2023年寻甸烟区重大冰雹灾害潜势预报方法和作业指标研究

耿 琼,莫绍青,崔国生

(1.寻甸县气象局,云南 寻甸 655200;2.昆明市呈贡区气象局,云南 昆明 650506;3.昆明蓝天气象信息公司,云南 昆明 650034)

0 前言

冰雹灾害是全球范围内的重要气象灾害之一。20世纪七八十年代以来,中国在识别冰雹云方面总结出多种综合识别方法[1-4]。随着大气探测技术手段的不断改进、数值预报技术的大幅提高以及天气雷达在业务中的广泛应用,冰雹的预报预测水平有了很大的提高。但是,由于冰雹天气的局地性、突发性强、生命周期短、且受地形影响较大,这大大增加了冰雹云生成发展过程中强度的多变性和移动路线的随机性,使临近研判和实施作业更加困难。

在对冰雹天气形成的机理研究方面,诸多的研究表明有利环流背景下的深层垂直风切变、层结不稳定(高CAPE值)、低层充沛的水汽条件等是冰雹天气形成和发展的关键[5-10]。近年来针对云南冰雹判别的研究[11-16],多数研究成果用45 dBz回波顶高(H45dBz)与0℃层高度(H0)之间的关系(H=H45dBz-H0)作为防雹作业指标判别依据。如段鹤等:6-8月H≥2.0 km且H45dBz-H-20≥-1.2 km、VIL≥3 (kg·m-2)、DVIL≥3.0(kg·m-2)时,预报有冰雹发生;郑媛媛等将45 dBz顶高H45dBz≥7.5 km、H45dBz-H0℃≥2.8 km作为冰雹预警指标。但这些指标在寻甸烤烟种植区的防雹工作业中使用不甚便捷。在实际作业过程中,稍纵即逝的作业时机使得指挥人员没有足够的时间分析太多的判别指标。简单实用的作业指标是提高作业效率的最佳捷径。

1 研究区域概况

寻甸回族彝族自治县位于云南省东北部,昆明市北部,地处102°41′E～103°33′E,25°20′N～26°01′N,辖16个乡镇(街道)、175个村委(社区)、1 577个自然村,自然资源十分丰富。受低纬高原季风气候影响,冬春两季干旱少雨;夏秋两季潮湿多雨,干、雨季分明。境内地形高差大,低谷区与高山区气候差别显著,立体气候明显。除适宜种植玉米、稻谷等粮食作物外,还盛产烤烟、肉牛、土豆、红鳟鱼等经济作物和特色农产品,是典型的农业县。烤烟种植作为寻甸县脱贫致富的主要产业,年均种植面积约1 000 hm2,年均创造烟叶产值6～8亿元,占寻甸县生产总值的4%左右,可为烟农户年均增收5～6万元。冰雹是影响寻甸县烤烟生产最重要的灾害性天气之一,导致烤烟年均受灾面积约100 hm2,约占烤烟种植面积的10%,严重制约着农民增收和社会经济增长。

2 资料应用

利用资料有昆明气象站和威宁气象站每天2次的地面探空实况和高空天气图、每3 h一次的地面观测资料和地面天气图、寻甸县各自动气象站实时资料、昆明C波段雷达回波资料以及中国气象局地球系统数值预报中心(CMA_GFS)、中国气象局中尺度天气数值预报系统(CMA_MESO)、中国气象局广东快速更新同化数值预报系统(CMA_GD)、中国气象局上海数值预报模式系统(CMA_SH)、欧洲中期天气预报中心细网格模式(ECthin)以及日本、德国和美国的相关数值预报产品。为了获得更具代表性的探空资料,选择近似在一条直线上距离寻甸约80 km的昆明探空站和距离寻甸约178 km的威宁探空站,在实际预报过程中对两个站的数据进行权重系数法的插值处理,以代表寻甸烤烟种植区上空的探空数据。插值公式如下:

C*=(C1L2+C2L1)/(L1+L2)

式中:C*为插值后代表寻甸县上空的物理量;C1为昆明站上空的物理量;C2为威宁站上空的物理量;L1为昆明与寻甸(仁德街道)之间的距离;L2为威宁与寻甸之间的距离。

3 天气实况和灾情统计

2023年8月10日至11日,由于强对流天气造成寻甸烤烟种植区大部分乡镇出现大到暴雨、局部大暴雨并伴有雷暴、大风、冰雹、短时强降水天气,造成多地发生大风冰雹灾害,其中较严重的是功山镇、塘子镇和羊街镇(表1)。最严重的功山纲纪村附近,于10日午夜前后形成大风冰雹灾害,雹粒大小约10 mm。20 min降雹以及冰雹云带来的18.5 m/s大风造成大量烟田严重受损。冰雹云同时形成短时强降水,3 h单站最大降水量达103.8 mm。另外,10日至11日,凤合镇、倘甸镇和鸡街镇也先后受不同程度的冰雹、大风灾害。

表1 2023年8月10-11日天气实况及灾情统计

4 冰雹潜势预报及服务情况

4.1 潜势预报基本思路

冰雹天气是在多种因素共同作用下发生发展形成的,所以,必须在全面分析各种天气资料的情况下才能做出较为准确的潜势预报。

首先,形成冰雹的抬升条件分析。足够强的抬升是指在几小时内将气块抬升到自由对流高度上的上升运动。天气尺度系统往往不是触发强对流天气的因素,而低层中尺度天气系统,如锋面、倒槽辐合线、重力波、地形抬升以及中尺度对流系统产生的阵风等都足以直接触发强对流天气的发生[17-18]。因此,分析环流背景,尤其是分析天气尺度系统下的中小尺度系统,是预报冰雹潜势和发生机率的前提。

其次是水汽条件的分析。水汽条件不仅是形成冰雹必须的物质条件,也是为对流云团持续发展的能量来源。形成冰雹的水汽有两个来源:一是本地上空已经存在的水汽,主要来自下垫面的蒸腾作用,有一定的局限性;二是大气环流输送到本地的水汽,较好的水汽输送通道输送水汽往往具有量大和持续性强的特点,为强对流天气提供源源不断的水汽,在潜势预报过程中应着重考虑。在环流形势分析的同时分析水汽输送条件,用数值预报产品中700 hPa、600 hPa、500 hPa的比湿以及整层水汽含量等预报诊断量,参考探空资料中的湿层厚度衡量未来时段的水汽条件。

第三是分析能量条件。主要是应用T_logP图和数值预报产品的预报诊断量分析。在6—7月份的应用中发现,单纯用昆明站探空资料中的对流有效位能作为预报指标,有时会有明显的偏差。在运用距离权重法和威宁的探空资料进行插值后具有更好的代表性。

4.2 天气形势分析

10日08时500 hPa图上(图1a),昆明到普洱受风切变影响。受台风顶托作用,本地为副高外围偏东气流带,成都—威宁一带为弱12 h负变温区,烟区上空为冷平流,有利于对流的发展。700 hPa上宜宾—昆明—普洱有一切变线,本地处于此切变辐合区中(图1b),中低空水汽输送条件较好,08时昆明站湿层厚度为1 999 m,20时湿层厚度跃增为8 485 m(表2)(其中约4 700 m的饱和层)。

图1 2023年8月10—11日位势高度(黑色实线,单位:dagpm)和温度(红色虚线,单位:℃)以及风场(风羽,单位:m/s)和切变线(棕色实线)Fig.1 Geopotential height(black solid line,unit:dagpm),temperature(red dotted line,unit:℃),wind field(windbar,unit:m/s)and shear line(brown solid line)from 10 to 11 on August,2023

表2 8月10日至11日寻甸上空部分探空物理量(插值结果)

11日08时500 hPa图上(图1c),受台风顶托作用,本地处于两高之间的辐合区、滇东—贵州—广西上空为12 h负变温区,广西上空为一-4℃的负变温中心,一致的偏东气流形成冷平流,有利于对流的发展。700 hPa西昌—昆明—蒙自一线存在明显的风切变线(图1d),广东有一低压环流,其北部偏东气流形成水汽输送通道,中低空水汽充沛,本地处于切变辐合区中,有利于对流发展加强。

10日08时T_logP图上(图2a),400 hPa以下风向顺转有暖平流,400 hPa以上风向逆转有冷平流,下暖上冷有利于对流发展。沙氏指数(SI)为-0.42 ℃,湿有效位能(CAPE)1 257(J·kg-1),对流抑制湿有效位能(CIN)为3.5(J·kg-1),有利于对流生成和发展。高、低空切变为冰雹、大风产生提供动力条件。

图2 2023年10-11日昆明站探空图

11日08时T_logP图上(图2c),500 hPa以下风向顺转有暖平流,400 hPa以上风向逆转有冷平流,下暖上冷有利于对流发展。沙氏指数(SI)1.79 ℃,湿有效位能(CAPE)32.5(J·kg-1),对流抑制湿有效位能(CIN)为162.4(J·kg-1),沙氏指数、湿有效位能不利于对流生成和发展。但在20时昆明站T_logP图上(图2d),沙氏指数(SI)-1.67 ℃,湿对流有效位能跃增为3 158.2(J·kg-1),非常有利于强对流发展。

4.3 预报与服务

4.3.1 数值预报产品的应用

在对CMA_GFS、CMA_MESO、ECthin等相关数值预报产品进行检验证明。ECthin对与强对流天气相关的抬升机制、水汽参数和能量参数都有比较接近实况的预报,参考价值较大。

在抬升机制方面,通过MICAPS分析ECthin产品,700 hPa有中小尺度风气旋性风切变线,结合3小时一次的降水强中心预报也显示中小尺度系统的存在。

在能量方面,CAPE值、各层温度和(T2m-T500)能够很好地表证大气层结状况(表3)。ECthin对寻甸烤烟种植区10日和11日的CAPE预报都比较高。10日14时,域内CAPE最高值达到1 218(J·kg-1),11日14时的域内最高值达到1 340(J·kg-1)。高空各层温度趋势都显示出正常日变化的过程,但是地面2 m和500 hPa的温度差(T2m-T500)在14时—17时达到峰值。预报往往比实况偏低3～4℃,订正后的T2m约30 ℃,可以很好的代表地面气温与500 hPa温度差。一般情况下,订正后的(T2m-T500)≥30 ℃有利于对流云团的生成和发展。两天内降雹区域的最高气温实况均大于30℃,(T2m-T500)≥30 ℃。

表3 ECthin对寻甸烟区能量参数和水汽参数的预报

在水汽方面,气柱水汽总含量(Q总)显示,下午显著增大,上干冷下暖湿特征明显,有利于对流强盛发展。

4.3.2 8月10日潜势预报与服务

从10日08时卫星云图和天气图分析,昆明和威宁两个站分属不同性质的气团。威宁处于具有明显反气旋性质的区域,寻甸烟区与昆明站同处倒槽系统,寻甸处在倒槽的末端部位,有一定的抬升条件。插值获得的寻甸探空数据与昆明接近。

10日08时探空数据(表2)分析,寻甸上空CAPE约为1 054(J·kg-1),SI较小为0.1 ℃,表明烟区上空存在足够的潜在能量,而较小的CIN使得低层触发条件容易达到。700 hPa的温度露点小于2℃、存在约2 km厚度的高湿层,表明水汽条件较好;500 hPa的温度露点差大于8 ℃,上干下湿有利于对流发展旺盛。ECthin预报14时的CAPE最大值为1 218(J·kg-1),地面2 m气温与500 hPa气温差为26 ℃。一般而言,地面2 m气温实况较ECthin预报的要高出3～4 ℃,在制作潜势预报时,根据经验预计地面气温在29 ℃。实际上,这一天寻甸的最高气温达到32.7 ℃,地面和500 hPa的温度差在≥33 ℃。据此分析,预报10日的冰雹风险高。

10日20时探空数据显示(表2),H0和H-20的显著抬高说明有大量的热能储存在中下层的空气当中,而湿层厚度(Hr)从08时的1 999 m跃增至8 485 m(图2b)说明烟区上空有非常充沛的水汽来源。

4.3.3 8月11日潜势预报与服务

11日08时,威宁和昆明两站的探空数据都没有出现强的对流指标,插值结果也显示不易发生对流天气。从数值天气预报的形势分析,这一天影响烟区的天气系统主要是位于广西上空的低涡系统发展东移,造成贵州—云南一带的偏东气流加强,输送大量水汽后形成对流并发展。ECthin预报显示,当日下午多地为CAPE值的高值区,最大值为1 340 J·kg-1,并预报地面2 m气温与500 hPa气温差为26.8 ℃。从水汽条件来看,预报下午有明显的增湿过程。依上分析,预报11日的冰雹风险高。

用以上的分析和预报方法,在6—8月份的预报实践中取得了良好的成绩,3个月的24小时预报TS评分分别为1.0、0.968和0.903。其中,7月份漏报1次,8月份漏报1次、空报2次,其它时间预报准确。

5 雷达回波特征分析及作业指标研究

5.1 冰雹云团分类

造成10日和11日冰雹灾害的5个对流云团特征见表4。其中,造成11日塘子镇和羊街镇雹灾的是同一云团,在发展移动过程中造成不同地方的冰雹灾害,其回波特征有所不同,故作为不同的单体对待。这些云团从发生源地分为输入型和本地生成发展型(本地型)。其中在烟区发生发展的云团,有比较充足的时间进行人工影响,提前作业使大多数对流云团具有云体较小、强度较弱、生命期较短、造成降雹强度较小、灾害较轻的特点。但在功山纲纪、塘子钟灵和羊街清水沟造成雹灾的对流云则是从邻县生成发展强盛后移入寻甸烟区(输入型),根据其发展过程的各种参数分析,在进入寻甸以前就已经形成冰雹,进入寻甸后又得到进一步发展加强,导致对寻甸烟区造成灾害。

表4 8月10日-11日寻甸烟区降雹天气及雷达回波特征

5.2 降雹天气及雷达回波统计特征

10日到11日,寻甸烟区共有7个地方出现降雹现象(表4)。从降雹时间分析,最早出现在10日下午16∶00,最晚出现在10日晚上23∶20。降雹时间最短4 min,最长20 min。从雹粒大小(根据当地烟农描述和照片估计)分析,最小的雹粒约5 mm,最大的约25 mm。运用雹粒大小、降雹时间长度和受灾面积等几个方面来综合衡量降雹强度,分析发现:夜间的强度远大于白天的;降雹前回波发展时间长度、降雹时最大液态含水量(VIL)、VIL跃增量和云团的辐合强度等参数与降雹强度都有很好的正相关性;功山纲纪(图略)、塘子钟灵(图3d)和羊街清水沟(图3e)成灾的对流云团都是输入型的,降雹强度远大于本地型的。

图3 最强中心与降雹不同步的个例(a、b、c为8月10日鸡街降雹云团;d、e、f为8月11日塘子和羊街的降雹云团)

5.3 雷达回波强中心时间与降雹时间关系

将雷达回波第一次出现45 dBz强中心时为0时刻计算降雹云的发展时间。对6次降雹过程的回波强中心分析发现,降雹前云团发展时间最短的不足6 min,最长的可达100 min,回波最强中心的出现时间和降雹时间并没有相关性。有的对流云团在中心强度最强时造成降雹,也有的云团在强中心达到最大时没有形成降雹天气,而是此后一段时间后才降雹。后者如鸡街北屏余家箐村的降雹过程(图3a、b、c),对流云中心回波强度达59.5 dBz后约24 min才出现降雹天气,降雹时最强中心强度58.5 dBz。而羊街清水沟村则是降雹开始后13 min才出现强中心,中心强度达66 dBz(图3e、f),是今年以来所见最强,但没有搜集到此时的降雹信息,值得商榷。

5.4 防雹作业指标研究

考虑到“提前申请、提前作业”和“双减”目标要求,通过分析往年强对流云团,发现多数对流云团出现降雹时,H≥3.0 km,降雹前往往有2～4个体扫时间维持H≥1 km,然后跃变至H≥3 km产生冰雹。因此初步采用两个指标:将H≥1 km作为一般作业指标;将H≥1 km保持2个体扫时间以上或H≥1.5 km作为紧急作业指标。当达到一般作业指标时,申请空域获批,则用适量炮弹作业,监测研判发展趋势,做进一步作业计划;满足紧急作业指标时,云团很有可能在1-2个体扫周期内跃增为冰雹云,则用足量作业量,以尽量避免其发展为冰雹云。此作业模式可以对绝大多数可发展为冰雹云的云体开展有效的作业。

5.5 作业指标应用效果评价

在今年的作业过程中,用上述作业指标,取得了显著的防雹效果。对大多数本地型强对流云,往往有足够的时间进行研判和作业,空域申请比较容易,易做到提前申请、提前作业。主汛期以来的本地型强对流云团都没有造成严重的冰雹灾害,造成灾害的几次冰雹都具有小雹粒(≤5 mm)、短时间(≤10 min)、小面积(≤5 hm2)和损毁程度小的特点。

尽管如此,有些降雹过程还是被遗漏,如10日造成凤合集成交守村和倘甸箐水排村降雹的云团,第一个体扫显示最强回波强度为38.5 dBz,第二个体扫最强中心强度达60 dBz,45 dBz回波顶高度达9.48 km,同时形成冰雹灾害。这样的降雹过程,没有足够的预警时间,任何指标都会失效。类似的降雹过程在2023年还有出现,但造成的降雹强度都较小。

另外,功山纲纪村、塘子钟灵社区和羊街清水沟村的降雹云团在移入寻甸前已经发展成熟,进入寻甸县域后又长时间没有得到空域批准,空域获批作业时,已经形成降雹,故无法评价作业指标。

6 结论与讨论

利用昆明站、威宁站探空数据以及相关数值模式预报产品,对寻甸县冰雹潜势预报方法做了探讨,并利用此方法对8月10日和11日发生在寻甸烟区的冰雹天气过程进行了验证分析,结果表明此潜势预报方法有一定的可用性。

根据冰雹云雷达回波移动特征可将降雹云团分为本地型和输入型。其中,本地型云团具有云体较小、强度较弱、生命期较短、造成降雹强度较小、灾害较轻的特点。结合冰雹云发展演变特征,将H≥1 km作为防雹一般作业指标和将H≥1 km保持2个体扫时间以上或H≥1.5 km作为防雹紧急作业指标,并在防雹过程中验证,表明此指标有较好的防雹效果。

午后至傍晚是冰雹天气的高发期,利用每日08时的探空数据以及数值预报产品,根据提炼出的冰雹潜势预报方法,结合防雹作业指标,可以做到提前准备、提早应对,对于降低冰雹灾害造成的损失具有重要意义。