多源模式资料在湖南省一次防雹作业中的应用

丁 莉，丁元武，李 蔚，唐 林，李 琼，汪 玲

（1.湖南省人工影响天气领导小组办公室，长沙 410118；2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；3.河南省南阳市气象局，河南 南阳 473000；4.湖南省气象台，长沙 410118）

湖南省每年3—8月多发生冰雹灾害，造成作物倒伏、房屋倒塌、人畜伤亡等，对农业、交通、生命财产安全等造成严重危害。随着科技发展，人工防雹已变成一项切实可行的人工影响天气技术，即在冰雹云中加入催化剂，增加人工雹胚，以抑制或削弱云中冰雹的生长，减轻或消除冰雹的危害。冰雹过程变化快，破坏性大，冰雹的预报一直以来都是预报的难点，而人工影响天气作业对冰雹预报的时效性和准确度要求更高，而何时何地开展防雹作业，提前制定作业计划，安排部署高炮、火箭及作业人员，实现精准作业，有效降低经济损失，是人工影响天气作业亟需解决的问题。

一些学者对典型冰雹过程进行分析，以期为过程预报预警提供参考，如徐璐璐等［1］指出中低层切变线、强垂直风切边和辐合抬升有利于风雹天气的发生；周长青等［2］从环境背景条件和雷达资料对强冰雹的多普勒雷达回波特征进行识别和分析，从而提高了对湖南省冰雹等强对流天气发生发展成因的认识；林文等［3］对闽西北地区冰雹天气大气垂直结构特征进行分析；黄荣等［4］发现显著的三体散射回波、60 dBZ回波持续扩展到-20℃层高度以上、风暴顶强辐散等判据可作为判别强冰雹的雷达特征指标。一些学者［5-9］通过总结分析多次冰雹个例，初步确定了一些适用于本地风雹预报的指标阈值和环境参数。也有学者对冰雹云的预报、识别及对如何开展防雹作业进行了研究［10-12］，为防雹作业找好作业时机、部位和确定催化剂量提供科学依据。段艺萍等［13］、方德贤等［14］基于新一代天气雷达组网数据应用风暴跟踪（SCIT）算法实现风暴跟踪，确定防雹作业区域。

以往学者的研究多采用传统天气资料、雷达资料等对冰雹过程进行判别分析，也有学者［15-18］试图通过模式模拟冰雹过程，而人工影响天气云模式对冰雹过程的预报效果如何，能否在防雹作业中发挥作用尚未有学者开展此项研究。本研究尝试性地在传统冰雹预报方式的基础上引入人工影响天气GRAPES_CAMS模式，对2017年5月3—4日1次冰雹过程进行预报，提前制定作业方案，临近参考雷达资料对作业方案进行调整，组织开展了此次防雹作业。

1 资料与方法

所用的GRAPES_CAMS模式是以中尺度天气数值模式GRAPES为框架，耦合中国气象科学研究院研制的云降水显式方案CAMS。

通过分析欧洲中心（EC）细网格模式产品中的风场、相对湿度场及其他物理量场，初判冰雹天气发生的时间及区域，进一步分析GRAPES_CAMS模式产品的云宏微观物理量和0、-10℃等特征温度的高度，了解云系的发展程度和演变趋势，判断降水机制，确定播云作业的温度和高度范围，判别分析冰雹天气，设计作业方案，临近再通过结合雷达资料对作业方案进行调整，开展作业。

2 结果与分析

2.1 天气形势和物理量场

2.1.1 天气形势 2017年5月3—4日湖南省受中低层低涡切边、地面倒槽及冷空气的影响，出现了1次强对流天气过程。3日20：00出现500 hPa南支槽东移现象，湖南省处于槽前西南气流中，有利于辐合抬升，700、850 hPa低涡切变维持在湘中地区，冷锋前沿位于湘中，不断有冷空气配合南下，低层配合水汽输送，水汽条件较好，有利于出现强对流天气。

2.1.2 物理量场 EC细网格模式预报的5月3日23：00的850 hPa与500 hPa的温度差在湘南一带较大，大于24℃，部分地区大于25℃，700 hPa与500 hPa的温度差也是在湘南一带较大，大于16℃，最大达18℃，湘南层结不稳定。23：00在邵阳南部—永州北部—衡阳一带出现了带状的强垂直风切带，垂直风切＞3×10-3s-1，有利于冰雹天气发展。

2.1.3 典型站点层结 首先对比5月3日20：00郴州站实况层结曲线和EC细网格预报，验证EC细网格预报是否可靠。可以看到EC细网格模式对大气层结状况的预报较好，预报出了大气上干下湿的状况，基本趋势预报较为准确，风向基本一致，风速预报偏小，也较准确地预报出了物理量场，详见表1。

表1 2017年5月3日20：00郴州站物理量场实况与EC细网格模式预报对比

在检验EC细网格模式预报可靠性的基础上，发现EC细网格模式预报可信。EC细网格模式预报5月3日23：00桂阳（112°30′E，26°N）的对流有效位能为2 036 J，K指数为39，大气层结不稳定能量大，0℃层在580 hPa左右，有利于冰雹的发展（图1）。

图1 EC细网格模式预报的桂阳2017年5月3日23：00层结曲线

2.2 云模式产品

GRAPES_CAMS模式预报的5月4日2：00湘南一带云水条件达到最佳，云带在0.5 mm以上，垂直累积过冷水含量达0.1 mm，云顶高度达7 km以上，云顶温度达-20℃以上，对流云高度较高，发展旺盛（图2）。进一步对湘南一带做垂直剖面，可以看到0℃在600 hPa左右、-20℃在400 hPa左右，0℃层以下云中水凝物以云水、雨水为主，0～-20℃水凝物以冰晶、雪、霰为主，冰晶数浓度最大达50个∕L，雪霰混合比最大达0.5 g∕kg，有利于冰雹的形成发展（图3）。初步制定作业方案，建议永州、郴州两地密切关注此次过程，考虑在3日23：00至4日2：00开展高炮防雹作业，作业高度考虑在-4～-10℃层，即5 200～6 200 m。

图2 GRAPES_CAMS模式预报2017年5月4日2：00的云带（a）、垂直累积过冷水含量（b）、云顶高度（c）、云顶温度（d）

图3 GRAPES_CAMS模式预报2017年5月4日2：00云宏微观物理量沿湘南一带的垂直剖面

2.3 雷达实况

5月4日0：23郴州雷达显示宁远—新田—永兴一带出现了弓形回波，最强回波处回波强度大于60 dBZ，最大垂直累积液态水含量大于40 kg∕m（2图4a）。进一步对最强回波新田—桂阳做空间剖面分析，0℃层位于4～5 km处，回波发展旺盛，大于30 dBZ的强回波中心高度大于5 km，回波顶高达12～14 km，可以看到明显的穹隆回波，强回波下存在弱有界回波区，易发生冰雹（图4b）。对作业方案进行调整，建议重点对桂阳、新田、宁远、永兴、蓝山、嘉禾进行防雹作业，作业时间在0：00—1：00，作业高度建议5.8 km左右。

图4 2017年5月4日00：23郴州雷达组合反射率（a）和新田—桂阳处雷达组合反射率垂直剖面（b）（单位：d BZ）

2.4 作业实施情况

根据以上预报及实况资料，提前制定了作业实施方案，建议郴州、永州等地于5月4日0：00前后开展防雹作业。各作业站点根据当地雹云发展情况，开展了防雹作业。2017年5月4日0：00—1：00，郴州桂阳、安仁、永兴、嘉禾、宜章，永州蓝山、新田（图5）开展了防雹作业，具体作业实施情况见表2。以桂阳为例，通过连续作业，可以明显看到0：30左右雷达回波明显减弱（图6），作业后，收集灾情资料，未发现大冰雹产生，有效保护了当地农作物及烟叶，作业效果良好。

图6 2017年5月4日0：00—1：00桂阳雷达垂直剖面

表2 2017年5月4日湖南省防雹作业统计

图5 开展防雹作业的地区（红色阴影）

3 小结与讨论

1）此次天气形势有利于产生强对流天气，EC细网格模式预报在2017年5月3日23：00湘南一带出现了较大的高低层温差，强垂直风切，不稳定能量大，初步预判了此次强对流过程。

2）进一步结合人影云模式GRAPES_CAMS预报产品，5月4日2：00永州、郴州垂直累积过冷水充沛，0～-20℃层冰晶、雪、霰含量大，有利于冰晶、霰与过冷水撞冻形成雹胚，促进冰雹发展。据此初步制定了作业方案，考虑在3日23：00至4日2：00在永州、郴州开展高炮防雹作业，作业高度考虑在-4～-10℃层，即5 200～6 200 m。

3）临近的雷达实况显示，5月4日0：23宁远—新田—永兴一带出现了弓形回波，新田、桂阳出现了明显的穹隆回波，强回波下存在弱有界回波区，易发生冰雹。印证了此次通过结合EC细网格模式和GRAPES_CAMS模式有效预报了此次冰雹过程。临近再通过结合雷达实况资料对作业方案进行调整，开展防雹作业，作业后效果较好，雷达回波明显减弱，作业区未收集到冰雹灾情资料，有效保护了当地农作物及烟叶。

通过引入人工影响云模式对冰雹过程进行预报，发现可以更精准地判断适宜作业高度、作业位置、作业时间，但本文只进行了一个个例的研究，同时模式的预报存在不确定性，因此还需更多的个例研究来印证这种方法的效果。