青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)多點(diǎn)聯(lián)合防雹個(gè)例分析

朱世珍 龔靜 張玉欣 王麗霞 張博越

（青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，西寧 810001）

0 引言

冰雹是世界上很多地方經(jīng)常出現(xiàn)的一種自然災(zāi)害，對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通等都有影響，且大多發(fā)生在夏季作物抽穗至黃熟階段，對(duì)農(nóng)作物的危害尤其嚴(yán)重[1-4]。了解雷暴云與降雹變化的物理過(guò)程，實(shí)施科學(xué)防雹作業(yè)及作業(yè)后效果評(píng)估，對(duì)于減少冰雹所造成的損失，提高人工防雹作業(yè)的科學(xué)有效性，推動(dòng)云和降水以及人工影響天氣理論的發(fā)展具有重要意義[5-9]。長(zhǎng)期實(shí)踐表明，利用高炮進(jìn)行人工防雹作業(yè)是一種有效的方法，與相同條件下未開(kāi)展人工防雹作業(yè)的單體相比，開(kāi)展人工防雹作業(yè)的雹云單體雷達(dá)回波減弱速度更快、生命史更短，人工防雹能有效減少雹災(zāi)和直接經(jīng)濟(jì)損失[10-14]。

有關(guān)冰雹監(jiān)測(cè)預(yù)警方法和人工防雹技術(shù)已有很多研究。肖輝等[15]對(duì)陜西旬邑地區(qū)的防雹試驗(yàn)研究表明，以45 dBZ回波頂高≥7.0 km，或以45 dBZ回波頂溫度＜－14 ℃，作為識(shí)別冰雹云的指標(biāo)，再根據(jù)強(qiáng)回波生長(zhǎng)情況，可提前5～10 min識(shí)別出冰雹云。付雙喜等[16]利用蘭州多普勒雷達(dá)資料中垂直累積液態(tài)含水量（VIL）產(chǎn)品資料，并結(jié)合甘肅中部地區(qū)降雨和降雹實(shí)測(cè)資料，提出了VIL識(shí)別冰雹云的判別指標(biāo)，當(dāng)VIL＞7.0 kg/m2時(shí)，預(yù)示有強(qiáng)對(duì)流天氣特別是冰雹天氣的出現(xiàn)，可提前20 min 預(yù)測(cè)降雹。王昂生等[17]在對(duì)昔陽(yáng)地區(qū)冰雹云的研究中，概括出雹云單體生命史演變分“發(fā)生、躍增、醞釀、降雹、消亡”5個(gè)階段，作業(yè)時(shí)機(jī)應(yīng)當(dāng)選擇在發(fā)生、躍增、醞釀階段。田涵元等[18]研究指出影響人工防雹作業(yè)效果的主要因素是防雹時(shí)間和范圍的選擇，另外還和對(duì)流云單體的特征、季節(jié)等有密切關(guān)系。目前雖然已有一些人工防雹個(gè)例相關(guān)研究，但在雹云移動(dòng)方向前沿開(kāi)展區(qū)域聯(lián)防作業(yè)的個(gè)例較少[19-23]，且由于自然降雹的變率大，冰雹的局地性也較強(qiáng)，目前人工防雹理論水平還不夠成熟，需要因地制宜地開(kāi)展防雹作業(yè)。

青海省地處青藏高原東北部，地形復(fù)雜，天氣多變，多冰雹。尤其在夏季白天，高原的加熱作用使局地輻合上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了大氣的不穩(wěn)定性，為對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件，使這里成為雹災(zāi)多發(fā)區(qū)[24-25]。受山脈走勢(shì)和大氣氣流的影響，發(fā)源于祁連山地區(qū)，沿西北—東南走向影響青海東北部是青海地區(qū)冰雹的最主要路徑。在時(shí)間分布上，5—9月冰雹占全年總數(shù)的98.6%，其中7月發(fā)生最多，占34.9%[26]。冰雹會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)極大危害，適時(shí)開(kāi)展科學(xué)有效的防雹作業(yè)能帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。7月是防雹作業(yè)較為集中的時(shí)期，但在實(shí)際防雹作業(yè)時(shí)，由于作業(yè)時(shí)空域申請(qǐng)未能及時(shí)得到空管部門(mén)批準(zhǔn)而錯(cuò)過(guò)最佳作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)區(qū)域的云系不具備防雹作業(yè)條件等原因，能在合適的作業(yè)時(shí)機(jī)、合適的作業(yè)部位、以合適的作業(yè)劑量實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)合防雹的個(gè)例較少。

2020年7月1日防雹個(gè)例為一次防雹作業(yè)較為及時(shí)合理、作業(yè)效果較為良好的個(gè)例。本文利用西寧CINRAD/CD多普勒雷達(dá)資料、MICAPS常規(guī)觀測(cè)資料等，從天氣形勢(shì)、環(huán)境條件、回波演變及防雹作業(yè)情況、效果檢驗(yàn)等方面，對(duì)這次青海東部海東市樂(lè)都區(qū)的典型多點(diǎn)聯(lián)合防雹作業(yè)個(gè)例進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，為該地區(qū)冰雹監(jiān)測(cè)及防雹作業(yè)指揮提供決策依據(jù)。

1 天氣形勢(shì)

7月1日08：00（北京時(shí)，下同）在500 hPa（圖1a），自青海東北邊緣到四川盆地西部有一槽線，青海西南部有一高壓脊，整個(gè)青海東部處于槽后脊前西北氣流中，風(fēng)速大概12 m/s，有較強(qiáng)冷平流。14：00地面圖上（圖1b），海東附近有23 ℃的暖中心，暖中心附近有一氣旋性輻合。上冷下暖的垂直結(jié)構(gòu)有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定。且地面氣旋性輻合、局地?zé)崃Νh(huán)流、地形抬升對(duì)局地強(qiáng)對(duì)流天氣有觸發(fā)作用。

圖1 2020年7月1日08：00的500 hPa形勢(shì)圖（a）和14：00地面圖（b）Fig. 1 500 hPa situation field at 08:00 BT (a) and ground map at 14:00 BT (b) on 1 July 2020

根據(jù)7月1日08：00西寧站探空資料（圖2a），400 hPa以下，層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線幾乎重合，溫度與露點(diǎn)相差不大，且風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，說(shuō)明08：00大氣為中性層結(jié)，低層濕度條件較好，且有暖平流。400 hPa以上有明顯的干空氣層，溫濕層結(jié)曲線形成向上開(kāi)口的喇叭形狀，大氣“上干冷，下暖濕”特征明顯，有利于形成熱力不穩(wěn)定條件。由于高原夏季午后陸地表面受日射而強(qiáng)烈加熱，有利于在近地層形成絕對(duì)不穩(wěn)定的層結(jié)，形成對(duì)流，此次對(duì)流活動(dòng)發(fā)生在傍晚，因此很難根據(jù)08：00的探空狀態(tài)判斷傍晚的對(duì)流潛勢(shì)。利用16：00地面溫度、露點(diǎn)進(jìn)行探空訂正后，CAPE值由21.8 J/kg增加到1551.9 J/kg，說(shuō)明大氣層結(jié)向不穩(wěn)定方向發(fā)展。0 ℃層高度在4539 m，－20 ℃層高度在8010 m，高度適宜，有利于冰雹的形成[27]。20：00（圖2b），整層不穩(wěn)定能量減少，對(duì)流層低層濕度條件變差，對(duì)流活動(dòng)明顯減弱。

圖2 2020年7月1日08：00（a）和20：00（b）西寧站T-lnp圖Fig. 2 The T-lnp diagram of Xining Station at 08:00 BT (a) and 20:00 BT (b) on 1 July 2020

2 防雹作業(yè)概況

青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)包括門(mén)源、大通、湟中、湟源、平安、樂(lè)都、互助、民和、循化、化隆、尖扎和同仁12個(gè)縣（區(qū)），為全省主要農(nóng)業(yè)區(qū)，也是全省的雹災(zāi)高發(fā)區(qū)[28]。自1961年來(lái)的近60 a的資料分析表明，東部農(nóng)業(yè)區(qū)的降雹天氣具有明顯的空間分布差異，降雹日數(shù)與海拔高度呈正相關(guān)，呈西北多，東南少的特征。且東部農(nóng)業(yè)區(qū)降雹日數(shù)總體呈明顯減少趨勢(shì)，這除了與氣候變暖背景下南北緯氣溫梯度下降、大氣環(huán)流減弱等因素有關(guān)，可能也與人工防雹抑制減少了冰雹的出現(xiàn)有一定聯(lián)系[29]。

2020年7月1日下午，受高空槽后冷平流影響，青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。14：00，青海湖以北至祁連山一帶有大量零星對(duì)流云單體生成；17：00，幾個(gè)先后發(fā)展起來(lái)的對(duì)流云逐漸合并，形成一條東西向的帶狀回波，自西北向東南方以約40 km/h的速度移動(dòng)；21：00，對(duì)流云逐漸消散于海東市南部與甘肅省交界處。從圖3可以看出云帶的移向和演變，以及云帶相對(duì)于作業(yè)點(diǎn)的位置。17：00—18：40，湟源、湟中、互助三縣和海東市樂(lè)都區(qū)相繼遭受冰雹襲擊，直徑在1～9 mm，持續(xù)時(shí)間為1～14 min。18：41—18：44，海東市樂(lè)都區(qū)在雹云移動(dòng)方向前沿的瞿曇、蒲臺(tái)、中壩、城臺(tái)四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)施了地面聯(lián)合防雹作業(yè)，曲壇鄉(xiāng)吳家臺(tái)村、蒲臺(tái)鄉(xiāng)黑窯洞村、城臺(tái)鄉(xiāng)拉尕邑嶺村和中壩鄉(xiāng)泉腦村四個(gè)作業(yè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行高炮作業(yè)，分別消耗炮彈60、60、60、50發(fā)，共計(jì)230發(fā)。

圖3 2020年7月1日西寧雷達(dá)組合反射率圖（圖中黑點(diǎn)表示此次對(duì)目標(biāo)云作業(yè)的四個(gè)作業(yè)點(diǎn)）（a）15：04；（b）16：04；（c）17：00；（d）18：39；（e）19：01；（f）20：02Fig. 3 Radar combined reflectivity map over Xining on 1 July 2020 (Black dots representing the four operating points of the target cloud operation)(a) 15:04 BT; (b) 16:04 BT; (c) 17:00 BT; (d) 18:39 BT; (e) 19:01 BT; (f) 20:02 BT

3 作業(yè)效果分析

多普勒天氣雷達(dá)能及時(shí)地監(jiān)測(cè)對(duì)流單體的發(fā)生、發(fā)展及其演變，在提前識(shí)別冰雹云、選擇判別作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)后效果檢驗(yàn)中都能起到很好的作用。本文利用中國(guó)氣象局人工影響天氣中心研發(fā)的云降水精細(xì)處理系統(tǒng)（CPAS），對(duì)2020年7月1日西寧站CINRAD/CD多普勒雷達(dá)資料進(jìn)行了處理，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到目標(biāo)云人工防雹作業(yè)前后雷達(dá)回波最大反射率、30 dBZ回波頂高、組合反射率（CR）≥45 dBZ回波面積、VIL≥10 kg/m2回波面積等參數(shù)的變化，進(jìn)行作業(yè)效果的物理檢驗(yàn)。多普勒天氣雷達(dá)完成體積掃描周期為6 min左右，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到的各個(gè)參數(shù)也均為6 min左右時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)資料。

3.1 雷達(dá)回波參量分析

14：00開(kāi)始，海北州海晏、門(mén)源、西寧市大通及海東市互助境內(nèi)有對(duì)流回波出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一系列合并發(fā)展之后，帶狀回波強(qiáng)度面積逐漸增大，形狀變?yōu)闄E圓形，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，逐漸移至樂(lè)都境內(nèi)。如圖4a，18：39，強(qiáng)回波中心位于樂(lè)都區(qū)崗溝鎮(zhèn)，回波最大強(qiáng)度61 dBZ，回波頂高達(dá)到10 km，30 dBZ回波頂高達(dá)到7 km，VIL達(dá)到30 kg/m2；RHI圖像上，出現(xiàn)明顯的穹隆回波、回波墻、懸掛回波和旁瓣假回波等冰雹云回波的一些明顯特征，主回波頂在峰前出現(xiàn)“V”形缺口（圖5a）。許煥斌等[30]運(yùn)用三維冰雹云模式模擬再現(xiàn)了這種現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)RHI主回波頂前的“V”形缺口，表征云中上升氣流十分強(qiáng)大，以致對(duì)平流層產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，是強(qiáng)冰雹云形成的標(biāo)志之一。18：41—18：44，青海省人工影響天氣辦公室（簡(jiǎn)稱“人影辦”）組織樂(lè)都區(qū)人影辦在雹云移動(dòng)方向前沿的瞿曇、蒲臺(tái)、中壩、城臺(tái)四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)施了地面聯(lián)合防雹作業(yè)，作業(yè)點(diǎn)分布情況如圖4a所示。18：44，回波最大強(qiáng)度減小到57 dBZ（圖4b），回波頂高仍在10 km，30 dBZ回波頂高降低了1 km，降到6 km，VIL降到25 kg/m2，穹隆回波特征明顯減弱（圖5b）。根據(jù)青海省氣候中心提供的2020年的降雹日、降雹直徑和降雹持續(xù)時(shí)間等資料，18：41，樂(lè)都本站出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間小于1 min、直徑為1 mm的小冰雹 。18：39—18：43，位于強(qiáng)回波邊緣的洪水鎮(zhèn)、蒲臺(tái)鄉(xiāng)、高廟鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，直徑4～5 mm，使農(nóng)作物受災(zāi)。其中，實(shí)施了防雹作業(yè)的蒲臺(tái)鄉(xiāng)受災(zāi)村數(shù)及受災(zāi)人口明顯低于洪水和高廟鎮(zhèn) （數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)氣象局氣象災(zāi)害管理系統(tǒng)，http://10.1.64.146/disaster/index）。18：44之后，回波強(qiáng)度逐漸減弱，強(qiáng)回波面積不斷減小直至消散。

目標(biāo)云作業(yè)前后30 min回波最大反射率、30 dBZ回波頂高、CR≥45 dBZ回波面積、VIL≥10 kg/m2回波面積變化如圖6所示，圖中陰影柱表示防雹作業(yè)時(shí)段。18：11—18：28，雹云處于平穩(wěn)發(fā)展階段，回波最大反射率和30 dBZ回波頂高變化不大，CR≥45 dBZ的回波面積和VIL≥10 kg/m2的面積逐漸增大。18：28—18：39，回波最大反射率突然增大，前5 min內(nèi)由57 dBZ增大到61 dBZ，30 dBZ回波頂高維持在7 km，CR≥45 dBZ的回波面積在后6 min內(nèi)明顯增長(zhǎng)，由1200 km2增大到1458 km2，VIL≥10 kg/m2的面積不斷增大，18：39增大到4821 km2，這種現(xiàn)象被稱為冰雹云的“躍增增長(zhǎng)”現(xiàn)象。出現(xiàn)“躍增增長(zhǎng)”時(shí)，45 dBZ強(qiáng)回波區(qū)比0 dBZ回波區(qū)增長(zhǎng)得更快，云內(nèi)上升氣流特別強(qiáng)，之后在地面都有降雹， 是冰雹云從生成到發(fā)展再到成熟過(guò)程中的一個(gè)明顯特征[31]。18：41—18：44，冰雹移動(dòng)方向前沿的四個(gè)作業(yè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行了高炮防雹作業(yè)，消耗炮彈230發(fā)。作業(yè)后1 min，回波最大反射率從61 dBZ下降到57 dBZ，30 dBZ回波頂高由7 km降至6 km，CR≥45 dBZ的回波面積明顯減小，由1458 km2降至1022 km2，VIL≥10 kg/m2的面積由4821 km2降至4488 km2。作業(yè)后30 min，VIL≥10 kg/m2的面積不斷減小，回波最大反射率、30 dBZ回波頂高、CR≥45 dBZ的回波面積先不斷減弱，之后小幅回升后又趨于減弱，這可能與雹云被短暫抑制后，又有新生對(duì)流單體的發(fā)展與消亡有關(guān)。 以上參數(shù)的變化說(shuō)明人工防雹可能對(duì)于冰雹云的結(jié)構(gòu)有一定影響，對(duì)于雹云有一定的抑制作用。

圖6 2020年7月1防雹作業(yè)前后回波最大反射率、30 dBZ回波頂高、CR≥45 dBZ回波面積、VIL≥10 kg/m2回波面積演變圖（圖中陰影部分表示防雹作業(yè)時(shí)段）Fig. 6 Echo maximum reflectivity, 30 dBZ echo top height,CR≥45 dBZ echo area, and VIL≥10 kg/m2 echo area evolution diagram before and after the hail prevention operation on 1 July 2020 (the shaded part indicating the time period of hail prevention operation)

根據(jù)各地實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[31]，一塊冰雹云移經(jīng)一個(gè)高炮作業(yè)點(diǎn)，對(duì)于復(fù)合單體雹云，躍增階段用彈量一般＜50發(fā)，醞釀階段為50～100發(fā)，總用彈量＜150發(fā)。18：41—18：44，樂(lè)都區(qū)在雹云移動(dòng)方向前沿的四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)相鄰炮點(diǎn)進(jìn)行了同時(shí)作業(yè)，作業(yè)時(shí)機(jī)選擇在雹云躍增階段，作業(yè)時(shí)機(jī)基本合理；四個(gè)炮點(diǎn)消耗炮彈均≥50發(fā)，大于躍增階段所需用彈量，因此此次防雹屬于過(guò)量催化作業(yè)，作業(yè)劑量基本合理；四個(gè)炮點(diǎn)正好位于云系發(fā)展的路徑上，布局自西北向東南方向，作業(yè)位置位于雹云的前端、中間及末端，根據(jù)雷達(dá)及實(shí)施作業(yè)炮點(diǎn)位置及方位角估算，實(shí)施作業(yè)部位選擇在多單體強(qiáng)回波中心，作業(yè)部位基本合理。

3.2 雨量分析

為研究高炮防雹在抑制雹云發(fā)展的同時(shí)對(duì)降水的影響，將目標(biāo)區(qū)內(nèi)所有自動(dòng)站的5 min累計(jì)雨量求平均，作為作業(yè)區(qū)平均雨量，作業(yè)區(qū)作業(yè)前后雨量變化如圖7所示。作業(yè)前，5 min平均雨量大部分在0.8 mm以下，18：41—18：44實(shí)施作業(yè)，作業(yè)后5 min之內(nèi)，作業(yè)區(qū)平均雨量出現(xiàn)躍增，從0.89 mm增加到1.35 mm，然后平均降雨量又有所回落，降到0.6 mm以下，之后波動(dòng)減小，19：45有小幅增長(zhǎng)之后，又不斷減小。 與王芳等[32]在川西地區(qū)的一次人工防雹作業(yè)中發(fā)現(xiàn)作業(yè)前無(wú)降水，作業(yè)后1 h內(nèi)突然產(chǎn)生大量級(jí)降水的結(jié)果較為一致，也與我國(guó)20世紀(jì)開(kāi)展的土炮和高炮人工降水和防雹試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)炮擊后幾分鐘，原來(lái)不下雨的云落下雨滴，原來(lái)下雨的云出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)雨滴加大、加密現(xiàn)象，即“炮響雨落”現(xiàn)象相一致[33]。

圖7 2020年7月1防雹作業(yè)前后目標(biāo)區(qū)內(nèi)5 min平均累計(jì)雨量演變圖（圖中陰影部分表示防雹作業(yè)時(shí)段）Fig. 7 The evolution of the 5 minute average accumulated rainfall in the target area before and after the hail prevention operation on 1 July 2020 (the shaded part indicating the time period of the hail prevention operation)

4 結(jié)論與討論

本文以2020年7月1日青海省海東市樂(lè)都區(qū)實(shí)施的一次典型多點(diǎn)聯(lián)合防雹作業(yè)個(gè)例為例，分析了此次冰雹產(chǎn)生的天氣背景和人工防雹作業(yè)情況，并利用雷達(dá)、雨量數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)防雹效果，為該地區(qū)冰雹監(jiān)測(cè)及人工防雹作業(yè)指揮提供決策依據(jù)。

1）此次降雹過(guò)程中，500 hPa高空槽后冷平流，400 hPa以下低層濕度條件較好且風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，上冷下暖的垂直結(jié)構(gòu)有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定。午后高原地面的強(qiáng)烈加熱作用，使大氣層結(jié)向不穩(wěn)定方向發(fā)展。地面氣旋性輻合、局地?zé)崃Νh(huán)流、地形抬升對(duì)局地強(qiáng)對(duì)流天氣有觸發(fā)作用。

2）樂(lè)都區(qū)人影辦在雹云處于躍增階段時(shí)，在移動(dòng)方向前沿的四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)相鄰炮點(diǎn)進(jìn)行了同時(shí)過(guò)量催化作業(yè)，實(shí)施作業(yè)部位選擇在多單體強(qiáng)回波中心，共消耗炮彈230 發(fā)，作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)部位、作業(yè)劑量均合理。防雹作業(yè)后1 min，回波最大反射率從61 dBZ下降到57 dBZ，30 dBZ回波頂高由7 km下降至6 km，CR≥45 dBZ的面積由1458 km2降至1022 km2，VIL≥10 kg/m2的面積由4821 km2降至4488 km2；作業(yè)后30 min，以上各參數(shù)均趨于減??；作業(yè)后5 min，作業(yè)區(qū)平均雨量出現(xiàn)躍增現(xiàn)象。說(shuō)明防雹對(duì)雹云有一定的抑制作用；在雹云躍增階段進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)合過(guò)量播撒作業(yè)，能起到良好的防雹效果。

3）本文僅針對(duì)一次防雹個(gè)例進(jìn)行分析，樣本不足，且由于此次個(gè)例利用的觀測(cè)資料較少，未能對(duì)防雹作業(yè)過(guò)程中冰雹云的微物理特征變化、影響機(jī)制等進(jìn)行分析，今后仍需進(jìn)一步收集更多個(gè)例，并利用多種資料對(duì)冰雹云宏微物理結(jié)構(gòu)、防雹后作業(yè)效果等進(jìn)行綜合分析，以提高人工防雹作業(yè)效果，有效減少雹災(zāi)造成的損失。