一次强雹云过程冰雹增长机制分析及防雹探讨

李红斌，胡志群，张靖萱

(1.大连市人工影响天气办公室，辽宁 大连 116001； 2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；3.沈阳市气象服务中心，辽宁 沈阳 110168)

随着新一代天气雷达在人工影响天气领域的迅速发展与普及，人们对雹云认识[1-3]及人工防雹作业能力在不断提高，对人工防雹新技术和理论研究也取得许多新进展[4-8]。一些省、市通过防雹实践和研究，建立了基于不同雷达参数的人工防雹指挥系统[9-12]，在很大程度上提高了对雹云的识别能力和人工防雹作业科技水平，但仍存在有待于完善的相关作业技术问题，比如雹云的早识别、早作业等问题，特别是针对成熟强雹云如何有效进行人工防御，最大限度地减轻冰雹灾害损失，仍需人们在理论和实践相结合基础上进行深入研究和探讨。

2018年9月29日，大连市出现了一次强降雹天气过程。该雹云生成于渤海上空的一条强对流回波带上，并随回波带在东移过程中呈波动式发展演变，在历经3个多小时后，于中午12∶51在大连北部沿海登陆，并迅速发展为成熟强雹云。市人影办采用雷达防雹作业决策指挥平台，实时指挥李官、土城相关作业点进行了人工防雹和联防作业，将雹灾损失降到最低。通过对本次强雹云雷达回波强度、强中心高度和垂直积分液态水含量等雷达特征参数作业前后变化分析，以及结合径向速度分析登陆时强雹云的空间结构特征等受到重要启示，并对强雹云有效人工防雹技术思路方法进行了深入探讨。

1 天气形势场及强雹云发展演变

1.1 天气形势场

2018年9月29日，大连出现了强降雹天气过程。对高空天气图分析发现，影响系统为典型东北冷涡形势场。在29日08时500 hPa天气图上，大连在东北冷涡东南部(见图1)，低涡中心位于辽宁西部，且与-28℃冷中心重合，表明东北冷涡正处于发展强盛时期；对应850 hPa图上为一条伸向大连的较强暖脊(见图2)，且暖中心为16℃，形成了温差达44℃上冷下暖较强不稳定大气层结,为强雹云(即雹云体积较大，云顶较高，可达9、10 km以上 ，生成发展可维持几个小时等) 中午登陆大连发展成成熟强雹云创造了热力和动力场条件[13]。

图1 2018年9月29日08时500 hPa天气图Fig.1 500 hPa weather diagram on September 29,2018

图2 2018年9月29日08时850 hPa天气图Fig.2 850 hPa weather diagram on September 29, 2018

同时，根据当天08时探空资料分析，零度层较低为2.8 km，登陆时雹云强回波(≥30 dBZ)中心高度达4～6 km(环境温度在-20℃～-30℃)，故分析雹云中较大冰块在降落过程中来不及融化[14]，落地产生强降雹，冰雹直径最大20 cm。

1.2 强雹云的发展演变

利用雷达PUP软件对2018年9月29日雹云雷达数据资料处理和反演分析，得到了雹云雷达回波强度和强中心高度两个特征参数，分析了雹云发生、发展和演变过程发现，影响大连的强雹云生成于29日上午9∶27渤海上空一条强对流回波带尾部(见图3，雹云回波平显、高显组合图)。初始雹云强回波(≥30 dBZ)高度较高，达9 km(见图3)，强度较强(>45 dBZ)，且强回波45 dBZ面积较大。该雹云生成后呈波动式发展，并随对流回波带自西向东偏北方向移动和发展演变，历时3 h已发展为强雹云(见图4，雹云回波平显、高显组合图)，于中午12∶51在大连北部沿海登陆时发展为成熟强雹云(见图5)，并在北部山区作业点李官及其周边(十几平方公里)范围内产生了较强降雹，持续时间6～10 min，最大降雹直径20 mm，当地主要作物苹果出现了不同程度的雹灾经济损失。

图3 9月29日9：20雹云初始回波PPI、RHI雷达强度组合图Fig.3 The hail cloud radar echo combination map at 9:20 on September 29

图4 9月29日12:14强雹云PPI、RHI雷达强度回波组合图Fig.4 The hail cloud radar echo combination map at 12:14 on September 29

2 人工防雹及相关分析

2.1 人工防雹

9月29日，采用雷达实时跟踪及防雹决策指挥系统对强回波带中雹云移动和发展演变进行反演，在12∶40，大连北部李官作业点第一次提出申请防雹作业，市人影办通过防雹业务平台，对12∶39雹云雷达回波强度、强中心高度等资料分析发现，雹云发展较强，虽未进入高炮射程，根据早识别、早作业原则[15]，指挥员立即申请空域，并调整作业方案[16]，指导李官作业点在12∶41实施了防雹作业，发射炮弹20发。根据分析，作业后，雹云强中心高度明显下降(见表1)。

表1 2018年9月29日12∶02～13∶04大连强雹云雷达特征参数及其变化特征Table 1 Characteristic parameters and variation characteristics of Dalian strong hail cloud radar from 12:02 to 13:04 on September 29, 2018

12∶45，防雹系统业务平台发出了作业预警，并输出李官、土城南、北两个作业点(见图5雷达平显黑实线下方两个红色正三角)防雹作业临近预警方案[16](即当雹云未进入射程，将要影响的作业点及相关信息)。人影办立即通知作业点做好防雹实施准备；12∶51雹云登陆大连，并迅速发展为成熟强雹云(见图5，强雹云雷达回波平显、高显组合图，黑实线为强雹云垂直剖线)，指挥平台发出了作业报警，并输出李官、土城防雹作业实施方案[16](即作业站点、雹云类型、作业工具、作业仰角、方位角和用弹量等)。

图5 2018年9月29日12:51雷达回波强度组合图Fig.5 Radar echo intensity combination map at 12:51 on September 29, 2018

经订正分析，此时成熟强雹云已进入高炮射程，市人影办通过空域申请后，于12：52指导李官、土城作业点实施了联防作业，共发射炮弹80发。其中，南边土城作业点(图5雷达平显黑实线下方南边红三角)45度仰角、连续发射炮弹40发，炮点周围下了软雹，李官炮点(图5雷达平显黑实线上的红三角)采用55°仰角，相隔几分钟，两次共作业40发，作业过程中开始降雹，结束后持续降雹近10，最大降雹直径20 mm，降雹范围跑点周边方圆10 km2，当地主要作物苹果遭受了不同程度的雹灾损失。经降雹实际调研，李官的防雹作业无意中保护了下游邻近区域精品苹果生产基地，将雹灾损失降到了最低。

2.2 强雹云雷达特征参数及其变化

对6 min一次雷达数据资料PUP处理和分析，获得了降雹前一小时雹云回波强度、云顶高度、强中心高度和垂直积分液态水含量雷达特征参数及其变化(见表1)，得到了对人工防雹有指示意义的启示：

对表1分析看到，降雹前一个小时(12：02～13：04)内，雹云回波强度发展较强，均在61 dBZ以上，登陆最强时达72 dBZ。雹云强中心高度较高，多在5 km以上，回波顶高在10 km以上，垂直积分液态水含量达38～43 kg/m2，雷达特征参数值均达到强雹云指标[16]；同时，对12：20回波资料分析发现，强雹云在海上产生了降雹，降雹后，强中心及云顶高度均下降1～2 km，液态水含量从43 kg/m2降到38 kg/m2，而回波强度略有减弱，表明降雹不很充分，几分钟后(12：26)又恢复为强雹云，呈现波动式发展演变，说明依托强回波带发展起来的强雹云，自然降雹很难影响到强雹云发展机制，因此，对防雹作业人员或是指挥人员均应引起重视。

在12：41，李官作业点实施第一次防雹作业后，雹云强中心和强回波顶高均下降1 km，分析可能与炮弹爆炸产生的水平冲击波减弱了雹云中最大上升气流[5]有关；在12：51雹云登陆时发展为成熟强雹云，各项雷达参数值均达最大(见表1)，即回波强度72 dBZ，强中心高度为4～6 km(见图5回波高显图)。李官、土城实施防雹作业后，李官作业点产生了较强降雹，降雹后雹云明显减弱，分析可能防雹作业以及强降雹促使雹云能量得到充分释放。

13时降雹后，强雹云明显减弱(见表1)，并向东偏北方向继续移动1个多小时减弱消亡。期间经历了3次再发展(均弱于登陆前)，且逐渐减弱，因此，依托于强对流回波带发展的强雹云，尽管实施了防雹作业并产生了充分降雹，仍会在有利的下垫面和热力条件下再发展，因此，早识别和反复作业是强雹云人工防雹的重要保障。

3 成熟强雹云结构特征及人工防雹探讨

通过对此次强雹云空间结构及防雹部位深入分析，结合降雹调研及作业技术等综合分析，对成熟强雹云有效防雹技术思路方法进行了探讨。

3.1 强雹云空间结构特征及防雹作业

对12：51在大连北部登陆时发展为成熟强雹云的雷达PPI回波强度做切向与径向(见图6黑实线)RHI雷达回波强度、径向速度，速度谱宽的垂直剖面图(见图7、图8)，并由此概略分析强雹云此刻的空间结构特征和冰雹循环增长轨迹示意图，以及人工防雹作业部位确定。

注：图中黑实线T、R分别为对强回波区做切向图7、径向图8剖面，雷达位于(0，0)处，刻度值为km。图6 12:51时0.5°仰角PPI图Fig.6 PPI chart of 0.5° elevation at 12:51

注：(b) 径向速度(蓝曲线为“零线”位置，蓝色椭圆为强回波区水平流场示意图，红箭头表示气流流进纸面，绿箭头表示气流流出纸面，低层逆时针气流旋转)；(d) 冰雹轨迹示意图(蓝粗实线为上升气流，紫细实线为冰雹循环增长轨迹，由小到大四个紫色实心圆代表不同直径冰雹)，红色箭头所指位置即为防雹作业区域，水平刻度值为km，垂直刻度值为100 m(下同)。图7 图6中黑实线T的剖面图Fig.7 Sectional view of the solid black line T in Figure 6

图7为图6中穿过强回波区的切向剖面图，从速度的切向剖面的正负速度，可以清晰地看出涡旋的旋转方向。从图7(b)中可以看出，强回波区(45～60 km处)低层(垂直为2～3 km)为明显的逆时针气旋环流，中高层(垂直为3～8 km)为顺时针反气旋环流，低层辐合，高层辐散，强烈的抽吸作用，导致旺盛的上升气流，并形成强雹云特有的弱回波区[4-5](图7a中水平为50～60 km，垂直2～4 km)和回波墙结构(图7a中水平为47～51 km，垂直2～8 km)；弱回波区的速度谱宽为大值区(图7c)，说明弱回波区的水平风场非常紊乱，即有强烈的水平涡旋运动，又有旺盛的上升运动[5]；图7(d)为结合图7(a)～(c)给出的冰雹循环增长轨迹示意图，其中红色箭头所指的弱回波区域即为强雹云防雹作业区域，该位置为“零线”起始区域，也即冰雹开始循环长大的起始区域[4]。通过在该位置播撒人工冰核产生人工雹胚，与自然雹胚“争食”云中过冷水，从而抑制大冰雹的形成[5]。

图8 图6中强回波区径向(线条R)剖面图Fig.8 Radial sectional view of the strong echo zone (line R) in Figure 6

图8为图6中强回波区的径向(黑线条R)垂直剖面图。从图8(b)中可以明显看到水平速度“零线”位置对应的强回波区(图中8(a))，即为冰雹循环增长轨迹区[4](图8(d))。整个强回波区域对应着大的速度谱宽(图8(c))，说明雹云内部流场变化非常剧烈[5]。图8(d)为强回波区(水平30～40 km)流场与冰雹循环增长轨迹示意图，蓝色箭头粗线为主上升气流，紫色箭头细线为冰雹循环增长轨迹[4]。其中，垂直向上的主上升气流区域对应强回波区，也是冰雹循环增长的区域，该型冰雹云动力结构，为典型的层状云引导型流场[17]，防雹作业部位应选择在弱回波区[17]。

3.2 强雹云有效人工防雹探讨

通过对9月29日强降雹实际调研和人工防雹技术分析得到：成熟强雹云依靠人力直接防御是困难的，甚至出现相反结果[14]。本文在借鉴山西[18]和新疆奎屯绿洲防雹研究与实践基础上受到启示，分析和探讨了成熟强雹云有效人工防雹的技术思路和方法，即两道防线法。

一道防线：在作物保护区内布设防雹作业点(或传统意义的作业点)。当初始阶段或发展阶段的强雹云进入防雹射程时，作业点可按作业流程和强雹云防雹技术方法实施作业[16]，即首选作业高炮，且作业部位为雹云强回波区前下方的弱回波区(10～30 dBZ)，用弹量40～80发/次等。经多年作业实践发现，作业后会下些软雹(或小雹粒)，不会出灾。

二道防线：在一道防线基础上，对重要作物保护区上游空旷地带或低值作物区增设防雹高炮。当成熟强雹云移入该射程时，可实施高炮作业(且仰角≥55°)，将炮弹打在雹云强中心[14]，促使强冰雹提前和充分降落，保护下游重要作物，将雹灾损失降到最低。

4 结论与讨论

(1)分析2018年9月29日大连市产生的强冰雹天气过程为典型东北冷涡形势场。从29日08时高空500 hPa图上看到，大连在冷涡东南部，低压中心与冷中心重合，表明冷涡正处于发展强盛时期；在850hPa图上对应一条伸向大连地区的较强暖脊，形成了较强不稳定大气层结，为强雹云在大连登陆发展为成熟强雹云创造了热力和动力场条件。

(2)通过对本次强雹云雷达回波反演分析发现，雹云是上午9:30 左右在渤海上空一条强对流回波带尾部生成，并随回波带东移和发展。经3个多小时发展为强雹云，于12:51在大连北部登陆时发展为成熟强雹云。市人影办及时组织相关作业点相继实施了人工防雹及联防作业，将雹灾损失降到最低。通过对雹云雷达特征参数及其变化进行了分析，得到一些对防雹作业有指示意义的启示：对实施防雹作业以及产生充分降雹的强雹云，仍需密切关注其发展变化，进行反复作业。

(3)对成熟强雹云空间结构特征进行深入分析，并结合降雹实际调研和作业技术总结，探讨了强雹云有效人工防雹的技术思路方法：两道防线法。即在一道防线(即传统作业点)基础上，在重要作物区上游空旷地带或低值作物区增设防雹高炮。当成熟强雹云进入该射程时，立即实施高炮防雹作业(仰角≥55°)，促使强冰雹提前和充分降落，以保护下游区域重要作物，将雹灾损失降到最低。