龍巖人工防雹作業(yè)效果分析

.長汀縣氣象局 .龍巖市氣象局 賴巧珍焦志敏陳 菲張 維張紅梅

龍巖人工防雹作業(yè)效果分析

1.長汀縣氣象局 2.龍巖市氣象局 賴巧珍1焦志敏2陳 菲2張 維2張紅梅2

人工防雹作業(yè)已成為減少和減輕冰雹災(zāi)害的最有效措施和手段。但是，防雹效果檢驗仍是人工影響天氣工作者不斷研究和探索的重要課題。更系統(tǒng)、更科學地評估龍巖市防雹效果，該文收集2004年以來的人工防雹作業(yè)雷達資料，選取典型個例對對流單體的雷達參數(shù)進行橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ?，并對人工防雹效果進行統(tǒng)計檢驗，結(jié)果表明，大部分作業(yè)后對流單體的回波強度、回波頂高度等均顯著減小，并且增加作業(yè)彈量能有效增強防雹作業(yè)效果。該文進一步利用龍巖地區(qū)近15 年雷暴日數(shù)、降雹日數(shù)、種煙面積和雹災(zāi)面積，分析氣候變化背景下的人工防雹效果，對人工防雹效果進行歷史回歸定量估計，從而得出龍巖的總體人工防雹效果，為以后更好地開展人工防雹作業(yè)提供依據(jù)。

人工防雹效果 雷達回波 統(tǒng)計檢驗 雹災(zāi)面積 龍巖市

1 概述

冰雹災(zāi)害是由強對流天氣系統(tǒng)引發(fā)的劇烈的氣象災(zāi)害，雖然出現(xiàn)的范圍小、時間短，但由于其來勢猛、強度大，常常給國民經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重的損失。龍巖市是全國八個“優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)科技示范基地”之一，烤煙生產(chǎn)成為龍巖市國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。3～4月是龍巖市冰雹發(fā)生的集中期，此時正值煙葉主生長期，冰雹的襲擊影響煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此雹災(zāi)對煙葉生成的影響尤為嚴重。為有效減少冰雹天氣對經(jīng)濟發(fā)展的影響，龍巖市氣象局從2006年以來開展了人工防雹作業(yè)。采用火箭進行人工防雹作業(yè)已成為減少和減輕冰雹災(zāi)害的最有效措施和手段，受到了各級領(lǐng)導(dǎo)的充分肯定和人民群眾的普遍歡迎，并取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。但是，防雹效果檢驗仍是人影工作者不斷研究和探索的重要課題。就目前的科技水平而言，效果檢驗特別是防雹效果檢驗仍是世界性難題，很難給出令人信服的結(jié)論，雖然難度很大，但是不斷發(fā)展的防雹業(yè)務(wù)需要開展針對效果檢驗方法的研究，并取得了一些初步成果。王慶等通過分析2008年5月23～26日冰雹過程，建立了防雹作業(yè)效果的物理檢驗（包括橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ龋?、物理統(tǒng)計檢驗的效果評估思路[1]；王黎俊等人分析了青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)近50年雷暴日數(shù)、降雹日數(shù)的變化趨勢，說明了氣候變化背景下的人工防雹效果，通過雷暴日數(shù)和雹災(zāi)面積的歷史回歸分析及顯著性檢驗定量估計了人工防雹效果[2]。龍巖市氣象局人影工作者在每次人工防雹作業(yè)后也進行了防雹作業(yè)效果評估，但都是以縱向?qū)Ρ鹊姆椒ㄟM行評估，所得結(jié)論有一定的局限性，因此有必要對龍巖市防雹效果做更系統(tǒng)、更科學的評估，為以后更好地開展人工防雹作業(yè)提供依據(jù)。

2 資料數(shù)據(jù)和方法

2.1 資料來源

2.1.1 人工防雹作業(yè)信息由龍巖市人影辦提供。

2.1.2 雷達資料由龍巖雷達站提供。

2.1.3 冰雹災(zāi)情由從龍巖氣象局信息中心的氣候評價中獲得。

2.1.4 雷暴日數(shù)的資料通過讀取龍巖七個縣的1961年至2013 年A文件的雷暴日數(shù)，2014年～2015年由于停止雷暴觀測，雷暴資料通過讀取地面重要報進行統(tǒng)計。雷暴日數(shù)的定義為：七個縣只要有一個縣出現(xiàn)雷暴即定義一個雷暴日，假如一天里有多個縣出現(xiàn)雷暴不重復(fù)進行計算[3]。

2.1.5 2000年后的煙草雹災(zāi)面積資料由龍巖市煙草公司提供。

2.2 方法

每次作業(yè)過程的播撒高度及作業(yè)距離主要根據(jù)BL－1型火箭彈彈道曲線表（圖1）計算得到。文中選取的有效防雹作業(yè)過程，指作業(yè)方位，作業(yè)仰角，射程和作業(yè)時機都合適，使得火箭彈催化劑在0°層到-20°層之間播撒。

圖1 BL－1型火箭彈彈道曲線圖

根據(jù)“九五”國家科技攻關(guān)成果[1,4]，陜西旬邑縣（寶雞與旬邑相鄰，隴縣與旬邑同屬渭北地區(qū)）冰雹云識別指標：冰雹云初期回波和強回波都出現(xiàn)在0～-5℃之間，在云體的中上部，強冰雹云45dBZ回波頂高＞8km，弱冰雹云45dBZ回波頂高為7～8km。因此本研究只提取作業(yè)過程中冰雹云反射率大于45dBZ和回波頂高＞7km的個例。文中還采用4個雷達參數(shù)來表征冰雹云單體強度：最強反射率DBZ、整層液態(tài)水含量VIL（kg/m2）、風暴頂高度TOP（km）、強回波中心高度HT（km）。

文中使用的t-檢驗方法為成對雙樣本均值t-檢驗。

3 分析結(jié)果

3.1 防雹作業(yè)效果縱向?qū)Ρ确治?/p>

2014年3月28日下午，江淮氣旋東移加強，低層西南急流影響，近地層受入海高壓后部偏東風和西南氣流輻合影響，上杭、永定、武平、連城等縣局部鄉(xiāng)村出現(xiàn)強雷電、短時大風或冰雹等強對流天氣。16時在廣東蕉嶺有對流單體向東北方向移動發(fā)展，此時單體強度較弱。16:55，單體進入龍巖境內(nèi)，B8單體強烈發(fā)展，迅速發(fā)展為成熟的超級單體（圖略）。從圖2可以看出，回波強度在60 DBZ以上，該強回波位于5km高度左右，風暴頂高增大到9km，VIL值也增大到35kg/m2以上，說明此時武平縣的巖前已經(jīng)出現(xiàn)冰雹，之后的2個小時超級單體繼續(xù)向東偏北方向移動，回波強度并沒有減弱，反而最強回波還達到65DBZ以上，VIL值甚至還一度增大到45kg/m2以上，風暴頂高增大到13km以上，所經(jīng)之處武平縣象洞，上杭縣的廬豐、永定的培豐、坎市鎮(zhèn)等地均出現(xiàn)冰雹。19:02，超級單體才從龍巖市新羅南部進入漳州境內(nèi)，強度也明顯減弱。據(jù)不完全統(tǒng)計，28日永定縣受短時大風、冰雹影響烤煙受災(zāi)面積1600畝。

17:01至18:24，龍巖氣象局組織人員在武平縣巖前鎮(zhèn)、上杭縣中都鎮(zhèn)和永定區(qū)湖雷鎮(zhèn)三個作業(yè)點作業(yè)7次，發(fā)射火箭彈54枚（見表1）。7次作業(yè)過程播散高度都在5～6km(播散高度依據(jù)BL-1型火箭彈彈道曲線表計算得到，由于作業(yè)點海拔高度均小于300m，因此不考慮作業(yè)點海拔高度的影響)，而零度層高度在4010m左右，即火箭彈在0°層到-20°層之間播撒，因此作業(yè)仰角合適。7次作業(yè)過程中有2次作業(yè)方位打偏了，2次作業(yè)距離太遠，因此以下只分析其余3次有效作業(yè)過程(表1中加粗部分)。

表1 2014年3月28日冰雹單體B8作業(yè)情況表

17:10至17:30，工作人員在上杭縣中都作業(yè)點有效作業(yè)16枚，從圖2可以看出，對于正在發(fā)展中的超級單體，雖然在中都作業(yè)點有命中冰雹云單體，但是從反應(yīng)單體強度的4個參數(shù)來看，DBZ的減小幅度很小，而強回波中心高度、風暴頂高和VIL減小明顯。作業(yè)后在下游地區(qū)仍然出現(xiàn)冰雹，分析此次作業(yè)過程失敗的一個原因是在中都作業(yè)點作業(yè)時方位角沒有及時調(diào)整，16時35分作業(yè)方位角仍然為330°，而此時冰雹云已經(jīng)移至90°方向。還有一個原因是此次的冰雹云強度太強，雖然有作業(yè)16枚，但是仍然不足以消除冰雹云。

18時當超級單體移入永定境內(nèi)，強度仍很強，B8單體仍然為冰雹云。18時12分左右，工作人員在湖雷作業(yè)點進行第三次作業(yè)，作業(yè)后冰雹云的組合反射率仍然非常強，但是風暴頂高和強回波中心高度均有顯著降低（圖2的18:33以后），在下游地區(qū)沒有收集到雹災(zāi)信息。

圖2 2014年3月28日16：15至20:17，B8作業(yè)單體最強反射率（DBZ）、VIL、風暴頂高（TOP）和強回波中心高度（HG）隨時間變化及作業(yè)時雷達圖和作業(yè)方位

3.2 防雹作業(yè)效果橫向?qū)Ρ确治?/p>

2012年4月15日，高空槽和切變東移南壓，低層急流位于切變南側(cè)，輸送暖濕氣流。地面冷空氣從中路南下，冷鋒迅速南壓。冷暖空氣交匯使得強對流發(fā)展旺盛，龍巖地區(qū)出現(xiàn)強對流天氣（當時0℃層高度為4475m）。16時44分在長汀南部有兩個對流單體U0和U1發(fā)展東移南壓（圖3的16：44）。U0單體與U1單體相差25km左右，且兩個單體的生命史也十分接近，都是在20時左右結(jié)束。U1單體在移動過程中由于附近沒有作業(yè)點，沒有防雹作業(yè)，而U0單體在移動過程中有進行人工防雹作業(yè)三次，因此這兩個單體可以選作橫向?qū)Ρ葌€例。

圖3 2012年4月15日第一次作業(yè)過程兩個冰雹云U0（北部三角形區(qū)內(nèi)單體）和U1（南部單體）橫向?qū)Ρ仁中偷臉酥疚蛔鳂I(yè)點位置

16時58～59分，龍巖局組織人員在宣和作業(yè)點對U0單體進行人工防雹作業(yè)，用彈量6枚，作業(yè)方位270°，命中作業(yè)單體U0。作業(yè)仰角65°，據(jù)BL－1型火箭彈彈道曲線表計算可得，播撒高度在0℃層高度附近，作業(yè)有效。作業(yè)后U0單體減弱明顯而U1單體仍然較強（圖3的17:19和17:37），作業(yè)效果顯著。從圖4可以看出，U0單體經(jīng)過作業(yè)后單體的各項雷達參數(shù)明顯減弱，而U1還在發(fā)展，導(dǎo)致在下游地區(qū)出現(xiàn)冰雹（18:30左右，上杭縣古田鎮(zhèn)有收集到冰雹實況）。

表2 2012年4月15日冰雹單體U0作業(yè)情況表

圖4 單體的最強反射率(DBZ)、強回波中心高度（HG）、液態(tài)含水量（VIL）、風暴頂高（TOP）演變（a——單體U0，b——單體U1）

4 統(tǒng)計結(jié)果檢驗分析

為進一步說明防雹作業(yè)的總體效果，本研究還對2011～2014年24個有效防雹作業(yè)個例中的冰雹云單體的4個雷達參數(shù)進行了統(tǒng)計分析。表3給出了24個個例作業(yè)前、作業(yè)半小時后的雷達參數(shù)（若作業(yè)半小時后對流單體已消亡，則用對流單體最后一個時次的雷達參數(shù)來表征）。從表3 可以看出，作業(yè)后冰雹云單體的DBZ、HG、VIL和TOP均顯著減小，即冰雹云強度減弱。據(jù)統(tǒng)計，分別減小1.8、0.5、8.3和 1.8，減小百分率分別為3%、12%、25%和21%。所得結(jié)果進行t-檢驗，其中DBZ沒有通過顯著性檢驗，其余三個雷達參數(shù)通過0.05的顯著性水平檢驗。雖然DBZ沒有通過顯著性檢驗，但是從作業(yè)前后的方差（分別為7.1和19）可以知道，作業(yè)后樣本之間的差異較大，其中大部分DBZ減小，只有少數(shù)DBZ是增加的。對于這些作業(yè)后DBZ增加的作業(yè)個例都是處于超級單體發(fā)展階段。從以上數(shù)據(jù)還可以看出，VIL減小的幅度最大，TOP次之。

表3 2011～2014年24個有效防雹作業(yè)過程中有效防雹作業(yè)過程冰雹云單體雷達參數(shù)變化

眾所周知，在防雹作業(yè)方位、作業(yè)仰角、射程和作業(yè)時機都掌握好的前提下，用彈量越多，作業(yè)效果越好，為此對防雹作業(yè)彈量大于12枚的作業(yè)個例進行統(tǒng)計。24個作業(yè)個例中，有13次作業(yè)過程作業(yè)彈量大于12枚（表4），這些過程作業(yè)前后DBZ、HG、VIL和TOP減小的平均值分別為3.8、0.6、10.2和2.2，各個參數(shù)減小的平均值較之前均24個過程計算的平均值明顯提高。同樣對所得結(jié)果進行成對雙樣本均值t-檢驗，均通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗，進一步證明了防雹作業(yè)彈量的增加能有效增加作業(yè)效果。通過以上分析對于正在發(fā)展階段的對流單體，更加需要增加作業(yè)彈量，作業(yè)彈量最好能增加到16枚以上，才能有效抑制冰雹的發(fā)展。

表4 2011～2014年13個作業(yè)彈量大于12枚的有效防雹作業(yè)過程冰雹云單體雷達參數(shù)變化

5 歷史防雹效果檢驗分析

對人工防雹前后的雹災(zāi)面積資料進行統(tǒng)計對比，并給出定量化防雹效果的統(tǒng)計檢驗方法而言，沒有考慮到冰雹的自然變化趨勢，因此該統(tǒng)計方法有一定缺陷。為了能更好地統(tǒng)計出人工防雹作業(yè)效果，考慮到雷暴日數(shù)與降雹日數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系[3]，計算中認為雷暴日數(shù)能反映雹災(zāi)面積的自然變化（非人工影響）情況，本文借鑒王黎俊[2]的方法計算人工防雹效果，基本思路是：（1）以可反映冰雹產(chǎn)生自然背景的雷暴日數(shù)為自變量，以可直接反映人工防雹效果的雹災(zāi)面積為因變量。（2）在滿足統(tǒng)計檢驗前提條件的情況下，以未實施人工防雹或效果不顯著的年代為歷史期，進行線性回歸分析，逐年預(yù)測出人工防雹作業(yè)年份雹災(zāi)面積的自然期望值，并計算自然期望值與人工防雹作業(yè)年份雹災(zāi)面積實際值的差值。（3）通過顯著性檢驗，可認為具有一定可信度的該差值是由非自然因素導(dǎo)致的人工影響變化值，并將該差值定義為人工防雹減災(zāi)面積，則該差值為正，值越大表明防雹效果越好。計算得到的人工防雹減災(zāi)面積能定量化表征人工防雹效果。

雹災(zāi)面積和雷暴日數(shù)的逐年變化曲線見圖5，從圖中可見，在2005年進行人工防雹作業(yè)以前，雷暴日數(shù)能很好地反映出受災(zāi)面積的變化，二者的相關(guān)系數(shù)為0.85。因此還是能用作歷史回歸分析。

圖5 2000～2015年雹災(zāi)面積百分比和雷暴日日數(shù)逐年變化曲線

5.1 歷史回歸分析

以未進行人工防雹作業(yè)的年份2000～2005年為歷史時期，由于二者具有較好的相關(guān)性，因此可以用于進行線性回歸分析，線性回歸線模型見圖6。對回歸方程進行F檢驗，F(xiàn)值為11，通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗。同時對回歸參數(shù)a=0.23和b=-9.49進行t檢驗，也均通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗。因此可以用該模型預(yù)測人工防雹作業(yè)年份（2006～2015年）雹災(zāi)面積的期望值。

圖6 2000～2005年3-6月雷暴日數(shù)與雹災(zāi)面積的線性回歸

5.2 估算人工防雹作業(yè)減災(zāi)面積

圖7給出了2006～2015年逐年人工防雹減災(zāi)面積①，由圖可見，除了2012年以外，人工防雹減災(zāi)面積均為正值，即人工防雹作業(yè)減少了雹災(zāi)損失，尤其是2010年、2013年和2015年防雹效果好。而2012年，人工防雹減災(zāi)面積為負值，主要是由于2012年龍巖頻繁受到冰雹襲擊，出現(xiàn)了近10年最大雹災(zāi)。特別是2012年4月11～15日連續(xù)下了5日的冰雹，同時模式對于16日的強對流天氣條件預(yù)報較弱，因此16日為臨時啟動防雹作業(yè)，煙葉損失嚴重，導(dǎo)致該年人工防雹作業(yè)效果差。

對2006～2015年逐年計算結(jié)果求平均，得到年均實際受災(zāi)面積為1.23萬畝/年，年均雹災(zāi)自然期望值（若未進行人工防雹作業(yè)的可能受災(zāi)面積）2.30萬畝/年，即可得年均人工防雹減災(zāi)面積為1.07萬畝/年，因此年均防雹減災(zāi)率（人工防雹減災(zāi)面積與雹災(zāi)自然期望值的比值）為46.5%。

圖7 2006～2015年雹災(zāi)自然期望值、實際受災(zāi)面積和人工防雹減災(zāi)面積（萬畝）

6 結(jié)論

（1）橫向?qū)Ρ确治龊涂v向?qū)Ρ确治霰砻?，選取正確的作業(yè)仰角、作業(yè)方位的人工防雹作業(yè)能有效減弱冰雹云單體。對于衰減階段的冰雹云單體（距離單體形成2個小時）進行人工防雹作業(yè)火箭彈14枚以上，能起到很好的防雹效果。而對于正在發(fā)展的超級單體（距離單體形成在半小時以內(nèi)）進行防雹作業(yè)，發(fā)射火箭彈8枚或者不足8枚時，雖然在短時內(nèi)能減弱冰雹云單體，但是冰雹云單體很快又能重新發(fā)展為超級單體。對于這種正在發(fā)展的超級單體，建議作業(yè)后形成“接力式”防雹作業(yè)。

（2）對24個有效防雹作業(yè)過程進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，大部分作業(yè)后，DBZ、HG、VIL和TOP均顯著減小，并且增加作業(yè)彈量能有效增強防雹作業(yè)效果。

（3）通過歷史回歸的方法分析了氣候變化背景下人工防雹效果，并得到：2006～2015年的年均人工防雹減災(zāi)面積為1.07萬畝/年，年均防雹減災(zāi)率為46.5%。

注釋：

①人工防雹減災(zāi)面積是指雹災(zāi)面積的自然期望值與雹災(zāi)面積實際值的差值；

正值越大，防雹效果越好。

[1] 王慶,樊明月. 一次防雹作業(yè)過程的效果分析[C]// 中國氣象學會年會, 2012.

[2] 王黎俊,銀燕,郭三剛,等.基于氣候變化背景下的人工防雹效果統(tǒng)計檢驗:以青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)為例[J].大氣科學學報, 2012, 35(5):524-532.

[3] 李照榮,丁瑞津,董安祥,等.西北地區(qū)冰雹分布特征[J].氣象科技,2005, 33(2): 160-162.

[4] 李金輝.隴縣防雹作業(yè)前后雷達回波變化分析[J].陜西氣象，2009(6):9-12．