粤北一次冰雹过程的特征与模式检验结果

罗瑞婷，阮楚雯，殷美祥，高建秋，李铸杰

（1.广东省突发事件预警信息发布中心，广东广州 510640；2.连州市气象局，广东连州 513400；3.广东省气象公共服务中心，广东广州 510640）

近年来，数值模拟在冰雹云的预报中取得了些成果，吴伟［1］利用MODIS卫星云产品的云顶温度和积分云水含量两个物理量，检验、对比GRAPES全球模式不同微物理方案对预报云宏观特征的能力，发现模式对积分云水的模拟与卫星云产品基本吻合；孙晶等［2］利用中尺度模式MM5对河北一次降水层状云系进行模拟，分析西风槽云系宏微观结构及冷云催化增雨作业条件，表明槽线附近存在强可播区；高亮书等［3］利用中尺度模式WRF对六盘山地区一次低槽低涡云系进行模拟，重点研究了降水过程的有利环流形势及降水机制；赵益帆等［4］通过批量试验和一个个例检验GRAPES_YY模式对梅雨锋降水对平均环流和强降水的模拟能力较好，但受分辨率限制以及湿物理过程影响，暴雨以上量级降水还存在一定的强度预报偏差；刘俊卿等［5］对冰雹天气发生期间的GRAPES_CAMS云降水模式预报结果进行了高原地区适用性检验。综合来看，人工影响天气业务中对模式的研究，大部分针对WRF、GRAPES、MM5等模式。广东省应用的云模式产品是中国气象局人工影响天气中心研发的云降水显示预报系统（CPEFS）［6］，该模式嵌入了中国气象局人工影响天气中心研发的云降水显式方案（CAMS云分辨方案）。目前，缺乏CPEFS模式对广东本地云降水预报能力的评估，因此研究CPEFS模式在广东省冰雹天气过程的预报效果对人工防雹决策指挥有重要意义。

1 资料与方法

CPEFS每日两次发布云宏观场、云微观场、云垂直剖面和降水场等4类宏微观预报产品，产品的空间分辨率为3 km，垂直方向为35层，提升了对对流云的预报能力。广东人影综合业务系统对CPEFS云模式进行了本地化开发，应用于地面火箭及飞机人工增雨作业潜力分析、作业方案制定［7］，为人工影响天气5段实时业务的开展提供技术支撑。

本研究利用2020年2月14日CPEFS模式预报的云系发展演变、云宏观场、微观场、垂直结构与多种实况资料进行对比检验［8］。实况资料包括FY2C／D／E／F卫星反演云特征参量、双偏振雷达、地面及探空观测资料等［9］。检验评估工作主要通过对比CPEFS模式预报的云带产品与雷达组合发射率，分析对流云系的发展演变趋势；通过对比预报的云顶高度和温度与FY2C／D／E／F卫星反演云顶高度和温度［10］，分析云系宏观发展特征；通过对比预报的云垂直结构与雷达剖面，分析云系垂直结构特征、检验特征温度层的高度、判断降水机制、确定播云作业的高度与温度范围。

2 天气形势背景分析

2020年2月13日20：00（北京时，下同），500 hPa上欧亚中高纬环流为“一槽一脊”型，蒙古中东部有一闭合低涡系统在发展，低纬的南支槽位于桂川一带。13日20：00到14日08：00，925 hPa的切变线随着南支槽的东移，从渝鄂一带南压到湖南的北部，而且广东的西南风明显加大，在粤北的南部出现风速辐合，水汽在此汇聚。热低压中心位于江西北部，地面低槽呈西南-东北走向，并从广西一直伸展到长江三角州，覆盖了整个广东。2月14日08：00，广东省处在南支槽前的西南气流控制下（图1a），最大风速为28 m／s，槽前有正涡度平流，为强对流的发展提供了有利的动力背景条件［11］。强对流发生前，广东长时间处于地面低槽中，这有利于不稳定能量累积和不稳定层结的建立。对比CPEFS模式（图1b）可以看出，2月13日08：00起报的预报产品，2月14日08：00 500 hPa上华南地区有小波动东移，广东受槽前西南气流影响，最大风速达28 m／s（图1c）。此时华南地区850 hPa盛行西南风，其中广东大部则是一条风速为14～18 m／s西南低空急流（图1d）。2月14日08：00 850 hPa高度上，实况广东中部盛行西南风，风速为10～18 m／s（图1d），CPEFS模式预报此时850 hPa上广东中部也存在西南低空急流（图1e），但预报低空急流位置略偏南，强度及范围略偏小。可见模式对天气形势场的预报具有一定的指示意义，能预报出广西上空的南支槽，风向风速与实况基本吻合，对于广东中部的西南低空急流预报位置、强度及范围略有偏差。

图1 2020年2月14日08：00 500 hPa南支槽的实况（a）、CPEFS模式预报（b）及风场（c）和850 hPa风场（d）及24 h预报（e）

2月13日20：00清远和阳江探空站显示（图略），清远和阳江的不稳定能量CAPE分别为295.8和81.4 J／kg，虽然不大，但是上干下湿层结明显，850 hPa以下温度露点差≤2℃，为基本饱和状态。清远的K指数从20：00的24.3℃，到次日08：00跃增到35.9℃，同时SI指数也从1.9℃下降到-1.1℃，说明大气处于不稳定状态，有利于对流单体的发生发展。此时0℃层高度为4 km左右，-20℃层高度在7 km左右，高度和厚度对大冰雹发展很有利。

3 云系特征检验分析

3.1 云系的发展演变检验

从全省雷达CAPPI 3 km发展演变看（图略），13日21：00起，来自广西的云系自西南向东北方向移动，移速约76 km／h，对流云系主要分布在粤北、粤西和珠三角西侧。00：00—02：00为云系初生阶段、02：00—04：00为冰雹云发展旺盛阶段、14：00后云系进入减弱阶段。14日，强降水中心位于清远-肇庆和湛江-茂名地区，最大回波强度达到70 dBz。模式总体对云带位置和云系发展强度的把握准确度较高，对于强对流中心预报范围较大，位置略偏南，在珠江口及西侧地区存在漏报情况，在珠三角北部、粤东北地区存在空报现象。

通过对比2020年2月14日CPEFS模式预报产品与实况（表1）可知，CPEFS模式预报云系的宏观特征和演变与实况大体一致，但预报广东该次对流云的生命期偏长，预报的云系位置在珠江口附近和实况有一定偏差。在冰雹云发展的旺盛阶段，卫星反演云顶温度为-60到-70℃，云顶高度为10～14 km，模式预报发展旺盛程度比实况稍偏弱。

表1 2020年2月14日广东春季一次冰雹云的CPEFS模式预报产品与实况对比

3.2 冰雹云系宏观特征及模式检验

2020年2月14日02：00—04：00，广东省双偏振雷达5 km等高面相态图（图2a）显示，粤西北及粤西南部5 km高度上存在大范围的干雪、冰雹，在清远地区存在带状冰雹云系。分析此带状风暴云结构（图2b）、垂直累积液态水含量（VIL）（图2c）及雷达组合发射率（图略），研究清远、韶关地区降雹风暴云的三维空间结构和发展过程。00：48—01：12，在降雹风暴云移入阳山杨梅镇的过程中，风暴云的强回波核心和VIL值从60 dBz和36 kg／m2增加到71 dBz和59 kg／m2，风暴云顶也从11.1 km跃增到17.1 km，最大反射率因子高度在2到4 km，说明风暴云发展较强。01：18—01：30，风暴云最大反射率因子的高度跃增至78 dBz，对应风暴云顶高为17.0～17.5 km，最大反射率因子高度在4.5～5.5 km，高层悬垂回波强于低层，说明此时风暴云发展旺盛。此后，随着强回波核高度的降低，清新浸潭镇、禾云镇出现冰雹，之后随着强风暴的东移，英德连江口镇、大站镇、大洞镇、青塘镇、白沙镇、水边镇、九龙镇相继出现冰雹，降雹期间强回波核心保持在67～78 dBz之间。03：36后，风暴顶明显降低，VIL值降至22 kg／m2以下，风暴明显减弱。风暴发展到减弱期间，VIL随时间的变化趋势与雷达回波强度的变化趋势成正比。

图2 2020年2月14日02：00—04：00双偏振雷达5 km等高面相态图（a）、回波参数（b）、VIL（c）分布

分析CPEFS模式2020年2月13日08：00起报的14日03：00雷达回波垂直最大反射率、云顶高度、VIL等预报产品（图略），可以看出，清远、韶关、肇庆也存在强对流云系，雷达回波垂直最大反射率中心位于清远南部、韶关南部、肇庆中部、云顶高度在11～14 km之间、最大反射率达66 dBz、最大VIL为20 kg／m2，可见该区域模式预报的强对流云系与实况基本吻合，位置略偏南，最大云顶高度偏低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检验

根据双偏振雷达反演数据（表略）显示，清远地区强对流云所在区域4.5～11.5 km垂直高度上存在一定数量的干雪，最大值达0.19 g／m3，位于5.5 km高度上；垂直高度5.5～6 km可观测到冰雹，质量在6.33～8.1 g／m3之间。模式预报此时清远地区4～12 km存在霰及冰雹，干雪、冰雹预报最大值为1.5 g／m3。可见，模式预报能预报出干雪、冰雹的存在，但对干雪质量的预报偏大，对冰雹质量的预报偏小。

3.4 冰雹云垂直结构分析及模式检验

模式预报云体垂直结构显示（图3），2月14日02：00清远地区有强对流云系覆盖，回波顶高10 km，云水主要分布10～0℃层（1.5～3.8 km），云水最大含量可达2 g／kg。过冷水主要位于0～-20℃层（3.8～7.5 km），固态降水物质（雪、霰、冰晶）的含量丰富（图略），冰相粒子大值区高度在5 km左右。可见模式预报云系垂直结构与性质的准确度较高，总体上能预报出过冷水与液态水的分布特征，预报回波底与实况一致，能大致预报出冰雹胚胎所在的高度范围，但对于零度层高度的预报偏低0.2 km，对于局部地区回波顶高的预报偏低约7 km，对于强中心高度的预报偏低0.7 km左右。

图3 2月14日02：00清远地区雷达剖面图（a）和CPEFS模式预报云系垂直结构图（b）

4 结论

1）该次天气过程是发生在南支槽前西南气流和低层风速辐合的大尺度环流背景下，由地面低槽触发强对流，且上干下湿的不稳定层结和合适的0℃层、-20℃层高度，都为强对流天气的发展提供了十分有利的条件。在这种典型天气背景下，模式对天气形势场的预报具有一定的指示意义，能预报出广西上空的南支槽，风向风速与实况基本吻合，对于广东中部的西南低空急流预报位置略偏南、强度略偏小、范围略偏小。

2）CPEFS模式模拟云系的宏观特征、发展演变与实况大体一致，但对于强对流中心预报范围较大，位置略偏南，移速偏慢了18 km／h、对流云生命期偏长。在珠江口及西侧地区存在漏报情况，在珠三角北部、粤东北地区存在空报现象。

3）在云垂直特征和性质上，CPEFS模式预报云系的冷暖性质、垂直结构、0℃层高度与实况接近。

4）总体上能预报出过冷水与云水的分布特征，对于0℃层高度、局部地区回波顶高、强中心高度的预报均略有偏低。

综上所述，CPEFS模式能较准确地预报该次广东冰雹天气过程，为人工防雹决策指挥提供一定的参考依据。