多普勒天氣雷達(dá)在人工防雹中的應(yīng)用研究

傅超　鄭鐘堯　崔倩　張唯

摘 要：多普勒雷達(dá)作為現(xiàn)階段在進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)過程中應(yīng)用范圍較廣的一種設(shè)備，在現(xiàn)階段氣象防災(zāi)減災(zāi)過程中產(chǎn)生了良好的效果。冰雹作為一種危害較大，對(duì)人們正常生產(chǎn)生活產(chǎn)生較大影響的一種自然災(zāi)害，隨著近些年來氣候變化的逐漸加劇，發(fā)生幾率也在逐漸增加。通過應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)冰雹災(zāi)害的預(yù)測，降低其產(chǎn)生的危害。

關(guān)鍵詞：多普勒天氣雷達(dá);人工防雹;應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：S16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715065

引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國現(xiàn)階段在進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)方面的能力已經(jīng)得到加強(qiáng)，各種新型技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用極大地提升了當(dāng)前對(duì)于各種氣象災(zāi)害的防治效果。人工防雹作為現(xiàn)階段人工影響天氣，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)目的的重要組成部門，在技術(shù)和設(shè)備使用的基礎(chǔ)上效果也有了較大的提高。多普勒雷達(dá)作為其中具有較強(qiáng)代表性的一種設(shè)備值得進(jìn)行研究。本文將就此展開討論。

1 冰雹災(zāi)害產(chǎn)生的氣象背景分析

1.1 發(fā)生冰雹災(zāi)害之前的天氣形勢配置分析

以2015年6月河北省發(fā)生的一次冰雹災(zāi)害來看，華北平原地區(qū)500hPa受高空冷渦底部的高空槽影響，冷渦經(jīng)向度大，西北部不斷有冷空氣補(bǔ)充南下。東側(cè)高壓脊阻擋，西側(cè)阻塞形勢建立，環(huán)流穩(wěn)定少動(dòng)。冷渦附近溫度槽落后于高度槽，冷渦南部出現(xiàn)20m/s以上的大風(fēng)速核，這是河北省出現(xiàn)冰雹的典型配置。700hPa冷渦結(jié)構(gòu)明顯，河北東部位于冷渦東南象限，850hPa風(fēng)向風(fēng)速切變位于河北中東部，溫度脊配合風(fēng)場，有暖平流位于河北東部，為過程提供系統(tǒng)性不穩(wěn)定條件。地面是西高東低的氣壓場形勢，氣壓梯度大值區(qū)位于河北西部。從邢臺(tái)探空圖看，0℃層高度在4km（600hpa）上下，-20℃高度在6km（600hpa）上下，高度適宜，符合河北省冰雹發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品分析

從雷達(dá)回波特征看，強(qiáng)回波生成于保定地區(qū)，向東移過程中發(fā)展加強(qiáng)，到達(dá)滄州地區(qū)中心強(qiáng)度最大超過65dBz，前部有明顯入流缺口。從強(qiáng)回波內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)特征分析，出現(xiàn)明顯回波懸垂，強(qiáng)回波中心頂高超過15km，說明上升氣流強(qiáng)盛，發(fā)展高度高。從組合反射率特征分析，強(qiáng)回波由4個(gè)回波單體組成，呈帶狀分布，強(qiáng)回波區(qū)域最大直徑可達(dá)20km。垂直剖面顯示，強(qiáng)度>50dBz的回波高度在10km左右，這些都是產(chǎn)生冰雹的典型特征。

1.3 發(fā)生冰雹災(zāi)害之前的水汽情況分析

對(duì)于冰雹發(fā)生前的水汽情況來看，在發(fā)生冰雹災(zāi)害之前華北地區(qū)上空水汽分布不均。近地層相對(duì)濕度較大，滄州地區(qū)相對(duì)濕度達(dá)70%以上，溫度露點(diǎn)差小于4℃。700hpa到500hpa溫度露點(diǎn)差達(dá)13℃以上，說明中層濕度小，為相對(duì)干層，這種上干下濕的水汽層結(jié)配置有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。從水汽云圖可以看到，在發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣之前，低層基本上是受到淺薄暖濕氣流的控制，這些暖濕氣流為冰雹災(zāi)害的發(fā)生提供了水汽和能量。

1.4 發(fā)生冰雹災(zāi)害的能量條件分析

較大的溫度垂直遞減率為冰雹天氣發(fā)生的不穩(wěn)定的層結(jié)配置，有利于不穩(wěn)定能量的增加，一旦強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)，較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量從位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，促使對(duì)流發(fā)展加強(qiáng)，所以強(qiáng)溫度梯度是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生之前的重要指標(biāo)。通過對(duì)本次過程早晨08：00的溫度場配置看，河北省中南部850hpa和700hpa溫差達(dá)到30℃以上，溫度直減率較大，達(dá)到了河北省強(qiáng)對(duì)流溫差標(biāo)準(zhǔn)。分析對(duì)流有效位能可知，850hpa河北省中南部cape達(dá)1356J/kg，K指數(shù)達(dá)38℃，沙氏指數(shù)為-1.9，從各參數(shù)指標(biāo)來看滄州地區(qū)存在著較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，對(duì)冰雹的發(fā)生發(fā)展非常有利。

1.5 發(fā)生冰雹災(zāi)害的氣象抬升條件分析

冰雹天氣的觸發(fā)抬升作用可由多種系統(tǒng)引發(fā)，如近地面的輻合線、露點(diǎn)鋒、干線、局地?zé)崃μ?、地形抬升等。這是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的啟動(dòng)條件。本次過程在冰雹災(zāi)害發(fā)生之前，河北省中南部存在一條東北-西南向地面輻合線，冰雹風(fēng)暴初始發(fā)生在輻合線北側(cè)，強(qiáng)對(duì)流天氣開始之后，地面輻合線發(fā)展加強(qiáng)，與強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展起到相互促進(jìn)作用。中層700hpa出現(xiàn)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，200hpa對(duì)應(yīng)負(fù)散度中心，這種低層輻合，中層上升，高層輻散的配置非常有利于對(duì)流天氣的發(fā)展增強(qiáng)，出現(xiàn)冰雹的概率增大。

2 多普勒雷達(dá)獲取到的資料產(chǎn)品研究

2.1 多普勒雷達(dá)的回波特征研究

通過對(duì)本次發(fā)生冰雹災(zāi)害的雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)回波發(fā)生于滄州西北部地區(qū)，強(qiáng)度最大超過65dBz，前部有明顯入流缺口，說明風(fēng)暴入流氣流較強(qiáng)，發(fā)展強(qiáng)盛。強(qiáng)回波內(nèi)的垂直結(jié)果特征為：中低層為有界弱回波區(qū)，中層有強(qiáng)烈的回波強(qiáng)度梯度，高層形成明顯的穹窿結(jié)構(gòu)，回波頂高伸展到15km，這是典型的冰雹回波特征。

從具體演變過程來看，回波強(qiáng)度大于50dBz區(qū)域自西向東移動(dòng)，移動(dòng)過程中，大于60dBz的強(qiáng)回波帶先維持，后在與滄州原地生成的降水回波相遇后，減弱至小于60dBz。而滄州地區(qū)原地生成的降水回波在自身發(fā)展的同時(shí)與主回波帶合并加強(qiáng)，強(qiáng)回波不斷向東移動(dòng)，經(jīng)過路徑出現(xiàn)了冰雹大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。在回波最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)了明顯的長釘特征，即三體散射特征，這是判斷冰雹的出現(xiàn)的重要指標(biāo)。

2.2 垂直累積液態(tài)水含量情況研究

垂直累積液態(tài)水含量（VIL）一般是對(duì)降水潛力、強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生幾率等氣象狀況進(jìn)行研究的重要標(biāo)志。通過采用多普勒天氣雷達(dá)可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)這一氣象特征的探測。通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在冰雹災(zāi)害發(fā)生之前，垂直累積液態(tài)水含量都會(huì)大于40kg/m2。這一數(shù)值隨著冰雹的不斷臨近而不斷增大，在冰雹災(zāi)害發(fā)生之后會(huì)出現(xiàn)降低。在本次研究中出現(xiàn)數(shù)值的跳躍情況，這意味著冰雹在這一段時(shí)間內(nèi)不斷增大。因此這一氣象特征同樣可以有效的指示冰雹的發(fā)生情況。

2.3 風(fēng)的垂直廓線研究

通過對(duì)本次冰雹災(zāi)害發(fā)生前后的風(fēng)廓線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，地面風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，但是在925hPa以上風(fēng)向就會(huì)變化為西南風(fēng)。同時(shí)在相應(yīng)高度風(fēng)速會(huì)不斷發(fā)生變化，風(fēng)向隨著高度的上升會(huì)出現(xiàn)順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)風(fēng)速也會(huì)增大。從地面到925hPa這一范圍內(nèi)，風(fēng)向由東南風(fēng)在換變?yōu)槲髂巷L(fēng)，同時(shí)500hPa之間的垂直風(fēng)切變矢差大約為16m/s。強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變有利于對(duì)流風(fēng)暴的加強(qiáng)和維持。

3 人工防雹

3.1 人工防雹的原理與方法

冰雹天氣屬于強(qiáng)對(duì)流天氣，一般都伴有自然降水的存在，先有降水，然后伴隨冰雹的到來。人工防雹就是設(shè)法減少或切斷給小雹胚的水分供應(yīng)，一般需要向云中播撒足夠量的催化劑，以產(chǎn)生大量冰晶，迅速形成更多的水滴或冰粒，造成同雹胚競爭水分的優(yōu)勢，從而抑制雹塊的增長。

一般在人影作業(yè)點(diǎn)用高炮或火箭將裝有碘化銀的彈頭發(fā)射到冰雹云的適當(dāng)部位，以噴焰或爆炸的方式播撒碘化銀，阻止冰雹繼續(xù)增大，除此之外，炮彈爆炸后大量的粉塵，可作為水汽凝結(jié)核，快速將冰雹云中的水汽凝結(jié)成水滴以液態(tài)水降落到地面，截?cái)嘈律⒒虮⒗^續(xù)增大所需的水汽。最終達(dá)到冰雹數(shù)量的減少和控制冰雹體積的增大。人工防雹主要是減少降落到地面的冰雹數(shù)量并減小冰雹體積，同時(shí)增加了液態(tài)降水，但抑制或減輕了雹災(zāi)。

3.2 結(jié)合多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行人工防雹

結(jié)合多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行人工防雹是人工局部影響天氣的一種重要手段，通過雷達(dá)探測確定空氣中有冰雹云存在時(shí)，則可立即實(shí)施人工防雹作業(yè)。本次冰雹云回波參數(shù)的判定：回波高度在1min內(nèi)增加了400m并且回波強(qiáng)度在每分鐘之內(nèi)平均上升了2dBZ，零度層以上出現(xiàn)強(qiáng)回波，在出現(xiàn)這種情況下即判定為冰雹云。在進(jìn)行人工防雹作業(yè)的過程中，作業(yè)部位要選擇在冰雹云體的前沿部位;同時(shí)，要確定上升氣流區(qū)域防雹作業(yè)時(shí)機(jī)及用彈量與雷達(dá)回波強(qiáng)度、回波頂高度和回波單體面積、溫度、回波性狀的關(guān)系。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)多普勒天氣雷達(dá)在人工防雹中的應(yīng)用情況進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，冰雹災(zāi)害作為強(qiáng)對(duì)流天氣，主要會(huì)對(duì)低層切變線造成影響。同時(shí)由于受到冷空氣的影響，對(duì)流氣象出現(xiàn)遷移直至結(jié)束。由于低層輻合和高層輻散抽吸作用也使得這種強(qiáng)對(duì)流天氣得到較長時(shí)間的發(fā)展。這在客觀上為冰雹災(zāi)害的發(fā)展提供了有利條件。通過采用多普勒天氣雷達(dá)可以在人工防雹過程中獲得較好的效果，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的作用。

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作者簡介：

傅超（1983-），男，本科，工程師，研究方向：天氣雷達(dá)原理及應(yīng)用。