一次人工影响天气指挥系统在2022年长春地区防雹作业中的运用

袁金华 张婷婷 徐建飞 尹东昊

摘要 人工影响天气工作在保障国家粮食安全、生态文明建设和重大活动保障过程中发挥了重要作用。开展人工影响天气工作进行增雨、防雹作业，不仅是农业抗旱和防雹减灾的需要，也是水资源安全保障、生态建设和保护等方面的需要。通过分析2022年8月25日的一次降雹天气过程，介绍了系统业务功能以及实时指挥防雹作业的技术流程，再现了系统对雹云初始回波、雹云类型的自动判别，以及作业预警、决策和作业方案输出等技术环节和实时科学作业指挥过程。

关键词 人工影响天气指挥系统；预警指挥；应用与检验

中图分类号：P482 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）07–0183-03

人工影响天气是人类运用现代科学技术，对局部大气实施影响，实现增雨（雪）、防雹、消雨、消雾、防霜等趋利避害目的的活动。目前，世界上大规模开展的人工影响天气活动主要集中在增雨、防雹、消雾等几个方面。我国是世界上气象灾害频繁发生、干旱严重的国家之一，也是人均占有水资源较少的国家。开展人工影响天气工作，进行增雨、防雹作业，不仅是农业抗旱和防雹减灾的需要，还是水资源安全保障、生态建设和保护等方面的需要，是实现国民经济可持续发展的重要举措。

孙妍等[1]运用1960—2010年的冰雹天气资料，统计分析了吉林省冰雹天气的时间、地域分布特征，针对2008—2010年间的冰雹天气过程进行分析，结果表明：吉林省冰雹天气多在春、夏季出现，并多集中在13：00～19：00，冰雹在山区出现平均次数大于平原地区。

近年来，我国人工防雹工作取得了较大进展[2-4]，叶宗秀等[5]针对防雹作业过程的冰雹云演变特征及其效果的研究，很好地指导了各地有效开展人工防雹作业，利用本地闪电监测资料，分析总结冰雹云的闪电时空变化特征和统计特征，找出适合本地使用的冰雹云预测识别指标，供灾害天气预报预警和人工消雹防雹作业指挥参考和指导，减少冰雹灾害造成的损失。周毓荃等[6]研究表明，在决策时，需要综合考虑天气条件、地理条件、作业点分布、旱情分布等因素，同时考虑到在作业过程中为便于实时监控飞行航线、作业动态，需要应用地理信息系统。苏立娟等[7-8]针对降雹机制和防雹新技术的研究均取得新的进展，为各地的人工防雹作业研究和防雹决策指挥系统的开发打下了良好的基础。周德平等[9]提出雷达识别冰雹云的一条重要经验是要提前识别，不要当冰雹在云中已经形成快降落时才识别，要在冰雹形成初期识别。雷达不仅要识别冰雹云，而且要辨别出冰雹云的类型，因为针对不同类型的冰雹云，作业方法不同，不能对任何冰雹云都使用同一种方法，冰雹云的雷达回波特征和形态各地均有不同，即使在同一地方，不同时期出现的雹云，其结构特征也有明显变化。

王柏忠等[10]的研究指出，人工防雹作业是实施农业防灾减灾的重要技术措施之一，对我国农牧业生产具有重要的气象保障作用。目前，人工防雹作业中对冰雹研究的科学水平和探测技术装备有了明显进步，人工防雹在农业防灾减灾中取得的经济效益显著。

李斌等[11]利用防雹季雷達回波参数，采用物理统计学方法，重点分析了与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回波强度顶高等特征，发现人工防雹作业前后，冰雹云最大雷达回波顶高、回波最强中心强度和40 dBz回波强度顶高等3个雷达回波参数指标发生了明显变化。

1 人工影响天气作业指挥系统介绍

人工影响天气作业指挥系统研发是依托气象业务现代化建设，基于人工增雨和防雹作业等实际业务需要，对人影业务进行的专业补充建设。它是目前长春市地面人工增雨和人工防雹作业的主要指挥系统，在抗旱增雨保粮食安全、森林草原防灭火、水源地蓄水生态保护及人工防雹防灾减灾中发挥了重要作用。随着气象数据环境的不断升级，以及政府和公众对天气多样化和时效性的需求，系统功能和效率不能满足作业指挥需求，长春市气象局引进了先进算法，并结合自身工作经验，对系统进行改造升级。

1.1 人工影响天气作业指挥系统三维SCIT回波跟踪技术和效果展示

系统采用改进的SCIT回波跟踪技术、智能决策树技术和三维雷达回波特征采集技术。全新的回波跟踪技术增强了跟踪效果，实现了对目标云体的全生命周期自动跟踪，对雹云进行自动编号后，将其与长春84个人工防雹固定作业站相结合，自动计算雹云到前方防雹作业站的距离和时间，实现了对防雹作业的分级预警，使指挥人员和作业人员有充足的时间进行防雹作业准备。系统自动回波跟踪和雹云移动路径预测功能，能够精确测算回波位置、移动方向、移动速度等，提供跟踪目标和人影作业指标的精准比对，实现跟踪目标的预警状态提示和下游作业点预警作业参数计算，以及对冰雹云、对流单体、多单体的跟踪识别预警（图1）。

1.2 基于雷达回波跟踪和特征采集技术的数据挖掘

基于智能回波跟踪技术的雷达资料挖掘分析功能，能够挖掘与提取多普勒雷达三维立体的特征数据，对雷达回波特征数据的时序变化进行分析。从雷达回波提取包括回波强度、顶高、强中心高度、液态水含量、液态水密度、闪电、自动站、不同强度的回波顶高度、不同强度的回波面积、不同强度的回波体积等几十种雷达回波特征数据。这些数据由智能回波跟踪功能自动组成时序变化曲线，帮助预报人员和防雹指挥人员分析天气系统的变化特征，可以对冰雹、强降雨、大风等天气的雷达回波特征进行全面的分析研究（图2）。

2 系统应用结果与分析

2.1 雷达决策与作业实时指挥

2022年8月25日，长春地区出现了一次降水过程，在此过程中应用了该业务系统进行观测、预报和决策。首先，分析天气形势和雹云作业条件。2022年8月25日，三维人工影响天气作业指挥系统从14：45到15：07连续跟踪德惠朝阳双城子的一块回波（图1）。图1中的白色方块显示出系统对不同雷达回波体的连续跟踪路径。路径持续的长度反映出智能雷达回波跟踪算法的良好跟踪效果。人影指挥人员通过雷达回波跟踪路径，判断出回波的移动方向和移动速度，指挥作业点作业人员做好作业准备。基于智能回波跟踪，判断人工防雹增雨的作业条件、作业时机、作业参数计算水平，提升了预报精准度和指挥智能化水平。

通过回波的强度、高度、液态水含量等参量的变化趋势，和防雹作业指标的自动比对，系统输出预警状态和下游作业点作业参数提示。指挥人员通过对目标回波进行剖面分析（图3）和弹药三维可视化模拟（图4），显示出冰雹云特征和作业的急迫性，人影值班人员根据雷达回波的特征等，指导德惠作业点作业人员作业，请令，空域未批准，德惠朝阳双城子附近降直径1～2 cm的冰雹。

2022年8月25日，系统对榆树一块回波进行连续跟踪，从14：56分开始持续跟踪到15：56（图5）。指挥人员通过掌握的雷达回波强度、高度、液态水含量等的变化趋势，分析冰雹云特征，进而指挥作业。

15：49作业前雷达回波强度达到最强（图6），与作业路径保持一致，在雷达回波强中心前方，符合作业条件，请令，指挥榆树作业点作业人员开展作业，榆树光明镇作业点作业60发防雹弹，榆树谢家作业点作业20发防雹弹，作业后，作业区雷达回波强度减弱，榆树保寿镇、谢家村作业区降软冰雹，作业时机把握很好，未成灾（图7）。

2.2 智能回波跟踪技术提升了人影预警和指挥水平

系统根据雷达回波三维结构分布自动判断作业部位和作业时机，并自动计算作业参数。系统提供了丰富的回波跟踪可视化功能。回波发展路径的全流程可视化，可以对跟踪目标的任意时间节点进行回放展示。图8左侧为输出的作业参数，右侧窗口为指挥人员选择其中一个作业点展示的弹道曲线和作业部位。

3 结束语

针对此次天气过程，长春地区3个作业点开展防雹作业，发射防雹炮弹90发，防护区内无雹灾。此次上下联动、科学高效的防雹作业，体现长春人影建设成效，起到了防雹减灾的重要作用，为长春地区防灾减灾、服务农业生产、改善生态环境和遏制森林火灾等作出了新的贡献。

（1）在人影技术迅速发展的形势下，长春局人影中心积极开拓创新，将人影指挥系统运用于实际人影指挥工作，更准确地捕捉了人影作业时机，智能化的作业指挥有效提高了作业效率。结合人影防雹站位置的预警功能，使冰雹云预警时间更早。尤其在2022年强对流天气高发的背景下，通过平台实现了人工防雹作业的精准指挥，保护区内未见冰雹灾害发生。

（2）作业指挥系统中客观化的仰角、方位角和用弹量计算功能，能够科学地给出不同云系作业部位和作业用弹量，减少人工计算的时间和误差，减少增雨和防雹时机的误判。2022年8月25日16：02，榆树秀水镇和保寿镇同时提示2个防雹站进行协同作业的建议，作业后20 min云系开始减弱，没有产生降雹，增雨防雹作业效果得到大幅度增强。

（3）根据人影工作实际，建立和完善人工影响天气预警作业指挥体系，提高增雨、防雹作业的科学性，提高作业水平，是防灾减灾工作可持续发展的实际需求，也是实现人工影响天气高质量发展，加快推进人工影响天气工作由分散、粗放、相对独立发展向集约化、研究型、安全性转型发展的具体体现，提高了以智慧人影为主要特征的人工影响天气现代化水平，为防灾减灾救灾、生态环境保护和修复、国家重大节庆日等活动等提供强有力的保障。

（4）长春局人影中心通过对系统的迭代升级，接入了“天擎”气象大数据平台和双偏振雷达，改进雷达回波追踪、新增效果评估等功能提高了人影指挥的科学性，较好地满足了人影业务需求。但缺乏具体承灾体等实测资料，针对降雹的监测、雹灾的调查和资料的收集缺少连续性和系统性，且本研究仅针对2次防雹过程进行分析，冰雹个例少，作业预警和决策的判别指标目前没有进行细化，尚需进一步补充和完善。且由于作业区缺乏精密的云物理观测设备，未对防雹过程中云层的微物理特征对雹云的影响等进行分析，仍需进一步开展相关研究。

参考文献

[1] 孙妍，王晓明，孙鸿雁，等.探空物理量在吉林省冰雹天气预报中的应用[J].吉林气象，2012（2）：5-8，25.

[2] 薛建军.基于WebGIS的人工影响天气业务平台设计与实现[D].南京：南京信息工程大学，2012.

[3] 段英，許焕斌.爆炸防雹中的云微物理机制的探讨[J].气象学报，2001（3）：334-340.

[4] 张存，周毓荃.人工影响天气优化技术研究[M].北京：气象出版社，2000.

[5] 叶宗秀，陈倩，郭昌明，等.冰雹云的闪电频数特征及其在防雹中的应用[J].高原气象，1982（2）：53-59.

[6] 周毓荃，张存.河南省新一代人工影响天气业务技术系统的设计、开发和应用[J].应用气象学报，2001（S1）：173-184.

[7] 苏立娟，达布希拉图，邓晓东，等.内蒙古人工影响天气业务技术系统的建设与应用[J].内蒙古气象，2010（2）：32-35.

[8] 王以琳，黄磊.地市级人工影响天气业务技术系统[J].气象科技，2007（4）：535-540.

[9] 周德平，杨洋，王吉宏，等.冰雹云雷达识别方法及防雹作业经验[J].气象科技，2007（2）：258-263，314.

[10] 王柏忠，王广河，高宾永.人工防雹的农业减灾效应[J].自然灾害学报，2009， 18（2）：27-32.

[11] 李斌，郑博华，朱思华.人工防雹作业效果物理统计评估方法运用初探[J].沙漠与绿洲气象，2020，14（4）：113-118.

Application of An Artificial Weather Command System in Hail Prevention Operations in Changchun Area in 2022

Yuan Jin-hua et al（Changchun Meteor-ological Bureau， Changchun， Jilin 130000）

Abstract Weather modification has played an important role in ensuring national food security， ecological civilization construction and major activities. To carry out weather modification work to increase rain and prevent hail is not only the needs of agricultural drought relief and hail prevention and mitigation， but also the needs of water resources security， ecological construction and protection. By taking a hail weather process on August 25， 2022 as an example， the business functions of the system and the technical process of real-time command of hail prevention operations are introduced， and the automatic identification of the initial echo of hail cloud and the type of hail cloud， as well as the technical link of operation early warning， decision making and operation plan output and the real-time scientific operation command process were reproduced.

Key words Weather modification command system; Early warning command; Application and test