滇中一次人工防雹過程的雷達(dá)回波對比分析

李成鵬，金文杰

(云南省氣象局 人影中心，云南 昆明 650034)

0 前言

云南處于東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)交匯區(qū)域，西北受青藏高原大地形影響，形成了復(fù)雜多樣的自然地理環(huán)境和氣候條件，是中國強(qiáng)對流天氣頻發(fā)區(qū)之一。強(qiáng)對流天氣具有極強(qiáng)的地域和時(shí)域性特征，其中冰雹、大風(fēng)和雷暴是云南最常見的強(qiáng)對流天氣。全省每年約有60 個(gè)縣次遭受不同程度的雹災(zāi)，云南各月均有雹災(zāi)出現(xiàn)[1，2]。做好強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)，對于防災(zāi)減災(zāi)、保障國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義。冰雹是一種局地性強(qiáng)、來勢猛、持續(xù)時(shí)間短的強(qiáng)對流天氣，常造成局地農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收，對它的預(yù)報(bào)是日常工作中的難點(diǎn)。近10多年來由于云南天氣氣候極端事件頻發(fā)，冰雹天氣一直都是氣象部門研究的重點(diǎn)，雹災(zāi)的防范也是人工影響天氣的重要任務(wù)。國內(nèi)許多氣象專家通過大量的研究，發(fā)現(xiàn)925 hPa與500 hPa之間強(qiáng)烈的溫差是冰雹發(fā)生的一個(gè)重要特征，強(qiáng)對流天氣發(fā)生在對流不穩(wěn)定區(qū)的北側(cè)梯度較大地區(qū)，冰雹出現(xiàn)在強(qiáng)對流云團(tuán)移動(dòng)方向的正前方[3，4]，并得出了部分冰雹云的雷達(dá)特征通用指標(biāo)[4-6]，回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波核高度、30 dBz回波高度、回波頂高、垂直積分液態(tài)含水量這5個(gè)物理量是判別冰雹出現(xiàn)的重要指標(biāo)[6-10]。本文針對同一時(shí)段發(fā)生在曲靖馬龍縣、楚雄雙柏縣和玉溪峨山縣3個(gè)地方的一次相似的強(qiáng)對流雷達(dá)回波作重點(diǎn)分析，檢驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)在滇中區(qū)域人工防雹中的適用性，并對比開展人工防雹作業(yè)和未開展作業(yè)的對流云演變情況。

1 雷達(dá)回波及防雹情況

2016年8月11日云南省11個(gè)州市出現(xiàn)強(qiáng)對流回波，如圖1(封三圖版Ⅰ)，其中強(qiáng)回波中心A、B、C分別位于曲靖馬龍縣、楚雄雙柏縣和玉溪峨山縣，3個(gè)強(qiáng)對流回波的發(fā)展情況較為相近，均由2～3個(gè)強(qiáng)度在35～40 dBz的對流單體合并而成，合并后強(qiáng)度迅速加強(qiáng)至50 dBz以上。

這一過程當(dāng)中，馬龍縣和雙柏縣分別對回波云A、B實(shí)施了人工防雹作業(yè)，未出現(xiàn)冰雹災(zāi)害。由于玉溪峨山縣未申請到作業(yè)許可，C回波云發(fā)展加強(qiáng)，16∶20開始在峨山境內(nèi)發(fā)生了降雹，造成84 hm2烤煙受災(zāi)。

1.1 馬龍雷達(dá)回波及作業(yè)情況

2016年8月11日15∶15，在馬龍縣西部和西南部分別有對流回波生成，見圖2(封三圖版Ⅰ)中A1和A2，兩回波發(fā)展迅速。15∶39時(shí)回波A1和A2均表現(xiàn)出明顯的躍增趨勢，強(qiáng)度均增加至50 dBz以上，強(qiáng)中心高度分別達(dá)到3.9 km和4.2 km，回波頂高均超過10 km。A1向東南方向移動(dòng)，A2向西北方向移動(dòng)，兩回波加強(qiáng)有逐漸合并的趨勢。

15∶37開始馬龍縣5個(gè)作業(yè)點(diǎn)對A1強(qiáng)對流回波云實(shí)施人了工防雹作業(yè)。15∶41開始竹園、襪度、民村3個(gè)作業(yè)點(diǎn)對回波云A2實(shí)施了作業(yè)，A2在合并過程中對流明顯被抑制，15∶57 A1、A2合并加強(qiáng)成為強(qiáng)回波，馬龍縣繼續(xù)對A回波云開展人工作業(yè)。此次過程馬龍縣共開展了13次作業(yè)(表1)，持續(xù)時(shí)間23分鐘，用彈量113發(fā)，及時(shí)的作業(yè)抑制了回波的發(fā)展；在16∶09時(shí)回波的強(qiáng)度降至50dBz以下，強(qiáng)中心高度也降至2.8 km，垂直液態(tài)含水量VIL也由15∶57的19.3 kg·m-2下降至8.3 kg·m-2。16∶15回波云A的 VIL減小，強(qiáng)中心高度降低，只產(chǎn)生了降水，未出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象，表明此次人工防雹作業(yè)非常有效。

表1 2016年8月11日15∶37～16∶00馬龍縣作業(yè)情況

1.2 雙柏雷達(dá)回波及作業(yè)情況

從圖3(封三圖版Ⅰ)可見，2016年8月11日15∶15，單體回波B1在雙柏縣北部生成發(fā)展，并自東向西移動(dòng)，15∶27在B1的東南面又新生成一對流單體回波B2，B1、B2同時(shí)迅速發(fā)展加強(qiáng)。至15∶39，回波B1、B2的強(qiáng)度均已超過50 dBz，30 dBz回波高度分別達(dá)到7.4 km和6.5 km，B2的回波頂高達(dá)14.1 km，表明此時(shí)對流發(fā)展非常旺盛。15∶51兩回波發(fā)展達(dá)到旺盛并逐漸靠近。15∶53雙柏縣開始實(shí)施防雹作業(yè)，有效抑制了回波的發(fā)展，15∶57兩塊回波合并時(shí)，回波強(qiáng)度分別由原先的52 dBz和51.9 dBz下降至50.5 dBz，30 dBz回波高度和回波頂高也都有所下降。

此次過程雙柏縣共實(shí)施了5次人工防雹作業(yè)(表2)，持續(xù)時(shí)間9分鐘，用彈量88發(fā)，及時(shí)的作業(yè)抑制了回波的發(fā)展；16∶03作業(yè)結(jié)束后B1、B2合并為回波B，但回波強(qiáng)度已降至50 dBz，未出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象，隨后回波很快減弱并趨于消散。

表2 2016年8月11日15∶53～16∶02雙柏縣作業(yè)情況

1.3 峨山縣降雹雷達(dá)回波情況

從圖4(封三圖版Ⅰ)可見，2016年8月11日15∶15在峨山縣西北部，有3個(gè)對流單體C1、C2、C3自東北向西南移動(dòng)，C1和C3逐漸發(fā)展，而C2向C1靠近過程中減弱。

15∶45回波C1和C2合并(之后統(tǒng)稱為C1)后迅速發(fā)展，至15∶51回波C1的強(qiáng)度躍增至57.9 dBz，強(qiáng)中心高度發(fā)展到4.6 km，30 dBz回波高度和回波頂高分別達(dá)到9 km和11.8 km，垂直發(fā)展已十分旺盛。同時(shí)回波C3迅速發(fā)展。

回波C1和C3于15∶57合并為回波C并進(jìn)一步加強(qiáng)，至16∶03回波C的中心強(qiáng)度基本維持，其30 dBz回波高度和回波頂高則分別發(fā)展至9.4 km和15 km。此時(shí)回波發(fā)展達(dá)到最盛期，并在15∶15出現(xiàn)較為明顯的弱回波穹窿。

16∶21回波C中心強(qiáng)度達(dá)60.0 dBz，強(qiáng)中心高度達(dá)6.4 km，30 dBz回波高度和回波頂高分別達(dá)到11.3 km和17.2 km，垂直發(fā)展十分旺盛。由于未申請到作業(yè)許可，16∶21～16∶26期間，回波云C在峨山縣塔甸鎮(zhèn)嘿膩村委會(huì)降雹，致使840 hm2畝烤煙受災(zāi)。降雹后能量釋放，16∶21回波C強(qiáng)度明顯減弱，且強(qiáng)中心高度降至3.1 km，之后其回波高度也逐漸下降。

2 雷達(dá)回波物理量對比分析

在對冰雹云的雷達(dá)回波分析中發(fā)現(xiàn)，925～500 hPa強(qiáng)烈的溫差[4]、旁瓣回波和三體散射[5，6]、中尺度特征等[7]指標(biāo)的時(shí)效性較差，判別出冰雹云時(shí)，往往冰雹云已趨于成熟甚至已經(jīng)發(fā)生降雹。因此實(shí)際業(yè)務(wù)中需要統(tǒng)計(jì)分析多普勒特征，以此進(jìn)行冰雹等強(qiáng)對流天氣的識(shí)別和預(yù)報(bào)。

選取回波強(qiáng)度、強(qiáng)中心高度，30 dBz回波高度、回波頂高、垂直液態(tài)含水量VIL 5個(gè)物理量，對同一時(shí)段發(fā)生在馬龍、雙柏、峨山3個(gè)地區(qū)的相似雷達(dá)回波過程進(jìn)行對比分析。如圖5所示，由左至右的3個(gè)框標(biāo)注了作業(yè)時(shí)段，加粗一級的點(diǎn)虛線框標(biāo)注出了馬龍縣5個(gè)作業(yè)點(diǎn)實(shí)施作業(yè)的時(shí)段，劃線點(diǎn)虛線框標(biāo)注出了雙柏縣3個(gè)作業(yè)點(diǎn)實(shí)施作業(yè)的時(shí)段，實(shí)線框則標(biāo)注出了峨山縣降雹的時(shí)段。

(a)最大強(qiáng)度

(c)30 dBz回波高度

(e)垂直液態(tài)含水量VIL

(a)marimum radar reflectivity.(b)height of the strong radar-echor center.(c)height of 30 dBz echo.(d)echo tops.(e)VIL

2.1 回波強(qiáng)度演變對比

從圖5a可見，馬龍縣開始實(shí)施作業(yè)前，對流回波A1和A2還處在發(fā)展初期，之后回波強(qiáng)度出現(xiàn)了躍增達(dá)到50 dBz，15∶37開始防雹作業(yè)后有效地抑制了強(qiáng)對流發(fā)展，回波A2的發(fā)展被有效阻止了。作業(yè)結(jié)束后，回波A1和A2雖然發(fā)生了合并，但其強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，并未降雹。而此時(shí)在峨山縣區(qū)域，回波C1和C2合并后，C1的強(qiáng)度有躍增趨勢，由于未開展作業(yè)，回波穩(wěn)定持續(xù)增長，16∶20回波強(qiáng)度達(dá)到最大，超過60 dBz，產(chǎn)生降雹，降雹結(jié)束后回波C的強(qiáng)度迅速減弱消散。而雙柏縣的作業(yè)點(diǎn)實(shí)施作業(yè)時(shí)，回波B1和B2已經(jīng)開始合并加強(qiáng)，作業(yè)有效地抑制了強(qiáng)回波的發(fā)展，在作業(yè)期間和作業(yè)后，回波B總體呈逐漸減弱的趨勢。

2.2 強(qiáng)中心高度演變對比

從圖5b可見，在峨山區(qū)域的回波開始發(fā)展時(shí)，其強(qiáng)中心均較低，15∶50左右C1與C2合并，強(qiáng)中心高度躍增，與回波強(qiáng)度的躍增相對應(yīng)，之后其強(qiáng)中心高度保持在4 km以上，降雹前其強(qiáng)中心高度達(dá)6.4 km，表明冰雹云已發(fā)展成熟。16∶26回波C的強(qiáng)中心高度迅速下跌至3.1 km，與降雹時(shí)間相吻合。同時(shí)，馬龍縣的回波A1和A2其強(qiáng)中心高度在15∶40增長，在作業(yè)期間，回波高度均有較大波動(dòng)，表明對流活動(dòng)受到了作業(yè)的有效抑制，且在作業(yè)結(jié)束后回到最低點(diǎn)，表明已經(jīng)在作業(yè)后產(chǎn)生降水。盡管之后在16∶15有再次的增加，但遠(yuǎn)未達(dá)到回波C的高度，也并未產(chǎn)生降雹，并在之后很快減弱。雙柏縣的回波B其強(qiáng)中心高度則基本保持在最低點(diǎn)，即使在回波合并后依然保持，表明作業(yè)抑制了其對流發(fā)展。

2.3 30 dBz回波高度

30 dBz回波高度代表了冰雹云的過冷水區(qū)中大粒子的發(fā)展情況，也被用來識(shí)別強(qiáng)回波區(qū)[10]，日常業(yè)務(wù)工作中發(fā)現(xiàn)30 dBz回波高度與回波強(qiáng)度和強(qiáng)中心高度的躍增對應(yīng)關(guān)系較好。圖5c為30 dBz回波高度演變圖，即過程中30 dBz強(qiáng)度的回波所能達(dá)到的最大高度。由圖可見在回波C1、C3的發(fā)展階段，該高度隨時(shí)間緩慢增長，而C2則處于一個(gè)減弱衰亡的階段，其高度在逐漸下降，直到被C1吞并。在15∶45左右回波C1與C3合并后，其30 dBz回波高度迅速躍增，與回波強(qiáng)度和強(qiáng)中心高度的躍增相對應(yīng)，在與回波C3合并為回波C后，這一高度持續(xù)增長，并一直持續(xù)到降雹后，這一增長趨勢還短暫維持，表明對流云的垂直發(fā)展在降水產(chǎn)生后依然有較短時(shí)間的維持。但隨著降水的持續(xù)，在16∶35后，該高度迅速下降并持續(xù)直至回波跌至30 dBz以下。

與之相對，回波A和回波B發(fā)展期間也表現(xiàn)出30 dBz高度的逐漸增加，在作業(yè)期間和作業(yè)后也短暫地維持這一增長趨勢，表明其垂直的發(fā)展相對降水產(chǎn)生有一定滯后，但同樣隨著降水的持續(xù)，這一高度很快迅速下降。回波A的30 dBz高度則在之后隨強(qiáng)度的短暫增加亦有所增加，但之后同樣迅速下降。表明防雹作業(yè)使回波垂直結(jié)構(gòu)的下降提前了。

2.4 回波頂高演變

圖5d為回波頂高演變圖，與30 dBz高度類似，在對流過程C發(fā)展時(shí)，C1、C3的頂高逐漸增加，C2則呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。之后3塊回波合并過程中，回波C的頂高逐漸升高，在降雹前達(dá)到最高，超過16 km。降雹后回波頂高緩慢減弱。與之相對，對流過程A和B的回波頂高演變有類似的趨勢，與30 dBz頂高類似，A和B的頂高在作業(yè)過程中保持上升，隨著降水的繼續(xù)，回波頂高逐漸減弱。表明作業(yè)提前產(chǎn)生的降水有效抑制了對流的垂直發(fā)展。

2.5 垂直液態(tài)含水量VIL演變

從圖5e回波垂直液態(tài)含水量VIL演變圖可見，回波C1和C2合并后，VIL迅速增加，在3塊回波合并為回波C后，VIL保持在一個(gè)較高值(20 kg以上)，在降雹前達(dá)到最高。降雹后，回波C的VIL隨著降水的持續(xù)迅速下降至10 kg以下。與之相比，在回波A和回波B發(fā)展、合并過程中，VIL同樣有著與回波強(qiáng)度對應(yīng)的躍增和發(fā)展，但均在作業(yè)后轉(zhuǎn)為下降的趨勢，表明防雹作業(yè)提前產(chǎn)生了降水，有效抑制了冰雹云的發(fā)展和冰雹的形成。此次對比分析中，冰雹云演變過程中的VIL指標(biāo)與其他研究[8，9]不盡相同，VIL密度指標(biāo)變化不明顯，但同樣觀察到了VIL值在降雹前有躍增現(xiàn)象，可以作為輔助指標(biāo)結(jié)合運(yùn)用。

3 結(jié)論

(1)在強(qiáng)對流的演變過程中發(fā)現(xiàn)，有些冰雹云常用指標(biāo)[4-7]時(shí)效性較差，其他地區(qū)的冰雹預(yù)報(bào)指標(biāo)[5]，冰雹云初始回波的指標(biāo)[9]等并不完全適用，VIL值在降雹前有躍增現(xiàn)象，可結(jié)合其他指標(biāo)一起運(yùn)用。此次對比分析中，當(dāng)回波強(qiáng)度出現(xiàn)躍增、強(qiáng)中心高度保持在4 km以上，同時(shí)30 dBz回波高度與回波強(qiáng)度和強(qiáng)中心高度的躍增相對應(yīng)，回波頂高超過16 km，垂直液態(tài)含水量VIL值在降雹前有躍增現(xiàn)象，達(dá)到20 kg以上時(shí)，表明物理量達(dá)到了滇中地區(qū)冰雹發(fā)生的臨界指標(biāo)。在實(shí)際防雹應(yīng)用中，應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)的適用性。

(2)馬龍和雙柏縣抓住了臨界指標(biāo)的最佳時(shí)機(jī)開展了人工防雹作業(yè)，及時(shí)抑制了回波的發(fā)展，當(dāng)?shù)刂划a(chǎn)生了降水，未出現(xiàn)冰雹現(xiàn)象，表明人工防雹作業(yè)非常有效。而峨山縣未申請到作業(yè)許可，發(fā)生了冰雹，致使84 hm2烤煙受災(zāi)。

(3)從3個(gè)地區(qū)一次相似的對流回波和作業(yè)情況分析來看，業(yè)務(wù)人員具備對雷達(dá)回波的熟練分析能力，作業(yè)人員密切跟蹤對流性天氣，抓住時(shí)機(jī)開展作業(yè)，才能達(dá)到人工影響天氣的最佳效果。