基于雙線偏振天氣雷達(dá)的人工防雹作業(yè)效果分析

曾勇 文繼芬 李迪 張淑霞 李皓

摘? 要：利用X波段雙線偏振雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地面觀測(cè)和防雹作業(yè)資料，從微物理特征對(duì)一次典型雹暴過程防雹作業(yè)效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：作業(yè)前差分反射率ZDR基本處于負(fù)值區(qū)，作業(yè)后ZDR在-0.3dB

關(guān)鍵詞：雹暴;偏振雷達(dá);人工防雹;粒子識(shí)別

中圖分類號(hào)：P482? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0047-03

Abstract： Based on X-band double linear polarization radar observation data， combined with ground observation and hail suppression operation data， the hail suppression effect of a typical hail storm process was analyzed from the microphysical characteristics. The results show that the differential reflectance ZDR was basically in the negative area before operation， and the average value of ZDR between -0.3dB and 0.3dB after operation increases by 0.8 dB. The proportion of correlation coefficient greater than 0.9 decreases from 83.49 before operation to 33.03 after operation. The changes of ZDR and ρhv were the result of the competition between artificial ice nuclei and natural hailstone embryos for supercooled water to produce more ice crystals. Before operation， hail grains coexist with the mixed area of ice and water in the target area. After operation， the area of the mixed area of ice and water decreases， and the artificial ice core was consumed by the supercooled water， which restrains the formation of large hail. The operation timing of the artificial hail suppression operation was basically accurate， and the artificial hail suppression operation has played a certain effect.

Keywords： hail storm; polarization radar; artificial hail suppression; particle recognition

引言

人工防雹作為有防御和減輕冰雹災(zāi)害的有效技術(shù)手段，目前我國已經(jīng)有32個(gè)省（省、直轄市、自治區(qū)、建設(shè)兵團(tuán)）開展人工防雹作業(yè)[1]。天氣雷達(dá)主要用作冰雹預(yù)警及人工防雹作業(yè)決策與指揮，37mm高炮作為人工防雹作業(yè)的主要工具，使用率超過95%，火箭作為輔助防雹作業(yè)工具[2]。人工防雹原理主要基于將攜帶碘化銀（AgI）的炮彈發(fā)射到需要進(jìn)行播撒雹云區(qū)域內(nèi)，使大量人工冰核與自然雹胚“爭食”作業(yè)區(qū)域內(nèi)水汽，從而限制冰雹的增長[3，4]。目前關(guān)于人工防雹作業(yè)效果評(píng)估主要基于新一代天氣雷達(dá)回波宏觀參量演變的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，而缺少對(duì)作業(yè)前后目標(biāo)云體內(nèi)微物理參量的分析[5-7]。本文利用雙線偏振雷達(dá)能識(shí)別水成物粒子功能，對(duì)一次人工防雹作業(yè)效果進(jìn)行了分析，主要從作業(yè)前后雙線偏振雷達(dá)偏振參量變化展開分析，將宏觀分析與微觀分析相結(jié)合，更加科學(xué)地分析防雹作業(yè)效果。

1 天氣實(shí)況、資料與方法

2018年3月12日20時(shí)（北京時(shí)間，下同）開始，貴州省中部清鎮(zhèn)地區(qū)出現(xiàn)雷雨冰雹天氣，清鎮(zhèn)辛店、暗流多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，局地冰雹密度在300到400粒左右，冰雹顆粒最大直徑14毫米。

本研究雷達(dá)資料來源于清鎮(zhèn)X波段雙線偏振雷達(dá)（106.376°E，26.52°N）觀測(cè)資料，降雹實(shí)況資料與防雹作業(yè)信息來自于當(dāng)日天氣報(bào)文與人影作業(yè)站點(diǎn)。在20：21-20：24分暗流和衛(wèi)城兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)利用DF37mm高炮開展人工防雹作業(yè)，用彈量各均為60發(fā)。因空域繁忙，在首次降雹20：05分之前未開展防雹作業(yè)，降雹后雹云回波沒有減弱，繼續(xù)得到能量補(bǔ)充增強(qiáng)。基于云精細(xì)化分析系統(tǒng)與X波段雙線偏振雷達(dá)產(chǎn)品分析終端，對(duì)防雹作業(yè)前后X波段雙線偏振雷達(dá)回波參量進(jìn)行追蹤統(tǒng)計(jì)分析。表1給出了降雹基本信息與防雹作業(yè)信息。

表1 降雹信息與防雹作業(yè)信息

2 偏振雷達(dá)偏振參量分析

差分反射率因子ZDR是雷達(dá)發(fā)射和接收水平與垂直電磁波束經(jīng)過運(yùn)算得到，主要反映雹粒子、液態(tài)水滴等空間取向排列及大小差異，具有較高反射率與較低的ZDR值產(chǎn)生冰雹可能性較大。相關(guān)系數(shù)ρhv主要反映雷達(dá)接收水平和垂直電磁波對(duì)雹粒子、水滴的相關(guān)程度，雹粒子因其形狀差異，各向排列取向不規(guī)則，ρhv小，相反水滴ρhv較大。圖1給出了作業(yè)前后雹云5.35km高度層上ZDR所占比例。從ZDR占比可以看出，作業(yè)前中后ZDR基本處于負(fù)值區(qū)，在正值區(qū)占極低的比例。說明此時(shí)云內(nèi)已經(jīng)生成了的小冰雹，在強(qiáng)烈的上升氣流下雹粒子在不斷的翻滾、碰并和吸濕增長，因此作業(yè)時(shí)機(jī)基本準(zhǔn)確。-0.3dB

相關(guān)系數(shù)ρhv反映了水平偏振和垂直偏振回波功率之間的相關(guān)系數(shù)，表征云水粒子前后形狀和尺寸，ρhv對(duì)于降雨和干雪時(shí)其值較大，接近于1，說明水平電磁波和垂直電磁波相關(guān)性好，而融化層中冰雹和濕雪時(shí)ρhv值相對(duì)較小。圖2給出了相關(guān)系數(shù)ρhv在作業(yè)前后的占比。從作業(yè)前后ρhv占比變化看，ρhv大于0.9占比從作業(yè)前的83.49減小到作業(yè)后的33.03，小于0.9比例在增加。作業(yè)前是冰水混合區(qū)，已有少量雹粒子吸濕過冷水增長，作業(yè)后雹粒子數(shù)量增加，空間取向呈現(xiàn)不規(guī)則排列，導(dǎo)致雷達(dá)掃描體積范圍內(nèi)水平與垂直后向散射相關(guān)程度比單純雨區(qū)小，相關(guān)系數(shù)減小。

從ZDR與ρhv總體變化，說明此次防雹作業(yè)向過冷水區(qū)注入的防雹增雨彈爆炸后生成大量冰晶與自然雹胚爭食過冷水，抑制了大冰雹的生成。從作業(yè)前新一代多普勒天氣雷達(dá)組合反射率及強(qiáng)回波高度看，有可能產(chǎn)生與20：05分的降雹直徑14mm相當(dāng)，但在作業(yè)后根據(jù)地面觀測(cè)資料在20：33分在清鎮(zhèn)暗流降雹，冰雹直徑8mm，說明此次防雹有一定效果，防雹催化抑制了大冰雹的形成。

利用X波段雙線偏振雷達(dá)對(duì)作業(yè)前后和降雹時(shí)刻降水粒子識(shí)別，識(shí)別結(jié)果見圖3，從圖3可以看出，在作業(yè)之前（20：15），目標(biāo)區(qū)主要粒子構(gòu)成為冰水混合區(qū)，含有極小部分小冰雹，說明有雹粒子正在發(fā)展;作業(yè)中（20：21），目標(biāo)區(qū)冰水混合區(qū)面積減小，而小冰雹區(qū)域面積增加，作業(yè)催化劑在云體內(nèi)開始生成冰核，與自然雹胚爭食過冷水，從而冰水區(qū)面積較小。在作業(yè)后3分鐘（20：27），冰水混合區(qū)全部基本消失，主要由小冰雹粒子構(gòu)成，過冷水獲得消耗;在降雹時(shí)刻，目標(biāo)區(qū)為冰水混合占據(jù)，隨著雹粒子降落，冰雹區(qū)域消失。以上分析可知，X波段雙線偏振雷達(dá)對(duì)冰雹識(shí)別效果較好，在20：15分已經(jīng)識(shí)別有冰雹產(chǎn)生，但是雹粒子正在吸濕過冷水增長，在此時(shí)申請(qǐng)空域時(shí)間開展防雹作業(yè)時(shí)機(jī)把握正確。

3 結(jié)束語

（1）作業(yè)前ZDR基本處于負(fù)值區(qū)，已經(jīng)有雹粒子生成，-0.3dB

（2）作業(yè)前，目標(biāo)區(qū)已是有小雹粒與冰水混合區(qū)共存，作業(yè)后冰水混合區(qū)面積減小，在催化劑作用下人工冰核與自然雹胚爭食云體內(nèi)過冷水，使得過冷水大量消耗，抑制大冰雹的形成。

（3）此次防雹作業(yè)在作業(yè)時(shí)機(jī)把握上基本準(zhǔn)確，X波段雙線偏振雷達(dá)能夠很好識(shí)別冰雹云，同時(shí)能直觀觀察到防雹作業(yè)前后云體內(nèi)粒子的相態(tài)變化，對(duì)冰雹云監(jiān)測(cè)預(yù)警和防雹作業(yè)效果檢驗(yàn)提供較好的支撐。

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