趙 冬

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

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基于錦州地區(qū)冰雹監(jiān)測的雹情監(jiān)測儀及其方法研發(fā)

趙 冬

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

冰雹具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、突發(fā)性和區(qū)域特征，并且破壞力極強(qiáng)，對農(nóng)業(yè)所造成的危害僅次于干旱對農(nóng)業(yè)所帶來的危害，嚴(yán)重時造成受災(zāi)區(qū)農(nóng)業(yè)絕收，甚至影響人畜生命安全。目前，國內(nèi)外都沒有一款能有效監(jiān)測雹情的設(shè)備，用于監(jiān)測雹情的方法多為人工觀測，而人工觀測得到的冰雹粒徑時、密度、冰雹量誤差很大。文章依托于集監(jiān)測冰雹粒徑、歷時、密度和冰雹量功能于一體的雹情監(jiān)測儀及其監(jiān)測方法，通過一臺儀器實(shí)現(xiàn)對冰雹歷時、冰雹的粒徑、密度、冰雹量數(shù)據(jù)的監(jiān)測，解決了冰雹粒徑和冰雹密度不能測量的問題，進(jìn)而研究了冰雹路徑和天氣特點(diǎn)，歸納預(yù)報預(yù)測方法，提高準(zhǔn)確率，以提升雹災(zāi)預(yù)測預(yù)報功能。

冰雹災(zāi)害；雹情監(jiān)測儀；監(jiān)測方法；預(yù)測預(yù)報

冰雹天氣往往伴隨著短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)天氣，給城市交通、電力通信、人民生產(chǎn)生活帶來巨大危害[1]。目前對冰雹的形成機(jī)制、發(fā)展過程，預(yù)測與預(yù)報，人工防雹等方面已有較深入的研究。此外，利用氣象站的觀測數(shù)據(jù)，對冰雹的時空分布及風(fēng)險區(qū)劃也有一些研究，但對冰雹粒徑和密度等有關(guān)的監(jiān)測的研究較少[2]。

冰雹生成多伴有降雨，而且冰有遇水則化的特點(diǎn)，因此很難及時觀測出有效的數(shù)據(jù)。測量時會采用一種用于雹情檢測的傳統(tǒng)工具——冰雹板，即利用冰雹砸在冰雹板上的印跡得到冰雹的粒徑和密度，但冰雹砸在冰雹板上的印跡通常是重疊的，人工很難辨別重復(fù)落點(diǎn)的次數(shù)以及冰雹的粒徑，因此對冰雹的粒徑和密度的測量是相當(dāng)不準(zhǔn)確的。雨量計通常用來監(jiān)測雨量，對冰雹量也能起到監(jiān)測效果，但無法完成對冰雹密度和粒徑的監(jiān)測。為此，目前為止亟需研發(fā)一種專門用于對冰雹量進(jìn)行精確的監(jiān)測儀器以及相關(guān)的監(jiān)測方法，以應(yīng)對與冰雹災(zāi)害采取最好的防治措施。

1 錦州地區(qū)冰雹情況分析

1.1 冰雹時間分布特征

冷渦具有明顯的季節(jié)性變化特征，導(dǎo)致錦州地區(qū)冰雹的時間分布也具有一定的規(guī)律性，冰雹年平均發(fā)生頻次為5-6次[3,4]。根據(jù)1990-2015年資料顯示，春、夏、秋季均有發(fā)生，主要集中在夏季，占全年的70%；春季占18%；秋季占12%。受氣溫日變化的影響，遼西地區(qū)冰雹主要出現(xiàn)在10:00-23:00，發(fā)生頻率為95%，其中14:00-20:00發(fā)生頻率為65%。冰雹災(zāi)害的發(fā)生多伴有大風(fēng)、暴雨或山洪以及次生災(zāi)害。情況如表1所示。

表1 錦州市4-10月各月平均雹日及平均占比

6-7月錦州地區(qū)有天氣尺度系統(tǒng)進(jìn)入時，也是冰雹等強(qiáng)對流天氣的多發(fā)期，導(dǎo)致冰雹災(zāi)情嚴(yán)重，而此時正是農(nóng)作物主要生育期，對農(nóng)作物危害巨大。

1.2 冰雹及冰雹災(zāi)害的形成機(jī)制

冰雹是一種固態(tài)降水物，呈圓球形或圓錐形，其直徑通常為0.5-5.0cm，也有達(dá)到10cm的情況。冰雹的形成一般需要具備以下幾個條件：

1)大氣中的不穩(wěn)定層必須要達(dá)到一定的厚度。

2)積雨云必須要達(dá)到能使單個大水滴凝結(jié)的溫度。

3)需要具有強(qiáng)烈的風(fēng)切變。

4)積雨云的垂直厚度需要>6-8km。

5)積雨云中含水量豐沛，一般應(yīng)為3-8g/m3。

6)積雨云內(nèi)需要上升氣流，速度一般在10-20m/s。

2 冰雹災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

冰雹由于自身的重量、體積以及在高空中所具有的勢能，當(dāng)冰雹落下是會帶來較為嚴(yán)重的災(zāi)害：砸傷作物、毀損壞房屋、人被砸傷、牲畜被打死等。冰雹災(zāi)害的輕重，主要取決于冰雹的破壞力，雹害一般可分為輕雹害、中雹害和重雹害三級[5]。冰雹對農(nóng)作物的危害主要有以下2種情況：

1)冰雹下降時因機(jī)械破壞作用使農(nóng)作物葉片、莖稈和果實(shí)等遭受損傷，該損傷會跟隨冰雹下降的時間、范圍以及冰雹單體的大小的不同而呈現(xiàn)出不同的等級。

2)冰雹多發(fā)生溫暖季節(jié)，而此刻的農(nóng)作物正處于生長階段，降雹后，一方面冰雹會吸熱融化，造成農(nóng)作物的凍傷；另一方面，大量的冰雹堆積在一起會造成土壤板結(jié)，不利于植物根的呼吸作用。

3 雹情監(jiān)測儀使用及其監(jiān)測方法

長期對冰雹成因以及危害做出相當(dāng)詳細(xì)的統(tǒng)計以及計算預(yù)測，但是對于冰雹的粒徑和密度等相關(guān)詳細(xì)數(shù)據(jù)沒能做出較為精確的統(tǒng)計。目前，用于監(jiān)測雹情的方法多為人工觀測，而人工觀測得到的冰雹粒徑、歷時、密度、冰雹量誤差很大。冰雹生成多伴有降雨，而且冰有遇水則化的特點(diǎn)，所以很難及時觀測出有效的數(shù)據(jù)。為此要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，研發(fā)一種集監(jiān)測冰雹粒徑、歷時、密度和冰雹量功能于一體的雹情監(jiān)測儀及其監(jiān)測方法極為必要[6,7]。

3.1 雹情監(jiān)測儀

雹情監(jiān)測儀主要由殼體內(nèi)所布置有冰雹粒徑、密度監(jiān)測單元、總天然降水量監(jiān)測單元、液體降水監(jiān)測單元、控制器和蓄電池組成。冰雹粒徑、密度監(jiān)測單元由上、下貫通的正方體狀粒徑觀測桶、設(shè)于粒徑觀測桶一側(cè)的X方向高速攝像機(jī)、設(shè)于粒徑觀測桶另一側(cè)的Y方向高速攝像機(jī)、連接于X方向高速攝像機(jī)和粒徑觀測桶之間的影像緩沖罩Ⅰ、連接于Y方向高速攝像機(jī)和粒徑觀測桶之間的影像緩沖罩Ⅱ組成，影像緩沖罩Ⅰ和影像緩沖罩Ⅱ均為四棱錐體狀。并且X方向高速攝像機(jī)和Y方向高速攝像機(jī)的鏡頭中心線交匯且交匯點(diǎn)與粒徑觀測桶的中心線重合，儀器整體結(jié)構(gòu)的殼體底面對應(yīng)粒徑觀測桶的位置設(shè)有貫穿孔。

總天然降水量監(jiān)測單元由總量收集桶、設(shè)于總量收集桶頂部的漏斗狀導(dǎo)流板、設(shè)于總量收集桶下方的布置有稱重傳感器的水平底座組成；液體降水監(jiān)測單元由液體收集桶、傾斜布置于液體收集桶上方的冰水分離篦板、設(shè)于冰水分離篦板上方的導(dǎo)向筒、設(shè)于液體收集桶下方的布置有稱重傳感器的水平底座組成；導(dǎo)向筒對應(yīng)冰水分離篦板最低端的一側(cè)設(shè)有冰雹濾出口。殼體底面設(shè)有對應(yīng)冰雹濾出口的冰雹排出口，殼體頂部設(shè)有頂蓋，所述頂蓋對應(yīng)粒徑觀測桶、漏斗狀導(dǎo)流板和導(dǎo)向筒的位置為鏤空結(jié)構(gòu)。如圖1-4所示。

與此同時在雹情監(jiān)測儀的殼體外側(cè)壁上支設(shè)有太陽能電池板和220V電源接口。在優(yōu)先考慮使用太陽能供電，若是因環(huán)境的限制情況下，與可以才用標(biāo)準(zhǔn)家庭供電的方式是對儀器供電，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)有效性。

圖1 雹情監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 冰雹粒徑、密度監(jiān)測單元示意圖

圖3 總天然降水量監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 液體降水監(jiān)測單元的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 監(jiān)測方法

雹情監(jiān)測儀的使用目的很明確，就是在下冰雹的期間段，通過合理的方式方法來測量出來冰雹粒徑、歷時、密度和冰雹量。冰雹粒徑、密度監(jiān)測單元實(shí)時觀測冰雹下落影像，并將影像數(shù)據(jù)傳送給控制器，由控制器計算得到冰雹歷時、冰雹的粒徑、密度數(shù)據(jù)；總天然降水量監(jiān)測單元采用計重法測得天然降水量的數(shù)據(jù)并傳送給控制器；液體降水監(jiān)測單元采用計重法測得分離冰雹后液體降水量的數(shù)據(jù)并傳送給控制器。其中，所提到的冰雹粒徑、密度監(jiān)測單元的X方向高速攝像機(jī)和Y方向高速攝像機(jī)同時對粒徑觀測桶內(nèi)的景象進(jìn)行攝像，進(jìn)而通過攝像記錄下冰雹下落起始時間、冰雹下落結(jié)束時間；通過X方向高速攝像機(jī)和Y方向高速攝像機(jī)的同步影像捕捉到同一冰雹的X方向輪廓和Y方向輪廓，通過控制器計算得到該冰雹的粒徑，最終通過比較計算得到冰雹最大粒徑和平均粒徑；通過X方向高速攝像機(jī)和Y方向高速攝像機(jī)捕捉并追蹤影像中下降的冰雹，最終通過控制器計算出落入粒徑觀測桶內(nèi)的冰雹總數(shù)，再根據(jù)粒徑觀測桶的覆蓋面積計算出單位面積內(nèi)的冰雹總數(shù)，即冰雹密度。所述控制器將天然降水量的數(shù)據(jù)與液體降水量的數(shù)據(jù)做差得到冰雹量。

3.3 監(jiān)測布設(shè)

要對冰雹的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測量，不僅要保證儀器的有效性，還要保證數(shù)據(jù)采集的合理性，即采集地點(diǎn)的位置。錦州市位于遼寧省的西南部、“遼西走廊”東端，總面積10301km2。錦州市境內(nèi)山脈連綿起伏，東北部有醫(yī)巫閭山山脈，西北部有松嶺山脈，地勢西北高、東南低，從海拔400m的山區(qū)，向南逐漸降到海拔20m以下的海濱平原。如圖5所示。

圖5 遼寧冰雹災(zāi)害防御分區(qū)及主要路徑

由于該儀器的體積并不是特別大，但是需要各種儀器相互關(guān)聯(lián)配合使用，因此，雹情監(jiān)測儀布設(shè)應(yīng)盡量保證各儀器之間距離，保證在使用儀器進(jìn)行兩側(cè)時候的儀器與測量人員的安全。

儀器要根據(jù)時空位置進(jìn)行合理安放，如圖5所示，錦州市為位于一般防御區(qū)，但是冰雹的主要移動路徑與山脈走向一致，因此監(jiān)測儀器的安放點(diǎn)主要選在凌河區(qū)至北鎮(zhèn)市沿線上，周邊不是主要路徑區(qū)域也要作為考察地區(qū)。雹情監(jiān)測儀主要目的不是預(yù)警冰雹來襲，而是針對監(jiān)測冰雹粒徑、歷時、密度和冰雹量，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r在線監(jiān)測，獲得準(zhǔn)確的統(tǒng)計值，進(jìn)而進(jìn)一步分析雹情。

4 結(jié) 論

錦州地區(qū)易發(fā)冰雹天氣，冰雹年變化80%出現(xiàn)在6-8月份；冰雹日變化70%發(fā)生在12:00-20:00。為解決人工觀測雹情的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，設(shè)計一套基于計算機(jī)為主體的高速攝像機(jī)監(jiān)測的雹情監(jiān)測儀，實(shí)現(xiàn)對冰雹歷時、冰雹的粒徑、密度、冰雹量數(shù)據(jù)的監(jiān)測，與現(xiàn)有雨量計等相比，功能全，且準(zhǔn)確度高；利用高速攝像機(jī)的捕捉、追蹤功能，解決了冰雹粒徑和冰雹密度不能測量的問題。該儀器能較精確的量測所需要的數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前的氣候特點(diǎn)，文章只是利用雹情監(jiān)測儀對冰雹進(jìn)行監(jiān)測的一次量測嘗試，監(jiān)測的時效性和準(zhǔn)確程度還有待進(jìn)一步提高。

[1]劉丹,殷世平,于成龍,等.利用環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測冰雹災(zāi)害初探[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012(09):128-132.

[2]董安祥,張強(qiáng).中國冰雹研究的新進(jìn)展和主要科學(xué)問題[J].干旱氣象,2004(03):68-76.

[3]趙芳文,王菊芳,孟廣義,等.朝陽地區(qū)冰雹的統(tǒng)計特征及其組合預(yù)報[J].遼寧氣象,1992(04):32-33，38.

[4]梁群,張國林,吳曉華.遼寧西部冰雹時空分布特征分析[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究,2013(06):32-34.

[5]崔杰石.基于 SWAT 模型的湯河流域面源污染時空分布研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2016(02)：4-6.

[6]邵玲玲,黃寧立,王倩怡,等.冰雹指數(shù)產(chǎn)品剖析及在災(zāi)害性強(qiáng)降水預(yù)報中的應(yīng)用[J].氣象,2006(11):48-54，129.

[7]汪躍軍.淮河干流蚌埠水文站年徑流系列多時間尺度分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2007，15(01)：37-40.

Research on Hail Monitoring Instrument and Its Monitoring Method of Hail Situation in Jinzhou Area

ZHAO Dong

(Jinzhou Hydrological Bureau Liaoning Province, Jinzhou 121000, China)

Hail has strong randomness, sudden and regional characteristics, and extremely destructive, being harmful to the agriculture, only less than the drought harm to it, even resulting in total crop failure in the affected area, and affecting the safety of farmers and animals. At present, no any instrument can effectively monitor the status of hail regime at home and abroad, the methods to monitor hail regime are mostly artificial observation to obtain the size, density and quantity of hail with great errors. Based on the monitoring instrument and its monitoring method setting hail duration, size diameter, amount and density functions in one, this paper realized the monitoring by a monitoring instrument and solved the problem that hail size and density couldn't be monitored correctly, and researched the hail path and weather characteristics, summarized the forecast method, improved the accuracy so as to strengthen the function of forecasting the hail disaster.

hail disaster; hail monitoring instrument; monitoring method; forecast

1007-7596(2017)02-0025-04

2017-02-19

趙冬(1982-)，男，遼寧錦州人，工程師，研究方向?yàn)樗乃Y源勘測設(shè)備維護(hù)、管理、設(shè)備自動化研究工作。

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