多普勒天氣雷達在人工防雹中的應用研究

傅超　鄭鐘堯　崔倩　張唯

摘 要：多普勒雷達作為現階段在進行氣象預報過程中應用范圍較廣的一種設備，在現階段氣象防災減災過程中產生了良好的效果。冰雹作為一種危害較大，對人們正常生產生活產生較大影響的一種自然災害，隨著近些年來氣候變化的逐漸加劇，發生幾率也在逐漸增加。通過應用多普勒天氣雷達可以有效地實現對冰雹災害的預測，降低其產生的危害。

關鍵詞：多普勒天氣雷達;人工防雹;應用分析

中圖分類號：S16

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715065

引言

經過多年的發展，我國現階段在進行氣象預報方面的能力已經得到加強，各種新型技術和設備的應用極大地提升了當前對于各種氣象災害的防治效果。人工防雹作為現階段人工影響天氣，實現防災減災目的的重要組成部門，在技術和設備使用的基礎上效果也有了較大的提高。多普勒雷達作為其中具有較強代表性的一種設備值得進行研究。本文將就此展開討論。

1 冰雹災害產生的氣象背景分析

1.1 發生冰雹災害之前的天氣形勢配置分析

以2015年6月河北省發生的一次冰雹災害來看，華北平原地區500hPa受高空冷渦底部的高空槽影響，冷渦經向度大，西北部不斷有冷空氣補充南下。東側高壓脊阻擋，西側阻塞形勢建立，環流穩定少動。冷渦附近溫度槽落后于高度槽，冷渦南部出現20m/s以上的大風速核，這是河北省出現冰雹的典型配置。700hPa冷渦結構明顯，河北東部位于冷渦東南象限，850hPa風向風速切變位于河北中東部，溫度脊配合風場，有暖平流位于河北東部，為過程提供系統性不穩定條件。地面是西高東低的氣壓場形勢，氣壓梯度大值區位于河北西部。從邢臺探空圖看，0℃層高度在4km（600hpa）上下，-20℃高度在6km（600hpa）上下，高度適宜，符合河北省冰雹發生標準。

1.2 多普勒天氣雷達產品分析

從雷達回波特征看，強回波生成于保定地區，向東移過程中發展加強，到達滄州地區中心強度最大超過65dBz，前部有明顯入流缺口。從強回波內的垂直結構特征分析，出現明顯回波懸垂，強回波中心頂高超過15km，說明上升氣流強盛，發展高度高。從組合反射率特征分析，強回波由4個回波單體組成，呈帶狀分布，強回波區域最大直徑可達20km。垂直剖面顯示，強度>50dBz的回波高度在10km左右，這些都是產生冰雹的典型特征。

1.3 發生冰雹災害之前的水汽情況分析

對于冰雹發生前的水汽情況來看，在發生冰雹災害之前華北地區上空水汽分布不均。近地層相對濕度較大，滄州地區相對濕度達70%以上，溫度露點差小于4℃。700hpa到500hpa溫度露點差達13℃以上，說明中層濕度小，為相對干層，這種上干下濕的水汽層結配置有利于強對流天氣的發生。從水汽云圖可以看到，在發生強對流天氣之前，低層基本上是受到淺薄暖濕氣流的控制，這些暖濕氣流為冰雹災害的發生提供了水汽和能量。

1.4 發生冰雹災害的能量條件分析

較大的溫度垂直遞減率為冰雹天氣發生的不穩定的層結配置，有利于不穩定能量的增加，一旦強對流觸發，較強的不穩定能量從位能轉化為動能，促使對流發展加強，所以強溫度梯度是強對流發生之前的重要指標。通過對本次過程早晨08：00的溫度場配置看，河北省中南部850hpa和700hpa溫差達到30℃以上，溫度直減率較大，達到了河北省強對流溫差標準。分析對流有效位能可知，850hpa河北省中南部cape達1356J/kg，K指數達38℃，沙氏指數為-1.9，從各參數指標來看滄州地區存在著較強的不穩定能量，對冰雹的發生發展非常有利。

1.5 發生冰雹災害的氣象抬升條件分析

冰雹天氣的觸發抬升作用可由多種系統引發，如近地面的輻合線、露點鋒、干線、局地熱力抬升、地形抬升等。這是強對流天氣發生的啟動條件。本次過程在冰雹災害發生之前，河北省中南部存在一條東北-西南向地面輻合線，冰雹風暴初始發生在輻合線北側，強對流天氣開始之后，地面輻合線發展加強，與強對流風暴發生發展起到相互促進作用。中層700hpa出現強烈的上升運動，200hpa對應負散度中心，這種低層輻合，中層上升，高層輻散的配置非常有利于對流天氣的發展增強，出現冰雹的概率增大。

2 多普勒雷達獲取到的資料產品研究

2.1 多普勒雷達的回波特征研究

通過對本次發生冰雹災害的雷達回波特征進行分析可以發現，強回波發生于滄州西北部地區，強度最大超過65dBz，前部有明顯入流缺口，說明風暴入流氣流較強，發展強盛。強回波內的垂直結果特征為：中低層為有界弱回波區，中層有強烈的回波強度梯度，高層形成明顯的穹窿結構，回波頂高伸展到15km，這是典型的冰雹回波特征。

從具體演變過程來看，回波強度大于50dBz區域自西向東移動，移動過程中，大于60dBz的強回波帶先維持，后在與滄州原地生成的降水回波相遇后，減弱至小于60dBz。而滄州地區原地生成的降水回波在自身發展的同時與主回波帶合并加強，強回波不斷向東移動，經過路徑出現了冰雹大風等強對流天氣。在回波最強時段出現了明顯的長釘特征，即三體散射特征，這是判斷冰雹的出現的重要指標。

2.2 垂直累積液態水含量情況研究

垂直累積液態水含量（VIL）一般是對降水潛力、強對流天氣的發生幾率等氣象狀況進行研究的重要標志。通過采用多普勒天氣雷達可以有效實現對這一氣象特征的探測。通過對相關數據進行分析可以發現，在冰雹災害發生之前，垂直累積液態水含量都會大于40kg/m2。這一數值隨著冰雹的不斷臨近而不斷增大，在冰雹災害發生之后會出現降低。在本次研究中出現數值的跳躍情況，這意味著冰雹在這一段時間內不斷增大。因此這一氣象特征同樣可以有效的指示冰雹的發生情況。

2.3 風的垂直廓線研究

通過對本次冰雹災害發生前后的風廓線進行分析可以發現，地面風向為東南風，但是在925hPa以上風向就會變化為西南風。同時在相應高度風速會不斷發生變化，風向隨著高度的上升會出現順時針的旋轉，同時風速也會增大。從地面到925hPa這一范圍內，風向由東南風在換變為西南風，同時500hPa之間的垂直風切變矢差大約為16m/s。強烈的垂直風切變有利于對流風暴的加強和維持。

3 人工防雹

3.1 人工防雹的原理與方法

冰雹天氣屬于強對流天氣，一般都伴有自然降水的存在，先有降水，然后伴隨冰雹的到來。人工防雹就是設法減少或切斷給小雹胚的水分供應，一般需要向云中播撒足夠量的催化劑，以產生大量冰晶，迅速形成更多的水滴或冰粒，造成同雹胚競爭水分的優勢，從而抑制雹塊的增長。

一般在人影作業點用高炮或火箭將裝有碘化銀的彈頭發射到冰雹云的適當部位，以噴焰或爆炸的方式播撒碘化銀，阻止冰雹繼續增大，除此之外，炮彈爆炸后大量的粉塵，可作為水汽凝結核，快速將冰雹云中的水汽凝結成水滴以液態水降落到地面，截斷新生冰雹或冰雹繼續增大所需的水汽。最終達到冰雹數量的減少和控制冰雹體積的增大。人工防雹主要是減少降落到地面的冰雹數量并減小冰雹體積，同時增加了液態降水，但抑制或減輕了雹災。

3.2 結合多普勒天氣雷達產品進行人工防雹

結合多普勒天氣雷達產品進行人工防雹是人工局部影響天氣的一種重要手段，通過雷達探測確定空氣中有冰雹云存在時，則可立即實施人工防雹作業。本次冰雹云回波參數的判定：回波高度在1min內增加了400m并且回波強度在每分鐘之內平均上升了2dBZ，零度層以上出現強回波，在出現這種情況下即判定為冰雹云。在進行人工防雹作業的過程中，作業部位要選擇在冰雹云體的前沿部位;同時，要確定上升氣流區域防雹作業時機及用彈量與雷達回波強度、回波頂高度和回波單體面積、溫度、回波性狀的關系。

4 總結

本文通過對多普勒天氣雷達在人工防雹中的應用情況進行研究可以發現，冰雹災害作為強對流天氣，主要會對低層切變線造成影響。同時由于受到冷空氣的影響，對流氣象出現遷移直至結束。由于低層輻合和高層輻散抽吸作用也使得這種強對流天氣得到較長時間的發展。這在客觀上為冰雹災害的發展提供了有利條件。通過采用多普勒天氣雷達可以在人工防雹過程中獲得較好的效果，實現防災減災的作用。

參考文獻

[1] 林聰，劉桂玲，于文超.1961―2010年莫旗地區冰雹特征分析[J].現代農業科技，2014（1）：260-261.

[2] 周虎，陸曉靜，趙蔚，等.寧夏“5·16”強對流天氣跟蹤分析及冰雹預報模型[J].沙漠與綠洲氣象，2010（3）：22-25.

作者簡介：

傅超（1983-），男，本科，工程師，研究方向：天氣雷達原理及應用。