三明地區(qū)火箭系統(tǒng)人工防雹技術(shù)探討

◇福建省泰寧縣氣象局 楊隆輝

依據(jù)人工防雹理論和多年人工防雹實踐，對三明地區(qū)冰雹云的識別方法、火箭防雹的作業(yè)時機與部位、射擊方法與用彈量估算等進行研究，并明確提出冰雹云識別指標、火箭防雹的作業(yè)時機與部位、高效的射擊方法及用彈量估算的技術(shù)方法。

本文依據(jù)冰雹形成機理和防雹作業(yè)技術(shù)，結(jié)合實踐經(jīng)驗，對三明地區(qū)冰雹云的識別方法、火箭防雹的作業(yè)時機與部位、火箭發(fā)射時的角度、用彈量的近似計算方法等進行研究，為提升人工防雹作業(yè)的效率與質(zhì)量，盡可能減少或防止冰雹對煙草植株的危害，保護煙農(nóng)種植煙葉的積極性。

1 冰雹云的識別方法

在強對流天氣中正確區(qū)別冰雹云和雷雨云，可以減少不必要的浪費，提高防雹的科學性。在各種冰雹云識別方法中，多普勒天氣雷達因其回波形態(tài)演變特征、回波參量演變等可以對冰雹云的強度、位置及其移動路勁等信息進行及時、準確地追蹤，并為人工防雹作業(yè)提供防雹的最佳時機及部位、需要使用多少彈藥等準確的信息或參數(shù)參考，故而成為指揮人工防雹的主要工具。三明地區(qū)于2013年將布設(shè)在泰寧縣峨嵋峰的新一代天氣雷達投入業(yè)務使用。新一代天氣雷達具有的較高時空分辨率、對強對流災害性天氣云體結(jié)構(gòu)特征演變準確反映等特點為指揮員準確及時指揮以及作業(yè)人員提前進入防雹作業(yè)狀態(tài)提供了重要技術(shù)支撐。近年來，我國氣象專家學者利用雷達產(chǎn)品識別冰雹云進行了大量的研究，并取得一些初步成果[1-3]。

整體而言，冰雹云的發(fā)展遵循以下特征：初始回波出現(xiàn)在0～-5℃的負溫區(qū)，隨著雹云的發(fā)展而表現(xiàn)出異常增長，而45dBz強回波區(qū)往往出現(xiàn)在云體中上部。本文參照省局人影辦總結(jié)的人工防雹作業(yè)指標及氣象權(quán)威專家研究結(jié)果得出的一些共性結(jié)論，給出新一代天氣雷達識別冰雹云指標判據(jù)（見表1）。

表1 雷達識別冰雹云指標判據(jù)

2 作業(yè)時機

相關(guān)工作人員應當對冰雹云的發(fā)展過程進行密切關(guān)注。就初始雹云而言，一旦監(jiān)測到在5min之內(nèi)雷達的初始回波頂高呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢（上升高度位于1000～2000m以上時），則能夠得出云體正快速增加，一旦出現(xiàn)這一現(xiàn)象則表明即將可以開展人工防雹作業(yè)。若雹云已經(jīng)發(fā)展起來，則按照固定點防雹作業(yè)方式對雹源部位進行單點多次或多點過量催化，依然會有防雹效果。

在人工防雹作業(yè)開展過程中，如何準確把握雹云的躍增階段較為困難，再加上作業(yè)點具有固定性，因此該項作業(yè)必須征求航空管制部門的同意，給利用最佳作業(yè)時機防雹帶來難度，所以指揮人員在發(fā)布作業(yè)指令時應根據(jù)實際情況盡可能估算出時間提前量，利于野外防雹作業(yè)人員抓住最佳作業(yè)時機。

3 作業(yè)部位

通常情況下，自然雹胚形成與增長區(qū)域即為開展作業(yè)的部位。在作業(yè)過程中，應當使用雷達對這一區(qū)域進行準確監(jiān)測。由于-4℃為碘化銀的成冰閾溫，即在環(huán)境溫度低于-4℃的云層內(nèi)，碘化銀微粒才能活化為人工冰核，因此火箭播撒碘化銀微粒的高度必須達到或高于當?shù)啬繕嗽骗h(huán)境溫度-4℃層以上高度?？紤]到云中溫度一般稍高于環(huán)境溫度，作業(yè)起始高度應在-4℃高度以上。通過云室測定，在-10℃時該復合焰劑經(jīng)高溫燃燒制備的碘化銀成核率達到1015個/g。因此，作業(yè)部位通常選擇在高空環(huán)境溫度-6℃高度層以上的自然雹胚形成、增長的區(qū)域。

3.1 “穴道”、“零域”概念

根據(jù)許煥斌、段英[4]研究提出的人工防雹作業(yè)概念模型認為，在雹云的主上升氣流邊側(cè)必然存在著水平速度為零的區(qū)域，這一區(qū)域被稱為“零域”。另外，在該區(qū)域的垂直剖面上還有一條線，該線為“零線”。順著“零線”，水凝物粒子將會呈循環(huán)運行增長趨勢，之后還會進入到以主上升氣流為主的冰雹長大區(qū)，進而形成雹。此時在“零線”下方的主上升氣流的旁邊還存在著入流區(qū)，該區(qū)域被稱為冰雹的“穴道”，在“穴道”的入口位置處形成雹胚，之后隨著尺度的不斷增加，雹胚將會進入到上升氣流區(qū)，以上即為形成冰雹的“穴道”理論。因此，在開展催化防雹作業(yè)時，僅僅需要將催化劑播撒在“穴道”區(qū)域，就能夠使自然雹胚與人工雹胚之間由于相互“爭食”而對冰雹的成長起到一定的抑制作用。

3.2 作業(yè)部位的確定

通常情況下，將催化劑播撒在“穴道”位置處，在對“穴道”位置進行確定時，應當首先找尋“零域”位置，即云體主上升氣流區(qū)及流場相對水平風向幾乎為零的區(qū)域，這一操作可以使用多普勒雷達資料對其進行判定，若雷達站與云體正面相對或相向，在對其進行判定時往往使用徑向速度圖；當云體從雷達站的側(cè)面經(jīng)過時，對其進行判定時通常需要借助懸掛回波的軸線，這一軸線顯現(xiàn)的位置就是“零域”的位置。另外，還可以直接使用風廓線（VWP）等資料對“零域”的位置進行判定。若多普勒雷達導出的風廓線產(chǎn)品的回波移速與風速保持一致，則其所處的高度就是“零域”線所處的高度。這一“零域”線高度位置處的下邊沿區(qū)域即為開展人工防雹作業(yè)的部位。在開展防雹作業(yè)時，既要考慮“穴道”的位置，同時也要滿足播撒區(qū)的溫度一般在-6℃高度層以上的自然雹胚形成、增長的區(qū)域之間。一般，單體最大上升氣流區(qū)的確定往往使用多普勒雷達組織反射率因子產(chǎn)品，而播撒催化劑的位置往往選擇在單體移向的正前方及回波強度最外部30～40dBz位置處，并根據(jù)就近探空站資料如邵武站8時、20時探空資料計算播撒高度。

4 射擊方法

通過計算火箭發(fā)射架與冰雹云作業(yè)部位的方位角、仰角，作業(yè)人員在征得航空管制部門的同意后，及時發(fā)射火箭彈進行防雹作業(yè)。防雹火箭彈飛行時彈道易受環(huán)境風的影響，其尾翼升力所產(chǎn)生的力矩大于頭錐升力所產(chǎn)生的力矩。因此，火箭彈頭錐往往向著來風方向。當逆風對火箭進行發(fā)射時，受到風向的影響，往往會導致火箭位于“低頭”狀態(tài)；相反，在順風天氣條件下對火箭進行發(fā)射時往往會使火箭位于“抬頭”狀態(tài)，另外側(cè)風條件下將會導致火箭向著來風方向，所以應根據(jù)環(huán)境風力大小適當調(diào)整修正火箭方位角或仰角。

4.1 發(fā)射角度的計算

由于火箭彈是軸對稱的，假設(shè)尾翼安裝無偏差，發(fā)動機推力無偏斜，在無風條件下，可以認為火箭是在一個不變的垂直平面內(nèi)飛行。根據(jù)火箭彈運動方程，可以對每一種火箭彈，按不同的俯仰角計算其彈道，編制出不同俯仰角的彈道圖和彈道表分別見圖1和圖2。

圖1 BL－1A火箭彈彈道圖

圖2 BL－1A火箭彈彈射表

4.2 火箭彈作業(yè)參數(shù)的修正

若出現(xiàn)過大的風速時，風往往會對尾翼式無控火箭的飛行彈道產(chǎn)生一定程度的影響，此時往往會以風情為依據(jù)適時對作業(yè)角度進行修正。為便于修正往往將風向量分解為兩個方向，即橫側(cè)方向與發(fā)射方向。就前者而言，來自橫側(cè)方位的風通常會導致方位角發(fā)生一定的改變，導致發(fā)射平面與火箭飛行彈道之間保持相同的距離，進而導致火箭指向風吹來的方向。在實際工作當中應當以當時風速與發(fā)射角為依據(jù)對作者參數(shù)修正量進行修正。若出現(xiàn)順風時，通常應當降低發(fā)射仰角，相反則應當調(diào)高。如果出現(xiàn)橫側(cè)風，則應當及時對方位角進行調(diào)整，使修正方向與風向保持一致。發(fā)射方向的風將會對發(fā)射仰角產(chǎn)生一定程度的影響，當為順風時，風將會導致火箭處于抬頭狀態(tài)；相反，則會導致其處于低頭狀態(tài)。

5 用彈量的計算

作業(yè)用彈量M計算公式一般為：

以上公式當中，V代表播撒體積（km3），通常使用雷達進行探測估算；Q代表播撒云區(qū)內(nèi)的含水量（g/m3），一般選用絕熱含水量，往往使用探空資料或地面氣象資料進行計算獲得；G代表0℃層高度位置處單個不成災冰雹粒子的水質(zhì)量，其質(zhì)量通常為0.5g；F代表催化劑成核率（個/g），通常取-10℃時的成核率值；E代表人工冰核增長為人工雹胚的概率，一般取10-4；n代表一枚火箭彈的催化劑（AgI）含量（g），BL－1A型火箭彈每枚催化劑（AgI）含量為10.8g。通常情況下，火箭播撒呈線狀分布，再加上彈道極易發(fā)生偏移，因此僅僅有很少一部分催化劑會進入到指定的播撒區(qū)域。本文將有效播撒率的平均值選取0.2，則通過計算得出一枚火箭AgI的有效含量為2.2g。例如，將G=0.5g，E=10-4，F(xiàn)=1014，n=2.2代入上式，得

由上式可見，播撒區(qū)體積V與播撒區(qū)內(nèi)的含水量Q對火箭發(fā)射數(shù)量起到一定的決定性作用。就一塊中等尺度的對流單體而言，如果播撒區(qū)的體積為10 km3，含水量為6～8g，則通過計算得出只需要發(fā)射6～8枚火箭。

實際作業(yè)中，還應在作業(yè)后根據(jù)雹云強弱，密切關(guān)注雷達回波變化決定是否繼續(xù)作業(yè)。

6 結(jié)語

本文通過對火箭系統(tǒng)人工防雹技術(shù)進行分析探討，明確三明地區(qū)利用新一代天氣雷達識別冰雹云的判據(jù)指標，以及新一代天氣雷達在火箭防雹作業(yè)時機、部位、火箭防雹作業(yè)用彈量的近似計算方法等方面的應用，以達到早識別、早作業(yè)，盡可能減少雹災對煙葉等造成損害。

火箭防雹時間緊，技術(shù)要求高，各環(huán)節(jié)都要根據(jù)雹云的變化進行適時適當調(diào)整修正。指揮、作業(yè)人員應充分利用近年建設(shè)運行的新一代天氣雷達的準確定位功能，再與高空站的相關(guān)資料相結(jié)合，以定量訂正影響其作業(yè)的參數(shù)因素，進而盡可能在較短時間內(nèi)向作業(yè)點傳輸作業(yè)調(diào)整修正數(shù)據(jù)，使人工防雹作業(yè)更具精確性與有效性，發(fā)揮其應有的威力。