龍巖人工防雹作業效果分析

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龍巖人工防雹作業效果分析

1.長汀縣氣象局 2.龍巖市氣象局 賴巧珍1焦志敏2陳 菲2張 維2張紅梅2

人工防雹作業已成為減少和減輕冰雹災害的最有效措施和手段。但是，防雹效果檢驗仍是人工影響天氣工作者不斷研究和探索的重要課題。更系統、更科學地評估龍巖市防雹效果，該文收集2004年以來的人工防雹作業雷達資料，選取典型個例對對流單體的雷達參數進行橫向對比和縱向對比，并對人工防雹效果進行統計檢驗，結果表明，大部分作業后對流單體的回波強度、回波頂高度等均顯著減小，并且增加作業彈量能有效增強防雹作業效果。該文進一步利用龍巖地區近15 年雷暴日數、降雹日數、種煙面積和雹災面積，分析氣候變化背景下的人工防雹效果，對人工防雹效果進行歷史回歸定量估計，從而得出龍巖的總體人工防雹效果，為以后更好地開展人工防雹作業提供依據。

人工防雹效果 雷達回波 統計檢驗 雹災面積 龍巖市

1 概述

冰雹災害是由強對流天氣系統引發的劇烈的氣象災害，雖然出現的范圍小、時間短，但由于其來勢猛、強度大，常常給國民經濟特別是農業生產造成嚴重的損失。龍巖市是全國八個“優質煙葉生產科技示范基地”之一，烤煙生產成為龍巖市國民經濟的支柱產業之一。3～4月是龍巖市冰雹發生的集中期，此時正值煙葉主生長期，冰雹的襲擊影響煙葉的產量和質量，因此雹災對煙葉生成的影響尤為嚴重。為有效減少冰雹天氣對經濟發展的影響，龍巖市氣象局從2006年以來開展了人工防雹作業。采用火箭進行人工防雹作業已成為減少和減輕冰雹災害的最有效措施和手段，受到了各級領導的充分肯定和人民群眾的普遍歡迎，并取得了顯著的社會和經濟效益。但是，防雹效果檢驗仍是人影工作者不斷研究和探索的重要課題。就目前的科技水平而言，效果檢驗特別是防雹效果檢驗仍是世界性難題，很難給出令人信服的結論，雖然難度很大，但是不斷發展的防雹業務需要開展針對效果檢驗方法的研究，并取得了一些初步成果。王慶等通過分析2008年5月23～26日冰雹過程，建立了防雹作業效果的物理檢驗（包括橫向對比和縱向對比）、物理統計檢驗的效果評估思路[1]；王黎俊等人分析了青海省東部農業區近50年雷暴日數、降雹日數的變化趨勢，說明了氣候變化背景下的人工防雹效果，通過雷暴日數和雹災面積的歷史回歸分析及顯著性檢驗定量估計了人工防雹效果[2]。龍巖市氣象局人影工作者在每次人工防雹作業后也進行了防雹作業效果評估，但都是以縱向對比的方法進行評估，所得結論有一定的局限性，因此有必要對龍巖市防雹效果做更系統、更科學的評估，為以后更好地開展人工防雹作業提供依據。

2 資料數據和方法

2.1 資料來源

2.1.1 人工防雹作業信息由龍巖市人影辦提供。

2.1.2 雷達資料由龍巖雷達站提供。

2.1.3 冰雹災情由從龍巖氣象局信息中心的氣候評價中獲得。

2.1.4 雷暴日數的資料通過讀取龍巖七個縣的1961年至2013 年A文件的雷暴日數，2014年～2015年由于停止雷暴觀測，雷暴資料通過讀取地面重要報進行統計。雷暴日數的定義為：七個縣只要有一個縣出現雷暴即定義一個雷暴日，假如一天里有多個縣出現雷暴不重復進行計算[3]。

2.1.5 2000年后的煙草雹災面積資料由龍巖市煙草公司提供。

2.2 方法

每次作業過程的播撒高度及作業距離主要根據BL－1型火箭彈彈道曲線表（圖1）計算得到。文中選取的有效防雹作業過程，指作業方位，作業仰角，射程和作業時機都合適，使得火箭彈催化劑在0°層到-20°層之間播撒。

圖1 BL－1型火箭彈彈道曲線圖

根據“九五”國家科技攻關成果[1,4]，陜西旬邑縣（寶雞與旬邑相鄰，隴縣與旬邑同屬渭北地區）冰雹云識別指標：冰雹云初期回波和強回波都出現在0～-5℃之間，在云體的中上部，強冰雹云45dBZ回波頂高＞8km，弱冰雹云45dBZ回波頂高為7～8km。因此本研究只提取作業過程中冰雹云反射率大于45dBZ和回波頂高＞7km的個例。文中還采用4個雷達參數來表征冰雹云單體強度：最強反射率DBZ、整層液態水含量VIL（kg/m2）、風暴頂高度TOP（km）、強回波中心高度HT（km）。

文中使用的t-檢驗方法為成對雙樣本均值t-檢驗。

3 分析結果

3.1 防雹作業效果縱向對比分析

2014年3月28日下午，江淮氣旋東移加強，低層西南急流影響，近地層受入海高壓后部偏東風和西南氣流輻合影響，上杭、永定、武平、連城等縣局部鄉村出現強雷電、短時大風或冰雹等強對流天氣。16時在廣東蕉嶺有對流單體向東北方向移動發展，此時單體強度較弱。16:55，單體進入龍巖境內，B8單體強烈發展，迅速發展為成熟的超級單體（圖略）。從圖2可以看出，回波強度在60 DBZ以上，該強回波位于5km高度左右，風暴頂高增大到9km，VIL值也增大到35kg/m2以上，說明此時武平縣的巖前已經出現冰雹，之后的2個小時超級單體繼續向東偏北方向移動，回波強度并沒有減弱，反而最強回波還達到65DBZ以上，VIL值甚至還一度增大到45kg/m2以上，風暴頂高增大到13km以上，所經之處武平縣象洞，上杭縣的廬豐、永定的培豐、坎市鎮等地均出現冰雹。19:02，超級單體才從龍巖市新羅南部進入漳州境內，強度也明顯減弱。據不完全統計，28日永定縣受短時大風、冰雹影響烤煙受災面積1600畝。

17:01至18:24，龍巖氣象局組織人員在武平縣巖前鎮、上杭縣中都鎮和永定區湖雷鎮三個作業點作業7次，發射火箭彈54枚（見表1）。7次作業過程播散高度都在5～6km(播散高度依據BL-1型火箭彈彈道曲線表計算得到，由于作業點海拔高度均小于300m，因此不考慮作業點海拔高度的影響)，而零度層高度在4010m左右，即火箭彈在0°層到-20°層之間播撒，因此作業仰角合適。7次作業過程中有2次作業方位打偏了，2次作業距離太遠，因此以下只分析其余3次有效作業過程(表1中加粗部分)。

表1 2014年3月28日冰雹單體B8作業情況表

17:10至17:30，工作人員在上杭縣中都作業點有效作業16枚，從圖2可以看出，對于正在發展中的超級單體，雖然在中都作業點有命中冰雹云單體，但是從反應單體強度的4個參數來看，DBZ的減小幅度很小，而強回波中心高度、風暴頂高和VIL減小明顯。作業后在下游地區仍然出現冰雹，分析此次作業過程失敗的一個原因是在中都作業點作業時方位角沒有及時調整，16時35分作業方位角仍然為330°，而此時冰雹云已經移至90°方向。還有一個原因是此次的冰雹云強度太強，雖然有作業16枚，但是仍然不足以消除冰雹云。

18時當超級單體移入永定境內，強度仍很強，B8單體仍然為冰雹云。18時12分左右，工作人員在湖雷作業點進行第三次作業，作業后冰雹云的組合反射率仍然非常強，但是風暴頂高和強回波中心高度均有顯著降低（圖2的18:33以后），在下游地區沒有收集到雹災信息。

圖2 2014年3月28日16：15至20:17，B8作業單體最強反射率（DBZ）、VIL、風暴頂高（TOP）和強回波中心高度（HG）隨時間變化及作業時雷達圖和作業方位

3.2 防雹作業效果橫向對比分析

2012年4月15日，高空槽和切變東移南壓，低層急流位于切變南側，輸送暖濕氣流。地面冷空氣從中路南下，冷鋒迅速南壓。冷暖空氣交匯使得強對流發展旺盛，龍巖地區出現強對流天氣（當時0℃層高度為4475m）。16時44分在長汀南部有兩個對流單體U0和U1發展東移南壓（圖3的16：44）。U0單體與U1單體相差25km左右，且兩個單體的生命史也十分接近，都是在20時左右結束。U1單體在移動過程中由于附近沒有作業點，沒有防雹作業，而U0單體在移動過程中有進行人工防雹作業三次，因此這兩個單體可以選作橫向對比個例。

圖3 2012年4月15日第一次作業過程兩個冰雹云U0（北部三角形區內單體）和U1（南部單體）橫向對比十字型的標志位作業點位置

16時58～59分，龍巖局組織人員在宣和作業點對U0單體進行人工防雹作業，用彈量6枚，作業方位270°，命中作業單體U0。作業仰角65°，據BL－1型火箭彈彈道曲線表計算可得，播撒高度在0℃層高度附近，作業有效。作業后U0單體減弱明顯而U1單體仍然較強（圖3的17:19和17:37），作業效果顯著。從圖4可以看出，U0單體經過作業后單體的各項雷達參數明顯減弱，而U1還在發展，導致在下游地區出現冰雹（18:30左右，上杭縣古田鎮有收集到冰雹實況）。

表2 2012年4月15日冰雹單體U0作業情況表

圖4 單體的最強反射率(DBZ)、強回波中心高度（HG）、液態含水量（VIL）、風暴頂高（TOP）演變（a——單體U0，b——單體U1）

4 統計結果檢驗分析

為進一步說明防雹作業的總體效果，本研究還對2011～2014年24個有效防雹作業個例中的冰雹云單體的4個雷達參數進行了統計分析。表3給出了24個個例作業前、作業半小時后的雷達參數（若作業半小時后對流單體已消亡，則用對流單體最后一個時次的雷達參數來表征）。從表3 可以看出，作業后冰雹云單體的DBZ、HG、VIL和TOP均顯著減小，即冰雹云強度減弱。據統計，分別減小1.8、0.5、8.3和 1.8，減小百分率分別為3%、12%、25%和21%。所得結果進行t-檢驗，其中DBZ沒有通過顯著性檢驗，其余三個雷達參數通過0.05的顯著性水平檢驗。雖然DBZ沒有通過顯著性檢驗，但是從作業前后的方差（分別為7.1和19）可以知道，作業后樣本之間的差異較大，其中大部分DBZ減小，只有少數DBZ是增加的。對于這些作業后DBZ增加的作業個例都是處于超級單體發展階段。從以上數據還可以看出，VIL減小的幅度最大，TOP次之。

表3 2011～2014年24個有效防雹作業過程中有效防雹作業過程冰雹云單體雷達參數變化

眾所周知，在防雹作業方位、作業仰角、射程和作業時機都掌握好的前提下，用彈量越多，作業效果越好，為此對防雹作業彈量大于12枚的作業個例進行統計。24個作業個例中，有13次作業過程作業彈量大于12枚（表4），這些過程作業前后DBZ、HG、VIL和TOP減小的平均值分別為3.8、0.6、10.2和2.2，各個參數減小的平均值較之前均24個過程計算的平均值明顯提高。同樣對所得結果進行成對雙樣本均值t-檢驗，均通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗，進一步證明了防雹作業彈量的增加能有效增加作業效果。通過以上分析對于正在發展階段的對流單體，更加需要增加作業彈量，作業彈量最好能增加到16枚以上，才能有效抑制冰雹的發展。

表4 2011～2014年13個作業彈量大于12枚的有效防雹作業過程冰雹云單體雷達參數變化

5 歷史防雹效果檢驗分析

對人工防雹前后的雹災面積資料進行統計對比，并給出定量化防雹效果的統計檢驗方法而言，沒有考慮到冰雹的自然變化趨勢，因此該統計方法有一定缺陷。為了能更好地統計出人工防雹作業效果，考慮到雷暴日數與降雹日數之間呈正相關關系[3]，計算中認為雷暴日數能反映雹災面積的自然變化（非人工影響）情況，本文借鑒王黎俊[2]的方法計算人工防雹效果，基本思路是：（1）以可反映冰雹產生自然背景的雷暴日數為自變量，以可直接反映人工防雹效果的雹災面積為因變量。（2）在滿足統計檢驗前提條件的情況下，以未實施人工防雹或效果不顯著的年代為歷史期，進行線性回歸分析，逐年預測出人工防雹作業年份雹災面積的自然期望值，并計算自然期望值與人工防雹作業年份雹災面積實際值的差值。（3）通過顯著性檢驗，可認為具有一定可信度的該差值是由非自然因素導致的人工影響變化值，并將該差值定義為人工防雹減災面積，則該差值為正，值越大表明防雹效果越好。計算得到的人工防雹減災面積能定量化表征人工防雹效果。

雹災面積和雷暴日數的逐年變化曲線見圖5，從圖中可見，在2005年進行人工防雹作業以前，雷暴日數能很好地反映出受災面積的變化，二者的相關系數為0.85。因此還是能用作歷史回歸分析。

圖5 2000～2015年雹災面積百分比和雷暴日日數逐年變化曲線

5.1 歷史回歸分析

以未進行人工防雹作業的年份2000～2005年為歷史時期，由于二者具有較好的相關性，因此可以用于進行線性回歸分析，線性回歸線模型見圖6。對回歸方程進行F檢驗，F值為11，通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗。同時對回歸參數a=0.23和b=-9.49進行t檢驗，也均通過了顯著性水平為0.05的顯著性檢驗。因此可以用該模型預測人工防雹作業年份（2006～2015年）雹災面積的期望值。

圖6 2000～2005年3-6月雷暴日數與雹災面積的線性回歸

5.2 估算人工防雹作業減災面積

圖7給出了2006～2015年逐年人工防雹減災面積①，由圖可見，除了2012年以外，人工防雹減災面積均為正值，即人工防雹作業減少了雹災損失，尤其是2010年、2013年和2015年防雹效果好。而2012年，人工防雹減災面積為負值，主要是由于2012年龍巖頻繁受到冰雹襲擊，出現了近10年最大雹災。特別是2012年4月11～15日連續下了5日的冰雹，同時模式對于16日的強對流天氣條件預報較弱，因此16日為臨時啟動防雹作業，煙葉損失嚴重，導致該年人工防雹作業效果差。

對2006～2015年逐年計算結果求平均，得到年均實際受災面積為1.23萬畝/年，年均雹災自然期望值（若未進行人工防雹作業的可能受災面積）2.30萬畝/年，即可得年均人工防雹減災面積為1.07萬畝/年，因此年均防雹減災率（人工防雹減災面積與雹災自然期望值的比值）為46.5%。

圖7 2006～2015年雹災自然期望值、實際受災面積和人工防雹減災面積（萬畝）

6 結論

（1）橫向對比分析和縱向對比分析表明，選取正確的作業仰角、作業方位的人工防雹作業能有效減弱冰雹云單體。對于衰減階段的冰雹云單體（距離單體形成2個小時）進行人工防雹作業火箭彈14枚以上，能起到很好的防雹效果。而對于正在發展的超級單體（距離單體形成在半小時以內）進行防雹作業，發射火箭彈8枚或者不足8枚時，雖然在短時內能減弱冰雹云單體，但是冰雹云單體很快又能重新發展為超級單體。對于這種正在發展的超級單體，建議作業后形成“接力式”防雹作業。

（2）對24個有效防雹作業過程進行統計分析，結果表明，大部分作業后，DBZ、HG、VIL和TOP均顯著減小，并且增加作業彈量能有效增強防雹作業效果。

（3）通過歷史回歸的方法分析了氣候變化背景下人工防雹效果，并得到：2006～2015年的年均人工防雹減災面積為1.07萬畝/年，年均防雹減災率為46.5%。

注釋：

①人工防雹減災面積是指雹災面積的自然期望值與雹災面積實際值的差值；

正值越大，防雹效果越好。

[1] 王慶,樊明月. 一次防雹作業過程的效果分析[C]// 中國氣象學會年會, 2012.

[2] 王黎俊,銀燕,郭三剛,等.基于氣候變化背景下的人工防雹效果統計檢驗:以青海省東部農業區為例[J].大氣科學學報, 2012, 35(5):524-532.

[3] 李照榮,丁瑞津,董安祥,等.西北地區冰雹分布特征[J].氣象科技,2005, 33(2): 160-162.

[4] 李金輝.隴縣防雹作業前后雷達回波變化分析[J].陜西氣象，2009(6):9-12．