昆明两次强对流天气过程与人工防雹效果对比分析

王 菲，方夏馨，潘娅婷

(昆明市气象局，云南 昆明 650500)

0 引言

冰雹灾害是春夏季主要的气象灾害之一，对农业、交通、建筑设施，甚至生命财产等造成严重影响。中国在利用新一代天气雷达产品对冰雹等强对流天气监测和分析方面的研究已有不少成果，很多气象工作者分别对产生降雹天气的大气环流背景、雷达产品特征等方面进行了研究[1-11]，如尹丽云[1]等对雹暴天气的环流形势分析中指出，在台风低压前侧中高纬冷槽后部的强不稳定层结背景下，地面辐合线和强垂直风切变有利于对流风暴的维持和加强；周泓[2]等指出滇中冰雹回波的基本反射率因子具有典型的冰雹回波特征，包括弓形回波、三体散射、旁瓣回波、有界(无界)弱回波区、“V”型槽口以及钩状回波；李静[4]等对一次冰雹天气成因分析中指出，低层暖平流、中层冷平流使大气不稳定性增大，而适宜的0 ℃和-20 ℃层高度有利于冰雹产生。

昆明市地处低纬高原，地貌复杂多样，地形高差较大，极易产生局地对流天气，据统计，昆明市年均降雹日约为20日，昆明市多发突发性、局地性的冰雹天气，给农业生产尤其是烤烟种植造成严重的经济损失。2018年7月22日及7月23日，在昆明市寻甸县连续2天出现强对流天气过程，气象部门均及时进行好了空域作业申请，两次过程在云体发展的不同阶段进行作业，作业后的效果也截然不同。本文利用昆明新一代多普勒雷达资料和MICAPS天气形势资料，对2次强对流天气进行分析，同时对开展人工防雹作业情况和效果进行对比，得出易产生冰雹灾害的天气环流背景和雷达回波特征，研究在不同阶段实施作业后存在的作业效果上的区别，总结相关经验，为今后更好的利用新一代天气雷达做好冰雹临近预警、科学开展人工防雹作业提供参考。

1 天气实况和灾情概述

2018年7月22日昆明市寻甸县鸡街镇泽和、北屏、南海等地出现强对流天气，气象部门及时申请作业，在其发展阶段得到批复，通过连续开展了多次人工防雹作业，云体的发展得到有效的抑制，境内没有发生冰雹灾情。

7月23日昆明市寻甸县甸沙乡麦地心、撒米卡、红果树等地出现强对流天气过程，气象部门及时申请了作业，但由于在发展阶段空域申请一直未得到批复，直至云体发展成熟才获批作业，冰雹云的发展没有得到有效抑制。17∶30分降冰雹，持续时间5分钟，灾害过程造成防区内烤烟受灾114.667 hm2，其他农作物受灾82 hm2，合计受灾196.667 hm2。

2 资料与方法

本文运用MICAPS 4.5分析了7月22日和7月23日的天气环流背景，包括500 hPa、700 hPa、地面形势和环境参数。运用CINRAD-CC多普勒天气雷达用户终端对雷达产品进行分析，包括组合反射率因子(CR)、回波顶高(ET)、垂直剖面图等产品。冰雹灾情数据来源于烟叶生产部门。利用云南省人工影响天气作业申报系统和云南省人工影响天气作业信息管理系统查询得到气象部门开展人工防雹作业的信息。

3 天气形势分析

3.1 环流背景分析

2018年7月22日08时，500 hPa中高纬为多波动型，副热带高压位于华北一带，强度较强，在渤海湾附近形成高压坝，10号台风“安比”位于东海海域，并向西北移动影响华东区域，23日20时在山东境内减弱。同时在南海北部湾区域有热带低压存在，受其影响云南省大部受低压外围西北象限的偏东或东北气流影响，在23日20时在滇中昆明区域附近有低压倒槽生成(图1a)，有利于强对流天气的触发。22日20时、23日20时700 hPa上在滇中昆明区域附近均出现低压外围风向辐合切变(图1b)，是本次强对流天气发生的重要动力条件。24日热带低压登陆广西后，滇中区域的辐合切变也逐渐西移至哀牢山附近减弱消失，全省转为一致的偏东气流。

图1 2018年7月23日500 hPa(a)、700 hPa(b)及地面(c)天气形势图

从图1c可以看出，在2018年7月22日、23日14时以后，即午后至夜间在昆明区域附近均出现地面辐合线，辐合线生成的时间和地点与强对流天气发生的时间地点相吻合，对强对流天气发生具有较好的指示意义。

3.2 环境探空参数分析

由图2a可见，7月22日20时和23日20时CAPE值分别为110.9 J和507.8 J，有一定的不稳定能量条件，两天对应的最大抬升指数BLI和LI分别为-3.4和-2.2、-2.57和2.21，沙氏指数SI分别为-3.42 ℃、-0.6 ℃，BLI、LI和SI3个参数均为负值，说明本次过程在22日、23日大气层均处于不稳定状态，不稳定层均达到500 hPa附近，有利于强对流天气的发生。其中22日20时在500 hPa附近有弱的干空气卷入，但垂直风切变较弱，产生冰雹的条件稍有不利。23日20时CAPE值较大，不稳定能量蓄积更强。垂直风场来看，在700 hPa至500 hPa之间有暖平流输送，在500 hPa至400 hPa间则有冷平流入侵，垂直风切变也较明显，较22日更有利于冰雹天气的产生。

图2 2018年7月22日20时(a)、23日20时(b)T-lnP探空图

4 雷达回波演变情况

4.1 7月22日雷达回波演变情况

如封二图版Ⅰ图3和图4所示，2018年7月22日15∶56在寻甸县鸡街东北面生成回波A1，回波强度47 dBZ，顶高8.7 km；到16∶02，在倘甸镇附近生成回波A2，在老街附近生成回波A3，回波A1强中心增强到51 dBZ，回波顶高10 km，回波总体向西南移动。到16∶19回波A1强中心范围扩大，强度增强到54 dBZ，回波顶高上升到11 km；回波A2和A3也增强到50 dBZ左右。从16∶25开始到16∶31 3块回波迅速合并成为1块回波，标记为回波A，回波向上剧烈发展，强度持续增强。到16∶48，3块强中心回波完全合并，云体整体向上伸展到14 km，高度远超-20°层，回波强中心范围增大，强度53 dBZ，强中心(50 dBZ以上)高度超过6 km左右，强回波中心高悬。16∶54开始，回波A开始呈减弱趋势，回波强度有阶段性回升后，但回波中心已经下移至低层，说明地面可能已经开始降雨，由于降水颗粒的下沉拖拽作用下维持云体持续发展的气流结构逐渐坍塌。一直持续到17∶19以后强回波分裂为几个分散回波，强度明显减弱。直至17∶37，部分残余强回波移除寻甸县境外，境内回波基本减弱消散。

4.2 7月23日雷达回波演变情况

7月23日，在16∶42，寻甸县甸沙乡北面生成回波B1，东南面生成回波B2，此时2块回波强度较弱，回波增强的同时向西南移动。在16∶48，在甸沙东面生成回波B3。在17∶00，回波B1和B2强中心增长到52 dBZ左右，回波顶高10 km。同时B1和B2两块回波与周围的回波迅速合并，发展成2块较大的回波。在17∶11，回波B3与B2呈合并趋势，但未完全合并，3块回波继续增强。在17∶17，回波B3的回波与B2分离后迅速与回波B1合并。标记为回波B。在17∶23，2个回波中心完全合并，回波B迅速增强，回波顶高整体向上发展旺盛，高度达14 km以上，远远超出了-20℃高度，同时强回波中心范围不断扩大，强度达58 dBZ，强中心(50 dBZ以上)高度上升到7 km左右。从垂直剖面图上看，强中心高悬、低层弱回波明显，说明此时有强烈的上升运动，回波前端呈现悬垂回波，此时的冰雹云特性非常突出，此时在云体中可能已经有冰雹生成。在17∶29，强回波中心开始下移，说明地面可能开始降雹，根据烟叶生产部门提供的资料，该地17∶30出现冰雹天气，持续时间5分钟。直至18∶28以后回波基本坍塌，回波趋于消散，见封三图版Ⅱ图5和图6。

5 人工防雹作业情况

5.1 2018年7月22日作业情况

7月22日在回波初生发展阶段，回波强度大于40 dBZ、回波顶高大于8 km、强中心高度大于4 km，气象部门及时申请作业。16∶02～16∶18，寻甸县鸡街南海、极乐和北屏3个作业点申请作业4次，空管立即批复作业3次，这3次作业对于回波后期发展减缓起到了关键性作用。16∶48～17∶36，回波发展过程中，鸡街泽和、北屏、南海和极乐4个作业点轮番作业12次，及时抑制了强对流云体的发展，在17∶37回波得以减弱消散。本次过程寻甸鸡街4个作业点共申请作业21次，批复实施作业15次(表1)。

表1 7月22日寻甸鸡街回波演变及作业情况统计表

5.2 2018年7月23日作业情况

7月23日在回波初生及发展阶段，回波强度大于40 dBZ、回波顶高大于10 km、强中心高度大于4 km，16∶42～17∶22，甸沙海尾、麦地心和撒米卡3个作业点连续申请作业，未得到批复，回波的持续快速发展。在17∶23，回波图上已经呈现出典型的冰雹云特征，甸沙红果树、海尾、麦地心和撒米卡4个作业点继续保持申请作业(若前一时段申请作业，空管未批复，作业点继续保持申请状态，直至批复作业或者回波减弱取消作业，不作重复申请)，仍未得到批复。在17∶29均出现了强度、回波顶高、强中心高度的峰值，尤其强中心高度峰值增长十分快速，这与23日降雹时间17∶30吻合，直至17∶32以后，空管才批复作业。此次过程寻甸甸沙4个作业点共申请作业17次，批复实施作业11次(表2)。过程结束后，通过灾情收集，17∶30寻甸甸沙乡出现冰雹天气过程。

表2 7月23日寻甸甸沙回波演变及作业情况统计表

从两次过程分析可以看出，在22日气象部门在云体初生阶段在实施3次作业后，雷达回波强度、顶高、强中心高度均得到了一定程度的抑制，减缓了云体的发展趋势，在发展阶段连续作业12次以后，回波减弱趋势明显，直至产生降雨后云体崩塌。在23日初生阶段，气象部门也及时进行了作业申请，由于一直未得到空管部门的批复，回波发展十分迅速，直至云体发展成熟才申请到作业时间，此时回波强度超过55 dBZ，回波顶高超过13 km，强中心高度接近7 km，冰雹可能已经在云体内生成，已经错过最佳作业时机。

6 雷达产品对比分析

以下选取7月22日和23日雷达回波的反射率因子最大强度、回波顶高和强中心高度3项物理量，依照2块回波发展生命史时段进行对比分析。

6.1 反射率因子最大强度

如图7，为依照7月22日和7月23日2块回波最大强度发展生命史做出的曲线，如图可见7月22日15∶56～16∶19位回波初生阶段，跃增趋势较明显，期间开展了3次作业，16∶19以后回波强度得到有效抑制，开始逐渐出现减弱趋势。16∶31～16∶53，期间作业2次，回波强度出现一个明显的减弱。16∶55～17∶39期间4个作业点轮番作业10次后，回波逐渐减弱，于17∶37以后消散。7月23日回波初生阶段发展趋势较22日缓慢，由于一直未申请到作业，发展到17∶23出现一个峰值，一直到17∶29才申请到作业时间，17∶39～18∶04作业11次，回波缓慢减弱，于18∶28后逐渐减弱。

图7 7月22日和23日回波反射率因子最大强度发展曲线

6.2 回波顶高

图8为依照7月22日和7月23日2块回波顶高的发展生命史做出的曲线。如图8可见，22日15∶56～16∶19位回波初生阶段，回波顶高一直处于上升，开展了3次作业以后出现缓慢减弱维持。到16∶25回波突然跃增达到峰值14.6 km，16∶51～17∶39作业12次以后，回波逐渐减弱消散。23日回波顶高发展较22日缓慢，但初生阶段一直未申请到作业时间，使回波顶高一直向上发展，17∶29达到最大峰值13.5 km，17∶29～18∶04作业11次以后回波逐渐减弱消散。

图8 7月22日和23日回波顶高发展曲线

6.3 强中心高度

图9为依照7月22日和7月23日两块回波的强中心高度发展生命史所作的曲线。从图9可知，22日初生阶段尤其是16∶08以后跃增明显，16∶06～16∶19开展作业后强中心高度明显下降，17∶00再次出现明显跃增，峰值6.0 km，之后连续开展作业12次，强中心高度总逐渐减弱。23日初生阶段强中心高度低于22日，一直未作业导致回波强中心高度发展迅速，到17∶23迅速增长到6.7 km，17∶30降雹以后，开始减弱，17∶41～17∶47又出现了一次跃增，峰值重回6.7 km，17∶29～18∶04作业11次以后回波得以减弱逐渐消散。

图9 7月22日和23日回波强中心高度发展曲线

从雷达回波发展曲线对照作业时间，发现7月22日每个阶段作业后，回波曲线上有明显的减弱趋势，尤其是回波最大强度和强中心高度表现比较显著。7月23日由于前期一直未作业，回波曲线变化缓慢，呈现出一直缓慢增长的趋势，到17∶29～18∶04连续作业后，回波才出现减弱趋势。

7 结论与讨论

通过对7月22日和7月23日2次强对流天气过程的雷达回波发展情况、雷达产品以及人工防雹作业情况进行了对比分析，得出以下结论：

(1)500 hPa的热带低压倒槽、700 hPa的切变辐合是两次强对流过程的主要影响系统，地面辐合线生成的时间和地点与强对流天气发生的时间地点相吻合，对强对流天气发生具有较好的指示意义。22日和23日的CAPE值、最大抬升指数BLI和LI、沙氏指数SI等环境参数表明，大气层均处于不稳定状态，有利于强对流天气的产生，而23日的不稳定能量蓄积更强，结合垂直风场条件，比22日更有利于冰雹的产生。

(2)7月22日雷达回波指标与23日差异不大，反射率因子最大强度均达到50 dBZ以上，回波顶高均超过14 km，大于50 dBZ的强中心达到6～7 km。雷达回波图上没有明显的如“三体散射”和“钩状回波”等比较典型的降雹回波特征。但7月23日反射率因子垂直剖面图上，强回波中心高悬、低层弱回波区、前悬垂回波明显，这是昆明比较典型的冰雹云特征。另外，两次过程的雷达回波在移动的同时，都出现不断有弱回波合并迅速增强现象。在开展防雹作业时，业务人员要注意观察这些云体发展过程中的回波特征，加强对冰雹云的研判。

(3)两次过程中气象部门均在第一时间进行了防雹作业的申请，7月22日作业获空管部门批复较及时，在回波初生和发展阶段抓住了有利的作业时机，作业后雷达回波减弱明显，没有产生降雹；而7月23日在前期一直未得到空管部门的批复，直至云体发展成熟才批复作业，错失最佳作业时机，产生降雹。可见，在不同阶段作业的效果存在很大差异，作业时机的把握是开展人工防雹作业的关键。在开展人工防雹作业期间，气象部门要充分利用好雷达回波产品，严密监测天气变化，加强对云体初生到发展阶段的关注，回波强度达40 dBZ、回波顶高8 km左右、强中心高度4 km可判定达到作业条件，要提前预判，及时申请和实施防雹作业，才能达到较好的防雹效果。

气象部门要加强与空管部门的沟通协作，每年汛前应提前与空管部门进行对接，对当年汛期气候形势、人工防雹作业申请批复等相关事宜进行交流，在对空域安全不会造成影响的前提下，尽可能提高人工防雹作业空域批复及时率。在开展人工防雹作业期间，确保空管申请、指挥、作业各个环节紧密配合，科学有效的开展好人工防雹作业，最大限度减少冰雹灾害的发生。