科右前旗冰雹天氣特征及防雹作業(yè)指標研究

摘要 近年來，受冰雹影響的區(qū)域越來越多，為了使得防雹作業(yè)更現(xiàn)代化、科學(xué)化，結(jié)合冰雹天氣的特征提出了建設(shè)性的防雹作業(yè)指標研究方案。一方面，通過監(jiān)測科右前旗地面變化的數(shù)據(jù)，綜合分析冰雹發(fā)生的時空特征，研究科右前旗冰雹天氣發(fā)生的規(guī)律。另一方面，結(jié)合地面人工防雹作業(yè)有關(guān)的數(shù)據(jù)和資料，確定地面人工影響天氣防雹作業(yè)的參數(shù)指標，為后期研究防雹作業(yè)指標提供幫助。

關(guān)鍵詞 冰雹；時空特征；作業(yè)指標

中圖分類號：P458.1+21.2 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）03–0175-03

冰雹和雨雪都是在云中形成后降落下來的，只有非常強盛的積雨云才能形成冰雹。冰雹天氣由于伴隨驟雨、大風(fēng)等，其破壞性非常強，它的形成是由于強對流天氣系統(tǒng)引起的。冰雹天氣會給人們造成嚴重的財產(chǎn)損失，甚至危及人們的生命。在我國的農(nóng)田中，冰雹災(zāi)害占自然災(zāi)害的損失大約為4%，每年2%～3%受雹災(zāi)影響。造成的經(jīng)濟損失高達20億元。冰雹天氣的特征非常明顯，如局地性強，發(fā)生時間急促且時間集中等。冰雹天氣通常會受到地形地貌、海拔、季節(jié)、緯度等不同因素的影響，因此其時空分布復(fù)雜多變。掌握冰雹天氣發(fā)生的規(guī)律和特征，可有效減輕冰雹災(zāi)害帶來的影響。

1 資料與方法

分析科右前旗境內(nèi)1996—2020年的地面觀測月報表數(shù)據(jù)，確定冰雹天氣發(fā)生的時空特征，充分掌握和了解冰雹天氣發(fā)生的規(guī)律，如頻率、趨勢、時間特征和途徑路線等詳細參數(shù)。除此以外，還需要持續(xù)記錄科右前旗境內(nèi)日常的云型和天氣溫度，以及回波頂高度和空氣中液態(tài)含水量等參數(shù)，可以為后期防雹作業(yè)指標的確定奠定基礎(chǔ)。

2 冰雹發(fā)生的時空特征

2.1 冰雹發(fā)生的頻率

不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，科右前旗冰雹發(fā)生存在明顯的地域性，分析1996—2020年科右前旗境冰雹發(fā)生的數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)隨著時間的變化，冰雹次數(shù)的發(fā)生呈增長趨勢，平均大約每年發(fā)生5次冰雹災(zāi)害。

2.2 冰雹發(fā)生趨勢

近2年來，科右前旗境內(nèi)發(fā)生冰雹災(zāi)害的次數(shù)大大超過了平均出現(xiàn)日，且整體冰雹發(fā)生的趨勢呈逐漸上升的趨勢。

2.3 冰雹發(fā)生時間特征

相關(guān)研究結(jié)果表明，科右前旗冰雹發(fā)生的時間多為6—9月，且夏季發(fā)生頻率高于秋季。冰雹在全天發(fā)生的概率都不相同，其中以12：00～21：00發(fā)生冰雹的概率最高，約占93.1%，其次14：00～17：00發(fā)生的概率約占52.2%，冰雹在全天發(fā)生的概率多集中于中午至傍晚，中午至下午發(fā)生的概率占50%左右。

2.4 冰雹發(fā)生路線

有資料表明，科右前旗冰雹成災(zāi)的路徑主要包括3條：第一，從索倫鎮(zhèn)、大石寨鎮(zhèn)及巴日嘎斯臺鄉(xiāng)所生成的雹云，是逐漸向東南方移動的；第二，從俄體鎮(zhèn)所形成的雹云，是逐漸向東方移動的；第三，從大石寨鎮(zhèn)形成的雹云，是逐漸向東方移動的。

3 冰雹的影響分析

3.1 地形對冰雹活動的影響

冰雹云常常發(fā)生于一些地形復(fù)雜的山區(qū)、山脈的迎風(fēng)坡和向陽坡的位置、山脈與平原連接的區(qū)域，以及陸地和河流連接的上風(fēng)區(qū)、山地和丘陵處等。興安盟地處大興安嶺南麓，嶺西地勢平緩，與內(nèi)蒙古高原區(qū)域接壤，嶺東地勢陡峻，與東北松遼平原接壤，自西北向東南呈現(xiàn)下降的階梯形，海拔依次由1 500 m降至100 m，山地和丘陵最多，占比95%，平原較少占比5%，大小河流200多條[1]。興安盟的冰雹發(fā)生路徑呈現(xiàn)東北—西南向帶狀的分布特征，冰雹災(zāi)害天氣主要集中在嶺東迎風(fēng)坡一帶，主降雹中心分別在阿爾山市和胡爾勒索倫、吐列毛都、巴扎拉嘎一線；次降雹中心分別在音德爾、衛(wèi)東、巴彥胡舒一線。

3.2 冰雹云移動的路徑分析

2013—2015年興安盟共計發(fā)生78次冰雹災(zāi)害，冰雹云移動的西北路徑最多，占比26%；其次是西南路徑，占比24%；偏西路徑占比23%；以上路徑多出現(xiàn)于高空冷槽型；零散發(fā)生的冰雹路徑占比22%；偏東路徑最少，只占比5%。該類路徑集中于高空冷渦型。西北路徑起源于阿爾山和科右前旗西北部，逐漸向東南方向發(fā)展，影響科右前旗、烏蘭浩特市、突泉縣、科右中旗西部等地。而偏西路徑主要起源于科右前旗西部，向東發(fā)展影響科右前旗、烏蘭浩特市、扎賚特旗西部、突泉縣北部等地；西南路徑起源于科右中旗西部，向東北方向發(fā)展影響科右中旗、突泉縣、科右前旗、烏蘭浩特市等地。局地零散路徑和地形的關(guān)系最大，起源于西北沿山地區(qū)、扎賚特旗北部、突泉西北部和科右中旗西北部，影響周圍所有地區(qū)[2]。偏東路徑起源于扎賚特旗東部，向西南方向發(fā)展影響烏蘭浩特市、科右前旗、突泉縣等地。

3.3 冰雹的影響分析

冰雹天氣是一種破壞性極強的災(zāi)害天氣，主要特征是發(fā)生范圍小、時間短、氣勢猛、破壞性強。冰雹造成的災(zāi)害程度主要取決于冰雹點的大小、持續(xù)的時間、地面積雹的厚度。

4 科右前旗降冰的環(huán)流背景系統(tǒng)分析

科右前旗冰雹天氣多集中在6—9月。進入初夏時節(jié)，天氣不僅少雨，地面氣溫還呈逐漸上升的趨勢，此時該地區(qū)極易形成冰雹，主要是因為該地區(qū)的高空呈現(xiàn)出西北氣流現(xiàn)象，各種冷空氣劇烈活動降低了層結(jié)的穩(wěn)定性。7月的科右前旗，地面溫度依舊不斷上升，受天氣系統(tǒng)等因素的影響，冰雹災(zāi)害頻繁發(fā)生。白天受到地面的輻射，地表升溫速度快，降水后增加了地層的濕度，在干冷空氣的影響下，增強了科右前旗對流的不穩(wěn)定性。此外，科右前旗基于熱力和動力的抬升作用，伴隨低層的輻合切變和垂直風(fēng)切變，頻繁發(fā)生降雹天氣[3]。

5 科右前旗高炮與火箭防雹作業(yè)效果對比試驗分析

人工影響天氣最常用到的方法包括3種：統(tǒng)計檢驗法、數(shù)值模式檢驗法和物理檢驗法。物理檢驗法又被分為間接和直接2種物理檢驗法。各種檢驗方法大相徑庭。其中，間接物理檢驗法主要檢驗和分析的是防雹作業(yè)后地面的降雹、降水變化，而直接物理檢驗法主要檢驗的是作業(yè)實施過程中云體的變化情況。檢驗人工增雨和人工防雹效果最大的難度是無法準確地判斷云體的變化是屬于自然變化還是人工干預(yù)的變化。理論上，數(shù)值模式檢驗?zāi)軌蚰M云體的自然演變和人工干預(yù)演變，實際上，目前的云數(shù)值模式是在基于很多假設(shè)的前提下進行模擬的，因此，無法真實地模擬出云體的變化情況。本次試驗采用的是物理檢驗法和統(tǒng)計檢驗法相結(jié)合的方法，借助多普勒雷達探測器，實時監(jiān)測并記錄每次作業(yè)的用時和方位，以及雷達的回波，分析上述參數(shù)，畫出每次作業(yè)實施的云體，統(tǒng)計和分析雷達回波的最大反射率因子和回波頂高，以及強回波頂高和35 dBz回波頂高的作業(yè)使時間。此外，分析作業(yè)后不同時間段的云體變化，時間選擇5、10和15 min 3個階段。

由于受到多普勒雷達探測范圍的限制，本試驗選取了17個作業(yè)點，168個高炮作業(yè)樣本、10個火箭作業(yè)樣本進行研究。在選擇作業(yè)樣本時，不僅排除了多次聯(lián)合作業(yè)的影響，還排除了其他作業(yè)點的作業(yè)影響。

表1是高炮與火箭作業(yè)效果對比試驗的分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)表。表l的數(shù)據(jù)來源于17個樣本分析的結(jié)果，依次對比了在5 min、10 min和15 min時段雷達回波的最大反射率因子和回波頂高、強回波頂高，以及35 dBz回波頂高減弱、維持和增強的數(shù)值變化情況。

通過觀察上表數(shù)值發(fā)現(xiàn)，通過作業(yè)后，減弱的云體要明顯多于增強的云體。在作業(yè)5～15 min之間發(fā)現(xiàn)減弱的比例呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，充分說明作業(yè)后10～15 min可以有效抵制云體的持續(xù)發(fā)展。分析云體回波頂高變化和35 dBz回波頂高變化，以及云體強回波頂高變化的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，作業(yè)后5、10及15 min對云體的抵制呈現(xiàn)出先減弱，然后維持，最后增強的趨勢。

綜合分析表1云體回波的最大反射率因子、回波頂高、強回波頂高和35 dBz回波頂高的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在作業(yè)后5～15 min，50%以上的云體出現(xiàn)減弱的趨勢，說明作業(yè)獲得了有效的結(jié)果。尤其是回波頂高、強回波頂高在作業(yè)后10～15 min，云體的減弱比例是非常顯著的。最大反射率因子、35 dBz回波頂高在作業(yè)后10～15 min，云體的減弱比例也是顯著增加的。由表1相關(guān)數(shù)值可以得出，在實施作業(yè)的后5 min這一時間段，根據(jù)回波最大反射率因子與強回波頂高的轉(zhuǎn)變結(jié)果可得出使用火箭的抵制效果更優(yōu)于高炮；而從回波頂高與35 dBz回波頂高分析可得出，使用高炮的抵制效果更優(yōu)于火箭；分析作業(yè)后10 min的時間段的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，分析回波最大反射率因子和35 dBz回波頂高的變化的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，使用火箭的抵制效果顯著優(yōu)于使用高炮，而分析回波頂高和強回波頂高的數(shù)值變化發(fā)現(xiàn)，使用高炮的抵制效果卻優(yōu)于使用火箭；分析作業(yè)后15 min的時間段的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在雷達回波參量的變化上，除強回波頂高的變化之外，高炮和火箭對云體的抵制效果基本一致，分析強回波頂高的變化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用高炮的抵制效果顯著優(yōu)于使用火箭。

表2為防雹作業(yè)時刻雷達回波參量平均值，具體是對作業(yè)樣本所劃分的高炮作業(yè)、火箭作業(yè)、所有作業(yè)（高炮與火箭）3類防雹作業(yè)時刻雷達回波的最大反射率因子、回波頂高、強回波頂高和35 dBz回波頂高所得出的統(tǒng)計平均值。由表2所列數(shù)值可以得出，不論是所有防雹作業(yè)，還是分火箭防雹作業(yè)和高炮防雹作業(yè)，都是以防雹作業(yè)為基礎(chǔ)來抵制回波減弱的，通過其作業(yè)時刻雷達回波的最大反射率因子、回波頂高、強回波頂高、35 dBz回波頂高都大于維持和增強的這一結(jié)果，可以充分表明防雹作業(yè)抵制強對流云體的結(jié)果明顯向好。再深入對比火箭防雹作業(yè)和高炮防雹作業(yè)時刻的雷達回波參量可以得出高炮作業(yè)能夠抵制逐漸削弱的雷達回波的結(jié)論，還發(fā)現(xiàn)在作業(yè)過程中強于火箭作業(yè)抵制回波減弱，表明高炮和火箭作業(yè)都能夠有效抵制強對流，但如果遇到非常強的強對流云體的情況，總體而言高炮作業(yè)的表現(xiàn)要優(yōu)于火箭的作業(yè)表現(xiàn)[4]。

6 科右前旗高炮防雹作業(yè)指標分析

根據(jù)當前天氣環(huán)流的背景類型，在深入分析并確定云的種類后，選擇適宜的防雹地點，根據(jù)氣象設(shè)備監(jiān)測情況，準確定位防雹作業(yè)云層高度的區(qū)間。合理使用天氣雷達，能夠精準、高效地確定云和降水的方位、強度等特征。使用雷達圖能夠較為準確地得出防雹作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)指標，并再將該指標科學(xué)運用于人影作業(yè)指揮，這樣能夠為后續(xù)選擇適宜的作業(yè)方法、催化劑等提供參考。

6.1 防雹作業(yè)指標

在全面深入地統(tǒng)計與研究相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得出了科右前旗高炮防雹作業(yè)集中的時間點為6—9月的結(jié)論，正處于夏末至初秋這一時間段，這一結(jié)論和統(tǒng)計出的科右前旗降冰雹的次數(shù)是相同的。冰雹云從產(chǎn)生、變化最終消散這一過程大概會持續(xù)半小時甚至更短，在初期的10多分鐘內(nèi)，冰雹云的特征是移動速度較快、朝向一致的，根據(jù)以上特征開展作業(yè)時，必須不斷提高人工作業(yè)效率，快速識別冰雹云。在統(tǒng)計該地區(qū)近幾年降雹情況后，最終確定設(shè)置冰雹云強度為46 dBz、回波頂高為8 km，設(shè)置回波頂溫度最小值為-21 ℃，最大值為-15 ℃，0°層主要分布在490 hPa以下，其回波垂直結(jié)構(gòu)主要特征是上強、下弱。呈現(xiàn)出大冰雹案例的指標除上述幾種指標之外，還有強回波區(qū)強度指標，冰雹的強回波區(qū)強度數(shù)值為51 dBz以上，并且要持續(xù)擴大強回波區(qū)，保證其在-21 ℃等溫線區(qū)間內(nèi)。此外，冰雹的垂直積分液態(tài)含水量相對較高，達到了36 kg/m3。

6.2 作業(yè)用彈量指標

科右前旗在開展防雹作業(yè)的過程中，炮彈碘化銀含量約為1 g，成核率約為1.06×104個/g。在防雹作業(yè)完成后，為了保證其含水量能夠達到相關(guān)要求準則，還要設(shè)置人工冰晶數(shù)濃度，設(shè)置其最小值為102個/L，最大值為103個/L。當雹云面積約為6 km2時，其厚度約為6 km，此時受到催化作業(yè)的影響，高炮彈數(shù)量達到了3 000發(fā)。但是，在具體作業(yè)過程中，單個作業(yè)地點能夠用到的高炮只有1門，當防雹作業(yè)時間達到10 min時，高炮彈出量達到200發(fā)，然而該值與理論值相比偏差較大。根據(jù)使用催化劑的數(shù)量，結(jié)合已經(jīng)設(shè)定的云物理條件，科學(xué)、合理地確定催化劑的具體使用量。表3為國家氣象局所提供的高炮防雹作業(yè)指標用彈量。

7 結(jié)束語

經(jīng)過深入了解總結(jié)科右前旗境內(nèi)地面降雹時空特點后發(fā)現(xiàn)，其降雹次數(shù)是處于不斷增長狀態(tài)的，冰雹較為集中的時間段是夏季，并且下午出現(xiàn)冰雹的可能性占一天的50%以上。在使用雷達等科學(xué)設(shè)備后，高效地指揮了科右前旗高炮防雹作業(yè)，并根據(jù)作業(yè)情況總結(jié)了高炮防雹用彈量相關(guān)經(jīng)驗。在深入研究科右前旗境內(nèi)地面降雹時天氣情況與防雹舉措后，不但能夠最大限度地方便相關(guān)工作人員對冰雹的監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警工作，還能夠為防雹水平的提高提供保障，通過深層次地分析總結(jié)提高防雹能力，盡可能地減少冰雹帶來的災(zāi)害，發(fā)揮氣象助農(nóng)的作用。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛

Study on Hail Weather Characteristics and Hail Suppression Operation Indexes in Keyou Front Banner

Gu Xuan （Keyou Front Banner Meteorological Bureau， Xing’an， Inner Mongolia 137400）

Abstract In recent years， more and more areas were affected by hail. In order to make hail suppression more modern and scientific， put forward a constructive research scheme of hail suppression indicators based on the characteristics of hail weather. On the one hand， through monitoring the ground change data of Keyou front Banner， comprehensively analyzed the temporal and spatial characteristics of hail occurrence， and studyied the regularity of hail weather in Keyou front Banner. On the other hand， in combination with the data and information related to the ground artificial hail suppression operation， the parameters and indicators of the ground artificial weather modification hail suppression operation were determined to provide help for the later research on the hail suppression operation indicators.

Key words Hail; Space time characteristics; Operational indicators

作者簡介 顧軒（1989—），男，內(nèi)蒙古烏蘭浩特人，助理工程師，主要從事冰雹天氣特征及作業(yè)指標研究。

收稿日期 2023-01-11