷降水機制，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)計作業(yè)方案，臨近再通過結(jié)合雷達資料對作業(yè)方案進行調(diào)整，開展作業(yè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣形勢和物理量場

2.1.1 天氣形勢 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次強對流天氣過程。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)強對流天氣。

2.1.2 物理量場 EC細網(wǎng)格模式預(yù)報的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18℃，湘南層結(jié)不穩(wěn)定。23：00在邵陽南部—永州北部—衡陽一帶出現(xiàn)了帶狀的強垂直風(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 典型站點層結(jié) 首先對比5月3日20：00郴州站實況層結(jié)曲線和EC細網(wǎng)格預(yù)報，驗證EC細網(wǎng)格預(yù)報是否可靠。可以看到EC細網(wǎng)格模式對大氣層結(jié)狀況的預(yù)報較好，預(yù)報出了大氣上干下濕的狀況，基本趨勢預(yù)報較為準(zhǔn)確，風(fēng)向基本一致，風(fēng)速預(yù)報偏小，也較準(zhǔn)確地預(yù)報出了物理量場，詳見表1。

表1 2017年5月3日20：00郴州站物理量場實況與EC細網(wǎng)格模式預(yù)報對比

在檢驗EC細網(wǎng)格模式預(yù)報可靠性的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)EC細網(wǎng)格模式預(yù)報可信。EC細網(wǎng)格模式預(yù)報5月3日23：00桂陽（112°30′E，26°N）的對流有效位能為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細網(wǎng)格模式預(yù)報的桂陽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)報的5月4日2：00湘南一帶云水條件達到最佳，云帶在0.5 mm以上，垂直累積過冷水含量達0.1 mm，云頂高度達7 km以上，云頂溫度達-20℃以上，對流云高度較高，發(fā)展旺盛（圖2）。進一步對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50個∕L，雪霰混合比最大達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)注此次過程，考慮在3日23：00至4日2：00開展高炮防雹作業(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2017年5月4日2：00的云帶（a）、垂直累積過冷水含量（b）、云頂高度（c）、云頂溫度（d）

圖3 GRAPES_CAMS模式預(yù)報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 雷達實況

5月4日0：23郴州雷達顯示寧遠—新田—永興一帶出現(xiàn)了弓形回波，最強回波處回波強度大于60 dBZ，最大垂直累積液態(tài)水含量大于40 kg∕m（2圖4a）。進一步對最強回波新田—桂陽做空間剖面分析，0℃層位于4～5 km處，回波發(fā)展旺盛，大于30 dBZ的強回波中心高度大于5 km，回波頂高達12～14 km，可以看到明顯的穹隆回波，強回波下存在弱有界回波區(qū)，易發(fā)生冰雹（圖4b）。對作業(yè)方案進行調(diào)整，建議重點對桂陽、新田、寧遠、永興、藍山、嘉禾進行防雹作業(yè)，作業(yè)時間在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郴州雷達組合反射率（a）和新田—桂陽處雷達組合反射率垂直剖面（b）（單位：d BZ）

2.4 作業(yè)實施情況

根據(jù)以上預(yù)報及實況資料，提前制定了作業(yè)實施方案，建議郴州、永州等地于5月4日0：00前后開展防雹作業(yè)。各作業(yè)站點根據(jù)當(dāng)?shù)乇⒃瓢l(fā)展情況，開展了防雹作業(yè)。2017年5月4日0：00—1：00，郴州桂陽、安仁、永興、嘉禾、宜章，永州藍山、新田（圖5）開展了防雹作業(yè)，具體作業(yè)實施情況見表2。以桂陽為例，通過連續(xù)作業(yè)，可以明顯看到0：30左右雷達回波明顯減弱（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桂陽雷達垂直剖面

表2 2017年5月4日湖南省防雹作業(yè)統(tǒng)計

圖5 開展防雹作業(yè)的地區(qū)（紅色陰影）

3 小結(jié)與討論

1）此次天氣形勢有利于產(chǎn)生強對流天氣，EC細網(wǎng)格模式預(yù)報在2017年5月3日23：00湘南一帶出現(xiàn)了較大的高低層溫差，強垂直風(fēng)切，不穩(wěn)定能量大，初步預(yù)判了此次強對流過程。

2）進一步結(jié)合人影云模式GRAPES_CAMS預(yù)報產(chǎn)品，5月4日2：00永州、郴州垂直累積過冷水充沛，0～-20℃層冰晶、雪、霰含量大，有利于冰晶、霰與過冷水撞凍形成雹胚，促進冰雹發(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）臨近的雷達實況顯示，5月4日0：23寧遠—新田—永興一帶出現(xiàn)了弓形回波，新田、桂陽出現(xiàn)了明顯的穹隆回波，強回波下存在弱有界回波區(qū)，易發(fā)生冰雹。印證了此次通過結(jié)合EC細網(wǎng)格模式和GRAPES_CAMS模式有效預(yù)報了此次冰雹過程。臨近再通過結(jié)合雷達實況資料對作業(yè)方案進行調(diào)整，開展防雹作業(yè)，作業(yè)后效果較好，雷達回波明顯減弱，作業(yè)區(qū)未收集到冰雹災(zāi)情資料，有效保護了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物及煙葉。

通過引入人工影響云模式對冰雹過程進行預(yù)報，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)時間，但本文只進行了一個個例的研究，同時模式的預(yù)報存在不確定性，因此還需更多的個例研究來印證這種方法的效果。