冰雹云探測技術(shù)研究進(jìn)展
——基于巴彥淖爾人工防雹技術(shù)研究試驗(yàn)

楊寧 蘇德斌 蘇立娟 畢力格 孫曉光 方曉紅 高博 史金麗 于水燕 劉繼東

（1 成都信息工程大學(xué)，成都 610225；2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，成都 610225；4 內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，呼和浩特 010051；5 巴彥淖爾市氣象局，巴彥淖爾 015006；6 首都師范大學(xué)，北京 100089；7 內(nèi)蒙古自治區(qū)人工影響天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051）

0 引言

冰雹是一種短時(shí)小范圍的災(zāi)害天氣現(xiàn)象，我國冰雹天氣主要發(fā)生在華北、西北和西南地區(qū)，通常山區(qū)多于平原，內(nèi)陸多于沿海。內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市地處內(nèi)蒙古高原西部，東西長為378 km，南北寬為238 km，面積為6.4萬 km；境內(nèi)河套灌區(qū)有“塞上江南”美譽(yù)，是亞洲最大自流灌區(qū)，全市有機(jī)奶產(chǎn)量占全國一半以上，農(nóng)畜產(chǎn)品出口位居內(nèi)蒙古第一，為全國最大羊毛絨生產(chǎn)基地，據(jù)2017年資料統(tǒng)計(jì)巴彥淖爾地區(qū)農(nóng)作物總播種面積約為1100萬畝（1畝=666.7 m），農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占據(jù)總產(chǎn)值的51.32%。

陰山山脈狼山段位于巴彥淖爾市中部，最高海拔約2800 m，山南邊為富饒的河套平原，山北邊為荒漠化草原（圖1），受此特殊地理環(huán)境影響，冰雹天氣成為巴彥淖爾市河套平原夏季主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，巴彥淖爾市年平均降雹日約為15 d，成災(zāi)日約為7 d。

圖1 2019年觀測設(shè)備布局Fig. 1 Layout of observation equipment in 2019

中國氣象科學(xué)研究院組織實(shí)施西北地區(qū)人工影響天氣研究試驗(yàn)項(xiàng)目，在巴彥淖爾地區(qū)開展防雹技術(shù)研究試驗(yàn)（起止時(shí)間：2018年12月—2021年12月），目的在于加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)冰雹發(fā)生的時(shí)空分布、形成機(jī)理及防雹作業(yè)效果等研究，形成適宜于巴彥淖爾市人工防雹的關(guān)鍵技術(shù)體系，達(dá)到利用人工影響天氣手段避害趨利提高防雹作業(yè)科技支撐的目的，其研究成果可服務(wù)于人工防雹工程建設(shè)。

1 項(xiàng)目試驗(yàn)概況

“西北區(qū)域人工影響天氣工程巴彥淖爾人工防雹技術(shù)研究試驗(yàn)”項(xiàng)目基于前期西北區(qū)域人工影響天氣工程建設(shè)的專業(yè)探測設(shè)備、巴彥淖爾試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)有的氣象探測設(shè)備、作業(yè)裝備及前期研究成果，增加針對(duì)冰雹天氣過程的專業(yè)觀測設(shè)備，形成以2部X波段雙偏振雷達(dá)（五原縣布設(shè)X波段全固態(tài)雙偏振雷達(dá)，烏梁素海布設(shè)移動(dòng)式X波段雙偏振雷達(dá)（速調(diào)管），圖1）、1部C波段多普勒雷達(dá)（單偏振）為核心，配合以探空站、區(qū)域地面自動(dòng)觀測站網(wǎng)、雨滴譜儀、微波輻射計(jì)、地面測雹觀測網(wǎng)、GNSS/MET水汽探測、天氣現(xiàn)象儀等的冰雹觀測針對(duì)性試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)巴彥淖爾現(xiàn)有站點(diǎn)分布、地貌特征及已有研究結(jié)果，在巴彥淖爾地區(qū)設(shè)立三個(gè)防雹試驗(yàn)區(qū)（圖2）：杭錦后旗試驗(yàn)區(qū)、五原試驗(yàn)區(qū)、烏拉特中旗試驗(yàn)區(qū)，各區(qū)之間建立緩沖區(qū)，避免相互影響。

圖2 內(nèi)蒙古巴彥淖爾市冰雹外場試驗(yàn)區(qū)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the hail field test areas inBayannur City, Inner Mongolia

2 初步研究成果

截止到2020年底，研究成果主要有：1）利用1979年1月—2018年12月ERA5月平均0.25°×0.25°經(jīng)緯度網(wǎng)格再分析資料對(duì)巴彥淖爾地區(qū)汛期（5—9月）850 hPa、750 hPa、500 hPa及300 hPa高空天氣形勢場（高度、溫度、風(fēng)、濕度等）進(jìn)行研究分析，揭示了該地區(qū)環(huán)流年際演變特征；2）利用近50年地面防雹站、氣象站資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法得到降雹日變化、月變化、年際變化及空間分布特征；3）利用2009—2019年臨河C波段多普勒雷達(dá)資料統(tǒng)計(jì)分析了雷達(dá)回波頂高、垂直積分液態(tài)水產(chǎn)品特征，并分析了冰雹云主要移動(dòng)路徑；4）基于GPM衛(wèi)星對(duì)巴彥淖爾地區(qū)降水時(shí)空分布特征進(jìn)行研究分析；5）利用試驗(yàn)期間地面測雹板獲得的降雹信息，研究分析了地面降雹特征；6）建立了基于探空和C波段雷達(dá)資料的冰雹識(shí)別、最大直徑估測算法；7）建立了基于天氣雷達(dá)及天氣尺度的冰雹云識(shí)別指標(biāo)體系；8）完成了兩部X波段偏振雷達(dá)探測能力對(duì)比分析；9）建立了C波段多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)控算法，并將質(zhì)控后的雷達(dá)數(shù)據(jù)同化到WRF模式中，對(duì)冰雹天氣進(jìn)行模擬分析。

本文將對(duì)巴彥淖爾地區(qū)降雹時(shí)空分布特征、冰雹云移動(dòng)路徑及測雹板觀測分析做出詳細(xì)闡述。

2.1 降雹時(shí)空分布特征

在時(shí)間方面，巴彥淖爾地區(qū)降雹主要出現(xiàn)在12—20時(shí)（北京時(shí)，圖3a），頻率為83.45%，15—16時(shí)降雹頻率最高；冰雹具有季節(jié)性強(qiáng)且隨季節(jié)變化迅速等特點(diǎn)，冰雹天氣主要集中在5—9月（圖3b），占總雹日的95.36%，7月降雹概率最大；20世紀(jì)80年代降雹日數(shù)最多（22.8 d），90年代為19.6 d，20世紀(jì)降雹日明顯減少，平均約為10 d（圖3c）。在降雹空間分布圖上，巴彥淖爾北部降雹日數(shù)偏多，40年總雹日都大于35 d，降雹中心出現(xiàn)在巴彥淖爾市北部海流圖鎮(zhèn)，40年總降雹日數(shù)達(dá)110 d，巴彥淖爾市南部出現(xiàn)了多雹帶，并有5個(gè)大于40 d多雹中心。

圖3 巴彥淖爾地區(qū)降雹時(shí)空分布特征（a）日分布；（b）月分布；（c）年際分布；（d）空間分布Fig. 3 Temporal and spatial distribution characteristics of hail in Bayannur area(a) daily distribution, (b) monthly distribution, (c) interannual distribution, (d) spatial distribution

2.2 冰雹云移動(dòng)路徑

利用2009—2019年巴彥淖爾市268個(gè)降雹個(gè)例，根據(jù)降雹點(diǎn)及降雹時(shí)間，依照一定的篩選規(guī)則，結(jié)合C波段多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)資料，共篩選出有效降雹個(gè)例107個(gè)。篩選時(shí)，剔除161個(gè)例，其剔除情況可分為8種情況（表1）。在此基礎(chǔ)上，對(duì)篩選出的107個(gè)有效個(gè)例進(jìn)行分類（表2），其中有懸垂結(jié)構(gòu)的個(gè)例為56個(gè)，出現(xiàn)V型缺口的個(gè)例為5個(gè)。

表1 2009—2019年巴彥淖爾市冰雹個(gè)例中無效個(gè)例分類統(tǒng)計(jì)（161個(gè)）Table 1 Classification statistics of invalid cases of hail inBayannur City from 2009 to 2019 (161 cases)

表2 2009—2019年巴彥淖爾市有效的冰雹個(gè)例分類統(tǒng)計(jì)（107個(gè)）Table 2 Classification statistics of effective hail cases inBayannur City from 2009 to 2019 (107 cases)

利用雷達(dá)資料，統(tǒng)計(jì)冰雹云生成、發(fā)展、降雹及減弱的時(shí)間和位置（由于雷達(dá)覆蓋范圍有限，因此沒有統(tǒng)計(jì)消散點(diǎn)時(shí)間和位置），初步得到了巴彥淖爾市冰雹云的移動(dòng)路徑，其大致可分為五個(gè)方向：西北路徑（46.7%）、西南路徑（26.2%）、偏西路徑（21.5%）、偏北路徑（3.7%）、東北路徑（1.9%）。

2.3 測雹板校準(zhǔn)及觀測分析

地面冰雹譜是研究冰雹云結(jié)構(gòu)的重要參量之一。目前在國內(nèi)外反演冰雹譜的方法有很多（如測雹板、雨滴譜儀、雹譜儀等），由于測雹板具有成本低、易制作、雹塊資料易獲取等特點(diǎn)，已成為地面降雹數(shù)據(jù)收集的主要載體。測雹板（Hailpad）是由Schleusener和Jennings提出的一種簡易冰雹測量裝置，冰雹下落至測雹板上會(huì)留下凹坑，通過測量泡沫板上的凹坑可獲得冰雹粒子的直徑、密度及下落至地面的動(dòng)能等信息。自從測雹板概念和設(shè)計(jì)提出以來，已經(jīng)成為地面降雹數(shù)據(jù)收集的主要載體，并在美國、西班牙、意大利、法國等地得到了廣泛使用，我國對(duì)于測雹板的應(yīng)用分析較少，雖然周蘭、郁青、韓根夫等對(duì)測雹板的標(biāo)定、應(yīng)用及分析做了研究，但近20年國內(nèi)對(duì)于測雹板的應(yīng)用研究處于相對(duì)空白階段。

2.3.1 材料及制作

試驗(yàn)所用測雹板采用錫紙包裹泡沫板方式制作。聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene, EPS）板若長時(shí)間暴露在陽光下會(huì)發(fā)生崩解（表面由白色變?yōu)辄S色），EPS板崩解對(duì)于降雹直徑估計(jì)具有較大影響。通過在泡沫板覆蓋一層錫（鋁）箔紙或涂一層漆可有效解決EPS板崩解問題。表面涂一層不透明乳膠漆雖可達(dá)到EPS板不崩解的效果，但由于乳膠漆具有彈性，漆層越厚凹坑會(huì)越不明顯，且最佳水漆比例不易確定，在實(shí)際測雹板制作中比較繁瑣，因此放棄了該種測雹板制作方式。

EPS板本身的吸水率小于6%，若在EPS板表面覆蓋一層光滑錫箔紙或鋁箔紙不僅可以再次降低EPS板的吸水性，還可以增大EPS板的靈敏度使得凹坑更加清晰。錫箔紙厚度有多種，如15 μm、18 μm、20 μm和25 μm等，不同厚度的錫箔紙對(duì)冰雹粒子在同高度下落造成的凹坑會(huì)有不同。為確定錫箔紙厚度，進(jìn)行了同類型泡沫板不同錫箔紙厚度的撞擊對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用長寬為30 cm、厚為3 cm的EPS板，15 μm、20 μm和25 μm厚度的錫箔紙及多種直徑不銹鋼鋼球，并利用膠帶將錫箔紙與EPS板粘連在一起制成測雹板。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：15 μm厚度的錫箔紙最容易發(fā)生形變和破裂，對(duì)于大冰雹粒子容易造成凹坑的高估，同時(shí)對(duì)于冰雹粒子的二次撞擊會(huì)造成小粒子數(shù)的增加；25 μm厚度的錫箔紙對(duì)小冰雹粒子最不敏感，并且已有的凹痕更易因鄰近凹坑的出現(xiàn)而發(fā)生拉伸形變，造成凹坑的“變異”；20 μm厚度相較其余兩種最為合適，能夠減少因鋼珠反彈產(chǎn)生的凹坑并最大限度的保留實(shí)驗(yàn)坑痕。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Long有所不同，主要是因?yàn)樗麄冎谱鳒y雹板用的是鋁箔紙，其實(shí)驗(yàn)測得的最佳鋁箔紙厚度為25 μm。

2.3.2 測雹板校準(zhǔn)

測雹板校準(zhǔn)是反演冰雹粒子譜的基礎(chǔ)。本試驗(yàn)采用“能量匹配技術(shù)”原理對(duì)測雹板進(jìn)行校準(zhǔn)，即：將不同直徑鋼球從一定高度掉落在測雹板上，以使鋼球的撞擊動(dòng)能與相同直徑的球型冰雹的動(dòng)能相等。根據(jù)Lozowski和Strong從經(jīng)驗(yàn)上證明的對(duì)于相同直徑冰、玻璃和鋼球，當(dāng)具有相等沖擊動(dòng)能時(shí)會(huì)在測雹板上產(chǎn)生同等的凹坑短軸。因此本校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)選取市面上易購買到的不同直徑鋼球來模擬冰雹下落。鋼球下落高度

H

表達(dá)式為：

式中：

g

(1)為測雹板處的重力加速度，

ρ

為冰雹密度，

D

為鋼球直徑（冰雹直徑），

g

(2)為實(shí)驗(yàn)處的重力加速度，

ρ

為鋼球密度，

ρ

(1)為測雹板處的空氣密度，

C

為冰雹阻力系數(shù)，

W

為水平風(fēng)速。式（1）考慮了不同風(fēng)速情況下粒子的下落高度問題，同時(shí)對(duì)于水平風(fēng)速達(dá)到10 m/s的3 cm冰雹粒子直徑其模擬下落高度不高于6 m，這在實(shí)驗(yàn)中是易實(shí)現(xiàn)的。

因市面上不同材質(zhì)鋼球直徑限制，因此選用了304不銹鋼和碳鋼235兩種材質(zhì)鋼球，式（1）中各參數(shù)取值如表3。

表3 鋼球下落高度各參數(shù)取值Table 3 The parameters at the falling height of the steelball

將各參數(shù)值帶入上式，可得不同材質(zhì)鋼球的下落高度與鋼球直徑關(guān)系式，304不銹鋼鋼球下落高度：

H

=92.57

D

，碳鋼235鋼球下落高度：

H

=93.51

D

。在實(shí)驗(yàn)中，將同一直徑鋼球下落10次并測量凹坑大小，在求取凹坑直徑平均值前去掉最值，以減小誤差。隨后進(jìn)行曲線擬合及參數(shù)評(píng)估（表4），根據(jù)凹坑直徑及粒子直徑的分布在擬合時(shí)僅考慮了線性及二次、三次曲線模型。由表4可知三種模型中三次曲線模型的

R

值最大，

F

值最小，即擬合的最優(yōu)模型為三次曲線模型，將凹坑直徑定義為

x

，粒子直徑定義為

y

。二者關(guān)系可表示為：

表4 模型統(tǒng)計(jì)及參數(shù)評(píng)估Table 4 Statistics models and parameters evaluation

其中：

b

為常數(shù)，

b

、

b

、

b

均為冪次方的系數(shù)。當(dāng)考慮風(fēng)速時(shí)，即

W

不為零，此時(shí)鋼球下落高度發(fā)生改變，采用同樣的方式即可得出不同風(fēng)速下冰雹粒子直徑反演公式（表5）。

表5 不同水平風(fēng)速下粒子反演公式參數(shù)表Table 5 Parameters of particle inversion formula under different wind speeds

2.3.3 觀測分析

2019年防雹試驗(yàn)期間，在巴彥淖爾市共安裝172個(gè)測雹板，分布在巴彥淖爾市60個(gè)防雹作業(yè)點(diǎn)，大多數(shù)作業(yè)點(diǎn)布設(shè)了4塊測雹板，部分作業(yè)點(diǎn)布設(shè)了2塊或1塊，并在每個(gè)作業(yè)點(diǎn)設(shè)置了與布設(shè)數(shù)目一樣的備用板；對(duì)于每塊測雹板均進(jìn)行了編號(hào)處理，配備了測雹板記錄表，為測雹板回收、數(shù)據(jù)保存提供保障。巴彥淖爾地區(qū)在2019年8月9日經(jīng)歷了一次降雹過程，本次降雹天氣影響到了6個(gè)旗縣，造成了4000多萬元的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)?shù)胤辣⒆鳂I(yè)人員對(duì)降雹起始時(shí)間、地點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間以及粒子直徑等信息進(jìn)行了記錄（表6），其中大豆大小表示冰雹直徑為10 mm左右，豌豆大小為5 mm左右。防雹作業(yè)人員記錄的降雹直徑多在5 mm左右，不過在臨河地區(qū)出現(xiàn)了大豆大小的冰雹。防雹作業(yè)人員記錄的冰雹粒子直徑大小在一定程度上代表了當(dāng)?shù)亟当⒌膶?shí)際觀測，因此可為粒子反演結(jié)果的驗(yàn)證提供參考。

表6 巴彥淖爾地區(qū)2019年08月09日降雹實(shí)況記錄Table 6 Overview of hailstorm in Bayannur area on9 August 2019

對(duì)于此次降雹天氣過程共有7個(gè)作業(yè)點(diǎn)的測雹板被收集起來，篩選出16塊有效板（圖4）。從測雹板凹坑可以較為直觀看出杭后三道橋及中旗海流圖降雹密度較大，巴彥套海農(nóng)場三分廠及杭后團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)永豐降雹密度較小，但三分廠降雹直徑較大，永豐降雹直徑小。同時(shí)將無效測雹板（以降水為主、測雹板未有明顯凹坑）與有效板作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大雨滴會(huì)在測雹板上留下較平滑淺坑，不會(huì)造成錫箔紙褶皺或非平滑凹坑出現(xiàn)，該現(xiàn)象對(duì)于通過雷達(dá)進(jìn)行冰雹云和雷雨云識(shí)別有著一定驗(yàn)證支撐作用。

圖4 降雹后的測雹板Fig.4Hailpadafterhailfall

測雹板凹坑數(shù)據(jù)讀取對(duì)于粒子直徑反演有著重要影響，為降低粒子反演誤差，在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)需遵循三個(gè)原則：1）讀取凹坑短軸作為凹坑直徑；2）對(duì)于小于3 mm凹坑及多個(gè)（＞3）凹坑重疊的視為無效數(shù)據(jù)；3）測雹板邊沿若有明顯褶皺，該范圍數(shù)據(jù)視為無效數(shù)據(jù)。根據(jù)自動(dòng)站測得小時(shí)最大風(fēng)速及測雹板記錄表記錄的降雹時(shí)間信息，結(jié)合粒子反演公式（表5）即可得到每個(gè)作業(yè)點(diǎn)降雹粒子大小情況（表7）。

表7 降雹信息及冰雹粒子直徑反演Table 7 Hailfall information and hail particle diameter inversion

測雹板校準(zhǔn)采用最小、最大鋼球直徑為3 mm、20 mm，即反演得到最小粒子直徑均大于3 mm。對(duì)比表4、表5，杭后三道橋、團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)永豐、中旗海流圖與防雹作業(yè)人員記錄的粒子直徑較為一致，巴彥套海農(nóng)場三分廠反演值要比作業(yè)人員記錄值大，不過該降雹點(diǎn)測雹板觀測到的凹坑比其余三個(gè)點(diǎn)大，分析應(yīng)為作業(yè)人員記錄有誤，應(yīng)以測雹板觀測反演數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2.3.4 冰雹譜反演

地面冰雹譜是研究冰雹云結(jié)構(gòu)的重要參量之一。經(jīng)驗(yàn)上冰雹譜是服從指數(shù)分布形式的，為驗(yàn)證該分布形式國外進(jìn)行了許多研究工作，在研究中發(fā)現(xiàn)冰雹譜分布并不完全服從指數(shù)分布形式；隨后Fraile等對(duì)出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因進(jìn)行了探討，并指出融化過程是地面冰雹粒子大小不完全服從指數(shù)分布的主要原因之一。

巴彥淖爾市地區(qū)冰雹譜未有人進(jìn)行過相關(guān)研究，同時(shí)也較少有人系統(tǒng)闡述國內(nèi)降雹冰雹譜分布情況。針對(duì)此次降雹天氣過程通過測雹板反演得到的冰雹粒子直徑數(shù)據(jù)，對(duì)冰雹譜分布進(jìn)行分析。冰雹粒子直徑區(qū)間間隔大小對(duì)于冰雹譜反演有著一定的影響，因在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)采用最小鋼球直徑為3 mm，且此次降雹反演最大粒子直徑為19.9 mm，因此將冰雹粒子直徑分為7個(gè)直徑區(qū)間（表7）。為擴(kuò)大樣本量，需對(duì)各個(gè)降雹點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，以驗(yàn)證不同降雹點(diǎn)數(shù)據(jù)特征的一致性。

Spearman相關(guān)系數(shù)又稱秩相關(guān)系數(shù)，是利用單調(diào)方程評(píng)價(jià)兩個(gè)統(tǒng)計(jì)變量的相關(guān)性，對(duì)原始變量的分布不作要求，是衡量兩個(gè)變量依賴性的非參數(shù)指標(biāo)。通過計(jì)算可得出其相關(guān)性均大于0.98（表8），即可以將反演的4個(gè)降雹點(diǎn)粒子直徑數(shù)據(jù)合并在一起。本次共讀取凹坑數(shù)1612個(gè)，根據(jù)設(shè)置的粒子直徑區(qū)間進(jìn)行計(jì)數(shù)（表9）即可得到冰雹粒子譜分布（圖5），圖中直線為擬合后的指數(shù)。經(jīng)驗(yàn)上的冰雹譜分布可近似為指數(shù)分布形式：

表8 不同降雹點(diǎn)冰雹粒子直徑數(shù)據(jù)的spearman相關(guān)系數(shù)Table 8 Spearman correlation eきcient of hail particlediameter data at different hailfall points

表9 粒子數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 9 Number of hail particles in each diameter interval

圖5 冰雹粒子譜分布Fig. 5 Hail particles spectrum distribution

其中：

N

(

D

)是每尺寸間隔內(nèi)的粒子數(shù)，

D

、

D

是每個(gè)粒子直徑區(qū)間的邊界值，

D

為冰雹直徑，

N

、

θ

為指數(shù)函數(shù)系數(shù)。由圖5得出冰雹粒子在5～7 mm直徑區(qū)間有“左截?cái)唷爆F(xiàn)象（小粒子數(shù)少），“左截?cái)唷爆F(xiàn)象出現(xiàn)原因應(yīng)是數(shù)據(jù)讀取時(shí)對(duì)小凹坑產(chǎn)生漏讀。

在進(jìn)行曲線擬合時(shí)對(duì)是否將3～5 mm直徑區(qū)間粒子數(shù)納入曲線擬合進(jìn)行了比較（表10）。

表10 指數(shù)曲線擬合對(duì)比Table 10 Exponential curve fitting comparison

當(dāng)考慮3～5 mm直徑區(qū)間的粒子數(shù)時(shí)，和方差及均方根較大，且確定系數(shù)較小，因此不將該區(qū)間粒子數(shù)納入曲線擬合考慮范圍。令最小直徑區(qū)間

D

=5 mm，即可消除“左截?cái)唷爆F(xiàn)象，擬合得到的參數(shù)值為

N

=6349，

θ

=0.4153。

2.3.5 誤差分析

當(dāng)將3～5 mm直徑區(qū)間粒子數(shù)納入指數(shù)分布曲線擬合時(shí)一致性較弱，即得到的粒子譜分布不是完全符合指數(shù)分布形式。對(duì)于該現(xiàn)象分析原因有如下3個(gè)方面：

1）凹坑重疊

凹坑重疊是影響通過測雹板反演粒子譜分布的一個(gè)重要因素。當(dāng)降雹密度較大時(shí)會(huì)造成測雹板的“過載”，即凹坑會(huì)有重疊，凹坑重疊分為三類：一是多個(gè)小粒子產(chǎn)生的凹坑之間有了重合區(qū)域；二是小粒子產(chǎn)生的凹坑被大粒子撞擊的凹坑覆蓋；三是大粒子產(chǎn)生的凹坑被多個(gè)小粒子撞擊凹坑覆蓋。該三類現(xiàn)象的發(fā)生均會(huì)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)讀取時(shí)造成小凹坑數(shù)減少。為研究凹坑重疊對(duì)粒子數(shù)反演的影響程度，Palencia等利用計(jì)算機(jī)模擬了劇烈冰雹天氣中測雹板出現(xiàn)凹坑覆蓋的現(xiàn)象，并指出在劇烈冰雹天氣過程中記錄的冰雹粒子數(shù)通常低于實(shí)際冰雹粒子數(shù)（可能會(huì)高達(dá)25%）。凹坑重疊現(xiàn)象對(duì)于劇烈降雹天氣的觀測是無法避免的，為減小對(duì)粒子直徑的過高估計(jì)，進(jìn)而制定了將多個(gè)小凹坑重疊數(shù)據(jù)置為無效數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀取原則，同時(shí)也可避免當(dāng)降雹密度（小冰雹）大時(shí)反演出大冰雹粒子，這對(duì)于防雹作業(yè)的評(píng)估具有重要意義。

2）數(shù)據(jù)讀取時(shí)造成誤差

在遵循相同數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)則的情況下，不同的人對(duì)于凹坑短軸數(shù)據(jù)讀取仍會(huì)有不同的結(jié)果，同時(shí)數(shù)據(jù)讀取時(shí)采用的是1 mm精度的度量器，讀取數(shù)據(jù)保留一位小數(shù)，因此在數(shù)據(jù)讀取時(shí)會(huì)存在一定的誤差；同時(shí)當(dāng)測雹板凹坑較密、數(shù)據(jù)讀取量較大時(shí)，對(duì)于數(shù)據(jù)讀取者來說會(huì)存在“視覺疲勞”“標(biāo)準(zhǔn)變化”等問題，數(shù)據(jù)讀取時(shí)精度會(huì)降低，存在著不同程度的“過讀”“漏讀”現(xiàn)象。

當(dāng)收集的測雹板較多時(shí)，若完全采用人工的方式去讀取數(shù)據(jù)是不現(xiàn)實(shí)的，因此利用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)開發(fā)半人工式數(shù)據(jù)讀取是有必要進(jìn)行的一項(xiàng)工作，同時(shí)也可以提高數(shù)據(jù)讀取的精度，減小數(shù)據(jù)誤差。

3）其他原因

實(shí)驗(yàn)得出的校準(zhǔn)曲線不經(jīng)過原點(diǎn)，這在物理上是不符合邏輯的，說明在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作中產(chǎn)生了誤差，如度量儀器精度不夠、各參數(shù)選擇未能采用當(dāng)?shù)貙?shí)際值，理論上粒子高度確定公式中的參數(shù)取值應(yīng)在每個(gè)測雹板布設(shè)點(diǎn)具有唯一性，這在實(shí)際中是很難獲得的，不過表3中取的鄰近區(qū)域參數(shù)值與實(shí)際觀測區(qū)域相差不大，對(duì)于粒子直徑反演影響較小。

冰雹的球度、水平和垂直風(fēng)速、大冰雹粒子二次撞擊以及測雹板大小等均會(huì)對(duì)冰雹粒子譜的反演造成影響；存在“互補(bǔ)”現(xiàn)象，即有些影響因素會(huì)導(dǎo)致粒子直徑或粒子數(shù)的高估，有些則會(huì)導(dǎo)致低估，同時(shí)不同影響因子對(duì)反演結(jié)果的影響程度也會(huì)不同。

3 小結(jié)

巴彥淖爾人工防雹技術(shù)研究試驗(yàn)是“西北人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目”的重要組成部分，通過在巴彥淖爾地區(qū)開展研究試驗(yàn)，形成適宜于巴彥淖爾人工防雹的關(guān)鍵技術(shù)體系，其研究成果可服務(wù)于人工防雹工程建設(shè)。

通過對(duì)巴彥淖爾地區(qū)降雹時(shí)空分布特征、冰雹云移動(dòng)路徑及地面降雹特征分析可得如下結(jié)論：

1）巴彥淖爾地區(qū)降雹天氣主要發(fā)生在每年6—8月（76.44%）、12—20時(shí)（83.45%）的河套地區(qū)，主要冰雹云移動(dòng)路徑是自西北向東南（43%），其次是自西向東（28%）；

2）基于讀取四個(gè)降雹點(diǎn)16塊測雹板的1612個(gè)凹坑數(shù)據(jù)進(jìn)行粒子直徑反演，反演的最大冰雹粒子直徑為19.9 mm，最小為3 mm；同時(shí)計(jì)算了每個(gè)降雹點(diǎn)平均粒子直徑，與防雹作業(yè)人員記錄信息作對(duì)比，結(jié)果表明測雹板能較好反映降雹區(qū)域的降雹實(shí)況，比部分防雹作業(yè)人員記錄的信息（冰雹直徑）更加可靠；

3）根據(jù)自動(dòng)站測得的小時(shí)最大風(fēng)速及測雹板記錄表記錄的降雹時(shí)間信息，結(jié)合粒子反演公式即可得到此次降雹過程中各粒子直徑區(qū)間的粒子數(shù)，通過其粒子數(shù)分布可以看出其譜分布近似于指數(shù)分布形式，但在5 mm處出現(xiàn)了“左截?cái)唷爆F(xiàn)象（3～5 mm直徑區(qū)間粒子數(shù)少），進(jìn)而對(duì)是否將3～5 mm直徑區(qū)間的粒子數(shù)納入擬合進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)當(dāng)選擇是的時(shí)候擬合的指數(shù)函數(shù)與實(shí)際分布誤差較大，因此不將其納入擬合范圍，最終擬合的指數(shù)分布系數(shù)為

N

=6349、θ=0.4153。隨后對(duì)“左截?cái)唷爆F(xiàn)象出現(xiàn)原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)主要為凹坑重疊、數(shù)據(jù)讀取造成的誤差。

地面降雹信息對(duì)于冰雹云微物理結(jié)構(gòu)研究及雷達(dá)識(shí)別冰雹云的驗(yàn)證具有重要意義，測雹板觀測能客觀反映地面降雹概況，雖然其制作及數(shù)據(jù)獲取需一定的人力去完成，但由于易制作、成本低廉可廣泛使用，進(jìn)而提高防雹減災(zāi)能力。

后續(xù)將會(huì)更加深入的對(duì)巴彥淖爾降雹天氣進(jìn)行研究，為該地區(qū)防雹減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，為人工防雹工程建設(shè)貢獻(xiàn)一份力量。