多源模式資料在湖南省一次防雹作業中的應用

丁 莉，丁元武，李 蔚，唐 林，李 瓊，汪 玲

（1.湖南省人工影響天氣領導小組辦公室，長沙 410118；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，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月多發生冰雹災害，造成作物倒伏、房屋倒塌、人畜傷亡等，對農業、交通、生命財產安全等造成嚴重危害。隨著科技發展，人工防雹已變成一項切實可行的人工影響天氣技術，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，冰雹的預報一直以來都是預報的難點，而人工影響天氣作業對冰雹預報的時效性和準確度要求更高，而何時何地開展防雹作業，提前制定作業計劃，安排部署高炮、火箭及作業人員，實現精準作業，有效降低經濟損失，是人工影響天氣作業亟需解決的問題。

一些學者對典型冰雹過程進行分析，以期為過程預報預警提供參考，如徐璐璐等［1］指出中低層切變線、強垂直風切邊和輻合抬升有利于風雹天氣的發生；周長青等［2］從環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生發展成因的認識；林文等［3］對閩西北地區冰雹天氣大氣垂直結構特征進行分析；黃榮等［4］發現顯著的三體散射回波、60 dBZ回波持續擴展到-20℃層高度以上、風暴頂強輻散等判據可作為判別強冰雹的雷達特征指標。一些學者［5-9］通過總結分析多次冰雹個例，初步確定了一些適用于本地風雹預報的指標閾值和環境參數。也有學者對冰雹云的預報、識別及對如何開展防雹作業進行了研究［10-12］，為防雹作業找好作業時機、部位和確定催化劑量提供科學依據。段藝萍等［13］、方德賢等［14］基于新一代天氣雷達組網數據應用風暴跟蹤（SCIT）算法實現風暴跟蹤，確定防雹作業區域。

以往學者的研究多采用傳統天氣資料、雷達資料等對冰雹過程進行判別分析，也有學者［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報效果如何，能否在防雹作業中發揮作用尚未有學者開展此項研究。本研究嘗試性地在傳統冰雹預報方式的基礎上引入人工影響天氣GRAPES_CAMS模式，對2017年5月3—4日1次冰雹過程進行預報，提前制定作業方案，臨近參考雷達資料對作業方案進行調整，組織開展了此次防雹作業。

1 資料與方法

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

通過分析歐洲中心（EC）細網格模式產品中的風場、相對濕度場及其他物理量場，初判冰雹天氣發生的時間及區域，進一步分析GRAPES_CAMS模式產品的云宏微觀物理量和0、-10℃等特征溫度的高度，了解云系的發展程度和演變趨勢，判斷降水機制，確定播云作業的溫度和高度范圍，判別分析冰雹天氣，設計作業方案，臨近再通過結合雷達資料對作業方案進行調整，開展作業。

2 結果與分析

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，出現了1次強對流天氣過程。3日20：00出現500 hPa南支槽東移現象，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，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，有利于出現強對流天氣。

2.1.2 物理量場 EC細網格模式預報的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℃，湘南層結不穩定。23：00在邵陽南部—永州北部—衡陽一帶出現了帶狀的強垂直風切帶，垂直風切＞3×10-3s-1，有利于冰雹天氣發展。

2.1.3 典型站點層結 首先對比5月3日20：00郴州站實況層結曲線和EC細網格預報，驗證EC細網格預報是否可靠。可以看到EC細網格模式對大氣層結狀況的預報較好，預報出了大氣上干下濕的狀況，基本趨勢預報較為準確，風向基本一致，風速預報偏小，也較準確地預報出了物理量場，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細網格模式預報對比

在檢驗EC細網格模式預報可靠性的基礎上，發現EC細網格模式預報可信。EC細網格模式預報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指數為39，大氣層結不穩定能量大，0℃層在580 hPa左右，有利于冰雹的發展（圖1）。

圖1 EC細網格模式預報的桂陽2017年5月3日23：00層結曲線

2.2 云模式產品

GRAPES_CAMS模式預報的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展（圖3）。初步制定作業方案，建議永州、郴州兩地密切關注此次過程，考慮在3日23：00至4日2：00開展高炮防雹作業，作業高度考慮在-4～-10℃層，即5 200～6 200 m。

圖2 GRAPES_CAMS模式預報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，易發生冰雹（圖4b）。對作業方案進行調整，建議重點對桂陽、新田、寧遠、永興、藍山、嘉禾進行防雹作業，作業時間在0：00—1：00，作業高度建議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 作業實施情況

根據以上預報及實況資料，提前制定了作業實施方案，建議郴州、永州等地于5月4日0：00前后開展防雹作業。各作業站點根據當地雹云發展情況，開展了防雹作業。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，具體作業實施情況見表2。以桂陽為例，通過連續作業，可以明顯看到0：30左右雷達回波明顯減弱（圖6），作業后，收集災情資料，未發現大冰雹產生，有效保護了當地農作物及煙葉，作業效果良好。

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日湖南省防雹作業統計

圖5 開展防雹作業的地區（紅色陰影）

3 小結與討論

1）此次天氣形勢有利于產生強對流天氣，EC細網格模式預報在2017年5月3日23：00湘南一帶出現了較大的高低層溫差，強垂直風切，不穩定能量大，初步預判了此次強對流過程。

2）進一步結合人影云模式GRAPES_CAMS預報產品，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，促進冰雹發展。據此初步制定了作業方案，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，作業高度考慮在-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—永興一帶出現了弓形回波，新田、桂陽出現了明顯的穹隆回波，強回波下存在弱有界回波區，易發生冰雹。印證了此次通過結合EC細網格模式和GRAPES_CAMS模式有效預報了此次冰雹過程。臨近再通過結合雷達實況資料對作業方案進行調整，開展防雹作業，作業后效果較好，雷達回波明顯減弱，作業區未收集到冰雹災情資料，有效保護了當地農作物及煙葉。

通過引入人工影響云模式對冰雹過程進行預報，發現可以更精準地判斷適宜作業高度、作業位置、作業時間，但本文只進行了一個個例的研究，同時模式的預報存在不確定性，因此還需更多的個例研究來印證這種方法的效果。