滇中一次人工防雹过程的雷达回波对比分析

李成鹏，金文杰

(云南省气象局 人影中心，云南 昆明 650034)

0 前言

云南处于东亚季风和南亚季风交汇区域，西北受青藏高原大地形影响，形成了复杂多样的自然地理环境和气候条件，是中国强对流天气频发区之一。强对流天气具有极强的地域和时域性特征，其中冰雹、大风和雷暴是云南最常见的强对流天气。全省每年约有60 个县次遭受不同程度的雹灾，云南各月均有雹灾出现[1，2]。做好强对流天气的预报，对于防灾减灾、保障国民经济建设具有十分重要的意义。冰雹是一种局地性强、来势猛、持续时间短的强对流天气，常造成局地农作物减产甚至绝收，对它的预报是日常工作中的难点。近10多年来由于云南天气气候极端事件频发，冰雹天气一直都是气象部门研究的重点，雹灾的防范也是人工影响天气的重要任务。国内许多气象专家通过大量的研究，发现925 hPa与500 hPa之间强烈的温差是冰雹发生的一个重要特征，强对流天气发生在对流不稳定区的北侧梯度较大地区，冰雹出现在强对流云团移动方向的正前方[3，4]，并得出了部分冰雹云的雷达特征通用指标[4-6]，回波强度、强回波核高度、30 dBz回波高度、回波顶高、垂直积分液态含水量这5个物理量是判别冰雹出现的重要指标[6-10]。本文针对同一时段发生在曲靖马龙县、楚雄双柏县和玉溪峨山县3个地方的一次相似的强对流雷达回波作重点分析，检验相关指标在滇中区域人工防雹中的适用性，并对比开展人工防雹作业和未开展作业的对流云演变情况。

1 雷达回波及防雹情况

2016年8月11日云南省11个州市出现强对流回波，如图1(封三图版Ⅰ)，其中强回波中心A、B、C分别位于曲靖马龙县、楚雄双柏县和玉溪峨山县，3个强对流回波的发展情况较为相近，均由2～3个强度在35～40 dBz的对流单体合并而成，合并后强度迅速加强至50 dBz以上。

这一过程当中，马龙县和双柏县分别对回波云A、B实施了人工防雹作业，未出现冰雹灾害。由于玉溪峨山县未申请到作业许可，C回波云发展加强，16∶20开始在峨山境内发生了降雹，造成84 hm2烤烟受灾。

1.1 马龙雷达回波及作业情况

2016年8月11日15∶15，在马龙县西部和西南部分别有对流回波生成，见图2(封三图版Ⅰ)中A1和A2，两回波发展迅速。15∶39时回波A1和A2均表现出明显的跃增趋势，强度均增加至50 dBz以上，强中心高度分别达到3.9 km和4.2 km，回波顶高均超过10 km。A1向东南方向移动，A2向西北方向移动，两回波加强有逐渐合并的趋势。

15∶37开始马龙县5个作业点对A1强对流回波云实施人了工防雹作业。15∶41开始竹园、袜度、民村3个作业点对回波云A2实施了作业，A2在合并过程中对流明显被抑制，15∶57 A1、A2合并加强成为强回波，马龙县继续对A回波云开展人工作业。此次过程马龙县共开展了13次作业(表1)，持续时间23分钟，用弹量113发，及时的作业抑制了回波的发展；在16∶09时回波的强度降至50dBz以下，强中心高度也降至2.8 km，垂直液态含水量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减小，强中心高度降低，只产生了降水，未出现冰雹现象，表明此次人工防雹作业非常有效。

表1 2016年8月11日15∶37～16∶00马龙县作业情况

1.2 双柏雷达回波及作业情况

从图3(封三图版Ⅰ)可见，2016年8月11日15∶15，单体回波B1在双柏县北部生成发展，并自东向西移动，15∶27在B1的东南面又新生成一对流单体回波B2，B1、B2同时迅速发展加强。至15∶39，回波B1、B2的强度均已超过50 dBz，30 dBz回波高度分别达到7.4 km和6.5 km，B2的回波顶高达14.1 km，表明此时对流发展非常旺盛。15∶51两回波发展达到旺盛并逐渐靠近。15∶53双柏县开始实施防雹作业，有效抑制了回波的发展，15∶57两块回波合并时，回波强度分别由原先的52 dBz和51.9 dBz下降至50.5 dBz，30 dBz回波高度和回波顶高也都有所下降。

此次过程双柏县共实施了5次人工防雹作业(表2)，持续时间9分钟，用弹量88发，及时的作业抑制了回波的发展；16∶03作业结束后B1、B2合并为回波B，但回波强度已降至50 dBz，未出现冰雹现象，随后回波很快减弱并趋于消散。

表2 2016年8月11日15∶53～16∶02双柏县作业情况

1.3 峨山县降雹雷达回波情况

从图4(封三图版Ⅰ)可见，2016年8月11日15∶15在峨山县西北部，有3个对流单体C1、C2、C3自东北向西南移动，C1和C3逐渐发展，而C2向C1靠近过程中减弱。

15∶45回波C1和C2合并(之后统称为C1)后迅速发展，至15∶51回波C1的强度跃增至57.9 dBz，强中心高度发展到4.6 km，30 dBz回波高度和回波顶高分别达到9 km和11.8 km，垂直发展已十分旺盛。同时回波C3迅速发展。

回波C1和C3于15∶57合并为回波C并进一步加强，至16∶03回波C的中心强度基本维持，其30 dBz回波高度和回波顶高则分别发展至9.4 km和15 km。此时回波发展达到最盛期，并在15∶15出现较为明显的弱回波穹窿。

16∶21回波C中心强度达60.0 dBz，强中心高度达6.4 km，30 dBz回波高度和回波顶高分别达到11.3 km和17.2 km，垂直发展十分旺盛。由于未申请到作业许可，16∶21～16∶26期间，回波云C在峨山县塔甸镇嘿腻村委会降雹，致使840 hm2亩烤烟受灾。降雹后能量释放，16∶21回波C强度明显减弱，且强中心高度降至3.1 km，之后其回波高度也逐渐下降。

2 雷达回波物理量对比分析

在对冰雹云的雷达回波分析中发现，925～500 hPa强烈的温差[4]、旁瓣回波和三体散射[5，6]、中尺度特征等[7]指标的时效性较差，判别出冰雹云时，往往冰雹云已趋于成熟甚至已经发生降雹。因此实际业务中需要统计分析多普勒特征，以此进行冰雹等强对流天气的识别和预报。

选取回波强度、强中心高度，30 dBz回波高度、回波顶高、垂直液态含水量VIL 5个物理量，对同一时段发生在马龙、双柏、峨山3个地区的相似雷达回波过程进行对比分析。如图5所示，由左至右的3个框标注了作业时段，加粗一级的点虚线框标注出了马龙县5个作业点实施作业的时段，划线点虚线框标注出了双柏县3个作业点实施作业的时段，实线框则标注出了峨山县降雹的时段。

(a)最大强度

(c)30 dBz回波高度

(e)垂直液态含水量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 回波强度演变对比

从图5a可见，马龙县开始实施作业前，对流回波A1和A2还处在发展初期，之后回波强度出现了跃增达到50 dBz，15∶37开始防雹作业后有效地抑制了强对流发展，回波A2的发展被有效阻止了。作业结束后，回波A1和A2虽然发生了合并，但其强度呈现下降趋势，并未降雹。而此时在峨山县区域，回波C1和C2合并后，C1的强度有跃增趋势，由于未开展作业，回波稳定持续增长，16∶20回波强度达到最大，超过60 dBz，产生降雹，降雹结束后回波C的强度迅速减弱消散。而双柏县的作业点实施作业时，回波B1和B2已经开始合并加强，作业有效地抑制了强回波的发展，在作业期间和作业后，回波B总体呈逐渐减弱的趋势。

2.2 强中心高度演变对比

从图5b可见，在峨山区域的回波开始发展时，其强中心均较低，15∶50左右C1与C2合并，强中心高度跃增，与回波强度的跃增相对应，之后其强中心高度保持在4 km以上，降雹前其强中心高度达6.4 km，表明冰雹云已发展成熟。16∶26回波C的强中心高度迅速下跌至3.1 km，与降雹时间相吻合。同时，马龙县的回波A1和A2其强中心高度在15∶40增长，在作业期间，回波高度均有较大波动，表明对流活动受到了作业的有效抑制，且在作业结束后回到最低点，表明已经在作业后产生降水。尽管之后在16∶15有再次的增加，但远未达到回波C的高度，也并未产生降雹，并在之后很快减弱。双柏县的回波B其强中心高度则基本保持在最低点，即使在回波合并后依然保持，表明作业抑制了其对流发展。

2.3 30 dBz回波高度

30 dBz回波高度代表了冰雹云的过冷水区中大粒子的发展情况，也被用来识别强回波区[10]，日常业务工作中发现30 dBz回波高度与回波强度和强中心高度的跃增对应关系较好。图5c为30 dBz回波高度演变图，即过程中30 dBz强度的回波所能达到的最大高度。由图可见在回波C1、C3的发展阶段，该高度随时间缓慢增长，而C2则处于一个减弱衰亡的阶段，其高度在逐渐下降，直到被C1吞并。在15∶45左右回波C1与C3合并后，其30 dBz回波高度迅速跃增，与回波强度和强中心高度的跃增相对应，在与回波C3合并为回波C后，这一高度持续增长，并一直持续到降雹后，这一增长趋势还短暂维持，表明对流云的垂直发展在降水产生后依然有较短时间的维持。但随着降水的持续，在16∶35后，该高度迅速下降并持续直至回波跌至30 dBz以下。

与之相对，回波A和回波B发展期间也表现出30 dBz高度的逐渐增加，在作业期间和作业后也短暂地维持这一增长趋势，表明其垂直的发展相对降水产生有一定滞后，但同样随着降水的持续，这一高度很快迅速下降。回波A的30 dBz高度则在之后随强度的短暂增加亦有所增加，但之后同样迅速下降。表明防雹作业使回波垂直结构的下降提前了。

2.4 回波顶高演变

图5d为回波顶高演变图，与30 dBz高度类似，在对流过程C发展时，C1、C3的顶高逐渐增加，C2则呈现逐渐下降的趋势。之后3块回波合并过程中，回波C的顶高逐渐升高，在降雹前达到最高，超过16 km。降雹后回波顶高缓慢减弱。与之相对，对流过程A和B的回波顶高演变有类似的趋势，与30 dBz顶高类似，A和B的顶高在作业过程中保持上升，随着降水的继续，回波顶高逐渐减弱。表明作业提前产生的降水有效抑制了对流的垂直发展。

2.5 垂直液态含水量VIL演变

从图5e回波垂直液态含水量VIL演变图可见，回波C1和C2合并后，VIL迅速增加，在3块回波合并为回波C后，VIL保持在一个较高值(20 kg以上)，在降雹前达到最高。降雹后，回波C的VIL随着降水的持续迅速下降至10 kg以下。与之相比，在回波A和回波B发展、合并过程中，VIL同样有着与回波强度对应的跃增和发展，但均在作业后转为下降的趋势，表明防雹作业提前产生了降水，有效抑制了冰雹云的发展和冰雹的形成。此次对比分析中，冰雹云演变过程中的VIL指标与其他研究[8，9]不尽相同，VIL密度指标变化不明显，但同样观察到了VIL值在降雹前有跃增现象，可以作为辅助指标结合运用。

3 结论

(1)在强对流的演变过程中发现，有些冰雹云常用指标[4-7]时效性较差，其他地区的冰雹预报指标[5]，冰雹云初始回波的指标[9]等并不完全适用，VIL值在降雹前有跃增现象，可结合其他指标一起运用。此次对比分析中，当回波强度出现跃增、强中心高度保持在4 km以上，同时30 dBz回波高度与回波强度和强中心高度的跃增相对应，回波顶高超过16 km，垂直液态含水量VIL值在降雹前有跃增现象，达到20 kg以上时，表明物理量达到了滇中地区冰雹发生的临界指标。在实际防雹应用中，应该结合当地实际，综合考虑各项指标的适用性。

(2)马龙和双柏县抓住了临界指标的最佳时机开展了人工防雹作业，及时抑制了回波的发展，当地只产生了降水，未出现冰雹现象，表明人工防雹作业非常有效。而峨山县未申请到作业许可，发生了冰雹，致使84 hm2烤烟受灾。

(3)从3个地区一次相似的对流回波和作业情况分析来看，业务人员具备对雷达回波的熟练分析能力，作业人员密切跟踪对流性天气，抓住时机开展作业，才能达到人工影响天气的最佳效果。