多普勒雷达在湘西北人工防雹中的应用

黄 骏，辛学飞，梁明增，石兴琼

（1.张家界市气象局，湖南 张家界 427000；2.中国民航飞行学院，四川 广汉 618307）



多普勒雷达在湘西北人工防雹中的应用

黄 骏1，辛学飞1，梁明增2，石兴琼1

（1.张家界市气象局，湖南 张家界 427000；2.中国民航飞行学院，四川 广汉 618307）

摘 要：利用多普勒雷达产品，并结合地面实况降水等资料对2006年8月14日晚湘西北地区一次人工防雹作业进行分析。结果表明：多普勒雷达在指导人工防雹过程中能很好的监测对流单体的发生发展及其移动路径，对提前识别冰雹云、选择判别作业时机有很好的预警指示作用。利用物理效果检验法和插值法还能有效检验作业效果。

关键词：人工防雹；雷达产品；冰雹云

近年来，随着技术的发展以及农业生产的需求，天气雷达在人工防雹作业中的应用越来越广泛，逐渐成为人工防雹作业中最主要的预测工具。根据冰雹云形成原理，可通过雷达回波形态演变特征来识别冰雹云，同时还可通过雷达回波参量的演变来预测冰雹云的发展，由此判断实施人工防雹作业的最佳时间、作业部位和用弹量等，并依据实时雷达回波参量的变化来检验防雹作业的效果。樊志超等[1]研究表明，在湘西北地区，夏季当多普勒雷达参数为CR≥55dBz、ET≥9 km、VIL≥35 kg·m2时，说明有冰雹云形成；樊鹏等[2]研究表明，在渭北地区当强回波顶高高度达45 dBz时即有冰雹云形成；段艺萍[3]等基于冰雹云的雷达三维拼图反射率分布形态特征，提出在人工影响防雹作业中识别冰雹云的6个候选指标，分别是组合反射率、云回波顶高、最大反射率回波顶高、垂直累积液态水含量、垂直累积液态水含量密度以及垂直累积液态水含量跃增值。张正国等[4]利用VIL产品来识别广西地区的冰雹云，并通过实时参数指导人工防雹作业时机、作业用弹量等；刘治国等研究表明，防雹作业后雷达的回波顶高、雷达回波强度及30 dBz强回波顶高等参数明显小于作业前，且这种变化往往在作业后25 min内发生，作业效果分别为63.6%，78% 和59%[5-11]。李宏宇[12]等利用农业气象灾情统计资料和经典的区域历史回归统计方法，对防雹经济效益进行了客观定量评估，防雹投入产出比平均为 1∶16。

研究以多普勒雷达探测数据为资料，分析了常德地区2006年8月14日晚一次冰雹云天气的生成和发展过程，并利用湘西北地区天气雷达的先验指标参数指导了一次人工防雹作业，准确掌握了作业时机。通过作业前后雷达回波参数的变化情况分析可知，该次作业成功地阻止了冰雹云的扩大和危害，为湘西北地区人工防雹作业积累了经验。

1　  冰雹天气概况

2006年8月14日20:00（北京时间，下同）500 hpa图（图1a）上，东北－甘东南为冷槽，湘西北地区为副高控制；与之对应的850 hpa（图1b）图上，湘西北地区位于副高边缘上切变辐合区中，且处于＞24℃暖舌内，陕晋一带为16℃冷中心，冷暖空气交汇于湘西北地区。再分析湘西北一带的△T=T500-T850≈-27℃，总指数TT= T850＋Td850-2T500≈36℃，显示大气层结很不稳定。因此，在这样的热力不稳定条件下，低层冷空气的侵入触发了此次湘西北的局部冰雹天气。

图1　北京时间2006年8月14日20:00湘西北地区高空气压实况（A：8月14日20时500 hpa高空实况图；B：8月14日20时850 hpa高空实况图）

2　雷达产品分析作业时机

2.1雷达参数演变特征分析

组合反射率因子（CR） PPI产品显示出的是整个可探测大气空间的最大反射率因子分布，因此有利于探测对流单体的结构特征、强度、移速和路径等。回波顶高（ET）能快速探测风暴的发展高度。垂直累积液态含水量（VIL）有助于识别较大冰雹单体、超级单体。径向速度图能探测风暴结构，识别气旋、反气旋、切变、辐合辐散等。冰雹的尺度较云中水滴大，且必须形成于0℃层以上（夏季不同地区0℃层高度不一致），因此综合雷达的多种产品资料能够较好地了解对流单体的发生发展、强度、移动路径以及三维空间结构特征等，从而可以在统计学的基础上建立一些能定量识别冰雹的指标。该研究根据雷达参数演变特征，参考樊志超等识别夏季湘西北冰雹云的指标（CR≥55dBz、ET≥9 km、VIL≥35 kg·m2），来确定最佳作业时机。

图2　冰雹云组合反射率（CR-37）演变（雷达站位于东南方向约89 km）

由CR演变图（见图2）可知，21:50在炮点东北方约7 km处有小块25 dBz的初生回波，在炮点西南方向有也有小块25 dBz的初生回波；22:02东北方向单体的回波几乎在原地发展加强到50 dBz，而西南方向的回波已减弱到了20 dBz以下，所以将观察重点放在炮点偏东北方向的单体上；东北方向的单体12 min回波增加了25 dBz，发展十分迅速，其后强度基本维持不变，向西南方向缓慢移动；22:27该单体回波再次加强，出现了小块55 dBz的强回波；回波继续发展加强，缓慢朝西南方向移动，至22:33，单体中55dBz的回波面积明显增大，此时回波顶高ET为9 km，垂直累积液态含水量VIL最大达到了30 kg·m2。

对风暴相对径向速度（SMR）演变特征进行分析，发现22:27 仰角0.5°～2.4°SMR表现为辐合特征，仰角4.3° SMR表现为辐散特征，低层辐合、高层辐散的“抽吸”作用有利于该单体发展加强。22:33 SMR显示低层辐合、高层辐散进一步加强，这表明该单体将进一步加强发展。

综上所述，该单体处于十分旺盛的发展阶段，即将加强为冰雹云或冰雹云初生阶段。

2.2作业时机确定

目前，人工防雹主要采用“有利竞争”方法[13]，即向正在发展的雹云中的雹胚形成区播撒人工冰核，通过核化和凝华、碰冻、增长，迅速形成毫米尺度的人工雹胚，同自然雹胚竞争云中过冷却水，以抑制较大冰雹的形成。因此，最佳的防雹作业时机应该是雹云的发展阶段。

2006年8月14日，21:50，单体初生，到22:33，该单体一直处于发展阶段，从理论上说这个时段都是适宜作业时段，但是由于前期单体较小，且其能否发展为冰雹云还不十分明确，所以将作业时间选在能大体判别单体将发展加强为冰雹云后，即22:34～22:36。东泉炮点使用3-7高炮向该单体中上部上升气流区以扇形方式发射了20枚碘化银炮弹。作业前，炮点周围降阵雨，风力8级左右；作业后约5 min，炮点周围降大颗的冷雨，并夹杂着绿豆粒大小的冰雹。

3　雷达产品分析作业效果

3.1作业后雷达参数变化

通过同一块雹云作业前、后雷达回波的变化来检验人工防雹作业效果的方法属于物理量检验法[11]，此次人工防雹作业效果就采用此方法检验。

由图2可知，22:39单体冰雹云中组合反射率因子（CR）55 dBz的回波面积增大，且成“多角”形态；回波顶高ET增高，最大达11 km，炮点为9 km；垂直累积液态含水量VIL增大到35 kg·m2；在仰角0.5°、2.4°上风暴相对径向速度（SMR）维持切变辐合特征，4.3°仰角维持辐散特征，且辐散呈加强趋势。由CR演变图可知，此单体冰雹云正处于发展旺盛阶段，雷达特征参数表现出冰雹云特征（CR≥55 dBz、ET≥9 km、VIL=35 kg·m2），同时CR为“多角”形状。由于作业才3 min，时间很短，而碘化银粒子参与竞争到起作用仍需要一段过程，所以作业效果还不明显。

22:46（作业后11 min），单体冰雹云中CR 55 dBz的回波面积较之前有所减小，这主要是大的降水粒子降落的结果，而30 dBz以上的回波面积较之前增大；ET跃增到15～17 km，这主要是炮弹爆炸释放大量潜热的结果；最强回波面积的减小、次强回波面积的增大，以及回波顶高的增高，这都是碘化银粒子参与云内自然粒子活动的结果；此时，VIL增加到40 kg·m2；SMR在≤3.4°仰角范围内仍维持切变辐合，但4.3°仰角上出现了逆风区，高层辐合气流阻碍了对流的进一步加强。

22:52（作业后17 min），随着降雨的持续进行，单体冰雹云中CR 55 dBz的回波进一步减弱，但30 dBz以上的强回波面积进一步增大，也就是说作业后的单体影响面积变大，ET下降到≤11 km，VIL下降到≤30 kg·m2；SMR上仰角0.5°的零值廓线与雷达扫描线锐角相交，炮点附近表现为辐散特征，仰角≥1.5°上都表现为辐合。

综上所述，作业后，30 dBz以上的强回波面积增大，回波顶高降低，表明作业使冰雹云单体由纵向发展转变为横向发展；垂直累积液态含水量先增大后减小，表明炮弹发射后云中水汽沿播撒区中的碘化银粒子凝结，使云中雨滴有短时急剧碰撞并增长，加强降水，随着小冰雹与雨滴降水粒子的降落，垂直累积液态含水量逐渐减弱；中低空的风暴相对径向速度维持辐合时间较长，但很快高空转变为辐合场，阻碍了中小尺度环流的进一步发展，却延长了中小尺度环流维持的时间，从而抑制了冰雹的增长，延长了降水时间；同时单体面积的显著增大，表明碘化银催化还能扩大降水范围。

3.2风暴总累计降水检验增雨效果

插值法是根据观测数据构造一个适当的简单函数来近似替代要寻求的函数[14]。

Lagrange插值公式如下：

根据多普勒雷达STP（风暴中累积降水）产品，结合实况雨量资料用Lagrange插值法来构造简单的函数，以计算出此次增雨的总量。多普勒雷达STP显示：炮点是25.4 mm，其他不同地区还有7.6、15.2、38.1 mm等。地面实况降雨量与之对应分别有不同的值，取其与之对应的平均值，分别为20.2、26.6、50.0 mm。

设插值区间为[7.6，38.1]，25.4在插值区间内，则用二次（抛物线）插值公式如下：计算得25.4 mm对应的实况降雨量近似为36.3 mm，那么此次作业后增加的雨量近似为21.5 mm。由此证实，人工防雹作业后炮点雨量有所增加。根据防雹的“竞争”原理，冰雹云作业后雨量的增加，有效地抑制了冰雹的长大，防雹作业有效。

4　结论与讨论

综合多普勒雷达产品的组合反射率、回波顶高、垂直累计液态含水量、风暴相对径向速度等特征量能有效地监测对流云的发生、发展及移动路径演变过程，对实时指导人工防雹作业有重要作用。在多普勒雷达参数的指导下，利用组合发射率≥55 dBz、回波顶高≥9 km、垂直累计液态含水量≥35 kg·m2的定量临界判别指标，在判别对流云将发展成冰雹云的发展阶段作业，能取得较好防雹效果。通过作业前后的雷达参数特征量变化情况能有效检验了作业效果，并可利用插值法构造了一个简单函数来粗略计算作业的增雨量，此次防雹作业增加降雨21.5 mm。科学的人工防雹作业应用效果非常明显。

在开展人工防雹前，湘西北每年遭受雹灾损失较重。湘西北地区从2005年起摸索着开展人工防雹作业，2006年基本形成了一套科学的人工防雹作业方法，作业保护区内几乎没有遭受明显雹灾，经济和社会效益显著。据统计，湘西北地区2006～2015年期间共进行防雹作业265次，发射防雹增雨催化炮弹19 690发，仅烤烟损失就降低6 000万元以上。人工防雹作业，使得作业保护区因冰雹造成的损失大大降低，除2011年桑植白石乡因空域安全原因不能作业造成损失外，其他年份保护区内几乎没有遭受明显的冰雹灾害，防雹效果非常显著。

参考文献：

[1] 樊志超，高继林，王治平，等. 湘西北山区夏季冰雹云多普勒雷达定量判别指标[J]. 气象，2006，32（12）：50-55.

[2] 樊 鹏，肖 辉. 雷达识别渭北地区冰雹云技术研究[J]. 气象，2005，31（7）：16-19.

[3] 段艺萍，刘寿东，刘黎平，等．新一代天气雷达三维组网产品在人工防雹的应用[J]．高原气象，2014，33（5）：1426-1439.

[4] 张正国，汤达章，邹光源，等. VIL产品在广西冰雹云识别和人工防雹中的应用[J]. 热带地理，2012，32（1）：50-53，93.

[5] 刘治国，陶健红，王学良，等. 一次高炮防雹效果的CIN-RAD/ CC产品分析[J]. 干旱气象，2006，24（3）：23-30.

[6] 王雨曾，刘新元，赵宗然，等. 人工防雹效果差异分析[J]. 气 象，1996，22（12）：31-34.

[7] 王 婉，姚展予. 2006年北京市人工增雨作业效果统计分析[J].高原气象，2009，28（1）：195-202.

[8] 王雨曾，郁 青. 多物理参量检验防雹效果的研究[J]. 气象，1995，21（10）：3-9.

[9] 高子毅，张建新，廖飞佳，等. 新疆天山山区人工增雨试验效果评价[J]. 高原气象，2005，24（5）：734-740.

[10] 李桂华，金少华. 雹云识别的物元可拓模型在低纬高原的构造及其效果检验[J]. 高原气象，2005，24（2）：280-284.

[11] 李金辉. 陇县防雹作业前后雷达回波变化分析[J]. 陕西气象，2009，（6）：9-12.

[12] 李宏宇，嵇 磊，周 嵬，等. 北京地区人工增雨效果和防雹经济效益评估[J]. 高原气象， 2014，33（4）： 1119-1130.

[13] 中国气象局科技发展司.人工影响天气岗位培训教材[M]. 北京：气象出版社，2003.

[14] 林成森.数值计算方法[M]. 北京：科学出版社，2005.

（责任编辑：成 平）

Application of Doppler Radar in Hail Suppression in Northwestern Hunan

HUANG Jun1,2，XIN Xue-fei2，LIANG Ming-zeng3，SHI Xing-qiong2
（1.Chengdu University of Information Technology， Chengdu 61000， PRC； 2. Zhangjiajie Meteorological Bureau， Zhangjiajie 427000， PRC； 3. Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， PRC）

Abstract：Use Doppler radar products and actual ground precipitation information to analyze the action of hail suppression in the evening of 14 August, 2006 in Northwestern Hunan. The results show that Doppler radar has advantages of monitoring the development and movement path of convective cells in the process of guiding hail suppression. It is useful for the identification of hailstorm before it forms and the selection of the best time to take actions. Using physical effects test and interpolation method can test operation results effectively.

Key words：hail suppression; radar products; hailstorm

作者简介：黄 骏（1982-），男，贵州瓮安县人，工程师，主要从事天气气候预报与预测研究。

基金项目：张家界市气象局和湖南省烟草公司张家界市分公司合作项目

收稿日期：2016-01-14

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.04.016

中图分类号：S163+.5

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）04-0053-04