朱世珍 龔靜 張玉欣 王麗霞 張博越

（青海省氣象災害防御技術中心，西寧 810001）

0 引言

冰雹是世界上很多地方經常出現(xiàn)的一種自然災害，對農業(yè)、工業(yè)、交通等都有影響，且大多發(fā)生在夏季作物抽穗至黃熟階段，對農作物的危害尤其嚴重[1-4]。了解雷暴云與降雹變化的物理過程，實施科學防雹作業(yè)及作業(yè)后效果評估，對于減少冰雹所造成的損失，提高人工防雹作業(yè)的科學有效性，推動云和降水以及人工影響天氣理論的發(fā)展具有重要意義[5-9]。長期實踐表明，利用高炮進行人工防雹作業(yè)是一種有效的方法，與相同條件下未開展人工防雹作業(yè)的單體相比，開展人工防雹作業(yè)的雹云單體雷達回波減弱速度更快、生命史更短，人工防雹能有效減少雹災和直接經濟損失[10-14]。

有關冰雹監(jiān)測預警方法和人工防雹技術已有很多研究。肖輝等[15]對陜西旬邑地區(qū)的防雹試驗研究表明，以45 dBZ回波頂高≥7.0 km，或以45 dBZ回波頂溫度＜－14 ℃，作為識別冰雹云的指標，再根據(jù)強回波生長情況，可提前5～10 min識別出冰雹云。付雙喜等[16]利用蘭州多普勒雷達資料中垂直累積液態(tài)含水量（VIL）產品資料，并結合甘肅中部地區(qū)降雨和降雹實測資料，提出了VIL識別冰雹云的判別指標，當VIL＞7.0 kg/m2時，預示有強對流天氣特別是冰雹天氣的出現(xiàn)，可提前20 min 預測降雹。王昂生等[17]在對昔陽地區(qū)冰雹云的研究中，概括出雹云單體生命史演變分“發(fā)生、躍增、醞釀、降雹、消亡”5個階段，作業(yè)時機應當選擇在發(fā)生、躍增、醞釀階段。田涵元等[18]研究指出影響人工防雹作業(yè)效果的主要因素是防雹時間和范圍的選擇，另外還和對流云單體的特征、季節(jié)等有密切關系。目前雖然已有一些人工防雹個例相關研究，但在雹云移動方向前沿開展區(qū)域聯(lián)防作業(yè)的個例較少[19-23]，且由于自然降雹的變率大，冰雹的局地性也較強，目前人工防雹理論水平還不夠成熟，需要因地制宜地開展防雹作業(yè)。

青海省地處青藏高原東北部，地形復雜，天氣多變，多冰雹。尤其在夏季白天，高原的加熱作用使局地輻合上升運動增強了大氣的不穩(wěn)定性，為對流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件，使這里成為雹災多發(fā)區(qū)[24-25]。受山脈走勢和大氣氣流的影響，發(fā)源于祁連山地區(qū)，沿西北—東南走向影響青海東北部是青海地區(qū)冰雹的最主要路徑。在時間分布上，5—9月冰雹占全年總數(shù)的98.6%，其中7月發(fā)生最多，占34.9%[26]。冰雹會給農業(yè)生產帶來極大危害，適時開展科學有效的防雹作業(yè)能帶來明顯的經濟效益。7月是防雹作業(yè)較為集中的時期，但在實際防雹作業(yè)時，由于作業(yè)時空域申請未能及時得到空管部門批準而錯過最佳作業(yè)時機、作業(yè)區(qū)域的云系不具備防雹作業(yè)條件等原因，能在合適的作業(yè)時機、合適的作業(yè)部位、以合適的作業(yè)劑量實現(xiàn)多點聯(lián)合防雹的個例較少。

2020年7月1日防雹個例為一次防雹作業(yè)較為及時合理、作業(yè)效果較為良好的個例。本文利用西寧CINRAD/CD多普勒雷達資料、MICAPS常規(guī)觀測資料等，從天氣形勢、環(huán)境條件、回波演變及防雹作業(yè)情況、效果檢驗等方面，對這次青海東部海東市樂都區(qū)的典型多點聯(lián)合防雹作業(yè)個例進行了簡要分析，為該地區(qū)冰雹監(jiān)測及防雹作業(yè)指揮提供決策依據(jù)。

1 天氣形勢

7月1日08：00（北京時，下同）在500 hPa（圖1a），自青海東北邊緣到四川盆地西部有一槽線，青海西南部有一高壓脊，整個青海東部處于槽后脊前西北氣流中，風速大概12 m/s，有較強冷平流。14：00地面圖上（圖1b），海東附近有23 ℃的暖中心，暖中心附近有一氣旋性輻合。上冷下暖的垂直結構有利于大氣層結不穩(wěn)定。且地面氣旋性輻合、局地熱力環(huán)流、地形抬升對局地強對流天氣有觸發(fā)作用。

圖1 2020年7月1日08：00的500 hPa形勢圖（a）和14：00地面圖（b）Fig. 1 500 hPa situation field at 08:00 BT (a) and ground map at 14:00 BT (b) on 1 July 2020

根據(jù)7月1日08：00西寧站探空資料（圖2a），400 hPa以下，層結曲線與狀態(tài)曲線幾乎重合，溫度與露點相差不大，且風向隨高度順轉，說明08：00大氣為中性層結，低層濕度條件較好，且有暖平流。400 hPa以上有明顯的干空氣層，溫濕層結曲線形成向上開口的喇叭形狀，大氣“上干冷，下暖濕”特征明顯，有利于形成熱力不穩(wěn)定條件。由于高原夏季午后陸地表面受日射而強烈加熱，有利于在近地層形成絕對不穩(wěn)定的層結，形成對流，此次對流活動發(fā)生在傍晚，因此很難根據(jù)08：00的探空狀態(tài)判斷傍晚的對流潛勢。利用16：00地面溫度、露點進行探空訂正后，CAPE值由21.8 J/kg增加到1551.9 J/kg，說明大氣層結向不穩(wěn)定方向發(fā)展。0 ℃層高度在4539 m，－20 ℃層高度在8010 m，高度適宜，有利于冰雹的形成[27]。20：00（圖2b），整層不穩(wěn)定能量減少，對流層低層濕度條件變差，對流活動明顯減弱。

圖2 2020年7月1日08：00（a）和20：00（b）西寧站T-lnp圖Fig. 2 The T-lnp diagram of Xining Station at 08:00 BT (a) and 20:00 BT (b) on 1 July 2020

2 防雹作業(yè)概況

青海省東部農業(yè)區(qū)包括門源、大通、湟中、湟源、平安、樂都、互助、民和、循化、化隆、尖扎和同仁12個縣（區(qū)），為全省主要農業(yè)區(qū)，也是全省的雹災高發(fā)區(qū)[28]。自1961年來的近60 a的資料分析表明，東部農業(yè)區(qū)的降雹天氣具有明顯的空間分布差異，降雹日數(shù)與海拔高度呈正相關，呈西北多，東南少的特征。且東部農業(yè)區(qū)降雹日數(shù)總體呈明顯減少趨勢，這除了與氣候變暖背景下南北緯氣溫梯度下降、大氣環(huán)流減弱等因素有關，可能也與人工防雹抑制減少了冰雹的出現(xiàn)有一定聯(lián)系[29]。

2020年7月1日下午，受高空槽后冷平流影響，青海省東部農業(yè)區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍的強對流天氣過程。14：00，青海湖以北至祁連山一帶有大量零星對流云單體生成；17：00，幾個先后發(fā)展起來的對流云逐漸合并，形成一條東西向的帶狀回波，自西北向東南方以約40 km/h的速度移動；21：00，對流云逐漸消散于海東市南部與甘肅省交界處。從圖3可以看出云帶的移向和演變，以及云帶相對于作業(yè)點的位置。17：00—18：40，湟源、湟中、互助三縣和海東市樂都區(qū)相繼遭受冰雹襲擊，直徑在1～9 mm，持續(xù)時間為1～14 min。18：41—18：44，海東市樂都區(qū)在雹云移動方向前沿的瞿曇、蒲臺、中壩、城臺四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)實施了地面聯(lián)合防雹作業(yè)，曲壇鄉(xiāng)吳家臺村、蒲臺鄉(xiāng)黑窯洞村、城臺鄉(xiāng)拉尕邑嶺村和中壩鄉(xiāng)泉腦村四個作業(yè)點同時進行高炮作業(yè)，分別消耗炮彈60、60、60、50發(fā)，共計230發(fā)。

圖3 2020年7月1日西寧雷達組合反射率圖（圖中黑點表示此次對目標云作業(yè)的四個作業(yè)點）（a）15：04；（b）16：04；（c）17：00；（d）18：39；（e）19：01；（f）20：02Fig. 3 Radar combined reflectivity map over Xining on 1 July 2020 (Black dots representing the four operating points of the target cloud operation)(a) 15:04 BT; (b) 16:04 BT; (c) 17:00 BT; (d) 18:39 BT; (e) 19:01 BT; (f) 20:02 BT

3 作業(yè)效果分析

多普勒天氣雷達能及時地監(jiān)測對流單體的發(fā)生、發(fā)展及其演變，在提前識別冰雹云、選擇判別作業(yè)時機、作業(yè)后效果檢驗中都能起到很好的作用。本文利用中國氣象局人工影響天氣中心研發(fā)的云降水精細處理系統(tǒng)（CPAS），對2020年7月1日西寧站CINRAD/CD多普勒雷達資料進行了處理，統(tǒng)計計算得到目標云人工防雹作業(yè)前后雷達回波最大反射率、30 dBZ回波頂高、組合反射率（CR）≥45 dBZ回波面積、VIL≥10 kg/m2回波面積等參數(shù)的變化，進行作業(yè)效果的物理檢驗。多普勒天氣雷達完成體積掃描周期為6 min左右，統(tǒng)計計算得到的各個參數(shù)也均為6 min左右時間分辨率的數(shù)據(jù)資料。

3.1 雷達回波參量分析

14：00開始，海北州海晏、門源、西寧市大通及海東市互助境內有對流回波出現(xiàn)，經過一系列合并發(fā)展之后，帶狀回波強度面積逐漸增大，形狀變?yōu)闄E圓形，強度不斷增強，逐漸移至樂都境內。如圖4a，18：39，強回波中心位于樂都區(qū)崗溝鎮(zhèn)，回波最大強度61 dBZ，回波頂高達到10 km，30 dBZ回波頂高達到7 km，VIL達到30 kg/m2；RHI圖像上，出現(xiàn)明顯的穹隆回波、回波墻、懸掛回波和旁瓣假回波等冰雹云回波的一些明顯特征，主回波頂在峰前出現(xiàn)“V”形缺口（圖5a）。許煥斌等[30]運用三維冰雹云模式模擬再現(xiàn)了這種現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)RHI主回波頂前的“V”形缺口，表征云中上升氣流十分強大，以致對平流層產生強烈沖擊，是強冰雹云形成的標志之一。18：41—18：44，青海省人工影響天氣辦公室（簡稱“人影辦”）組織樂都區(qū)人影辦在雹云移動方向前沿的瞿曇、蒲臺、中壩、城臺四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)實施了地面聯(lián)合防雹作業(yè)，作業(yè)點分布情況如圖4a所示。18：44，回波最大強度減小到57 dBZ（圖4b），回波頂高仍在10 km，30 dBZ回波頂高降低了1 km，降到6 km，VIL降到25 kg/m2，穹隆回波特征明顯減弱（圖5b）。根據(jù)青海省氣候中心提供的2020年的降雹日、降雹直徑和降雹持續(xù)時間等資料，18：41，樂都本站出現(xiàn)了持續(xù)時間小于1 min、直徑為1 mm的小冰雹 。18：39—18：43，位于強回波邊緣的洪水鎮(zhèn)、蒲臺鄉(xiāng)、高廟鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，直徑4～5 mm，使農作物受災。其中，實施了防雹作業(yè)的蒲臺鄉(xiāng)受災村數(shù)及受災人口明顯低于洪水和高廟鎮(zhèn) （數(shù)據(jù)來源：中國氣象局氣象災害管理系統(tǒng)，http://10.1.64.146/disaster/index）。18：44之后，回波強度逐漸減弱，強回波面積不斷減小直至消散。

目標云作業(yè)前后30 min回波最大反射率、30 dBZ回波頂高、CR≥45 dBZ回波面積、VIL≥10 kg/m2回波面積變化如圖6所示，圖中陰影柱表示防雹作業(yè)時段。18：11—18：28，雹云處于平穩(wěn)發(fā)展階段，回波最大反射率和30 dBZ回波頂高變化不大，CR≥45 dBZ的回波面積和VIL≥10 kg/m2的面積逐漸增大。18：28—18：39，回波最大反射率突然增大，前5 min內由57 dBZ增大到61 dBZ，30 dBZ回波頂高維持在7 km，CR≥45 dBZ的回波面積在后6 min內明顯增長，由1200 km2增大到1458 km2，VIL≥10 kg/m2的面積不斷增大，18：39增大到4821 km2，這種現(xiàn)象被稱為冰雹云的“躍增增長”現(xiàn)象。出現(xiàn)“躍增增長”時，45 dBZ強回波區(qū)比0 dBZ回波區(qū)增長得更快，云內上升氣流特別強，之后在地面都有降雹， 是冰雹云從生成到發(fā)展再到成熟過程中的一個明顯特征[31]。18：41—18：44，冰雹移動方向前沿的四個作業(yè)點同時進行了高炮防雹作業(yè)，消耗炮彈230發(fā)。作業(yè)后1 min，回波最大反射率從61 dBZ下降到57 dBZ，30 dBZ回波頂高由7 km降至6 km，CR≥45 dBZ的回波面積明顯減小，由1458 km2降至1022 km2，VIL≥10 kg/m2的面積由4821 km2降至4488 km2。作業(yè)后30 min，VIL≥10 kg/m2的面積不斷減小，回波最大反射率、30 dBZ回波頂高、CR≥45 dBZ的回波面積先不斷減弱，之后小幅回升后又趨于減弱，這可能與雹云被短暫抑制后，又有新生對流單體的發(fā)展與消亡有關。 以上參數(shù)的變化說明人工防雹可能對于冰雹云的結構有一定影響，對于雹云有一定的抑制作用。

圖6 2020年7月1防雹作業(yè)前后回波最大反射率、30 dBZ回波頂高、CR≥45 dBZ回波面積、VIL≥10 kg/m2回波面積演變圖（圖中陰影部分表示防雹作業(yè)時段）Fig. 6 Echo maximum reflectivity, 30 dBZ echo top height,CR≥45 dBZ echo area, and VIL≥10 kg/m2 echo area evolution diagram before and after the hail prevention operation on 1 July 2020 (the shaded part indicating the time period of hail prevention operation)

根據(jù)各地實際經驗[31]，一塊冰雹云移經一個高炮作業(yè)點，對于復合單體雹云，躍增階段用彈量一般＜50發(fā)，醞釀階段為50～100發(fā)，總用彈量＜150發(fā)。18：41—18：44，樂都區(qū)在雹云移動方向前沿的四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)相鄰炮點進行了同時作業(yè)，作業(yè)時機選擇在雹云躍增階段，作業(yè)時機基本合理；四個炮點消耗炮彈均≥50發(fā)，大于躍增階段所需用彈量，因此此次防雹屬于過量催化作業(yè)，作業(yè)劑量基本合理；四個炮點正好位于云系發(fā)展的路徑上，布局自西北向東南方向，作業(yè)位置位于雹云的前端、中間及末端，根據(jù)雷達及實施作業(yè)炮點位置及方位角估算，實施作業(yè)部位選擇在多單體強回波中心，作業(yè)部位基本合理。

3.2 雨量分析

為研究高炮防雹在抑制雹云發(fā)展的同時對降水的影響，將目標區(qū)內所有自動站的5 min累計雨量求平均，作為作業(yè)區(qū)平均雨量，作業(yè)區(qū)作業(yè)前后雨量變化如圖7所示。作業(yè)前，5 min平均雨量大部分在0.8 mm以下，18：41—18：44實施作業(yè)，作業(yè)后5 min之內，作業(yè)區(qū)平均雨量出現(xiàn)躍增，從0.89 mm增加到1.35 mm，然后平均降雨量又有所回落，降到0.6 mm以下，之后波動減小，19：45有小幅增長之后，又不斷減小。 與王芳等[32]在川西地區(qū)的一次人工防雹作業(yè)中發(fā)現(xiàn)作業(yè)前無降水，作業(yè)后1 h內突然產生大量級降水的結果較為一致，也與我國20世紀開展的土炮和高炮人工降水和防雹試驗中，發(fā)現(xiàn)炮擊后幾分鐘，原來不下雨的云落下雨滴，原來下雨的云出現(xiàn)短時間內雨滴加大、加密現(xiàn)象，即“炮響雨落”現(xiàn)象相一致[33]。

圖7 2020年7月1防雹作業(yè)前后目標區(qū)內5 min平均累計雨量演變圖（圖中陰影部分表示防雹作業(yè)時段）Fig. 7 The evolution of the 5 minute average accumulated rainfall in the target area before and after the hail prevention operation on 1 July 2020 (the shaded part indicating the time period of the hail prevention operation)

4 結論與討論

本文以2020年7月1日青海省海東市樂都區(qū)實施的一次典型多點聯(lián)合防雹作業(yè)個例為例，分析了此次冰雹產生的天氣背景和人工防雹作業(yè)情況，并利用雷達、雨量數(shù)據(jù)來檢驗防雹效果，為該地區(qū)冰雹監(jiān)測及人工防雹作業(yè)指揮提供決策依據(jù)。

1）此次降雹過程中，500 hPa高空槽后冷平流，400 hPa以下低層濕度條件較好且風向隨高度順轉，有暖平流，上冷下暖的垂直結構有利于大氣層結不穩(wěn)定。午后高原地面的強烈加熱作用，使大氣層結向不穩(wěn)定方向發(fā)展。地面氣旋性輻合、局地熱力環(huán)流、地形抬升對局地強對流天氣有觸發(fā)作用。

2）樂都區(qū)人影辦在雹云處于躍增階段時，在移動方向前沿的四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)相鄰炮點進行了同時過量催化作業(yè)，實施作業(yè)部位選擇在多單體強回波中心，共消耗炮彈230 發(fā)，作業(yè)時機、作業(yè)部位、作業(yè)劑量均合理。防雹作業(yè)后1 min，回波最大反射率從61 dBZ下降到57 dBZ，30 dBZ回波頂高由7 km下降至6 km，CR≥45 dBZ的面積由1458 km2降至1022 km2，VIL≥10 kg/m2的面積由4821 km2降至4488 km2；作業(yè)后30 min，以上各參數(shù)均趨于減小；作業(yè)后5 min，作業(yè)區(qū)平均雨量出現(xiàn)躍增現(xiàn)象。說明防雹對雹云有一定的抑制作用；在雹云躍增階段進行多點聯(lián)合過量播撒作業(yè)，能起到良好的防雹效果。

3）本文僅針對一次防雹個例進行分析，樣本不足，且由于此次個例利用的觀測資料較少，未能對防雹作業(yè)過程中冰雹云的微物理特征變化、影響機制等進行分析，今后仍需進一步收集更多個例，并利用多種資料對冰雹云宏微物理結構、防雹后作業(yè)效果等進行綜合分析，以提高人工防雹作業(yè)效果，有效減少雹災造成的損失。