一次人工影響天氣指揮系統在2022年長春地區防雹作業中的運用

袁金華 張婷婷 徐建飛 尹東昊

摘要 人工影響天氣工作在保障國家糧食安全、生態文明建設和重大活動保障過程中發揮了重要作用。開展人工影響天氣工作進行增雨、防雹作業，不僅是農業抗旱和防雹減災的需要，也是水資源安全保障、生態建設和保護等方面的需要。通過分析2022年8月25日的一次降雹天氣過程，介紹了系統業務功能以及實時指揮防雹作業的技術流程，再現了系統對雹云初始回波、雹云類型的自動判別，以及作業預警、決策和作業方案輸出等技術環節和實時科學作業指揮過程。

關鍵詞 人工影響天氣指揮系統；預警指揮；應用與檢驗

中圖分類號：P482 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）07–0183-03

人工影響天氣是人類運用現代科學技術，對局部大氣實施影響，實現增雨（雪）、防雹、消雨、消霧、防霜等趨利避害目的的活動。目前，世界上大規模開展的人工影響天氣活動主要集中在增雨、防雹、消霧等幾個方面。我國是世界上氣象災害頻繁發生、干旱嚴重的國家之一，也是人均占有水資源較少的國家。開展人工影響天氣工作，進行增雨、防雹作業，不僅是農業抗旱和防雹減災的需要，還是水資源安全保障、生態建設和保護等方面的需要，是實現國民經濟可持續發展的重要舉措。

孫妍等[1]運用1960—2010年的冰雹天氣資料，統計分析了吉林省冰雹天氣的時間、地域分布特征，針對2008—2010年間的冰雹天氣過程進行分析，結果表明：吉林省冰雹天氣多在春、夏季出現，并多集中在13：00～19：00，冰雹在山區出現平均次數大于平原地區。

近年來，我國人工防雹工作取得了較大進展[2-4]，葉宗秀等[5]針對防雹作業過程的冰雹云演變特征及其效果的研究，很好地指導了各地有效開展人工防雹作業，利用本地閃電監測資料，分析總結冰雹云的閃電時空變化特征和統計特征，找出適合本地使用的冰雹云預測識別指標，供災害天氣預報預警和人工消雹防雹作業指揮參考和指導，減少冰雹災害造成的損失。周毓荃等[6]研究表明，在決策時，需要綜合考慮天氣條件、地理條件、作業點分布、旱情分布等因素，同時考慮到在作業過程中為便于實時監控飛行航線、作業動態，需要應用地理信息系統。蘇立娟等[7-8]針對降雹機制和防雹新技術的研究均取得新的進展，為各地的人工防雹作業研究和防雹決策指揮系統的開發打下了良好的基礎。周德平等[9]提出雷達識別冰雹云的一條重要經驗是要提前識別，不要當冰雹在云中已經形成快降落時才識別，要在冰雹形成初期識別。雷達不僅要識別冰雹云，而且要辨別出冰雹云的類型，因為針對不同類型的冰雹云，作業方法不同，不能對任何冰雹云都使用同一種方法，冰雹云的雷達回波特征和形態各地均有不同，即使在同一地方，不同時期出現的雹云，其結構特征也有明顯變化。

王柏忠等[10]的研究指出，人工防雹作業是實施農業防災減災的重要技術措施之一，對我國農牧業生產具有重要的氣象保障作用。目前，人工防雹作業中對冰雹研究的科學水平和探測技術裝備有了明顯進步，人工防雹在農業防災減災中取得的經濟效益顯著。

李斌等[11]利用防雹季雷達回波參數，采用物理統計學方法，重點分析了與冰雹云發展強度直接有關的最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和回波強度頂高等特征，發現人工防雹作業前后，冰雹云最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和40 dBz回波強度頂高等3個雷達回波參數指標發生了明顯變化。

1 人工影響天氣作業指揮系統介紹

人工影響天氣作業指揮系統研發是依托氣象業務現代化建設，基于人工增雨和防雹作業等實際業務需要，對人影業務進行的專業補充建設。它是目前長春市地面人工增雨和人工防雹作業的主要指揮系統，在抗旱增雨保糧食安全、森林草原防滅火、水源地蓄水生態保護及人工防雹防災減災中發揮了重要作用。隨著氣象數據環境的不斷升級，以及政府和公眾對天氣多樣化和時效性的需求，系統功能和效率不能滿足作業指揮需求，長春市氣象局引進了先進算法，并結合自身工作經驗，對系統進行改造升級。

1.1 人工影響天氣作業指揮系統三維SCIT回波跟蹤技術和效果展示

系統采用改進的SCIT回波跟蹤技術、智能決策樹技術和三維雷達回波特征采集技術。全新的回波跟蹤技術增強了跟蹤效果，實現了對目標云體的全生命周期自動跟蹤，對雹云進行自動編號后，將其與長春84個人工防雹固定作業站相結合，自動計算雹云到前方防雹作業站的距離和時間，實現了對防雹作業的分級預警，使指揮人員和作業人員有充足的時間進行防雹作業準備。系統自動回波跟蹤和雹云移動路徑預測功能，能夠精確測算回波位置、移動方向、移動速度等，提供跟蹤目標和人影作業指標的精準比對，實現跟蹤目標的預警狀態提示和下游作業點預警作業參數計算，以及對冰雹云、對流單體、多單體的跟蹤識別預警（圖1）。

1.2 基于雷達回波跟蹤和特征采集技術的數據挖掘

基于智能回波跟蹤技術的雷達資料挖掘分析功能，能夠挖掘與提取多普勒雷達三維立體的特征數據，對雷達回波特征數據的時序變化進行分析。從雷達回波提取包括回波強度、頂高、強中心高度、液態水含量、液態水密度、閃電、自動站、不同強度的回波頂高度、不同強度的回波面積、不同強度的回波體積等幾十種雷達回波特征數據。這些數據由智能回波跟蹤功能自動組成時序變化曲線，幫助預報人員和防雹指揮人員分析天氣系統的變化特征，可以對冰雹、強降雨、大風等天氣的雷達回波特征進行全面的分析研究（圖2）。

2 系統應用結果與分析

2.1 雷達決策與作業實時指揮

2022年8月25日，長春地區出現了一次降水過程，在此過程中應用了該業務系統進行觀測、預報和決策。首先，分析天氣形勢和雹云作業條件。2022年8月25日，三維人工影響天氣作業指揮系統從14：45到15：07連續跟蹤德惠朝陽雙城子的一塊回波（圖1）。圖1中的白色方塊顯示出系統對不同雷達回波體的連續跟蹤路徑。路徑持續的長度反映出智能雷達回波跟蹤算法的良好跟蹤效果。人影指揮人員通過雷達回波跟蹤路徑，判斷出回波的移動方向和移動速度，指揮作業點作業人員做好作業準備。基于智能回波跟蹤，判斷人工防雹增雨的作業條件、作業時機、作業參數計算水平，提升了預報精準度和指揮智能化水平。

通過回波的強度、高度、液態水含量等參量的變化趨勢，和防雹作業指標的自動比對，系統輸出預警狀態和下游作業點作業參數提示。指揮人員通過對目標回波進行剖面分析（圖3）和彈藥三維可視化模擬（圖4），顯示出冰雹云特征和作業的急迫性，人影值班人員根據雷達回波的特征等，指導德惠作業點作業人員作業，請令，空域未批準，德惠朝陽雙城子附近降直徑1～2 cm的冰雹。

2022年8月25日，系統對榆樹一塊回波進行連續跟蹤，從14：56分開始持續跟蹤到15：56（圖5）。指揮人員通過掌握的雷達回波強度、高度、液態水含量等的變化趨勢，分析冰雹云特征，進而指揮作業。

15：49作業前雷達回波強度達到最強（圖6），與作業路徑保持一致，在雷達回波強中心前方，符合作業條件，請令，指揮榆樹作業點作業人員開展作業，榆樹光明鎮作業點作業60發防雹彈，榆樹謝家作業點作業20發防雹彈，作業后，作業區雷達回波強度減弱，榆樹保壽鎮、謝家村作業區降軟冰雹，作業時機把握很好，未成災（圖7）。

2.2 智能回波跟蹤技術提升了人影預警和指揮水平

系統根據雷達回波三維結構分布自動判斷作業部位和作業時機，并自動計算作業參數。系統提供了豐富的回波跟蹤可視化功能。回波發展路徑的全流程可視化，可以對跟蹤目標的任意時間節點進行回放展示。圖8左側為輸出的作業參數，右側窗口為指揮人員選擇其中一個作業點展示的彈道曲線和作業部位。

3 結束語

針對此次天氣過程，長春地區3個作業點開展防雹作業，發射防雹炮彈90發，防護區內無雹災。此次上下聯動、科學高效的防雹作業，體現長春人影建設成效，起到了防雹減災的重要作用，為長春地區防災減災、服務農業生產、改善生態環境和遏制森林火災等作出了新的貢獻。

（1）在人影技術迅速發展的形勢下，長春局人影中心積極開拓創新，將人影指揮系統運用于實際人影指揮工作，更準確地捕捉了人影作業時機，智能化的作業指揮有效提高了作業效率。結合人影防雹站位置的預警功能，使冰雹云預警時間更早。尤其在2022年強對流天氣高發的背景下，通過平臺實現了人工防雹作業的精準指揮，保護區內未見冰雹災害發生。

（2）作業指揮系統中客觀化的仰角、方位角和用彈量計算功能，能夠科學地給出不同云系作業部位和作業用彈量，減少人工計算的時間和誤差，減少增雨和防雹時機的誤判。2022年8月25日16：02，榆樹秀水鎮和保壽鎮同時提示2個防雹站進行協同作業的建議，作業后20 min云系開始減弱，沒有產生降雹，增雨防雹作業效果得到大幅度增強。

（3）根據人影工作實際，建立和完善人工影響天氣預警作業指揮體系，提高增雨、防雹作業的科學性，提高作業水平，是防災減災工作可持續發展的實際需求，也是實現人工影響天氣高質量發展，加快推進人工影響天氣工作由分散、粗放、相對獨立發展向集約化、研究型、安全性轉型發展的具體體現，提高了以智慧人影為主要特征的人工影響天氣現代化水平，為防災減災救災、生態環境保護和修復、國家重大節慶日等活動等提供強有力的保障。

（4）長春局人影中心通過對系統的迭代升級，接入了“天擎”氣象大數據平臺和雙偏振雷達，改進雷達回波追蹤、新增效果評估等功能提高了人影指揮的科學性，較好地滿足了人影業務需求。但缺乏具體承災體等實測資料，針對降雹的監測、雹災的調查和資料的收集缺少連續性和系統性，且本研究僅針對2次防雹過程進行分析，冰雹個例少，作業預警和決策的判別指標目前沒有進行細化，尚需進一步補充和完善。且由于作業區缺乏精密的云物理觀測設備，未對防雹過程中云層的微物理特征對雹云的影響等進行分析，仍需進一步開展相關研究。

參考文獻

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[10] 王柏忠，王廣河，高賓永.人工防雹的農業減災效應[J].自然災害學報，2009， 18（2）：27-32.

[11] 李斌，鄭博華，朱思華.人工防雹作業效果物理統計評估方法運用初探[J].沙漠與綠洲氣象，2020，14（4）：113-118.

Application of An Artificial Weather Command System in Hail Prevention Operations in Changchun Area in 2022

Yuan Jin-hua et al（Changchun Meteor-ological Bureau， Changchun， Jilin 130000）

Abstract Weather modification has played an important role in ensuring national food security， ecological civilization construction and major activities. To carry out weather modification work to increase rain and prevent hail is not only the needs of agricultural drought relief and hail prevention and mitigation， but also the needs of water resources security， ecological construction and protection. By taking a hail weather process on August 25， 2022 as an example， the business functions of the system and the technical process of real-time command of hail prevention operations are introduced， and the automatic identification of the initial echo of hail cloud and the type of hail cloud， as well as the technical link of operation early warning， decision making and operation plan output and the real-time scientific operation command process were reproduced.

Key words Weather modification command system; Early warning command; Application and test