基于雙線偏振天氣雷達的人工防雹作業效果分析

曾勇 文繼芬 李迪 張淑霞 李皓

摘? 要：利用X波段雙線偏振雷達觀測數據，結合地面觀測和防雹作業資料，從微物理特征對一次典型雹暴過程防雹作業效果進行分析。結果表明：作業前差分反射率ZDR基本處于負值區，作業后ZDR在-0.3dB

關鍵詞：雹暴;偏振雷達;人工防雹;粒子識別

中圖分類號：P482? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0047-03

Abstract： Based on X-band double linear polarization radar observation data， combined with ground observation and hail suppression operation data， the hail suppression effect of a typical hail storm process was analyzed from the microphysical characteristics. The results show that the differential reflectance ZDR was basically in the negative area before operation， and the average value of ZDR between -0.3dB and 0.3dB after operation increases by 0.8 dB. The proportion of correlation coefficient greater than 0.9 decreases from 83.49 before operation to 33.03 after operation. The changes of ZDR and ρhv were the result of the competition between artificial ice nuclei and natural hailstone embryos for supercooled water to produce more ice crystals. Before operation， hail grains coexist with the mixed area of ice and water in the target area. After operation， the area of the mixed area of ice and water decreases， and the artificial ice core was consumed by the supercooled water， which restrains the formation of large hail. The operation timing of the artificial hail suppression operation was basically accurate， and the artificial hail suppression operation has played a certain effect.

Keywords： hail storm; polarization radar; artificial hail suppression; particle recognition

引言

人工防雹作為有防御和減輕冰雹災害的有效技術手段，目前我國已經有32個省（省、直轄市、自治區、建設兵團）開展人工防雹作業[1]。天氣雷達主要用作冰雹預警及人工防雹作業決策與指揮，37mm高炮作為人工防雹作業的主要工具，使用率超過95%，火箭作為輔助防雹作業工具[2]。人工防雹原理主要基于將攜帶碘化銀（AgI）的炮彈發射到需要進行播撒雹云區域內，使大量人工冰核與自然雹胚“爭食”作業區域內水汽，從而限制冰雹的增長[3，4]。目前關于人工防雹作業效果評估主要基于新一代天氣雷達回波宏觀參量演變的統計檢驗，而缺少對作業前后目標云體內微物理參量的分析[5-7]。本文利用雙線偏振雷達能識別水成物粒子功能，對一次人工防雹作業效果進行了分析，主要從作業前后雙線偏振雷達偏振參量變化展開分析，將宏觀分析與微觀分析相結合，更加科學地分析防雹作業效果。

1 天氣實況、資料與方法

2018年3月12日20時（北京時間，下同）開始，貴州省中部清鎮地區出現雷雨冰雹天氣，清鎮辛店、暗流多個鄉鎮出現冰雹，局地冰雹密度在300到400粒左右，冰雹顆粒最大直徑14毫米。

本研究雷達資料來源于清鎮X波段雙線偏振雷達（106.376°E，26.52°N）觀測資料，降雹實況資料與防雹作業信息來自于當日天氣報文與人影作業站點。在20：21-20：24分暗流和衛城兩個作業點利用DF37mm高炮開展人工防雹作業，用彈量各均為60發。因空域繁忙，在首次降雹20：05分之前未開展防雹作業，降雹后雹云回波沒有減弱，繼續得到能量補充增強。基于云精細化分析系統與X波段雙線偏振雷達產品分析終端，對防雹作業前后X波段雙線偏振雷達回波參量進行追蹤統計分析。表1給出了降雹基本信息與防雹作業信息。

表1 降雹信息與防雹作業信息

2 偏振雷達偏振參量分析

差分反射率因子ZDR是雷達發射和接收水平與垂直電磁波束經過運算得到，主要反映雹粒子、液態水滴等空間取向排列及大小差異，具有較高反射率與較低的ZDR值產生冰雹可能性較大。相關系數ρhv主要反映雷達接收水平和垂直電磁波對雹粒子、水滴的相關程度，雹粒子因其形狀差異，各向排列取向不規則，ρhv小，相反水滴ρhv較大。圖1給出了作業前后雹云5.35km高度層上ZDR所占比例。從ZDR占比可以看出，作業前中后ZDR基本處于負值區，在正值區占極低的比例。說明此時云內已經生成了的小冰雹，在強烈的上升氣流下雹粒子在不斷的翻滾、碰并和吸濕增長，因此作業時機基本準確。-0.3dB

相關系數ρhv反映了水平偏振和垂直偏振回波功率之間的相關系數，表征云水粒子前后形狀和尺寸，ρhv對于降雨和干雪時其值較大，接近于1，說明水平電磁波和垂直電磁波相關性好，而融化層中冰雹和濕雪時ρhv值相對較小。圖2給出了相關系數ρhv在作業前后的占比。從作業前后ρhv占比變化看，ρhv大于0.9占比從作業前的83.49減小到作業后的33.03，小于0.9比例在增加。作業前是冰水混合區，已有少量雹粒子吸濕過冷水增長，作業后雹粒子數量增加，空間取向呈現不規則排列，導致雷達掃描體積范圍內水平與垂直后向散射相關程度比單純雨區小，相關系數減小。

從ZDR與ρhv總體變化，說明此次防雹作業向過冷水區注入的防雹增雨彈爆炸后生成大量冰晶與自然雹胚爭食過冷水，抑制了大冰雹的生成。從作業前新一代多普勒天氣雷達組合反射率及強回波高度看，有可能產生與20：05分的降雹直徑14mm相當，但在作業后根據地面觀測資料在20：33分在清鎮暗流降雹，冰雹直徑8mm，說明此次防雹有一定效果，防雹催化抑制了大冰雹的形成。

利用X波段雙線偏振雷達對作業前后和降雹時刻降水粒子識別，識別結果見圖3，從圖3可以看出，在作業之前（20：15），目標區主要粒子構成為冰水混合區，含有極小部分小冰雹，說明有雹粒子正在發展;作業中（20：21），目標區冰水混合區面積減小，而小冰雹區域面積增加，作業催化劑在云體內開始生成冰核，與自然雹胚爭食過冷水，從而冰水區面積較小。在作業后3分鐘（20：27），冰水混合區全部基本消失，主要由小冰雹粒子構成，過冷水獲得消耗;在降雹時刻，目標區為冰水混合占據，隨著雹粒子降落，冰雹區域消失。以上分析可知，X波段雙線偏振雷達對冰雹識別效果較好，在20：15分已經識別有冰雹產生，但是雹粒子正在吸濕過冷水增長，在此時申請空域時間開展防雹作業時機把握正確。

3 結束語

（1）作業前ZDR基本處于負值區，已經有雹粒子生成，-0.3dB

（2）作業前，目標區已是有小雹粒與冰水混合區共存，作業后冰水混合區面積減小，在催化劑作用下人工冰核與自然雹胚爭食云體內過冷水，使得過冷水大量消耗，抑制大冰雹的形成。

（3）此次防雹作業在作業時機把握上基本準確，X波段雙線偏振雷達能夠很好識別冰雹云，同時能直觀觀察到防雹作業前后云體內粒子的相態變化，對冰雹云監測預警和防雹作業效果檢驗提供較好的支撐。

參考文獻：

[1]郭學良.大氣物理與人工影響天氣[M].北京：氣象出版社，2009.

[2]李大山.人工影響天氣現狀與展望[M].北京：氣象出版社，2002.

[3]許煥斌.強對流云物理及其應用[M].北京：氣象出版社，2012.

[4]許煥斌，段英.強對流（冰雹）云中水凝物的積累和云水的消耗[J].氣象學報，2002（05）：575-584.

[5]章澄昌.當前國外人工增雨防雹作業的效果評估[J].氣象，1998（10）：3-8.

[6]段英，許煥斌.爆炸防雹中的云微物理機制的探討[J].氣象學報，2001（03）：334-340.

[7]王雨曾，郁青.多物理參量檢驗防雹效果的研究[J].氣象，1995（10）：3-8+61.