三明地區火箭人工防雹作業技術應用分析*

楊隆輝 卜銀軍 沈永生 鄭世文

(1.泰寧縣氣象局，福建 三明 354400;2.三明市氣象局，福建 三明 365000)

1 概述

冰雹是在強對流天氣過程中產生的一種局地、短時、破壞力大的氣象災害。三明地處福建省西北部，屬冰雹災害多發區，當地農業經濟作物等經常因冰雹災害遭受重大損失，嚴重影響地方經濟發展。為此，2006年三明市氣象部門組建了以火箭發射系統為主的人工防雹作業隊伍。

我國開展人工防雹技術研究已有幾十年歷史。近年來，隨著專家學者研究的不斷深入，我國對冰雹云的內部流場特征有了進一步的認識，在人工防雹技術上也有了很大提高。施文全等[1]對利用天氣雷達指揮火箭進行人工防雹作業的技術方法進行了探討；許煥斌等[2-3]針對冰雹云中存在著“穴道—零域”結構的物理意義和應用要領進行了深入研究；王艷蘭等[4]利用雷達回波資料估算人工防雹作業用彈量。人工防雹技術是一項發展中的科學技術，如何確定冰雹云作業部位、火箭彈發射角度以及作業用彈量等人工防雹作業技術，需作進一步分析研究。本文采用三明地區人工防雹作業點地理信息和三明新一代天氣雷達回波資料、邵武探空資料等對人工防雹作業技術進行初步分析，并將該技術方法應用于2021年三明人工防雹作業過程，以期達到科學、精準、有效實施人工防雹作業的目的。

2 資料來源及處理方法

選取三明建寧縣、永安市人工防雹作業點地理信息，包括作業點海拔高度、經度、緯度；三明新一代天氣雷達獲取的人工防雹作業點方位、水平距離等信息；2021年5月9日三明新一代天氣雷達回波產品，包括組合反射率、剖面圖、回波頂、垂直累積液態水(VIL)等；2021年5月9日8時和20時邵武探空站探空資料，包括高空0℃、-4℃、-5℃溫度層海拔高度等。通過選取的資料、數據，分析冰雹云作業部位、火箭彈發射角度以及作業用彈量，確定人工防雹作業所需技術數據。

3 火箭人工防雹作業技術分析

3.1 確定冰雹云作業部位方法

許煥斌等[2-3]對冰雹云流場結構研究后認為，冰雹云流場存在產生冰雹的“穴道”，它一般在主入流區和相對水平速度為零的“零線”下側，AgI催化劑應在“穴道”區域播撒；其次，AgI的成冰閾溫為-4℃[5]，即AgI微粒只有在環境溫度低于-4℃的云層內，才能活化為人工冰核并同自然雹胚 “爭食”過冷水，從而達到抑制自然雹胚的成長。所以，冰雹云作業部位應選定在-4℃層高度以上的“穴道”區域。

找出冰雹云流場的“零線”位置是確定冰雹云作業部位的關鍵。本文以2021年5月9日三明新一代天氣雷達監測到的一塊冰雹云的雷達回波資料為例，找出冰雹云的 “零線”位置，再結合臨近探空站資料確定冰雹云作業部位。2021年5月9日15時42分，雷達監測到在江西寧都縣生成發展起一塊對流單體并以29km/h左右的速度由西南向東北方向移動，17時02分冰雹云移至福建建寧縣與江西廣昌縣交界處(見圖1)，此時冰雹云回波頂高12km,回波強度68dBZ,垂直累積液態水54kg·m-2,根據福建省人工防雹作業指標[6]，冰雹云已發展到成熟階段，需分析確定人工防雹作業部位。查看5月9日17時02分雷達體掃該冰雹云獲取的速度剖面圖(圖2)和反射率因子剖面圖(圖3)，通過分析雷達體掃相鄰時間內冰雹云的移動距離及所用時間，估算出該冰雹云實際移速約為8m·s-1，找出圖2中徑向速度為8m·s-1的區域，劃出“零線”。圖2白色劃線即為“零線”位置，將此白色劃線平移至該體掃時次反射率因子剖面圖對應位置(圖3)，反射率因子剖面圖白色劃線下側即為“穴道”區域。查看當日8時、20時臨近的邵武探空站-4℃層高度分別為4877m和5021m， 參考探空站資料，綜合天氣條件及“穴道”區域等因素，對防雹作業點17時02分-4℃層高度作出一定修正，假定取值為5100m，則冰雹云作業部位確定為“零線”下側且高度高于5100m(作業時應減除作業點的海拔高度)的上升氣流入流區。

圖1 5月9日17時02分組合反射率

圖2 5月9日17時02分速度剖面圖

圖3 5月9日17時02分反射率因子剖面圖

需要說明的是冰雹云正面移向或移離雷達站，“零線”可用該冰雹云的速度剖面圖找出，并平移至該體掃時次反射率因子剖面圖來確定冰雹云作業部位具體位置，冰雹云若不經過雷達站而從雷達兩側移過，則不適合用速度剖面圖找“零線”，可用該冰雹云反射率因子剖面圖找“零線”，“零線”會穿過懸掛回波的主軸，據此判定冰雹云“穴道”區域位置[7]。

3.2 確定人工防雹火箭彈發射方位角和仰角方法

火箭發射方位角的確定要視防雹作業點相對冰雹云的位置以及冰雹云的移動方向而定，當雷達監測到冰雹云移至防雹作業點有效射程范圍后，可利用雷達站、防雹作業點及冰雹云作業部位三點所組成的水平三角形。參照王斌等[8]對火箭發射方位角的研究結果，將雷達獲取到的防雹作業點和冰雹云作業部位的方位、水平距離等相關數據，代入事先編好的計算程序，算出發射方位角值。火箭發射仰角的確定則是當雷達監測到冰雹云移至防雹作業點有效射程范圍后，根據AgI催化劑播撒起點高度以及防雹作業點與冰雹云作業部位的水平距離(水平距離在計算發射方位角值時即可算得；也可將防雹作業點經緯度值和冰雹云作業部位投影到地面點處的經緯度值代入計算程序算得)，再查算BL-1A火箭彈彈射圖和彈射表[6]而得到。

以2021年5月9日三明雷達站監測到的一塊冰雹云雷達回波資料為例，來分析確定火箭發射方位角和仰角。9日17時08分，雷達監測到一塊冰雹云從江西境內以29km/h左右的速度由西南向東北方向移動并逐漸靠近福建建寧縣黃埠鄉大余作業點，見圖4黑圓圈處，17時11分左右冰雹云移至建寧縣黃埠鄉大余作業點火箭發射的有效射程范圍內。通過分析該時次雷達回波產品和查看當日8時邵武探空站-4℃層高度(對建寧縣黃埠鄉大余防雹作業點17時11分-4℃層高度作出一定修正后，取值為4700m)，即可確定冰雹云的最佳作業部位；將雷達獲取到的防雹作業點和冰雹云作業部位的方位、水平距離等相關數據，代入計算程序算得發射方位角值為243°左右；以冰雹云作業部位高度為AgI催化劑播撒起點高度，用計算程序算出防雹作業點與冰雹云作業部位的水平距離，作為火箭發射水平射程，再查看BL-1A火箭彈彈射圖和彈射表，確定發射仰角值為68°～70°左右。

圖4 5月9日17時08分組合反射率

3.3 計算火箭防雹作業用彈量

根據三明市出現冰雹時三明雷達回波產品VIL值資料初步統計結果[9]，本文取VIL值為35kg/m2作為人工防雹作業的閾值，同時視其面積大小估算作業用彈量。

由于三明地區使用的BL-1A型火箭彈AgI含量為10.8g，參考施文全等[1]對火箭人工防雹作業用彈量的研究結果，經計算，防雹作業用彈量M估算公式為：

M=0.1VbyQ

(1)

其中，Vby為強對流回波雹源體積(單位：km3)；Q為強對流回波平均含水量(單位：g/m3)，Vby和Q計算公式為[4]：

(2)

(3)

其中,htop為VIL≥35kg /m2所對應的回波頂平均高度(單位:km )，h-5為高空-5℃層高度，hstom為VIL≥35kg /m2對應的網格點風暴頂平均高度(大概為回波頂高減去2km)，V為強對流回波垂直累積液態水VIL≥35kg /m2對應的氣柱體積[4]。VIL取35kg/m2，SVIL取VIL≥35kg/m2所對應的面積。

4 應用實例

2021年5月9日13時30分，三明雷達監測到一塊冰雹云以28～30km/h的速度從清流縣由西往東方向逐漸移到永安市，14時33分，冰雹云西移并靠近永安市西洋鎮葛洲村人工防雹作業點，進入防雹作業點有效射程范圍內，雷達回波顯示冰雹云中心回波反射率強度58 dBZ，冰雹云回波頂高11km，VIL出現躍增現象。查看5月9日8時邵武探空站0℃層高度為4381m，-4℃層高度為4878m,永安市西洋鎮葛洲村防雹作業點海拔高度為240m，故火箭發射高度應高于4638m，對-4℃層高度作一定上調，取值為4800m，-5℃層高度為5022m，VIL≥35kg/m2網格點(4km×4km)一個，查看三明雷達回波資料，確定播撒AgI催化劑最佳作業部位；經計算，得出發射方位角為285°，發射仰角為70°，將有關數值代入計算程序，算得作業用彈量約8枚。14時37分，永安市西洋鎮葛洲村作業點防雹人員抓住時機，成功發射8枚火箭彈，作業后不久三明雷達監測到該冰雹云雷達回波反射率逐漸減弱,回波頂高降低，VIL減小，該人工防雹作業區未出現冰雹，獲得人工防雹較好效果。

5 結論

利用三明地區人工防雹作業點地理信息、三明新一代天氣雷達獲取的2021年5月9日冰雹天氣過程回波資料以及當日邵武探空資料等，對火箭人工防雹作業部位、射擊角度、作業用彈量技術方法進行分析，主要得到以下結論：

①雷達回波資料、探空資料等獲取的實時探測資料科學、客觀，用來確定冰雹云作業部位、火箭彈發射角度以及作業用彈量比較直觀便捷、科學有效，并在人工防雹作業中取得較好效果。

②單部雷達監測冰雹云因距離太近或太遠時，VIL值會存在偏差，導致計算作業用彈量出現偏差，故應采用多部雷達回波資料進行綜合分析VIL取值。

③人工防雹作業點與臨近探空站探測的高空0℃、-4℃、-5℃溫度層海拔高度數據因時間、空間不同而存在一定偏差，為達到精準、有效防雹作業，應對所需高空數據作適當修正。