羅瑞婷，阮楚雯，殷美祥，高建秋，李鑄杰

（1.廣東省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東廣州 510640；2.連州市氣象局，廣東連州 513400；3.廣東省氣象公共服務(wù)中心，廣東廣州 510640）

近年來，數(shù)值模擬在冰雹云的預(yù)報中取得了些成果，吳偉［1］利用MODIS衛(wèi)星云產(chǎn)品的云頂溫度和積分云水含量兩個物理量，檢驗(yàn)、對比GRAPES全球模式不同微物理方案對預(yù)報云宏觀特征的能力，發(fā)現(xiàn)模式對積分云水的模擬與衛(wèi)星云產(chǎn)品基本吻合；孫晶等［2］利用中尺度模式MM5對河北一次降水層狀云系進(jìn)行模擬，分析西風(fēng)槽云系宏微觀結(jié)構(gòu)及冷云催化增雨作業(yè)條件，表明槽線附近存在強(qiáng)可播區(qū)；高亮?xí)龋?］利用中尺度模式WRF對六盤山地區(qū)一次低槽低渦云系進(jìn)行模擬，重點(diǎn)研究了降水過程的有利環(huán)流形勢及降水機(jī)制；趙益帆等［4］通過批量試驗(yàn)和一個個例檢驗(yàn)GRAPES_YY模式對梅雨鋒降水對平均環(huán)流和強(qiáng)降水的模擬能力較好，但受分辨率限制以及濕物理過程影響，暴雨以上量級降水還存在一定的強(qiáng)度預(yù)報偏差；劉俊卿等［5］對冰雹天氣發(fā)生期間的GRAPES_CAMS云降水模式預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了高原地區(qū)適用性檢驗(yàn)。綜合來看，人工影響天氣業(yè)務(wù)中對模式的研究，大部分針對WRF、GRAPES、MM5等模式。廣東省應(yīng)用的云模式產(chǎn)品是中國氣象局人工影響天氣中心研發(fā)的云降水顯示預(yù)報系統(tǒng)（CPEFS）［6］，該模式嵌入了中國氣象局人工影響天氣中心研發(fā)的云降水顯式方案（CAMS云分辨方案）。目前，缺乏CPEFS模式對廣東本地云降水預(yù)報能力的評估，因此研究CPEFS模式在廣東省冰雹天氣過程的預(yù)報效果對人工防雹決策指揮有重要意義。

1 資料與方法

CPEFS每日兩次發(fā)布云宏觀場、云微觀場、云垂直剖面和降水場等4類宏微觀預(yù)報產(chǎn)品，產(chǎn)品的空間分辨率為3 km，垂直方向?yàn)?5層，提升了對對流云的預(yù)報能力。廣東人影綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)對CPEFS云模式進(jìn)行了本地化開發(fā)，應(yīng)用于地面火箭及飛機(jī)人工增雨作業(yè)潛力分析、作業(yè)方案制定［7］，為人工影響天氣5段實(shí)時業(yè)務(wù)的開展提供技術(shù)支撐。

本研究利用2020年2月14日CPEFS模式預(yù)報的云系發(fā)展演變、云宏觀場、微觀場、垂直結(jié)構(gòu)與多種實(shí)況資料進(jìn)行對比檢驗(yàn)［8］。實(shí)況資料包括FY2C／D／E／F衛(wèi)星反演云特征參量、雙偏振雷達(dá)、地面及探空觀測資料等［9］。檢驗(yàn)評估工作主要通過對比CPEFS模式預(yù)報的云帶產(chǎn)品與雷達(dá)組合發(fā)射率，分析對流云系的發(fā)展演變趨勢；通過對比預(yù)報的云頂高度和溫度與FY2C／D／E／F衛(wèi)星反演云頂高度和溫度［10］，分析云系宏觀發(fā)展特征；通過對比預(yù)報的云垂直結(jié)構(gòu)與雷達(dá)剖面，分析云系垂直結(jié)構(gòu)特征、檢驗(yàn)特征溫度層的高度、判斷降水機(jī)制、確定播云作業(yè)的高度與溫度范圍。

2 天氣形勢背景分析

2020年2月13日20：00（北京時，下同），500 hPa上歐亞中高緯環(huán)流為“一槽一脊”型，蒙古中東部有一閉合低渦系統(tǒng)在發(fā)展，低緯的南支槽位于桂川一帶。13日20：00到14日08：00，925 hPa的切變線隨著南支槽的東移，從渝鄂一帶南壓到湖南的北部，而且廣東的西南風(fēng)明顯加大，在粵北的南部出現(xiàn)風(fēng)速輻合，水汽在此匯聚。熱低壓中心位于江西北部，地面低槽呈西南-東北走向，并從廣西一直伸展到長江三角州，覆蓋了整個廣東。2月14日08：00，廣東省處在南支槽前的西南氣流控制下（圖1a），最大風(fēng)速為28 m／s，槽前有正渦度平流，為強(qiáng)對流的發(fā)展提供了有利的動力背景條件［11］。強(qiáng)對流發(fā)生前，廣東長時間處于地面低槽中，這有利于不穩(wěn)定能量累積和不穩(wěn)定層結(jié)的建立。對比CPEFS模式（圖1b）可以看出，2月13日08：00起報的預(yù)報產(chǎn)品，2月14日08：00 500 hPa上華南地區(qū)有小波動?xùn)|移，廣東受槽前西南氣流影響，最大風(fēng)速達(dá)28 m／s（圖1c）。此時華南地區(qū)850 hPa盛行西南風(fēng)，其中廣東大部則是一條風(fēng)速為14～18 m／s西南低空急流（圖1d）。2月14日08：00 850 hPa高度上，實(shí)況廣東中部盛行西南風(fēng)，風(fēng)速為10～18 m／s（圖1d），CPEFS模式預(yù)報此時850 hPa上廣東中部也存在西南低空急流（圖1e），但預(yù)報低空急流位置略偏南，強(qiáng)度及范圍略偏小。可見模式對天氣形勢場的預(yù)報具有一定的指示意義，能預(yù)報出廣西上空的南支槽，風(fēng)向風(fēng)速與實(shí)況基本吻合，對于廣東中部的西南低空急流預(yù)報位置、強(qiáng)度及范圍略有偏差。

圖1 2020年2月14日08：00 500 hPa南支槽的實(shí)況（a）、CPEFS模式預(yù)報（b）及風(fēng)場（c）和850 hPa風(fēng)場（d）及24 h預(yù)報（e）

2月13日20：00清遠(yuǎn)和陽江探空站顯示（圖略），清遠(yuǎn)和陽江的不穩(wěn)定能量CAPE分別為295.8和81.4 J／kg，雖然不大，但是上干下濕層結(jié)明顯，850 hPa以下溫度露點(diǎn)差≤2℃，為基本飽和狀態(tài)。清遠(yuǎn)的K指數(shù)從20：00的24.3℃，到次日08：00躍增到35.9℃，同時SI指數(shù)也從1.9℃下降到-1.1℃，說明大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對流單體的發(fā)生發(fā)展。此時0℃層高度為4 km左右，-20℃層高度在7 km左右，高度和厚度對大冰雹發(fā)展很有利。

3 云系特征檢驗(yàn)分析

3.1 云系的發(fā)展演變檢驗(yàn)

從全省雷達(dá)CAPPI 3 km發(fā)展演變看（圖略），13日21：00起，來自廣西的云系自西南向東北方向移動，移速約76 km／h，對流云系主要分布在粵北、粵西和珠三角西側(cè)。00：00—02：00為云系初生階段、02：00—04：00為冰雹云發(fā)展旺盛階段、14：00后云系進(jìn)入減弱階段。14日，強(qiáng)降水中心位于清遠(yuǎn)-肇慶和湛江-茂名地區(qū)，最大回波強(qiáng)度達(dá)到70 dBz。模式總體對云帶位置和云系發(fā)展強(qiáng)度的把握準(zhǔn)確度較高，對于強(qiáng)對流中心預(yù)報范圍較大，位置略偏南，在珠江口及西側(cè)地區(qū)存在漏報情況，在珠三角北部、粵東北地區(qū)存在空報現(xiàn)象。

通過對比2020年2月14日CPEFS模式預(yù)報產(chǎn)品與實(shí)況（表1）可知，CPEFS模式預(yù)報云系的宏觀特征和演變與實(shí)況大體一致，但預(yù)報廣東該次對流云的生命期偏長，預(yù)報的云系位置在珠江口附近和實(shí)況有一定偏差。在冰雹云發(fā)展的旺盛階段，衛(wèi)星反演云頂溫度為-60到-70℃，云頂高度為10～14 km，模式預(yù)報發(fā)展旺盛程度比實(shí)況稍偏弱。

表1 2020年2月14日廣東春季一次冰雹云的CPEFS模式預(yù)報產(chǎn)品與實(shí)況對比

3.2 冰雹云系宏觀特征及模式檢驗(yàn)

2020年2月14日02：00—04：00，廣東省雙偏振雷達(dá)5 km等高面相態(tài)圖（圖2a）顯示，粵西北及粵西南部5 km高度上存在大范圍的干雪、冰雹，在清遠(yuǎn)地區(qū)存在帶狀冰雹云系。分析此帶狀風(fēng)暴云結(jié)構(gòu)（圖2b）、垂直累積液態(tài)水含量（VIL）（圖2c）及雷達(dá)組合發(fā)射率（圖略），研究清遠(yuǎn)、韶關(guān)地區(qū)降雹風(fēng)暴云的三維空間結(jié)構(gòu)和發(fā)展過程。00：48—01：12，在降雹風(fēng)暴云移入陽山楊梅鎮(zhèn)的過程中，風(fēng)暴云的強(qiáng)回波核心和VIL值從60 dBz和36 kg／m2增加到71 dBz和59 kg／m2，風(fēng)暴云頂也從11.1 km躍增到17.1 km，最大反射率因子高度在2到4 km，說明風(fēng)暴云發(fā)展較強(qiáng)。01：18—01：30，風(fēng)暴云最大反射率因子的高度躍增至78 dBz，對應(yīng)風(fēng)暴云頂高為17.0～17.5 km，最大反射率因子高度在4.5～5.5 km，高層懸垂回波強(qiáng)于低層，說明此時風(fēng)暴云發(fā)展旺盛。此后，隨著強(qiáng)回波核高度的降低，清新浸潭鎮(zhèn)、禾云鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，之后隨著強(qiáng)風(fēng)暴的東移，英德連江口鎮(zhèn)、大站鎮(zhèn)、大洞鎮(zhèn)、青塘鎮(zhèn)、白沙鎮(zhèn)、水邊鎮(zhèn)、九龍鎮(zhèn)相繼出現(xiàn)冰雹，降雹期間強(qiáng)回波核心保持在67～78 dBz之間。03：36后，風(fēng)暴頂明顯降低，VIL值降至22 kg／m2以下，風(fēng)暴明顯減弱。風(fēng)暴發(fā)展到減弱期間，VIL隨時間的變化趨勢與雷達(dá)回波強(qiáng)度的變化趨勢成正比。

圖2 2020年2月14日02：00—04：00雙偏振雷達(dá)5 km等高面相態(tài)圖（a）、回波參數(shù)（b）、VIL（c）分布

分析CPEFS模式2020年2月13日08：00起報的14日03：00雷達(dá)回波垂直最大反射率、云頂高度、VIL等預(yù)報產(chǎn)品（圖略），可以看出，清遠(yuǎn)、韶關(guān)、肇慶也存在強(qiáng)對流云系，雷達(dá)回波垂直最大反射率中心位于清遠(yuǎn)南部、韶關(guān)南部、肇慶中部、云頂高度在11～14 km之間、最大反射率達(dá)66 dBz、最大VIL為20 kg／m2，可見該區(qū)域模式預(yù)報的強(qiáng)對流云系與實(shí)況基本吻合，位置略偏南，最大云頂高度偏低3 km左右、最大反射率偏低10 dBz、最大VIL偏低25 kg／m2。

3.3 冰雹云微物理特征分析及模式檢驗(yàn)

根據(jù)雙偏振雷達(dá)反演數(shù)據(jù)（表略）顯示，清遠(yuǎn)地區(qū)強(qiáng)對流云所在區(qū)域4.5～11.5 km垂直高度上存在一定數(shù)量的干雪，最大值達(dá)0.19 g／m3，位于5.5 km高度上；垂直高度5.5～6 km可觀測到冰雹，質(zhì)量在6.33～8.1 g／m3之間。模式預(yù)報此時清遠(yuǎn)地區(qū)4～12 km存在霰及冰雹，干雪、冰雹預(yù)報最大值為1.5 g／m3?？梢姡Ｊ筋A(yù)報能預(yù)報出干雪、冰雹的存在，但對干雪質(zhì)量的預(yù)報偏大，對冰雹質(zhì)量的預(yù)報偏小。

3.4 冰雹云垂直結(jié)構(gòu)分析及模式檢驗(yàn)

模式預(yù)報云體垂直結(jié)構(gòu)顯示（圖3），2月14日02：00清遠(yuǎn)地區(qū)有強(qiáng)對流云系覆蓋，回波頂高10 km，云水主要分布10～0℃層（1.5～3.8 km），云水最大含量可達(dá)2 g／kg。過冷水主要位于0～-20℃層（3.8～7.5 km），固態(tài)降水物質(zhì)（雪、霰、冰晶）的含量豐富（圖略），冰相粒子大值區(qū)高度在5 km左右。可見模式預(yù)報云系垂直結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的準(zhǔn)確度較高，總體上能預(yù)報出過冷水與液態(tài)水的分布特征，預(yù)報回波底與實(shí)況一致，能大致預(yù)報出冰雹胚胎所在的高度范圍，但對于零度層高度的預(yù)報偏低0.2 km，對于局部地區(qū)回波頂高的預(yù)報偏低約7 km，對于強(qiáng)中心高度的預(yù)報偏低0.7 km左右。

圖3 2月14日02：00清遠(yuǎn)地區(qū)雷達(dá)剖面圖（a）和CPEFS模式預(yù)報云系垂直結(jié)構(gòu)圖（b）

4 結(jié)論

1）該次天氣過程是發(fā)生在南支槽前西南氣流和低層風(fēng)速輻合的大尺度環(huán)流背景下，由地面低槽觸發(fā)強(qiáng)對流，且上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)和合適的0℃層、-20℃層高度，都為強(qiáng)對流天氣的發(fā)展提供了十分有利的條件。在這種典型天氣背景下，模式對天氣形勢場的預(yù)報具有一定的指示意義，能預(yù)報出廣西上空的南支槽，風(fēng)向風(fēng)速與實(shí)況基本吻合，對于廣東中部的西南低空急流預(yù)報位置略偏南、強(qiáng)度略偏小、范圍略偏小。

2）CPEFS模式模擬云系的宏觀特征、發(fā)展演變與實(shí)況大體一致，但對于強(qiáng)對流中心預(yù)報范圍較大，位置略偏南，移速偏慢了18 km／h、對流云生命期偏長。在珠江口及西側(cè)地區(qū)存在漏報情況，在珠三角北部、粵東北地區(qū)存在空報現(xiàn)象。

3）在云垂直特征和性質(zhì)上，CPEFS模式預(yù)報云系的冷暖性質(zhì)、垂直結(jié)構(gòu)、0℃層高度與實(shí)況接近。

4）總體上能預(yù)報出過冷水與云水的分布特征，對于0℃層高度、局部地區(qū)回波頂高、強(qiáng)中心高度的預(yù)報均略有偏低。

綜上所述，CPEFS模式能較準(zhǔn)確地預(yù)報該次廣東冰雹天氣過程，為人工防雹決策指揮提供一定的參考依據(jù)。