袁金華 張婷婷 徐建飛 尹東昊

摘要 人工影響天氣工作在保障國家糧食安全、生態(tài)文明建設(shè)和重大活動保障過程中發(fā)揮了重要作用。開展人工影響天氣工作進行增雨、防雹作業(yè)，不僅是農(nóng)業(yè)抗旱和防雹減災(zāi)的需要，也是水資源安全保障、生態(tài)建設(shè)和保護等方面的需要。通過分析2022年8月25日的一次降雹天氣過程，介紹了系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能以及實時指揮防雹作業(yè)的技術(shù)流程，再現(xiàn)了系統(tǒng)對雹云初始回波、雹云類型的自動判別，以及作業(yè)預(yù)警、決策和作業(yè)方案輸出等技術(shù)環(huán)節(jié)和實時科學作業(yè)指揮過程。

關(guān)鍵詞 人工影響天氣指揮系統(tǒng)；預(yù)警指揮；應(yīng)用與檢驗

中圖分類號：P482 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）07–0183-03

人工影響天氣是人類運用現(xiàn)代科學技術(shù)，對局部大氣實施影響，實現(xiàn)增雨（雪）、防雹、消雨、消霧、防霜等趨利避害目的的活動。目前，世界上大規(guī)模開展的人工影響天氣活動主要集中在增雨、防雹、消霧等幾個方面。我國是世界上氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生、干旱嚴重的國家之一，也是人均占有水資源較少的國家。開展人工影響天氣工作，進行增雨、防雹作業(yè)，不僅是農(nóng)業(yè)抗旱和防雹減災(zāi)的需要，還是水資源安全保障、生態(tài)建設(shè)和保護等方面的需要，是實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

孫妍等[1]運用1960—2010年的冰雹天氣資料，統(tǒng)計分析了吉林省冰雹天氣的時間、地域分布特征，針對2008—2010年間的冰雹天氣過程進行分析，結(jié)果表明：吉林省冰雹天氣多在春、夏季出現(xiàn)，并多集中在13：00～19：00，冰雹在山區(qū)出現(xiàn)平均次數(shù)大于平原地區(qū)。

近年來，我國人工防雹工作取得了較大進展[2-4]，葉宗秀等[5]針對防雹作業(yè)過程的冰雹云演變特征及其效果的研究，很好地指導(dǎo)了各地有效開展人工防雹作業(yè)，利用本地閃電監(jiān)測資料，分析總結(jié)冰雹云的閃電時空變化特征和統(tǒng)計特征，找出適合本地使用的冰雹云預(yù)測識別指標，供災(zāi)害天氣預(yù)報預(yù)警和人工消雹防雹作業(yè)指揮參考和指導(dǎo)，減少冰雹災(zāi)害造成的損失。周毓荃等[6]研究表明，在決策時，需要綜合考慮天氣條件、地理條件、作業(yè)點分布、旱情分布等因素，同時考慮到在作業(yè)過程中為便于實時監(jiān)控飛行航線、作業(yè)動態(tài)，需要應(yīng)用地理信息系統(tǒng)。蘇立娟等[7-8]針對降雹機制和防雹新技術(shù)的研究均取得新的進展，為各地的人工防雹作業(yè)研究和防雹決策指揮系統(tǒng)的開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。周德平等[9]提出雷達識別冰雹云的一條重要經(jīng)驗是要提前識別，不要當冰雹在云中已經(jīng)形成快降落時才識別，要在冰雹形成初期識別。雷達不僅要識別冰雹云，而且要辨別出冰雹云的類型，因為針對不同類型的冰雹云，作業(yè)方法不同，不能對任何冰雹云都使用同一種方法，冰雹云的雷達回波特征和形態(tài)各地均有不同，即使在同一地方，不同時期出現(xiàn)的雹云，其結(jié)構(gòu)特征也有明顯變化。

王柏忠等[10]的研究指出，人工防雹作業(yè)是實施農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)措施之一，對我國農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)具有重要的氣象保障作用。目前，人工防雹作業(yè)中對冰雹研究的科學水平和探測技術(shù)裝備有了明顯進步，人工防雹在農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)中取得的經(jīng)濟效益顯著。

李斌等[11]利用防雹季雷達回波參數(shù)，采用物理統(tǒng)計學方法，重點分析了與冰雹云發(fā)展強度直接有關(guān)的最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和回波強度頂高等特征，發(fā)現(xiàn)人工防雹作業(yè)前后，冰雹云最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和40 dBz回波強度頂高等3個雷達回波參數(shù)指標發(fā)生了明顯變化。

1 人工影響天氣作業(yè)指揮系統(tǒng)介紹

人工影響天氣作業(yè)指揮系統(tǒng)研發(fā)是依托氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)，基于人工增雨和防雹作業(yè)等實際業(yè)務(wù)需要，對人影業(yè)務(wù)進行的專業(yè)補充建設(shè)。它是目前長春市地面人工增雨和人工防雹作業(yè)的主要指揮系統(tǒng)，在抗旱增雨保糧食安全、森林草原防滅火、水源地蓄水生態(tài)保護及人工防雹防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。隨著氣象數(shù)據(jù)環(huán)境的不斷升級，以及政府和公眾對天氣多樣化和時效性的需求，系統(tǒng)功能和效率不能滿足作業(yè)指揮需求，長春市氣象局引進了先進算法，并結(jié)合自身工作經(jīng)驗，對系統(tǒng)進行改造升級。

1.1 人工影響天氣作業(yè)指揮系統(tǒng)三維SCIT回波跟蹤技術(shù)和效果展示

系統(tǒng)采用改進的SCIT回波跟蹤技術(shù)、智能決策樹技術(shù)和三維雷達回波特征采集技術(shù)。全新的回波跟蹤技術(shù)增強了跟蹤效果，實現(xiàn)了對目標云體的全生命周期自動跟蹤，對雹云進行自動編號后，將其與長春84個人工防雹固定作業(yè)站相結(jié)合，自動計算雹云到前方防雹作業(yè)站的距離和時間，實現(xiàn)了對防雹作業(yè)的分級預(yù)警，使指揮人員和作業(yè)人員有充足的時間進行防雹作業(yè)準備。系統(tǒng)自動回波跟蹤和雹云移動路徑預(yù)測功能，能夠精確測算回波位置、移動方向、移動速度等，提供跟蹤目標和人影作業(yè)指標的精準比對，實現(xiàn)跟蹤目標的預(yù)警狀態(tài)提示和下游作業(yè)點預(yù)警作業(yè)參數(shù)計算，以及對冰雹云、對流單體、多單體的跟蹤識別預(yù)警（圖1）。

1.2 基于雷達回波跟蹤和特征采集技術(shù)的數(shù)據(jù)挖掘

基于智能回波跟蹤技術(shù)的雷達資料挖掘分析功能，能夠挖掘與提取多普勒雷達三維立體的特征數(shù)據(jù)，對雷達回波特征數(shù)據(jù)的時序變化進行分析。從雷達回波提取包括回波強度、頂高、強中心高度、液態(tài)水含量、液態(tài)水密度、閃電、自動站、不同強度的回波頂高度、不同強度的回波面積、不同強度的回波體積等幾十種雷達回波特征數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由智能回波跟蹤功能自動組成時序變化曲線，幫助預(yù)報人員和防雹指揮人員分析天氣系統(tǒng)的變化特征，可以對冰雹、強降雨、大風等天氣的雷達回波特征進行全面的分析研究（圖2）。

2 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果與分析

2.1 雷達決策與作業(yè)實時指揮

2022年8月25日，長春地區(qū)出現(xiàn)了一次降水過程，在此過程中應(yīng)用了該業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行觀測、預(yù)報和決策。首先，分析天氣形勢和雹云作業(yè)條件。2022年8月25日，三維人工影響天氣作業(yè)指揮系統(tǒng)從14：45到15：07連續(xù)跟蹤德惠朝陽雙城子的一塊回波（圖1）。圖1中的白色方塊顯示出系統(tǒng)對不同雷達回波體的連續(xù)跟蹤路徑。路徑持續(xù)的長度反映出智能雷達回波跟蹤算法的良好跟蹤效果。人影指揮人員通過雷達回波跟蹤路徑，判斷出回波的移動方向和移動速度，指揮作業(yè)點作業(yè)人員做好作業(yè)準備?；谥悄芑夭ǜ櫍袛嗳斯し辣⒃鲇甑淖鳂I(yè)條件、作業(yè)時機、作業(yè)參數(shù)計算水平，提升了預(yù)報精準度和指揮智能化水平。

通過回波的強度、高度、液態(tài)水含量等參量的變化趨勢，和防雹作業(yè)指標的自動比對，系統(tǒng)輸出預(yù)警狀態(tài)和下游作業(yè)點作業(yè)參數(shù)提示。指揮人員通過對目標回波進行剖面分析（圖3）和彈藥三維可視化模擬（圖4），顯示出冰雹云特征和作業(yè)的急迫性，人影值班人員根據(jù)雷達回波的特征等，指導(dǎo)德惠作業(yè)點作業(yè)人員作業(yè)，請令，空域未批準，德惠朝陽雙城子附近降直徑1～2 cm的冰雹。

2022年8月25日，系統(tǒng)對榆樹一塊回波進行連續(xù)跟蹤，從14：56分開始持續(xù)跟蹤到15：56（圖5）。指揮人員通過掌握的雷達回波強度、高度、液態(tài)水含量等的變化趨勢，分析冰雹云特征，進而指揮作業(yè)。

15：49作業(yè)前雷達回波強度達到最強（圖6），與作業(yè)路徑保持一致，在雷達回波強中心前方，符合作業(yè)條件，請令，指揮榆樹作業(yè)點作業(yè)人員開展作業(yè)，榆樹光明鎮(zhèn)作業(yè)點作業(yè)60發(fā)防雹彈，榆樹謝家作業(yè)點作業(yè)20發(fā)防雹彈，作業(yè)后，作業(yè)區(qū)雷達回波強度減弱，榆樹保壽鎮(zhèn)、謝家村作業(yè)區(qū)降軟冰雹，作業(yè)時機把握很好，未成災(zāi)（圖7）。

2.2 智能回波跟蹤技術(shù)提升了人影預(yù)警和指揮水平

系統(tǒng)根據(jù)雷達回波三維結(jié)構(gòu)分布自動判斷作業(yè)部位和作業(yè)時機，并自動計算作業(yè)參數(shù)。系統(tǒng)提供了豐富的回波跟蹤可視化功能。回波發(fā)展路徑的全流程可視化，可以對跟蹤目標的任意時間節(jié)點進行回放展示。圖8左側(cè)為輸出的作業(yè)參數(shù)，右側(cè)窗口為指揮人員選擇其中一個作業(yè)點展示的彈道曲線和作業(yè)部位。

3 結(jié)束語

針對此次天氣過程，長春地區(qū)3個作業(yè)點開展防雹作業(yè)，發(fā)射防雹炮彈90發(fā)，防護區(qū)內(nèi)無雹災(zāi)。此次上下聯(lián)動、科學高效的防雹作業(yè)，體現(xiàn)長春人影建設(shè)成效，起到了防雹減災(zāi)的重要作用，為長春地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改善生態(tài)環(huán)境和遏制森林火災(zāi)等作出了新的貢獻。

（1）在人影技術(shù)迅速發(fā)展的形勢下，長春局人影中心積極開拓創(chuàng)新，將人影指揮系統(tǒng)運用于實際人影指揮工作，更準確地捕捉了人影作業(yè)時機，智能化的作業(yè)指揮有效提高了作業(yè)效率。結(jié)合人影防雹站位置的預(yù)警功能，使冰雹云預(yù)警時間更早。尤其在2022年強對流天氣高發(fā)的背景下，通過平臺實現(xiàn)了人工防雹作業(yè)的精準指揮，保護區(qū)內(nèi)未見冰雹災(zāi)害發(fā)生。

（2）作業(yè)指揮系統(tǒng)中客觀化的仰角、方位角和用彈量計算功能，能夠科學地給出不同云系作業(yè)部位和作業(yè)用彈量，減少人工計算的時間和誤差，減少增雨和防雹時機的誤判。2022年8月25日16：02，榆樹秀水鎮(zhèn)和保壽鎮(zhèn)同時提示2個防雹站進行協(xié)同作業(yè)的建議，作業(yè)后20 min云系開始減弱，沒有產(chǎn)生降雹，增雨防雹作業(yè)效果得到大幅度增強。

（3）根據(jù)人影工作實際，建立和完善人工影響天氣預(yù)警作業(yè)指揮體系，提高增雨、防雹作業(yè)的科學性，提高作業(yè)水平，是防災(zāi)減災(zāi)工作可持續(xù)發(fā)展的實際需求，也是實現(xiàn)人工影響天氣高質(zhì)量發(fā)展，加快推進人工影響天氣工作由分散、粗放、相對獨立發(fā)展向集約化、研究型、安全性轉(zhuǎn)型發(fā)展的具體體現(xiàn)，提高了以智慧人影為主要特征的人工影響天氣現(xiàn)代化水平，為防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)、生態(tài)環(huán)境保護和修復(fù)、國家重大節(jié)慶日等活動等提供強有力的保障。

（4）長春局人影中心通過對系統(tǒng)的迭代升級，接入了“天擎”氣象大數(shù)據(jù)平臺和雙偏振雷達，改進雷達回波追蹤、新增效果評估等功能提高了人影指揮的科學性，較好地滿足了人影業(yè)務(wù)需求。但缺乏具體承災(zāi)體等實測資料，針對降雹的監(jiān)測、雹災(zāi)的調(diào)查和資料的收集缺少連續(xù)性和系統(tǒng)性，且本研究僅針對2次防雹過程進行分析，冰雹個例少，作業(yè)預(yù)警和決策的判別指標目前沒有進行細化，尚需進一步補充和完善。且由于作業(yè)區(qū)缺乏精密的云物理觀測設(shè)備，未對防雹過程中云層的微物理特征對雹云的影響等進行分析，仍需進一步開展相關(guān)研究。

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Application of An Artificial Weather Command System in Hail Prevention Operations in Changchun Area in 2022

Yuan Jin-hua et al（Changchun Meteor-ological Bureau， Changchun， Jilin 130000）

Abstract Weather modification has played an important role in ensuring national food security， ecological civilization construction and major activities. To carry out weather modification work to increase rain and prevent hail is not only the needs of agricultural drought relief and hail prevention and mitigation， but also the needs of water resources security， ecological construction and protection. By taking a hail weather process on August 25， 2022 as an example， the business functions of the system and the technical process of real-time command of hail prevention operations are introduced， and the automatic identification of the initial echo of hail cloud and the type of hail cloud， as well as the technical link of operation early warning， decision making and operation plan output and the real-time scientific operation command process were reproduced.

Key words Weather modification command system; Early warning command; Application and test