科右前旗冰雹天氣特征及防雹作業指標研究

摘要 近年來，受冰雹影響的區域越來越多，為了使得防雹作業更現代化、科學化，結合冰雹天氣的特征提出了建設性的防雹作業指標研究方案。一方面，通過監測科右前旗地面變化的數據，綜合分析冰雹發生的時空特征，研究科右前旗冰雹天氣發生的規律。另一方面，結合地面人工防雹作業有關的數據和資料，確定地面人工影響天氣防雹作業的參數指標，為后期研究防雹作業指標提供幫助。

關鍵詞 冰雹；時空特征；作業指標

中圖分類號：P458.1+21.2 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）03–0175-03

冰雹和雨雪都是在云中形成后降落下來的，只有非常強盛的積雨云才能形成冰雹。冰雹天氣由于伴隨驟雨、大風等，其破壞性非常強，它的形成是由于強對流天氣系統引起的。冰雹天氣會給人們造成嚴重的財產損失，甚至危及人們的生命。在我國的農田中，冰雹災害占自然災害的損失大約為4%，每年2%～3%受雹災影響。造成的經濟損失高達20億元。冰雹天氣的特征非常明顯，如局地性強，發生時間急促且時間集中等。冰雹天氣通常會受到地形地貌、海拔、季節、緯度等不同因素的影響，因此其時空分布復雜多變。掌握冰雹天氣發生的規律和特征，可有效減輕冰雹災害帶來的影響。

1 資料與方法

分析科右前旗境內1996—2020年的地面觀測月報表數據，確定冰雹天氣發生的時空特征，充分掌握和了解冰雹天氣發生的規律，如頻率、趨勢、時間特征和途徑路線等詳細參數。除此以外，還需要持續記錄科右前旗境內日常的云型和天氣溫度，以及回波頂高度和空氣中液態含水量等參數，可以為后期防雹作業指標的確定奠定基礎。

2 冰雹發生的時空特征

2.1 冰雹發生的頻率

不完全統計數據顯示，科右前旗冰雹發生存在明顯的地域性，分析1996—2020年科右前旗境冰雹發生的數據，可發現隨著時間的變化，冰雹次數的發生呈增長趨勢，平均大約每年發生5次冰雹災害。

2.2 冰雹發生趨勢

近2年來，科右前旗境內發生冰雹災害的次數大大超過了平均出現日，且整體冰雹發生的趨勢呈逐漸上升的趨勢。

2.3 冰雹發生時間特征

相關研究結果表明，科右前旗冰雹發生的時間多為6—9月，且夏季發生頻率高于秋季。冰雹在全天發生的概率都不相同，其中以12：00～21：00發生冰雹的概率最高，約占93.1%，其次14：00～17：00發生的概率約占52.2%，冰雹在全天發生的概率多集中于中午至傍晚，中午至下午發生的概率占50%左右。

2.4 冰雹發生路線

有資料表明，科右前旗冰雹成災的路徑主要包括3條：第一，從索倫鎮、大石寨鎮及巴日嘎斯臺鄉所生成的雹云，是逐漸向東南方移動的；第二，從俄體鎮所形成的雹云，是逐漸向東方移動的；第三，從大石寨鎮形成的雹云，是逐漸向東方移動的。

3 冰雹的影響分析

3.1 地形對冰雹活動的影響

冰雹云常常發生于一些地形復雜的山區、山脈的迎風坡和向陽坡的位置、山脈與平原連接的區域，以及陸地和河流連接的上風區、山地和丘陵處等。興安盟地處大興安嶺南麓，嶺西地勢平緩，與內蒙古高原區域接壤，嶺東地勢陡峻，與東北松遼平原接壤，自西北向東南呈現下降的階梯形，海拔依次由1 500 m降至100 m，山地和丘陵最多，占比95%，平原較少占比5%，大小河流200多條[1]。興安盟的冰雹發生路徑呈現東北—西南向帶狀的分布特征，冰雹災害天氣主要集中在嶺東迎風坡一帶，主降雹中心分別在阿爾山市和胡爾勒索倫、吐列毛都、巴扎拉嘎一線；次降雹中心分別在音德爾、衛東、巴彥胡舒一線。

3.2 冰雹云移動的路徑分析

2013—2015年興安盟共計發生78次冰雹災害，冰雹云移動的西北路徑最多，占比26%；其次是西南路徑，占比24%；偏西路徑占比23%；以上路徑多出現于高空冷槽型；零散發生的冰雹路徑占比22%；偏東路徑最少，只占比5%。該類路徑集中于高空冷渦型。西北路徑起源于阿爾山和科右前旗西北部，逐漸向東南方向發展，影響科右前旗、烏蘭浩特市、突泉縣、科右中旗西部等地。而偏西路徑主要起源于科右前旗西部，向東發展影響科右前旗、烏蘭浩特市、扎賚特旗西部、突泉縣北部等地；西南路徑起源于科右中旗西部，向東北方向發展影響科右中旗、突泉縣、科右前旗、烏蘭浩特市等地。局地零散路徑和地形的關系最大，起源于西北沿山地區、扎賚特旗北部、突泉西北部和科右中旗西北部，影響周圍所有地區[2]。偏東路徑起源于扎賚特旗東部，向西南方向發展影響烏蘭浩特市、科右前旗、突泉縣等地。

3.3 冰雹的影響分析

冰雹天氣是一種破壞性極強的災害天氣，主要特征是發生范圍小、時間短、氣勢猛、破壞性強。冰雹造成的災害程度主要取決于冰雹點的大小、持續的時間、地面積雹的厚度。

4 科右前旗降冰的環流背景系統分析

科右前旗冰雹天氣多集中在6—9月。進入初夏時節，天氣不僅少雨，地面氣溫還呈逐漸上升的趨勢，此時該地區極易形成冰雹，主要是因為該地區的高空呈現出西北氣流現象，各種冷空氣劇烈活動降低了層結的穩定性。7月的科右前旗，地面溫度依舊不斷上升，受天氣系統等因素的影響，冰雹災害頻繁發生。白天受到地面的輻射，地表升溫速度快，降水后增加了地層的濕度，在干冷空氣的影響下，增強了科右前旗對流的不穩定性。此外，科右前旗基于熱力和動力的抬升作用，伴隨低層的輻合切變和垂直風切變，頻繁發生降雹天氣[3]。

5 科右前旗高炮與火箭防雹作業效果對比試驗分析

人工影響天氣最常用到的方法包括3種：統計檢驗法、數值模式檢驗法和物理檢驗法。物理檢驗法又被分為間接和直接2種物理檢驗法。各種檢驗方法大相徑庭。其中，間接物理檢驗法主要檢驗和分析的是防雹作業后地面的降雹、降水變化，而直接物理檢驗法主要檢驗的是作業實施過程中云體的變化情況。檢驗人工增雨和人工防雹效果最大的難度是無法準確地判斷云體的變化是屬于自然變化還是人工干預的變化。理論上，數值模式檢驗能夠模擬云體的自然演變和人工干預演變，實際上，目前的云數值模式是在基于很多假設的前提下進行模擬的，因此，無法真實地模擬出云體的變化情況。本次試驗采用的是物理檢驗法和統計檢驗法相結合的方法，借助多普勒雷達探測器，實時監測并記錄每次作業的用時和方位，以及雷達的回波，分析上述參數，畫出每次作業實施的云體，統計和分析雷達回波的最大反射率因子和回波頂高，以及強回波頂高和35 dBz回波頂高的作業使時間。此外，分析作業后不同時間段的云體變化，時間選擇5、10和15 min 3個階段。

由于受到多普勒雷達探測范圍的限制，本試驗選取了17個作業點，168個高炮作業樣本、10個火箭作業樣本進行研究。在選擇作業樣本時，不僅排除了多次聯合作業的影響，還排除了其他作業點的作業影響。

表1是高炮與火箭作業效果對比試驗的分析統計數據表。表l的數據來源于17個樣本分析的結果，依次對比了在5 min、10 min和15 min時段雷達回波的最大反射率因子和回波頂高、強回波頂高，以及35 dBz回波頂高減弱、維持和增強的數值變化情況。

通過觀察上表數值發現，通過作業后，減弱的云體要明顯多于增強的云體。在作業5～15 min之間發現減弱的比例呈現逐漸增大的趨勢，充分說明作業后10～15 min可以有效抵制云體的持續發展。分析云體回波頂高變化和35 dBz回波頂高變化，以及云體強回波頂高變化的數據發現，作業后5、10及15 min對云體的抵制呈現出先減弱，然后維持，最后增強的趨勢。

綜合分析表1云體回波的最大反射率因子、回波頂高、強回波頂高和35 dBz回波頂高的數據發現，在作業后5～15 min，50%以上的云體出現減弱的趨勢，說明作業獲得了有效的結果。尤其是回波頂高、強回波頂高在作業后10～15 min，云體的減弱比例是非常顯著的。最大反射率因子、35 dBz回波頂高在作業后10～15 min，云體的減弱比例也是顯著增加的。由表1相關數值可以得出，在實施作業的后5 min這一時間段，根據回波最大反射率因子與強回波頂高的轉變結果可得出使用火箭的抵制效果更優于高炮；而從回波頂高與35 dBz回波頂高分析可得出，使用高炮的抵制效果更優于火箭；分析作業后10 min的時間段的數據發現，分析回波最大反射率因子和35 dBz回波頂高的變化的數值發現，使用火箭的抵制效果顯著優于使用高炮，而分析回波頂高和強回波頂高的數值變化發現，使用高炮的抵制效果卻優于使用火箭；分析作業后15 min的時間段的數據發現，在雷達回波參量的變化上，除強回波頂高的變化之外，高炮和火箭對云體的抵制效果基本一致，分析強回波頂高的變化數據發現，使用高炮的抵制效果顯著優于使用火箭。

表2為防雹作業時刻雷達回波參量平均值，具體是對作業樣本所劃分的高炮作業、火箭作業、所有作業（高炮與火箭）3類防雹作業時刻雷達回波的最大反射率因子、回波頂高、強回波頂高和35 dBz回波頂高所得出的統計平均值。由表2所列數值可以得出，不論是所有防雹作業，還是分火箭防雹作業和高炮防雹作業，都是以防雹作業為基礎來抵制回波減弱的，通過其作業時刻雷達回波的最大反射率因子、回波頂高、強回波頂高、35 dBz回波頂高都大于維持和增強的這一結果，可以充分表明防雹作業抵制強對流云體的結果明顯向好。再深入對比火箭防雹作業和高炮防雹作業時刻的雷達回波參量可以得出高炮作業能夠抵制逐漸削弱的雷達回波的結論，還發現在作業過程中強于火箭作業抵制回波減弱，表明高炮和火箭作業都能夠有效抵制強對流，但如果遇到非常強的強對流云體的情況，總體而言高炮作業的表現要優于火箭的作業表現[4]。

6 科右前旗高炮防雹作業指標分析

根據當前天氣環流的背景類型，在深入分析并確定云的種類后，選擇適宜的防雹地點，根據氣象設備監測情況，準確定位防雹作業云層高度的區間。合理使用天氣雷達，能夠精準、高效地確定云和降水的方位、強度等特征。使用雷達圖能夠較為準確地得出防雹作業相關數據指標，并再將該指標科學運用于人影作業指揮，這樣能夠為后續選擇適宜的作業方法、催化劑等提供參考。

6.1 防雹作業指標

在全面深入地統計與研究相關數據的基礎上，得出了科右前旗高炮防雹作業集中的時間點為6—9月的結論，正處于夏末至初秋這一時間段，這一結論和統計出的科右前旗降冰雹的次數是相同的。冰雹云從產生、變化最終消散這一過程大概會持續半小時甚至更短，在初期的10多分鐘內，冰雹云的特征是移動速度較快、朝向一致的，根據以上特征開展作業時，必須不斷提高人工作業效率，快速識別冰雹云。在統計該地區近幾年降雹情況后，最終確定設置冰雹云強度為46 dBz、回波頂高為8 km，設置回波頂溫度最小值為-21 ℃，最大值為-15 ℃，0°層主要分布在490 hPa以下，其回波垂直結構主要特征是上強、下弱。呈現出大冰雹案例的指標除上述幾種指標之外，還有強回波區強度指標，冰雹的強回波區強度數值為51 dBz以上，并且要持續擴大強回波區，保證其在-21 ℃等溫線區間內。此外，冰雹的垂直積分液態含水量相對較高，達到了36 kg/m3。

6.2 作業用彈量指標

科右前旗在開展防雹作業的過程中，炮彈碘化銀含量約為1 g，成核率約為1.06×104個/g。在防雹作業完成后，為了保證其含水量能夠達到相關要求準則，還要設置人工冰晶數濃度，設置其最小值為102個/L，最大值為103個/L。當雹云面積約為6 km2時，其厚度約為6 km，此時受到催化作業的影響，高炮彈數量達到了3 000發。但是，在具體作業過程中，單個作業地點能夠用到的高炮只有1門，當防雹作業時間達到10 min時，高炮彈出量達到200發，然而該值與理論值相比偏差較大。根據使用催化劑的數量，結合已經設定的云物理條件，科學、合理地確定催化劑的具體使用量。表3為國家氣象局所提供的高炮防雹作業指標用彈量。

7 結束語

經過深入了解總結科右前旗境內地面降雹時空特點后發現，其降雹次數是處于不斷增長狀態的，冰雹較為集中的時間段是夏季，并且下午出現冰雹的可能性占一天的50%以上。在使用雷達等科學設備后，高效地指揮了科右前旗高炮防雹作業，并根據作業情況總結了高炮防雹用彈量相關經驗。在深入研究科右前旗境內地面降雹時天氣情況與防雹舉措后，不但能夠最大限度地方便相關工作人員對冰雹的監測、預報、預警工作，還能夠為防雹水平的提高提供保障，通過深層次地分析總結提高防雹能力，盡可能地減少冰雹帶來的災害，發揮氣象助農的作用。

參考文獻

[1] 李路長，白慧，楊勝忠，等.黔東南地區冰雹天氣雷達臨近預警指標研究[J].貴州氣象，2014，38（1）：20-24.

[2] 胡金磊，郭學良，侯靈.下墊面對雹云形成發展的影響[J].氣候與環境研究， 2014，19（4）：407-418.

[3] 方標，嚴小冬，方可，等.貴州銅仁市春季冰雹天氣特征及防雹預警閥值[J].貴州農業科學，2014，42（3）：212-218.

[4] 池再香，黃艷，楊海鵬.貴州西部一次冰雹災害天氣強對流（雹）云演變分析[J].貴州氣象，2010，34（2）：10-12.

責任編輯：黃艷飛

Study on Hail Weather Characteristics and Hail Suppression Operation Indexes in Keyou Front Banner

Gu Xuan （Keyou Front Banner Meteorological Bureau， Xing’an， Inner Mongolia 137400）

Abstract In recent years， more and more areas were affected by hail. In order to make hail suppression more modern and scientific， put forward a constructive research scheme of hail suppression indicators based on the characteristics of hail weather. On the one hand， through monitoring the ground change data of Keyou front Banner， comprehensively analyzed the temporal and spatial characteristics of hail occurrence， and studyied the regularity of hail weather in Keyou front Banner. On the other hand， in combination with the data and information related to the ground artificial hail suppression operation， the parameters and indicators of the ground artificial weather modification hail suppression operation were determined to provide help for the later research on the hail suppression operation indicators.

Key words Hail; Space time characteristics; Operational indicators

作者簡介 顧軒（1989—），男，內蒙古烏蘭浩特人，助理工程師，主要從事冰雹天氣特征及作業指標研究。

收稿日期 2023-01-11