多普勒天氣雷達在人工防雹中的應(yīng)用研究

傅超　鄭鐘堯　崔倩　張唯

摘 要：多普勒雷達作為現(xiàn)階段在進行氣象預(yù)報過程中應(yīng)用范圍較廣的一種設(shè)備，在現(xiàn)階段氣象防災(zāi)減災(zāi)過程中產(chǎn)生了良好的效果。冰雹作為一種危害較大，對人們正常生產(chǎn)生活產(chǎn)生較大影響的一種自然災(zāi)害，隨著近些年來氣候變化的逐漸加劇，發(fā)生幾率也在逐漸增加。通過應(yīng)用多普勒天氣雷達可以有效地實現(xiàn)對冰雹災(zāi)害的預(yù)測，降低其產(chǎn)生的危害。

關(guān)鍵詞：多普勒天氣雷達;人工防雹;應(yīng)用分析

中圖分類號：S16

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715065

引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國現(xiàn)階段在進行氣象預(yù)報方面的能力已經(jīng)得到加強，各種新型技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用極大地提升了當前對于各種氣象災(zāi)害的防治效果。人工防雹作為現(xiàn)階段人工影響天氣，實現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)目的的重要組成部門，在技術(shù)和設(shè)備使用的基礎(chǔ)上效果也有了較大的提高。多普勒雷達作為其中具有較強代表性的一種設(shè)備值得進行研究。本文將就此展開討論。

1 冰雹災(zāi)害產(chǎn)生的氣象背景分析

1.1 發(fā)生冰雹災(zāi)害之前的天氣形勢配置分析

以2015年6月河北省發(fā)生的一次冰雹災(zāi)害來看，華北平原地區(qū)500hPa受高空冷渦底部的高空槽影響，冷渦經(jīng)向度大，西北部不斷有冷空氣補充南下。東側(cè)高壓脊阻擋，西側(cè)阻塞形勢建立，環(huán)流穩(wěn)定少動。冷渦附近溫度槽落后于高度槽，冷渦南部出現(xiàn)20m/s以上的大風速核，這是河北省出現(xiàn)冰雹的典型配置。700hPa冷渦結(jié)構(gòu)明顯，河北東部位于冷渦東南象限，850hPa風向風速切變位于河北中東部，溫度脊配合風場，有暖平流位于河北東部，為過程提供系統(tǒng)性不穩(wěn)定條件。地面是西高東低的氣壓場形勢，氣壓梯度大值區(qū)位于河北西部。從邢臺探空圖看，0℃層高度在4km（600hpa）上下，-20℃高度在6km（600hpa）上下，高度適宜，符合河北省冰雹發(fā)生標準。

1.2 多普勒天氣雷達產(chǎn)品分析

從雷達回波特征看，強回波生成于保定地區(qū)，向東移過程中發(fā)展加強，到達滄州地區(qū)中心強度最大超過65dBz，前部有明顯入流缺口。從強回波內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)特征分析，出現(xiàn)明顯回波懸垂，強回波中心頂高超過15km，說明上升氣流強盛，發(fā)展高度高。從組合反射率特征分析，強回波由4個回波單體組成，呈帶狀分布，強回波區(qū)域最大直徑可達20km。垂直剖面顯示，強度>50dBz的回波高度在10km左右，這些都是產(chǎn)生冰雹的典型特征。

1.3 發(fā)生冰雹災(zāi)害之前的水汽情況分析

對于冰雹發(fā)生前的水汽情況來看，在發(fā)生冰雹災(zāi)害之前華北地區(qū)上空水汽分布不均。近地層相對濕度較大，滄州地區(qū)相對濕度達70%以上，溫度露點差小于4℃。700hpa到500hpa溫度露點差達13℃以上，說明中層濕度小，為相對干層，這種上干下濕的水汽層結(jié)配置有利于強對流天氣的發(fā)生。從水汽云圖可以看到，在發(fā)生強對流天氣之前，低層基本上是受到淺薄暖濕氣流的控制，這些暖濕氣流為冰雹災(zāi)害的發(fā)生提供了水汽和能量。

1.4 發(fā)生冰雹災(zāi)害的能量條件分析

較大的溫度垂直遞減率為冰雹天氣發(fā)生的不穩(wěn)定的層結(jié)配置，有利于不穩(wěn)定能量的增加，一旦強對流觸發(fā)，較強的不穩(wěn)定能量從位能轉(zhuǎn)化為動能，促使對流發(fā)展加強，所以強溫度梯度是強對流發(fā)生之前的重要指標。通過對本次過程早晨08：00的溫度場配置看，河北省中南部850hpa和700hpa溫差達到30℃以上，溫度直減率較大，達到了河北省強對流溫差標準。分析對流有效位能可知，850hpa河北省中南部cape達1356J/kg，K指數(shù)達38℃，沙氏指數(shù)為-1.9，從各參數(shù)指標來看滄州地區(qū)存在著較強的不穩(wěn)定能量，對冰雹的發(fā)生發(fā)展非常有利。

1.5 發(fā)生冰雹災(zāi)害的氣象抬升條件分析

冰雹天氣的觸發(fā)抬升作用可由多種系統(tǒng)引發(fā)，如近地面的輻合線、露點鋒、干線、局地熱力抬升、地形抬升等。這是強對流天氣發(fā)生的啟動條件。本次過程在冰雹災(zāi)害發(fā)生之前，河北省中南部存在一條東北-西南向地面輻合線，冰雹風暴初始發(fā)生在輻合線北側(cè)，強對流天氣開始之后，地面輻合線發(fā)展加強，與強對流風暴發(fā)生發(fā)展起到相互促進作用。中層700hpa出現(xiàn)強烈的上升運動，200hpa對應(yīng)負散度中心，這種低層輻合，中層上升，高層輻散的配置非常有利于對流天氣的發(fā)展增強，出現(xiàn)冰雹的概率增大。

2 多普勒雷達獲取到的資料產(chǎn)品研究

2.1 多普勒雷達的回波特征研究

通過對本次發(fā)生冰雹災(zāi)害的雷達回波特征進行分析可以發(fā)現(xiàn)，強回波發(fā)生于滄州西北部地區(qū)，強度最大超過65dBz，前部有明顯入流缺口，說明風暴入流氣流較強，發(fā)展強盛。強回波內(nèi)的垂直結(jié)果特征為：中低層為有界弱回波區(qū)，中層有強烈的回波強度梯度，高層形成明顯的穹窿結(jié)構(gòu)，回波頂高伸展到15km，這是典型的冰雹回波特征。

從具體演變過程來看，回波強度大于50dBz區(qū)域自西向東移動，移動過程中，大于60dBz的強回波帶先維持，后在與滄州原地生成的降水回波相遇后，減弱至小于60dBz。而滄州地區(qū)原地生成的降水回波在自身發(fā)展的同時與主回波帶合并加強，強回波不斷向東移動，經(jīng)過路徑出現(xiàn)了冰雹大風等強對流天氣。在回波最強時段出現(xiàn)了明顯的長釘特征，即三體散射特征，這是判斷冰雹的出現(xiàn)的重要指標。

2.2 垂直累積液態(tài)水含量情況研究

垂直累積液態(tài)水含量（VIL）一般是對降水潛力、強對流天氣的發(fā)生幾率等氣象狀況進行研究的重要標志。通過采用多普勒天氣雷達可以有效實現(xiàn)對這一氣象特征的探測。通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在冰雹災(zāi)害發(fā)生之前，垂直累積液態(tài)水含量都會大于40kg/m2。這一數(shù)值隨著冰雹的不斷臨近而不斷增大，在冰雹災(zāi)害發(fā)生之后會出現(xiàn)降低。在本次研究中出現(xiàn)數(shù)值的跳躍情況，這意味著冰雹在這一段時間內(nèi)不斷增大。因此這一氣象特征同樣可以有效的指示冰雹的發(fā)生情況。

2.3 風的垂直廓線研究

通過對本次冰雹災(zāi)害發(fā)生前后的風廓線進行分析可以發(fā)現(xiàn)，地面風向為東南風，但是在925hPa以上風向就會變化為西南風。同時在相應(yīng)高度風速會不斷發(fā)生變化，風向隨著高度的上升會出現(xiàn)順時針的旋轉(zhuǎn)，同時風速也會增大。從地面到925hPa這一范圍內(nèi)，風向由東南風在換變?yōu)槲髂巷L，同時500hPa之間的垂直風切變矢差大約為16m/s。強烈的垂直風切變有利于對流風暴的加強和維持。

3 人工防雹

3.1 人工防雹的原理與方法

冰雹天氣屬于強對流天氣，一般都伴有自然降水的存在，先有降水，然后伴隨冰雹的到來。人工防雹就是設(shè)法減少或切斷給小雹胚的水分供應(yīng)，一般需要向云中播撒足夠量的催化劑，以產(chǎn)生大量冰晶，迅速形成更多的水滴或冰粒，造成同雹胚競爭水分的優(yōu)勢，從而抑制雹塊的增長。

一般在人影作業(yè)點用高炮或火箭將裝有碘化銀的彈頭發(fā)射到冰雹云的適當部位，以噴焰或爆炸的方式播撒碘化銀，阻止冰雹繼續(xù)增大，除此之外，炮彈爆炸后大量的粉塵，可作為水汽凝結(jié)核，快速將冰雹云中的水汽凝結(jié)成水滴以液態(tài)水降落到地面，截斷新生冰雹或冰雹繼續(xù)增大所需的水汽。最終達到冰雹數(shù)量的減少和控制冰雹體積的增大。人工防雹主要是減少降落到地面的冰雹數(shù)量并減小冰雹體積，同時增加了液態(tài)降水，但抑制或減輕了雹災(zāi)。

3.2 結(jié)合多普勒天氣雷達產(chǎn)品進行人工防雹

結(jié)合多普勒天氣雷達產(chǎn)品進行人工防雹是人工局部影響天氣的一種重要手段，通過雷達探測確定空氣中有冰雹云存在時，則可立即實施人工防雹作業(yè)。本次冰雹云回波參數(shù)的判定：回波高度在1min內(nèi)增加了400m并且回波強度在每分鐘之內(nèi)平均上升了2dBZ，零度層以上出現(xiàn)強回波，在出現(xiàn)這種情況下即判定為冰雹云。在進行人工防雹作業(yè)的過程中，作業(yè)部位要選擇在冰雹云體的前沿部位;同時，要確定上升氣流區(qū)域防雹作業(yè)時機及用彈量與雷達回波強度、回波頂高度和回波單體面積、溫度、回波性狀的關(guān)系。

4 總結(jié)

本文通過對多普勒天氣雷達在人工防雹中的應(yīng)用情況進行研究可以發(fā)現(xiàn)，冰雹災(zāi)害作為強對流天氣，主要會對低層切變線造成影響。同時由于受到冷空氣的影響，對流氣象出現(xiàn)遷移直至結(jié)束。由于低層輻合和高層輻散抽吸作用也使得這種強對流天氣得到較長時間的發(fā)展。這在客觀上為冰雹災(zāi)害的發(fā)展提供了有利條件。通過采用多普勒天氣雷達可以在人工防雹過程中獲得較好的效果，實現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的作用。

參考文獻

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作者簡介：

傅超（1983-），男，本科，工程師，研究方向：天氣雷達原理及應(yīng)用。