陜西渭北果業(yè)區(qū)冰雹研究進展

岳治國 陳寶君 王瑾 , 左愛文 李金輝 羅俊頡 朱榮增 花少烽 劉佩佩

（1 陜西省人工影響天氣中心，西安 710016；2 秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016；3 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室，北京 100081；4 陜西省安康市氣象局，安康 725000）

0 引言

陜西是全球集中連片種植蘋果的最大區(qū)域，蘋果產(chǎn)量占全國產(chǎn)量的25%，是中國蘋果生產(chǎn)第一大省。陜西渭北一般是指渭河以北、延安以南的地區(qū)，蘋果是當?shù)刂饕?jīng)濟作物，農(nóng)民脫貧致富的主要產(chǎn)業(yè)。陜西渭北地形溝壑縱橫，是典型的干旱半干旱地區(qū)，冬、春季干旱，6—9月降水以局地對流天氣為主，強對流天氣頻發(fā)，降雹概率高。渭北地區(qū)每年3～5次的大范圍區(qū)域性冰雹天氣，嚴重影響蘋果的產(chǎn)量與品質(zhì)，對陜西果業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。

20世紀90年代，陜西省人工影響天氣中心聯(lián)合中國科學院大氣物理研究所以旬邑縣作為防雹外場基地，布設711型數(shù)字化天氣雷達、測雹板、雹雨分離器、移動探空等設備，開展冰雹云外場觀測和數(shù)值模擬研究，組織咸陽北五縣開展冰雹聯(lián)防。其中，冰雹云與雷雨云識別指標、冰雹云作業(yè)時機、作業(yè)用彈量等研究成果被中國氣象局《高炮人工防雹增雨作業(yè)業(yè)務規(guī)范》采用，指導了全國的防雹作業(yè)。

在《西北區(qū)域人工影響天氣能力建設項目》支持下，對陜西渭北果業(yè)區(qū)冰雹的氣候、雷達回波、微物理特征、數(shù)值模擬和防雹效果等方面開展研究。陜西渭北果業(yè)區(qū)防雹試驗區(qū)包括咸陽市北五縣（旬邑、長武、彬縣、永壽、淳化，面積共5329 km），外場試驗基地設在旬邑縣。該試驗區(qū)現(xiàn)有固定人影作業(yè)點58個，其中42個作業(yè)點同時裝備有火箭發(fā)射架和高射炮。旬邑縣建有X波段雙偏振多普勒天氣雷達1部，可用于研究試驗和指揮防雹作業(yè)。以旬邑為基地開展綜合外場試驗，可與20年前研究試驗結(jié)果進行對比，以研究冰雹云結(jié)構(gòu)和成雹機制是否變化，防雹作業(yè)指標是否需要調(diào)整等。

1 渭北冰雹氣候特征

通過分析1960—2019年觀測記錄完整的45個陜西地面氣象站雹日數(shù)據(jù)可見，陜西降雹日分布的特點是陜北多于關中、陜南和關中的北部塬區(qū)多于關中南部川道，陜南山區(qū)多于河谷。渭北各地年均降雹日數(shù)為0.5～1.0 d，其中旬邑（1.4 d）為多雹日的縣區(qū)。關中南部及秦嶺以南為冰雹少發(fā)區(qū)，年冰雹日數(shù)均在0.5 d以下。冰雹多發(fā)生于5—8月的下午時段，氣象站的年雹日減小趨勢明顯。

冰雹云的形成發(fā)展及其移動路徑，不僅與地形有關，還取決于高層大氣環(huán)流。關中地區(qū)地形復雜，受西風帶、副熱帶和熱帶天氣系統(tǒng)的相互作用，冰雹的移動路徑比較復雜。冰雹的移動路徑與當?shù)睾恿?、山谷走向基本一致，并沿河谷向東南移動。有時，冰雹云受500 hPa和700 hPa高空氣流的引導，其移動路徑為自西向東或自北向南。王宇等使用2007—2016年旬邑711型（X波段）數(shù)字化天氣雷達資料和咸陽市降雹資料，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)咸陽市的冰雹移動路徑與八十年代雹云移動路徑差異較大（圖1），研究結(jié)果對調(diào)整農(nóng)業(yè)及果業(yè)生產(chǎn)種植分布，科學規(guī)劃防雹作業(yè)站點，提升防雹作業(yè)效果有重要意義。

圖1 咸陽市冰雹移動路徑新（a）和老（b）示意圖對比[6]（圖中不同顏色箭頭代表不同的冰雹移動路徑）Fig. 1 Comparison of new (a) and old (b) hail moving path in Xianyang City [6] (different color arrows in the figurerepresent different hail moving paths)

冰雹的發(fā)生與一定的大氣環(huán)流形勢密切相關，特別是大范圍成災重的降雹過程，通常是伴隨著某些特定天氣系統(tǒng)出現(xiàn)。局地熱力作用也會產(chǎn)生降雹，但造成的災害一般不大。渭北降雹天氣形勢超過70%為西北氣流型和冷渦型，冷渦型天氣形勢常常給渭北地區(qū)帶來時間長且雹災嚴重的區(qū)域性降雹，如2020年6月24日導致陜西、甘肅和山西等地出現(xiàn)的大范圍降雹天氣為冷渦型，深厚的冷渦系統(tǒng)在蒙古國維持和發(fā)展。

2 冰雹云雷達回波特征

識別非降雹對流云（雷雨云）和冰雹云是雷達實時監(jiān)測和科學指揮防雹作業(yè)的關鍵技術。研究表明，如果對冰雹云能早期識別和提早作業(yè)，可以有效減少雹災。國內(nèi)多數(shù)省級人影部門都建立了適于本地的雷達識別冰雹云指標，并以此作為是否作業(yè)的依據(jù)。常用的雷達識別冰雹云指標包括強回波高度、強回波頂?shù)臏囟?、回波躍增增長、強回波區(qū)在云體中的出現(xiàn)位置、初期回波出現(xiàn)的高度和對流單體合并加強等。

樊鵬等研究得到陜西冰雹云X波段雷達回波的定量判據(jù)為：當雷達回波45 dBz強度頂高于0 ℃層高度之上2.3 km時識別為冰雹云，即：

式中，

H

是雷達觀測的45 dBz回波頂高度，

H

為探空數(shù)據(jù)0 ℃層高度，單位：km。近年來，業(yè)務一線的防雹指揮人員認為雷達回波滿足此公式時已經(jīng)是冰雹云，實施防雹作業(yè)時機偏晚。因此，還需研究和總結(jié)新型雷達在渭北地區(qū)早期識別冰雹云的指標。

旬邑全固態(tài)X波段雙線偏振雷達于2016年底投入業(yè)務應用，冰雹粒子識別產(chǎn)品對冰雹臨近預警有一定指示作用，但有時也會出現(xiàn)空報，還需進一步研究其適用條件。例如，2019年7月12日旬邑縣房家底廟作業(yè)點加密布設的激光雨滴譜儀記錄降雹時間15：57—16：07、冰雹直徑5 mm，旬邑雙偏振雷達粒子類別產(chǎn)品顯示該地有小冰雹，但作業(yè)點炮手反映無降雹。

冰雹云雷達回波常出現(xiàn)“躍增增長”，有的雹云在回波強度方面突增，有的在回波頂高、強度及強回波頂高方面同時出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，這是冰雹云發(fā)展的一個重要特征。降雹實況調(diào)查表明，雹云躍增現(xiàn)象都發(fā)生在降雹前。冰雹云“躍增增長”的多為定性指標，后續(xù)研究還需進一步量化這些指標，可增強對防雹作業(yè)的指導意義。

3 冰雹云探空

加強對產(chǎn)生地面降雹的強對流系統(tǒng)內(nèi)部探測研究，可加深對冰雹云溫度、濕度、風場特征認識，探索更有效的人工防雹技術方法。李金輝等利用火箭探空資料對延安寶塔區(qū)冰雹云進行了研究，結(jié)果表明：冰雹云由低層到高層風向呈逆時針變化；緊貼0 ℃下部，在溫度區(qū)間-4.8～5.0 ℃，維持13 m·s以上水平風速，為冰雹的形成提供了動力場條件；溫度區(qū)間-9.2～-8.7 ℃，厚度0.2 km，平均上升速度1.79 m·s，最大上升速度4 m·s（圖2）。遺憾的是，此次探空數(shù)據(jù)處于冰雹云移動方向的尾部區(qū)域，探空儀未進入冰雹云的中心，但這些結(jié)果也提高了對冰雹云的認識。

圖2 火箭探空冰雹云內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig. 2 Schematic of interior structure of hail cloud detected by sounding rocket[12]

由于冰雹云是小尺度天氣系統(tǒng)，在固定地點觀測冰雹云的機會較小，研究試驗布設在旬邑和洛川的GPS探空設備尚未觀測到冰雹云。為了加強渭北冰雹云的觀測，2020年8月在延安寶塔區(qū)氣象站新布設了1臺地基多通道微波輻射計，可連續(xù)反演溫度和濕度廓線，為渭北冰雹云研究提供了新的探測手段。

4 冰雹微物理特征

我國當前使用高炮和火箭防雹的理論基礎是影響冰雹形成的物理過程以達到減輕冰雹災害的目的。冰雹的大小、形狀、濃度、密度和末速度等參量與雹災的程度直接相關，是冰雹研究的重要特征量。冰雹印跡板是最為廣泛使用的累積式測雹辦法，是利用冰雹質(zhì)量和末速度差異造成的不同印痕來分析雹粒大小、質(zhì)量等參量。此方法成本低、可供野外大量布設，可以指示有無冰雹、估計冰雹大小，但不能準確獲得冰雹大小、降雹時間和冰雹末速度等參量。

近年來，隨著我國氣象觀測設備的現(xiàn)代化水平不斷提高，每個氣象觀測站都布設了激光雨滴譜儀，根據(jù)降水粒子遮擋激光束的范圍和時間，激光雨滴譜儀可得到降水粒子的直徑和下落速度。岳治國等基于激光降水粒子譜儀觀測的陜西渭北一次降雹過程的資料，結(jié)合雷達反射率回波和自動站分鐘降水量，分析了降雹過程中的最大冰雹直徑、數(shù)濃度、譜分布和冰雹末速度等物理量隨時間的演變（圖3）。該項研究加深了對渭北地面降雹過程的認識。

圖3 2013年5月22日16：05―16：24陜西渭北地區(qū)降雹過程中降水粒子譜的演變[14]Fig. 3 Temporal evolution of precipitation particles spectra from 16:05 to 16:40 BT in a hailstorm process occurred on22 May 2013 in Weibei area of Shaanxi Province[14]

通過冰雹切片可以研究雹塊的冰晶結(jié)構(gòu)、氣泡、多層結(jié)構(gòu)和雹胚類型，間接研究冰雹在雹云內(nèi)部的生成環(huán)境和成雹機制。從安塞和黃陵兩地的冰雹切片（圖4）可見，2020年6月24日陜西渭北中尺度颮線降雹以凍滴雹胚、外層多氣泡和球形為主，外觀基本不透明。這兩個降雹地點相距150 km，降雹時間相差2 h，兩地的雹胚和雹塊多層結(jié)構(gòu)基本相似，表明同一對流系統(tǒng)不同部位產(chǎn)生冰雹的云內(nèi)環(huán)境基本相似。

圖4 2020年6月24日安塞冰雹切片（a）降雹時刻15：01雷達組合反射率，（b，d）黑線指向位置的地面冰雹外觀，（c，e）與圖4b,4d對應的冰雹切片F(xiàn)ig. 4 Section of hail in Ansai on 24 June 2020(a) the combined reflectivity of radar at 15:01 of hail time, (b, d) the appearance of hail on the ground, (c, e) the hailslices corresponding to Figs. 4b,4d

在處于雷達探測范圍內(nèi)、降雹概率大和作業(yè)空域批復率高的防雹作業(yè)點附近加密布設激光雨滴譜儀和冰雹切片分析，可提高防雹效果的研究能力。

5 冰雹云數(shù)值模擬

冰雹云具有復雜的宏微觀結(jié)構(gòu)，且云體的演變迅速，現(xiàn)有的觀測手段很難了解其全貌。因此，數(shù)值模擬研究是研究冰雹云的重要手段。國內(nèi)眾多學者使用中國科學院大氣物理研究所的三維冰雹云模式對冰雹云開展了廣泛的研究，取得了許多重要成果。隨著計算能力和模式模擬能力的提高，中尺度模式在冰雹模擬研究中得到應用。中尺度WRF-V4.2模式中包含冰雹過程的云微物理方案有Milbrandt2-mom、NSSL2-mom、NSSL2-mom+CCN、FastSBM和FullSBM。粒子分檔方案FastSBM和FullSBM計算量巨大，目前難以在業(yè)務中應用。通過將Milbrandt2-mom、NSSL2-mom、NSSL2-mom+CCN方案分別應用到2020年6月24日陜西渭北降雹過程的數(shù)值模擬，結(jié)果表明3個微物理方案能較好模擬本次強對流過程。Milbrandt2-mom方案模擬的對流云雷達組合反射率、冰雹落區(qū)與實況更加接近。Milbrandt2-mom、NSSL 2-mom和NSSL2-mom+CCN三種方案輸出的冰雹質(zhì)量濃度冰雹數(shù)濃度，可應用于冰雹落區(qū)預報（圖5）。

圖5 2020年6月24日15—20時實況和模擬雷達組合反射率對比Fig. 5 Comparison of combined reflectivity of live and simulated radars from 15 to 20 BT on 24 June 2020

利用耦合碘化銀（AgI）數(shù)值催化模塊的中尺度WRF模式，對2020年5月15日陜西渭北颮線降雹過程進行了數(shù)值催化試驗。結(jié)果表明在颮線系統(tǒng)對流區(qū)的上升區(qū)域中播撒碘化銀之后，能夠有效地減少地面降水，而且播撒率越高減雨效果越明顯。進一步分析發(fā)現(xiàn)播撒碘化銀之后，消耗了大量的過冷云水導致霰粒子的含量減少。霰粒子的融化是雨滴的主要來源，所以播撒AgI導致了降水減少。由于Thompson方案中沒有冰雹粒子分類，還需開發(fā)含有冰雹過程的物理方案中開展冰雹數(shù)值催化研究。

6 防雹效果

陳保國等根據(jù)地面雹譜資料對比分析，認為防雹作業(yè)區(qū)冰雹的動能、質(zhì)量、動能通量和質(zhì)量通量分別減少75%、58%、41%和55%，說明防雹效果明顯。冰雹云是中小尺度對流系統(tǒng)，具有極高的自然變率，因此，選擇對比區(qū)研究防雹作業(yè)效果的可靠性不高。梁谷等利用洛川縣711數(shù)字化天氣雷達的探測資料,研究了2005年5月30日大范圍強降雹過程中洛川縣防雹作業(yè)。認為防雹效果明顯的主要原因為作業(yè)時機早、作業(yè)量大和采用了合適的作業(yè)方式。

2020年6月24日16：18—17：30（圖6），冰雹云經(jīng)過渭北中部地區(qū)的富縣防雹作業(yè)點都實施了作業(yè)，19個作業(yè)點在1小時12分鐘內(nèi)共發(fā)519發(fā)炮彈和31枚火箭彈。作業(yè)后，富縣7個作業(yè)點出現(xiàn)黃豆大小的零星冰雹，無災情。對實施防雹作業(yè)的對流云團3 km、5 km、7 km等高面上的回波強度面積跟蹤統(tǒng)計可見，實施防雹作業(yè)過程中5 km等高面上大于55 dBz強回波面積減小明顯。這個結(jié)果定性表明防雹作業(yè)減小了強回波區(qū)域面積，從而減少了雹災。

圖6 富縣2020年6月24日防雹作業(yè)過程中3km、5km、7km等高面上大于55dBz回波區(qū)面積變化Fig. 6 Area change of echo greater than 55 dBz on 3 km, 5 km and 7 km altitude during hail suppression operationin Fuxian County on 24 June 2020