多普勒雷達在湘西北人工防雹中的應用

黃 駿，辛學飛，梁明增，石興瓊

（1.張家界市氣象局，湖南 張家界 427000；2.中國民航飛行學院，四川 廣漢 618307）

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多普勒雷達在湘西北人工防雹中的應用

黃 駿1，辛學飛1，梁明增2，石興瓊1

（1.張家界市氣象局，湖南 張家界 427000；2.中國民航飛行學院，四川 廣漢 618307）

摘 要：利用多普勒雷達產品，并結合地面實況降水等資料對2006年8月14日晚湘西北地區(qū)一次人工防雹作業(yè)進行分析。結果表明：多普勒雷達在指導人工防雹過程中能很好的監(jiān)測對流單體的發(fā)生發(fā)展及其移動路徑，對提前識別冰雹云、選擇判別作業(yè)時機有很好的預警指示作用。利用物理效果檢驗法和插值法還能有效檢驗作業(yè)效果。

關鍵詞：人工防雹；雷達產品；冰雹云

近年來，隨著技術的發(fā)展以及農業(yè)生產的需求，天氣雷達在人工防雹作業(yè)中的應用越來越廣泛，逐漸成為人工防雹作業(yè)中最主要的預測工具。根據(jù)冰雹云形成原理，可通過雷達回波形態(tài)演變特征來識別冰雹云，同時還可通過雷達回波參量的演變來預測冰雹云的發(fā)展，由此判斷實施人工防雹作業(yè)的最佳時間、作業(yè)部位和用彈量等，并依據(jù)實時雷達回波參量的變化來檢驗防雹作業(yè)的效果。樊志超等[1]研究表明，在湘西北地區(qū)，夏季當多普勒雷達參數(shù)為CR≥55dBz、ET≥9 km、VIL≥35 kg·m2時，說明有冰雹云形成；樊鵬等[2]研究表明，在渭北地區(qū)當強回波頂高高度達45 dBz時即有冰雹云形成；段藝萍[3]等基于冰雹云的雷達三維拼圖反射率分布形態(tài)特征，提出在人工影響防雹作業(yè)中識別冰雹云的6個候選指標，分別是組合反射率、云回波頂高、最大反射率回波頂高、垂直累積液態(tài)水含量、垂直累積液態(tài)水含量密度以及垂直累積液態(tài)水含量躍增值。張正國等[4]利用VIL產品來識別廣西地區(qū)的冰雹云，并通過實時參數(shù)指導人工防雹作業(yè)時機、作業(yè)用彈量等；劉治國等研究表明，防雹作業(yè)后雷達的回波頂高、雷達回波強度及30 dBz強回波頂高等參數(shù)明顯小于作業(yè)前，且這種變化往往在作業(yè)后25 min內發(fā)生，作業(yè)效果分別為63.6%，78% 和59%[5-11]。李宏宇[12]等利用農業(yè)氣象災情統(tǒng)計資料和經典的區(qū)域歷史回歸統(tǒng)計方法，對防雹經濟效益進行了客觀定量評估，防雹投入產出比平均為 1∶16。

研究以多普勒雷達探測數(shù)據(jù)為資料，分析了常德地區(qū)2006年8月14日晚一次冰雹云天氣的生成和發(fā)展過程，并利用湘西北地區(qū)天氣雷達的先驗指標參數(shù)指導了一次人工防雹作業(yè)，準確掌握了作業(yè)時機。通過作業(yè)前后雷達回波參數(shù)的變化情況分析可知，該次作業(yè)成功地阻止了冰雹云的擴大和危害，為湘西北地區(qū)人工防雹作業(yè)積累了經驗。

1　? 冰雹天氣概況

2006年8月14日20:00（北京時間，下同）500 hpa圖（圖1a）上，東北－甘東南為冷槽，湘西北地區(qū)為副高控制；與之對應的850 hpa（圖1b）圖上，湘西北地區(qū)位于副高邊緣上切變輻合區(qū)中，且處于＞24℃暖舌內，陜晉一帶為16℃冷中心，冷暖空氣交匯于湘西北地區(qū)。再分析湘西北一帶的△T=T500-T850≈-27℃，總指數(shù)TT= T850＋Td850-2T500≈36℃，顯示大氣層結很不穩(wěn)定。因此，在這樣的熱力不穩(wěn)定條件下，低層冷空氣的侵入觸發(fā)了此次湘西北的局部冰雹天氣。

圖1　北京時間2006年8月14日20:00湘西北地區(qū)高空氣壓實況（A：8月14日20時500 hpa高空實況圖；B：8月14日20時850 hpa高空實況圖）

2　雷達產品分析作業(yè)時機

2.1雷達參數(shù)演變特征分析

組合反射率因子（CR） PPI產品顯示出的是整個可探測大氣空間的最大反射率因子分布，因此有利于探測對流單體的結構特征、強度、移速和路徑等?；夭敻撸‥T）能快速探測風暴的發(fā)展高度。垂直累積液態(tài)含水量（VIL）有助于識別較大冰雹單體、超級單體。徑向速度圖能探測風暴結構，識別氣旋、反氣旋、切變、輻合輻散等。冰雹的尺度較云中水滴大，且必須形成于0℃層以上（夏季不同地區(qū)0℃層高度不一致），因此綜合雷達的多種產品資料能夠較好地了解對流單體的發(fā)生發(fā)展、強度、移動路徑以及三維空間結構特征等，從而可以在統(tǒng)計學的基礎上建立一些能定量識別冰雹的指標。該研究根據(jù)雷達參數(shù)演變特征，參考樊志超等識別夏季湘西北冰雹云的指標（CR≥55dBz、ET≥9 km、VIL≥35 kg·m2），來確定最佳作業(yè)時機。

圖2　冰雹云組合反射率（CR-37）演變（雷達站位于東南方向約89 km）

由CR演變圖（見圖2）可知，21:50在炮點東北方約7 km處有小塊25 dBz的初生回波，在炮點西南方向有也有小塊25 dBz的初生回波；22:02東北方向單體的回波幾乎在原地發(fā)展加強到50 dBz，而西南方向的回波已減弱到了20 dBz以下，所以將觀察重點放在炮點偏東北方向的單體上；東北方向的單體12 min回波增加了25 dBz，發(fā)展十分迅速，其后強度基本維持不變，向西南方向緩慢移動；22:27該單體回波再次加強，出現(xiàn)了小塊55 dBz的強回波；回波繼續(xù)發(fā)展加強，緩慢朝西南方向移動，至22:33，單體中55dBz的回波面積明顯增大，此時回波頂高ET為9 km，垂直累積液態(tài)含水量VIL最大達到了30 kg·m2。

對風暴相對徑向速度（SMR）演變特征進行分析，發(fā)現(xiàn)22:27 仰角0.5°～2.4°SMR表現(xiàn)為輻合特征，仰角4.3° SMR表現(xiàn)為輻散特征，低層輻合、高層輻散的“抽吸”作用有利于該單體發(fā)展加強。22:33 SMR顯示低層輻合、高層輻散進一步加強，這表明該單體將進一步加強發(fā)展。

綜上所述，該單體處于十分旺盛的發(fā)展階段，即將加強為冰雹云或冰雹云初生階段。

2.2作業(yè)時機確定

目前，人工防雹主要采用“有利競爭”方法[13]，即向正在發(fā)展的雹云中的雹胚形成區(qū)播撒人工冰核，通過核化和凝華、碰凍、增長，迅速形成毫米尺度的人工雹胚，同自然雹胚競爭云中過冷卻水，以抑制較大冰雹的形成。因此，最佳的防雹作業(yè)時機應該是雹云的發(fā)展階段。

2006年8月14日，21:50，單體初生，到22:33，該單體一直處于發(fā)展階段，從理論上說這個時段都是適宜作業(yè)時段，但是由于前期單體較小，且其能否發(fā)展為冰雹云還不十分明確，所以將作業(yè)時間選在能大體判別單體將發(fā)展加強為冰雹云后，即22:34～22:36。東泉炮點使用3-7高炮向該單體中上部上升氣流區(qū)以扇形方式發(fā)射了20枚碘化銀炮彈。作業(yè)前，炮點周圍降陣雨，風力8級左右；作業(yè)后約5 min，炮點周圍降大顆的冷雨，并夾雜著綠豆粒大小的冰雹。

3　雷達產品分析作業(yè)效果

3.1作業(yè)后雷達參數(shù)變化

通過同一塊雹云作業(yè)前、后雷達回波的變化來檢驗人工防雹作業(yè)效果的方法屬于物理量檢驗法[11]，此次人工防雹作業(yè)效果就采用此方法檢驗。

由圖2可知，22:39單體冰雹云中組合反射率因子（CR）55 dBz的回波面積增大，且成“多角”形態(tài)；回波頂高ET增高，最大達11 km，炮點為9 km；垂直累積液態(tài)含水量VIL增大到35 kg·m2；在仰角0.5°、2.4°上風暴相對徑向速度（SMR）維持切變輻合特征，4.3°仰角維持輻散特征，且輻散呈加強趨勢。由CR演變圖可知，此單體冰雹云正處于發(fā)展旺盛階段，雷達特征參數(shù)表現(xiàn)出冰雹云特征（CR≥55 dBz、ET≥9 km、VIL=35 kg·m2），同時CR為“多角”形狀。由于作業(yè)才3 min，時間很短，而碘化銀粒子參與競爭到起作用仍需要一段過程，所以作業(yè)效果還不明顯。

22:46（作業(yè)后11 min），單體冰雹云中CR 55 dBz的回波面積較之前有所減小，這主要是大的降水粒子降落的結果，而30 dBz以上的回波面積較之前增大；ET躍增到15～17 km，這主要是炮彈爆炸釋放大量潛熱的結果；最強回波面積的減小、次強回波面積的增大，以及回波頂高的增高，這都是碘化銀粒子參與云內自然粒子活動的結果；此時，VIL增加到40 kg·m2；SMR在≤3.4°仰角范圍內仍維持切變輻合，但4.3°仰角上出現(xiàn)了逆風區(qū)，高層輻合氣流阻礙了對流的進一步加強。

22:52（作業(yè)后17 min），隨著降雨的持續(xù)進行，單體冰雹云中CR 55 dBz的回波進一步減弱，但30 dBz以上的強回波面積進一步增大，也就是說作業(yè)后的單體影響面積變大，ET下降到≤11 km，VIL下降到≤30 kg·m2；SMR上仰角0.5°的零值廓線與雷達掃描線銳角相交，炮點附近表現(xiàn)為輻散特征，仰角≥1.5°上都表現(xiàn)為輻合。

綜上所述，作業(yè)后，30 dBz以上的強回波面積增大，回波頂高降低，表明作業(yè)使冰雹云單體由縱向發(fā)展轉變?yōu)闄M向發(fā)展；垂直累積液態(tài)含水量先增大后減小，表明炮彈發(fā)射后云中水汽沿播撒區(qū)中的碘化銀粒子凝結，使云中雨滴有短時急劇碰撞并增長，加強降水，隨著小冰雹與雨滴降水粒子的降落，垂直累積液態(tài)含水量逐漸減弱；中低空的風暴相對徑向速度維持輻合時間較長，但很快高空轉變?yōu)檩椇蠄?，阻礙了中小尺度環(huán)流的進一步發(fā)展，卻延長了中小尺度環(huán)流維持的時間，從而抑制了冰雹的增長，延長了降水時間；同時單體面積的顯著增大，表明碘化銀催化還能擴大降水范圍。

3.2風暴總累計降水檢驗增雨效果

插值法是根據(jù)觀測數(shù)據(jù)構造一個適當?shù)暮唵魏瘮?shù)來近似替代要尋求的函數(shù)[14]。

Lagrange插值公式如下：

根據(jù)多普勒雷達STP（風暴中累積降水）產品，結合實況雨量資料用Lagrange插值法來構造簡單的函數(shù)，以計算出此次增雨的總量。多普勒雷達STP顯示：炮點是25.4 mm，其他不同地區(qū)還有7.6、15.2、38.1 mm等。地面實況降雨量與之對應分別有不同的值，取其與之對應的平均值，分別為20.2、26.6、50.0 mm。

設插值區(qū)間為[7.6，38.1]，25.4在插值區(qū)間內，則用二次（拋物線）插值公式如下：計算得25.4 mm對應的實況降雨量近似為36.3 mm，那么此次作業(yè)后增加的雨量近似為21.5 mm。由此證實，人工防雹作業(yè)后炮點雨量有所增加。根據(jù)防雹的“競爭”原理，冰雹云作業(yè)后雨量的增加，有效地抑制了冰雹的長大，防雹作業(yè)有效。

4　結論與討論

綜合多普勒雷達產品的組合反射率、回波頂高、垂直累計液態(tài)含水量、風暴相對徑向速度等特征量能有效地監(jiān)測對流云的發(fā)生、發(fā)展及移動路徑演變過程，對實時指導人工防雹作業(yè)有重要作用。在多普勒雷達參數(shù)的指導下，利用組合發(fā)射率≥55 dBz、回波頂高≥9 km、垂直累計液態(tài)含水量≥35 kg·m2的定量臨界判別指標，在判別對流云將發(fā)展成冰雹云的發(fā)展階段作業(yè)，能取得較好防雹效果。通過作業(yè)前后的雷達參數(shù)特征量變化情況能有效檢驗了作業(yè)效果，并可利用插值法構造了一個簡單函數(shù)來粗略計算作業(yè)的增雨量，此次防雹作業(yè)增加降雨21.5 mm?？茖W的人工防雹作業(yè)應用效果非常明顯。

在開展人工防雹前，湘西北每年遭受雹災損失較重。湘西北地區(qū)從2005年起摸索著開展人工防雹作業(yè)，2006年基本形成了一套科學的人工防雹作業(yè)方法，作業(yè)保護區(qū)內幾乎沒有遭受明顯雹災，經濟和社會效益顯著。據(jù)統(tǒng)計，湘西北地區(qū)2006～2015年期間共進行防雹作業(yè)265次，發(fā)射防雹增雨催化炮彈19 690發(fā)，僅烤煙損失就降低6 000萬元以上。人工防雹作業(yè)，使得作業(yè)保護區(qū)因冰雹造成的損失大大降低，除2011年桑植白石鄉(xiāng)因空域安全原因不能作業(yè)造成損失外，其他年份保護區(qū)內幾乎沒有遭受明顯的冰雹災害，防雹效果非常顯著。

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（責任編輯：成 平）

Application of Doppler Radar in Hail Suppression in Northwestern Hunan

HUANG Jun1,2，XIN Xue-fei2，LIANG Ming-zeng3，SHI Xing-qiong2
（1.Chengdu University of Information Technology， Chengdu 61000， PRC； 2. Zhangjiajie Meteorological Bureau， Zhangjiajie 427000， PRC； 3. Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， PRC）

Abstract：Use Doppler radar products and actual ground precipitation information to analyze the action of hail suppression in the evening of 14 August, 2006 in Northwestern Hunan. The results show that Doppler radar has advantages of monitoring the development and movement path of convective cells in the process of guiding hail suppression. It is useful for the identification of hailstorm before it forms and the selection of the best time to take actions. Using physical effects test and interpolation method can test operation results effectively.

Key words：hail suppression; radar products; hailstorm

作者簡介：黃 駿（1982-），男，貴州甕安縣人，工程師，主要從事天氣氣候預報與預測研究。

基金項目：張家界市氣象局和湖南省煙草公司張家界市分公司合作項目

收稿日期：2016-01-14

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.04.016

中圖分類號：S163+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）04-0053-04