多普勒天气雷达在人工防雹中的应用研究
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摘 要：多普勒雷达作为现阶段在进行气象预报过程中应用范围较广的一种设备，在现阶段气象防灾减灾过程中产生了良好的效果。冰雹作为一种危害较大，对人们正常生产生活产生较大影响的一种自然灾害，随着近些年来气候变化的逐渐加剧，发生几率也在逐渐增加。通过应用多普勒天气雷达可以有效地实现对冰雹灾害的预测，降低其产生的危害。
关键词：多普勒天气雷达;人工防雹;应用分析
中图分类号：S16
文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715065
引言
经过多年的发展，我国现阶段在进行气象预报方面的能力已经得到加强，各种新型技术和设备的应用极大地提升了当前对于各种气象灾害的防治效果。人工防雹作为现阶段人工影响天气，实现防灾减灾目的的重要组成部门，在技术和设备使用的基础上效果也有了较大的提高。多普勒雷达作为其中具有较强代表性的一种设备值得进行研究。本文将就此展开讨论。
1 冰雹灾害产生的气象背景分析
1.1 发生冰雹灾害之前的天气形势配置分析
以2015年6月河北省发生的一次冰雹灾害来看，华北平原地区500hPa受高空冷涡底部的高空槽影响，冷涡经向度大，西北部不断有冷空气补充南下。东侧高压脊阻挡，西侧阻塞形势建立，环流稳定少动。冷涡附近温度槽落后于高度槽，冷涡南部出现20m/s以上的大风速核，这是河北省出现冰雹的典型配置。700hPa冷涡结构明显，河北东部位于冷涡东南象限，850hPa风向风速切变位于河北中东部，温度脊配合风场，有暖平流位于河北东部，为过程提供系统性不稳定条件。地面是西高东低的气压场形势，气压梯度大值区位于河北西部。从邢台探空图看，0℃层高度在4km（600hpa）上下，-20℃高度在6km（600hpa）上下，高度适宜，符合河北省冰雹发生标准。
1.2 多普勒天气雷达产品分析
从雷达回波特征看，强回波生成于保定地区，向东移过程中发展加强，到达沧州地区中心强度最大超过65dBz，前部有明显入流缺口。从强回波内的垂直结构特征分析，出现明显回波悬垂，强回波中心顶高超过15km，说明上升气流强盛，发展高度高。从组合反射率特征分析，强回波由4个回波单体组成，呈带状分布，强回波区域最大直径可达20km。垂直剖面显示，强度>50dBz的回波高度在10km左右，这些都是产生冰雹的典型特征。
1.3 发生冰雹灾害之前的水汽情况分析
对于冰雹发生前的水汽情况来看，在发生冰雹灾害之前华北地区上空水汽分布不均。近地层相对湿度较大，沧州地区相对湿度达70%以上，温度露点差小于4℃。700hpa到500hpa温度露点差达13℃以上，说明中层湿度小，为相对干层，这种上干下湿的水汽层结配置有利于强对流天气的发生。从水汽云图可以看到，在发生强对流天气之前，低层基本上是受到浅薄暖湿气流的控制，这些暖湿气流为冰雹灾害的发生提供了水汽和能量。
1.4 发生冰雹灾害的能量条件分析
较大的温度垂直递减率为冰雹天气发生的不稳定的层结配置，有利于不稳定能量的增加，一旦强對流触发，较强的不稳定能量从位能转化为动能，促使对流发展加强，所以强温度梯度是强对流发生之前的重要指标。通过对本次过程早晨08：00的温度场配置看，河北省中南部850hpa和700hpa温差达到30℃以上，温度直减率较大，达到了河北省强对流温差标准。分析对流有效位能可知，850hpa河北省中南部cape达1356J/kg，K指数达38℃，沙氏指数为-1.9，从各参数指标来看沧州地区存在着较强的不稳定能量，对冰雹的发生发展非常有利。
1.5 发生冰雹灾害的气象抬升条件分析
冰雹天气的触发抬升作用可由多种系统引发，如近地面的辐合线、露点锋、干线、局地热力抬升、地形抬升等。这是强对流天气发生的启动条件。本次过程在冰雹灾害发生之前，河北省中南部存在一条东北-西南向地面辐合线，冰雹风暴初始发生在辐合线北侧，强对流天气开始之后，地面辐合线发展加强，与强对流风暴发生发展起到相互促进作用。中层700hpa出现强烈的上升运动，200hpa对应负散度中心，这种低层辐合，中层上升，高层辐散的配置非常有利于对流天气的发展增强，出现冰雹的概率增大。
2 多普勒雷达获取到的资料产品研究
2.1 多普勒雷达的回波特征研究
通过对本次发生冰雹灾害的雷达回波特征进行分析可以发现，强回波发生于沧州西北部地区，强度最大超过65dBz，前部有明显入流缺口，说明风暴入流气流较强，发展强盛。强回波内的垂直结果特征为：中低层为有界弱回波区，中层有强烈的回波强度梯度，高层形成明显的穹窿结构，回波顶高伸展到15km，这是典型的冰雹回波特征。
从具体演变过程来看，回波强度大于50dBz区域自西向东移动，移动过程中，大于60dBz的强回波带先维持，后在与沧州原地生成的降水回波相遇后，减弱至小于60dBz。而沧州地区原地生成的降水回波在自身发展的同时与主回波带合并加强，强回波不断向东移动，经过路径出现了冰雹大风等强对流天气。在回波最强时段出现了明显的长钉特征，即三体散射特征，这是判断冰雹的出现的重要指标。
2.2 垂直累积液态水含量情况研究
垂直累积液态水含量（VIL）一般是对降水潜力、强对流天气的发生几率等气象状况进行研究的重要标志。通过采用多普勒天气雷达可以有效实现对这一气象特征的探测。通过对相关数据进行分析可以发现，在冰雹灾害发生之前，垂直累积液态水含量都会大于40kg/m2。这一数值随着冰雹的不断临近而不断增大，在冰雹灾害发生之后会出现降低。在本次研究中出现数值的跳跃情况，这意味着冰雹在这一段时间内不断增大。因此这一气象特征同样可以有效的指示冰雹的发生情况。 2.3 风的垂直廓线研究
通过对本次冰雹灾害发生前后的风廓线进行分析可以发现，地面风向为东南风，但是在925hPa以上风向就会变化为西南风。同时在相应高度风速会不断发生变化，风向随着高度的上升会出现顺时针的旋转，同时风速也会增大。从地面到925hPa这一范围内，风向由东南风在换变为西南风，同时500hPa之间的垂直风切变矢差大约为16m/s。强烈的垂直风切变有利于对流风暴的加强和维持。
3 人工防雹
3.1 人工防雹的原理与方法
冰雹天气属于强对流天气，一般都伴有自然降水的存在，先有降水，然后伴随冰雹的到来。人工防雹就是设法减少或切断给小雹胚的水分供应，一般需要向云中播撒足够量的催化剂，以产生大量冰晶，迅速形成更多的水滴或冰粒，造成同雹胚竞争水分的优势，从而抑制雹块的增长。
一般在人影作业点用高炮或火箭将装有碘化银的弹头发射到冰雹云的适当部位，以喷焰或爆炸的方式播撒碘化银，阻止冰雹继续增大，除此之外，炮弹爆炸后大量的粉塵，可作为水汽凝结核，快速将冰雹云中的水汽凝结成水滴以液态水降落到地面，截断新生冰雹或冰雹继续增大所需的水汽。最终达到冰雹数量的减少和控制冰雹体积的增大。人工防雹主要是减少降落到地面的冰雹数量并减小冰雹体积，同时增加了液态降水，但抑制或减轻了雹灾。
3.2 结合多普勒天气雷达产品进行人工防雹
结合多普勒天气雷达产品进行人工防雹是人工局部影响天气的一种重要手段，通过雷达探测确定空气中有冰雹云存在时，则可立即实施人工防雹作业。本次冰雹云回波参数的判定：回波高度在1min内增加了400m并且回波强度在每分钟之内平均上升了2dBZ，零度层以上出现强回波，在出现这种情况下即判定为冰雹云。在进行人工防雹作业的过程中，作业部位要选择在冰雹云体的前沿部位;同时，要确定上升气流区域防雹作业时机及用弹量与雷达回波强度、回波顶高度和回波单体面积、温度、回波性状的关系。
4 总结
本文通过对多普勒天气雷达在人工防雹中的应用情况进行研究可以发现，冰雹灾害作为强对流天气，主要会对低层切变线造成影响。同时由于受到冷空气的影响，对流气象出现迁移直至结束。由于低层辐合和高层辐散抽吸作用也使得这种强对流天气得到较长时间的发展。这在客观上为冰雹灾害的发展提供了有利条件。通过采用多普勒天气雷达可以在人工防雹过程中获得较好的效果，实现防灾减灾的作用。
参考文献
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[2] 周虎，陆晓静，赵蔚，等.宁夏“5·16”强对流天气跟踪分析及冰雹预报模型[J].沙漠与绿洲气象，2010（3）：22-25.
作者简介：
傅超（1983-），男，本科，工程师，研究方向：天气雷达原理及应用。
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