新一代雷达特征参数在人工防雹决策中的应用

何 阳，李红斌，张靖萱，夏 葳，闻家梁，濮文耀，张殿刚

（1.大连市人工影响天气办公室，辽宁 大连116001；2.沈阳市气象服务中心，沈阳110168）

中国是世界上冰雹灾害较严重的国家之一，人工防雹是防灾减灾的一项重要措施。天气雷达则是目前人工防雹最主要的作业指挥工具。近年来，随着科学技术的不断进步，新一代多普勒雷达也得到迅速发展，人们对雹云识别与防雹决策的能力不断提高，对人工防雹技术研究不断取得新进展［1-8］。许多地方根据新一代天气雷达探测数据进行分析和研究，总结了相关雷达特征参数的防雹作业判据指标［9-12］，建立了适合当地情况特点的人工防雹决策指挥系统［13-17］，一定程度上提高了人工防雹的科学性。同时，也存在一些有待解决的技术难题，如作业雹云的识别等，人们时常将雷雨云当作冰雹云实施作业，浪费防雹炮弹，又无法达到增雨的目的；特别是对发展成熟的强雹云如何有效进行人工防御，将雹灾损失降到最低，仍需通过实践不断探索和总结。

大连市地处辽东半岛南端，三面环海及北面山区特殊地理环境与气候特点使大连市每年春、秋两季冰雹天气频繁。特别是9、10月，正值主要农作物苹果成熟时期，一次强冰雹会给当地农业和农民造成严重经济损失。因此，20世纪50年代大连市就开展了人工防雹作业，特别是在2008年，大连市人工影响天气办公室与高校院所联合研发了人工防雹作业决策指挥系统，建立了基于SC多普勒雷达业务化运行的防雹决策指挥系统［14］及业务平台。2015年，随着雷达升级改造，SA新一代多普勒雷达投入业务应用后，发现雷达防雹决策系统对雹云识别的准确率明显降低，表明原雷达指标已不能适应新一代天气雷达业务应用（即通过新旧雷达特征参数指标对比发现，雷达回波强度和垂直积分液态水含量增大，而强中心高度和云顶高度减小等），需要对新雷达防雹决策指标进行再分析和修改完善。

本研究通过应用SA多普勒雷达对大连市2016—2018年所观测的109个冰雹云个例雷达资料PUP软件处理，结合大连市防雹指挥系统相关业务功能，分析和获取了冰雹云个例雷达回波强度、强中心高度、垂直积分液态水含量等特征参数值，根据人工防雹催化原理［18］及最新研究成果［19］，分析研究后建立了SA新一代多普勒雷达的雹云识别、类型判别，以及防雹预警、决策判别指标及模型；通过对2019年观测28个冰雹云个例雷达资料进行验证分析发现，准确率显著较高；特别是对9月29日产生的强雹云天气过程雷达决策新旧指标对比分析发现，新建立的判别指标基本能准确识别雹云及雹云类型等，对防雹作业起到实时决策判别的目的；并对此次强降雹实际调研及防雹作业技术深入分析，总结和探讨了强雹云有效人工防雹的新技术和思路方法。

1 新一代雷达防雹决策指标及模型建立

2015年大连市气象局对SC雷达升级改造，建立了SA多普勒雷达并投入业务使用。大连市人工影响天气办公室通过对2016—2018年新一代多普勒雷达所观测冰雹云雷达回波资料进行反演分析，获得109个冰雹云个例（根据冰雹云定义，强回波中心高度在云的上部）。

采用雷达基数据资料进行PUP软件处理，获取雷达相关特征参数，并结合防雹决策指挥系统相关业务功能分析，得到109个冰雹云个例雷达回波强度、顶高、强中心高度和垂直积分液态水含量雷达特征参数值及其变化，根据109个冰雹云平显（PPI）、高显（RHI）雷达回波强度、云顶特征及降雹特征，将冰雹云分为3类。在此基础上，依据雹云理论及防雹催化原理，分析和研究了冰雹云识别、类型判别，以及防雹决策分析指标，系统建立了基于AS新一代多普勒雷达人工防雹决策判别指标与模型。

1.1 冰雹云指标分析

对SA多普勒雷达观测到的109个冰雹云雷达基数据资料进行PUP软件处理和反演分析，得到每个雹云发生、发展雷达回波强度、回波顶高、强回波中心高度和垂直积分液态水含量等特征参数值，并根据雹云理论与防雹作业原理等，分析研究了冰雹云识别的判别指标及模型，具体如下。

雹云识别指标及模型：①雷达回波强度（反射率因子）≥25 dBZ；②强回波中心高度≥4.0 km（5—6月、9—10月）；≥5.0 km（7—8月）；且h强中心≥h-6℃；③垂直积分液态水含量≥3 kg/m2。

精细化雹云指标及模型如表1所示。将雹云判别指标、不同季节雹云指标及模型，写入了大连市人工防雹作业决策指挥系统，在实际业务应用中取得了良好效果，雹云判别准确率明显提升。将该指标对2019年观测的28个冰雹云（按雹云定义，强回波中心高度在云的上部）个例进行验证分析，得到准确率为86.8%。

表1 不同季节雹云判别指标及模型

1.2 雹云类型判别

对2016—2018年探测的109个冰雹云个例雷达资料反演及雷达回波平显、高显（PPI、RHI）特征分析，结合降雹特征等将雹云主要分为3类，即单体雹云、多单体雹云和强（超级）单体雹云。经统计和分析得到，3类雹云出现的概率相近（各占1/3左右），与前10年分析结果相比，出现强雹云产生的频率明显增加，且主要以带状回波形式出现及发展［10］。并通过对109个雹云个例发生、发展的雷达回波强度、云顶高度、强中心高度和垂直积分液态水含量等特征参数值分别进行统计和分析，得到基于SA多普勒雷达雹云类型判别指标及模型（表2）。该雹云分类判别指标也写入了大连市人工防雹作业决策指挥系统，投入实际业务应用，提高了系统的业务化运行，以及防雹作业决策的科学性。将该指标对2019年观测到的28个冰雹云个例进行了验证分析，判别准确率为85.2%。

表2 雹云分类及人工防雹决策判别指标模型

1.3 防雹作业预警、决策指标分析

基于SA多普勒雷达的109个冰雹云雷达资料进行PUP处理和反演分析，获得了不同类型雹云的回波强度、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值，并根据防雹催化原理，分析和研究了SA多普勒雷达人工防雹作业预警、决策判别指标及模型（表2）。该指标是人工防雹作业预警、决策的根本依据，已写入大连市人工防雹作业决策指挥系统，投入实际应用，取得良好效果，实现了防雹决策指挥系统自动化运行。

将该指标对2019年28个冰雹云个例雷达探测资料进行反演分析和验证，准确率达85.2%。

2 一次强雹云天气过程及人工防雹

采用SA多普勒雷达防雹决策指挥系统对大连市2018年9月29日1次强雹云天气过程进行业务运行，并对雷达观测资料PUP处理与反演分析，得到了较好预期效果；通过新建人工防雹决策判别指标综合分析及强降雹实际调研等，总结和探讨了强雹云有效防雹的新思路和方法。

2.1 强雹云天气过程

2.1.1 天气概况2018年9月29日12：51，受渤海上空强对流回波带上的强雹云登陆影响，大连市北部山区出现了一次强冰雹天气过程。受其影响，瓦房店市北部的李官等相关作业点相继实施了人工防雹作业与联防作业。雹云登录后迅速发展为成熟强雹云。北部的李官作业点在防雹作业中出现了较强降雹，降雹时间持续6~10 min，降雹范围在作业点及其周边十几平方公里内，最大冰雹直径达20 mm，当地农作物遭受了不同程度的雹灾损失。对降雹实地调研和分析发现，保护了临近下游区域的精品苹果生产基地，将大连市雹灾损失降到最低。

2.1.2 天气形势场从9月29日8：00高空形势场分析看到，此次降雹天气影响系统为东北冷涡。在8：00 500 hPa高空天气图1a看到，大连市处于东北冷涡的东南部，冷涡中心位于辽宁省西部，低涡中心为552 gpm，与-28℃冷中心重合，表明东北冷涡处于发展强盛阶段；与之相对应的低层850 hPa天气图1b上有一较强暖脊伸向大连市，暖中心为16℃，使大连市形成了上冷下暖的较强不稳定层结，高、低层温差（44℃）远超大连市产生降雹的不稳定层结天气指标［20］，为强雹云登陆迅速发展为成熟强雹云创造了有利的热力抬升条件［21］。

图1 2018年9月29日500、850 hPa天气

2.2 防雹决策与作业分析

2.2.1 防雹决策指标对比分析采用SA新一代多普勒雷达防雹决策指挥系统对9月29日强雹云天气过程业务运行及雷达资料反演分析，取得了较好效果（即利用防雹决策指挥系统，对每隔6 min 1次的雷达回波体扫资料均能准确判别雹云、雹云类型及防雹作业预警、决策等）；同时，采用原SC多普勒雷达防雹决策指挥系统业务运行与反演分析，准确率偏低，特别是在雹云类型判别上存在明显误差（如将12：51登陆时的成熟强雹云判别为单体雹云）。由此表明，不同型天气雷达参数与指标存在一定差异（对比大连市新旧雷达特征参数判别指标发现，回波强度、垂直积分液水含量减小，而强中心高度等增大），故应根据实际情况，进行雷达参数决策指标再分析和及时修正。

2.2.2 人工防雹及作业分析采用基于SA多普勒雷达人工防雹决策指挥系统，对本次强雹云天气过程雷达回波资料反演分析发现，该雹云29日9：30左右生成于渤海一条强对流回波带上。雹云生成后，自西向东移动过程中呈波动式发展演变，历经3个多小时，于12：51在大连市北部沿海山区登陆，发展为成熟强雹云。

在12：39，大连市人工影响天气办公室防雹决策指挥平台首次发出作业临近预警，并输出作业预警方案［10］（即雹云将进入防雹作业点射程时，输出作业点、雹云类型等）；而利用原雷达防雹决策指挥系统（基于CA雷达判别指标）则未作出该预警分析。根据李官作业点经验判断，申请了作业空域，大连市人工影响天气办公室根据雷达回波分析发现为较强雹云，立即通过空域申请，指导李官作业点于12：41实施第一次防雹作业，并根据回波强度，增加了1倍炮弹（即20发），调整了作业仰角（即按新制作的射界图，为55°）；根据6 min 1次雷达回波资料分析，作业后雹云强回波中心高度和30 dBZ强回波顶高均下降1 km（表3），分析可能与炮弹爆炸产生的冲击波减弱了雹云上升气流有关［19］，而回波强度、云顶高度和垂直积分液态水含量均未有明显变化。

表3 2018年9月29日12：33—13：04大连市强雹云雷达特征参数及变化特征

在12：51，雹云在大连市北部沿海登陆时迅速发展为成熟强雹云，SA多普勒雷达防雹决策指挥系统作出准确分析，并输出了强雹云防雹作业实施方案［10］（包括作业站点、雹云类型、作业工具、作业的部位和作业剂量等）；而当时基于CA多普勒雷达判别指标的人工防雹决策指挥系统业务运行也输出了李官、土城两作业点作业实施方案［10］，将强雹云判断为单体雹云，由此基于SA多普勒雷达的防雹指标判别决策更精准和客观。

大连市人工影响天气办公室通过雷达回波强度、强中心高度等参数订正分析，发现此时雹云发展为成熟的强雹云（图2）。同时李官、土城作业点申请作业空域，大连市人工影响天气办公室经作业空域申请批复后，于12：52，指导两作业点实施了高炮联防作业，共发射防雹炮弹80发。其中，南边土城作业点采用45°仰角，通过连续发射炮弹40发，作业后周围下了软雹，没有出灾；北边李官作业点采用了55°仰角，分二次作业（前后各20发），作业时和作业后炮点及周围出现了较强降雹，正值苹果成熟采摘季节，当地果农遭受不同程度雹灾经济损失。

图2 2018年9月29日12：51雷达回波强度组合

降雹（12：53—13：04）后，雹云明显减弱（表3），强雹云雷达回波强度、强中心高度、云顶高和垂直积分液态水含量均出现了明显下降；并从雷达资料反演分析发现，强雹云减弱后，在东移演变中出现了3次再发展（分析地形抬升作用）成冰雹云（且强度逐次减弱）过程，经过90 min移出大连市。

2.3 强雹云的发展演变

从雷达资料反演分析看到，该雹云从生成到发展为强雹云历时3个多小时。根据强雹云登陆前、后雷达回波强度、强中心高度和垂直积分液态水含量等特征参数，以及PPI雷达径向速度及其变化特征分析发现，该雹云在12：51登陆时达到最强，分析与登陆时地形动力抬升和中午热力抬升共同作用结果［21］。

首先，由12：39—13：04登陆前后雹云雷达回波强度、强中心高度、垂直积分液态水含量及变化（表4）分析可知，雹云在12：39已发展成强雹云［10］。经李官作业点第一次防雹作业后，雹云的强中心高度明显下降，由原来的5.2 km降到4.3 km；10 min后雹云登陆，迅速发展为成熟强雹云（图3），雷达回波强度达到最强，为70 dBZ，强中心高度增至5.8 km，垂直积分液态水含量为38 kg/m2；在经过第二次联防作业后，李官作业点及其周围出现强降雹，降雹后雹云迅速减弱（表4）。

表4 雷达回波PPI经向速度场及主要特征参数变化特征

其次，对雹云回波PPI径向速度、高低空出入流速度值，以及对应的辐散、辐合流场进行分析，得到同上述雹云发展分析相同的结果。从表4高层（即3.4°仰角）和低层（0.5°仰角）雷达径向出、入流速度值及其变化分析可知，雹云在12：51为最强，即高层径向速度差值与低层的相同（即雹云顶层出现了由弱到强的发展演变），使高层水平辐散流场与低层辐合流场强度相近，表明此时强雹云发展达到最强；并根据12：51低层（0.5°仰角）PPI雷达径向速度（图3a，圆圈标注部分）分析可知，雹云的径向速度呈水平辐合流场；顶层（3.4°仰角）PPI雷达径向速度（图3b，圆圈标注部分）分析可知，雹云的径向速度为水平辐散流场，综上所述，高、低层径向出、入流分析一致。

图3 2018年9月29日12：51大连市PPI雷达0.5°（a）、3.4°（b）仰角径向速度

2.4 强雹云有效人工防雹探讨

早发现、早作业是有效人工防雹的关键。发展到一定程度强雹云靠人力很难直接防御，甚至会出现相反结果［19］。如2018年9月29日在大连市北部沿海登陆的强雹云，由于在渤海上空强回波带中生成，并历经3个多小时的发展演变和加强，在大连市登陆时迅速发展为成熟强雹云（尽管登陆前实施了作业，因已发展很强，故效果有限），沿岸炮点及时联防作业，仍出现较强降雹，却保护了临近下游区域的精品苹果生产基地，将大连市雹灾损失降到最低。

3 小结与讨论

1）对2016—2018年大连市新一代多普勒雷达（2015年升级换代并投入使用）探测到的109个个例冰雹云雷达数据资料进行PUP处理与反演分析，并结合大连市人工防雹决策指挥系统相关业务功能，获得了雹云的雷达回波强度、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值；根据雹云理论与防雹催化原理，研究和建立了基于SA新一代多普勒雷达雹云识别、类型判别，以及防雹决策判别指标及模型；并对2019年28个冰雹云个例雷达观测资料进行统计和分析，进行了新建判别指标雷达业务应用及验证，使雹云识别、类型判别等防雹决策判别的准确率达85.2%~86.8%。

2）通过对2018年9月29日大连市出现的1次典型强雹云天气过程人工防雹技术进行分析，结合强雹云人工防雹实践调研，以及借鉴先进省市防雹经验，总结和探讨了强雹云有效人工防雹的技术思路和方法：对强雹云应早发现、早作业；对强雹云作业，应采用防雹高炮；对初始阶段或发展初期强雹云，可采用火箭作业，起到防雹增雨的双重效果；对射程内强雹云，可按作业方案实施［10］；对高炮射程内的成熟强雹云，应慎重作业：若该作业点需保护下游区域的重要作物，可立即实施高仰角（≥55°）作业，将防雹炮弹打在回波强中心区，促使大冰雹提前降落，将雹灾损失降到最低，达到人工防雹的目的。