昆明市一次人工防雹作業情況及其效果分析*

王 菲 楊芳園 方夏馨

(1.昆明市人工影響天氣中心,云南 昆明 650500;2.昆明市氣象臺,云南 昆明 650500)

0 引言

冰雹災害是昆明市春夏季主要的氣象災害之一,突發性、局地性較強,對農業生產尤其是烤煙造成嚴重影響。冰雹災害的預報預警一直是一大難點,國內很多學者對冰雹災害天氣開展了多方面的大量研究。尹麗云等［1］在對超級單體雹暴的雷達回波特征研究中指出,垂直剖面圖上出現15～20mm大冰雹的超級單體發射率因子質心點較高,回波核前傾,具有懸垂回波、弱回波區、回波墻、TBSS和假尖頂回波特征;朱家亮等［2］、曾勇等［3］、朱府鴻等［4］、韓遷立等［5］、岳治國等［6］、周泓等［7］、王占良等［8］、蘇蕾等［9］、程思等［10］研究分析了各地的冰雹天氣及雷達特征;劉春文等［11］在云南高炮與火箭防雹作業效果對比試驗與分析中指出,高炮與火箭防雹作業均能實現對強對流云(雹云)的抑制,從而達到人工防雹的目的;李斌等［12］、王慶等［13］、鄺美清等［14］采用不同方法分析了防雹作業效果;萬紅蓮等［15］、王麗榮等［16］、陳靜等［17］、王占良等［18］對冰雹災害的跟蹤和鑒定、風險區劃和防御對策等進行了研究。

加強對冰雹災害實時跟蹤監測,增加冰雹災害預警的提前量與準確率,及時開展人工防雹作業,可有效減少冰雹災害造成的損失。本文利用天氣雷達資料對2021年7月13日發生在昆明市尋甸縣的強對流天氣過程進行分析,總結了發生降雹天氣的天氣環流背景,得到雷達回波特征,分析開展人工防雹作業成效,并總結經驗,以期為更好地利用新一代天氣雷達做好冰雹臨近預報、預警、防雹作業提供參考。

1 冰雹災情概況

2021年7月13日13—17時,昆明市出現自西南向東北移動的強對流天氣過程,尋甸縣甸沙、柯渡、金所、功山、河口、雞街等6個鄉鎮發生不同程度的冰雹、大風災害,共造成9616hm2烤煙受損。其中,15時13分,尋甸縣甸沙鄉、雞街鎮發生降雹天氣,持續6min,造成農作物受災4934hm2;16時10分,尋甸縣河口鎮發生降雹天氣,持續5min,造成農經作物受災2740hm2。

2 資料與方法

昆明S波段新一代多普勒天氣雷達位于昆明市西山區棋盤山頂,海拔高度2185m,每6min完成1次體掃。2021年7月13日13—17時,該雷達完整記錄此次降雹過程的發展和演變。運用云南省市縣三級一體化指揮平臺分析多普勒雷達回波數據的組合反射率因子、回波頂高、垂直剖面圖等產品,通過雷達基數據反演出對流云體的三維形態,便于更直觀地分析;運用MICAPS 4.0分析500hPa和700hPa天氣環流背景;冰雹災情資料來自煙葉生產部門;尋甸縣火箭架最大射程范圍為4km。

3 環流背景

3.1 天氣形勢

從500hPa環流形勢分析,2021年7月12日20時(圖略),副高西伸明顯,云南大部處于副高控制之下,西脊點位于青藏高原上空,中高緯環流徑向度較大,河套以東存在明顯的高空槽,該槽以東移為主,有利于將高緯度的冷空氣向南輸送。7月13日08時(圖1a),副高斷裂在云南轉變為兩高輻合控制,副高外圍的偏西氣流與沿大陸高壓偏北氣流輸送的冷空氣在云南上空交匯,為此次強對流天氣的發生提供了不穩定條件。7月13日20時(圖略),大陸高壓與西太平洋副熱帶高壓又一次合并,云南仍處于副高及副高外圍控制之下。從7月13日08時700hPa環流形勢上看(圖1b),云南上空以偏西氣流控制為主,無明顯切變。

3.2 環境條件

對本次強對流天氣產生的環境條件進行分析,從昆明單站探空圖上看(圖2),2021年7月13日08時500hPa以下存在一定厚度的濕層,20時(圖略)濕層明顯減弱,250hPa至300hPa附近均存在逆轉,中高層干冷空氣入侵明顯,08時昆明站上空對流有效位能(convective available potential energy,CAPE)為295.2J/kg,沙氏指數(showalter index,SI)為-2.26℃,下沉對流有效位能(downdraft convective available potential energy,DCAPE)為113.3J/kg,0℃層高度為5.1 km,-20℃層高度為9.0 km;伴隨午后增溫,20時CAPE增加至918.6 J/kg,SI為-1.2℃,DCAPE為0,0℃層高度為5.5km,-20℃層高度為8.9 km。如圖2所示,探空圖上干下濕特征明顯,午后升溫后大氣對流不穩定性增強,強對流天氣出現的可能性大為增加。

圖2 2021年7月13日08時探空圖

4 冰雹云回波演變及防雹作業情況

4.1 雞街鎮冰雹云回波演變及防雹作業情況

4.1.1 雞街鎮冰雹云回波演變情況

2021年7月13日13時42分,在尋甸縣雞街鎮西面與祿勸邊界處生成一雞街回波1,回波1初生較弱,強度為30dBz。13時47分,在祿勸小馬街水庫附近生成雞街回波2,初始回波較弱。13時53分,雞街回波1與東南面回波接壤,但未完全合并,雞街回波1迅速增強到54dBz,單個體掃躍增量為16dBz,頂高維持在9.5km以上。回波2強度迅速躍增到55dBz,單個體掃躍增量為21dBz,該回波暫未進入尋甸境內。13時59分,回波2西面生成雞街回波3,初生回波強度38dBz,雞街回波3移動至小馬街水庫附近,如圖3所示。14時17分,雞街回波1、回波2開始減弱,雞街回波3繼續向東南移動,移動至尋甸邊境,同時強度增強到57dBz。14時23分,回波3頂高上升到15.2km,從反射率因子垂直剖面圖上看,強回波高懸、低層弱回波明顯,如圖4所示。之后開始緩慢減弱,14時29—40分,回波3緩慢維持在51dBz,高度10km。14時46分,回波3強度出現短時回升。14時52分,回波3開始繼續減弱,雞街南海背面生成較弱小回波4,強度43dBz,頂高9.8km。14時58分,回波3開始緩慢減弱,回波4增強到56dBz,回波頂高9.6km,>50dBz強中心高度(以下簡稱強中心高度)5.3km。從反射率因子垂直剖面圖上看,強回波高懸、低層弱回波明顯,強中心高度已達到8km左右。15時04—22分,回波4緩慢減弱,逐漸移出作業點射程范圍,持續緩慢減弱,到15時22分基本減弱消散。

(a)13時59分 (b)14時05分 (c)14時17分

4.1.2 雞街鎮回波雷達產品變化特征及防雹作業情況

如圖5所示,13時47分,雞街回波1開始迅速增強,到13時53分,回波強度達到54dBz,強中心高度6.3km。13時59分,雞街回波1進入雞街南海和雞街澤和作業點射程范圍,兩個作業點分別向回波1各作業1次。作業后,回波強度開始減弱,強中心高度減弱明顯,到14時05分強中心回波速度減弱到50dBz以下。14時09分,雞街南海作業點作業1次,回波持續減弱,14時17分,強度減弱為42dBz。14時23分,雞街南海作業點作業1次。14時29分后,回波基本消散,未發生冰雹災害。

圖5 7月13日13時42分至14時29分雞街回波1最大強度、回波頂高及強中心高度演變曲線

如圖6所示,13時47分,雞街回波2強度較弱,13時53分,強度迅速躍增到55dBz,單個體掃躍增量為21dBz,強中心高度達6km,但未進入尋甸境內,超出作業點射程范圍。直至13時59分以后,雞街回波2東移至雞街澤和作業點西北面,進入作業點射程范圍,雞街澤和作業點14時08分作業1次,作業后回波強度減弱為45dBz。14時13分,雞街北屏作業點作業1次,作業后回波2持續減弱,直至14時39分基本消亡,未發生冰雹災害。

圖6 7月13日13時47分至14時29分雞街回波2最大強度、回波頂高及強中心高度演變曲線

如圖7所示,13時53分,雞街回波3初生強度為38dBz。13時59分,單個體掃強度增長到51dBz,躍增量為13dbz,且一直持續增長,但沒有進入尋甸境內,超出作業點射程范圍。14時17分,強度已經增長到57dBz,強中心高度6.8km,同時移動到尋甸邊境幾個作業點射程范圍內。14時17—28分,雞街澤和、北屏連續向回波3作業3次。作業后,回波開始減弱,到14時29分,強度減弱為51dBz,但回波頂高和強中心高度沒有明顯下降,云頂高度15.5km,強中心高度6.9km。雞街北屏作業點14時34分繼續作業1次,作業后,回波3強度緩慢維持,高度和強中心高度下降明顯,強中心高度5.7km。14時46分后,回波持續減弱,至15時10分消亡,未發生冰雹災害。

圖7 7月13日13時53分至15時10分雞街回波3最大強度、回波頂高及強中心高度演變曲線

如圖8所示,14時46分,回波4初始強度33dBz,14時58分,迅速增強到56dBz,強中心高度6.4km,且強度和頂高持續增強。15時01—05分,回波在作業點射程范圍,雞街南海申請了2次作業未獲批。15時13分,雞街鎮發生降雹天氣,持續6min,粒子下沉造成云體坍塌,到15時22分,回波基本減弱消散。

圖8 7月13日14時46分至15時27分雞街回波4最大強度、回波頂高及強中心高度演變曲線

經統計,13—15時,雞街澤和、南海、北屏三個作業點共作業10次。雞街回波1、2、3獲批作業后回波強度和高度均有明顯的減弱趨勢,而雞街回波4因防雹作業未獲批,未開展作業,云體持續發展,直至降雹。雞街回波4雷達演變情況與雞街鎮發生降雹天氣時間15時13分較吻合。

4.2 河口鎮冰雹云回波演變及防雹作業情況

4.2.1 河口鎮冰雹云回波演變情況

15時39分,在功山鎮生成兩塊回波,初始強度為左邊回波36dBz、右邊回波47dBz,初始回波頂高13.4km,強中心高度8.9km,回波總體向東北移動如圖9所示。到15時45分,回波移入河口鎮,兩塊回波接壤,但沒有完全合并,右邊回波迅速增長到60dBz,單個體掃躍增量為13dBz。由圖10可見,15時51分,低層弱回波區明顯,強回波中心高懸,前端出現懸垂回波,強中心高度已經發展到10km以上,遠超-20℃層,說明云體內很可能已經有冰雹生成。從16時09分開始,回波強度緩慢下降,回波整體崩塌消散。到16時20分,強度下降到45dBz,回波頂高13.2km,強中心6.4km,北面生成一塊小回波。16時26分,兩塊回波合并,回波強度再次迅速回升到54dBz,強中心高度上升到8.8km。從16時26分垂直剖面圖上看,中高層懸垂和低層弱回波明顯50dBz以上強中心高度發展到10km以上,超過-20℃層,冰雹云特征明顯,此時回波已移出尋甸縣。16時32分開始,回波緩慢持續減弱,一直維持到17時02分,回本基本減弱消亡。

(a)15時39分 (b)15時51分 (c)16時03分

圖10 7月13日15時39分至16時26分河口鎮雷達回波反射率因子垂直剖面圖

4.2.2 河口鎮回波雷達產品變化特征及防雹作業情況

河口回波從15時39—45分迅速增長到60dBz,單個體掃躍增量為13dBz,如圖11所示。15時51分,強度57dBz,強中心高度7.4km。15時52分至16時07分,功山綱紀、河口化桃箐、雙龍、撒米卡、北大營、水冒天5個作業點的8次作業申請均未獲批。16時09分,回波開始出現階段持續減弱,16時10分,河口鎮發生降雹天氣,持續5min,降雹后云體下沉逐漸消散。16時26分,再次出現明顯的冰雹云特征,但此時回波已移出尋甸縣。

圖11 7月13日15時39分至17時07分河口回波最大強度、回波頂高及強中心高度演變曲線

經統計,15—17時,功山綱紀、河口北大營、化桃箐等6個作業點共申請作業8次均未獲批,云體的發展一直未得到及時抑制,發生降雹后逐漸消散。雷達回波演變情況與河口鎮發生降雹天氣時間16時10分基本吻合。

5 結論與討論

①2021年7月13日的降雹天氣過程是受兩高輻合系統引起的,副高外圍的偏西氣流與沿大陸高壓偏北氣流輸送的冷空氣在云南上空交匯,探空圖上干、下濕特征明顯,午后升溫使大氣對流不穩定性增強,觸發強對流天氣。

②7月13日,尋甸縣對流云雷達回波以局地多單體回波為主,主要呈生消快、生命史短、回波合并、躍增明顯等特點。雷達回波反射率因子最大值均達到55dBz以上,回波頂高達15km以上,強中心高度最大值達8km以上;回波強度躍增明顯,單個體掃躍增量最大值達21dBz;反射率因子垂直剖面圖上,呈強回波中心高懸、低層弱回波、前懸垂回波等冰雹云特征顯著。

③本次過程中,氣象部門針對雞街回波1、2、3及時開展了人工防雹作業,作業后的回波有較明顯的減弱趨勢,說明人工防雹作業對抑制冰雹云發展起到了有效的作用。而雞街回波4和河口回波的作業因未獲批而沒有開展,致使回波的發展沒有得到及時干預與阻斷,是造成此次冰雹災情的主要原因。

④研究昆明地區強對流天氣雷達回波指標及特征,制定本地化人工防雹作業預警指標,對科學開展人工影響天氣工作具有一定的參考價值。