陜西渭北果業(yè)區(qū)冰雹研究進(jìn)展

岳治國(guó) 陳寶君 王瑾 , 左愛文 李金輝 羅俊頡 朱榮增 花少烽 劉佩佩

（1 陜西省人工影響天氣中心，西安 710016；2 秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；3 中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4 陜西省安康市氣象局，安康 725000）

0 引言

陜西是全球集中連片種植蘋果的最大區(qū)域，蘋果產(chǎn)量占全國(guó)產(chǎn)量的25%，是中國(guó)蘋果生產(chǎn)第一大省。陜西渭北一般是指渭河以北、延安以南的地區(qū)，蘋果是當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)作物，農(nóng)民脫貧致富的主要產(chǎn)業(yè)。陜西渭北地形溝壑縱橫，是典型的干旱半干旱地區(qū)，冬、春季干旱，6—9月降水以局地對(duì)流天氣為主，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，降雹概率高。渭北地區(qū)每年3～5次的大范圍區(qū)域性冰雹天氣，嚴(yán)重影響蘋果的產(chǎn)量與品質(zhì)，對(duì)陜西果業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。

20世紀(jì)90年代，陜西省人工影響天氣中心聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所以旬邑縣作為防雹外場(chǎng)基地，布設(shè)711型數(shù)字化天氣雷達(dá)、測(cè)雹板、雹雨分離器、移動(dòng)探空等設(shè)備，開展冰雹云外場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬研究，組織咸陽北五縣開展冰雹聯(lián)防。其中，冰雹云與雷雨云識(shí)別指標(biāo)、冰雹云作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)用彈量等研究成果被中國(guó)氣象局《高炮人工防雹增雨作業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)范》采用，指導(dǎo)了全國(guó)的防雹作業(yè)。

在《西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目》支持下，對(duì)陜西渭北果業(yè)區(qū)冰雹的氣候、雷達(dá)回波、微物理特征、數(shù)值模擬和防雹效果等方面開展研究。陜西渭北果業(yè)區(qū)防雹試驗(yàn)區(qū)包括咸陽市北五縣（旬邑、長(zhǎng)武、彬縣、永壽、淳化，面積共5329 km），外場(chǎng)試驗(yàn)基地設(shè)在旬邑縣。該試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)有固定人影作業(yè)點(diǎn)58個(gè)，其中42個(gè)作業(yè)點(diǎn)同時(shí)裝備有火箭發(fā)射架和高射炮。旬邑縣建有X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)1部，可用于研究試驗(yàn)和指揮防雹作業(yè)。以旬邑為基地開展綜合外場(chǎng)試驗(yàn)，可與20年前研究試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以研究冰雹云結(jié)構(gòu)和成雹機(jī)制是否變化，防雹作業(yè)指標(biāo)是否需要調(diào)整等。

1 渭北冰雹氣候特征

通過分析1960—2019年觀測(cè)記錄完整的45個(gè)陜西地面氣象站雹日數(shù)據(jù)可見，陜西降雹日分布的特點(diǎn)是陜北多于關(guān)中、陜南和關(guān)中的北部塬區(qū)多于關(guān)中南部川道，陜南山區(qū)多于河谷。渭北各地年均降雹日數(shù)為0.5～1.0 d，其中旬邑（1.4 d）為多雹日的縣區(qū)。關(guān)中南部及秦嶺以南為冰雹少發(fā)區(qū)，年冰雹日數(shù)均在0.5 d以下。冰雹多發(fā)生于5—8月的下午時(shí)段，氣象站的年雹日減小趨勢(shì)明顯。

冰雹云的形成發(fā)展及其移動(dòng)路徑，不僅與地形有關(guān)，還取決于高層大氣環(huán)流。關(guān)中地區(qū)地形復(fù)雜，受西風(fēng)帶、副熱帶和熱帶天氣系統(tǒng)的相互作用，冰雹的移動(dòng)路徑比較復(fù)雜。冰雹的移動(dòng)路徑與當(dāng)?shù)睾恿鳌⑸焦茸呦蚧疽恢拢⒀睾庸认驏|南移動(dòng)。有時(shí)，冰雹云受500 hPa和700 hPa高空氣流的引導(dǎo)，其移動(dòng)路徑為自西向東或自北向南。王宇等使用2007—2016年旬邑711型（X波段）數(shù)字化天氣雷達(dá)資料和咸陽市降雹資料，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)咸陽市的冰雹移動(dòng)路徑與八十年代雹云移動(dòng)路徑差異較大（圖1），研究結(jié)果對(duì)調(diào)整農(nóng)業(yè)及果業(yè)生產(chǎn)種植分布，科學(xué)規(guī)劃防雹作業(yè)站點(diǎn)，提升防雹作業(yè)效果有重要意義。

圖1 咸陽市冰雹移動(dòng)路徑新（a）和老（b）示意圖對(duì)比[6]（圖中不同顏色箭頭代表不同的冰雹移動(dòng)路徑）Fig. 1 Comparison of new (a) and old (b) hail moving path in Xianyang City [6] (different color arrows in the figurerepresent different hail moving paths)

冰雹的發(fā)生與一定的大氣環(huán)流形勢(shì)密切相關(guān)，特別是大范圍成災(zāi)重的降雹過程，通常是伴隨著某些特定天氣系統(tǒng)出現(xiàn)。局地?zé)崃ψ饔靡矔?huì)產(chǎn)生降雹，但造成的災(zāi)害一般不大。渭北降雹天氣形勢(shì)超過70%為西北氣流型和冷渦型，冷渦型天氣形勢(shì)常常給渭北地區(qū)帶來時(shí)間長(zhǎng)且雹災(zāi)嚴(yán)重的區(qū)域性降雹，如2020年6月24日導(dǎo)致陜西、甘肅和山西等地出現(xiàn)的大范圍降雹天氣為冷渦型，深厚的冷渦系統(tǒng)在蒙古國(guó)維持和發(fā)展。

2 冰雹云雷達(dá)回波特征

識(shí)別非降雹對(duì)流云（雷雨云）和冰雹云是雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和科學(xué)指揮防雹作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。研究表明，如果對(duì)冰雹云能早期識(shí)別和提早作業(yè)，可以有效減少雹災(zāi)。國(guó)內(nèi)多數(shù)省級(jí)人影部門都建立了適于本地的雷達(dá)識(shí)別冰雹云指標(biāo)，并以此作為是否作業(yè)的依據(jù)。常用的雷達(dá)識(shí)別冰雹云指標(biāo)包括強(qiáng)回波高度、強(qiáng)回波頂?shù)臏囟取⒒夭ㄜS增增長(zhǎng)、強(qiáng)回波區(qū)在云體中的出現(xiàn)位置、初期回波出現(xiàn)的高度和對(duì)流單體合并加強(qiáng)等。

樊鵬等研究得到陜西冰雹云X波段雷達(dá)回波的定量判據(jù)為：當(dāng)雷達(dá)回波45 dBz強(qiáng)度頂高于0 ℃層高度之上2.3 km時(shí)識(shí)別為冰雹云，即：

式中，

H

是雷達(dá)觀測(cè)的45 dBz回波頂高度，

H

為探空數(shù)據(jù)0 ℃層高度，單位：km。近年來，業(yè)務(wù)一線的防雹指揮人員認(rèn)為雷達(dá)回波滿足此公式時(shí)已經(jīng)是冰雹云，實(shí)施防雹作業(yè)時(shí)機(jī)偏晚。因此，還需研究和總結(jié)新型雷達(dá)在渭北地區(qū)早期識(shí)別冰雹云的指標(biāo)。

旬邑全固態(tài)X波段雙線偏振雷達(dá)于2016年底投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，冰雹粒子識(shí)別產(chǎn)品對(duì)冰雹臨近預(yù)警有一定指示作用，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)空?qǐng)?bào)，還需進(jìn)一步研究其適用條件。例如，2019年7月12日旬邑縣房家底廟作業(yè)點(diǎn)加密布設(shè)的激光雨滴譜儀記錄降雹時(shí)間15：57—16：07、冰雹直徑5 mm，旬邑雙偏振雷達(dá)粒子類別產(chǎn)品顯示該地有小冰雹，但作業(yè)點(diǎn)炮手反映無降雹。

冰雹云雷達(dá)回波常出現(xiàn)“躍增增長(zhǎng)”，有的雹云在回波強(qiáng)度方面突增，有的在回波頂高、強(qiáng)度及強(qiáng)回波頂高方面同時(shí)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，這是冰雹云發(fā)展的一個(gè)重要特征。降雹實(shí)況調(diào)查表明，雹云躍增現(xiàn)象都發(fā)生在降雹前。冰雹云“躍增增長(zhǎng)”的多為定性指標(biāo)，后續(xù)研究還需進(jìn)一步量化這些指標(biāo)，可增強(qiáng)對(duì)防雹作業(yè)的指導(dǎo)意義。

3 冰雹云探空

加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)生地面降雹的強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部探測(cè)研究，可加深對(duì)冰雹云溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)特征認(rèn)識(shí)，探索更有效的人工防雹技術(shù)方法。李金輝等利用火箭探空資料對(duì)延安寶塔區(qū)冰雹云進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：冰雹云由低層到高層風(fēng)向呈逆時(shí)針變化；緊貼0 ℃下部，在溫度區(qū)間-4.8～5.0 ℃，維持13 m·s以上水平風(fēng)速，為冰雹的形成提供了動(dòng)力場(chǎng)條件；溫度區(qū)間-9.2～-8.7 ℃，厚度0.2 km，平均上升速度1.79 m·s，最大上升速度4 m·s（圖2）。遺憾的是，此次探空數(shù)據(jù)處于冰雹云移動(dòng)方向的尾部區(qū)域，探空儀未進(jìn)入冰雹云的中心，但這些結(jié)果也提高了對(duì)冰雹云的認(rèn)識(shí)。

圖2 火箭探空冰雹云內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig. 2 Schematic of interior structure of hail cloud detected by sounding rocket[12]

由于冰雹云是小尺度天氣系統(tǒng)，在固定地點(diǎn)觀測(cè)冰雹云的機(jī)會(huì)較小，研究試驗(yàn)布設(shè)在旬邑和洛川的GPS探空設(shè)備尚未觀測(cè)到冰雹云。為了加強(qiáng)渭北冰雹云的觀測(cè)，2020年8月在延安寶塔區(qū)氣象站新布設(shè)了1臺(tái)地基多通道微波輻射計(jì)，可連續(xù)反演溫度和濕度廓線，為渭北冰雹云研究提供了新的探測(cè)手段。

4 冰雹微物理特征

我國(guó)當(dāng)前使用高炮和火箭防雹的理論基礎(chǔ)是影響冰雹形成的物理過程以達(dá)到減輕冰雹災(zāi)害的目的。冰雹的大小、形狀、濃度、密度和末速度等參量與雹災(zāi)的程度直接相關(guān)，是冰雹研究的重要特征量。冰雹印跡板是最為廣泛使用的累積式測(cè)雹辦法，是利用冰雹質(zhì)量和末速度差異造成的不同印痕來分析雹粒大小、質(zhì)量等參量。此方法成本低、可供野外大量布設(shè)，可以指示有無冰雹、估計(jì)冰雹大小，但不能準(zhǔn)確獲得冰雹大小、降雹時(shí)間和冰雹末速度等參量。

近年來，隨著我國(guó)氣象觀測(cè)設(shè)備的現(xiàn)代化水平不斷提高，每個(gè)氣象觀測(cè)站都布設(shè)了激光雨滴譜儀，根據(jù)降水粒子遮擋激光束的范圍和時(shí)間，激光雨滴譜儀可得到降水粒子的直徑和下落速度。岳治國(guó)等基于激光降水粒子譜儀觀測(cè)的陜西渭北一次降雹過程的資料，結(jié)合雷達(dá)反射率回波和自動(dòng)站分鐘降水量，分析了降雹過程中的最大冰雹直徑、數(shù)濃度、譜分布和冰雹末速度等物理量隨時(shí)間的演變（圖3）。該項(xiàng)研究加深了對(duì)渭北地面降雹過程的認(rèn)識(shí)。

圖3 2013年5月22日16：05―16：24陜西渭北地區(qū)降雹過程中降水粒子譜的演變[14]Fig. 3 Temporal evolution of precipitation particles spectra from 16:05 to 16:40 BT in a hailstorm process occurred on22 May 2013 in Weibei area of Shaanxi Province[14]

通過冰雹切片可以研究雹塊的冰晶結(jié)構(gòu)、氣泡、多層結(jié)構(gòu)和雹胚類型，間接研究冰雹在雹云內(nèi)部的生成環(huán)境和成雹機(jī)制。從安塞和黃陵兩地的冰雹切片（圖4）可見，2020年6月24日陜西渭北中尺度颮線降雹以凍滴雹胚、外層多氣泡和球形為主，外觀基本不透明。這兩個(gè)降雹地點(diǎn)相距150 km，降雹時(shí)間相差2 h，兩地的雹胚和雹塊多層結(jié)構(gòu)基本相似，表明同一對(duì)流系統(tǒng)不同部位產(chǎn)生冰雹的云內(nèi)環(huán)境基本相似。

圖4 2020年6月24日安塞冰雹切片（a）降雹時(shí)刻15：01雷達(dá)組合反射率，（b，d）黑線指向位置的地面冰雹外觀，（c，e）與圖4b,4d對(duì)應(yīng)的冰雹切片F(xiàn)ig. 4 Section of hail in Ansai on 24 June 2020(a) the combined reflectivity of radar at 15:01 of hail time, (b, d) the appearance of hail on the ground, (c, e) the hailslices corresponding to Figs. 4b,4d

在處于雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)、降雹概率大和作業(yè)空域批復(fù)率高的防雹作業(yè)點(diǎn)附近加密布設(shè)激光雨滴譜儀和冰雹切片分析，可提高防雹效果的研究能力。

5 冰雹云數(shù)值模擬

冰雹云具有復(fù)雜的宏微觀結(jié)構(gòu)，且云體的演變迅速，現(xiàn)有的觀測(cè)手段很難了解其全貌。因此，數(shù)值模擬研究是研究冰雹云的重要手段。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者使用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的三維冰雹云模式對(duì)冰雹云開展了廣泛的研究，取得了許多重要成果。隨著計(jì)算能力和模式模擬能力的提高，中尺度模式在冰雹模擬研究中得到應(yīng)用。中尺度WRF-V4.2模式中包含冰雹過程的云微物理方案有Milbrandt2-mom、NSSL2-mom、NSSL2-mom+CCN、FastSBM和FullSBM。粒子分檔方案FastSBM和FullSBM計(jì)算量巨大，目前難以在業(yè)務(wù)中應(yīng)用。通過將Milbrandt2-mom、NSSL2-mom、NSSL2-mom+CCN方案分別應(yīng)用到2020年6月24日陜西渭北降雹過程的數(shù)值模擬，結(jié)果表明3個(gè)微物理方案能較好模擬本次強(qiáng)對(duì)流過程。Milbrandt2-mom方案模擬的對(duì)流云雷達(dá)組合反射率、冰雹落區(qū)與實(shí)況更加接近。Milbrandt2-mom、NSSL 2-mom和NSSL2-mom+CCN三種方案輸出的冰雹質(zhì)量濃度冰雹數(shù)濃度，可應(yīng)用于冰雹落區(qū)預(yù)報(bào)（圖5）。

圖5 2020年6月24日15—20時(shí)實(shí)況和模擬雷達(dá)組合反射率對(duì)比Fig. 5 Comparison of combined reflectivity of live and simulated radars from 15 to 20 BT on 24 June 2020

利用耦合碘化銀（AgI）數(shù)值催化模塊的中尺度WRF模式，對(duì)2020年5月15日陜西渭北颮線降雹過程進(jìn)行了數(shù)值催化試驗(yàn)。結(jié)果表明在颮線系統(tǒng)對(duì)流區(qū)的上升區(qū)域中播撒碘化銀之后，能夠有效地減少地面降水，而且播撒率越高減雨效果越明顯。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)播撒碘化銀之后，消耗了大量的過冷云水導(dǎo)致霰粒子的含量減少。霰粒子的融化是雨滴的主要來源，所以播撒AgI導(dǎo)致了降水減少。由于Thompson方案中沒有冰雹粒子分類，還需開發(fā)含有冰雹過程的物理方案中開展冰雹數(shù)值催化研究。

6 防雹效果

陳保國(guó)等根據(jù)地面雹譜資料對(duì)比分析，認(rèn)為防雹作業(yè)區(qū)冰雹的動(dòng)能、質(zhì)量、動(dòng)能通量和質(zhì)量通量分別減少75%、58%、41%和55%，說明防雹效果明顯。冰雹云是中小尺度對(duì)流系統(tǒng)，具有極高的自然變率，因此，選擇對(duì)比區(qū)研究防雹作業(yè)效果的可靠性不高。梁谷等利用洛川縣711數(shù)字化天氣雷達(dá)的探測(cè)資料,研究了2005年5月30日大范圍強(qiáng)降雹過程中洛川縣防雹作業(yè)。認(rèn)為防雹效果明顯的主要原因?yàn)樽鳂I(yè)時(shí)機(jī)早、作業(yè)量大和采用了合適的作業(yè)方式。

2020年6月24日16：18—17：30（圖6），冰雹云經(jīng)過渭北中部地區(qū)的富縣防雹作業(yè)點(diǎn)都實(shí)施了作業(yè)，19個(gè)作業(yè)點(diǎn)在1小時(shí)12分鐘內(nèi)共發(fā)519發(fā)炮彈和31枚火箭彈。作業(yè)后，富縣7個(gè)作業(yè)點(diǎn)出現(xiàn)黃豆大小的零星冰雹，無災(zāi)情。對(duì)實(shí)施防雹作業(yè)的對(duì)流云團(tuán)3 km、5 km、7 km等高面上的回波強(qiáng)度面積跟蹤統(tǒng)計(jì)可見，實(shí)施防雹作業(yè)過程中5 km等高面上大于55 dBz強(qiáng)回波面積減小明顯。這個(gè)結(jié)果定性表明防雹作業(yè)減小了強(qiáng)回波區(qū)域面積，從而減少了雹災(zāi)。

圖6 富縣2020年6月24日防雹作業(yè)過程中3km、5km、7km等高面上大于55dBz回波區(qū)面積變化Fig. 6 Area change of echo greater than 55 dBz on 3 km, 5 km and 7 km altitude during hail suppression operationin Fuxian County on 24 June 2020