昆明市一次人工防雹作业情况及其效果分析*

王 菲 杨芳园 方夏馨

(1.昆明市人工影响天气中心,云南 昆明 650500;2.昆明市气象台,云南 昆明 650500)

0 引言

冰雹灾害是昆明市春夏季主要的气象灾害之一,突发性、局地性较强,对农业生产尤其是烤烟造成严重影响。冰雹灾害的预报预警一直是一大难点,国内很多学者对冰雹灾害天气开展了多方面的大量研究。尹丽云等［1］在对超级单体雹暴的雷达回波特征研究中指出,垂直剖面图上出现15～20mm大冰雹的超级单体发射率因子质心点较高,回波核前倾,具有悬垂回波、弱回波区、回波墙、TBSS和假尖顶回波特征;朱家亮等［2］、曾勇等［3］、朱府鸿等［4］、韩迁立等［5］、岳治国等［6］、周泓等［7］、王占良等［8］、苏蕾等［9］、程思等［10］研究分析了各地的冰雹天气及雷达特征;刘春文等［11］在云南高炮与火箭防雹作业效果对比试验与分析中指出,高炮与火箭防雹作业均能实现对强对流云(雹云)的抑制,从而达到人工防雹的目的;李斌等［12］、王庆等［13］、邝美清等［14］采用不同方法分析了防雹作业效果;万红莲等［15］、王丽荣等［16］、陈静等［17］、王占良等［18］对冰雹灾害的跟踪和鉴定、风险区划和防御对策等进行了研究。

加强对冰雹灾害实时跟踪监测,增加冰雹灾害预警的提前量与准确率,及时开展人工防雹作业,可有效减少冰雹灾害造成的损失。本文利用天气雷达资料对2021年7月13日发生在昆明市寻甸县的强对流天气过程进行分析,总结了发生降雹天气的天气环流背景,得到雷达回波特征,分析开展人工防雹作业成效,并总结经验,以期为更好地利用新一代天气雷达做好冰雹临近预报、预警、防雹作业提供参考。

1 冰雹灾情概况

2021年7月13日13—17时,昆明市出现自西南向东北移动的强对流天气过程,寻甸县甸沙、柯渡、金所、功山、河口、鸡街等6个乡镇发生不同程度的冰雹、大风灾害,共造成9616hm2烤烟受损。其中,15时13分,寻甸县甸沙乡、鸡街镇发生降雹天气,持续6min,造成农作物受灾4934hm2;16时10分,寻甸县河口镇发生降雹天气,持续5min,造成农经作物受灾2740hm2。

2 资料与方法

昆明S波段新一代多普勒天气雷达位于昆明市西山区棋盘山顶,海拔高度2185m,每6min完成1次体扫。2021年7月13日13—17时,该雷达完整记录此次降雹过程的发展和演变。运用云南省市县三级一体化指挥平台分析多普勒雷达回波数据的组合反射率因子、回波顶高、垂直剖面图等产品,通过雷达基数据反演出对流云体的三维形态,便于更直观地分析;运用MICAPS 4.0分析500hPa和700hPa天气环流背景;冰雹灾情资料来自烟叶生产部门;寻甸县火箭架最大射程范围为4km。

3 环流背景

3.1 天气形势

从500hPa环流形势分析,2021年7月12日20时(图略),副高西伸明显,云南大部处于副高控制之下,西脊点位于青藏高原上空,中高纬环流径向度较大,河套以东存在明显的高空槽,该槽以东移为主,有利于将高纬度的冷空气向南输送。7月13日08时(图1a),副高断裂在云南转变为两高辐合控制,副高外围的偏西气流与沿大陆高压偏北气流输送的冷空气在云南上空交汇,为此次强对流天气的发生提供了不稳定条件。7月13日20时(图略),大陆高压与西太平洋副热带高压又一次合并,云南仍处于副高及副高外围控制之下。从7月13日08时700hPa环流形势上看(图1b),云南上空以偏西气流控制为主,无明显切变。

3.2 环境条件

对本次强对流天气产生的环境条件进行分析,从昆明单站探空图上看(图2),2021年7月13日08时500hPa以下存在一定厚度的湿层,20时(图略)湿层明显减弱,250hPa至300hPa附近均存在逆转,中高层干冷空气入侵明显,08时昆明站上空对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)为295.2J/kg,沙氏指数(showalter index,SI)为-2.26℃,下沉对流有效位能(downdraft convective available potential energy,DCAPE)为113.3J/kg,0℃层高度为5.1 km,-20℃层高度为9.0 km;伴随午后增温,20时CAPE增加至918.6 J/kg,SI为-1.2℃,DCAPE为0,0℃层高度为5.5km,-20℃层高度为8.9 km。如图2所示,探空图上干下湿特征明显,午后升温后大气对流不稳定性增强,强对流天气出现的可能性大为增加。

图2 2021年7月13日08时探空图

4 冰雹云回波演变及防雹作业情况

4.1 鸡街镇冰雹云回波演变及防雹作业情况

4.1.1 鸡街镇冰雹云回波演变情况

2021年7月13日13时42分,在寻甸县鸡街镇西面与禄劝边界处生成一鸡街回波1,回波1初生较弱,强度为30dBz。13时47分,在禄劝小马街水库附近生成鸡街回波2,初始回波较弱。13时53分,鸡街回波1与东南面回波接壤,但未完全合并,鸡街回波1迅速增强到54dBz,单个体扫跃增量为16dBz,顶高维持在9.5km以上。回波2强度迅速跃增到55dBz,单个体扫跃增量为21dBz,该回波暂未进入寻甸境内。13时59分,回波2西面生成鸡街回波3,初生回波强度38dBz,鸡街回波3移动至小马街水库附近,如图3所示。14时17分,鸡街回波1、回波2开始减弱,鸡街回波3继续向东南移动,移动至寻甸边境,同时强度增强到57dBz。14时23分,回波3顶高上升到15.2km,从反射率因子垂直剖面图上看,强回波高悬、低层弱回波明显,如图4所示。之后开始缓慢减弱,14时29—40分,回波3缓慢维持在51dBz,高度10km。14时46分,回波3强度出现短时回升。14时52分,回波3开始继续减弱,鸡街南海背面生成较弱小回波4,强度43dBz,顶高9.8km。14时58分,回波3开始缓慢减弱,回波4增强到56dBz,回波顶高9.6km,>50dBz强中心高度(以下简称强中心高度)5.3km。从反射率因子垂直剖面图上看,强回波高悬、低层弱回波明显,强中心高度已达到8km左右。15时04—22分,回波4缓慢减弱,逐渐移出作业点射程范围,持续缓慢减弱,到15时22分基本减弱消散。

(a)13时59分 (b)14时05分 (c)14时17分

4.1.2 鸡街镇回波雷达产品变化特征及防雹作业情况

如图5所示,13时47分,鸡街回波1开始迅速增强,到13时53分,回波强度达到54dBz,强中心高度6.3km。13时59分,鸡街回波1进入鸡街南海和鸡街泽和作业点射程范围,两个作业点分别向回波1各作业1次。作业后,回波强度开始减弱,强中心高度减弱明显,到14时05分强中心回波速度减弱到50dBz以下。14时09分,鸡街南海作业点作业1次,回波持续减弱,14时17分,强度减弱为42dBz。14时23分,鸡街南海作业点作业1次。14时29分后,回波基本消散,未发生冰雹灾害。

图5 7月13日13时42分至14时29分鸡街回波1最大强度、回波顶高及强中心高度演变曲线

如图6所示,13时47分,鸡街回波2强度较弱,13时53分,强度迅速跃增到55dBz,单个体扫跃增量为21dBz,强中心高度达6km,但未进入寻甸境内,超出作业点射程范围。直至13时59分以后,鸡街回波2东移至鸡街泽和作业点西北面,进入作业点射程范围,鸡街泽和作业点14时08分作业1次,作业后回波强度减弱为45dBz。14时13分,鸡街北屏作业点作业1次,作业后回波2持续减弱,直至14时39分基本消亡,未发生冰雹灾害。

图6 7月13日13时47分至14时29分鸡街回波2最大强度、回波顶高及强中心高度演变曲线

如图7所示,13时53分,鸡街回波3初生强度为38dBz。13时59分,单个体扫强度增长到51dBz,跃增量为13dbz,且一直持续增长,但没有进入寻甸境内,超出作业点射程范围。14时17分,强度已经增长到57dBz,强中心高度6.8km,同时移动到寻甸边境几个作业点射程范围内。14时17—28分,鸡街泽和、北屏连续向回波3作业3次。作业后,回波开始减弱,到14时29分,强度减弱为51dBz,但回波顶高和强中心高度没有明显下降,云顶高度15.5km,强中心高度6.9km。鸡街北屏作业点14时34分继续作业1次,作业后,回波3强度缓慢维持,高度和强中心高度下降明显,强中心高度5.7km。14时46分后,回波持续减弱,至15时10分消亡,未发生冰雹灾害。

图7 7月13日13时53分至15时10分鸡街回波3最大强度、回波顶高及强中心高度演变曲线

如图8所示,14时46分,回波4初始强度33dBz,14时58分,迅速增强到56dBz,强中心高度6.4km,且强度和顶高持续增强。15时01—05分,回波在作业点射程范围,鸡街南海申请了2次作业未获批。15时13分,鸡街镇发生降雹天气,持续6min,粒子下沉造成云体坍塌,到15时22分,回波基本减弱消散。

图8 7月13日14时46分至15时27分鸡街回波4最大强度、回波顶高及强中心高度演变曲线

经统计,13—15时,鸡街泽和、南海、北屏三个作业点共作业10次。鸡街回波1、2、3获批作业后回波强度和高度均有明显的减弱趋势,而鸡街回波4因防雹作业未获批,未开展作业,云体持续发展,直至降雹。鸡街回波4雷达演变情况与鸡街镇发生降雹天气时间15时13分较吻合。

4.2 河口镇冰雹云回波演变及防雹作业情况

4.2.1 河口镇冰雹云回波演变情况

15时39分,在功山镇生成两块回波,初始强度为左边回波36dBz、右边回波47dBz,初始回波顶高13.4km,强中心高度8.9km,回波总体向东北移动如图9所示。到15时45分,回波移入河口镇,两块回波接壤,但没有完全合并,右边回波迅速增长到60dBz,单个体扫跃增量为13dBz。由图10可见,15时51分,低层弱回波区明显,强回波中心高悬,前端出现悬垂回波,强中心高度已经发展到10km以上,远超-20℃层,说明云体内很可能已经有冰雹生成。从16时09分开始,回波强度缓慢下降,回波整体崩塌消散。到16时20分,强度下降到45dBz,回波顶高13.2km,强中心6.4km,北面生成一块小回波。16时26分,两块回波合并,回波强度再次迅速回升到54dBz,强中心高度上升到8.8km。从16时26分垂直剖面图上看,中高层悬垂和低层弱回波明显50dBz以上强中心高度发展到10km以上,超过-20℃层,冰雹云特征明显,此时回波已移出寻甸县。16时32分开始,回波缓慢持续减弱,一直维持到17时02分,回本基本减弱消亡。

(a)15时39分 (b)15时51分 (c)16时03分

图10 7月13日15时39分至16时26分河口镇雷达回波反射率因子垂直剖面图

4.2.2 河口镇回波雷达产品变化特征及防雹作业情况

河口回波从15时39—45分迅速增长到60dBz,单个体扫跃增量为13dBz,如图11所示。15时51分,强度57dBz,强中心高度7.4km。15时52分至16时07分,功山纲纪、河口化桃箐、双龙、撒米卡、北大营、水冒天5个作业点的8次作业申请均未获批。16时09分,回波开始出现阶段持续减弱,16时10分,河口镇发生降雹天气,持续5min,降雹后云体下沉逐渐消散。16时26分,再次出现明显的冰雹云特征,但此时回波已移出寻甸县。

图11 7月13日15时39分至17时07分河口回波最大强度、回波顶高及强中心高度演变曲线

经统计,15—17时,功山纲纪、河口北大营、化桃箐等6个作业点共申请作业8次均未获批,云体的发展一直未得到及时抑制,发生降雹后逐渐消散。雷达回波演变情况与河口镇发生降雹天气时间16时10分基本吻合。

5 结论与讨论

①2021年7月13日的降雹天气过程是受两高辐合系统引起的,副高外围的偏西气流与沿大陆高压偏北气流输送的冷空气在云南上空交汇,探空图上干、下湿特征明显,午后升温使大气对流不稳定性增强,触发强对流天气。

②7月13日,寻甸县对流云雷达回波以局地多单体回波为主,主要呈生消快、生命史短、回波合并、跃增明显等特点。雷达回波反射率因子最大值均达到55dBz以上,回波顶高达15km以上,强中心高度最大值达8km以上;回波强度跃增明显,单个体扫跃增量最大值达21dBz;反射率因子垂直剖面图上,呈强回波中心高悬、低层弱回波、前悬垂回波等冰雹云特征显著。

③本次过程中,气象部门针对鸡街回波1、2、3及时开展了人工防雹作业,作业后的回波有较明显的减弱趋势,说明人工防雹作业对抑制冰雹云发展起到了有效的作用。而鸡街回波4和河口回波的作业因未获批而没有开展,致使回波的发展没有得到及时干预与阻断,是造成此次冰雹灾情的主要原因。

④研究昆明地区强对流天气雷达回波指标及特征,制定本地化人工防雹作业预警指标,对科学开展人工影响天气工作具有一定的参考价值。