龙岩人工防雹作业效果分析

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龙岩人工防雹作业效果分析

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人工防雹作业已成为减少和减轻冰雹灾害的最有效措施和手段。但是，防雹效果检验仍是人工影响天气工作者不断研究和探索的重要课题。更系统、更科学地评估龙岩市防雹效果，该文收集2004年以来的人工防雹作业雷达资料，选取典型个例对对流单体的雷达参数进行横向对比和纵向对比，并对人工防雹效果进行统计检验，结果表明，大部分作业后对流单体的回波强度、回波顶高度等均显著减小，并且增加作业弹量能有效增强防雹作业效果。该文进一步利用龙岩地区近15 年雷暴日数、降雹日数、种烟面积和雹灾面积，分析气候变化背景下的人工防雹效果，对人工防雹效果进行历史回归定量估计，从而得出龙岩的总体人工防雹效果，为以后更好地开展人工防雹作业提供依据。

人工防雹效果 雷达回波 统计检验 雹灾面积 龙岩市

1 概述

冰雹灾害是由强对流天气系统引发的剧烈的气象灾害，虽然出现的范围小、时间短，但由于其来势猛、强度大，常常给国民经济特别是农业生产造成严重的损失。龙岩市是全国八个“优质烟叶生产科技示范基地”之一，烤烟生产成为龙岩市国民经济的支柱产业之一。3～4月是龙岩市冰雹发生的集中期，此时正值烟叶主生长期，冰雹的袭击影响烟叶的产量和质量，因此雹灾对烟叶生成的影响尤为严重。为有效减少冰雹天气对经济发展的影响，龙岩市气象局从2006年以来开展了人工防雹作业。采用火箭进行人工防雹作业已成为减少和减轻冰雹灾害的最有效措施和手段，受到了各级领导的充分肯定和人民群众的普遍欢迎，并取得了显著的社会和经济效益。但是，防雹效果检验仍是人影工作者不断研究和探索的重要课题。就目前的科技水平而言，效果检验特别是防雹效果检验仍是世界性难题，很难给出令人信服的结论，虽然难度很大，但是不断发展的防雹业务需要开展针对效果检验方法的研究，并取得了一些初步成果。王庆等通过分析2008年5月23～26日冰雹过程，建立了防雹作业效果的物理检验（包括横向对比和纵向对比）、物理统计检验的效果评估思路[1]；王黎俊等人分析了青海省东部农业区近50年雷暴日数、降雹日数的变化趋势，说明了气候变化背景下的人工防雹效果，通过雷暴日数和雹灾面积的历史回归分析及显著性检验定量估计了人工防雹效果[2]。龙岩市气象局人影工作者在每次人工防雹作业后也进行了防雹作业效果评估，但都是以纵向对比的方法进行评估，所得结论有一定的局限性，因此有必要对龙岩市防雹效果做更系统、更科学的评估，为以后更好地开展人工防雹作业提供依据。

2 资料数据和方法

2.1 资料来源

2.1.1 人工防雹作业信息由龙岩市人影办提供。

2.1.2 雷达资料由龙岩雷达站提供。

2.1.3 冰雹灾情由从龙岩气象局信息中心的气候评价中获得。

2.1.4 雷暴日数的资料通过读取龙岩七个县的1961年至2013 年A文件的雷暴日数，2014年～2015年由于停止雷暴观测，雷暴资料通过读取地面重要报进行统计。雷暴日数的定义为：七个县只要有一个县出现雷暴即定义一个雷暴日，假如一天里有多个县出现雷暴不重复进行计算[3]。

2.1.5 2000年后的烟草雹灾面积资料由龙岩市烟草公司提供。

2.2 方法

每次作业过程的播撒高度及作业距离主要根据BL－1型火箭弹弹道曲线表（图1）计算得到。文中选取的有效防雹作业过程，指作业方位，作业仰角，射程和作业时机都合适，使得火箭弹催化剂在0°层到-20°层之间播撒。

图1 BL－1型火箭弹弹道曲线图

根据“九五”国家科技攻关成果[1,4]，陕西旬邑县（宝鸡与旬邑相邻，陇县与旬邑同属渭北地区）冰雹云识别指标：冰雹云初期回波和强回波都出现在0～-5℃之间，在云体的中上部，强冰雹云45dBZ回波顶高＞8km，弱冰雹云45dBZ回波顶高为7～8km。因此本研究只提取作业过程中冰雹云反射率大于45dBZ和回波顶高＞7km的个例。文中还采用4个雷达参数来表征冰雹云单体强度：最强反射率DBZ、整层液态水含量VIL（kg/m2）、风暴顶高度TOP（km）、强回波中心高度HT（km）。

文中使用的t-检验方法为成对双样本均值t-检验。

3 分析结果

3.1 防雹作业效果纵向对比分析

2014年3月28日下午，江淮气旋东移加强，低层西南急流影响，近地层受入海高压后部偏东风和西南气流辐合影响，上杭、永定、武平、连城等县局部乡村出现强雷电、短时大风或冰雹等强对流天气。16时在广东蕉岭有对流单体向东北方向移动发展，此时单体强度较弱。16:55，单体进入龙岩境内，B8单体强烈发展，迅速发展为成熟的超级单体（图略）。从图2可以看出，回波强度在60 DBZ以上，该强回波位于5km高度左右，风暴顶高增大到9km，VIL值也增大到35kg/m2以上，说明此时武平县的岩前已经出现冰雹，之后的2个小时超级单体继续向东偏北方向移动，回波强度并没有减弱，反而最强回波还达到65DBZ以上，VIL值甚至还一度增大到45kg/m2以上，风暴顶高增大到13km以上，所经之处武平县象洞，上杭县的庐丰、永定的培丰、坎市镇等地均出现冰雹。19:02，超级单体才从龙岩市新罗南部进入漳州境内，强度也明显减弱。据不完全统计，28日永定县受短时大风、冰雹影响烤烟受灾面积1600亩。

17:01至18:24，龙岩气象局组织人员在武平县岩前镇、上杭县中都镇和永定区湖雷镇三个作业点作业7次，发射火箭弹54枚（见表1）。7次作业过程播散高度都在5～6km(播散高度依据BL-1型火箭弹弹道曲线表计算得到，由于作业点海拔高度均小于300m，因此不考虑作业点海拔高度的影响)，而零度层高度在4010m左右，即火箭弹在0°层到-20°层之间播撒，因此作业仰角合适。7次作业过程中有2次作业方位打偏了，2次作业距离太远，因此以下只分析其余3次有效作业过程(表1中加粗部分)。

表1 2014年3月28日冰雹单体B8作业情况表

17:10至17:30，工作人员在上杭县中都作业点有效作业16枚，从图2可以看出，对于正在发展中的超级单体，虽然在中都作业点有命中冰雹云单体，但是从反应单体强度的4个参数来看，DBZ的减小幅度很小，而强回波中心高度、风暴顶高和VIL减小明显。作业后在下游地区仍然出现冰雹，分析此次作业过程失败的一个原因是在中都作业点作业时方位角没有及时调整，16时35分作业方位角仍然为330°，而此时冰雹云已经移至90°方向。还有一个原因是此次的冰雹云强度太强，虽然有作业16枚，但是仍然不足以消除冰雹云。

18时当超级单体移入永定境内，强度仍很强，B8单体仍然为冰雹云。18时12分左右，工作人员在湖雷作业点进行第三次作业，作业后冰雹云的组合反射率仍然非常强，但是风暴顶高和强回波中心高度均有显著降低（图2的18:33以后），在下游地区没有收集到雹灾信息。

图2 2014年3月28日16：15至20:17，B8作业单体最强反射率（DBZ）、VIL、风暴顶高（TOP）和强回波中心高度（HG）随时间变化及作业时雷达图和作业方位

3.2 防雹作业效果横向对比分析

2012年4月15日，高空槽和切变东移南压，低层急流位于切变南侧，输送暖湿气流。地面冷空气从中路南下，冷锋迅速南压。冷暖空气交汇使得强对流发展旺盛，龙岩地区出现强对流天气（当时0℃层高度为4475m）。16时44分在长汀南部有两个对流单体U0和U1发展东移南压（图3的16：44）。U0单体与U1单体相差25km左右，且两个单体的生命史也十分接近，都是在20时左右结束。U1单体在移动过程中由于附近没有作业点，没有防雹作业，而U0单体在移动过程中有进行人工防雹作业三次，因此这两个单体可以选作横向对比个例。

图3 2012年4月15日第一次作业过程两个冰雹云U0（北部三角形区内单体）和U1（南部单体）横向对比十字型的标志位作业点位置

16时58～59分，龙岩局组织人员在宣和作业点对U0单体进行人工防雹作业，用弹量6枚，作业方位270°，命中作业单体U0。作业仰角65°，据BL－1型火箭弹弹道曲线表计算可得，播撒高度在0℃层高度附近，作业有效。作业后U0单体减弱明显而U1单体仍然较强（图3的17:19和17:37），作业效果显著。从图4可以看出，U0单体经过作业后单体的各项雷达参数明显减弱，而U1还在发展，导致在下游地区出现冰雹（18:30左右，上杭县古田镇有收集到冰雹实况）。

表2 2012年4月15日冰雹单体U0作业情况表

图4 单体的最强反射率(DBZ)、强回波中心高度（HG）、液态含水量（VIL）、风暴顶高（TOP）演变（a——单体U0，b——单体U1）

4 统计结果检验分析

为进一步说明防雹作业的总体效果，本研究还对2011～2014年24个有效防雹作业个例中的冰雹云单体的4个雷达参数进行了统计分析。表3给出了24个个例作业前、作业半小时后的雷达参数（若作业半小时后对流单体已消亡，则用对流单体最后一个时次的雷达参数来表征）。从表3 可以看出，作业后冰雹云单体的DBZ、HG、VIL和TOP均显著减小，即冰雹云强度减弱。据统计，分别减小1.8、0.5、8.3和 1.8，减小百分率分别为3%、12%、25%和21%。所得结果进行t-检验，其中DBZ没有通过显著性检验，其余三个雷达参数通过0.05的显著性水平检验。虽然DBZ没有通过显著性检验，但是从作业前后的方差（分别为7.1和19）可以知道，作业后样本之间的差异较大，其中大部分DBZ减小，只有少数DBZ是增加的。对于这些作业后DBZ增加的作业个例都是处于超级单体发展阶段。从以上数据还可以看出，VIL减小的幅度最大，TOP次之。

表3 2011～2014年24个有效防雹作业过程中有效防雹作业过程冰雹云单体雷达参数变化

众所周知，在防雹作业方位、作业仰角、射程和作业时机都掌握好的前提下，用弹量越多，作业效果越好，为此对防雹作业弹量大于12枚的作业个例进行统计。24个作业个例中，有13次作业过程作业弹量大于12枚（表4），这些过程作业前后DBZ、HG、VIL和TOP减小的平均值分别为3.8、0.6、10.2和2.2，各个参数减小的平均值较之前均24个过程计算的平均值明显提高。同样对所得结果进行成对双样本均值t-检验，均通过了显著性水平为0.05的显著性检验，进一步证明了防雹作业弹量的增加能有效增加作业效果。通过以上分析对于正在发展阶段的对流单体，更加需要增加作业弹量，作业弹量最好能增加到16枚以上，才能有效抑制冰雹的发展。

表4 2011～2014年13个作业弹量大于12枚的有效防雹作业过程冰雹云单体雷达参数变化

5 历史防雹效果检验分析

对人工防雹前后的雹灾面积资料进行统计对比，并给出定量化防雹效果的统计检验方法而言，没有考虑到冰雹的自然变化趋势，因此该统计方法有一定缺陷。为了能更好地统计出人工防雹作业效果，考虑到雷暴日数与降雹日数之间呈正相关关系[3]，计算中认为雷暴日数能反映雹灾面积的自然变化（非人工影响）情况，本文借鉴王黎俊[2]的方法计算人工防雹效果，基本思路是：（1）以可反映冰雹产生自然背景的雷暴日数为自变量，以可直接反映人工防雹效果的雹灾面积为因变量。（2）在满足统计检验前提条件的情况下，以未实施人工防雹或效果不显著的年代为历史期，进行线性回归分析，逐年预测出人工防雹作业年份雹灾面积的自然期望值，并计算自然期望值与人工防雹作业年份雹灾面积实际值的差值。（3）通过显著性检验，可认为具有一定可信度的该差值是由非自然因素导致的人工影响变化值，并将该差值定义为人工防雹减灾面积，则该差值为正，值越大表明防雹效果越好。计算得到的人工防雹减灾面积能定量化表征人工防雹效果。

雹灾面积和雷暴日数的逐年变化曲线见图5，从图中可见，在2005年进行人工防雹作业以前，雷暴日数能很好地反映出受灾面积的变化，二者的相关系数为0.85。因此还是能用作历史回归分析。

图5 2000～2015年雹灾面积百分比和雷暴日日数逐年变化曲线

5.1 历史回归分析

以未进行人工防雹作业的年份2000～2005年为历史时期，由于二者具有较好的相关性，因此可以用于进行线性回归分析，线性回归线模型见图6。对回归方程进行F检验，F值为11，通过了显著性水平为0.05的显著性检验。同时对回归参数a=0.23和b=-9.49进行t检验，也均通过了显著性水平为0.05的显著性检验。因此可以用该模型预测人工防雹作业年份（2006～2015年）雹灾面积的期望值。

图6 2000～2005年3-6月雷暴日数与雹灾面积的线性回归

5.2 估算人工防雹作业减灾面积

图7给出了2006～2015年逐年人工防雹减灾面积①，由图可见，除了2012年以外，人工防雹减灾面积均为正值，即人工防雹作业减少了雹灾损失，尤其是2010年、2013年和2015年防雹效果好。而2012年，人工防雹减灾面积为负值，主要是由于2012年龙岩频繁受到冰雹袭击，出现了近10年最大雹灾。特别是2012年4月11～15日连续下了5日的冰雹，同时模式对于16日的强对流天气条件预报较弱，因此16日为临时启动防雹作业，烟叶损失严重，导致该年人工防雹作业效果差。

对2006～2015年逐年计算结果求平均，得到年均实际受灾面积为1.23万亩/年，年均雹灾自然期望值（若未进行人工防雹作业的可能受灾面积）2.30万亩/年，即可得年均人工防雹减灾面积为1.07万亩/年，因此年均防雹减灾率（人工防雹减灾面积与雹灾自然期望值的比值）为46.5%。

图7 2006～2015年雹灾自然期望值、实际受灾面积和人工防雹减灾面积（万亩）

6 结论

（1）横向对比分析和纵向对比分析表明，选取正确的作业仰角、作业方位的人工防雹作业能有效减弱冰雹云单体。对于衰减阶段的冰雹云单体（距离单体形成2个小时）进行人工防雹作业火箭弹14枚以上，能起到很好的防雹效果。而对于正在发展的超级单体（距离单体形成在半小时以内）进行防雹作业，发射火箭弹8枚或者不足8枚时，虽然在短时内能减弱冰雹云单体，但是冰雹云单体很快又能重新发展为超级单体。对于这种正在发展的超级单体，建议作业后形成“接力式”防雹作业。

（2）对24个有效防雹作业过程进行统计分析，结果表明，大部分作业后，DBZ、HG、VIL和TOP均显著减小，并且增加作业弹量能有效增强防雹作业效果。

（3）通过历史回归的方法分析了气候变化背景下人工防雹效果，并得到：2006～2015年的年均人工防雹减灾面积为1.07万亩/年，年均防雹减灾率为46.5%。

注释：

①人工防雹减灾面积是指雹灾面积的自然期望值与雹灾面积实际值的差值；

正值越大，防雹效果越好。

[1] 王庆,樊明月. 一次防雹作业过程的效果分析[C]// 中国气象学会年会, 2012.

[2] 王黎俊,银燕,郭三刚,等.基于气候变化背景下的人工防雹效果统计检验:以青海省东部农业区为例[J].大气科学学报, 2012, 35(5):524-532.

[3] 李照荣,丁瑞津,董安祥,等.西北地区冰雹分布特征[J].气象科技,2005, 33(2): 160-162.

[4] 李金辉.陇县防雹作业前后雷达回波变化分析[J].陕西气象，2009(6):9-12．