李紅斌，胡志群，張靖萱

(1.大連市人工影響天氣辦公室，遼寧 大連 116001； 2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.沈陽市氣象服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110168)

隨著新一代天氣雷達(dá)在人工影響天氣領(lǐng)域的迅速發(fā)展與普及，人們對(duì)雹云認(rèn)識(shí)[1-3]及人工防雹作業(yè)能力在不斷提高，對(duì)人工防雹新技術(shù)和理論研究也取得許多新進(jìn)展[4-8]。一些省、市通過防雹實(shí)踐和研究，建立了基于不同雷達(dá)參數(shù)的人工防雹指揮系統(tǒng)[9-12]，在很大程度上提高了對(duì)雹云的識(shí)別能力和人工防雹作業(yè)科技水平，但仍存在有待于完善的相關(guān)作業(yè)技術(shù)問題，比如雹云的早識(shí)別、早作業(yè)等問題，特別是針對(duì)成熟強(qiáng)雹云如何有效進(jìn)行人工防御，最大限度地減輕冰雹災(zāi)害損失，仍需人們?cè)诶碚摵蛯?shí)踐相結(jié)合基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究和探討。

2018年9月29日，大連市出現(xiàn)了一次強(qiáng)降雹天氣過程。該雹云生成于渤海上空的一條強(qiáng)對(duì)流回波帶上，并隨回波帶在東移過程中呈波動(dòng)式發(fā)展演變，在歷經(jīng)3個(gè)多小時(shí)后，于中午12∶51在大連北部沿海登陸，并迅速發(fā)展為成熟強(qiáng)雹云。市人影辦采用雷達(dá)防雹作業(yè)決策指揮平臺(tái)，實(shí)時(shí)指揮李官、土城相關(guān)作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行了人工防雹和聯(lián)防作業(yè)，將雹災(zāi)損失降到最低。通過對(duì)本次強(qiáng)雹云雷達(dá)回波強(qiáng)度、強(qiáng)中心高度和垂直積分液態(tài)水含量等雷達(dá)特征參數(shù)作業(yè)前后變化分析，以及結(jié)合徑向速度分析登陸時(shí)強(qiáng)雹云的空間結(jié)構(gòu)特征等受到重要啟示，并對(duì)強(qiáng)雹云有效人工防雹技術(shù)思路方法進(jìn)行了深入探討。

1 天氣形勢(shì)場(chǎng)及強(qiáng)雹云發(fā)展演變

1.1 天氣形勢(shì)場(chǎng)

2018年9月29日，大連出現(xiàn)了強(qiáng)降雹天氣過程。對(duì)高空天氣圖分析發(fā)現(xiàn)，影響系統(tǒng)為典型東北冷渦形勢(shì)場(chǎng)。在29日08時(shí)500 hPa天氣圖上，大連在東北冷渦東南部(見圖1)，低渦中心位于遼寧西部，且與-28℃冷中心重合，表明東北冷渦正處于發(fā)展強(qiáng)盛時(shí)期；對(duì)應(yīng)850 hPa圖上為一條伸向大連的較強(qiáng)暖脊(見圖2)，且暖中心為16℃，形成了溫差達(dá)44℃上冷下暖較強(qiáng)不穩(wěn)定大氣層結(jié),為強(qiáng)雹云(即雹云體積較大，云頂較高，可達(dá)9、10 km以上 ，生成發(fā)展可維持幾個(gè)小時(shí)等) 中午登陸大連發(fā)展成成熟強(qiáng)雹云創(chuàng)造了熱力和動(dòng)力場(chǎng)條件[13]。

圖1 2018年9月29日08時(shí)500 hPa天氣圖Fig.1 500 hPa weather diagram on September 29,2018

圖2 2018年9月29日08時(shí)850 hPa天氣圖Fig.2 850 hPa weather diagram on September 29, 2018

同時(shí)，根據(jù)當(dāng)天08時(shí)探空資料分析，零度層較低為2.8 km，登陸時(shí)雹云強(qiáng)回波(≥30 dBZ)中心高度達(dá)4～6 km(環(huán)境溫度在-20℃～-30℃)，故分析雹云中較大冰塊在降落過程中來不及融化[14]，落地產(chǎn)生強(qiáng)降雹，冰雹直徑最大20 cm。

1.2 強(qiáng)雹云的發(fā)展演變

利用雷達(dá)PUP軟件對(duì)2018年9月29日雹云雷達(dá)數(shù)據(jù)資料處理和反演分析，得到了雹云雷達(dá)回波強(qiáng)度和強(qiáng)中心高度兩個(gè)特征參數(shù)，分析了雹云發(fā)生、發(fā)展和演變過程發(fā)現(xiàn)，影響大連的強(qiáng)雹云生成于29日上午9∶27渤海上空一條強(qiáng)對(duì)流回波帶尾部(見圖3，雹云回波平顯、高顯組合圖)。初始雹云強(qiáng)回波(≥30 dBZ)高度較高，達(dá)9 km(見圖3)，強(qiáng)度較強(qiáng)(>45 dBZ)，且強(qiáng)回波45 dBZ面積較大。該雹云生成后呈波動(dòng)式發(fā)展，并隨對(duì)流回波帶自西向東偏北方向移動(dòng)和發(fā)展演變，歷時(shí)3 h已發(fā)展為強(qiáng)雹云(見圖4，雹云回波平顯、高顯組合圖)，于中午12∶51在大連北部沿海登陸時(shí)發(fā)展為成熟強(qiáng)雹云(見圖5)，并在北部山區(qū)作業(yè)點(diǎn)李官及其周邊(十幾平方公里)范圍內(nèi)產(chǎn)生了較強(qiáng)降雹，持續(xù)時(shí)間6～10 min，最大降雹直徑20 mm，當(dāng)?shù)刂饕魑锾O果出現(xiàn)了不同程度的雹災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 9月29日9：20雹云初始回波PPI、RHI雷達(dá)強(qiáng)度組合圖Fig.3 The hail cloud radar echo combination map at 9:20 on September 29

圖4 9月29日12:14強(qiáng)雹云PPI、RHI雷達(dá)強(qiáng)度回波組合圖Fig.4 The hail cloud radar echo combination map at 12:14 on September 29

2 人工防雹及相關(guān)分析

2.1 人工防雹

9月29日，采用雷達(dá)實(shí)時(shí)跟蹤及防雹決策指揮系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)回波帶中雹云移動(dòng)和發(fā)展演變進(jìn)行反演，在12∶40，大連北部李官作業(yè)點(diǎn)第一次提出申請(qǐng)防雹作業(yè)，市人影辦通過防雹業(yè)務(wù)平臺(tái)，對(duì)12∶39雹云雷達(dá)回波強(qiáng)度、強(qiáng)中心高度等資料分析發(fā)現(xiàn)，雹云發(fā)展較強(qiáng)，雖未進(jìn)入高炮射程，根據(jù)早識(shí)別、早作業(yè)原則[15]，指揮員立即申請(qǐng)空域，并調(diào)整作業(yè)方案[16]，指導(dǎo)李官作業(yè)點(diǎn)在12∶41實(shí)施了防雹作業(yè)，發(fā)射炮彈20發(fā)。根據(jù)分析，作業(yè)后，雹云強(qiáng)中心高度明顯下降(見表1)。

表1 2018年9月29日12∶02～13∶04大連強(qiáng)雹云雷達(dá)特征參數(shù)及其變化特征Table 1 Characteristic parameters and variation characteristics of Dalian strong hail cloud radar from 12:02 to 13:04 on September 29, 2018

12∶45，防雹系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺(tái)發(fā)出了作業(yè)預(yù)警，并輸出李官、土城南、北兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)(見圖5雷達(dá)平顯黑實(shí)線下方兩個(gè)紅色正三角)防雹作業(yè)臨近預(yù)警方案[16](即當(dāng)雹云未進(jìn)入射程，將要影響的作業(yè)點(diǎn)及相關(guān)信息)。人影辦立即通知作業(yè)點(diǎn)做好防雹實(shí)施準(zhǔn)備；12∶51雹云登陸大連，并迅速發(fā)展為成熟強(qiáng)雹云(見圖5，強(qiáng)雹云雷達(dá)回波平顯、高顯組合圖，黑實(shí)線為強(qiáng)雹云垂直剖線)，指揮平臺(tái)發(fā)出了作業(yè)報(bào)警，并輸出李官、土城防雹作業(yè)實(shí)施方案[16](即作業(yè)站點(diǎn)、雹云類型、作業(yè)工具、作業(yè)仰角、方位角和用彈量等)。

圖5 2018年9月29日12:51雷達(dá)回波強(qiáng)度組合圖Fig.5 Radar echo intensity combination map at 12:51 on September 29, 2018

經(jīng)訂正分析，此時(shí)成熟強(qiáng)雹云已進(jìn)入高炮射程，市人影辦通過空域申請(qǐng)后，于12：52指導(dǎo)李官、土城作業(yè)點(diǎn)實(shí)施了聯(lián)防作業(yè)，共發(fā)射炮彈80發(fā)。其中，南邊土城作業(yè)點(diǎn)(圖5雷達(dá)平顯黑實(shí)線下方南邊紅三角)45度仰角、連續(xù)發(fā)射炮彈40發(fā)，炮點(diǎn)周圍下了軟雹，李官炮點(diǎn)(圖5雷達(dá)平顯黑實(shí)線上的紅三角)采用55°仰角，相隔幾分鐘，兩次共作業(yè)40發(fā)，作業(yè)過程中開始降雹，結(jié)束后持續(xù)降雹近10，最大降雹直徑20 mm，降雹范圍跑點(diǎn)周邊方圓10 km2，當(dāng)?shù)刂饕魑锾O果遭受了不同程度的雹災(zāi)損失。經(jīng)降雹實(shí)際調(diào)研，李官的防雹作業(yè)無意中保護(hù)了下游鄰近區(qū)域精品蘋果生產(chǎn)基地，將雹災(zāi)損失降到了最低。

2.2 強(qiáng)雹云雷達(dá)特征參數(shù)及其變化

對(duì)6 min一次雷達(dá)數(shù)據(jù)資料PUP處理和分析，獲得了降雹前一小時(shí)雹云回波強(qiáng)度、云頂高度、強(qiáng)中心高度和垂直積分液態(tài)水含量雷達(dá)特征參數(shù)及其變化(見表1)，得到了對(duì)人工防雹有指示意義的啟示：

對(duì)表1分析看到，降雹前一個(gè)小時(shí)(12：02～13：04)內(nèi)，雹云回波強(qiáng)度發(fā)展較強(qiáng)，均在61 dBZ以上，登陸最強(qiáng)時(shí)達(dá)72 dBZ。雹云強(qiáng)中心高度較高，多在5 km以上，回波頂高在10 km以上，垂直積分液態(tài)水含量達(dá)38～43 kg/m2，雷達(dá)特征參數(shù)值均達(dá)到強(qiáng)雹云指標(biāo)[16]；同時(shí)，對(duì)12：20回波資料分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)雹云在海上產(chǎn)生了降雹，降雹后，強(qiáng)中心及云頂高度均下降1～2 km，液態(tài)水含量從43 kg/m2降到38 kg/m2，而回波強(qiáng)度略有減弱，表明降雹不很充分，幾分鐘后(12：26)又恢復(fù)為強(qiáng)雹云，呈現(xiàn)波動(dòng)式發(fā)展演變，說明依托強(qiáng)回波帶發(fā)展起來的強(qiáng)雹云，自然降雹很難影響到強(qiáng)雹云發(fā)展機(jī)制，因此，對(duì)防雹作業(yè)人員或是指揮人員均應(yīng)引起重視。

在12：41，李官作業(yè)點(diǎn)實(shí)施第一次防雹作業(yè)后，雹云強(qiáng)中心和強(qiáng)回波頂高均下降1 km，分析可能與炮彈爆炸產(chǎn)生的水平?jīng)_擊波減弱了雹云中最大上升氣流[5]有關(guān)；在12：51雹云登陸時(shí)發(fā)展為成熟強(qiáng)雹云，各項(xiàng)雷達(dá)參數(shù)值均達(dá)最大(見表1)，即回波強(qiáng)度72 dBZ，強(qiáng)中心高度為4～6 km(見圖5回波高顯圖)。李官、土城實(shí)施防雹作業(yè)后，李官作業(yè)點(diǎn)產(chǎn)生了較強(qiáng)降雹，降雹后雹云明顯減弱，分析可能防雹作業(yè)以及強(qiáng)降雹促使雹云能量得到充分釋放。

13時(shí)降雹后，強(qiáng)雹云明顯減弱(見表1)，并向東偏北方向繼續(xù)移動(dòng)1個(gè)多小時(shí)減弱消亡。期間經(jīng)歷了3次再發(fā)展(均弱于登陸前)，且逐漸減弱，因此，依托于強(qiáng)對(duì)流回波帶發(fā)展的強(qiáng)雹云，盡管實(shí)施了防雹作業(yè)并產(chǎn)生了充分降雹，仍會(huì)在有利的下墊面和熱力條件下再發(fā)展，因此，早識(shí)別和反復(fù)作業(yè)是強(qiáng)雹云人工防雹的重要保障。

3 成熟強(qiáng)雹云結(jié)構(gòu)特征及人工防雹探討

通過對(duì)此次強(qiáng)雹云空間結(jié)構(gòu)及防雹部位深入分析，結(jié)合降雹調(diào)研及作業(yè)技術(shù)等綜合分析，對(duì)成熟強(qiáng)雹云有效防雹技術(shù)思路方法進(jìn)行了探討。

3.1 強(qiáng)雹云空間結(jié)構(gòu)特征及防雹作業(yè)

對(duì)12：51在大連北部登陸時(shí)發(fā)展為成熟強(qiáng)雹云的雷達(dá)PPI回波強(qiáng)度做切向與徑向(見圖6黑實(shí)線)RHI雷達(dá)回波強(qiáng)度、徑向速度，速度譜寬的垂直剖面圖(見圖7、圖8)，并由此概略分析強(qiáng)雹云此刻的空間結(jié)構(gòu)特征和冰雹循環(huán)增長(zhǎng)軌跡示意圖，以及人工防雹作業(yè)部位確定。

注：圖中黑實(shí)線T、R分別為對(duì)強(qiáng)回波區(qū)做切向圖7、徑向圖8剖面，雷達(dá)位于(0，0)處，刻度值為km。圖6 12:51時(shí)0.5°仰角PPI圖Fig.6 PPI chart of 0.5° elevation at 12:51

注：(b) 徑向速度(藍(lán)曲線為“零線”位置，藍(lán)色橢圓為強(qiáng)回波區(qū)水平流場(chǎng)示意圖，紅箭頭表示氣流流進(jìn)紙面，綠箭頭表示氣流流出紙面，低層逆時(shí)針氣流旋轉(zhuǎn))；(d) 冰雹軌跡示意圖(藍(lán)粗實(shí)線為上升氣流，紫細(xì)實(shí)線為冰雹循環(huán)增長(zhǎng)軌跡，由小到大四個(gè)紫色實(shí)心圓代表不同直徑冰雹)，紅色箭頭所指位置即為防雹作業(yè)區(qū)域，水平刻度值為km，垂直刻度值為100 m(下同)。圖7 圖6中黑實(shí)線T的剖面圖Fig.7 Sectional view of the solid black line T in Figure 6

圖7為圖6中穿過強(qiáng)回波區(qū)的切向剖面圖，從速度的切向剖面的正負(fù)速度，可以清晰地看出渦旋的旋轉(zhuǎn)方向。從圖7(b)中可以看出，強(qiáng)回波區(qū)(45～60 km處)低層(垂直為2～3 km)為明顯的逆時(shí)針氣旋環(huán)流，中高層(垂直為3～8 km)為順時(shí)針反氣旋環(huán)流，低層輻合，高層輻散，強(qiáng)烈的抽吸作用，導(dǎo)致旺盛的上升氣流，并形成強(qiáng)雹云特有的弱回波區(qū)[4-5](圖7a中水平為50～60 km，垂直2～4 km)和回波墻結(jié)構(gòu)(圖7a中水平為47～51 km，垂直2～8 km)；弱回波區(qū)的速度譜寬為大值區(qū)(圖7c)，說明弱回波區(qū)的水平風(fēng)場(chǎng)非常紊亂，即有強(qiáng)烈的水平渦旋運(yùn)動(dòng)，又有旺盛的上升運(yùn)動(dòng)[5]；圖7(d)為結(jié)合圖7(a)～(c)給出的冰雹循環(huán)增長(zhǎng)軌跡示意圖，其中紅色箭頭所指的弱回波區(qū)域即為強(qiáng)雹云防雹作業(yè)區(qū)域，該位置為“零線”起始區(qū)域，也即冰雹開始循環(huán)長(zhǎng)大的起始區(qū)域[4]。通過在該位置播撒人工冰核產(chǎn)生人工雹胚，與自然雹胚“爭(zhēng)食”云中過冷水，從而抑制大冰雹的形成[5]。

圖8 圖6中強(qiáng)回波區(qū)徑向(線條R)剖面圖Fig.8 Radial sectional view of the strong echo zone (line R) in Figure 6

圖8為圖6中強(qiáng)回波區(qū)的徑向(黑線條R)垂直剖面圖。從圖8(b)中可以明顯看到水平速度“零線”位置對(duì)應(yīng)的強(qiáng)回波區(qū)(圖中8(a))，即為冰雹循環(huán)增長(zhǎng)軌跡區(qū)[4](圖8(d))。整個(gè)強(qiáng)回波區(qū)域?qū)?yīng)著大的速度譜寬(圖8(c))，說明雹云內(nèi)部流場(chǎng)變化非常劇烈[5]。圖8(d)為強(qiáng)回波區(qū)(水平30～40 km)流場(chǎng)與冰雹循環(huán)增長(zhǎng)軌跡示意圖，藍(lán)色箭頭粗線為主上升氣流，紫色箭頭細(xì)線為冰雹循環(huán)增長(zhǎng)軌跡[4]。其中，垂直向上的主上升氣流區(qū)域?qū)?yīng)強(qiáng)回波區(qū)，也是冰雹循環(huán)增長(zhǎng)的區(qū)域，該型冰雹云動(dòng)力結(jié)構(gòu)，為典型的層狀云引導(dǎo)型流場(chǎng)[17]，防雹作業(yè)部位應(yīng)選擇在弱回波區(qū)[17]。

3.2 強(qiáng)雹云有效人工防雹探討

通過對(duì)9月29日強(qiáng)降雹實(shí)際調(diào)研和人工防雹技術(shù)分析得到：成熟強(qiáng)雹云依靠人力直接防御是困難的，甚至出現(xiàn)相反結(jié)果[14]。本文在借鑒山西[18]和新疆奎屯綠洲防雹研究與實(shí)踐基礎(chǔ)上受到啟示，分析和探討了成熟強(qiáng)雹云有效人工防雹的技術(shù)思路和方法，即兩道防線法。

一道防線：在作物保護(hù)區(qū)內(nèi)布設(shè)防雹作業(yè)點(diǎn)(或傳統(tǒng)意義的作業(yè)點(diǎn))。當(dāng)初始階段或發(fā)展階段的強(qiáng)雹云進(jìn)入防雹射程時(shí)，作業(yè)點(diǎn)可按作業(yè)流程和強(qiáng)雹云防雹技術(shù)方法實(shí)施作業(yè)[16]，即首選作業(yè)高炮，且作業(yè)部位為雹云強(qiáng)回波區(qū)前下方的弱回波區(qū)(10～30 dBZ)，用彈量40～80發(fā)/次等。經(jīng)多年作業(yè)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，作業(yè)后會(huì)下些軟雹(或小雹粒)，不會(huì)出災(zāi)。

二道防線：在一道防線基礎(chǔ)上，對(duì)重要作物保護(hù)區(qū)上游空曠地帶或低值作物區(qū)增設(shè)防雹高炮。當(dāng)成熟強(qiáng)雹云移入該射程時(shí)，可實(shí)施高炮作業(yè)(且仰角≥55°)，將炮彈打在雹云強(qiáng)中心[14]，促使強(qiáng)冰雹提前和充分降落，保護(hù)下游重要作物，將雹災(zāi)損失降到最低。

4 結(jié)論與討論

(1)分析2018年9月29日大連市產(chǎn)生的強(qiáng)冰雹天氣過程為典型東北冷渦形勢(shì)場(chǎng)。從29日08時(shí)高空500 hPa圖上看到，大連在冷渦東南部，低壓中心與冷中心重合，表明冷渦正處于發(fā)展強(qiáng)盛時(shí)期；在850hPa圖上對(duì)應(yīng)一條伸向大連地區(qū)的較強(qiáng)暖脊，形成了較強(qiáng)不穩(wěn)定大氣層結(jié)，為強(qiáng)雹云在大連登陸發(fā)展為成熟強(qiáng)雹云創(chuàng)造了熱力和動(dòng)力場(chǎng)條件。

(2)通過對(duì)本次強(qiáng)雹云雷達(dá)回波反演分析發(fā)現(xiàn)，雹云是上午9:30 左右在渤海上空一條強(qiáng)對(duì)流回波帶尾部生成，并隨回波帶東移和發(fā)展。經(jīng)3個(gè)多小時(shí)發(fā)展為強(qiáng)雹云，于12:51在大連北部登陸時(shí)發(fā)展為成熟強(qiáng)雹云。市人影辦及時(shí)組織相關(guān)作業(yè)點(diǎn)相繼實(shí)施了人工防雹及聯(lián)防作業(yè)，將雹災(zāi)損失降到最低。通過對(duì)雹云雷達(dá)特征參數(shù)及其變化進(jìn)行了分析，得到一些對(duì)防雹作業(yè)有指示意義的啟示：對(duì)實(shí)施防雹作業(yè)以及產(chǎn)生充分降雹的強(qiáng)雹云，仍需密切關(guān)注其發(fā)展變化，進(jìn)行反復(fù)作業(yè)。

(3)對(duì)成熟強(qiáng)雹云空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入分析，并結(jié)合降雹實(shí)際調(diào)研和作業(yè)技術(shù)總結(jié)，探討了強(qiáng)雹云有效人工防雹的技術(shù)思路方法：兩道防線法。即在一道防線(即傳統(tǒng)作業(yè)點(diǎn))基礎(chǔ)上，在重要作物區(qū)上游空曠地帶或低值作物區(qū)增設(shè)防雹高炮。當(dāng)成熟強(qiáng)雹云進(jìn)入該射程時(shí)，立即實(shí)施高炮防雹作業(yè)(仰角≥55°)，促使強(qiáng)冰雹提前和充分降落，以保護(hù)下游區(qū)域重要作物，將雹災(zāi)損失降到最低。