CINRAD雷达与车辆智能监控系统指挥防雹减灾新技术的应用

任朝武

（兵团第七师气象局，新疆 奎屯 833200）

0 引言

兵团第七师地处欧亚大陆腹地、 西天山北麓中段，是典型的干旱与半干旱气候区，海拔400～500 m，属北温带大陆性气候，昼夜温差大。自然灾害有冰雹、大风、霜冻和虫害等，其中冰雹是主要的农牧业灾害之一，经常给七师垦区的棉花、小麦、玉米等农作物带来严重危害。

1 冰雹云识别预警

在兵团第七师冰雹云天气识别通常是先确定是否有强对流体存在，然乎再通过回波形态（PPI：钩状、指状、弓形、人字形回波，V 形缺口，弱回波区等；RHI：穹窿、回波墙、旁瓣回波等）识别冰雹云[1]，这种识别方法准确率依赖于雷达观测人员的经验且离降雹发生时间较近，难以保障防雹作业取得最大效益。而过早实施催化作业不仅会浪费人力财力，且催化效果不明显。因此，早期准确识别雹云关系到防雹作业的成败。

利用第七师垦区2013—2018年5 次有记录的详细降雹天气资料做为统计样本，选取并定量分析几个判别因子，以便快速准确的识别雹云。

1.1 H40dBz、H45dBz、H50dBz回波高度与温度

H40dBz、H45dBz、H50dBz是第七师人影办利用新一代天气雷达RHI 识别雹云重要的指标，不同月份高度指标不尽相同。冰雹云的形成与云内温度分布有密切关系，尤其是H40dBz、H45dBz、H50dBz回波高度伸展到-6 ℃和-20 ℃温度层区间，是指挥人员判别雹云和指挥作业的主要指标。利用样本资料中冰雹天气发生当日08时克拉玛依气象局探空资料（见表1），计算出-6 ℃和-20 ℃温度层高度，并分析H40dBz、H45dBz、H50dBz随时间演变特征，得出冰雹云发展至成熟期H40dBz、H45dBz、H50dBz均在-6 ℃和-20 ℃温度层高度范围内。此前对克拉玛依气象局08 时探空资料的研究表明，本地区6～8月-6 ℃和-20 ℃温度层高度分别为4.99 km 和9.66 km；4月、5月和9月是6～8月各层高度的0.8～0.9 倍（统计估算），与冰雹天气实况对应较好。因此，可将H40dBz、H45dBz、H50dBz对应的高度和温度作为冰雹识别指标。

图1 一次辐合辐散始终伴随冰雹云天气过程

1.2 垂直液态含水量

对2013—2018年第七师夏季6 次降雹天气过程中垂直液态含水量变化（图略）进行分析，如2013年7月28日降雹前1 h 垂直液态含水量最大值为34.6 kg/m2，21：23～21：34 时，10 min 液态含水量由27.7～34.6 kg/m2增加了7 kg/m2，增长率为25%，21：45～21：56 时，10 min 液态含水量由25.6～31.7 kg/m2增加了6 kg/m2，增长率为23%，结合对应的最强组合反射率为60 dBz，H40dBz、H45dBz和H50dBz最强回波高度分别达到9.0 km 、8.6 km 和8.2 km，最大回波顶高达13 km，风速随高度增加而增加，风向自下而上由东北风转为西北风，2 km 以下为气旋性切变，雹云移动平均速度为31 m/s。对应地面资料乌苏市古尔图、四棵树、红旗等乡镇遭受洪水灾害，受灾面积0.27 万余hm2。2015年6月28日，液态含水量最大值为16.4 kg/m2，16：38～16：48 时，液态含水量由1.1～8.2 kg/m2增加了7 kg/m2，增长率为636%，16：54～17：05 时，液态含水量由11.5～16.4 kg/m2增加了5 kg/m2，增长率为43%。冰雹云自西北向东偏南方向移动，对应的最强组合反射率为54 dBz，H40dBz、H45dBz和H50dBz最强回波高度分别达8.6 km 、7.5 km和6.5 km，最大回波顶高达12 km，冰雹直径1.0～1.5 cm，第七师一三〇团受灾面积约0.13 万hm2。2014年、2016年、2017年和2018年4 次冰雹云天气过程分别对七师垦区造成较大灾害和农业损失。从垂直液态含水量变化（图略）可以看出，一是垂直液态含水量在降雹前跃增现象明显；二是通过对6 次降雹天气统计，冰雹云的垂直液态含水量较大，10 min 内的跃增幅度最小为23%，最大可达到636%；三是垂直液态含水量指标变化可以作为识别冰雹的较好指标。

1.3 云顶回波高度

2013—2018年第七师夏季6 次降雹天气最大回波顶高阶段性变化较明显。5月份的降雹天气最大回波顶高在8～9 km，6、7月份出现的降雹天气最大回波顶高都在10 km 以上，最高达到13 km，降雹时间与回波顶高达到最高值相吻合。冰雹灾害统计数据显示：2013年5月13日冰雹直径为0.3～0.5 cm，成灾面积0.4 万hm2；2014年5月22日冰雹直径为0.3～0.5 cm，成灾面0.07 万hm2；2015年6月28日冰雹直径1.0～1.5 cm，成灾面积0.13 万hm2；2016年6月23日冰雹直径为0.5～1.0 cm，成灾面积0.13 万hm2；2017年7月4日冰雹直径为0.5～0.7 cm，成灾面积400 hm2；2013年7月28日成灾面积0.27 万hm2，乌苏古尔图、四棵树、红旗等多个乡镇发洪水。结果表明，云顶回波高度与冰雹直径大小和降水量也有很好的相关性。

1.4 辐合辐散

统计第七师2013—2018年雷达回波资料，分析不同仰角（1.5°、2.4°、3.4°）径向速度场特征，抽取了强对流天气11 个，对7 个产生降雹天气、4 个强降水天气进行研究分析，得出每个降雹天气在1.5°和2.4°都出现了辐合辐散。根据风属性辐合辐散特征、ΔVr＞0 公式判定为风速性辐合的7 个、 辐散3 个、辐合辐散表现不明显1 个，伴随风切变6 个，逆风区5 个。在6 次降雹天气过程中，辐合辐散始终伴随着冰雹云天气过程，例如2018年6月30日，20：17 时1.5°仰角可以看到辐合，20：46 时云体在一二六团产生降水，1.5°和2.4°显示为辐散，其后可以看见一个较弱的辐合（见图1），实际情况显示，当日当时云体前部在降水，后部在移动过程中逐渐加强，21：17 云体再次发展成熟，在一二八团281、282 炮点之间降暴雨夹10 s 冰粒。

2 防雹作业智能监控系统

第七师车辆智能监控系统是七师气象局与烽火台合作开发的车辆GPS 定位系统，通过车辆智能监控系统可以实时准确掌握作业火箭车辆的位置和运行轨迹，使指挥人员能准确调集不同部门作业火箭车辆集中开展跨区域联合防雹（增雨）作业，在作业初期形成局部火力优势，达到早期催化作业的目的，进一步完善区域联防作业功能，提高催化作业效果。（1）通过新一代天气雷达的连续探测，可对冰雹云的位置准确定位，利用火箭车辆智能管理平台和火箭车辆的灵活性，及时而准确地对冰雹云进行早期催化。冰雹云天气演变较快，往往10 min 左右云体就可能发展成熟并产生降雹，一旦贻误战机，就会造成农牧业重大灾害。（2）第七师对雹云的作业时机越早越好，七师垦区识别雹云以40 dBz 高度达到0 ℃层以上就可指挥作业，如果是中空发展单体，应在初始阶段作业。作业部位以弱回波区或－6～－20 ℃的高度层为最佳，只要适时在弱回波区作业，破坏气流的上升作用，即可达到好的作业效果。由于冰雹云的移动和高空风力、风向等变化，使用火箭作业时误差较大，要做到精准作业难度较大。（3）举例：2018年6月30日第七师垦区受低涡短波影响，16：00 在一二六团北面不断有强对流单体发展，自西北向东南方向移动，21：20 新一代天气雷达测探测到云体高度9 km，40 dBz 强中心高度7 km，师联合防雹指挥部利用车辆智能监控系统及时合理指挥一二六团火箭车辆向前推进10 km 以上，进入到托里山区山脚下开展催化作业，一二七团火箭车辆向一二六团移动，一二八团火箭车辆向西北方向挺进，一二九团火箭车辆沿国道向一二八团方向移动，集中局部火力对冰雹云进行早期催化作业，当日共作业人雨弹267 发，火箭弹68枚，作业后防区外降了直径0.5 mm 冰雹，防护区内降10 s 左右小冰粒，无灾，作业效果良好。

3 防雹措施

近年来，第七师气象局一直采用联防区“三道防线”和“二打”“二不”“三跟随”防雹措施开展人影防雹（增雨）作业（见图2）。根据雷达探测回波，结合当日08 时探空资料，对高空温度分布了解清楚，以七师垦区雹云路径为基础，外推雹云移向和移速，做到提前科学布局地面作业网络火力点，根据雷达速度场产品提炼出所需雹云物理量参数，根据风速、风向、云内温度分布，决定作业高度（高炮仰角），确定作业部位，使用无线电台向各团、乡镇人影办下达作业指令。作业点接到作业指令后，在2～3 min 内完成发射任务，将催化剂送入预定区域内，作业5 min后，如果雹云危险性继续存在，则重复进行第二次作业；如果第二次作业后，降雹危险性仍然存在，则进行第三次，直至降雹危险消除或雹云移出联防为止。

图2 第七师联防区“三道防线”

4 小结

（1）通过探空资料查出适宜冰雹增长温度区（-6～-20 ℃）高度范围，工作人员观测到对流云时，分析H40dBz、H45dBz、H50dBz回波强度的高度，若在-6 ℃和20 ℃温度层高度范围内，需布置作业防线；（2）资料分析显示，云顶回波高度与冰雹直径大小和降水量呈正相关，并且垂直液态含水量有一个明显跃增现象；（3）冰雹云的发生发展往往伴随着气旋，且气旋的伸展厚度和维持强度决定了其发展速度和强度；（4）通过车辆智能监控系统，科学调动作业车辆，提前布局地面作业网点，对初始阶段冰雹云天气形成局部火力优势，达到提前催化目的。