新一代雷達特征參數在人工防雹決策中的應用

何 陽，李紅斌，張靖萱，夏 葳，聞家梁，濮文耀，張殿剛

（1.大連市人工影響天氣辦公室，遼寧 大連116001；2.沈陽市氣象服務中心，沈陽110168）

中國是世界上冰雹災害較嚴重的國家之一，人工防雹是防災減災的一項重要措施。天氣雷達則是目前人工防雹最主要的作業指揮工具。近年來，隨著科學技術的不斷進步，新一代多普勒雷達也得到迅速發展，人們對雹云識別與防雹決策的能力不斷提高，對人工防雹技術研究不斷取得新進展［1-8］。許多地方根據新一代天氣雷達探測數據進行分析和研究，總結了相關雷達特征參數的防雹作業判據指標［9-12］，建立了適合當地情況特點的人工防雹決策指揮系統［13-17］，一定程度上提高了人工防雹的科學性。同時，也存在一些有待解決的技術難題，如作業雹云的識別等，人們時常將雷雨云當作冰雹云實施作業，浪費防雹炮彈，又無法達到增雨的目的；特別是對發展成熟的強雹云如何有效進行人工防御，將雹災損失降到最低，仍需通過實踐不斷探索和總結。

大連市地處遼東半島南端，三面環海及北面山區特殊地理環境與氣候特點使大連市每年春、秋兩季冰雹天氣頻繁。特別是9、10月，正值主要農作物蘋果成熟時期，一次強冰雹會給當地農業和農民造成嚴重經濟損失。因此，20世紀50年代大連市就開展了人工防雹作業，特別是在2008年，大連市人工影響天氣辦公室與高校院所聯合研發了人工防雹作業決策指揮系統，建立了基于SC多普勒雷達業務化運行的防雹決策指揮系統［14］及業務平臺。2015年，隨著雷達升級改造，SA新一代多普勒雷達投入業務應用后，發現雷達防雹決策系統對雹云識別的準確率明顯降低，表明原雷達指標已不能適應新一代天氣雷達業務應用（即通過新舊雷達特征參數指標對比發現，雷達回波強度和垂直積分液態水含量增大，而強中心高度和云頂高度減小等），需要對新雷達防雹決策指標進行再分析和修改完善。

本研究通過應用SA多普勒雷達對大連市2016—2018年所觀測的109個冰雹云個例雷達資料PUP軟件處理，結合大連市防雹指揮系統相關業務功能，分析和獲取了冰雹云個例雷達回波強度、強中心高度、垂直積分液態水含量等特征參數值，根據人工防雹催化原理［18］及最新研究成果［19］，分析研究后建立了SA新一代多普勒雷達的雹云識別、類型判別，以及防雹預警、決策判別指標及模型；通過對2019年觀測28個冰雹云個例雷達資料進行驗證分析發現，準確率顯著較高；特別是對9月29日產生的強雹云天氣過程雷達決策新舊指標對比分析發現，新建立的判別指標基本能準確識別雹云及雹云類型等，對防雹作業起到實時決策判別的目的；并對此次強降雹實際調研及防雹作業技術深入分析，總結和探討了強雹云有效人工防雹的新技術和思路方法。

1 新一代雷達防雹決策指標及模型建立

2015年大連市氣象局對SC雷達升級改造，建立了SA多普勒雷達并投入業務使用。大連市人工影響天氣辦公室通過對2016—2018年新一代多普勒雷達所觀測冰雹云雷達回波資料進行反演分析，獲得109個冰雹云個例（根據冰雹云定義，強回波中心高度在云的上部）。

采用雷達基數據資料進行PUP軟件處理，獲取雷達相關特征參數，并結合防雹決策指揮系統相關業務功能分析，得到109個冰雹云個例雷達回波強度、頂高、強中心高度和垂直積分液態水含量雷達特征參數值及其變化，根據109個冰雹云平顯（PPI）、高顯（RHI）雷達回波強度、云頂特征及降雹特征，將冰雹云分為3類。在此基礎上，依據雹云理論及防雹催化原理，分析和研究了冰雹云識別、類型判別，以及防雹決策分析指標，系統建立了基于AS新一代多普勒雷達人工防雹決策判別指標與模型。

1.1 冰雹云指標分析

對SA多普勒雷達觀測到的109個冰雹云雷達基數據資料進行PUP軟件處理和反演分析，得到每個雹云發生、發展雷達回波強度、回波頂高、強回波中心高度和垂直積分液態水含量等特征參數值，并根據雹云理論與防雹作業原理等，分析研究了冰雹云識別的判別指標及模型，具體如下。

雹云識別指標及模型：①雷達回波強度（反射率因子）≥25 dBZ；②強回波中心高度≥4.0 km（5—6月、9—10月）；≥5.0 km（7—8月）；且h強中心≥h-6℃；③垂直積分液態水含量≥3 kg/m2。

精細化雹云指標及模型如表1所示。將雹云判別指標、不同季節雹云指標及模型，寫入了大連市人工防雹作業決策指揮系統，在實際業務應用中取得了良好效果，雹云判別準確率明顯提升。將該指標對2019年觀測的28個冰雹云（按雹云定義，強回波中心高度在云的上部）個例進行驗證分析，得到準確率為86.8%。

表1 不同季節雹云判別指標及模型

1.2 雹云類型判別

對2016—2018年探測的109個冰雹云個例雷達資料反演及雷達回波平顯、高顯（PPI、RHI）特征分析，結合降雹特征等將雹云主要分為3類，即單體雹云、多單體雹云和強（超級）單體雹云。經統計和分析得到，3類雹云出現的概率相近（各占1/3左右），與前10年分析結果相比，出現強雹云產生的頻率明顯增加，且主要以帶狀回波形式出現及發展［10］。并通過對109個雹云個例發生、發展的雷達回波強度、云頂高度、強中心高度和垂直積分液態水含量等特征參數值分別進行統計和分析，得到基于SA多普勒雷達雹云類型判別指標及模型（表2）。該雹云分類判別指標也寫入了大連市人工防雹作業決策指揮系統，投入實際業務應用，提高了系統的業務化運行，以及防雹作業決策的科學性。將該指標對2019年觀測到的28個冰雹云個例進行了驗證分析，判別準確率為85.2%。

表2 雹云分類及人工防雹決策判別指標模型

1.3 防雹作業預警、決策指標分析

基于SA多普勒雷達的109個冰雹云雷達資料進行PUP處理和反演分析，獲得了不同類型雹云的回波強度、云頂高度、強中心高度和垂直積分液態水含量雷達特征參數值，并根據防雹催化原理，分析和研究了SA多普勒雷達人工防雹作業預警、決策判別指標及模型（表2）。該指標是人工防雹作業預警、決策的根本依據，已寫入大連市人工防雹作業決策指揮系統，投入實際應用，取得良好效果，實現了防雹決策指揮系統自動化運行。

將該指標對2019年28個冰雹云個例雷達探測資料進行反演分析和驗證，準確率達85.2%。

2 一次強雹云天氣過程及人工防雹

采用SA多普勒雷達防雹決策指揮系統對大連市2018年9月29日1次強雹云天氣過程進行業務運行，并對雷達觀測資料PUP處理與反演分析，得到了較好預期效果；通過新建人工防雹決策判別指標綜合分析及強降雹實際調研等，總結和探討了強雹云有效防雹的新思路和方法。

2.1 強雹云天氣過程

2.1.1 天氣概況2018年9月29日12：51，受渤海上空強對流回波帶上的強雹云登陸影響，大連市北部山區出現了一次強冰雹天氣過程。受其影響，瓦房店市北部的李官等相關作業點相繼實施了人工防雹作業與聯防作業。雹云登錄后迅速發展為成熟強雹云。北部的李官作業點在防雹作業中出現了較強降雹，降雹時間持續6~10 min，降雹范圍在作業點及其周邊十幾平方公里內，最大冰雹直徑達20 mm，當地農作物遭受了不同程度的雹災損失。對降雹實地調研和分析發現，保護了臨近下游區域的精品蘋果生產基地，將大連市雹災損失降到最低。

2.1.2 天氣形勢場從9月29日8：00高空形勢場分析看到，此次降雹天氣影響系統為東北冷渦。在8：00 500 hPa高空天氣圖1a看到，大連市處于東北冷渦的東南部，冷渦中心位于遼寧省西部，低渦中心為552 gpm，與-28℃冷中心重合，表明東北冷渦處于發展強盛階段；與之相對應的低層850 hPa天氣圖1b上有一較強暖脊伸向大連市，暖中心為16℃，使大連市形成了上冷下暖的較強不穩定層結，高、低層溫差（44℃）遠超大連市產生降雹的不穩定層結天氣指標［20］，為強雹云登陸迅速發展為成熟強雹云創造了有利的熱力抬升條件［21］。

圖1 2018年9月29日500、850 hPa天氣

2.2 防雹決策與作業分析

2.2.1 防雹決策指標對比分析采用SA新一代多普勒雷達防雹決策指揮系統對9月29日強雹云天氣過程業務運行及雷達資料反演分析，取得了較好效果（即利用防雹決策指揮系統，對每隔6 min 1次的雷達回波體掃資料均能準確判別雹云、雹云類型及防雹作業預警、決策等）；同時，采用原SC多普勒雷達防雹決策指揮系統業務運行與反演分析，準確率偏低，特別是在雹云類型判別上存在明顯誤差（如將12：51登陸時的成熟強雹云判別為單體雹云）。由此表明，不同型天氣雷達參數與指標存在一定差異（對比大連市新舊雷達特征參數判別指標發現，回波強度、垂直積分液水含量減小，而強中心高度等增大），故應根據實際情況，進行雷達參數決策指標再分析和及時修正。

2.2.2 人工防雹及作業分析采用基于SA多普勒雷達人工防雹決策指揮系統，對本次強雹云天氣過程雷達回波資料反演分析發現，該雹云29日9：30左右生成于渤海一條強對流回波帶上。雹云生成后，自西向東移動過程中呈波動式發展演變，歷經3個多小時，于12：51在大連市北部沿海山區登陸，發展為成熟強雹云。

在12：39，大連市人工影響天氣辦公室防雹決策指揮平臺首次發出作業臨近預警，并輸出作業預警方案［10］（即雹云將進入防雹作業點射程時，輸出作業點、雹云類型等）；而利用原雷達防雹決策指揮系統（基于CA雷達判別指標）則未作出該預警分析。根據李官作業點經驗判斷，申請了作業空域，大連市人工影響天氣辦公室根據雷達回波分析發現為較強雹云，立即通過空域申請，指導李官作業點于12：41實施第一次防雹作業，并根據回波強度，增加了1倍炮彈（即20發），調整了作業仰角（即按新制作的射界圖，為55°）；根據6 min 1次雷達回波資料分析，作業后雹云強回波中心高度和30 dBZ強回波頂高均下降1 km（表3），分析可能與炮彈爆炸產生的沖擊波減弱了雹云上升氣流有關［19］，而回波強度、云頂高度和垂直積分液態水含量均未有明顯變化。

表3 2018年9月29日12：33—13：04大連市強雹云雷達特征參數及變化特征

在12：51，雹云在大連市北部沿海登陸時迅速發展為成熟強雹云，SA多普勒雷達防雹決策指揮系統作出準確分析，并輸出了強雹云防雹作業實施方案［10］（包括作業站點、雹云類型、作業工具、作業的部位和作業劑量等）；而當時基于CA多普勒雷達判別指標的人工防雹決策指揮系統業務運行也輸出了李官、土城兩作業點作業實施方案［10］，將強雹云判斷為單體雹云，由此基于SA多普勒雷達的防雹指標判別決策更精準和客觀。

大連市人工影響天氣辦公室通過雷達回波強度、強中心高度等參數訂正分析，發現此時雹云發展為成熟的強雹云（圖2）。同時李官、土城作業點申請作業空域，大連市人工影響天氣辦公室經作業空域申請批復后，于12：52，指導兩作業點實施了高炮聯防作業，共發射防雹炮彈80發。其中，南邊土城作業點采用45°仰角，通過連續發射炮彈40發，作業后周圍下了軟雹，沒有出災；北邊李官作業點采用了55°仰角，分二次作業（前后各20發），作業時和作業后炮點及周圍出現了較強降雹，正值蘋果成熟采摘季節，當地果農遭受不同程度雹災經濟損失。

圖2 2018年9月29日12：51雷達回波強度組合

降雹（12：53—13：04）后，雹云明顯減弱（表3），強雹云雷達回波強度、強中心高度、云頂高和垂直積分液態水含量均出現了明顯下降；并從雷達資料反演分析發現，強雹云減弱后，在東移演變中出現了3次再發展（分析地形抬升作用）成冰雹云（且強度逐次減弱）過程，經過90 min移出大連市。

2.3 強雹云的發展演變

從雷達資料反演分析看到，該雹云從生成到發展為強雹云歷時3個多小時。根據強雹云登陸前、后雷達回波強度、強中心高度和垂直積分液態水含量等特征參數，以及PPI雷達徑向速度及其變化特征分析發現，該雹云在12：51登陸時達到最強，分析與登陸時地形動力抬升和中午熱力抬升共同作用結果［21］。

首先，由12：39—13：04登陸前后雹云雷達回波強度、強中心高度、垂直積分液態水含量及變化（表4）分析可知，雹云在12：39已發展成強雹云［10］。經李官作業點第一次防雹作業后，雹云的強中心高度明顯下降，由原來的5.2 km降到4.3 km；10 min后雹云登陸，迅速發展為成熟強雹云（圖3），雷達回波強度達到最強，為70 dBZ，強中心高度增至5.8 km，垂直積分液態水含量為38 kg/m2；在經過第二次聯防作業后，李官作業點及其周圍出現強降雹，降雹后雹云迅速減弱（表4）。

表4 雷達回波PPI經向速度場及主要特征參數變化特征

其次，對雹云回波PPI徑向速度、高低空出入流速度值，以及對應的輻散、輻合流場進行分析，得到同上述雹云發展分析相同的結果。從表4高層（即3.4°仰角）和低層（0.5°仰角）雷達徑向出、入流速度值及其變化分析可知，雹云在12：51為最強，即高層徑向速度差值與低層的相同（即雹云頂層出現了由弱到強的發展演變），使高層水平輻散流場與低層輻合流場強度相近，表明此時強雹云發展達到最強；并根據12：51低層（0.5°仰角）PPI雷達徑向速度（圖3a，圓圈標注部分）分析可知，雹云的徑向速度呈水平輻合流場；頂層（3.4°仰角）PPI雷達徑向速度（圖3b，圓圈標注部分）分析可知，雹云的徑向速度為水平輻散流場，綜上所述，高、低層徑向出、入流分析一致。

圖3 2018年9月29日12：51大連市PPI雷達0.5°（a）、3.4°（b）仰角徑向速度

2.4 強雹云有效人工防雹探討

早發現、早作業是有效人工防雹的關鍵。發展到一定程度強雹云靠人力很難直接防御，甚至會出現相反結果［19］。如2018年9月29日在大連市北部沿海登陸的強雹云，由于在渤海上空強回波帶中生成，并歷經3個多小時的發展演變和加強，在大連市登陸時迅速發展為成熟強雹云（盡管登陸前實施了作業，因已發展很強，故效果有限），沿岸炮點及時聯防作業，仍出現較強降雹，卻保護了臨近下游區域的精品蘋果生產基地，將大連市雹災損失降到最低。

3 小結與討論

1）對2016—2018年大連市新一代多普勒雷達（2015年升級換代并投入使用）探測到的109個個例冰雹云雷達數據資料進行PUP處理與反演分析，并結合大連市人工防雹決策指揮系統相關業務功能，獲得了雹云的雷達回波強度、云頂高度、強中心高度和垂直積分液態水含量雷達特征參數值；根據雹云理論與防雹催化原理，研究和建立了基于SA新一代多普勒雷達雹云識別、類型判別，以及防雹決策判別指標及模型；并對2019年28個冰雹云個例雷達觀測資料進行統計和分析，進行了新建判別指標雷達業務應用及驗證，使雹云識別、類型判別等防雹決策判別的準確率達85.2%~86.8%。

2）通過對2018年9月29日大連市出現的1次典型強雹云天氣過程人工防雹技術進行分析，結合強雹云人工防雹實踐調研，以及借鑒先進省市防雹經驗，總結和探討了強雹云有效人工防雹的技術思路和方法：對強雹云應早發現、早作業；對強雹云作業，應采用防雹高炮；對初始階段或發展初期強雹云，可采用火箭作業，起到防雹增雨的雙重效果；對射程內強雹云，可按作業方案實施［10］；對高炮射程內的成熟強雹云，應慎重作業：若該作業點需保護下游區域的重要作物，可立即實施高仰角（≥55°）作業，將防雹炮彈打在回波強中心區，促使大冰雹提前降落，將雹災損失降到最低，達到人工防雹的目的。