冰雹形成过程及人工防雹研究综述*

2023-01-28姚展予李集明赵洁云姚振东

气象学报 2022年6期

姚展予屠琦安琳汪会李集明贾烁赵洁云姚振东

1. 中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室，中国气象局人工影响天气中心，北京，100081

2. 成都信息工程大学，成都，610225

1 引言

雹灾是常见的气象灾害之一，虽然不像干旱、暴雨等影响范围大，但它具有形成和发展快、雹粒动能大等特点，会给农业、建筑、电力、交通以及人民生命财产带来巨大的损失。作为冰雹灾害防御的重要手段之一，人工防雹采用在冰雹云中播撒催化剂或者采用爆炸等技术手段抑制或削弱冰雹云中冰雹的生长，以达到消除或减轻降雹的目的，对防灾、减灾起到积极作用。为预防冰雹灾害，世界上许多国家都开展了人工防雹作业和试验研究。文中首先介绍冰雹形成机理与增长过程以及雹云结构与发展过程研究进展，然后从人工防雹机理、技术、科学试验和效果评估4个方面对中外人工防雹相关研究进行了综述。

2 冰雹形成机理和雹云物理研究

2.1 冰雹形成机理与增长过程研究

1965年，苏联科学家G.K.Sulakvelidze提出冰雹形成的“累积带理论”，根据探空实测的雹云中上升气流随高度呈抛物线状分布，认为积云中的上升气流最初是以热力泡的形式发展的，随后许多热力泡汇合组成柱状上升气流，上升速度从云底随高度上升逐渐增大，到达高度Zm时，上升速度达最大值（Wm）。从Zm到云顶，上升速度随高度升高而减小。若最大上升速度（Wm）大于水滴自然破碎时的临界下落末速（Vc），而Zm又低于大水滴的自然冻结高度（-18—-20℃层），则在Zm以上形成由大水滴组成的含水量累积区，在最大速度层以下的一些高度出现暖雨过程，正是这种暖雨形成机制向累积带提供雨水量。其中的少量较大过冷雨滴可通过浸润冻结过程产生冻滴或碰撞初始核化的冰晶而形成雹胚（李大山，2002）。

Browning 等（1962）最早提出当时称为强单体后统称为超级单体雹暴中的冰雹循环增长模型（图1）。根据雷达观测结果，初步构画出冰雹云结构模型，模型中含有两股有组织的气流：一股宽的暖湿强上升气流，自风暴的东南侧进入，倾斜上升，上升速度随高度增大，然后上升速度迅速减小，在云砧出流区呈反气旋式扭转并随高空风流出；在对流层中部一股从云的后方假相当温度低的干燥环境空气追上云体，叠加降水负荷拖曳和降水粒子蒸发冷却作用，形成有组织的下沉气流。

图1 1959年7月9日上午英国沃金厄姆地区一次风暴三维气流模型（Browning，et al，1962）Fig. 1 Three-dimensional model of the airflow within the Wokingham storm on the morning of 9 July 1959 （Browning，et al，1962）

Heymsfield 等（1980）认为雹胚起源于馈云，经常具有小尺度的隐嵌上升气流和侧向积云塔，或者具有上方成熟单体；并推断在馈云内主要质粒类型是枝状冰晶的聚合体和较小的单个枝状晶；同时认为若新云塔将大的聚合体引入成熟单体的前向悬垂回波的降水尾中，雹胚就会加强（李大山，2002）。

Nelson（1983）分析研究了一个超级单体中由多部多普勒雷达探测资料得出的流场计算的冰雹增长方式，发现对干冰雹增长来说，比最大上升速度更为重要的因子是存在一相当宽广的中等上升气流区（20—40 m/s）。因为冰雹不能在上升气流最强的部位增长，所以导致冰雹增长的一个重要因子并非是缺乏雹胚，而是风暴的气流结构。

Johns等（1992）指出持续强上升气流是冰雹天气发生的必要条件，上升气流越强，对冰雹的托举力就越强，可以使冰雹生长到较大的尺度。上升气流的强弱主要取决于热力浮力，对流不稳定能量越大，出现强冰雹的概率越大。强冰雹的出现还依赖于风暴尺度结构的变化，风暴结构的变化导致在相似的热力结构中冰雹的大小、浓度和分布都有不同的变化。并且0℃层的高度也对降到地面冰雹的大小有重要影响。

上述的冰雹形成机理与增长过程认知基本上是基于个例的雷达观测等资料构建的物理模型，重点描述的是冰雹形成过程中的动力影响。限于早期的雷达观测技术，而且当时没有完整的冰雹数值模式，因此早期认知的冰雹形成机理存在一定的局限，尤其是累积带理论对雹胚形成的微物理过程的认知有明显偏差，事实上只要有水凝物粒子的辐合效应，不一定只能在最大上升气流速度所在位置以上才发生累积。

近30年来中国数值模式在人工影响天气中的应用越来越多，很多学者利用数值模拟方法对冰雹形成机理和增长过程进行了深入研究（孔凡铀等，1990；毛玉华等，1993；黄燕等，1994；洪延超，1998，1999；郭学良等，2001a，2001b；许焕斌等，2001，2002，2008；洪延超等，2002；肖辉等，2002，2004；Kang，et al，2007；陈宝君等，2012；樊明月等，2013；许焕斌，2012，2014，2015，2021；Yin，et al，2021）。

洪延超（1999）利用三维冰雹云催化模式模拟研究了1997年7月8日在旬邑地区出现的一块雹云，并且分析了该地区冰雹形成的物理机制，结果表明，97%的雹块是以冻滴为核心增长的，在云中冰雹还未形成前，于强上升气流区的适当高度催化效果较好，而在上升气流极值高度亦是高含水量区催化效果最好。

郭学良等（2001a）建立和发展了一个包括云滴、云冰、雨滴、雪团、霰和雹的云中主要水成物场及凝结、碰冻等37种主要微物理过程，可用于预测和研究三维强冰雹云降雹过程的冰雹分档模式，模式能够提供在雹云参数化模式中无法提供的关于冰雹增长与分布的信息。

许焕斌等（2002）研究表明，冰雹云中具有翻滚式对流流场，流场的性质决定云中存在着一个动力吸引区，它处于主上升气流区旁侧水平气流等于0的区域，粒子在增长运行中向这里集中，造成水凝物的累积。并且这种粒子的集中和水凝物的累积是流场动力特征和粒子增长行为相互作用的表现，如果没有粒子的增长，集中和累积是困难的。粒子的集中和水凝物的累积是受流场和粒子运动的动力过程控制的，而累积粒子是液相雨滴或固相霰粒、雪团和冰雹受降水发展过程属液相或固相占优势来决定的。而一旦有过冷雨滴的累积，会加速冰雹生长。这也为播撒防雹形成冻滴雹胚准备了条件。

陈宝君等（2012）使用三维冰雹分档对流云模式结合三维粒子运行增长模式，对一例超级单体风暴进行了数值模拟，分析模拟结果发现雹胚主要分布在上升气流区上部，冰雹主要分布在上升气流区东侧，并且发现这些大冰雹绝大多数起源于主上升气流区北侧的高层云区，气旋性进入主上升气流区按照简单的上—下形式增长，少数大冰雹起源于主上升气流区西北侧风暴后部中高层，气旋性地沿着主上升气流区边缘按照下—上—下形式运动增长，表明超级单体中大冰雹可能存在2条增长路径。

樊明月等（2013）采用三维全弹性冰雹云模式对2006年山东省内一次强对流天气进行了模拟分析，表明冰雹的胚胎主要是霰，79%左右的冰雹以霰为核心增长，霰最初来源于雪的自动转化以及雪与过冷雨水碰撞冻结过程，冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雪的自动转换过程是霰数量增加的主要过程。冰雹主要来源于霰的自动转化，主要生长过程是霰的自动转化以及碰并过冷云水。

近30年的数值模拟研究对冰雹形成的微物理过程的认知逐渐明晰：雹胚一般分为冻滴胚和霰胚，冻滴胚由过冷雨滴冻结形成，霰胚则是冰晶、雪花撞冻增长而成。冰雹云中哪种雹胚占优势，主要看云底温度的高低。在冰雹形成过程中，作为胚胎的霰和冻滴主要通过撞冻过冷水生长，撞冻增长占增长量的大部分，云中存在丰富的过冷水是雹胚和冰雹的形成及增长的重要条件。

2.2 雹云结构与发展过程研究

Newton（1963）研究表明，潜在的不稳定、低高度的充足水分、剪切和转向的环境风以及一些触发机制是强风暴发展的有利条件。Marwitz（1972）将影响冰雹的强对流单体分为3类，分别是多单体风暴、超级单体风暴和强烈剪切风暴，并对其进行了详细分析。Marwitz（1972）还根据雷达观测结果对Browning（1964）提出的超级单体模型进行了修正，增加了云底有组织的上升气流、最大冰雹区域和可视云层边界（图2）。Moller等（1994）又将超级单体划分为弱降水超级单体、经典超级单体和强降水超级单体风暴。Weisman等（2000）研究了不同地区超级单体风暴过程的物理特征，结果表明，水汽条件、不稳定条件、风垂直切变和中尺度抬升机制等关键因子的变化是超级单体强对流天气发生、发展的重要条件。

图2 超级单体风暴的平面示意（Marwitz，1972）Fig. 2 Schematic diagram of a supercell storm in plan view （Marwitz，1972）

李晓霞等（2007）对2005年发生于甘肃省的一次强对流天气进行了数值模拟及成因分析，当日午后由于局地热对流、地形等抬升作用，不稳定能量积聚较强，地面冷锋经过甘肃中部时由于强烈的抬升作用，低层流场急剧辐合导致强旋转上升运动，触发了不稳定能量释放，为暴雨、冰雹等强对流天气提供了动力条件。王秀明等（2009）利用WRF中尺度数值模式模拟了2005年发生于北京境内的一次冰雹天气过程，发现雹云水平结构上有不对称的双“S”型流场和回波结构，这是雹云的强垂直运动、云内涡偶与环境风三者相互作用的结果。

胡金磊等（2013）通过ARPS/ADAS云分析系统将雷达反射率因子信息引入到模式的初始场中，并结合中尺度数值模式模拟分析了北京周边一次冰雹天气过程，发现引入雷达反射率因子信息可以改进初始场中水凝物信息和温度场，使得初始场更符合该时刻的实际大气状况。郭欣等（2019）使用中国科学院大气物理研究所三维冰雹分档对流云模式分析了北京一次典型超级单体雹暴天气过程，发现冰雹云顶高度约13 km，最大上升气流达30 m/s；由于风切变强度较大，冰雹云出现明显倾斜垂直结构，有利于冰雹天气的维持和发展；并且发现冰雹增长过程主要依靠雹胚撞冻过冷云水，其增长率的量级与冰雹胚胎产生率的量级一致。

李金辉等（2020）利用探空火箭、新一代天气雷达和气象探测资料对2015年7月17日延安宝塔区冰雹云进行了综合探测。火箭探测的位置偏冰雹云后部，冰雹云由低层到高层风向呈逆时针变化，探空仪摆动明显，-20℃温度层偏高，气流较强，整层偏下沉气流。冰雹云0℃层附近，在温度区间-1.8—5.0℃、厚度1.0 km范围内有最大湿度区，相对湿度超过80%，最大湿度87.1%，为冰雹的形成提供了水汽条件。且在紧贴0℃层下正温区有最大水平风速为19 m/s的急流，厚度为0.022 km。在温度区间-4.8—5.0℃、厚度1.6 km范围内维持13 m/s以上水平风速，为冰雹的形成提供了动力条件。在温度区间-9.2—-8.7℃、厚度0.2 km，有不大于2 m/s弱风区；弱风区下方，在温度区间-8.8—-4.6℃、厚度0.889 km有上升气流，平均上升速度1.79 m/s，最大上升速度4 m/s，这种配置为冰雹的生长提供了环境场。

Yin 等（2021）使用WRF模式对2015年4月28日江苏省一次冰雹天气过程用SBM（Spectral Bin Microphysics）方案进行了模拟。该模拟再现了对流系统的2个阶段：线性对流系统（LCS，Linear Convective System）和弓状回波系统（BES，Bow Echo System）阶段。在线性对流系统阶段，上升气流的强度比弓状回波系统阶段略强，-20℃层以上有大量的过冷水，粒状物和冰雹主要产生于这一阶段。在线性对流系统期间产生冰雹的阶段，研究了冰雹的微物理变化和大小分布特征。结果表明，冰雹主要是通过过冷水与霰的碰撞形成，并通过收集液态水而增大尺寸。直径较小的冰雹颗粒位于主上升气流的周边，而较大的颗粒则分布在上升气流的左侧边缘。通过三维冰雹生长模型计算所选单元内冰雹的轨迹和尺寸增长过程，发现冰雹来自上升气流东侧的中间层，并向西和向下转化到低层。它们沿着上升气流的左侧边缘继续上升，并经历了一次或多次上下循环，然后落到上升气流西侧的地面上。

对雹云的精细观测和数值模拟研究表明：雹云通常会具有诸如“V”型缺口、入流缺口、钩状回波、指状回波、弓形或“人”字形回波等一种或多种特征性雷达回波结构。雹云的发展依赖于云中的水汽条件、动力不稳定条件、风垂直切变等关键因子。雹云的发展和消亡过程经常伴随着雷达回波单元的合并和分裂，通常发生在辐合区的云体合并是促进强对流发展的一种重要方式；雹云的分裂通常是由云体内部的水平涡旋运动与环境动力场的相互作用所引起。

3 人工防雹机理研究

人工防雹研究与强对流云物理学密切相关。人工防雹不仅要了解天气系统的动力学特征，还需要了解云系发展的宏观与微观物理演变过程。近几十年来，中外研究人员对人工防雹机理有过很多研究，目前人工防雹理论也在不断发展完善，对科学开展人工防雹作业有重要的指导意义。

3.1 播撒防雹机理研究

播撒防雹是指向云中播撒人工冰核或吸湿性核，从而影响冰雹的形成过程，达到抑制或削弱冰雹增长的目的。WMO（1995）列出了6种防雹原理的假说：①冰雹胚间限制增长的竞争（利益竞争）；②雨从雹胚区提早落出（早期降雨）；③云水冻结；④轨道降低；⑤在低效率、弱风暴单体中促进碰并；⑥播撒引起动力效应。并认为最有希望成为防雹作业设计依据的是“利益竞争”和“早期降雨”。这些防雹假说、防雹概念和播撒方案如图3所示（许焕斌，2012）。

图3 防雹假说、防雹概念和播撒方案示意（许焕斌，2012）Fig. 3 Schematic diagram of hypothesis，concept and seeding scheme of hail suppression （Xu，2012）

“利益竞争”是把比自然雹胚浓度高得多的人工雹胚引入云体中，使众多的雹胚去“争食”可利用的有限过冷水从而达到限制它们生长的大小，如果提供了足够的雹胚，就可能造成不能增长到足够大而在下落过程中融化成雨（许焕斌等，2000）。Young（1977）通过数值模拟认为实现 “利益竞争”需要满足2项基本要求：首先是在雹胚形成区必须使最大雹胚浓度升高，即形成窄谱，临界浓度约10—100 m-3；其次在雹增长区应使雹胚增长，造成等价争食过冷水，以限制最大雹块尺度和浓度。洪延超（1999）数值模拟研究表明，催化使得作为冰雹胚胎的霰和冻滴的数浓度升高，单个粒子质量减小，向冰雹的转化率大为降低，因此雹块的质量和浓度以及降雹动能通量都减小，达到防雹的目的。

“早期降雨”是指向雹云的主上升气流底层迎风向的前侧、温度处于-20—0℃、只存在过冷云滴的区域播撒人工冰核，导致在混合云中粒子迅速长大到毫米级，这里的弱上升气流不能够承托它们而下落，从而脱离冰雹形成的过程。这种雨的先期落出也消耗了过冷水，并由向下的拖曳力和底层蒸发引起的负浮力去削弱上升气流的强度（许焕斌，2012）。

Fukuta（1981）曾提出“擦边播云”法，即为了避开云中心上升气流，让飞机沿着云体边缘-10℃等温线进行水平播撒碘化银（AgI），当把这种方法用于多单体雹暴时，可以造成霰的快速增长和快速下落，从而达到人工增雨和防雹的目的。

Bloomer等（1996）通过实例分析发现，在有些情况下对风暴的侧线单体云底（-10℃）播撒成冰核是有效的，但并非所有的风暴都具有侧线发展特征。对发展较快的单体，采取在过冷水区直接引入人工冰核。而且侧线单体的冰晶化播云应在单体发展的早期，在其融入主风暴之前使催化产生的冰晶上升到凝结高度以上，以便留足时间在侧线云中形成冰晶。

冰雹总质量偏低的原因在于冰雹的数浓度很低，在其形成过程中碰撞云滴、雨滴流失的水甚多，约50%—80%的碰撞水以弹溅、旋转损耗、冻结喷射、环状流失、冻结破碎等方式流散。在雹暴中产生冰雹的区域为上升气流较强的核心部位，仅占雹暴总体积的很小一部分（李大山，2002）。

降低冰雹增长轨迹是很重要的防雹概念，这样既可以缩短雹胚在生长区的时间，也可以减少到达雹增长区的液态水含量，从而显著降低大雹的浓度和冰雹总质量（李大山，2002）。Dennis等（1972）对雹胚形成区播撒AgI，可使初始回波降低400—600 m；而同样条件下播撒吸湿性核，可降低回波高度1 km，回波出现区的温度也明显升高。

许焕斌等（2001）研究表明，由于强对流（雹）云的流场的特征和相应的过冷水凝结物场的配置，决定了雹云中存在着一个成雹“穴道”，它位于主上升气流旁侧的相对于雹云水平风速近于0的主入流区下侧，出口端是主上升气流中心，这里适合于大冰雹形成；入口端是主上升气流的边沿，这里适合于雹胚形成。“穴道”的动力特点是，粒子一旦进入很难被吹出，自然地进行循环增长旋转进入主上升气流区长成大雹，在上升气流托不住时下落。这个“穴道”的存在和位置是由对流流场的特征决定的，在“穴道”中粒子增长率的快慢和进入主上升气流中心的路途长短是由过冷水场（过冷度和量）来决定的。

Kang等（2007）使用中国科学院大气物理研究所开发的三维云数值模式与冰雹微观物理学相结合模拟了一次发生在甘肃永登县典型的冰雹天气过程。模拟研究结果基本与许焕斌等（2001）研究的“穴道”理论一致。随着冰雹的演变，高空含水量中心在高度上逐渐降低与低层并合，较早的并合导致形成较大的冰雹。消散阶段，“穴道”区出现下沉气流。尽管如此，“穴道”区域的冰雹水含量仍然很高。此外，研究还发现为了抑制冰雹，人工播撒颗粒至“穴道”区可能会抑制冰雹的形成，尤其是大冰雹。

中国还有不少播撒冰雹云的数值研究（洪延超等，2002；李宏宇等，2003；周毓荃等，2003；周非非等，2005；Chen，et al，2010；樊明月等，2013）。Chen等（2010）采用一个三维非流体静力学云模式研究了碘化银播撒对云微物理学、动力学和对流风暴降水的影响。研究结果表明，播撒碘化银可以显著影响高平原地区对流风暴的云动力学、微物理学和进一步降水。模拟结果不仅发现动态播撒碘化银有利于提高防雹效果，而且还证明具有冷基且寿命长的对流云也具有动态播撒的潜力。

樊明月等（2013）利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式，对2006年7月5日发生于山东境内的一次以冰雹、雷雨大风为主的强对流过程进行模拟，分析了冰雹的形成机制并且分别从催化时间、高度、剂量、区域等方面进行了模拟催化试验，研究该个例催化防雹效果并分析防雹机理。结果表明：催化效果的好坏对作业时机的选取十分敏感，在强对流云中冰雹含量达到0.1 g/m3前1—4 min进行催化，能有效抑制冰雹的增长，因此实践中若能在雹云发展的早期进行作业，防雹效果会好得多；连续催化的防雹效果比瞬时催化好；在过冷水含量中心区进行催化的防雹效果比在其他区域好，在过冷水含量中心高度（5.5 km）上方1.0—1.5 km催化效果较好，在其下方催化防雹效果较差；一般情况下催化剂量越大，防雹效果越好，但当催化剂量达到一定值后，再增加催化剂，防雹效果变化不大。

对播撒防雹的观测研究和数值模拟表明：“利益竞争”和“早期降雨”是实际防雹作业中应用较为普遍的两种播撒防雹理论。在雹云中的适当位置进行播撒催化可以使充当雹胚的霰和冻滴的数浓度升高，粒子质量减小，从而起到抑制或减少成雹、降雹的作用；在雹云的适当位置进行播撒催化所引起的动力效应也不容小觑，对抑制冰雹生长和雹云发展往往发挥非常关键的作用。

虽然播撒防雹已被广泛认同并在中外人工防雹业务中得到普遍应用，但由于精细化观测和模拟技术仍在不断地发展，加强对冰雹形成机制与防雹原理的研究仍需进一步深入。

3.2 爆炸防雹机理研究

自1973年以来，中国广泛使用 “三七”高炮对雹云发射炮弹，运用爆炸方法进行防雹增雨作业。20世纪80年代初，一批基于统计检验和物理核查的防雹效果报告已经发表，总的来说，“三七”高炮防雹是有效果的。几十年来，中国很多地方开展过大量的高炮防雹试验，苏联也做过不少同样的工作。

如图4和5所示，对强对流云施行连续“三七”高炮轰击之后，雷达回波可发生以下几种变化：

图4 1978年8月25日，人工防雹作业后雷达回波RHI的变化（a、b和c分别是14：02、14：08和14：10（北京时，下同））（许焕斌，2012）Fig. 4 The graphical change of the radar echo RHI display after hail suppression operation on 25 August 1978 （a. 14：02 BT，b. 14：08 BT，c. 14：10 BT）（Xu，2012）

①回波顶下降，回波减弱，回波衰弱速度比自然云明显加快。

②移速骤减，有转向趋势。

③回波出现空洞或弱区、强区分裂。

在防雹作业中，由于使用高炮向云中发射炮弹时会伴随着爆炸，在爆炸的几分钟内云系会出现各种变化，其动力效应明显，这与播撒防雹在原理上有很大区别（许焕斌，2001）。对此做过很多数值模拟试验，发现爆炸可以使未达到空气动力学破碎尺度的滴和不满足碰撞破碎的滴破碎成小于0.08 cm的滴群，并且能形成大雹的胚胎常在悬挂回波区的胚胎帘的底部下伸到0℃层以下融化，这种融化除了使雹胚的体密度升高，还可使表面粗糙度降低和阻力系数减小，从而使末速度增大，更易于进入主上升气流，从而更有利于（除大雹形成外）液滴的破碎，为用爆炸促使这些融滴的破碎准备了条件（许焕斌，2012）。

图5 1991年6月28日人工防雹作业后雷达回波RHI作业前（a）、后（b）及自然云先（c）、后（d）两个时次比较（李连银，1996，有删改）Fig. 5 Comparison of radar echo RHI before （a） and after（b） hail suppression operation，and the change of two times（c. before，d. after） of one natural colud on 28 June 1991 （Li，1996，with deletion ）

爆炸的产物主要有：爆炸气体、爆炸飞溅物、冲击波、声波和扰动气流，其中爆炸气体和爆炸飞溅物对防雹作业的影响可以忽略（许焕斌，2014）。

许焕斌（1979，2014）提出爆炸产生的冲击波是一种非对称波，在序列定点爆炸时，除了随时间变化着的压力波动外，在炸点周围可以形成一个平均等效压力场，其压力梯度力能对气流起制动或加速作用，经过初步估算，可把3—4 m/s的上升气流制动到0。

爆炸产生了声波，冲击波也会衰减为声波，声波是否对小尺度粒子运动有影响？Hoerner（1935）曾研究了声波对绕球流动的影响，对降水粒子来说，运动边界层的特征尺度与声振可以相当，因而可以影响边界层的动量交换，所以声波对降水粒子有影响。许焕斌等（1989）认为在声强相当大、其频率和振幅满足一定条件时，对于空气中的雨滴下落来说能起到“润滑”作用，不过要证实这种作用在理论上有很大的困难，还需要进行很多模拟试验。

爆炸产生的冲击波能量占爆炸释放能量的90%以上，冲击波的前压缩后伸疏会使空气运动前、后反向。这些都表明冲击波在耗散中可以把能量转化为气流扰动能，形成具有强梯度的扰动流场（许焕斌，2014）。

多年的防雹实践已经证明爆炸防雹是有效果的，爆炸产生的冲击波和动力效应更容易促使雹胚或液滴的破碎，但针对爆炸防雹的机理仍需基于精细观测和仿真模拟开展进一步的研究。

4 人工防雹技术研究

4.1 国际上人工防雹技术研究

苏联的防雹技术方法研究始于20世纪50年代，“利益竞争”理论最初来自20世纪60年代苏联人工影响天气部门的工作。苏联使用炮弹和火箭播撒冰核，减少了70%—90%的雹灾损失（Marwitz，1973；Battan，1973）。

苏联科学家1967年提出的防雹方法是同时使用成冰剂和吸湿剂，即将含有直径5—10 μm的氯化钠粒子防雹炮弹发射到成熟雹云的云底和中部附近，即雷达反射率较强的暖区，同时将含有碘化银成冰剂的防雹炮弹发射到成熟雹云雷达反射率最强的过冷层部位。基于该方法，南斯拉夫在东部面积5×104km2的地区长期实行防雹计划。播云区内有23个测站建有12个区域雷达中心，设置了1300个火箭发射站，在每年的雹季进行雷达指挥防雹作业（Mesinger，et al，1992）。由于当时对冰雹生长机理的认识不足，采用播撒吸湿剂的方法进行防雹作业缺乏科学理论支撑。

西班牙莱昂大学于1986年开始制定了一项名叫PALA的防雹计划，目的是减少冰雹对农业经济造成的损失。在Leon和Zamora地区12500 km2面积上建立气象观测网络，获取与冰雹有关的气候信息，并绘制了冰雹灾害风险图（Sanchez，et al，1994）。

加拿大阿尔伯塔自1996年开始实施了一项长达20 a的基于飞机作业的人工防雹项目（AHSP）。2015年7月21日的一次防雹试验，3架飞机从云顶发射含20 g AgI的成冰焰剂，坠落过程中燃烧，可在0.8 km内播撒；同时，飞机携带48个含150 g AgI末端燃烧器固定在机翼下进行播撒；另外2架飞机在云层底部发射含20 g AgI焰弹或者燃烧含AgI的溶液进行低剂量播撒作业（Gilbert，et al，2016）。

20世纪50年代美国北达科他州开始实施播云防雹作业，设立了两个分离的目标区，当时为地面AgI丙酮溶液燃烧炉烧烟，后来改为飞机播云，都是采用“利益竞争”的方式进行人工防雹。1997年美国实施北达科他人工影响云计划（NDCMP），NDCMP计划为达到增雨和防雹双重目的，在每年作业期采用机载AgI丙酮溶液燃烟、尾燃AgI焰弹等方式，在云底部上升气流区播撒或直接在云顶播撒。在此期间催化剂的配方也一直在改变。NDCMP从1975年开始防雹作业，多年来，作业效果评价认为防雹增雨为正效应（Langerud，et al，1998）。

2015年，格鲁吉亚卡赫季地区约65万hm2区域建立了现代的防雹作业系统，在此设置了85个返航火箭发射点，每10 km一个发射点。发射场安装有火箭发射装置、太阳能电池板、接地和安全系统（图6）。在海拔205—1775 m的高度设置发射器，每个发射器携带26枚火箭弹。使用马其顿生产的SK-6防雹火箭（图7），这种火箭长约55 cm，每个火箭携带40 g AgI试剂，他们将这些火箭发射到海拔2—4.5 km的高度（Amiranashvili，et al，2015）。

图6 格鲁吉亚卡赫季地区布置的火箭自动发射装置（Amiranashvili，et al，2015）Fig. 6 The automatic rocket launcher deployed in the Kakheti area of Georgia （Amiranashvili，et al，2015）

图7 格鲁吉亚卡赫季地区使用的SK-6防雹火箭（Amiranashvili，et al，2015）Fig. 7 The anti-hail rocket SK-6 used in the Kakheti area of Georgia （Amiranashvili，et al，2015）

亚美尼亚采用了一种新型的全自动防雹工作设备，适用于在部分密闭区域的防雹作业。其工作方法如下：为了及早发现冰雹和含冰雹的云，可以使用具有一般灵敏度的简单微波辐射计。通过使用微波辐射计测量射频观测介质的本征辐射，可以准确、高概率地对冰雹和包含冰雹的云进行分类。因此，具有一般灵敏度的微波辐射计可以成功地用于冰雹探测、云分类和冰雹危险预警。通过辐射探测器校正器的应用，可以实现局部地区防雹的自主和自动功能以及防雹网络的完全自动功能（图8）（Arakelyan，2017）。

图8 亚美尼亚采用自动防雹网络系统工作示意（Arakelyan，2017）Fig. 8 Schematic diagram of automatic hail suppression network system used in Armenia （Arakelyan，2017）

国际上防雹技术多数采用通过地面火箭、飞机、地面燃烧炉等向云中播撒人工冰核等手段抑制或削弱冰雹云中冰雹的增长。20世纪60—80年代，苏联和南斯拉夫等一些东欧国家的人工防雹除了播撒人工冰核外，还会同时在暖区播撒吸湿性核，但随着对冰雹生长机理的逐步认识，在暖区播撒吸湿性核进行防雹的方法被摒弃。目前国际上防雹技术朝着数字化、自动化与网络化方向发展，防雹设备、探测设备及探测技术的发展较快，但集冰雹云识别、预警、催化作业和效果检验为一体的成套人工防雹技术体系还有所欠缺。苏联的人工防雹技术发展早、积累多、技术相对先进和全面，但其数值模拟技术和综合技术体系仍需加强和提高。

4.2 中国人工防雹技术研究

中国自1958年开始组织人工防雹作业试验，20世纪70年代以来，先在山西昔阳、甘肃岷县和平凉、新疆昭苏等地，后来发展到华北、西北、西南和东北等20个省、市、自治区，开展了有组织有设计的人工防雹试验（黄美元等，2000；姚展予，2006）。通过不断地研究和试验，很多地方已经建立了一套针对地方天气特征和适应科学发展的人工防雹技术方法，通过雷达监测冰雹云指挥作业，有效地减少了冰雹灾害的发生。

多年的防雹实践使得中国的人工防雹技术有了显著进步，建立了基于“三七”高炮的人工防雹体系。中国气象科学研究院改进和提高了炮弹内AgI的成核率，中国有关企业研制和试验了多种炮弹。通过多年的试验和实践，中国已逐步建立和发展了一套适应现代科技发展的利用雷达监测识别和预警冰雹云、利用计算机通讯系统指挥作业、利用发射炮弹（火箭弹）播撒成冰催化剂的以高炮（火箭）为作业工具的人工防雹技术系统（姚展予，2006）。

中国人工防雹监测技术也在不断的进步，从20世纪70年代开始，中国开始发展711雷达和713雷达在冰雹监测上的应用；到20世纪80年代末，中国已经基本上实现雷达的数字化（黄美元等，2000），并且闪电计数器、闪电频谱仪和闪电定位器已经应用到人工防雹中；20世纪90年代开始，现代通讯设备和计算机在人工防雹中被广泛运用，各地已经建立起较为健全的人工防雹指挥系统（吴海英等，2003；曹景一，2016）；从1998年开始，随着中国新一代天气雷达（CINRAD）的布网，进一步提高了对灾害天气的监测和预测水平，配套的软件、通信网络系统也在不断发展，对于冰雹云监测和人工防雹作业指挥技术都有很大提升；近年来，偏振雷达技术的发展使得冰雹云的监测、识别和预警技术进一步提高，为人工防雹科学作业和精准作业奠定了可靠基础。中国多地的人工影响天气业务部门在外场探测和防雹作业多年积累的基础上，分析了冰雹云雷达回波特征及回波参数与降雹的关系，建立了各地基于常规气象雷达或双偏振雷达探测识别冰雹云及其防雹作业指标（黄美元等，1980；肖辉等，2002；付双喜等，2004；樊鹏等，2005；樊志超等，2006；王令等，2006；李金辉等，2007；周德平等，2007；汤兴芝等，2009；李红斌等，2010；段鹤等，2011；闵晶晶等，2011；张正国等，2012；王若升等，2013；段艺萍等，2014；黄骏等，2016；周长青等，2018；刘红亚等，2020；刘昭武等，2020；潘佳文等，2020）。

1969—1978年，中国科学院大气物理研究所在山西昔阳县开展了为期10 a的冰雹云和人工防雹探测与试验研究（黄美元等，1980）。项目组用多种仪器设备对冰雹云进行综合探测，在中国率先对冰雹云进行分类，研究不同类型冰雹云形成的环境条件、生命史、演变过程、结构特点和降雹特征，建立了冰雹云概念模型，提出了冰雹云的识别和预报方法，开展了高炮人工防雹试验，总结出一套雹云预报、雷达监视和识别、高炮作业、对比统计效果检验的人工防雹技术方法，并在中国推广应用。

肖辉等（2002）通过分析1997—1999年陕西旬邑防雹试验区的146块雷暴和冰雹云，并通过数值模拟与观测相结合发现：雹云初期强回波都出现在0—5℃层中，而雷雨云的初始回波高度低。根据分析，提出了判别当地冰雹云的指标（表1），根据这些指标可以提前5—10 min判别冰雹云并进行人工防雹作业，且这套冰雹云识别指标已由中国气象局在全国推广应用。

表1 陕西旬邑县雹云雷达识别指标（肖辉等，2002）Table 1 Radar identification indexes of hail clouds in Xunyi county，Shaanxi province （Xiao，et al，2002）

李金辉等（2007）用雷达强回波（45 dBz）高度和降雹日08时月平均0℃层高度对1991—2003年宝鸡雷达站观测的多块对流云进行数值拟合，得出了识别冰雹云的指标：处于发展中的对流云，雷达强回波45 dBz高度大于或等于多年降雹日08时0℃层月平均值（2.9 km）将有冰雹酝酿形成。对造成灾害降雹过程的雷达回波分析表明：雷达强回波（45 dBz）平均底部高度越高，提前识别的时间越长；顶部高度越高，距离降雹时间越短。并且经过检验，该识别冰雹云方法对单体降雹平均提前识别有较好的指示作用。

段鹤等（2011）对比分析了云南普洱、西双版纳典型的中小尺度强对流天气的多普勒速度特征和反射率因子及其导出产品的特征，发现滇南冰雹云回波的中心强度为55—69 dBz，而短时强降水的强中心为40—45 dBz，大风回波中心强度为30—55 dBz。92%的冰雹云45 dBz回波顶高超过-20℃层，97%的冰雹云回波和85%的大风回波移速≥30 km/h，而强降水回波中，仅有5%的回波移速≥30 km/h，这些雷达回波综合特征可作为临近预报的参考指标。

李红斌等（2011）对大连地区2003年以来多普勒雷达观测到的29个降雹个例雷达体扫资料进行了PUP软件计算，得到每个个例的回波强度、顶高、30 dBz强中心高度、强回波顶高和垂直积分液态水含量的主要雷达参数值，将冰雹（强对流）云分为单体、多单体和强（超级）单体雹云3类，并总结了防雹作业判据指标；对3种类型实例的多普勒雷达PPI和RHI雷达回波强度和速度场进行分析，总结了3种不同类型冰雹云实例的防雹作业概念模型。

王若升等（2013）利用甘肃平凉市2009—2011年112个雷暴单体的多普勒雷达探测资料，统计了冰雹雷达回波基本反射率、组合反射率、径向速度、回波顶高、垂直积分液态水含量（VIL）等数据，分析了冰雹回波与短时强降水回波等的差异（表2）。

表2 甘肃平凉市冰雹回波特征量平均值（王若升等，2013）Table 2 Average values of hail echo characteristics in Pingliang city，Gansu province （Wang，et al，2013）

方德贤等（2016）以SCIT算法为基础，结合风暴的结构特征，综合利用雷达、探空资料，自动提取风暴结构特征指数；采用基于决策树模型的风暴自动分类技术，将风暴按强度分为雷雨云、单体风暴、多单体风暴和强风暴；最后根据风暴强度、高度和位置等属性，对有可能产生冰雹的单体，结合GIS自动对下游方向或附近作业点进行预警或输出作业参数。并且通过对2006—2014年重庆、大连、三门峡3地较为典型的31次冰雹天气过程、182次冰雹样本的检验，发现此风暴识别技术能有效提高人工防雹作业的自动化程度，对防雹作业的科学决策有重要参考作用。

随着对冰雹形成机理和冰雹云结构特征的逐步认识，伴随着雷达等探测设备和探测技术以及地面火箭和高炮等作业设备的现代化发展和技术进步，中国自20世纪70年代开始在多个省、市开展的人工防雹活动正朝着自动化、网络化、系统化、智能化、科学化的方向不断发展和进步，符合当地气候特征和云系特征的集冰雹云雷达监测和识别系统、冰雹预报预警系统、人工防雹地面催化作业系统和人工防雹效果检验系统为一体的成套人工防雹技术体系正在建立和不断完善，提升了中国人工防雹的整体技术水平。各地的人工防雹作业有效地减轻了当地的冰雹灾害，取得了一定的经济效益和社会效益。

5 人工防雹科学试验

5.1 国际上的人工防雹科学试验

为了减少冰雹带来的灾害以及更好地研究冰雹云，一些国家很早就开始实行防雹科学试验，然而，大规模的防雹试验是从第二次世界大战结束时开始的，特别是20世纪60年代苏联防雹试验成功的报道引起了世界各国的注意。

苏联于1983年开始“综合冰雹试验”，1983—1985年为试验准备阶段，1986年正式开始，由高山地球物理研究所（苏联防雹科技工作牵头单位）负责进行。试验基地设在苏联北高加索中部地区山脚地带，由于这里冰雹活动频繁，具有全部各种主要类型的冰雹过程，所以选择在该区域进行试验。“综合冰雹试验”布置了3个研究站、4个地面催化站，并做了技术装备多边形布设。1983—1988年做了49个雹暴理论的研究（39个催化个例），其中包括6个超级单体、5个有序列多单体、31个无序列多单体、7个短暂雹暴。“综合冰雹试验”给出了多普勒天气雷达方法研究雹暴云内空间气流结构及气流分布特点的个例，如1987年6月23日一次简单单体雹暴的气流分布：在云的前部2—3 km高度上观测到上升气流达3 m/s，在云的后部同样高度是类似的下沉气流﹔在反射率10-8cm-1处，风的水平分量达10—20 m/s，随高度上升风的水平分量降低，垂直分量增大到5 m/s；在8 km高度，垂直分量达到极大值，为8—17 m/s；在云的下部（2—4 km高度）后方记录到出流，但是到6—8 km高度，辐散区变到前部（龚乃虎，1991）。综合冰雹试验还研究了雹块产生和生长的物理学原理、雹胚成分和其同位素成分。

塞尔维亚防雹试验是从1967年开始的，运用的是苏联的防雹模式，对冰雹云进行快速、大量的播撒AgI催化剂。虽然不同类型的雹云在播撒方法上有一些变化，但一般都是直接将催化剂引入-8—-12℃等温线之间的云中。但近年来，由于新型催化剂的开发，催化剂的活化门槛温度越来越高，播撒方法略有改进，但是对于火箭播撒的方式都是由-10℃云层高度决定的。因此，在防雹作业中应采用火箭播撒层厚度和播撒层距地高度作为初步近似值，供给层离地面的高度可由相应等温线的平均高度和地面平均高度的差来确定。图9为发射点高度的频率分布。最大频率高度是在平均海拔100—500 m，仅有约10%的点高度大于1 km。并且高度高的发射点多集中于塞尔维亚西南部的山区，那里的发射点约占发射点总数的2/3（Vukovic，et al，1990）。

图9 塞尔维亚防雹试验发射点高度的频率分布（高度单位：100 m）（Vukovic，et al，1990）Fig. 9 The frequency distribution of firing point elevations （elevation in 100 m） of the hail suppression test in Serbia （Vukovic，et al，1990）

法国防雹外场试验项目（Association Nationale d'Etude et de Lutte contre les Fléaux Atmosphériques，ANELFA）从1952年到2015年连续开展了64 a。防雹区自然大气中冰核浓度的研究已进行了20 a，地面燃烧炉已得到改进。1984年，共建成燃烧炉455座，保护面积5.5万 km2，从最初只有少量木炭燃烧的地基炉开始。2015年，有838个催化点，覆盖7万 km2（图10）。在地面燃烧炉中以1.1 L/h的燃烧速率燃烧含8 g/L的AgI-0.5NaI丙酮溶液，并用1275个冰雹仪监测冰雹的下落动能。早期防雹的目的是减少农作物的损失，因此通过农业保险公司的数据，对1986年以前的防雹效果在催化受灾区和其他地区进行了统计分析，结果表明西北地区的损失减少了41%。自1988年以来一直使用冰雹（直径＞0.7 cm）测量的数量，得出在密集催化的云体中冰雹数量减少42%。随后用测雹板测量的动能取代冰雹数量来统计催化效果。在统计的18个主要降雹日中，10个燃烧炉覆盖1000 km2，每个燃烧炉燃烧AgI（9 g/h）可以降低冰雹50%的动能。后来统计了24个主要降雹日的冰雹半径和下落动能，半径1.2—3.5 cm的雹粒子动能变化显著，大剂量催化（121 g AgI）比小剂量催化（11 g AgI）冰雹动能降低47%（Dessens，et al，2016）。

图10 法国防雹外场试验项目（ANELFA） 2015年地面燃烧炉分布（Dessens，et al，2016）Fig. 10 Map of the ANELFA ground generator networks in 2015 （Dessens，et al，2016）

1978—1983年的6—9月，在西班牙阿尔巴塞特省实施了一项防雹计划。保护区面积大约600 km2，由农业部根据保险公司提供的历史雹灾损失资料选定。作业用飞机进行，飞行高度的温度是-10℃，播撒工具是喷射式AgI烟火器。在保护区的控制点上安置了一部气象雷达，飞机按照雷达指示的航向直接飞向云团。凡是反射率接近45 dBz、垂直发展高度超过6500 m的云就认为存在降雹危险性（Sanchez，et al，1988）。此外，西班牙还借鉴法国于1978年开始进行的防雹试验，1990年改为遥控自动燃烧炉。利用c-212飞机进行了67次冰雹云观测飞行，发现地面燃烧炉催化后，过冷液态水几乎为0，但在云移动50—60 km后，过冷液态水恢复到原来的值。结果表明，地面燃烧炉对雷暴的成核过程有30 min的影响。1997年观测网范围较小，只有70块测雹板；2000年建立5 km测雹网、165块测雹板；2005年停止催化，但测雹板观测仍在继续（无催化雹）（Dessens，et al，2016）。

美国从1972年开始正式开展国家冰雹研究试验（National Hail Research Experiment，NHRE），试验地点在科罗拉多州东北部（图11），NHRE是一个随机催化防雹试验。统计显示，NHRE的防雹效果差别很大，从60%减雹到500%增雹，因此无法对NHRE的防雹效果做出结论。NHRE最初计划5 a，后来只进行了3 a，因为1972—1974年对播云效应的初步分析无法证实防雹的统计显著性。试验最终取得57个雹日，27个雹日催化作业，30个雹日留作对比。统计分析表明防雹效果仅7%，增加降水5%，但不具有统计显著性。虽然该项试验对苏联播云防雹的原理和方法未能证实，但对试验区雹暴的形成和结构有了深入了解，由于雹胚形态各地差异大（与气候特征有关），而且具有不同的雹胚群体，它们对不同的播云方法有不同的敏感性。即使成功的播云技术，也不能简单地从一地直接照搬到另一地使用（Foote，et al，1979）。美国此次外场试验虽然可以评估出实施人工防雹作业可以减轻雹灾20%—30%，但是缺少对冰雹云内部微物理结构变化的研究，并没有掌握人工防雹的科学作业方法。

图11 美国NHRE试验区地理分布（Foote，et al，1979）Fig. 11 Map of the NHRE experimental area in the United States （Foote，et al，1979）

1977—1981年，瑞士、法国和意大利在瑞士中部进行了为期5 a的防雹试验（Grossversuch Ⅳ），采用了苏联的人工防雹技术和方法（Federer，et al，1978）。在试验场中布设了非常密的测雹板（1300 km2内有333块测雹板），并布设了10 cm波长的雷达对催化和未催化的冰雹单体内的动能进行测量，共获得了216个试验单体。此次试验发现催化与未催化的冰雹云单体动能统计上并没有明显差异，说明苏联的防雹方法并不适用于瑞士试验区（Federer，et al，1986）。

1956—1985年，加拿大阿尔伯塔研究委员会（ARC）实施了长达30 a的冰雹和人工防雹研究计划，对阿尔伯塔地区的冰雹特征和雹灾损失有了深刻认识。基于前期的研究基础和对该地区冰雹特征的认知，阿尔伯塔恶劣天气管理协会（ASWMS）自1996年开始实施了为期20 a的人工防雹计划（AHSP），目的是保护阿尔伯塔城市和农作物免受或减少冰雹灾害，采用的是飞机播撒碘化银方法，防雹作业试验期间，配备的天气雷达每4 min做一次体扫描，使用TITAN软件实时跟踪雷达扫描单元。该试验计划最终并未给出明确的防雹效果，仅对一些飞行作业个例的雷达探测对比分析给出了作业单元和对比单元的雷达回波差异（Gilbert，et al，2016）。

从国际上的人工防雹科学试验来看，苏联首先开展了冰雹研究和人工防雹试验，对试验区的雹暴形成和结构有较深入的了解，其他国家也先后开展过许多人工防雹试验，但是发现不同国家雹云的形态和发展差异很大，相同的人工防雹方法在不同地区的试验效果有很大不同，这与各地的气候特征和雹云特征差异有关。因此，应该加强对各地不同雹云特征的研究，深入了解各地冰雹形成与发展特性，形成有针对性的人工防雹概念模型和技术方法。

5.2 中国人工防雹科学试验

中国自1970年以来先后在山西的昔阳，甘肃的平凉、永登，新疆的昭苏，内蒙古的包头，河北的张家口、满城，北京的延庆，云南的昭通，陕西的太古，辽宁的鞍山，山东的德州等地开展过防雹外场试验研究，均取得了相应的成果（黄美元等，2000；姚展予，2006）。

1974—1980年的6—9月，在新疆昭苏县北部进行了为期7 a的“三七”高炮在冰雹云中撒播AgI催化防雹试验，并对目标区目标期的各类降雹日数、降雹次数、持续降雹时间等与目标区的对比期和控制区在相应时间内的观测结果进行了比较和分析（李大钧，1983）。根据试验设计，防雹试验的目标区位于昭苏县北部，长约30 km，宽约20 km。1956—1973年，单站平均年降雹日数达23.2 d，降雹次数达34.2 次；最多年降雹单站可达32 d，降雹次数可达52次。

控制区位于目标区的上风方向，距目标区中心20—30 km的农田面积、地形、气候等条件与目标区基本一致。为避免控制区受目标区中、下层回流污染，在中小对流天气活动中，由于地形等关系，在目标区和控制区之间设置了过渡区（图12）。

图12 新疆昭苏县北部“三七”高炮播撒AgI催化冰雹云防雹试验情况（李大钧，1983）Fig. 12 Hail suppression experiment by AgI-seeding hail cloud sprayed using "37" artillery in the north of Zhaosu county Xinjiang municipality （Li，1983）

在新疆昭苏县开展的防雹试验结果显示，在防雹季节内（6月16日至9月15日）平均降雹日数减少了31%，重复降雹次数减少了36%，大冰雹日数减少了48%。统计检验结果表明，显著性水平都在1%以上，而且与回归分析结果非常一致。由于对冰雹云“不断播撒AgI”催化，致使平均降雹持续时间增长了1.2 min，但并不显著。

1986—1990年在河北满城实施5 a的防雹试验，1986年开始，在满城界河和漕河上游地区的北台鱼、刘家台、龙门和未庄，中、下游地区的石井、东马、相庄和贾家庄等先后设立了高炮作业点（图13），每点配备“三七”高炮2—3门、电台1部、警报机1台、炮弹300—500发，每点配备炮手6—9人、通讯联络员1人，在指挥部的统一指挥下开展工作（王雨曾等，1995）。

图13 河北满城县防雹作业炮位示意（王雨曾等，1995）Fig. 13 Map of artillery positions for hail suppression operation in Mancheng county，Hebei province （Wang，et al，1995）

王雨曾等（1995）对此次防雹试验进行了分析，在此期间年平均受灾面积为633.33 hm2，比前10年平均减少2193.33 hm2，防雹效果达77.6%。5 a间使全县粮食、棉花及果品每年增加357万kg，折合人民币264万元，是该县每年防雹支出（15万元）的17.6倍，与对比区的易县比，满城县平均每年雹灾面积减少0.29万hm2，因此，可以认为满城防雹试验是有成效的，经济上是合算的。

“人工防雹减灾技术研究”作为“九五”国家重点科技攻关计划项目，在陕西旬邑、甘肃平凉、内蒙古呼和浩特和包头建立了3个试验区，该项目研究取得了冰雹云的识别指标和人工防雹催化技术，研制了为试验现场人工防雹服务的三维冰雹云催化模式和模拟技术（洪延超，1998）。该三维冰雹云催化数值模式采用孔凡铀等（1990）的动力学框架和数值技术；设计了较为全面的雹云微物理过程，第一次考虑了两种冰雹胚胎：霰和冻滴，可用于研究冰雹形成机制和催化防雹机制、人工防雹技术。

“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验示范”是河北省“十三五”气象重点项目。范皓等（2019）利用该项目在冰雹发生区获取的综合观测资料，分析了2018年5月12日下午发生于太行山东麓的一次强对流单体降雹天气过程。通过对雹云降雹时段雷达回波具有超长“悬挂回波”和对应大雹形成特征分析表明，云中存在着上、中、下相互衔接的0℃线（域），主上升气流2次逆时针转弯增加了雹胚再入主上升气流区继续长成大雹的机会，据此勾画出了云体主上升气流框架及大冰雹的形成机制。

2021年5月27日，国家（贵州）人工防雹外场试验在贵州威宁正式启动。该试验由中国气象局人工影响天气中心、中国科学院大气物理研究所、成都信息工程大学和贵州省气象局共同组织开展，围绕冰雹云精细化结构观测、防雹催化技术、效果评估等目前人工防雹亟待解决的关键科学问题开展科学研究和技术攻关（田红玲等，2021）。

中国的人工防雹是边试验边研究。自从20世纪70年代以来，中国在很多地区开展过人工防雹科学试验，对当地的冰雹云特征和降雹机理有了比较明确的认知，为当地开展人工防雹提供了必要的积累。大量的外场试验表明，在雹云生长发展时期进行防雹作业，才能取得较好的防雹效果。从各地不同的试验结果来看，地区不同，气候背景和雹云特征差异较大，防雹效果也可能不同，因此要根据各地云系条件，提前确定具体作业指标，采用有针对性的人工防雹作业技术。随着现代探测技术的发展进步，双偏振雷达和相控阵雷达等先进探测设备将为监测、识别雹云结构提供更加快速、精细、准确的有效信息，为引导和指挥人工防雹作业提供有力支撑。未来，中国应加强先进的探测技术和作业技术的紧密结合，进一步提高数值模拟技术水平，发展精细化和智能化人工防雹作业指挥系统，更加精准地把控作业时机、作业部位和作业剂量，更加科学地开展人工防雹作业，为防灾、减灾发挥更大功效。

6 人工防雹效果评估研究

人工防雹的原理和方法正确与否，通常需要通过防雹效果进行检验，由于冰雹云变化迅速，降雹过程短促，成灾范围小，这些特点增加了防雹效果检验的难度（黄美元等，1976）。目前国际上主要使用的防雹效果检验方法有3种：统计检验法、物理检验法和数值模拟检验法（姚展予等，2016）。

6.1 统计检验评估

人工防雹效果统计检验的主要评估对象有年降雹日数、雹灾面积、雹灾损失、防雹经济效益等。通常使用的统计方法主要有序列分析、区域对比分析、双比分析和区域（历史）回归分析等；统计检验效果必须进行统计显著性检验，可采用参量性（如u-检验法和t-检验法等）和非参量性（如符号检验法和秩和检验法等）统计显著性检验方法，给出统计检验效果的可信度（姚展予等，2016）。

黄美元等（1978）认为降雹日数和雹灾面积可以看作是随机变量，其分布可用正态分布来近似，对于年降雹日数来说，用泊松分布来近似更好些，因此用统计方法来分析防雹效果是适宜的，而且人工防雹后实际的雹灾减少量一般比较大，可较容易地用统计方法来区分自然变化和人工影响。

序列分析检验是统计有效性检验的最简单方法。该方法的要旨是基于测试区域中某个变量的历史数据，该区域的历史平均值通过统计方式获得，作为测试期间自然冰雹的期望值，然后与测量结果进行比较，以获得人工防雹效果的估计值。

首先确定统计量，比如年降雹日数、受灾面积等都可以作为统计量。然后根据其防雹地区防雹前求出历史平均值，接着选定统计检验方法，比如简单常用的序列分析检验；在很多情况下，有防雹记录的年份较少，并且不知道样本服从何种分布，这时可以采用非参数检验法（比如秩和检验法）来进行统计效果的显著性检验（表3）（王雨曾，1987）。

表3 国际上人工防雹效果统计（王雨曾，1987）Table 3 Statistics on the effect of artificial hail suppression in foreign countries （Wang，1987）

林大强等（1983）选取了林西县1954—1980年111个成灾面积样本（防雹前）和1967—1980年（防雹后）195个样本采用序列分析法进行检验。贾玲等（2005）将回波顶高、回波强度和40 dBz强回波顶高3个雷达回波参数作为统计变量，对旬邑2002年的17次防雹作业进行物理统计评估，经检验，旬邑2002年防雹作业在α=0.028水平下效果显著，作业效果53%。李玮等（2013）采用序列试验评估方法，以1961—1979年自然降雹期站日数为历史资料，对毕节地区1992—2003年人工防雹作业效果进行了评估，并用t检验进行了统计检验，结果发现该地区人工防雹作业取得了很好的效果，其效果为33.11%，置信水平达0.05。李斌等（2020a）利用1976—2013年新疆主要冰雹多发地区及冰雹灾害面积资料，采用t检验等参量统计显著性检验方法对人工防雹作业前、后效果的显著性进行分析，得出了重点雹灾区人工防雹的作业效果。李斌等（2020b）利用与反映冰雹云发展强度直接有关的最大雷达回波顶高、回波最强中心强度和40 dBz回波强度顶高等雷达回波参数特征，采用物理统计学方法，针对2004—2005年新疆天山西部昭苏盆地和北疆沿天山东部的五家渠垦区人工防雹作业效果进行了分析评估，得出了防雹效果显著的结论。

因为冰雹具有高时、空变率特征，因此防雹试验要进行多年才能得出明确的统计结论。例如，南斯拉夫东部利用苏联的防雹方法（图14），在南斯拉夫东部面积5万 km2的播云区内有23个测站，建有12个区域雷达中心，设立1300个火箭发射站，最后采用目标区23个站1949—1988年雹日频率资料进行复随机化检验，结果表明防雹作业具有正效应，减少年雹日频率在15%—20%，可信度高达

图14 南斯拉夫东部催化站点1949—1988年平均雹日变化（Mesinger，et al，1992）Fig. 14 Variation trend of average hail days from 1949 to 1988 at the catalytic site in eastern Yugoslavia （Mesinger，et al，1992）

98.5%（Mesinger，et al，1992）。

与序列分析法不同的是，区域回归分析法不是借助历史平均值，而是选择一个或者多个对比区域，假定作业期两个区域的统计变量满足某个统计回归关系，则利用统计回归方程由作业期对比区的统计变量值推算出作业期目标区的统计变量自然值，亦称作业期目标区自然统计变量的期望值，再与作业期目标区的实际统计变量值比较，即可得到作业期目标区统计变量的评估结果（姚展予等，2016）。区域回归分析法与序列试验法相比，准确度高，但对资料的选取要求也较高，对比区域选择有严格要求。

李斌等（2017）为了评估阿克苏地区开展人工防雹作业前、后年雹灾面积的差异，利用阿克苏地区和喀什地区1978—2013年的年雹灾面积统计资料，以1996年作为阿克苏地区开展人工防雹作业开始年，采用区域回归分析法，将喀什地区作为对比区，分析阿克苏地区科学开展人工防雹作业前、后各18 a的年雹灾面积差异（图15）。

图15 新疆防雹作业区与对比区示意（Ⅰ为对比区：喀什地区；Ⅱ为目标区：阿克苏地区）（李斌等，2017）Fig. 15 Schematic diagram of Xinjiang hail suppression operation area and comparison area，Ⅰ is the comparison area：Kashgar area；Ⅱ is the target area：Aksu area （Li，et al，2017）

利用区域回归分析发现，新疆阿克苏地区科学开展人工防雹作业后，平均年雹灾面积减少23802 hm2，相对减少率为54.5%，雹灾明显减小，防雹社会经济效益显著（李斌等，2017）。

6.2 物理检验评估

物理检验法通常选用反映雹云特征变化的物理量作为防雹效果检验的特征参量，常用的有雷达回波强度、回波顶高、回波体积、垂直积分液态水含量等，通过这些物理量的变化来检验防雹作业是否有效（姚展予等，2016）。物理检验法通常是选取两块发展阶段和生命周期相似的雹云，对一块进行作业，一块不作业用作对比；或者是选取雹云中两个发展趋势相近的云体单元，对一个单元进行作业，一个单元不作业用作对比（姚展予等，2016）。如果无法找到两块发展阶段和生命周期相似的雹云或者两个发展趋势相近的云体单元，只能退而求其次，选取同一块雹云，来对比其防雹前、后物理量的变化。物理检验法可以从云宏观动力学特征变化和云微物理特征变化两个方面进行分析。

6.2.1 云宏观动力学特征变化分析

防雹的效果除了在降雹日数、雹灾面积和经济效益等方面有体现外，更为直接的是对雹云物理的影响，防雹作业是否有效果在宏观方面有较大的变化，虽然认为在物理过程中捕捉这些变化有较大的困难和资料分析中有很大的不确定性，但是云宏观动力学特征观测分析已经成为防雹效果评估的一种重要手段。

随着中国新一代天气雷达的布网，雷达已成为观测云系发展变化的重要手段。针对作业单元和对比单元同时观察雷达回波在作业前、后形态的变化是判别防雹作业是否有效的一种重要手段。除此之外，还可以通过雷达产品的综合指标进行分析。

刘治国等（2006）结合2005年6月25日祁连山东部一次高炮消雹试验，利用新一代天气雷达高时、空分辨率资料，从消雹前、后雷达回波外形特征、垂直最大回波强度、回波顶高、雹云内部水平风场、垂直结构、最大垂直积分液态含水量的变化以及地面降水实况等方面进行了检验分析。结果表明，高炮作业抑制雹云的发展主要存在两方面作用：一是AgI在爆炸点附近快速撒播，并与周围冻滴快速碰并而减小冻滴的平均质量和直径，二是炮弹爆炸动力抑制爆炸点下方附近上升气流的发展。高炮防雹的同时也促进地面降水的产生，起到人工增雨的效果。

李金辉等（2011）分析了2007年7月24日两块冰雹云防雹作业前、后动态雷达回波特征。对雹云A实施防雹作业1次，最大回波强度降低10 dBz，45 dBz回波顶部高度降低8 km，云体加宽、减弱。平面显示，回波面积扩大，云体分裂，移动停止，并与后面的云团反向合并。对雹云B实施防雹作业4次，作业后云顶高度下降0.4—1.3 km，平均降低0.85 km；45 dBz回波顶高度下降0.4—0.9 km，平均降低0.65 km。平面显示：前2轮作业后，云体分裂成2个单体，面积增大，第3、4轮防雹作业后云体面积继续扩大、分裂。结果认为两块冰雹云的高炮人工防雹作业均有效。

王庆等（2018）利用2008年5月23—26日山东一次冰雹过程的常规气象资料，分析了两个极相似云体在催化和未催化情况下从初生、发展到消亡的演变特征。结果表明，防雹作业加剧了冰雹云的消亡过程，表现为回波强度减弱、回波高度下降、垂直积分液态含水量减少、生命期缩短等（图16）。

图16 2008年5月山东两块对流云回波高度（a）和垂直积分液态含水量（b）随时间的演变情况（王庆等，2018）Fig. 16 Temporal evolution of the echo height （a） and VIL （b） of two convective clouds in Shandong in May，2008 （Wang，et al，2018）

刘昭武等（2020）利用2018年6月12—13日山东西北部一次冰雹过程的常规气象资料，分析了防雹效果（图17）。从图17中可以看出提前开展防雹作业可以一定程度上有效防雹，但在降雹发生后进行作业有时也可以减少降雹。通过分析两块相似的对流单体，一块进行了防雹作业，一块不作业，可以看出进行了防雹作业的对流单体各项雷达物理量数值下降较快，即作业加速了对流单体的削弱，反观另一块则下降速率较慢，从而证明了此次防雹作业有效。

图17 2018年6月12日山东西北部两个单体的雷达回波强度（a）、垂直积分液态含水量（b）、冰雹和强冰雹概率（c）以及回波顶高（d）变化（图中斜线阴影柱体表示作业时段；Y4：防雹作业，U4：自然雹云）（刘昭武等，2020）Fig. 17 Radar echo intensity （a），VIL （b），probability of hail and strong hail （c） and the change of echo top height （d） of two monomers in the northwestern area of Shandong on 12 June 2018 （oblique shaded column in the figure indicates the operation time；Y4：hail suppression cloud，U4：natural cloud）（Liu，et al，2020）

6.2.2 云微物理参数变化

云微物理参数变化可用于检验防雹作业的微物理基础是否合理，通过观测雹云中内部过冷水含量、冰晶浓度等变化可以判断防雹作业是否有效。双偏振雷达具有可以获得云中相态、偏振参量以及水成物分类等功能，对云中微物理变化有直观反映。

Gilbert等（2016）分析了加拿大阿尔伯塔的防雹项目，通过分析3次强冰雹过程，得出催化使大于60 dBz的回波区面积比相邻未催化的冰雹云面积分别减少46%和18%，催化云的垂直积分液态含水量和最大回波强度也出现下降（图18）。

图18 2015年7月21日加拿大阿尔伯塔防雹项目中雷达观测的24 h最大垂直累积液态水含量（a）和体扫对流单体雷达最大回波强度在播撒前、播撒中和播撒后的变化（b）（对流单体分别为cell 1、cell 2和cell 5）（Gilbert，et al，2016）Fig. 18 24 h maximum vertical cumulative liquid water content observed by radar （a） and variation of the maximum echo intensity of the in the Canadian Alberta Hail Prevention Project on 21 July 2015 （including three convective monomer belts，cell 1，cell 2 and cell 5 respectively）（Gilbert，et al，2016）

陈羿辰等（2016）利用双偏振雷达资料分析了北京平谷区一次防雹作业过程，发现作业区对流减弱，高层有较大冰雹粒子，大雨滴下沉明显，最终以霰粒子为主；而对比区则对流仍然旺盛，冰雹粒子有增多趋势。15时22分粒子相态识别结果为作业前，在6、8 km两个高度层上都已经产生大量冰雹，但是地面没有降雹，所以云体内冰雹粒子还没有增长到足够大以致降雹，其中可以看到在8 km高度上的作业区内有部分大雨滴，说明该区域内存在很强的上升气流，将暖区的大雨滴抬升到该高度层上（图19）。以上现象说明此次防雹作业可以有效吸食过冷水从而抑制冰雹胚胎成长为冰雹。通过双线偏振雷达的观测可以判断云微物理参数变化，从而可以很好地检测人工防雹的效果。

图19 北京平谷区一次防雹作业前、后作业云区（红色方框）和对比云区（白色方框）双偏振雷达相态变化（陈羿辰等，2016）Fig. 19 Phase changes of the operation cloud area （red square） and the contrast cloud area （white square） by dual-polarization radar before and after a hail suppression operation in Pinggu district，Beijing （Chen，et al，2016）

6.3 数值模拟检验评估

利用基于云降水宏观动力学和微物理过程以及人工防雹原理建立的冰雹云催化模式可以进行防雹效果的数值模拟检验，一般方法是选取一次冰雹过程作为试验个例，分别就不同的催化方式、催化剂量和催化位置等进行数值模拟，对比其催化结果，可以据此分析出较佳的防雹作业方案。

二维对流云数值模式、三维冰雹云数值催化模式、三维风暴云催化模式等数值模式都可以用来有效地研究冰雹云人工抑制条件及其云物理过程（孔凡铀等，1990；洪延超，1998；郭学良等，2001a；肖辉等，2004）。中国科学院大气物理研究所的双参数三维冰雹云模式（IAPCSM3D）考虑了冰雹云中各种详细的微物理过程，云中粒子采用数浓度和质量浓度双变参数谱，将云中水物质分成水汽、云水、雨水、冻滴、冰晶、霰、雪和冰雹等8类，可以预报粒子的数浓度和质量浓度，尤其可以计算以霰或冻滴为胚胎的雹块数量，该模式还能模拟防雹作业后的效果，是研究冰雹云形成机制和预报冰雹的参考方法之一（洪延超，1998）。

吴海英等（2002）应用中国科学院大气物理研究所建立的三维完全弹性冰雹云模式，对2000年6月9日发生在江苏射阳地区的一次冰雹云过程及其催化试验进行了数值模拟。根据模式输出的高时、空分辨率资料，分析了冰雹云发生、发展过程中的热力和动力作用及微物理过程的变化，对这次冰雹云形成的机制做了初步分析，并做了一系列AgI催化试验。

周毓荃等（2003）在洪延超（1999）三维雹云模式基础上，采用湿热泡扰动方式激发对流云，模拟了河南北部地区1998年7月21日一次降雹过程，并研究了AgI的催化作用。图20为模拟自然云和8 min、4 km作业云各水物质中心值及高度。可以看出，由于AgI的催化作用，从第10分钟开始，作业云过冷水含量降低，中心高度下降，雹胚开始增多，中心高度下降，冰雹增多。原因是作业时机和作业高度不恰当，导致人工雹胚没有进入自然雹胚区。总的来说，对冰雹云进行催化作业，选择不同的时机和部位，可能获得不同的作业效果。

图20 1998年7月21日河南北部地区一次降雹过程模拟自然云（实线）与8 min、4 km作业云（虚线）的过冷雨（a、b）、雹胚（c、d）、冰雹（e、f）中心值（b、d、f）及高度（a、c、e）的比较（周毓荃等，2003）Fig. 20 Comparison of super cold rain （a，b）， hail embryo （c，d）， hail （e，f） center value （b，d，f） and height （a，c，e） in the simulated natural cloud （solid line） and 8 min， 4 km operation cloud （dotted line） during a hail process in the northern part of Henan on 21 July 1998 （Zhou，et al，2003）

李宏宇等（2003）利用三维冰雹云数值催化模式，选取1999年7月18日陕西旬邑地区的冰雹云作为试验个例，分别就高炮催化不同的作业时间、催化剂量、作业部位、催化方式等以及对火箭催化所携带的高效AgI焰剂的成核率与火箭在作业过程中以不同的发射距离、发射仰角和当火箭方位角发生偏离后对地面防雹效果的影响进行数值模拟。图21a是AgI成核率模拟试验，分别对不同的炮弹进行模拟，图21b为不同仰角的火箭发射对应的弹道曲线。通过对不同参数的模拟试验，为人工防雹提供了技术参考。

图21 1999年7月18日陕西旬邑地区的冰雹云模拟（a. BR-91-Y型AgI焰剂与另外两种复合核成核率的比较结果，b. 火箭以不同仰角发射对应的弹道曲线）（李宏宇等，2003）Fig. 21 Hail cloud simulation in Xunyi area of Shaanxi province on 18 July 1999 （a. comparison of nucleation rate among BR-91-Y AgI flame and the other two composite nuclei，b. results of the corresponding ballistic curve of the rocket launched at different elevation angles）（Li，et al，2003）

楼小凤等（2016）利用三维冰雹云AgI催化模式对北京一次降雹过程进行了不同催化时间、不同催化部位和不同催化剂量的模拟试验。图22为7种不同催化剂量的模拟结果，及自然云和催化云的总降雹量和降雨量以及冰雹和霰总质量变化。

图22 北京一次降雹过程不同剂量（单位：kg-1）催化剂的（a）降雹量、（b）降雨量和不同云的（c）降雹量和降雨量、（d）冰雹和霰总质量随时间分布的模拟结果（楼小凤等，2016）Fig. 22 Simulation results of total hail （a） and rainfall （b） at the amount of 5×107、1×107、5×106、1×106、5×105、1×105 and 5×104 kg-1 of catalyst， simulation results of total hail and rainfall （c） and total mass of hail and graupel （d） in natural clouds and catalytic clouds over time during a hail process in Beijing （Lou，et al，2016）

半个多世纪以来，人工影响天气的效果评估经历了一个从依赖统计检验，强调随机化试验到重新注重经验证据，学会如何正确设计作业方案，探索物理因子与统计检验结合为一体的试验研究和业务性作业的大轮回过程（章澄昌，1998）。

效果检验是制约人工影响天气发展的瓶颈。WMO（2015）关于人工影响天气的声明指出，播撒成冰剂技术在世界很多地方被应用于人工防雹作业，然而效果的评估是相当困难的，迄今为止的科学证据尚无定论。未来，人工防雹效果检验应多采用统计检验、物理检验和数值模拟检验相结合的综合检验，以提高人工防雹效果评估的可信度。

7 总结与展望

7.1 总结

在综述冰雹形成机理和增长过程研究进展的基础上，总结了过去几十年中外在人工防雹工作方面取得的重要成果和进展，包括人工防雹的机理、防雹的技术手段、开展的防雹科学试验及防雹效果评估。主要结论如下：

（1）“累积带理论”和“循环增长理论”是最常见的冰雹形成理论，限于早期的雷达观测技术和缺乏完整的冰雹数值模式，早期认知的冰雹形成机理存在一定的局限。

（2）雹胚一般分为冻滴胚和霰胚，冻滴胚由过冷雨滴冻结形成，霰胚则是冰晶、雪花撞冻增长而成。冰雹云中哪种雹胚占优势主要看云底温度的高低。雹云的发展依赖于水汽条件、动力不稳定条件、风垂直切变等关键因子。

（3）作为冰雹灾害防御的重要手段之一，人工防雹就是对将要产生冰雹的冰雹云施加人工影响，以达到减少或避免雹灾的目的，主要形成了“播撒防雹”和“爆炸防雹”两条技术路线。前者是指向云中播撒人工冰核，从而影响冰雹的形成过程，并认为“利益竞争”和“早期降雨”是常见的6种防雹原理假说中最有希望成为防雹作业设计的依据；后者则是基于爆炸的原理通过向雹云中发射炮弹的方式促使融滴的破碎，从而达到抑制或削弱冰雹增长的目的。

（4）中外发展的人工防雹技术多遵循上述两条技术路线，即多采用通过地面火箭、飞机、地面燃烧炉等向云中播撒人工冰核，或通过地面高炮向云中发射含人工冰核的炮弹等技术手段抑制或削弱冰雹云中冰雹的增长。目前，中国已逐步建立和发展了适合中国国情的基于现代科技发展的综合雷达监测、计算机指挥、地面高炮火箭作业为主的人工防雹技术系统。

（5）迄今为止，中外已开展了很多人工防雹科学试验。从试验基地的选定、技术方法的使用、试验装备的改进、试验结果的评估分析等各方面都有了很大进步。这些科学试验充分证明在冰雹云的生长发展阶段进行防雹作业，具有较好的防雹效果。不同地区，防雹试验效果可能不同，要根据各地冰雹云特征及其降雹特点，制定有针对性的人工防雹技术体系。

（6）随着人工防雹试验的广泛开展，对试验进行效果检验十分必要。由于冰雹云变化迅速，降雹过程短促，成灾范围小等特点增加了效果检验的难度。目前常用的防雹效果评估方法主要有统计检验、物理检验和数值模拟检验等。统计检验常用的评估对象主要包括年降雹日数、雹灾面积、雹灾损失、防雹经济效益等，常用的统计方法主要有序列分析、区域对比分析、双比分析和区域（历史）回归分析等；物理检验通常选用反映雹云特征变化的物理量如雷达回波强度、回波顶高、回波体积、垂直累积液态水含量等来分析寻找防雹效果的物理学证据；数值模拟检验则是利用基于云降水宏观动力学和微物理过程及人工防雹原理建立的冰雹云催化模式进行效果评估。运用统计检验、物理检验和数值模拟相结合的综合检验技术方法评估防雹效果势在必行。