三明地區(qū)火箭人工防雹作業(yè)技術(shù)應(yīng)用分析*

楊隆輝 卜銀軍 沈永生 鄭世文

(1.泰寧縣氣象局，福建 三明 354400;2.三明市氣象局，福建 三明 365000)

1 概述

冰雹是在強(qiáng)對流天氣過程中產(chǎn)生的一種局地、短時(shí)、破壞力大的氣象災(zāi)害。三明地處福建省西北部，屬冰雹災(zāi)害多發(fā)區(qū)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物等經(jīng)常因冰雹災(zāi)害遭受重大損失，嚴(yán)重影響地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為此，2006年三明市氣象部門組建了以火箭發(fā)射系統(tǒng)為主的人工防雹作業(yè)隊(duì)伍。

我國開展人工防雹技術(shù)研究已有幾十年歷史。近年來，隨著專家學(xué)者研究的不斷深入，我國對冰雹云的內(nèi)部流場特征有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，在人工防雹技術(shù)上也有了很大提高。施文全等[1]對利用天氣雷達(dá)指揮火箭進(jìn)行人工防雹作業(yè)的技術(shù)方法進(jìn)行了探討；許煥斌等[2-3]針對冰雹云中存在著“穴道—零域”結(jié)構(gòu)的物理意義和應(yīng)用要領(lǐng)進(jìn)行了深入研究；王艷蘭等[4]利用雷達(dá)回波資料估算人工防雹作業(yè)用彈量。人工防雹技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)，如何確定冰雹云作業(yè)部位、火箭彈發(fā)射角度以及作業(yè)用彈量等人工防雹作業(yè)技術(shù)，需作進(jìn)一步分析研究。本文采用三明地區(qū)人工防雹作業(yè)點(diǎn)地理信息和三明新一代天氣雷達(dá)回波資料、邵武探空資料等對人工防雹作業(yè)技術(shù)進(jìn)行初步分析，并將該技術(shù)方法應(yīng)用于2021年三明人工防雹作業(yè)過程，以期達(dá)到科學(xué)、精準(zhǔn)、有效實(shí)施人工防雹作業(yè)的目的。

2 資料來源及處理方法

選取三明建寧縣、永安市人工防雹作業(yè)點(diǎn)地理信息，包括作業(yè)點(diǎn)海拔高度、經(jīng)度、緯度；三明新一代天氣雷達(dá)獲取的人工防雹作業(yè)點(diǎn)方位、水平距離等信息；2021年5月9日三明新一代天氣雷達(dá)回波產(chǎn)品，包括組合反射率、剖面圖、回波頂、垂直累積液態(tài)水(VIL)等；2021年5月9日8時(shí)和20時(shí)邵武探空站探空資料，包括高空0℃、-4℃、-5℃溫度層海拔高度等。通過選取的資料、數(shù)據(jù)，分析冰雹云作業(yè)部位、火箭彈發(fā)射角度以及作業(yè)用彈量，確定人工防雹作業(yè)所需技術(shù)數(shù)據(jù)。

3 火箭人工防雹作業(yè)技術(shù)分析

3.1 確定冰雹云作業(yè)部位方法

許煥斌等[2-3]對冰雹云流場結(jié)構(gòu)研究后認(rèn)為，冰雹云流場存在產(chǎn)生冰雹的“穴道”，它一般在主入流區(qū)和相對水平速度為零的“零線”下側(cè)，AgI催化劑應(yīng)在“穴道”區(qū)域播撒；其次，AgI的成冰閾溫為-4℃[5]，即AgI微粒只有在環(huán)境溫度低于-4℃的云層內(nèi)，才能活化為人工冰核并同自然雹胚 “爭食”過冷水，從而達(dá)到抑制自然雹胚的成長。所以，冰雹云作業(yè)部位應(yīng)選定在-4℃層高度以上的“穴道”區(qū)域。

找出冰雹云流場的“零線”位置是確定冰雹云作業(yè)部位的關(guān)鍵。本文以2021年5月9日三明新一代天氣雷達(dá)監(jiān)測到的一塊冰雹云的雷達(dá)回波資料為例，找出冰雹云的 “零線”位置，再結(jié)合臨近探空站資料確定冰雹云作業(yè)部位。2021年5月9日15時(shí)42分，雷達(dá)監(jiān)測到在江西寧都縣生成發(fā)展起一塊對流單體并以29km/h左右的速度由西南向東北方向移動(dòng)，17時(shí)02分冰雹云移至福建建寧縣與江西廣昌縣交界處(見圖1)，此時(shí)冰雹云回波頂高12km,回波強(qiáng)度68dBZ,垂直累積液態(tài)水54kg·m-2,根據(jù)福建省人工防雹作業(yè)指標(biāo)[6]，冰雹云已發(fā)展到成熟階段，需分析確定人工防雹作業(yè)部位。查看5月9日17時(shí)02分雷達(dá)體掃該冰雹云獲取的速度剖面圖(圖2)和反射率因子剖面圖(圖3)，通過分析雷達(dá)體掃相鄰時(shí)間內(nèi)冰雹云的移動(dòng)距離及所用時(shí)間，估算出該冰雹云實(shí)際移速約為8m·s-1，找出圖2中徑向速度為8m·s-1的區(qū)域，劃出“零線”。圖2白色劃線即為“零線”位置，將此白色劃線平移至該體掃時(shí)次反射率因子剖面圖對應(yīng)位置(圖3)，反射率因子剖面圖白色劃線下側(cè)即為“穴道”區(qū)域。查看當(dāng)日8時(shí)、20時(shí)臨近的邵武探空站-4℃層高度分別為4877m和5021m， 參考探空站資料，綜合天氣條件及“穴道”區(qū)域等因素，對防雹作業(yè)點(diǎn)17時(shí)02分-4℃層高度作出一定修正，假定取值為5100m，則冰雹云作業(yè)部位確定為“零線”下側(cè)且高度高于5100m(作業(yè)時(shí)應(yīng)減除作業(yè)點(diǎn)的海拔高度)的上升氣流入流區(qū)。

圖1 5月9日17時(shí)02分組合反射率

圖2 5月9日17時(shí)02分速度剖面圖

圖3 5月9日17時(shí)02分反射率因子剖面圖

需要說明的是冰雹云正面移向或移離雷達(dá)站，“零線”可用該冰雹云的速度剖面圖找出，并平移至該體掃時(shí)次反射率因子剖面圖來確定冰雹云作業(yè)部位具體位置，冰雹云若不經(jīng)過雷達(dá)站而從雷達(dá)兩側(cè)移過，則不適合用速度剖面圖找“零線”，可用該冰雹云反射率因子剖面圖找“零線”，“零線”會(huì)穿過懸掛回波的主軸，據(jù)此判定冰雹云“穴道”區(qū)域位置[7]。

3.2 確定人工防雹火箭彈發(fā)射方位角和仰角方法

火箭發(fā)射方位角的確定要視防雹作業(yè)點(diǎn)相對冰雹云的位置以及冰雹云的移動(dòng)方向而定，當(dāng)雷達(dá)監(jiān)測到冰雹云移至防雹作業(yè)點(diǎn)有效射程范圍后，可利用雷達(dá)站、防雹作業(yè)點(diǎn)及冰雹云作業(yè)部位三點(diǎn)所組成的水平三角形。參照王斌等[8]對火箭發(fā)射方位角的研究結(jié)果，將雷達(dá)獲取到的防雹作業(yè)點(diǎn)和冰雹云作業(yè)部位的方位、水平距離等相關(guān)數(shù)據(jù)，代入事先編好的計(jì)算程序，算出發(fā)射方位角值?；鸺l(fā)射仰角的確定則是當(dāng)雷達(dá)監(jiān)測到冰雹云移至防雹作業(yè)點(diǎn)有效射程范圍后，根據(jù)AgI催化劑播撒起點(diǎn)高度以及防雹作業(yè)點(diǎn)與冰雹云作業(yè)部位的水平距離(水平距離在計(jì)算發(fā)射方位角值時(shí)即可算得；也可將防雹作業(yè)點(diǎn)經(jīng)緯度值和冰雹云作業(yè)部位投影到地面點(diǎn)處的經(jīng)緯度值代入計(jì)算程序算得)，再查算BL-1A火箭彈彈射圖和彈射表[6]而得到。

以2021年5月9日三明雷達(dá)站監(jiān)測到的一塊冰雹云雷達(dá)回波資料為例，來分析確定火箭發(fā)射方位角和仰角。9日17時(shí)08分，雷達(dá)監(jiān)測到一塊冰雹云從江西境內(nèi)以29km/h左右的速度由西南向東北方向移動(dòng)并逐漸靠近福建建寧縣黃埠鄉(xiāng)大余作業(yè)點(diǎn)，見圖4黑圓圈處，17時(shí)11分左右冰雹云移至建寧縣黃埠鄉(xiāng)大余作業(yè)點(diǎn)火箭發(fā)射的有效射程范圍內(nèi)。通過分析該時(shí)次雷達(dá)回波產(chǎn)品和查看當(dāng)日8時(shí)邵武探空站-4℃層高度(對建寧縣黃埠鄉(xiāng)大余防雹作業(yè)點(diǎn)17時(shí)11分-4℃層高度作出一定修正后，取值為4700m)，即可確定冰雹云的最佳作業(yè)部位；將雷達(dá)獲取到的防雹作業(yè)點(diǎn)和冰雹云作業(yè)部位的方位、水平距離等相關(guān)數(shù)據(jù)，代入計(jì)算程序算得發(fā)射方位角值為243°左右；以冰雹云作業(yè)部位高度為AgI催化劑播撒起點(diǎn)高度，用計(jì)算程序算出防雹作業(yè)點(diǎn)與冰雹云作業(yè)部位的水平距離，作為火箭發(fā)射水平射程，再查看BL-1A火箭彈彈射圖和彈射表，確定發(fā)射仰角值為68°～70°左右。

圖4 5月9日17時(shí)08分組合反射率

3.3 計(jì)算火箭防雹作業(yè)用彈量

根據(jù)三明市出現(xiàn)冰雹時(shí)三明雷達(dá)回波產(chǎn)品VIL值資料初步統(tǒng)計(jì)結(jié)果[9]，本文取VIL值為35kg/m2作為人工防雹作業(yè)的閾值，同時(shí)視其面積大小估算作業(yè)用彈量。

由于三明地區(qū)使用的BL-1A型火箭彈AgI含量為10.8g，參考施文全等[1]對火箭人工防雹作業(yè)用彈量的研究結(jié)果，經(jīng)計(jì)算，防雹作業(yè)用彈量M估算公式為：

M=0.1VbyQ

(1)

其中，Vby為強(qiáng)對流回波雹源體積(單位：km3)；Q為強(qiáng)對流回波平均含水量(單位：g/m3)，Vby和Q計(jì)算公式為[4]：

(2)

(3)

其中,htop為VIL≥35kg /m2所對應(yīng)的回波頂平均高度(單位:km )，h-5為高空-5℃層高度，hstom為VIL≥35kg /m2對應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)風(fēng)暴頂平均高度(大概為回波頂高減去2km)，V為強(qiáng)對流回波垂直累積液態(tài)水VIL≥35kg /m2對應(yīng)的氣柱體積[4]。VIL取35kg/m2，SVIL取VIL≥35kg/m2所對應(yīng)的面積。

4 應(yīng)用實(shí)例

2021年5月9日13時(shí)30分，三明雷達(dá)監(jiān)測到一塊冰雹云以28～30km/h的速度從清流縣由西往東方向逐漸移到永安市，14時(shí)33分，冰雹云西移并靠近永安市西洋鎮(zhèn)葛洲村人工防雹作業(yè)點(diǎn)，進(jìn)入防雹作業(yè)點(diǎn)有效射程范圍內(nèi)，雷達(dá)回波顯示冰雹云中心回波反射率強(qiáng)度58 dBZ，冰雹云回波頂高11km，VIL出現(xiàn)躍增現(xiàn)象。查看5月9日8時(shí)邵武探空站0℃層高度為4381m，-4℃層高度為4878m,永安市西洋鎮(zhèn)葛洲村防雹作業(yè)點(diǎn)海拔高度為240m，故火箭發(fā)射高度應(yīng)高于4638m，對-4℃層高度作一定上調(diào)，取值為4800m，-5℃層高度為5022m，VIL≥35kg/m2網(wǎng)格點(diǎn)(4km×4km)一個(gè)，查看三明雷達(dá)回波資料，確定播撒AgI催化劑最佳作業(yè)部位；經(jīng)計(jì)算，得出發(fā)射方位角為285°，發(fā)射仰角為70°，將有關(guān)數(shù)值代入計(jì)算程序，算得作業(yè)用彈量約8枚。14時(shí)37分，永安市西洋鎮(zhèn)葛洲村作業(yè)點(diǎn)防雹人員抓住時(shí)機(jī)，成功發(fā)射8枚火箭彈，作業(yè)后不久三明雷達(dá)監(jiān)測到該冰雹云雷達(dá)回波反射率逐漸減弱,回波頂高降低，VIL減小，該人工防雹作業(yè)區(qū)未出現(xiàn)冰雹，獲得人工防雹較好效果。

5 結(jié)論

利用三明地區(qū)人工防雹作業(yè)點(diǎn)地理信息、三明新一代天氣雷達(dá)獲取的2021年5月9日冰雹天氣過程回波資料以及當(dāng)日邵武探空資料等，對火箭人工防雹作業(yè)部位、射擊角度、作業(yè)用彈量技術(shù)方法進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：

①雷達(dá)回波資料、探空資料等獲取的實(shí)時(shí)探測資料科學(xué)、客觀，用來確定冰雹云作業(yè)部位、火箭彈發(fā)射角度以及作業(yè)用彈量比較直觀便捷、科學(xué)有效，并在人工防雹作業(yè)中取得較好效果。

②單部雷達(dá)監(jiān)測冰雹云因距離太近或太遠(yuǎn)時(shí)，VIL值會(huì)存在偏差，導(dǎo)致計(jì)算作業(yè)用彈量出現(xiàn)偏差，故應(yīng)采用多部雷達(dá)回波資料進(jìn)行綜合分析VIL取值。

③人工防雹作業(yè)點(diǎn)與臨近探空站探測的高空0℃、-4℃、-5℃溫度層海拔高度數(shù)據(jù)因時(shí)間、空間不同而存在一定偏差，為達(dá)到精準(zhǔn)、有效防雹作業(yè)，應(yīng)對所需高空數(shù)據(jù)作適當(dāng)修正。