◇福建省泰寧縣氣象局 楊隆輝

依據(jù)人工防雹理論和多年人工防雹實(shí)踐，對(duì)三明地區(qū)冰雹云的識(shí)別方法、火箭防雹的作業(yè)時(shí)機(jī)與部位、射擊方法與用彈量估算等進(jìn)行研究，并明確提出冰雹云識(shí)別指標(biāo)、火箭防雹的作業(yè)時(shí)機(jī)與部位、高效的射擊方法及用彈量估算的技術(shù)方法。

本文依據(jù)冰雹形成機(jī)理和防雹作業(yè)技術(shù)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)三明地區(qū)冰雹云的識(shí)別方法、火箭防雹的作業(yè)時(shí)機(jī)與部位、火箭發(fā)射時(shí)的角度、用彈量的近似計(jì)算方法等進(jìn)行研究，為提升人工防雹作業(yè)的效率與質(zhì)量，盡可能減少或防止冰雹對(duì)煙草植株的危害，保護(hù)煙農(nóng)種植煙葉的積極性。

1 冰雹云的識(shí)別方法

在強(qiáng)對(duì)流天氣中正確區(qū)別冰雹云和雷雨云，可以減少不必要的浪費(fèi)，提高防雹的科學(xué)性。在各種冰雹云識(shí)別方法中，多普勒天氣雷達(dá)因其回波形態(tài)演變特征、回波參量演變等可以對(duì)冰雹云的強(qiáng)度、位置及其移動(dòng)路勁等信息進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地追蹤，并為人工防雹作業(yè)提供防雹的最佳時(shí)機(jī)及部位、需要使用多少?gòu)椝幍葴?zhǔn)確的信息或參數(shù)參考，故而成為指揮人工防雹的主要工具。三明地區(qū)于2013年將布設(shè)在泰寧縣峨嵋峰的新一代天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)使用。新一代天氣雷達(dá)具有的較高時(shí)空分辨率、對(duì)強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣云體結(jié)構(gòu)特征演變準(zhǔn)確反映等特點(diǎn)為指揮員準(zhǔn)確及時(shí)指揮以及作業(yè)人員提前進(jìn)入防雹作業(yè)狀態(tài)提供了重要技術(shù)支撐。近年來(lái)，我國(guó)氣象專(zhuān)家學(xué)者利用雷達(dá)產(chǎn)品識(shí)別冰雹云進(jìn)行了大量的研究，并取得一些初步成果[1-3]。

整體而言，冰雹云的發(fā)展遵循以下特征：初始回波出現(xiàn)在0～-5℃的負(fù)溫區(qū)，隨著雹云的發(fā)展而表現(xiàn)出異常增長(zhǎng)，而45dBz強(qiáng)回波區(qū)往往出現(xiàn)在云體中上部。本文參照省局人影辦總結(jié)的人工防雹作業(yè)指標(biāo)及氣象權(quán)威專(zhuān)家研究結(jié)果得出的一些共性結(jié)論，給出新一代天氣雷達(dá)識(shí)別冰雹云指標(biāo)判據(jù)（見(jiàn)表1）。

表1 雷達(dá)識(shí)別冰雹云指標(biāo)判據(jù)

2 作業(yè)時(shí)機(jī)

相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)對(duì)冰雹云的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行密切關(guān)注。就初始雹云而言，一旦監(jiān)測(cè)到在5min之內(nèi)雷達(dá)的初始回波頂高呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì)（上升高度位于1000～2000m以上時(shí)），則能夠得出云體正快速增加，一旦出現(xiàn)這一現(xiàn)象則表明即將可以開(kāi)展人工防雹作業(yè)。若雹云已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，則按照固定點(diǎn)防雹作業(yè)方式對(duì)雹源部位進(jìn)行單點(diǎn)多次或多點(diǎn)過(guò)量催化，依然會(huì)有防雹效果。

在人工防雹作業(yè)開(kāi)展過(guò)程中，如何準(zhǔn)確把握雹云的躍增階段較為困難，再加上作業(yè)點(diǎn)具有固定性，因此該項(xiàng)作業(yè)必須征求航空管制部門(mén)的同意，給利用最佳作業(yè)時(shí)機(jī)防雹帶來(lái)難度，所以指揮人員在發(fā)布作業(yè)指令時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況盡可能估算出時(shí)間提前量，利于野外防雹作業(yè)人員抓住最佳作業(yè)時(shí)機(jī)。

3 作業(yè)部位

通常情況下，自然雹胚形成與增長(zhǎng)區(qū)域即為開(kāi)展作業(yè)的部位。在作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)使用雷達(dá)對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。由于-4℃為碘化銀的成冰閾溫，即在環(huán)境溫度低于-4℃的云層內(nèi)，碘化銀微粒才能活化為人工冰核，因此火箭播撒碘化銀微粒的高度必須達(dá)到或高于當(dāng)?shù)啬繕?biāo)云環(huán)境溫度-4℃層以上高度?？紤]到云中溫度一般稍高于環(huán)境溫度，作業(yè)起始高度應(yīng)在-4℃高度以上。通過(guò)云室測(cè)定，在-10℃時(shí)該復(fù)合焰劑經(jīng)高溫燃燒制備的碘化銀成核率達(dá)到1015個(gè)/g。因此，作業(yè)部位通常選擇在高空環(huán)境溫度-6℃高度層以上的自然雹胚形成、增長(zhǎng)的區(qū)域。

3.1 “穴道”、“零域”概念

根據(jù)許煥斌、段英[4]研究提出的人工防雹作業(yè)概念模型認(rèn)為，在雹云的主上升氣流邊側(cè)必然存在著水平速度為零的區(qū)域，這一區(qū)域被稱(chēng)為“零域”。另外，在該區(qū)域的垂直剖面上還有一條線(xiàn)，該線(xiàn)為“零線(xiàn)”。順著“零線(xiàn)”，水凝物粒子將會(huì)呈循環(huán)運(yùn)行增長(zhǎng)趨勢(shì)，之后還會(huì)進(jìn)入到以主上升氣流為主的冰雹長(zhǎng)大區(qū)，進(jìn)而形成雹。此時(shí)在“零線(xiàn)”下方的主上升氣流的旁邊還存在著入流區(qū)，該區(qū)域被稱(chēng)為冰雹的“穴道”，在“穴道”的入口位置處形成雹胚，之后隨著尺度的不斷增加，雹胚將會(huì)進(jìn)入到上升氣流區(qū)，以上即為形成冰雹的“穴道”理論。因此，在開(kāi)展催化防雹作業(yè)時(shí)，僅僅需要將催化劑播撒在“穴道”區(qū)域，就能夠使自然雹胚與人工雹胚之間由于相互“爭(zhēng)食”而對(duì)冰雹的成長(zhǎng)起到一定的抑制作用。

3.2 作業(yè)部位的確定

通常情況下，將催化劑播撒在“穴道”位置處，在對(duì)“穴道”位置進(jìn)行確定時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先找尋“零域”位置，即云體主上升氣流區(qū)及流場(chǎng)相對(duì)水平風(fēng)向幾乎為零的區(qū)域，這一操作可以使用多普勒雷達(dá)資料對(duì)其進(jìn)行判定，若雷達(dá)站與云體正面相對(duì)或相向，在對(duì)其進(jìn)行判定時(shí)往往使用徑向速度圖；當(dāng)云體從雷達(dá)站的側(cè)面經(jīng)過(guò)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行判定時(shí)通常需要借助懸掛回波的軸線(xiàn)，這一軸線(xiàn)顯現(xiàn)的位置就是“零域”的位置。另外，還可以直接使用風(fēng)廓線(xiàn)（VWP）等資料對(duì)“零域”的位置進(jìn)行判定。若多普勒雷達(dá)導(dǎo)出的風(fēng)廓線(xiàn)產(chǎn)品的回波移速與風(fēng)速保持一致，則其所處的高度就是“零域”線(xiàn)所處的高度。這一“零域”線(xiàn)高度位置處的下邊沿區(qū)域即為開(kāi)展人工防雹作業(yè)的部位。在開(kāi)展防雹作業(yè)時(shí)，既要考慮“穴道”的位置，同時(shí)也要滿(mǎn)足播撒區(qū)的溫度一般在-6℃高度層以上的自然雹胚形成、增長(zhǎng)的區(qū)域之間。一般，單體最大上升氣流區(qū)的確定往往使用多普勒雷達(dá)組織反射率因子產(chǎn)品，而播撒催化劑的位置往往選擇在單體移向的正前方及回波強(qiáng)度最外部30～40dBz位置處，并根據(jù)就近探空站資料如邵武站8時(shí)、20時(shí)探空資料計(jì)算播撒高度。

4 射擊方法

通過(guò)計(jì)算火箭發(fā)射架與冰雹云作業(yè)部位的方位角、仰角，作業(yè)人員在征得航空管制部門(mén)的同意后，及時(shí)發(fā)射火箭彈進(jìn)行防雹作業(yè)。防雹火箭彈飛行時(shí)彈道易受環(huán)境風(fēng)的影響，其尾翼升力所產(chǎn)生的力矩大于頭錐升力所產(chǎn)生的力矩。因此，火箭彈頭錐往往向著來(lái)風(fēng)方向。當(dāng)逆風(fēng)對(duì)火箭進(jìn)行發(fā)射時(shí)，受到風(fēng)向的影響，往往會(huì)導(dǎo)致火箭位于“低頭”狀態(tài)；相反，在順風(fēng)天氣條件下對(duì)火箭進(jìn)行發(fā)射時(shí)往往會(huì)使火箭位于“抬頭”狀態(tài)，另外側(cè)風(fēng)條件下將會(huì)導(dǎo)致火箭向著來(lái)風(fēng)方向，所以應(yīng)根據(jù)環(huán)境風(fēng)力大小適當(dāng)調(diào)整修正火箭方位角或仰角。

4.1 發(fā)射角度的計(jì)算

由于火箭彈是軸對(duì)稱(chēng)的，假設(shè)尾翼安裝無(wú)偏差，發(fā)動(dòng)機(jī)推力無(wú)偏斜，在無(wú)風(fēng)條件下，可以認(rèn)為火箭是在一個(gè)不變的垂直平面內(nèi)飛行。根據(jù)火箭彈運(yùn)動(dòng)方程，可以對(duì)每一種火箭彈，按不同的俯仰角計(jì)算其彈道，編制出不同俯仰角的彈道圖和彈道表分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 BL－1A火箭彈彈道圖

圖2 BL－1A火箭彈彈射表

4.2 火箭彈作業(yè)參數(shù)的修正

若出現(xiàn)過(guò)大的風(fēng)速時(shí)，風(fēng)往往會(huì)對(duì)尾翼式無(wú)控火箭的飛行彈道產(chǎn)生一定程度的影響，此時(shí)往往會(huì)以風(fēng)情為依據(jù)適時(shí)對(duì)作業(yè)角度進(jìn)行修正。為便于修正往往將風(fēng)向量分解為兩個(gè)方向，即橫側(cè)方向與發(fā)射方向。就前者而言，來(lái)自橫側(cè)方位的風(fēng)通常會(huì)導(dǎo)致方位角發(fā)生一定的改變，導(dǎo)致發(fā)射平面與火箭飛行彈道之間保持相同的距離，進(jìn)而導(dǎo)致火箭指向風(fēng)吹來(lái)的方向。在實(shí)際工作當(dāng)中應(yīng)當(dāng)以當(dāng)時(shí)風(fēng)速與發(fā)射角為依據(jù)對(duì)作者參數(shù)修正量進(jìn)行修正。若出現(xiàn)順風(fēng)時(shí)，通常應(yīng)當(dāng)降低發(fā)射仰角，相反則應(yīng)當(dāng)調(diào)高。如果出現(xiàn)橫側(cè)風(fēng)，則應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)方位角進(jìn)行調(diào)整，使修正方向與風(fēng)向保持一致。發(fā)射方向的風(fēng)將會(huì)對(duì)發(fā)射仰角產(chǎn)生一定程度的影響，當(dāng)為順風(fēng)時(shí)，風(fēng)將會(huì)導(dǎo)致火箭處于抬頭狀態(tài)；相反，則會(huì)導(dǎo)致其處于低頭狀態(tài)。

5 用彈量的計(jì)算

作業(yè)用彈量M計(jì)算公式一般為：

以上公式當(dāng)中，V代表播撒體積（km3），通常使用雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)估算；Q代表播撒云區(qū)內(nèi)的含水量（g/m3），一般選用絕熱含水量，往往使用探空資料或地面氣象資料進(jìn)行計(jì)算獲得；G代表0℃層高度位置處單個(gè)不成災(zāi)冰雹粒子的水質(zhì)量，其質(zhì)量通常為0.5g；F代表催化劑成核率（個(gè)/g），通常取-10℃時(shí)的成核率值；E代表人工冰核增長(zhǎng)為人工雹胚的概率，一般取10-4；n代表一枚火箭彈的催化劑（AgI）含量（g），BL－1A型火箭彈每枚催化劑（AgI）含量為10.8g。通常情況下，火箭播撒呈線(xiàn)狀分布，再加上彈道極易發(fā)生偏移，因此僅僅有很少一部分催化劑會(huì)進(jìn)入到指定的播撒區(qū)域。本文將有效播撒率的平均值選取0.2，則通過(guò)計(jì)算得出一枚火箭AgI的有效含量為2.2g。例如，將G=0.5g，E=10-4，F(xiàn)=1014，n=2.2代入上式，得

由上式可見(jiàn)，播撒區(qū)體積V與播撒區(qū)內(nèi)的含水量Q對(duì)火箭發(fā)射數(shù)量起到一定的決定性作用。就一塊中等尺度的對(duì)流單體而言，如果播撒區(qū)的體積為10 km3，含水量為6～8g，則通過(guò)計(jì)算得出只需要發(fā)射6～8枚火箭。

實(shí)際作業(yè)中，還應(yīng)在作業(yè)后根據(jù)雹云強(qiáng)弱，密切關(guān)注雷達(dá)回波變化決定是否繼續(xù)作業(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)火箭系統(tǒng)人工防雹技術(shù)進(jìn)行分析探討，明確三明地區(qū)利用新一代天氣雷達(dá)識(shí)別冰雹云的判據(jù)指標(biāo)，以及新一代天氣雷達(dá)在火箭防雹作業(yè)時(shí)機(jī)、部位、火箭防雹作業(yè)用彈量的近似計(jì)算方法等方面的應(yīng)用，以達(dá)到早識(shí)別、早作業(yè)，盡可能減少雹災(zāi)對(duì)煙葉等造成損害。

火箭防雹時(shí)間緊，技術(shù)要求高，各環(huán)節(jié)都要根據(jù)雹云的變化進(jìn)行適時(shí)適當(dāng)調(diào)整修正。指揮、作業(yè)人員應(yīng)充分利用近年建設(shè)運(yùn)行的新一代天氣雷達(dá)的準(zhǔn)確定位功能，再與高空站的相關(guān)資料相結(jié)合，以定量訂正影響其作業(yè)的參數(shù)因素，進(jìn)而盡可能在較短時(shí)間內(nèi)向作業(yè)點(diǎn)傳輸作業(yè)調(diào)整修正數(shù)據(jù)，使人工防雹作業(yè)更具精確性與有效性，發(fā)揮其應(yīng)有的威力。