不同作業工具人工防雹的對流云回波特征對比分析

李成鵬 尹麗云

摘要 為分析不同作業工具開展作業的對流云的雷達回波演變特征，基于新一代天氣多普勒天氣雷達資料，在分析近年來云南省冰雹發生發展的物理過程的基礎上，統計整理滇中地區近幾年人工防雹個例資料，對比分析高炮和火箭作業工具的對流云回波演變特征，通過數理統計方法，分析回波強度、45 dBz回波高度、回波頂高等與各指標的對應關系，得到不同防雹工具的作業指標，為人工防雹作業中不同作業器具作業方案的研究提供了一定的思路。

關鍵詞 雷達回波；作業指標；人工防雹；演變特征；對流云

中圖分類號 S427 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）08-0207-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.08.054

Abstract In order to analyze the radar echo evolution characteristics of convective clouds with hail suppression in different working tools， this paper comparatively analyzed the convective cloud echo evolution characteristics of the artillery and rocket tools， through the mathematical statistics method， under the premise of analysis of the occurrence and development of hail in Yunnan Province in recent years based on CINRAD data. The operation index of different hail suppression tools was obtained through analysis of echo intensity， 45 dBz echo height， echo top as their corresponding relationship between higher and various indicators by mathematical statistics. The research provides certain ideas on the operation schemes of different working tools.

Key words Radar echo；Operation index；Artificial hail suppression；Evolution characteristics；Convective cloud

云南是全國多雹省份之一，冰雹是云南最常見的氣象災害，是影響云南省支柱農業、高產值農副業的第一大氣象災害，冰雹天氣對農作物造成的損失占氣象災害損失的15%左右[1]。冰雹等強對流天氣一直是氣象部門關注的重點。西南山區冰雹天氣的預報產生具有局地性和地域性差異，唐熠等[2]對2次典型冰雹天氣的環流背景、雷達的產品進行對比分析；曾慶華等[3]分析認為回波強度、回波頂高、強回波中心高度以及垂直積分液態含水量等主要特征參數在演變過程中都有一個快速發展，降雹前均出現明顯的躍增。云南冰雹及其防災減災研究歷來受到重視，陶云等[4]分析了云南冰雹的時空分布特征；張騰飛等[5]總結了典型冰雹在多普勒雷達回波上的典型特征；張崇莉等[6-7]對比分析了滇西北冰雹和短時強降水兩類強對流天氣的多普勒雷達回波特征；楊俊山等[8]得出滇西北強對流天氣的部分雷達研究指標；段鶴等[9-10]對2004—2009年滇南普洱、西雙版納典型的中小尺度強對流天氣的多普勒雷達回波特征進行統計分析，并進一步建立滇南冰雹的預報預警方法；李湘等[11]得出了春季兩類降雹過程的聯合預警指標。總體而言，云南冰雹災害研究多集中于典型雹災個例研究、雹災預報預警等方面，但人工防雹作業指標方面的研究相對滯后。

云南省是人工防雹作業大省，廣泛使用火箭和高炮2種作業工具。高炮防雹具有爆炸、催化的雙重功效，但高炮防雹催化高度低、作業條件要求高；火箭防雹操作簡易、安全性好、單發催化劑量大，但存在彈道不穩定的缺點[12-13]。如何針對不同的對流云系使用不同的防雹作業工具以達到最佳防雹效果，是急需解決的科研業務難題。筆者將在分析冰雹發生、發展的物理過程和機理研究的基礎上，統計整理滇中地區（昆明、楚雄、曲靖、玉溪）近幾年人工防雹作業資料，采用歸類統計分析方法，研究不同類型作業工具的回波演變過程強度、高度等特征值的演變差異。

1 資料選取

2013—2016年云南滇中地區（昆明、楚雄、曲靖、玉溪）人工防雹個例共計526個（2013年36個、2014年129個、2015年131個、2016年230個），為詳細分析不同作業工具開展作業的對流云雷達回波演變特征，在對2013—2016年526個作業過程的雷達回波進行統計分析的基礎上，選取作業過程雷達回波資料、作業數據完整的437個雷達回波演變個例，其中開展高炮作業的240個，開展火箭作業的197個，統計作業過程中的回波強度、回波頂高、垂直積分液態含水量（VIL）、35 dBz回波高度、45 dBz回波高度、0 ℃層最大回波強度、-10 ℃層最大回波強度、-20 ℃層最大回波強度等多個特征演變，并對比分析不同作業工具回波強度、回波高度、45 dBz高度等與回波特征演變的相關關系，得到不同防雹工具的作業指標。

2 人工防雹作業的對流云回波演變特征對比分析

2.1 人工防雹作業回波強度的演變特征

雷達回波強度反映了云內粒子大小的演變特征，回波強度越大，表明云內粒子的后向散射能力越大，粒子的直徑越大，出現強對流天氣的可能性也越大。回波頂高反映強對流回波內上升氣流的運動，而冰雹大粒子的生長還與不同強度回波的發展高度呈正相關的關系[14]。該研究對437個不同作業工具的對流回波進行跟蹤分析，得到演變過程中不同特征值達到最大時回波強度的分布，對回波強度不同區間內的回波頂高、35 dBz回波高度、45 dBz回波高度和VIL進行分析（圖1）。

從2013—2016年437個高炮或火箭作業的強對流過程不同強度區間回波特征值統計（圖1）可以看出，開展高炮作業的對流回波最大強度演變集中出現在40～65 dBz，已達到強對流回波的標準，開展火箭作業的對流回波最大強度演變集中出現在45～55 dBz，達到偏弱強對流回波的標準。

回波頂高能反映強對流回波內上升氣流的運動[14-15]，從作業回波演變過程回波頂高達到最大值時回波強度的區間分布看，高炮作業時最強回波強度45～55 dBz的回波個數147個，占總個例數的61.25%，>55 dBz的60個，占24.9%。表明其回波頂高與強度的演變趨勢基本一致，當強對流回波的頂高達到最大值時，回波強度也同時出現躍增。而火箭作業個例中，回波頂高達到最大值時，最強回波強度45～55 dBz的回波個數119個，占總個例數的60.4%，>55 dBz的31個，占15.0%，<40 dBz的29個，占14.7%。表明其回波頂高與強度的演變趨勢基本一致，強對流回波的頂高達到最大值時，回波強度躍增幅度一般，火箭作業回波受影響更大。

冰雹大粒子的生長除與回波頂高的發展高度有關，還與不同強度回波的發展高度呈正相關的關系，35、45 dBz回波高度的變化與冰雹云的出現有著較好的指示意義[16-17]。對于高炮作業，當35 dBz回波高度出現最大值時，最強回波強度集中出現在45～65 dBz，50～55 dBz出現的回波數最多為91個；當45 dBz回波高度出現最大值時，最強回波強度集中出現在50～60 dBz，50～55 dBz出現的回波數最多為96個，60～65 dBz的回波個例數與35 dBz回波高度出現的回波數相比明顯偏多，可見35 dBz回波高度的峰值與45～55 dBz最大回波強度的相關性較好，45 dBz回波高度的峰值與50～60 dBz最大回波強度具有較好的相關性。而火箭作業時，35 dBz回波高度出現最大值時，最強回波強度集中出現在45～55 dBz，50～55 dBz出現的回波數最多為71個。當45 dBz回波高度出現最大值時，最大回波強度集中出現在50～60 dBz，50～55 dBz出現的回波數最多為71個，60～65 dBz的回波個例數與高炮作業的回波數相比明顯偏少，可見在火箭作業的對流回波演變過程中，35 dBz回波高度的峰值與45～55 dBz最大回波強度的峰值具有較好的線性正相關，45 dBz回波高度的峰值與50～60 dBz最大回波強度的峰值具有較好的線性正相關。

冰雹云的垂直液態含水量（VIL）在降雹前常出現躍增現象[9-10]，從VIL出現最大值時回波強度的區間分布可見，高炮作業個例中，VIL出現最大值時，最大回波強度多出現在50～60 dBz；而火箭作業的回波個例中，當VIL最大時，最大回波強度變化幅度較寬，相關性不太好。

由上述分析可見，對于240次高炮作業的強對流回波演變過程中不同特征指標達到最大值時回波強度的分布，在高炮作業過程中，45 dBz回波高度、VIL峰值的躍增可作為冰雹躍增的重要指標，而回波頂高、35 dBz回波高度峰值的躍增則預示著冰雹粒子的快速增長；對于197次火箭作業的強對流回波，4個指標和回波強度演變趨勢基本一致，2種作業工具的對流回波演變過程中45 dBz回波高度、VIL峰值的躍增均可作為冰雹躍增的重要指標，火箭作業則可多選擇回波頂高、35 dBz回波高度峰值的躍增作為冰雹躍增的重要指標。

現常見的火箭防雹是依據“利益競爭”的防雹原理，即通過向目標云播撒催化劑，增加冰核濃度；而高炮作業除了播撒效果之外，還依據爆炸作用產生的動力干擾，以此影響冰雹云的形成和發展[12-13]。很可能是由于火箭攜帶催化量大，作業高度相對較高，靜力催化作用使作業回波受影響更大。

2.2 45 dBz回波高度的演變特征

樊鵬[17]研究得出最初冰雹增長區的等效因子是44 dBz，國內也常用45 dBz回波高度作為冰雹云的識別預報指標。45 dBz回波高度以及其與0 ℃層回波強度、-10 ℃層回波強度、-20 ℃層回波強度和最大回波強度的對應關系能較好地反映云內粒子的發展程度。

從2013—2016年437個高炮或火箭作業的強對流過程45 dBz 回波高度區間特征值統計（圖2）可看出，在高炮作業中，對流回波45 dBz回波高度演變范圍較廣，最低高度<5 km，最高超過15 km。從0 ℃層回波強度峰值時45 dBz回波高度的分布來看，45 dBz回波高度以7～9 km為中心呈正態分布，45 dBz回波高度<6 km的強對流個數占總個例數的16.67%，6～9 km的占53.33%，6～10 km的占64.17%，45 dBz回波高度在6～9 km 時需引起關注。開展火箭作業的對流回波45dBz回波高度演變范圍與高炮作業比較明顯偏弱。從0 ℃層回波強度峰值時45 dBz回波高度的分布來看，45 dBz回波高度<6 km 的強對流個數占總個例數的41.62%，<7 km的占64.97%，5～8 km的占51.78%，7～10 km的占30.5%，>10 km的僅占4.5%。

以上分析表明，與最大回波強度的發展類似，火箭防雹作業效果更為明顯，強對流回波的發展受抑制較強，高炮作業中，0 ℃層回波強度達到峰值時并不對應著云內冰雹粒子已開始出現顯著增長，45 dBz回波高度多集中在9 km高度以下；火箭作業中，0 ℃層回波強度達到峰值時，45 dBz回波高度多集中在7 km高度以下。

分析-10 ℃層回波強度峰值對應的45 dBz回波高度區間分布發現，高炮作業中，當-10 ℃層回波強度出現峰值時，45 dBz回波高度<7 km的強對流個數占總個例數的30.83%，>10 km的占21.67%。在高炮人工防雹作業中，-10 ℃層回波強度峰值與45 dBz高度峰值演變趨勢相似。火箭作業中，45 dBz回波高度區間基本呈以7～8 km為中心的正態分布。當-10 ℃層回波強度出現峰值時，45 dBz回波高度強對流個數<6 km占總個例數的22.34%，<7 km的占41%，>10 km的占11.17%，6～9 km的占55.33%，7～10 km的占47.8%。由此可見，在高炮人工防雹作業中，需要關注45 dBz回波高度在7～9 km時回波的變化；在火箭防雹作業中可參考-10 ℃層回波強度和45 dBz回波高度是否在6～9 km并長時間維持作為防雹作業預警指標。

分析-20 ℃層回波強度峰值對應的45 dBz回波高度區間分布發現，高炮作業中，當-20 ℃層回波強度出現峰值時，45 dBz回波高度的變化區間并不表現為正態分布，45 dBz回波高度<7 km的強對流個數占總個例數的42.5%，<8 km的占57.5%，6～10 km的占49.17%，高炮人工防雹作業中，-20 ℃層回波強度峰值與45 dBz回波高度的躍增對應關系并不好，但是45 dBz回波高度達到8 km仍可作為高炮防雹作業的技術指標。火箭作業中，與-10 ℃層回波強度峰值的45 dBz回波高度區間變化類似，45 dBz回波高度以6～8 km為中心呈正態分布，>10 km以上時45 dBz回波高度的變化區間與-20℃層回波強度相關性減弱，45 dBz回波高度>10 km 強對流個數占總個例數的14.21%，<7 km的占49.2%，<8 km的占65.99%，5～8 km的占50.76%，火箭人工防雹作業中，-20 ℃層回波強度峰值與45 dBz回波高度在5～8 km時的對應關系好。

分析最大回波強度峰值對應的45 dBz回波高度區間分布發現，高炮作業中，當最大回波強度達峰值時，45 dBz回波高度<6 km的強對流個數占總個例數的22.50%，<6 km的占22.50%，<8 km的占59.58%，<10 km的占15.83%，6～10 km的占61.67%，由此可見，在高炮人工防雹作業中，最大回波強度與45 dBz回波高度的演變趨勢一致。火箭作業中，當最大回波強度出現峰值時，45 dBz回波高度的變化區間較為分散，45 dBz回波高度<7 km的強對流個數占總個例數的67%，<8 km的占80.71%，7～10 km的占27.00%，由此可見，在火箭人工防雹作業中，最大回波強度峰值與45 dBz回波高度的躍增對應不好，但45 dBz回波高度達到7 km仍可作為高炮防雹作業的技術指標。

2.3 回波頂高的演變特征對比分析

回波頂高反映了對流云上升氣流的強弱，常與強中心（回波核）高度、35 dBz回波高度、45 dBz回波高度以及VIL值等結合作為冰雹云的判別指標[9-10]。

從2013—2016年437個高炮或火箭作業的強對流過程回波頂高區間回波特征值統計（圖3）可看出，高炮作業的對流回波中，強中心高度峰值時回波頂高集中出現在10～16 km，沿13～14 km呈正態分布，8～13 km的回波個數89個，占回波個例總數的37.08%，13～18 km的129個，占53.75%，防雹作業個例中，強中心高度峰值與回波頂高的演變趨勢一致。開展火箭作業時，強中心高度峰值時回波頂高集中出現在10～16 km，沿13～14 km呈正態分布，<10 km的回波個數43個，占回波個例總數的21.80%，10～16 km的137個，占69.54%。可見防雹作業回波大多數都達到強對流回波的標準，演變過程中回波頂高和強中心高度峰值的演變趨勢相似，與國內研究結果一致[14-15]，高炮或火箭作業時，強中心高度躍增達峰值且回波頂高>10 km可作為人工防雹作業的優選作業部位和作業指標。

從35 dBz回波高度峰值對應的回波頂高區間分布看，在高炮作業中，當35 dBz回波高度出現峰值時，回波頂高表現為以13～14 km為中心的正態分布，回波頂高<10 km的回波個數僅為13個，占總個例數的6.6%，10～16 km的173個，占87.8%，回波頂高的變化區間躍增更加顯著。可見35 dBz回波高度峰值與回波頂高的躍增具有較好的對應關系。在火箭作業中，當35 dBz回波高度出現峰值時，回波頂高表現為以15～16 km為中心的正態分布，回波頂高<10 km的強對流回波個數僅為23個，占總個例數的9.58%，分布在10～16 km的172個，占71.60%，回波頂高的變化區間躍增同樣顯著。35 dBz回波高度的演變可以表征雷達回波發展與回波頂高具有較好的對應關系。35 dBz回波高度躍增且回波頂高>10 km 時，可作為防雹作業的優選作業部位和作業指標。

從45 dBz回波高度峰值對應的回波頂高區間分布看，高炮作業中，45 dBz回波高度出現峰值時，回波頂高以12～15 km為中心呈正態分布，回波頂高<10 km的僅8個，占總個例數的4.06%，10～16 km強對流回波個數為155個，占總個例數的78.70%。在火箭作業中，表現為以13～16 km為中心的正態分布，回波頂高<10 km的強對流回波個數僅為24個，占總個例數的10%，10～16 km的165個，占68.7%，回波頂高的變化區間躍增同樣顯著。由此可見，45 dBz回波高度與回波頂高具有較好的對應，有研究得出最初冰雹增長區的等效因子是44 dBz[17]，為研究方便，國內常用45 dBz回波高度作為冰雹云的識別預報指標[10，16]。

高炮作業中，45 dBz回波高度出現峰值時，回波頂高更集中出現在12～15 km。而火箭作業中，45 dBz回波高度出現峰值時，回波頂高更集中出現在13～16 km。

從垂直積分液態含水量（VIL）出現最大值時回波頂高的區間分布可見，高炮火箭作業時，VIL峰值與回波頂高的線性正相關性較好，當VIL出現峰值時，回波頂高在6～16 km呈線性增加特征，隨著頂高增大VIL峰值的概率減小。

綜合分析可見，強回波高度、35 dBz回波高度、45 dBz回波高度和VILmax的躍增與回波頂高的躍增相關性較好，高炮防雹作業中10～16 km的回波頂高較好地對應著多個強中心高度的峰值，需要關注頂高>10 km的發展情況。在火箭防雹作業中10～15 km的回波頂高較好地對應著多個強中心高度的峰值，需要關注頂高>10 km的發展情況。

3 結論

在整理近年來滇中地區人工防雹作業資料統計的基礎上，通過數理統計分析了高炮火箭作業的對流云特征，對比研究了不同作業工具的作業指標，得到如下幾點結論：

（1）強回波強度的演變特征分析結果表明，不同作業工具下的強對流過程回波特征的演變具有顯著差異，可以發現因為防雹機理不同，火箭防雹作業效果更明顯，作業回波發展總體偏弱。2種作業工具的對流回波演變過程中45 dBz回波高度、VIL峰值的躍增均可作為冰雹躍增的重要指標，火箭作業則可多選擇回波頂高、35 dBz回波高度峰值的躍增作為冰雹躍增的重要指標。

（2）從45 dBz回波高度的演變特征來看，在高炮人工防雹作業中，45 dBz回波高度分布在6～9 km時與0 ℃層、-10 ℃層、-20 ℃層和最大回波強度峰值的對應關系較好，可作為高炮防雹作業的預警指標，45 dBz回波高度達8 km可作為防雹作業的指標。在火箭人工防雹作業中，45 dBz回波高度在5～8 km的躍增與0 ℃層、-10 ℃層、-20 ℃層和最大回波強度峰值的對應關系較好，可作為防雹的預警指標，45 dBz回波高度達7 km可作為防雹的作業指標。

（3）對回波頂高的演變特征分析結果表明，在高炮作業中，當強對流回波的強中心高度出現躍增，回波頂高>10 km時；45 dBz回波高度出現躍增，回波頂高集中出現在13～16 km時，都可作為高炮人工防雹作業的優選作業部位和作業指標。火箭防雹作業中，當強中心高度出現躍增且回波頂高>10 km同樣可作為火箭人工防雹作業的優選作業部位和作業指標。此外，在火箭防雹作業中，35 dBz、45 dBz回波高度、VILmax出現躍增時，需要關注頂高>10 km的發展情況。

（4）該研究為人工防雹作業中不同作業器具作業指標的研究提供了一定的思路，但對于火箭高炮防雹作業的認識方面還需要搜集更多的資料，加深對云南省人工防雹作業機理的認識，同時進一步研究不同作業工具作業前后的演變特征。

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