第七師墾區(qū)雷暴天氣成因與精準(zhǔn)化人工防雹作業(yè)技術(shù)的研究*

徐 龍，張 丹，李慧敏，王妮妮，劉 輝

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師氣象局，新疆 奎屯 833200；2.石河子氣象局）

0 引言

農(nóng)業(yè)是第七師胡楊河市的支柱產(chǎn)業(yè)，主要農(nóng)作物有棉花、小麥、番茄、甜菜等，墾區(qū)地處干旱和半干旱氣候區(qū)，屬冰雹多發(fā)地帶，每年的4～9 月為降雹的高峰時期，是第七師墾區(qū)主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，經(jīng)第七師氣象局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計，自1993—2019 年，過雹面積在1.33 萬hm2以上特大災(zāi)害6 日次，0.33 萬～1.00萬hm2重大災(zāi)害7日次，特別是2019年8月23日的雷雹天氣，過雹面積1.67 萬hm2，重災(zāi)面積達(dá)1.20萬hm2，給第七師農(nóng)牧業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失約2.5 億元。項(xiàng)目組成員認(rèn)真研讀2020年習(xí)近平總書記關(guān)于“三農(nóng)”工作的重要論述，深刻領(lǐng)會人影工作對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的保障作用，充分認(rèn)識精簡人影防雹隊(duì)伍、優(yōu)化人影指揮流程、科學(xué)精準(zhǔn)指揮人影防雹作業(yè)是擺在第七師人影工作者面前亟需解決的課題。

1 技術(shù)方法

精選第七師墾區(qū)2010—2020 年期間出現(xiàn)萬畝以上重大災(zāi)害的典型雷暴日個例30 個。統(tǒng)計分析各路徑生成發(fā)展的典型雷暴特征，對每條路徑不同的下墊面特殊條件、大氣環(huán)流背景、時空分布特征等進(jìn)行研究，找出雷暴天氣在發(fā)展過程中各階段的氣象物理量參數(shù)和多普勒天氣雷達(dá)回波特征[1]，依托“三道防線”主要防雹措施，合理布局，實(shí)施精準(zhǔn)化防雹（增雨）作業(yè)。

2 冰雹各路徑雷暴特征

2.1 一路徑雷暴生成發(fā)展特征及防雹措施

一路徑為西北路徑，雷暴發(fā)生概率為43.9%（見表1），其下墊面為丘陵山地。強(qiáng)對流天氣主要受西西伯利亞低渦（槽）分裂短波的影響，天氣多處于西北方向地面高壓前部。山區(qū)谷地聚集充沛的水汽，受地形抬升作用，常常在山區(qū)上空形成強(qiáng)對流云體，氣流在過山后會發(fā)生波狀運(yùn)動，常常形成平行于山體走向的帶狀回波或超級單體，根據(jù)統(tǒng)計帶狀回波占比為73%，主要影響一二六團(tuán)、一二七團(tuán)、一二三團(tuán)、一二八團(tuán)、一二九團(tuán)等團(tuán)場，造成的災(zāi)情往往比較嚴(yán)重。在統(tǒng)計的30 個雷暴個例天氣中，雹云的初生階段和發(fā)展階段在山區(qū)就已形成，出山后直接進(jìn)入躍增階段或降雹階段。云體多為傳播型雹云，雷達(dá)回波主要表現(xiàn)為云體左側(cè)降水，右側(cè)不斷有新單體生成加強(qiáng)，影響時間長。

此路徑發(fā)生的超級單體，每次都給第七師墾區(qū)農(nóng)牧業(yè)造成巨大冰雹災(zāi)害，2011 年6 月22 日凌晨過雹面積3.08 萬hm2，重災(zāi)面積1.21 萬hm2；2013 年6月23 日過雹面積0.40 萬hm2；2019 年8 月23 日過雹面積1.67 萬hm2，重災(zāi)面積1.20 萬hm2。這些超級單體往往在山區(qū)上空就已經(jīng)成熟，催化難度較大。

防雹措施：加強(qiáng)對流天氣的預(yù)警預(yù)報和聯(lián)防工作，利用火箭車輛的機(jī)動性，將一線團(tuán)場作業(yè)火力推進(jìn)到北山山區(qū)布防，在山區(qū)中對雹云天氣實(shí)施早期催化作業(yè)，迫使其產(chǎn)生大量降水，二、三線團(tuán)場與烏蘇市火箭作業(yè)車輛向前推進(jìn)到防區(qū)前沿，集中火力對移出山區(qū)的雹云持續(xù)催化作業(yè)，效果會比較理想。

2.2 二路徑雷暴生成發(fā)展特征及防雹措施

二路徑為正西路徑，雷暴發(fā)生概率為29.3%，其下墊面為沙漠、林場、水源地，雷暴發(fā)生地主要在甘家湖牧場，有低渦（槽）分裂短波的影響，大氣層結(jié)不穩(wěn)定時，本地區(qū)熱力條件好，有較強(qiáng)垂直上升運(yùn)動，水汽充足，雷暴生成特點(diǎn)多為中空云系，根據(jù)資料統(tǒng)計，正西路徑12 次雷暴天氣，中空發(fā)展9 次，占比為75%。雷暴特點(diǎn)是發(fā)展迅猛，自初始到降雹15～30 min，云體在一二五團(tuán)產(chǎn)生降雹減弱后東移至一三〇團(tuán)奎屯水庫（主要移動路徑），水汽補(bǔ)充會造成云體再次加強(qiáng)產(chǎn)生降雹。

防雹措施：由于中空云系生成于4～6 km 高空，早期回波較弱，探測人員不易發(fā)現(xiàn)和識別，因此應(yīng)提高雷達(dá)探測人員對早期中空云系的識別能力，做到早發(fā)現(xiàn)、早識別和早催化，在雹云發(fā)展初期應(yīng)果斷指揮作業(yè)車輛對雹云進(jìn)行早期催化，效果比較理想；如果不能在初始階段及時催化，雹云會在很短時間內(nèi)躍增成熟產(chǎn)生降雹，催化效果將會很差。

2.3 三路徑雷暴生成發(fā)展特征及防雹措施

三路徑為西南路徑，雷暴發(fā)生概率為26.8%，地形南接天山山脈，雷暴天氣大多為低渦分裂短波槽前西南風(fēng)控制，由烏蘇古爾圖鎮(zhèn)西或西南進(jìn)入七師墾區(qū)，沿天山自西向東或東偏北方向移動，移動過程中路經(jīng)甘家湖牧場進(jìn)入七師墾區(qū)，由于甘家湖牧場特殊下墊面，雷暴天氣會再次加強(qiáng)，經(jīng)常會與西北氣流合并成南北寬約上百公里的云帶，影響整個七師墾區(qū)，影響時間較長。

防雹措施：第七師與烏蘇在此區(qū)域的防雹作業(yè)區(qū)相互交錯，因此需要加強(qiáng)第七師與烏蘇市聯(lián)防機(jī)制，采取聯(lián)合防雹作業(yè)，第七師火箭作業(yè)車輛與烏蘇火箭作業(yè)車輛共同對云體進(jìn)行催化作業(yè)，迫使云體連續(xù)產(chǎn)生降水，減少能量，達(dá)到消雹減災(zāi)的目的。

3 精準(zhǔn)化作業(yè)個例分析

3.1 個例一

2019年8月23日19：50至21：30，第七師墾區(qū)內(nèi)遭受了一次強(qiáng)冰雹天氣襲擊，冰雹直徑1.5～3.0 cm，積雹厚度5～8 cm，過雹面積1.33 萬hm2，重災(zāi)面積約1.20萬hm2，經(jīng)濟(jì)損失約2.5億元。

當(dāng)日第七師墾區(qū)受高空低渦分裂短波的影響，大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。18：53 時，墾區(qū)上游廟爾溝山區(qū)南側(cè)偏西方向有弱對流云生成，并自西北向東南方向移動，圖1顯示，在一二六團(tuán)西北廟爾溝山區(qū)有對流云發(fā)展，云團(tuán)面積較大，有2 個強(qiáng)中心（a、b），RHI 顯示云體右下方強(qiáng)回波區(qū)產(chǎn)生降水，左上側(cè)強(qiáng)區(qū)正在發(fā)展，第七師人影指揮中心申請作業(yè)空域，準(zhǔn)備對云體實(shí)施早期催化作業(yè)。

19：07 時，a 單體回波強(qiáng)區(qū)面積增大（圖1），RHI顯示40 dBz 強(qiáng)區(qū)高度伸展至9 km，速度場顯示云體中下部有強(qiáng)烈的氣旋運(yùn)動。b 單體隨后逐漸與a 單體分離，向東北方向移動出七師防區(qū)。

圖1 雷達(dá)PPI圖

20：10 時，作業(yè)空域批復(fù)，七師防區(qū)內(nèi)相關(guān)作業(yè)點(diǎn)對強(qiáng)對流云體進(jìn)行了超劑量消雹作業(yè)，RHI顯示，20：12 時云體高度達(dá)13 000 m，強(qiáng)中心高度達(dá)11 500 m，強(qiáng)中心寬度8～10 cm，強(qiáng)度55～58 分貝，云體已經(jīng)完全發(fā)展成熟，云體內(nèi)已存大量冰雹，并出現(xiàn)連續(xù)降雹現(xiàn)象，速度圖顯示云體中下部有強(qiáng)烈輔合現(xiàn)象。22：50 時，雹云減弱并移出第七師防區(qū)。

作業(yè)效果分析：此次雹災(zāi)屬超級單體雹云所致，雹云尺度大，移速緩慢（約18 km/h），結(jié)構(gòu)密實(shí)，影響面廣，防雹難度大，屬歷年同期罕見，雖然在雹云發(fā)展初期進(jìn)行了作業(yè)布局，但是由于空域批復(fù)較晚，未能對雹云進(jìn)行早期催化作業(yè)（作業(yè)火箭車輛在防區(qū)外10 km 山區(qū)已布防），致使雹云進(jìn)入防區(qū)時已經(jīng)發(fā)展成熟，帶雹移動20 余km，錯失了最佳作業(yè)時機(jī)，后期進(jìn)行了大劑量作業(yè)，效果較差。此次雹云天氣過程過雹面積1.33 萬hm2，重災(zāi)面積1.20萬hm2，經(jīng)濟(jì)損失約2.5億元。

3.2 個例二

2020年8月25日16：30至23：10，七師胡楊河市墾區(qū)4個團(tuán)場出現(xiàn)暴雨夾冰雹。冰雹直徑0.5～1.0 cm，局部密度較大，過雹面積約0.47萬hm2，災(zāi)情輕微。

21：00 至22：40，七師胡楊河市墾區(qū)受高空低槽擾動的影響，生成于廟爾溝西南面的冰雹云，先后影響一二六團(tuán)、一二七團(tuán)、一二三團(tuán)、一二八團(tuán)和一二九團(tuán)，圖2 顯示21：29 時雹云距離防區(qū)約10 km 左右，RHI 顯示，云高1.0 萬～1.2 萬m，強(qiáng)度45～55 分貝，冰雹云結(jié)構(gòu)密實(shí)，有明顯弱回波區(qū)，速度場顯示在云體中下部有強(qiáng)烈的輻合性氣旋，伴有明顯的雷聲閃電，在空域批復(fù)的情況下，師市聯(lián)防指揮部利用火箭車的靈活機(jī)動性，指揮一二六團(tuán)流動防雹火箭在山區(qū)對雹云實(shí)施早期大劑量催化作業(yè)。

圖2 21：29時雷達(dá)PPI圖

圖3顯示，21：41時云體經(jīng)過早期催化作業(yè)后移動至第七師防區(qū)內(nèi)，并開始產(chǎn)生降水，速度圖顯示，云體中下部仍有氣旋運(yùn)動，云體中存在大面積逆風(fēng)區(qū)，天氣現(xiàn)象劇烈。師市聯(lián)防指揮部及時指揮一二七團(tuán)、一二三團(tuán)和一二八團(tuán)防雹火箭向一二六團(tuán)方向移動，一二九團(tuán)和一三〇團(tuán)火箭車向一二三團(tuán)和一二八團(tuán)防區(qū)移動，集中火力對冰雹云持續(xù)實(shí)施大劑量催化作業(yè)。

圖3 21：41時雷達(dá)PPI圖

22：10 時，由于當(dāng)日空域批復(fù)及時，經(jīng)過連續(xù)不間斷的大劑量催化作業(yè)，一二三團(tuán)、一二七團(tuán)和一二八團(tuán)個別連隊(duì)部分農(nóng)田仍然產(chǎn)生降雹，造成棉花葉面受損，災(zāi)情輕微。

作業(yè)效果分析：一是2020 年8 月25 日13：30 時第七師師市人影辦及時發(fā)布了冰雹天氣預(yù)警，確保各團(tuán)人影辦提前做好一切防雹作業(yè)準(zhǔn)備工作。二是各團(tuán)人影辦接到冰雹天氣預(yù)警后，立即組織防雹隊(duì)員和流動防雹火箭處于臨戰(zhàn)狀態(tài)。天氣雷達(dá)全天候跟蹤探測墾區(qū)天空狀況，向各團(tuán)實(shí)時提供天氣信息。三是及時和不間斷申請空域并得到批復(fù)，確保了在雹云發(fā)展初期開展防雹催化作業(yè)（在距防區(qū)10 km 以外山區(qū)開始催化作業(yè)）。四是利用火箭車輛的機(jī)動靈活性，合理調(diào)動各防雹作業(yè)點(diǎn)作業(yè)車輛集中火力聯(lián)合防雹，增加了防雹作業(yè)的提前量，最大限度地遏制了冰雹云的進(jìn)一步發(fā)展和加強(qiáng)，有效地減輕了冰雹的災(zāi)害，防雹效果較為顯著。

4 小結(jié)

（1）針對3 條路徑不同下墊面條件和雷暴生成發(fā)展的各自特點(diǎn)，利用火箭車輛的靈活性進(jìn)行合理布局，西北路徑主要是在防區(qū)10～15 km外山區(qū)布防和早期催化作業(yè)；正西路徑主要是在防區(qū)外的甘家湖牧場布防和早期催化作業(yè)；西南路徑主要是加強(qiáng)與烏蘇市區(qū)域聯(lián)防，第七師作業(yè)火箭車輛推進(jìn)至烏蘇市防區(qū)邊界共同防御作業(yè)，實(shí)現(xiàn)早期催化雹云的目的。（2）不斷分析和研究歷年的強(qiáng)對流天氣的雷達(dá)回波資料，提高探測人員的天氣雷達(dá)識別早期雹云能力，特別是對傳播雹云的路徑外推、中空雹云早期特征，做好地面防雹火力布置，及時開展催化作業(yè)。（3）通過個例分析，對強(qiáng)雹云進(jìn)行早期和連續(xù)大劑量催化作業(yè)效果較好，錯過初始階段和發(fā)展階段，雹云進(jìn)入成熟期后再采取大劑量催化作業(yè)，效果不理想，對農(nóng)牧業(yè)造成的冰雹災(zāi)害往往比較嚴(yán)重。