包頭市冰雹氣候特征及防雹作業(yè)量統(tǒng)計(jì)分析

摘 要：利用1981—2020年包頭市7個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站的降雹數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明包頭市各旗（縣、區(qū)）降雹頻次存在明顯的地域差異及季節(jié)性變化。同時(shí)，分析了近10年地面人工防雹作業(yè)個(gè)例、地面資料及雷達(dá)回波資料，修訂完善防雹路徑圖，總結(jié)冰雹天氣作業(yè)指標(biāo)，為防雹工作提供參考。

關(guān)鍵詞：冰雹氣候特征；防雹作業(yè)量；回波特征

中圖分類號(hào)：P482 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）06–0-03

包頭市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的中西部，陰山山脈橫亙其中部，形成北部丘陵高原、中部山岳和南部平原3個(gè)地貌單元。地貌復(fù)雜，地形多變，整個(gè)地區(qū)呈現(xiàn)出北高南低，西高東低的傾斜地形，復(fù)雜的地理位置和氣候條件導(dǎo)致災(zāi)害性天氣的發(fā)生，其中冰雹災(zāi)害是影響包頭市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。

冰雹災(zāi)害具有突發(fā)性、局地性、破壞大等特點(diǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活造成嚴(yán)重危害[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人工防雹受到關(guān)注。但如何科學(xué)、高效地開(kāi)展防雹作業(yè)，仍是亟待解決的問(wèn)題。以包頭市為例，包頭市氣象局利用近10年的地面人工防雹作業(yè)個(gè)例、地面資料及雷達(dá)回波資料進(jìn)行分析，總結(jié)當(dāng)?shù)乇?zāi)害特征和人工防雹情況，以期提高防雹工作水平。

1 資料方法

選取包頭市7個(gè)旗（縣、區(qū)）1981—2020年氣象觀測(cè)站冰雹觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體包括冰雹發(fā)生的地域分布、時(shí)間變化、發(fā)生路線等。同時(shí)，利用2013—2023年各旗縣防雹用彈量及作業(yè)期間收集的白云C波段713雷達(dá)、高新X波段雙偏振雷達(dá)回波資料（要素包括雷達(dá)回波強(qiáng)度、云頂高度、垂直累積液態(tài)水等），總結(jié)分析雷達(dá)回波判別指標(biāo)。

2 冰雹的時(shí)空分布特征

2.1 冰雹出現(xiàn)日數(shù)及其空間分布特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，包頭市各旗（縣、區(qū)）降雹頻次存在明顯的地域差異，1981—2020年，全市降雹日數(shù)共計(jì)412 d，

降雹日數(shù)最多的為希拉穆仁（地處包頭市東北部），約為80 d，其次為白云鄂博礦區(qū)、固陽(yáng)縣，降雹日數(shù)最少的為滿都拉（地處包頭市北部），約為38 d。全市7個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站年平均降雹日數(shù)為1.5 d，其中山南國(guó)家氣象觀測(cè)站平均為1.5 d，山北國(guó)家氣象觀測(cè)站平均為1.6 d。全市海拔最高的國(guó)家氣象觀測(cè)站為希拉穆仁（海拔1 602.3 m），最低的為土右（海拔998.6 m），除滿都拉（海拔1 225.2 m），其余地區(qū)均隨海拔的增加，降雹日數(shù)也在增加。研究表明，地形越復(fù)雜，海拔越高，越容易遭受冰雹襲擊。

2.2 冰雹日數(shù)的月、日變化特征

由1可知，包頭市各旗（縣、區(qū)）降雹天氣集中發(fā)生在4—10月，其余月份均無(wú)降雹。其中，降雹天氣多發(fā)生在夏季，春季和秋季偶有發(fā)生。各月冰雹日數(shù)呈單峰形特征，結(jié)合表1可知，峰值出現(xiàn)在7月，占冰雹總天數(shù)的25.0%，其次是8月和6月。

降雹時(shí)間段主要集中在12：00～21：00，占全天發(fā)生冰雹概率的91.7%；14：00～19：00發(fā)生冰雹的概率占全天的65.9%。其中，16：00～17：00發(fā)生冰雹概率最高，其次為18：00～19：00。而02：00～03：00和08：00～09：00這2個(gè)時(shí)間段顯示未發(fā)生冰雹，即冰雹出現(xiàn)頻率為0。

根據(jù)材料信息，冰雹主要發(fā)生在午后至傍晚的時(shí)間段內(nèi)。午后地表溫度升高，層結(jié)不穩(wěn)定，有利的動(dòng)力和熱力條件極易導(dǎo)致冰雹天氣發(fā)生[3-5]。夏季，16：00

～17：00溫度最高，這時(shí)間段也是做好防雹作業(yè)的重要時(shí)段。

3 包頭市防雹作業(yè)統(tǒng)計(jì)及防雹路徑

3.1 人工防雹作業(yè)情況

作為包頭市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大旗，土右旗耕地面積廣闊，冰雹天氣會(huì)阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，情況嚴(yán)重時(shí)可能造成糧食絕收。且土右旗基本都是水澆地，作物產(chǎn)量高，因此防雹作業(yè)點(diǎn)相對(duì)較多。然而，達(dá)茂旗以旱地為主，大部分區(qū)域?yàn)槟羺^(qū)，僅達(dá)茂旗南部與固陽(yáng)縣、武川縣接壤的區(qū)域種植農(nóng)作物，因此開(kāi)展防雹作業(yè)的站點(diǎn)相對(duì)較少，僅在南部農(nóng)作物區(qū)設(shè)立了防雹作業(yè)站點(diǎn)。

3.2 人工防雹作業(yè)統(tǒng)計(jì)

3.2.1 降雹及防雹初、終日期

歷年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，包頭市冰雹最早出現(xiàn)日期為日4月1日（出現(xiàn)在青山區(qū)），最晚出現(xiàn)日期為10月20日（出現(xiàn)在固陽(yáng)縣）；而防雹作業(yè)最早日期為5月10日（土右旗），最晚作業(yè)日期為9月26日（固陽(yáng)縣）。結(jié)果顯示包頭市防雹作業(yè)時(shí)間段與降雹發(fā)生時(shí)間基本一致。

3.2.2 平均年防雹作業(yè)量

各旗（縣、區(qū)）單站年平均防雹作業(yè)量折線圖顯示，2013—2023年，土右旗單站年平均防雹作業(yè)量255發(fā)、東河區(qū)196發(fā)、固陽(yáng)縣28發(fā)、達(dá)茂旗19發(fā)。其中，土右旗、固陽(yáng)縣、達(dá)茂旗單站年平均防雹作業(yè)量變化幅度相對(duì)較小，而東河區(qū)單站年平均防雹作業(yè)量變化幅度比較大（圖1）。

3.3 防雹作業(yè)路徑

通過(guò)防雹作業(yè)量和雹云移動(dòng)方向，確定了土右旗雹云從西北向東南移動(dòng)的路徑有2條：一條是從大青山經(jīng)公山灣到美岱召、缸房營(yíng)子，該路徑雹云強(qiáng)度大，

因此該路徑的防雹作業(yè)量也較大；另一條是從大青山經(jīng)耳沁堯到溝門南。

固陽(yáng)縣的冰雹路徑有2條：一條冰雹云路徑為西起巴彥淖爾市的云團(tuán)至西北向東南移動(dòng)，經(jīng)紅泥井、西斗鋪、壩梁到五卜壕村、興順西、兌九灣村，該路徑的雹云強(qiáng)度較大；另一條是從白靈淖北邊（達(dá)茂旗與固陽(yáng)縣交界處）生起的冰雹云經(jīng)卜塔亥到銀號(hào)與南營(yíng)子之間。

達(dá)茂旗冰雹路徑也有2條：一條是從白云鄂博東部山區(qū)生成，經(jīng)烏克、坤兌灣向東南移動(dòng)，一般經(jīng)過(guò)希拉穆仁；另一條源于大蘇吉北部山中，經(jīng)小文公鄉(xiāng)到西營(yíng)盤或岔岔村，到岔岔村附近的雹云一般也會(huì)經(jīng)過(guò)希拉穆仁，這也是希拉穆仁降雹日數(shù)較多的原因。

東河區(qū)冰雹路徑只有1條，由大青山出發(fā)，經(jīng)石拐到東園。

4 雷達(dá)特征分析

4.1 冰雹天氣反射率因子特征

冰雹根據(jù)大小分為四類：弱冰雹（直徑＜5 mm）、中等強(qiáng)度冰雹（5 mm≤直徑＜20 mm）。強(qiáng)冰雹（20 mm

≤直徑＜50 mm）、特強(qiáng)冰雹（直徑≥50 mm）[6-9]。

對(duì)包頭市近年的21次冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行分析，雷達(dá)回波形狀和結(jié)構(gòu)主要有2種：一種為颮線（呈線性狀排列的對(duì)流單體族，其長(zhǎng)和寬之比＞5），共8例；另一種為塊狀單體回波，共13例。強(qiáng)雹云的X波段雷達(dá)回波中心強(qiáng)度普遍＞50 dBz，白云C波段713雷達(dá)回波強(qiáng)度均＞55 dBz，且呈懸垂結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)回波穹窿。

例如，2021年7月16日包頭市土右旗出現(xiàn)強(qiáng)冰雹，

對(duì)強(qiáng)回波做距離高度掃描（RHI掃描），顯示呈穹窿狀，＞45 dBz的強(qiáng)回波的高度超過(guò)10 km，＞55 dBz的強(qiáng)回波出現(xiàn)在距地面4～8 km處，距地面3 km以下的最弱回波為35 dBz左右，這說(shuō)明弱回波區(qū)有上升運(yùn)動(dòng)。

Lemon（1998）發(fā)現(xiàn)在三體散射出現(xiàn)后的10～30 min內(nèi)，地面有可能出現(xiàn)直徑＞2.5 cm的冰雹，同時(shí)往往伴隨災(zāi)害性大風(fēng)（針對(duì)S波段）。與S波段雷達(dá)相比，C波段雷達(dá)回波中出現(xiàn)三體散射的機(jī)會(huì)更多，但并不一定表明大冰雹的存在，小冰雹也有可能產(chǎn)生三體散

射[10-13]。而高新X波段雙偏振雷達(dá)觀測(cè)到三體散射的次數(shù)更多，不僅降小雹時(shí)會(huì)出現(xiàn)三體散射，而且降小冰粒時(shí)也會(huì)出現(xiàn)三體散射。

例如，在2021年7月7日、2021年7月16日、2023年8月20日，高新雷達(dá)監(jiān)測(cè)到三體散射，后期炮手均反饋當(dāng)天出現(xiàn)冰雹或小冰粒，這表明X波段雷達(dá)對(duì)冰雹的短臨預(yù)報(bào)具有良好的指示意義。在三體散射出現(xiàn)后，白云C波段713雷達(dá)僅監(jiān)測(cè)到有大冰雹，而未監(jiān)測(cè)到小冰雹，這可能是由于作為指揮雷達(dá)的白云C波段713雷達(dá)沒(méi)有進(jìn)行組網(wǎng)，未開(kāi)展24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。又如，2020年8月9日，達(dá)茂旗境內(nèi)超級(jí)單體強(qiáng)度達(dá)到

65 dBz以上。14：29，白云雷達(dá)監(jiān)測(cè)到三體散射特征，14：40，三體散射特征明顯。而當(dāng)天達(dá)茂旗氣象觀測(cè)站記錄到2020年8月9日14：37～14：39有降雹，三體散射出現(xiàn)后大約10 min降雹。這與Lemon的理論相符。

由于云中大冰雹、大水滴等大粒子對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)度衰減作用，雷達(dá)探測(cè)時(shí)電磁波不能穿透主要的大粒子（冰雹區(qū)），在大粒子區(qū)的后半部分形成的“V”形缺口[14]?！癡”形缺口是判別冰雹的重要指標(biāo)之一，一般僅在超級(jí)單體回波圖中能夠監(jiān)測(cè)到“V”形缺口。

例如，2020年8月9日在包頭市出現(xiàn)超級(jí)單體回波（圖2），14：12～14：18，白云雷達(dá)顯示“V”形缺口明顯；14：24，對(duì)回波進(jìn)行RHI掃描，顯示掃描圖呈傾斜懸垂結(jié)構(gòu)、回波墻、穹窿狀；15：36，RHI掃描監(jiān)測(cè)到旁瓣回波等特征。又如，2022年7月27日，高新X雷達(dá)01：05

監(jiān)測(cè)到“V”形缺口；01：37，監(jiān)測(cè)到三體散射，后據(jù)炮手反饋02：12何家圐圙村有小雹，02：15美岱召鎮(zhèn)有災(zāi)。

4.2 回波頂高度特征

雷達(dá)回波頂高度（ET）是在反射率因子（≥18 dBz）

被探測(cè)到時(shí)，顯示以最高仰角為基礎(chǔ)的回波頂高度[15]。

包頭市2022—2023年9次冰雹過(guò)程中，X波段雙偏振雷達(dá)回波頂高的最大值均＞12 km，其中5次中雹過(guò)程中，回波頂高超過(guò)15～17 km。回波頂高能反映出對(duì)流延伸的高度，較高的回波頂高可以為雹胚生長(zhǎng)提供足夠長(zhǎng)的路徑?；夭敻咭矠楸⒌亩虝r(shí)預(yù)報(bào)提供一定的參考依據(jù)[16]。

4.3 垂直累積液態(tài)水特征

X波段雙偏振雷達(dá)每6 min進(jìn)行一次體掃，降小雹及冰粒過(guò)程中，垂直累積液態(tài)含水量（VIL）中心值＞10 kg/m2；降中雹時(shí)，VIL中心值一般＞30 kg/m2。近三年，包頭市僅監(jiān)測(cè)到1次VIL中心值＞55 kg/m2（出現(xiàn)在2022年7月24日的包頭市區(qū)），2個(gè)體掃后，VIL中心值從40 kg/m2增至65 kg/m2。達(dá)到最大值后，VIL中心值變?yōu)?0 kg/m2以上；2次體掃后，VIL中心值變?yōu)?5 kg/m2以上。

5 結(jié)論

（1）包頭市冰雹地域特征明顯，除滿都拉，各國(guó)家氣象觀測(cè)站的冰雹日數(shù)均隨海拔的上升而增加。冰雹季節(jié)性變化顯著，主要集中在6—9月，峰值出現(xiàn)在7月。冰雹日變化特征明顯，一天中主要的降雹時(shí)段為14：00～19：00，發(fā)生冰雹概率占全天的65.9%。

（2）歷年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，冰雹的最早初日出現(xiàn)在4月

1日，最晚終日出現(xiàn)在10月20日，而最早作業(yè)日期為5月10日，最晚作業(yè)日期為9月26日。單站年平均防雹作業(yè)量分別為土右旗255發(fā)、東河區(qū)196發(fā)、固陽(yáng)縣28發(fā)、達(dá)茂旗19發(fā)。

（3）強(qiáng)冰雹的X波段雷達(dá)回波中心強(qiáng)度普遍＞

50 dBz，白云C波段713雷達(dá)回波強(qiáng)度均＞55 dBz。高新X波段雙偏振雷達(dá)更容易監(jiān)測(cè)到三體散射，對(duì)冰雹的短臨預(yù)報(bào)具有良好的指示意義。一般在超級(jí)單體回波圖中更容易監(jiān)測(cè)到雹云回波出現(xiàn)的“V”形缺口。小雹及冰粒VIL中心值一般＞10 kg/m2，中雹VIL中心值一般＞30 kg/m2。ET值普遍＞12 km。

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收稿時(shí)間：2024-03-15

作者簡(jiǎn)介：張慧（1981—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，主要從事大氣物理與人工影響天氣研究。