三明地区火箭人工防雹作业技术应用分析*

杨隆辉 卜银军 沈永生 郑世文

(1.泰宁县气象局，福建 三明 354400;2.三明市气象局，福建 三明 365000)

1 概述

冰雹是在强对流天气过程中产生的一种局地、短时、破坏力大的气象灾害。三明地处福建省西北部，属冰雹灾害多发区，当地农业经济作物等经常因冰雹灾害遭受重大损失，严重影响地方经济发展。为此，2006年三明市气象部门组建了以火箭发射系统为主的人工防雹作业队伍。

我国开展人工防雹技术研究已有几十年历史。近年来，随着专家学者研究的不断深入，我国对冰雹云的内部流场特征有了进一步的认识，在人工防雹技术上也有了很大提高。施文全等[1]对利用天气雷达指挥火箭进行人工防雹作业的技术方法进行了探讨；许焕斌等[2-3]针对冰雹云中存在着“穴道—零域”结构的物理意义和应用要领进行了深入研究；王艳兰等[4]利用雷达回波资料估算人工防雹作业用弹量。人工防雹技术是一项发展中的科学技术，如何确定冰雹云作业部位、火箭弹发射角度以及作业用弹量等人工防雹作业技术，需作进一步分析研究。本文采用三明地区人工防雹作业点地理信息和三明新一代天气雷达回波资料、邵武探空资料等对人工防雹作业技术进行初步分析，并将该技术方法应用于2021年三明人工防雹作业过程，以期达到科学、精准、有效实施人工防雹作业的目的。

2 资料来源及处理方法

选取三明建宁县、永安市人工防雹作业点地理信息，包括作业点海拔高度、经度、纬度；三明新一代天气雷达获取的人工防雹作业点方位、水平距离等信息；2021年5月9日三明新一代天气雷达回波产品，包括组合反射率、剖面图、回波顶、垂直累积液态水(VIL)等；2021年5月9日8时和20时邵武探空站探空资料，包括高空0℃、-4℃、-5℃温度层海拔高度等。通过选取的资料、数据，分析冰雹云作业部位、火箭弹发射角度以及作业用弹量，确定人工防雹作业所需技术数据。

3 火箭人工防雹作业技术分析

3.1 确定冰雹云作业部位方法

许焕斌等[2-3]对冰雹云流场结构研究后认为，冰雹云流场存在产生冰雹的“穴道”，它一般在主入流区和相对水平速度为零的“零线”下侧，AgI催化剂应在“穴道”区域播撒；其次，AgI的成冰阈温为-4℃[5]，即AgI微粒只有在环境温度低于-4℃的云层内，才能活化为人工冰核并同自然雹胚 “争食”过冷水，从而达到抑制自然雹胚的成长。所以，冰雹云作业部位应选定在-4℃层高度以上的“穴道”区域。

找出冰雹云流场的“零线”位置是确定冰雹云作业部位的关键。本文以2021年5月9日三明新一代天气雷达监测到的一块冰雹云的雷达回波资料为例，找出冰雹云的 “零线”位置，再结合临近探空站资料确定冰雹云作业部位。2021年5月9日15时42分，雷达监测到在江西宁都县生成发展起一块对流单体并以29km/h左右的速度由西南向东北方向移动，17时02分冰雹云移至福建建宁县与江西广昌县交界处(见图1)，此时冰雹云回波顶高12km,回波强度68dBZ,垂直累积液态水54kg·m-2,根据福建省人工防雹作业指标[6]，冰雹云已发展到成熟阶段，需分析确定人工防雹作业部位。查看5月9日17时02分雷达体扫该冰雹云获取的速度剖面图(图2)和反射率因子剖面图(图3)，通过分析雷达体扫相邻时间内冰雹云的移动距离及所用时间，估算出该冰雹云实际移速约为8m·s-1，找出图2中径向速度为8m·s-1的区域，划出“零线”。图2白色划线即为“零线”位置，将此白色划线平移至该体扫时次反射率因子剖面图对应位置(图3)，反射率因子剖面图白色划线下侧即为“穴道”区域。查看当日8时、20时临近的邵武探空站-4℃层高度分别为4877m和5021m， 参考探空站资料，综合天气条件及“穴道”区域等因素，对防雹作业点17时02分-4℃层高度作出一定修正，假定取值为5100m，则冰雹云作业部位确定为“零线”下侧且高度高于5100m(作业时应减除作业点的海拔高度)的上升气流入流区。

图1 5月9日17时02分组合反射率

图2 5月9日17时02分速度剖面图

图3 5月9日17时02分反射率因子剖面图

需要说明的是冰雹云正面移向或移离雷达站，“零线”可用该冰雹云的速度剖面图找出，并平移至该体扫时次反射率因子剖面图来确定冰雹云作业部位具体位置，冰雹云若不经过雷达站而从雷达两侧移过，则不适合用速度剖面图找“零线”，可用该冰雹云反射率因子剖面图找“零线”，“零线”会穿过悬挂回波的主轴，据此判定冰雹云“穴道”区域位置[7]。

3.2 确定人工防雹火箭弹发射方位角和仰角方法

火箭发射方位角的确定要视防雹作业点相对冰雹云的位置以及冰雹云的移动方向而定，当雷达监测到冰雹云移至防雹作业点有效射程范围后，可利用雷达站、防雹作业点及冰雹云作业部位三点所组成的水平三角形。参照王斌等[8]对火箭发射方位角的研究结果，将雷达获取到的防雹作业点和冰雹云作业部位的方位、水平距离等相关数据，代入事先编好的计算程序，算出发射方位角值。火箭发射仰角的确定则是当雷达监测到冰雹云移至防雹作业点有效射程范围后，根据AgI催化剂播撒起点高度以及防雹作业点与冰雹云作业部位的水平距离(水平距离在计算发射方位角值时即可算得；也可将防雹作业点经纬度值和冰雹云作业部位投影到地面点处的经纬度值代入计算程序算得)，再查算BL-1A火箭弹弹射图和弹射表[6]而得到。

以2021年5月9日三明雷达站监测到的一块冰雹云雷达回波资料为例，来分析确定火箭发射方位角和仰角。9日17时08分，雷达监测到一块冰雹云从江西境内以29km/h左右的速度由西南向东北方向移动并逐渐靠近福建建宁县黄埠乡大余作业点，见图4黑圆圈处，17时11分左右冰雹云移至建宁县黄埠乡大余作业点火箭发射的有效射程范围内。通过分析该时次雷达回波产品和查看当日8时邵武探空站-4℃层高度(对建宁县黄埠乡大余防雹作业点17时11分-4℃层高度作出一定修正后，取值为4700m)，即可确定冰雹云的最佳作业部位；将雷达获取到的防雹作业点和冰雹云作业部位的方位、水平距离等相关数据，代入计算程序算得发射方位角值为243°左右；以冰雹云作业部位高度为AgI催化剂播撒起点高度，用计算程序算出防雹作业点与冰雹云作业部位的水平距离，作为火箭发射水平射程，再查看BL-1A火箭弹弹射图和弹射表，确定发射仰角值为68°～70°左右。

图4 5月9日17时08分组合反射率

3.3 计算火箭防雹作业用弹量

根据三明市出现冰雹时三明雷达回波产品VIL值资料初步统计结果[9]，本文取VIL值为35kg/m2作为人工防雹作业的阈值，同时视其面积大小估算作业用弹量。

由于三明地区使用的BL-1A型火箭弹AgI含量为10.8g，参考施文全等[1]对火箭人工防雹作业用弹量的研究结果，经计算，防雹作业用弹量M估算公式为：

M=0.1VbyQ

(1)

其中，Vby为强对流回波雹源体积(单位：km3)；Q为强对流回波平均含水量(单位：g/m3)，Vby和Q计算公式为[4]：

(2)

(3)

其中,htop为VIL≥35kg /m2所对应的回波顶平均高度(单位:km )，h-5为高空-5℃层高度，hstom为VIL≥35kg /m2对应的网格点风暴顶平均高度(大概为回波顶高减去2km)，V为强对流回波垂直累积液态水VIL≥35kg /m2对应的气柱体积[4]。VIL取35kg/m2，SVIL取VIL≥35kg/m2所对应的面积。

4 应用实例

2021年5月9日13时30分，三明雷达监测到一块冰雹云以28～30km/h的速度从清流县由西往东方向逐渐移到永安市，14时33分，冰雹云西移并靠近永安市西洋镇葛洲村人工防雹作业点，进入防雹作业点有效射程范围内，雷达回波显示冰雹云中心回波反射率强度58 dBZ，冰雹云回波顶高11km，VIL出现跃增现象。查看5月9日8时邵武探空站0℃层高度为4381m，-4℃层高度为4878m,永安市西洋镇葛洲村防雹作业点海拔高度为240m，故火箭发射高度应高于4638m，对-4℃层高度作一定上调，取值为4800m，-5℃层高度为5022m，VIL≥35kg/m2网格点(4km×4km)一个，查看三明雷达回波资料，确定播撒AgI催化剂最佳作业部位；经计算，得出发射方位角为285°，发射仰角为70°，将有关数值代入计算程序，算得作业用弹量约8枚。14时37分，永安市西洋镇葛洲村作业点防雹人员抓住时机，成功发射8枚火箭弹，作业后不久三明雷达监测到该冰雹云雷达回波反射率逐渐减弱,回波顶高降低，VIL减小，该人工防雹作业区未出现冰雹，获得人工防雹较好效果。

5 结论

利用三明地区人工防雹作业点地理信息、三明新一代天气雷达获取的2021年5月9日冰雹天气过程回波资料以及当日邵武探空资料等，对火箭人工防雹作业部位、射击角度、作业用弹量技术方法进行分析，主要得到以下结论：

①雷达回波资料、探空资料等获取的实时探测资料科学、客观，用来确定冰雹云作业部位、火箭弹发射角度以及作业用弹量比较直观便捷、科学有效，并在人工防雹作业中取得较好效果。

②单部雷达监测冰雹云因距离太近或太远时，VIL值会存在偏差，导致计算作业用弹量出现偏差，故应采用多部雷达回波资料进行综合分析VIL取值。

③人工防雹作业点与临近探空站探测的高空0℃、-4℃、-5℃温度层海拔高度数据因时间、空间不同而存在一定偏差，为达到精准、有效防雹作业，应对所需高空数据作适当修正。