一次強雹云過程冰雹增長機制分析及防雹探討

李紅斌，胡志群，張靖萱

(1.大連市人工影響天氣辦公室，遼寧 大連 116001； 2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；3.沈陽市氣象服務中心，遼寧 沈陽 110168)

隨著新一代天氣雷達在人工影響天氣領域的迅速發(fā)展與普及，人們對雹云認識[1-3]及人工防雹作業(yè)能力在不斷提高，對人工防雹新技術(shù)和理論研究也取得許多新進展[4-8]。一些省、市通過防雹實踐和研究，建立了基于不同雷達參數(shù)的人工防雹指揮系統(tǒng)[9-12]，在很大程度上提高了對雹云的識別能力和人工防雹作業(yè)科技水平，但仍存在有待于完善的相關(guān)作業(yè)技術(shù)問題，比如雹云的早識別、早作業(yè)等問題，特別是針對成熟強雹云如何有效進行人工防御，最大限度地減輕冰雹災害損失，仍需人們在理論和實踐相結(jié)合基礎上進行深入研究和探討。

2018年9月29日，大連市出現(xiàn)了一次強降雹天氣過程。該雹云生成于渤海上空的一條強對流回波帶上，并隨回波帶在東移過程中呈波動式發(fā)展演變，在歷經(jīng)3個多小時后，于中午12∶51在大連北部沿海登陸，并迅速發(fā)展為成熟強雹云。市人影辦采用雷達防雹作業(yè)決策指揮平臺，實時指揮李官、土城相關(guān)作業(yè)點進行了人工防雹和聯(lián)防作業(yè)，將雹災損失降到最低。通過對本次強雹云雷達回波強度、強中心高度和垂直積分液態(tài)水含量等雷達特征參數(shù)作業(yè)前后變化分析，以及結(jié)合徑向速度分析登陸時強雹云的空間結(jié)構(gòu)特征等受到重要啟示，并對強雹云有效人工防雹技術(shù)思路方法進行了深入探討。

1 天氣形勢場及強雹云發(fā)展演變

1.1 天氣形勢場

2018年9月29日，大連出現(xiàn)了強降雹天氣過程。對高空天氣圖分析發(fā)現(xiàn)，影響系統(tǒng)為典型東北冷渦形勢場。在29日08時500 hPa天氣圖上，大連在東北冷渦東南部(見圖1)，低渦中心位于遼寧西部，且與-28℃冷中心重合，表明東北冷渦正處于發(fā)展強盛時期；對應850 hPa圖上為一條伸向大連的較強暖脊(見圖2)，且暖中心為16℃，形成了溫差達44℃上冷下暖較強不穩(wěn)定大氣層結(jié),為強雹云(即雹云體積較大，云頂較高，可達9、10 km以上 ，生成發(fā)展可維持幾個小時等) 中午登陸大連發(fā)展成成熟強雹云創(chuàng)造了熱力和動力場條件[13]。

圖1 2018年9月29日08時500 hPa天氣圖Fig.1 500 hPa weather diagram on September 29,2018

圖2 2018年9月29日08時850 hPa天氣圖Fig.2 850 hPa weather diagram on September 29, 2018

同時，根據(jù)當天08時探空資料分析，零度層較低為2.8 km，登陸時雹云強回波(≥30 dBZ)中心高度達4～6 km(環(huán)境溫度在-20℃～-30℃)，故分析雹云中較大冰塊在降落過程中來不及融化[14]，落地產(chǎn)生強降雹，冰雹直徑最大20 cm。

1.2 強雹云的發(fā)展演變

利用雷達PUP軟件對2018年9月29日雹云雷達數(shù)據(jù)資料處理和反演分析，得到了雹云雷達回波強度和強中心高度兩個特征參數(shù)，分析了雹云發(fā)生、發(fā)展和演變過程發(fā)現(xiàn)，影響大連的強雹云生成于29日上午9∶27渤海上空一條強對流回波帶尾部(見圖3，雹云回波平顯、高顯組合圖)。初始雹云強回波(≥30 dBZ)高度較高，達9 km(見圖3)，強度較強(>45 dBZ)，且強回波45 dBZ面積較大。該雹云生成后呈波動式發(fā)展，并隨對流回波帶自西向東偏北方向移動和發(fā)展演變，歷時3 h已發(fā)展為強雹云(見圖4，雹云回波平顯、高顯組合圖)，于中午12∶51在大連北部沿海登陸時發(fā)展為成熟強雹云(見圖5)，并在北部山區(qū)作業(yè)點李官及其周邊(十幾平方公里)范圍內(nèi)產(chǎn)生了較強降雹，持續(xù)時間6～10 min，最大降雹直徑20 mm，當?shù)刂饕魑锾O果出現(xiàn)了不同程度的雹災經(jīng)濟損失。

圖3 9月29日9：20雹云初始回波PPI、RHI雷達強度組合圖Fig.3 The hail cloud radar echo combination map at 9:20 on September 29

圖4 9月29日12:14強雹云PPI、RHI雷達強度回波組合圖Fig.4 The hail cloud radar echo combination map at 12:14 on September 29

2 人工防雹及相關(guān)分析

2.1 人工防雹

9月29日，采用雷達實時跟蹤及防雹決策指揮系統(tǒng)對強回波帶中雹云移動和發(fā)展演變進行反演，在12∶40，大連北部李官作業(yè)點第一次提出申請防雹作業(yè)，市人影辦通過防雹業(yè)務平臺，對12∶39雹云雷達回波強度、強中心高度等資料分析發(fā)現(xiàn)，雹云發(fā)展較強，雖未進入高炮射程，根據(jù)早識別、早作業(yè)原則[15]，指揮員立即申請空域，并調(diào)整作業(yè)方案[16]，指導李官作業(yè)點在12∶41實施了防雹作業(yè)，發(fā)射炮彈20發(fā)。根據(jù)分析，作業(yè)后，雹云強中心高度明顯下降(見表1)。

表1 2018年9月29日12∶02～13∶04大連強雹云雷達特征參數(shù)及其變化特征Table 1 Characteristic parameters and variation characteristics of Dalian strong hail cloud radar from 12:02 to 13:04 on September 29, 2018

12∶45，防雹系統(tǒng)業(yè)務平臺發(fā)出了作業(yè)預警，并輸出李官、土城南、北兩個作業(yè)點(見圖5雷達平顯黑實線下方兩個紅色正三角)防雹作業(yè)臨近預警方案[16](即當雹云未進入射程，將要影響的作業(yè)點及相關(guān)信息)。人影辦立即通知作業(yè)點做好防雹實施準備；12∶51雹云登陸大連，并迅速發(fā)展為成熟強雹云(見圖5，強雹云雷達回波平顯、高顯組合圖，黑實線為強雹云垂直剖線)，指揮平臺發(fā)出了作業(yè)報警，并輸出李官、土城防雹作業(yè)實施方案[16](即作業(yè)站點、雹云類型、作業(yè)工具、作業(yè)仰角、方位角和用彈量等)。

圖5 2018年9月29日12:51雷達回波強度組合圖Fig.5 Radar echo intensity combination map at 12:51 on September 29, 2018

經(jīng)訂正分析，此時成熟強雹云已進入高炮射程，市人影辦通過空域申請后，于12：52指導李官、土城作業(yè)點實施了聯(lián)防作業(yè)，共發(fā)射炮彈80發(fā)。其中，南邊土城作業(yè)點(圖5雷達平顯黑實線下方南邊紅三角)45度仰角、連續(xù)發(fā)射炮彈40發(fā)，炮點周圍下了軟雹，李官炮點(圖5雷達平顯黑實線上的紅三角)采用55°仰角，相隔幾分鐘，兩次共作業(yè)40發(fā)，作業(yè)過程中開始降雹，結(jié)束后持續(xù)降雹近10，最大降雹直徑20 mm，降雹范圍跑點周邊方圓10 km2，當?shù)刂饕魑锾O果遭受了不同程度的雹災損失。經(jīng)降雹實際調(diào)研，李官的防雹作業(yè)無意中保護了下游鄰近區(qū)域精品蘋果生產(chǎn)基地，將雹災損失降到了最低。

2.2 強雹云雷達特征參數(shù)及其變化

對6 min一次雷達數(shù)據(jù)資料PUP處理和分析，獲得了降雹前一小時雹云回波強度、云頂高度、強中心高度和垂直積分液態(tài)水含量雷達特征參數(shù)及其變化(見表1)，得到了對人工防雹有指示意義的啟示：

對表1分析看到，降雹前一個小時(12：02～13：04)內(nèi)，雹云回波強度發(fā)展較強，均在61 dBZ以上，登陸最強時達72 dBZ。雹云強中心高度較高，多在5 km以上，回波頂高在10 km以上，垂直積分液態(tài)水含量達38～43 kg/m2，雷達特征參數(shù)值均達到強雹云指標[16]；同時，對12：20回波資料分析發(fā)現(xiàn)，強雹云在海上產(chǎn)生了降雹，降雹后，強中心及云頂高度均下降1～2 km，液態(tài)水含量從43 kg/m2降到38 kg/m2，而回波強度略有減弱，表明降雹不很充分，幾分鐘后(12：26)又恢復為強雹云，呈現(xiàn)波動式發(fā)展演變，說明依托強回波帶發(fā)展起來的強雹云，自然降雹很難影響到強雹云發(fā)展機制，因此，對防雹作業(yè)人員或是指揮人員均應引起重視。

在12：41，李官作業(yè)點實施第一次防雹作業(yè)后，雹云強中心和強回波頂高均下降1 km，分析可能與炮彈爆炸產(chǎn)生的水平?jīng)_擊波減弱了雹云中最大上升氣流[5]有關(guān)；在12：51雹云登陸時發(fā)展為成熟強雹云，各項雷達參數(shù)值均達最大(見表1)，即回波強度72 dBZ，強中心高度為4～6 km(見圖5回波高顯圖)。李官、土城實施防雹作業(yè)后，李官作業(yè)點產(chǎn)生了較強降雹，降雹后雹云明顯減弱，分析可能防雹作業(yè)以及強降雹促使雹云能量得到充分釋放。

13時降雹后，強雹云明顯減弱(見表1)，并向東偏北方向繼續(xù)移動1個多小時減弱消亡。期間經(jīng)歷了3次再發(fā)展(均弱于登陸前)，且逐漸減弱，因此，依托于強對流回波帶發(fā)展的強雹云，盡管實施了防雹作業(yè)并產(chǎn)生了充分降雹，仍會在有利的下墊面和熱力條件下再發(fā)展，因此，早識別和反復作業(yè)是強雹云人工防雹的重要保障。

3 成熟強雹云結(jié)構(gòu)特征及人工防雹探討

通過對此次強雹云空間結(jié)構(gòu)及防雹部位深入分析，結(jié)合降雹調(diào)研及作業(yè)技術(shù)等綜合分析，對成熟強雹云有效防雹技術(shù)思路方法進行了探討。

3.1 強雹云空間結(jié)構(gòu)特征及防雹作業(yè)

對12：51在大連北部登陸時發(fā)展為成熟強雹云的雷達PPI回波強度做切向與徑向(見圖6黑實線)RHI雷達回波強度、徑向速度，速度譜寬的垂直剖面圖(見圖7、圖8)，并由此概略分析強雹云此刻的空間結(jié)構(gòu)特征和冰雹循環(huán)增長軌跡示意圖，以及人工防雹作業(yè)部位確定。

注：圖中黑實線T、R分別為對強回波區(qū)做切向圖7、徑向圖8剖面，雷達位于(0，0)處，刻度值為km。圖6 12:51時0.5°仰角PPI圖Fig.6 PPI chart of 0.5° elevation at 12:51

注：(b) 徑向速度(藍曲線為“零線”位置，藍色橢圓為強回波區(qū)水平流場示意圖，紅箭頭表示氣流流進紙面，綠箭頭表示氣流流出紙面，低層逆時針氣流旋轉(zhuǎn))；(d) 冰雹軌跡示意圖(藍粗實線為上升氣流，紫細實線為冰雹循環(huán)增長軌跡，由小到大四個紫色實心圓代表不同直徑冰雹)，紅色箭頭所指位置即為防雹作業(yè)區(qū)域，水平刻度值為km，垂直刻度值為100 m(下同)。圖7 圖6中黑實線T的剖面圖Fig.7 Sectional view of the solid black line T in Figure 6

圖7為圖6中穿過強回波區(qū)的切向剖面圖，從速度的切向剖面的正負速度，可以清晰地看出渦旋的旋轉(zhuǎn)方向。從圖7(b)中可以看出，強回波區(qū)(45～60 km處)低層(垂直為2～3 km)為明顯的逆時針氣旋環(huán)流，中高層(垂直為3～8 km)為順時針反氣旋環(huán)流，低層輻合，高層輻散，強烈的抽吸作用，導致旺盛的上升氣流，并形成強雹云特有的弱回波區(qū)[4-5](圖7a中水平為50～60 km，垂直2～4 km)和回波墻結(jié)構(gòu)(圖7a中水平為47～51 km，垂直2～8 km)；弱回波區(qū)的速度譜寬為大值區(qū)(圖7c)，說明弱回波區(qū)的水平風場非常紊亂，即有強烈的水平渦旋運動，又有旺盛的上升運動[5]；圖7(d)為結(jié)合圖7(a)～(c)給出的冰雹循環(huán)增長軌跡示意圖，其中紅色箭頭所指的弱回波區(qū)域即為強雹云防雹作業(yè)區(qū)域，該位置為“零線”起始區(qū)域，也即冰雹開始循環(huán)長大的起始區(qū)域[4]。通過在該位置播撒人工冰核產(chǎn)生人工雹胚，與自然雹胚“爭食”云中過冷水，從而抑制大冰雹的形成[5]。

圖8 圖6中強回波區(qū)徑向(線條R)剖面圖Fig.8 Radial sectional view of the strong echo zone (line R) in Figure 6

圖8為圖6中強回波區(qū)的徑向(黑線條R)垂直剖面圖。從圖8(b)中可以明顯看到水平速度“零線”位置對應的強回波區(qū)(圖中8(a))，即為冰雹循環(huán)增長軌跡區(qū)[4](圖8(d))。整個強回波區(qū)域?qū)蟮乃俣茸V寬(圖8(c))，說明雹云內(nèi)部流場變化非常劇烈[5]。圖8(d)為強回波區(qū)(水平30～40 km)流場與冰雹循環(huán)增長軌跡示意圖，藍色箭頭粗線為主上升氣流，紫色箭頭細線為冰雹循環(huán)增長軌跡[4]。其中，垂直向上的主上升氣流區(qū)域?qū)獜娀夭▍^(qū)，也是冰雹循環(huán)增長的區(qū)域，該型冰雹云動力結(jié)構(gòu)，為典型的層狀云引導型流場[17]，防雹作業(yè)部位應選擇在弱回波區(qū)[17]。

3.2 強雹云有效人工防雹探討

通過對9月29日強降雹實際調(diào)研和人工防雹技術(shù)分析得到：成熟強雹云依靠人力直接防御是困難的，甚至出現(xiàn)相反結(jié)果[14]。本文在借鑒山西[18]和新疆奎屯綠洲防雹研究與實踐基礎上受到啟示，分析和探討了成熟強雹云有效人工防雹的技術(shù)思路和方法，即兩道防線法。

一道防線：在作物保護區(qū)內(nèi)布設防雹作業(yè)點(或傳統(tǒng)意義的作業(yè)點)。當初始階段或發(fā)展階段的強雹云進入防雹射程時，作業(yè)點可按作業(yè)流程和強雹云防雹技術(shù)方法實施作業(yè)[16]，即首選作業(yè)高炮，且作業(yè)部位為雹云強回波區(qū)前下方的弱回波區(qū)(10～30 dBZ)，用彈量40～80發(fā)/次等。經(jīng)多年作業(yè)實踐發(fā)現(xiàn)，作業(yè)后會下些軟雹(或小雹粒)，不會出災。

二道防線：在一道防線基礎上，對重要作物保護區(qū)上游空曠地帶或低值作物區(qū)增設防雹高炮。當成熟強雹云移入該射程時，可實施高炮作業(yè)(且仰角≥55°)，將炮彈打在雹云強中心[14]，促使強冰雹提前和充分降落，保護下游重要作物，將雹災損失降到最低。

4 結(jié)論與討論

(1)分析2018年9月29日大連市產(chǎn)生的強冰雹天氣過程為典型東北冷渦形勢場。從29日08時高空500 hPa圖上看到，大連在冷渦東南部，低壓中心與冷中心重合，表明冷渦正處于發(fā)展強盛時期；在850hPa圖上對應一條伸向大連地區(qū)的較強暖脊，形成了較強不穩(wěn)定大氣層結(jié)，為強雹云在大連登陸發(fā)展為成熟強雹云創(chuàng)造了熱力和動力場條件。

(2)通過對本次強雹云雷達回波反演分析發(fā)現(xiàn)，雹云是上午9:30 左右在渤海上空一條強對流回波帶尾部生成，并隨回波帶東移和發(fā)展。經(jīng)3個多小時發(fā)展為強雹云，于12:51在大連北部登陸時發(fā)展為成熟強雹云。市人影辦及時組織相關(guān)作業(yè)點相繼實施了人工防雹及聯(lián)防作業(yè)，將雹災損失降到最低。通過對雹云雷達特征參數(shù)及其變化進行了分析，得到一些對防雹作業(yè)有指示意義的啟示：對實施防雹作業(yè)以及產(chǎn)生充分降雹的強雹云，仍需密切關(guān)注其發(fā)展變化，進行反復作業(yè)。

(3)對成熟強雹云空間結(jié)構(gòu)特征進行深入分析，并結(jié)合降雹實際調(diào)研和作業(yè)技術(shù)總結(jié)，探討了強雹云有效人工防雹的技術(shù)思路方法：兩道防線法。即在一道防線(即傳統(tǒng)作業(yè)點)基礎上，在重要作物區(qū)上游空曠地帶或低值作物區(qū)增設防雹高炮。當成熟強雹云進入該射程時，立即實施高炮防雹作業(yè)(仰角≥55°)，促使強冰雹提前和充分降落，以保護下游區(qū)域重要作物，將雹災損失降到最低。