昆明市一次人工防雹作業(yè)情況及其效果分析*

王 菲 楊芳園 方夏馨

(1.昆明市人工影響天氣中心,云南 昆明 650500;2.昆明市氣象臺,云南 昆明 650500)

0 引言

冰雹災(zāi)害是昆明市春夏季主要的氣象災(zāi)害之一,突發(fā)性、局地性較強(qiáng),對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是烤煙造成嚴(yán)重影響。冰雹災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警一直是一大難點(diǎn),國內(nèi)很多學(xué)者對冰雹災(zāi)害天氣開展了多方面的大量研究。尹麗云等［1］在對超級單體雹暴的雷達(dá)回波特征研究中指出,垂直剖面圖上出現(xiàn)15～20mm大冰雹的超級單體發(fā)射率因子質(zhì)心點(diǎn)較高,回波核前傾,具有懸垂回波、弱回波區(qū)、回波墻、TBSS和假尖頂回波特征;朱家亮等［2］、曾勇等［3］、朱府鴻等［4］、韓遷立等［5］、岳治國等［6］、周泓等［7］、王占良等［8］、蘇蕾等［9］、程思等［10］研究分析了各地的冰雹天氣及雷達(dá)特征;劉春文等［11］在云南高炮與火箭防雹作業(yè)效果對比試驗(yàn)與分析中指出,高炮與火箭防雹作業(yè)均能實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)對流云(雹云)的抑制,從而達(dá)到人工防雹的目的;李斌等［12］、王慶等［13］、鄺美清等［14］采用不同方法分析了防雹作業(yè)效果;萬紅蓮等［15］、王麗榮等［16］、陳靜等［17］、王占良等［18］對冰雹災(zāi)害的跟蹤和鑒定、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和防御對策等進(jìn)行了研究。

加強(qiáng)對冰雹災(zāi)害實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測,增加冰雹災(zāi)害預(yù)警的提前量與準(zhǔn)確率,及時(shí)開展人工防雹作業(yè),可有效減少冰雹災(zāi)害造成的損失。本文利用天氣雷達(dá)資料對2021年7月13日發(fā)生在昆明市尋甸縣的強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行分析,總結(jié)了發(fā)生降雹天氣的天氣環(huán)流背景,得到雷達(dá)回波特征,分析開展人工防雹作業(yè)成效,并總結(jié)經(jīng)驗(yàn),以期為更好地利用新一代天氣雷達(dá)做好冰雹臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警、防雹作業(yè)提供參考。

1 冰雹災(zāi)情概況

2021年7月13日13—17時(shí),昆明市出現(xiàn)自西南向東北移動(dòng)的強(qiáng)對流天氣過程,尋甸縣甸沙、柯渡、金所、功山、河口、雞街等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生不同程度的冰雹、大風(fēng)災(zāi)害,共造成9616hm2烤煙受損。其中,15時(shí)13分,尋甸縣甸沙鄉(xiāng)、雞街鎮(zhèn)發(fā)生降雹天氣,持續(xù)6min,造成農(nóng)作物受災(zāi)4934hm2;16時(shí)10分,尋甸縣河口鎮(zhèn)發(fā)生降雹天氣,持續(xù)5min,造成農(nóng)經(jīng)作物受災(zāi)2740hm2。

2 資料與方法

昆明S波段新一代多普勒天氣雷達(dá)位于昆明市西山區(qū)棋盤山頂,海拔高度2185m,每6min完成1次體掃。2021年7月13日13—17時(shí),該雷達(dá)完整記錄此次降雹過程的發(fā)展和演變。運(yùn)用云南省市縣三級一體化指揮平臺分析多普勒雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的組合反射率因子、回波頂高、垂直剖面圖等產(chǎn)品,通過雷達(dá)基數(shù)據(jù)反演出對流云體的三維形態(tài),便于更直觀地分析;運(yùn)用MICAPS 4.0分析500hPa和700hPa天氣環(huán)流背景;冰雹災(zāi)情資料來自煙葉生產(chǎn)部門;尋甸縣火箭架最大射程范圍為4km。

3 環(huán)流背景

3.1 天氣形勢

從500hPa環(huán)流形勢分析,2021年7月12日20時(shí)(圖略),副高西伸明顯,云南大部處于副高控制之下,西脊點(diǎn)位于青藏高原上空,中高緯環(huán)流徑向度較大,河套以東存在明顯的高空槽,該槽以東移為主,有利于將高緯度的冷空氣向南輸送。7月13日08時(shí)(圖1a),副高斷裂在云南轉(zhuǎn)變?yōu)閮筛咻椇峡刂?副高外圍的偏西氣流與沿大陸高壓偏北氣流輸送的冷空氣在云南上空交匯,為此次強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供了不穩(wěn)定條件。7月13日20時(shí)(圖略),大陸高壓與西太平洋副熱帶高壓又一次合并,云南仍處于副高及副高外圍控制之下。從7月13日08時(shí)700hPa環(huán)流形勢上看(圖1b),云南上空以偏西氣流控制為主,無明顯切變。

3.2 環(huán)境條件

對本次強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生的環(huán)境條件進(jìn)行分析,從昆明單站探空圖上看(圖2),2021年7月13日08時(shí)500hPa以下存在一定厚度的濕層,20時(shí)(圖略)濕層明顯減弱,250hPa至300hPa附近均存在逆轉(zhuǎn),中高層干冷空氣入侵明顯,08時(shí)昆明站上空對流有效位能(convective available potential energy,CAPE)為295.2J/kg,沙氏指數(shù)(showalter index,SI)為-2.26℃,下沉對流有效位能(downdraft convective available potential energy,DCAPE)為113.3J/kg,0℃層高度為5.1 km,-20℃層高度為9.0 km;伴隨午后增溫,20時(shí)CAPE增加至918.6 J/kg,SI為-1.2℃,DCAPE為0,0℃層高度為5.5km,-20℃層高度為8.9 km。如圖2所示,探空圖上干下濕特征明顯,午后升溫后大氣對流不穩(wěn)定性增強(qiáng),強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)的可能性大為增加。

圖2 2021年7月13日08時(shí)探空圖

4 冰雹云回波演變及防雹作業(yè)情況

4.1 雞街鎮(zhèn)冰雹云回波演變及防雹作業(yè)情況

4.1.1 雞街鎮(zhèn)冰雹云回波演變情況

2021年7月13日13時(shí)42分,在尋甸縣雞街鎮(zhèn)西面與祿勸邊界處生成一雞街回波1,回波1初生較弱,強(qiáng)度為30dBz。13時(shí)47分,在祿勸小馬街水庫附近生成雞街回波2,初始回波較弱。13時(shí)53分,雞街回波1與東南面回波接壤,但未完全合并,雞街回波1迅速增強(qiáng)到54dBz,單個(gè)體掃躍增量為16dBz,頂高維持在9.5km以上。回波2強(qiáng)度迅速躍增到55dBz,單個(gè)體掃躍增量為21dBz,該回波暫未進(jìn)入尋甸境內(nèi)。13時(shí)59分,回波2西面生成雞街回波3,初生回波強(qiáng)度38dBz,雞街回波3移動(dòng)至小馬街水庫附近,如圖3所示。14時(shí)17分,雞街回波1、回波2開始減弱,雞街回波3繼續(xù)向東南移動(dòng),移動(dòng)至尋甸邊境,同時(shí)強(qiáng)度增強(qiáng)到57dBz。14時(shí)23分,回波3頂高上升到15.2km,從反射率因子垂直剖面圖上看,強(qiáng)回波高懸、低層弱回波明顯,如圖4所示。之后開始緩慢減弱,14時(shí)29—40分,回波3緩慢維持在51dBz,高度10km。14時(shí)46分,回波3強(qiáng)度出現(xiàn)短時(shí)回升。14時(shí)52分,回波3開始繼續(xù)減弱,雞街南海背面生成較弱小回波4,強(qiáng)度43dBz,頂高9.8km。14時(shí)58分,回波3開始緩慢減弱,回波4增強(qiáng)到56dBz,回波頂高9.6km,>50dBz強(qiáng)中心高度(以下簡稱強(qiáng)中心高度)5.3km。從反射率因子垂直剖面圖上看,強(qiáng)回波高懸、低層弱回波明顯,強(qiáng)中心高度已達(dá)到8km左右。15時(shí)04—22分,回波4緩慢減弱,逐漸移出作業(yè)點(diǎn)射程范圍,持續(xù)緩慢減弱,到15時(shí)22分基本減弱消散。

(a)13時(shí)59分 (b)14時(shí)05分 (c)14時(shí)17分

4.1.2 雞街鎮(zhèn)回波雷達(dá)產(chǎn)品變化特征及防雹作業(yè)情況

如圖5所示,13時(shí)47分,雞街回波1開始迅速增強(qiáng),到13時(shí)53分,回波強(qiáng)度達(dá)到54dBz,強(qiáng)中心高度6.3km。13時(shí)59分,雞街回波1進(jìn)入雞街南海和雞街澤和作業(yè)點(diǎn)射程范圍,兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)分別向回波1各作業(yè)1次。作業(yè)后,回波強(qiáng)度開始減弱,強(qiáng)中心高度減弱明顯,到14時(shí)05分強(qiáng)中心回波速度減弱到50dBz以下。14時(shí)09分,雞街南海作業(yè)點(diǎn)作業(yè)1次,回波持續(xù)減弱,14時(shí)17分,強(qiáng)度減弱為42dBz。14時(shí)23分,雞街南海作業(yè)點(diǎn)作業(yè)1次。14時(shí)29分后,回波基本消散,未發(fā)生冰雹災(zāi)害。

圖5 7月13日13時(shí)42分至14時(shí)29分雞街回波1最大強(qiáng)度、回波頂高及強(qiáng)中心高度演變曲線

如圖6所示,13時(shí)47分,雞街回波2強(qiáng)度較弱,13時(shí)53分,強(qiáng)度迅速躍增到55dBz,單個(gè)體掃躍增量為21dBz,強(qiáng)中心高度達(dá)6km,但未進(jìn)入尋甸境內(nèi),超出作業(yè)點(diǎn)射程范圍。直至13時(shí)59分以后,雞街回波2東移至雞街澤和作業(yè)點(diǎn)西北面,進(jìn)入作業(yè)點(diǎn)射程范圍,雞街澤和作業(yè)點(diǎn)14時(shí)08分作業(yè)1次,作業(yè)后回波強(qiáng)度減弱為45dBz。14時(shí)13分,雞街北屏作業(yè)點(diǎn)作業(yè)1次,作業(yè)后回波2持續(xù)減弱,直至14時(shí)39分基本消亡,未發(fā)生冰雹災(zāi)害。

圖6 7月13日13時(shí)47分至14時(shí)29分雞街回波2最大強(qiáng)度、回波頂高及強(qiáng)中心高度演變曲線

如圖7所示,13時(shí)53分,雞街回波3初生強(qiáng)度為38dBz。13時(shí)59分,單個(gè)體掃強(qiáng)度增長到51dBz,躍增量為13dbz,且一直持續(xù)增長,但沒有進(jìn)入尋甸境內(nèi),超出作業(yè)點(diǎn)射程范圍。14時(shí)17分,強(qiáng)度已經(jīng)增長到57dBz,強(qiáng)中心高度6.8km,同時(shí)移動(dòng)到尋甸邊境幾個(gè)作業(yè)點(diǎn)射程范圍內(nèi)。14時(shí)17—28分,雞街澤和、北屏連續(xù)向回波3作業(yè)3次。作業(yè)后,回波開始減弱,到14時(shí)29分,強(qiáng)度減弱為51dBz,但回波頂高和強(qiáng)中心高度沒有明顯下降,云頂高度15.5km,強(qiáng)中心高度6.9km。雞街北屏作業(yè)點(diǎn)14時(shí)34分繼續(xù)作業(yè)1次,作業(yè)后,回波3強(qiáng)度緩慢維持,高度和強(qiáng)中心高度下降明顯,強(qiáng)中心高度5.7km。14時(shí)46分后,回波持續(xù)減弱,至15時(shí)10分消亡,未發(fā)生冰雹災(zāi)害。

圖7 7月13日13時(shí)53分至15時(shí)10分雞街回波3最大強(qiáng)度、回波頂高及強(qiáng)中心高度演變曲線

如圖8所示,14時(shí)46分,回波4初始強(qiáng)度33dBz,14時(shí)58分,迅速增強(qiáng)到56dBz,強(qiáng)中心高度6.4km,且強(qiáng)度和頂高持續(xù)增強(qiáng)。15時(shí)01—05分,回波在作業(yè)點(diǎn)射程范圍,雞街南海申請了2次作業(yè)未獲批。15時(shí)13分,雞街鎮(zhèn)發(fā)生降雹天氣,持續(xù)6min,粒子下沉造成云體坍塌,到15時(shí)22分,回波基本減弱消散。

圖8 7月13日14時(shí)46分至15時(shí)27分雞街回波4最大強(qiáng)度、回波頂高及強(qiáng)中心高度演變曲線

經(jīng)統(tǒng)計(jì),13—15時(shí),雞街澤和、南海、北屏三個(gè)作業(yè)點(diǎn)共作業(yè)10次。雞街回波1、2、3獲批作業(yè)后回波強(qiáng)度和高度均有明顯的減弱趨勢,而雞街回波4因防雹作業(yè)未獲批,未開展作業(yè),云體持續(xù)發(fā)展,直至降雹。雞街回波4雷達(dá)演變情況與雞街鎮(zhèn)發(fā)生降雹天氣時(shí)間15時(shí)13分較吻合。

4.2 河口鎮(zhèn)冰雹云回波演變及防雹作業(yè)情況

4.2.1 河口鎮(zhèn)冰雹云回波演變情況

15時(shí)39分,在功山鎮(zhèn)生成兩塊回波,初始強(qiáng)度為左邊回波36dBz、右邊回波47dBz,初始回波頂高13.4km,強(qiáng)中心高度8.9km,回波總體向東北移動(dòng)如圖9所示。到15時(shí)45分,回波移入河口鎮(zhèn),兩塊回波接壤,但沒有完全合并,右邊回波迅速增長到60dBz,單個(gè)體掃躍增量為13dBz。由圖10可見,15時(shí)51分,低層弱回波區(qū)明顯,強(qiáng)回波中心高懸,前端出現(xiàn)懸垂回波,強(qiáng)中心高度已經(jīng)發(fā)展到10km以上,遠(yuǎn)超-20℃層,說明云體內(nèi)很可能已經(jīng)有冰雹生成。從16時(shí)09分開始,回波強(qiáng)度緩慢下降,回波整體崩塌消散。到16時(shí)20分,強(qiáng)度下降到45dBz,回波頂高13.2km,強(qiáng)中心6.4km,北面生成一塊小回波。16時(shí)26分,兩塊回波合并,回波強(qiáng)度再次迅速回升到54dBz,強(qiáng)中心高度上升到8.8km。從16時(shí)26分垂直剖面圖上看,中高層懸垂和低層弱回波明顯50dBz以上強(qiáng)中心高度發(fā)展到10km以上,超過-20℃層,冰雹云特征明顯,此時(shí)回波已移出尋甸縣。16時(shí)32分開始,回波緩慢持續(xù)減弱,一直維持到17時(shí)02分,回本基本減弱消亡。

(a)15時(shí)39分 (b)15時(shí)51分 (c)16時(shí)03分

圖10 7月13日15時(shí)39分至16時(shí)26分河口鎮(zhèn)雷達(dá)回波反射率因子垂直剖面圖

4.2.2 河口鎮(zhèn)回波雷達(dá)產(chǎn)品變化特征及防雹作業(yè)情況

河口回波從15時(shí)39—45分迅速增長到60dBz,單個(gè)體掃躍增量為13dBz,如圖11所示。15時(shí)51分,強(qiáng)度57dBz,強(qiáng)中心高度7.4km。15時(shí)52分至16時(shí)07分,功山綱紀(jì)、河口化桃箐、雙龍、撒米卡、北大營、水冒天5個(gè)作業(yè)點(diǎn)的8次作業(yè)申請均未獲批。16時(shí)09分,回波開始出現(xiàn)階段持續(xù)減弱,16時(shí)10分,河口鎮(zhèn)發(fā)生降雹天氣,持續(xù)5min,降雹后云體下沉逐漸消散。16時(shí)26分,再次出現(xiàn)明顯的冰雹云特征,但此時(shí)回波已移出尋甸縣。

圖11 7月13日15時(shí)39分至17時(shí)07分河口回波最大強(qiáng)度、回波頂高及強(qiáng)中心高度演變曲線

經(jīng)統(tǒng)計(jì),15—17時(shí),功山綱紀(jì)、河口北大營、化桃箐等6個(gè)作業(yè)點(diǎn)共申請作業(yè)8次均未獲批,云體的發(fā)展一直未得到及時(shí)抑制,發(fā)生降雹后逐漸消散。雷達(dá)回波演變情況與河口鎮(zhèn)發(fā)生降雹天氣時(shí)間16時(shí)10分基本吻合。

5 結(jié)論與討論

①2021年7月13日的降雹天氣過程是受兩高輻合系統(tǒng)引起的,副高外圍的偏西氣流與沿大陸高壓偏北氣流輸送的冷空氣在云南上空交匯,探空圖上干、下濕特征明顯,午后升溫使大氣對流不穩(wěn)定性增強(qiáng),觸發(fā)強(qiáng)對流天氣。

②7月13日,尋甸縣對流云雷達(dá)回波以局地多單體回波為主,主要呈生消快、生命史短、回波合并、躍增明顯等特點(diǎn)。雷達(dá)回波反射率因子最大值均達(dá)到55dBz以上,回波頂高達(dá)15km以上,強(qiáng)中心高度最大值達(dá)8km以上;回波強(qiáng)度躍增明顯,單個(gè)體掃躍增量最大值達(dá)21dBz;反射率因子垂直剖面圖上,呈強(qiáng)回波中心高懸、低層弱回波、前懸垂回波等冰雹云特征顯著。

③本次過程中,氣象部門針對雞街回波1、2、3及時(shí)開展了人工防雹作業(yè),作業(yè)后的回波有較明顯的減弱趨勢,說明人工防雹作業(yè)對抑制冰雹云發(fā)展起到了有效的作用。而雞街回波4和河口回波的作業(yè)因未獲批而沒有開展,致使回波的發(fā)展沒有得到及時(shí)干預(yù)與阻斷,是造成此次冰雹災(zāi)情的主要原因。

④研究昆明地區(qū)強(qiáng)對流天氣雷達(dá)回波指標(biāo)及特征,制定本地化人工防雹作業(yè)預(yù)警指標(biāo),對科學(xué)開展人工影響天氣工作具有一定的參考價(jià)值。