CINRAD雷達與車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)指揮防雹減災新技術的應用

任朝武

（兵團第七師氣象局，新疆 奎屯 833200）

0 引言

兵團第七師地處歐亞大陸腹地、 西天山北麓中段，是典型的干旱與半干旱氣候區(qū)，海拔400～500 m，屬北溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大。自然災害有冰雹、大風、霜凍和蟲害等，其中冰雹是主要的農牧業(yè)災害之一，經(jīng)常給七師墾區(qū)的棉花、小麥、玉米等農作物帶來嚴重危害。

1 冰雹云識別預警

在兵團第七師冰雹云天氣識別通常是先確定是否有強對流體存在，然乎再通過回波形態(tài)（PPI：鉤狀、指狀、弓形、人字形回波，V 形缺口，弱回波區(qū)等；RHI：穹窿、回波墻、旁瓣回波等）識別冰雹云[1]，這種識別方法準確率依賴于雷達觀測人員的經(jīng)驗且離降雹發(fā)生時間較近，難以保障防雹作業(yè)取得最大效益。而過早實施催化作業(yè)不僅會浪費人力財力，且催化效果不明顯。因此，早期準確識別雹云關系到防雹作業(yè)的成敗。

利用第七師墾區(qū)2013—2018年5 次有記錄的詳細降雹天氣資料做為統(tǒng)計樣本，選取并定量分析幾個判別因子，以便快速準確的識別雹云。

1.1 H40dBz、H45dBz、H50dBz回波高度與溫度

H40dBz、H45dBz、H50dBz是第七師人影辦利用新一代天氣雷達RHI 識別雹云重要的指標，不同月份高度指標不盡相同。冰雹云的形成與云內溫度分布有密切關系，尤其是H40dBz、H45dBz、H50dBz回波高度伸展到-6 ℃和-20 ℃溫度層區(qū)間，是指揮人員判別雹云和指揮作業(yè)的主要指標。利用樣本資料中冰雹天氣發(fā)生當日08時克拉瑪依氣象局探空資料（見表1），計算出-6 ℃和-20 ℃溫度層高度，并分析H40dBz、H45dBz、H50dBz隨時間演變特征，得出冰雹云發(fā)展至成熟期H40dBz、H45dBz、H50dBz均在-6 ℃和-20 ℃溫度層高度范圍內。此前對克拉瑪依氣象局08 時探空資料的研究表明，本地區(qū)6～8月-6 ℃和-20 ℃溫度層高度分別為4.99 km 和9.66 km；4月、5月和9月是6～8月各層高度的0.8～0.9 倍（統(tǒng)計估算），與冰雹天氣實況對應較好。因此，可將H40dBz、H45dBz、H50dBz對應的高度和溫度作為冰雹識別指標。

圖1 一次輻合輻散始終伴隨冰雹云天氣過程

1.2 垂直液態(tài)含水量

對2013—2018年第七師夏季6 次降雹天氣過程中垂直液態(tài)含水量變化（圖略）進行分析，如2013年7月28日降雹前1 h 垂直液態(tài)含水量最大值為34.6 kg/m2，21：23～21：34 時，10 min 液態(tài)含水量由27.7～34.6 kg/m2增加了7 kg/m2，增長率為25%，21：45～21：56 時，10 min 液態(tài)含水量由25.6～31.7 kg/m2增加了6 kg/m2，增長率為23%，結合對應的最強組合反射率為60 dBz，H40dBz、H45dBz和H50dBz最強回波高度分別達到9.0 km 、8.6 km 和8.2 km，最大回波頂高達13 km，風速隨高度增加而增加，風向自下而上由東北風轉為西北風，2 km 以下為氣旋性切變，雹云移動平均速度為31 m/s。對應地面資料烏蘇市古爾圖、四棵樹、紅旗等鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受洪水災害，受災面積0.27 萬余hm2。2015年6月28日，液態(tài)含水量最大值為16.4 kg/m2，16：38～16：48 時，液態(tài)含水量由1.1～8.2 kg/m2增加了7 kg/m2，增長率為636%，16：54～17：05 時，液態(tài)含水量由11.5～16.4 kg/m2增加了5 kg/m2，增長率為43%。冰雹云自西北向東偏南方向移動，對應的最強組合反射率為54 dBz，H40dBz、H45dBz和H50dBz最強回波高度分別達8.6 km 、7.5 km和6.5 km，最大回波頂高達12 km，冰雹直徑1.0～1.5 cm，第七師一三〇團受災面積約0.13 萬hm2。2014年、2016年、2017年和2018年4 次冰雹云天氣過程分別對七師墾區(qū)造成較大災害和農業(yè)損失。從垂直液態(tài)含水量變化（圖略）可以看出，一是垂直液態(tài)含水量在降雹前躍增現(xiàn)象明顯；二是通過對6 次降雹天氣統(tǒng)計，冰雹云的垂直液態(tài)含水量較大，10 min 內的躍增幅度最小為23%，最大可達到636%；三是垂直液態(tài)含水量指標變化可以作為識別冰雹的較好指標。

1.3 云頂回波高度

2013—2018年第七師夏季6 次降雹天氣最大回波頂高階段性變化較明顯。5月份的降雹天氣最大回波頂高在8～9 km，6、7月份出現(xiàn)的降雹天氣最大回波頂高都在10 km 以上，最高達到13 km，降雹時間與回波頂高達到最高值相吻合。冰雹災害統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2013年5月13日冰雹直徑為0.3～0.5 cm，成災面積0.4 萬hm2；2014年5月22日冰雹直徑為0.3～0.5 cm，成災面0.07 萬hm2；2015年6月28日冰雹直徑1.0～1.5 cm，成災面積0.13 萬hm2；2016年6月23日冰雹直徑為0.5～1.0 cm，成災面積0.13 萬hm2；2017年7月4日冰雹直徑為0.5～0.7 cm，成災面積400 hm2；2013年7月28日成災面積0.27 萬hm2，烏蘇古爾圖、四棵樹、紅旗等多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)洪水。結果表明，云頂回波高度與冰雹直徑大小和降水量也有很好的相關性。

1.4 輻合輻散

統(tǒng)計第七師2013—2018年雷達回波資料，分析不同仰角（1.5°、2.4°、3.4°）徑向速度場特征，抽取了強對流天氣11 個，對7 個產(chǎn)生降雹天氣、4 個強降水天氣進行研究分析，得出每個降雹天氣在1.5°和2.4°都出現(xiàn)了輻合輻散。根據(jù)風屬性輻合輻散特征、ΔVr＞0 公式判定為風速性輻合的7 個、 輻散3 個、輻合輻散表現(xiàn)不明顯1 個，伴隨風切變6 個，逆風區(qū)5 個。在6 次降雹天氣過程中，輻合輻散始終伴隨著冰雹云天氣過程，例如2018年6月30日，20：17 時1.5°仰角可以看到輻合，20：46 時云體在一二六團產(chǎn)生降水，1.5°和2.4°顯示為輻散，其后可以看見一個較弱的輻合（見圖1），實際情況顯示，當日當時云體前部在降水，后部在移動過程中逐漸加強，21：17 云體再次發(fā)展成熟，在一二八團281、282 炮點之間降暴雨夾10 s 冰粒。

2 防雹作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)

第七師車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)是七師氣象局與烽火臺合作開發(fā)的車輛GPS 定位系統(tǒng)，通過車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實時準確掌握作業(yè)火箭車輛的位置和運行軌跡，使指揮人員能準確調集不同部門作業(yè)火箭車輛集中開展跨區(qū)域聯(lián)合防雹（增雨）作業(yè)，在作業(yè)初期形成局部火力優(yōu)勢，達到早期催化作業(yè)的目的，進一步完善區(qū)域聯(lián)防作業(yè)功能，提高催化作業(yè)效果。（1）通過新一代天氣雷達的連續(xù)探測，可對冰雹云的位置準確定位，利用火箭車輛智能管理平臺和火箭車輛的靈活性，及時而準確地對冰雹云進行早期催化。冰雹云天氣演變較快，往往10 min 左右云體就可能發(fā)展成熟并產(chǎn)生降雹，一旦貽誤戰(zhàn)機，就會造成農牧業(yè)重大災害。（2）第七師對雹云的作業(yè)時機越早越好，七師墾區(qū)識別雹云以40 dBz 高度達到0 ℃層以上就可指揮作業(yè)，如果是中空發(fā)展單體，應在初始階段作業(yè)。作業(yè)部位以弱回波區(qū)或－6～－20 ℃的高度層為最佳，只要適時在弱回波區(qū)作業(yè)，破壞氣流的上升作用，即可達到好的作業(yè)效果。由于冰雹云的移動和高空風力、風向等變化，使用火箭作業(yè)時誤差較大，要做到精準作業(yè)難度較大。（3）舉例：2018年6月30日第七師墾區(qū)受低渦短波影響，16：00 在一二六團北面不斷有強對流單體發(fā)展，自西北向東南方向移動，21：20 新一代天氣雷達測探測到云體高度9 km，40 dBz 強中心高度7 km，師聯(lián)合防雹指揮部利用車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)及時合理指揮一二六團火箭車輛向前推進10 km 以上，進入到托里山區(qū)山腳下開展催化作業(yè)，一二七團火箭車輛向一二六團移動，一二八團火箭車輛向西北方向挺進，一二九團火箭車輛沿國道向一二八團方向移動，集中局部火力對冰雹云進行早期催化作業(yè)，當日共作業(yè)人雨彈267 發(fā)，火箭彈68枚，作業(yè)后防區(qū)外降了直徑0.5 mm 冰雹，防護區(qū)內降10 s 左右小冰粒，無災，作業(yè)效果良好。

3 防雹措施

近年來，第七師氣象局一直采用聯(lián)防區(qū)“三道防線”和“二打”“二不”“三跟隨”防雹措施開展人影防雹（增雨）作業(yè)（見圖2）。根據(jù)雷達探測回波，結合當日08 時探空資料，對高空溫度分布了解清楚，以七師墾區(qū)雹云路徑為基礎，外推雹云移向和移速，做到提前科學布局地面作業(yè)網(wǎng)絡火力點，根據(jù)雷達速度場產(chǎn)品提煉出所需雹云物理量參數(shù)，根據(jù)風速、風向、云內溫度分布，決定作業(yè)高度（高炮仰角），確定作業(yè)部位，使用無線電臺向各團、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人影辦下達作業(yè)指令。作業(yè)點接到作業(yè)指令后，在2～3 min 內完成發(fā)射任務，將催化劑送入預定區(qū)域內，作業(yè)5 min后，如果雹云危險性繼續(xù)存在，則重復進行第二次作業(yè)；如果第二次作業(yè)后，降雹危險性仍然存在，則進行第三次，直至降雹危險消除或雹云移出聯(lián)防為止。

圖2 第七師聯(lián)防區(qū)“三道防線”

4 小結

（1）通過探空資料查出適宜冰雹增長溫度區(qū)（-6～-20 ℃）高度范圍，工作人員觀測到對流云時，分析H40dBz、H45dBz、H50dBz回波強度的高度，若在-6 ℃和20 ℃溫度層高度范圍內，需布置作業(yè)防線；（2）資料分析顯示，云頂回波高度與冰雹直徑大小和降水量呈正相關，并且垂直液態(tài)含水量有一個明顯躍增現(xiàn)象；（3）冰雹云的發(fā)生發(fā)展往往伴隨著氣旋，且氣旋的伸展厚度和維持強度決定了其發(fā)展速度和強度；（4）通過車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)，科學調動作業(yè)車輛，提前布局地面作業(yè)網(wǎng)點，對初始階段冰雹云天氣形成局部火力優(yōu)勢，達到提前催化目的。