冰雹形成過程及人工防雹研究綜述*

姚展予 屠 琦 安 琳 汪 會(huì) 李集明 賈 爍 趙潔云 姚振東

1. 中國(guó)氣象局云降水物理與人工影響天氣重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局人工影響天氣中心，北京，100081

2. 成都信息工程大學(xué)，成都，610225

1 引 言

雹災(zāi)是常見的氣象災(zāi)害之一，雖然不像干旱、暴雨等影響范圍大，但它具有形成和發(fā)展快、雹粒動(dòng)能大等特點(diǎn)，會(huì)給農(nóng)業(yè)、建筑、電力、交通以及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。作為冰雹災(zāi)害防御的重要手段之一，人工防雹采用在冰雹云中播撒催化劑或者采用爆炸等技術(shù)手段抑制或削弱冰雹云中冰雹的生長(zhǎng)，以達(dá)到消除或減輕降雹的目的，對(duì)防災(zāi)、減災(zāi)起到積極作用。為預(yù)防冰雹災(zāi)害，世界上許多國(guó)家都開展了人工防雹作業(yè)和試驗(yàn)研究。文中首先介紹冰雹形成機(jī)理與增長(zhǎng)過程以及雹云結(jié)構(gòu)與發(fā)展過程研究進(jìn)展，然后從人工防雹機(jī)理、技術(shù)、科學(xué)試驗(yàn)和效果評(píng)估4個(gè)方面對(duì)中外人工防雹相關(guān)研究進(jìn)行了綜述。

2 冰雹形成機(jī)理和雹云物理研究

2.1 冰雹形成機(jī)理與增長(zhǎng)過程研究

1965年，蘇聯(lián)科學(xué)家G.K.Sulakvelidze提出冰雹形成的“累積帶理論”，根據(jù)探空實(shí)測(cè)的雹云中上升氣流隨高度呈拋物線狀分布，認(rèn)為積云中的上升氣流最初是以熱力泡的形式發(fā)展的，隨后許多熱力泡匯合組成柱狀上升氣流，上升速度從云底隨高度上升逐漸增大，到達(dá)高度Zm時(shí)，上升速度達(dá)最大值（Wm）。從Zm到云頂，上升速度隨高度升高而減小。若最大上升速度（Wm）大于水滴自然破碎時(shí)的臨界下落末速（Vc），而Zm又低于大水滴的自然凍結(jié)高度（-18—-20℃層），則在Zm以上形成由大水滴組成的含水量累積區(qū)，在最大速度層以下的一些高度出現(xiàn)暖雨過程，正是這種暖雨形成機(jī)制向累積帶提供雨水量。其中的少量較大過冷雨滴可通過浸潤(rùn)凍結(jié)過程產(chǎn)生凍滴或碰撞初始核化的冰晶而形成雹胚（李大山，2002）。

Browning 等（1962）最早提出當(dāng)時(shí)稱為強(qiáng)單體后統(tǒng)稱為超級(jí)單體雹暴中的冰雹循環(huán)增長(zhǎng)模型（圖1）。根據(jù)雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果，初步構(gòu)畫出冰雹云結(jié)構(gòu)模型，模型中含有兩股有組織的氣流：一股寬的暖濕強(qiáng)上升氣流，自風(fēng)暴的東南側(cè)進(jìn)入，傾斜上升，上升速度隨高度增大，然后上升速度迅速減小，在云砧出流區(qū)呈反氣旋式扭轉(zhuǎn)并隨高空風(fēng)流出；在對(duì)流層中部一股從云的后方假相當(dāng)溫度低的干燥環(huán)境空氣追上云體，疊加降水負(fù)荷拖曳和降水粒子蒸發(fā)冷卻作用，形成有組織的下沉氣流。

圖1 1959年7月9日上午英國(guó)沃金厄姆地區(qū)一次風(fēng)暴三維氣流模型 （Browning，et al，1962）Fig. 1 Three-dimensional model of the airflow within the Wokingham storm on the morning of 9 July 1959 （Browning，et al，1962）

Heymsfield 等（1980）認(rèn)為雹胚起源于饋云，經(jīng)常具有小尺度的隱嵌上升氣流和側(cè)向積云塔，或者具有上方成熟單體；并推斷在饋云內(nèi)主要質(zhì)粒類型是枝狀冰晶的聚合體和較小的單個(gè)枝狀晶；同時(shí)認(rèn)為若新云塔將大的聚合體引入成熟單體的前向懸垂回波的降水尾中，雹胚就會(huì)加強(qiáng)（李大山，2002）。

Nelson（1983）分析研究了一個(gè)超級(jí)單體中由多部多普勒雷達(dá)探測(cè)資料得出的流場(chǎng)計(jì)算的冰雹增長(zhǎng)方式，發(fā)現(xiàn)對(duì)干冰雹增長(zhǎng)來說，比最大上升速度更為重要的因子是存在一相當(dāng)寬廣的中等上升氣流區(qū)（20—40 m/s）。因?yàn)楸⒉荒茉谏仙龤饬髯顝?qiáng)的部位增長(zhǎng)，所以導(dǎo)致冰雹增長(zhǎng)的一個(gè)重要因子并非是缺乏雹胚，而是風(fēng)暴的氣流結(jié)構(gòu)。

Johns等（1992）指出持續(xù)強(qiáng)上升氣流是冰雹天氣發(fā)生的必要條件，上升氣流越強(qiáng)，對(duì)冰雹的托舉力就越強(qiáng)，可以使冰雹生長(zhǎng)到較大的尺度。上升氣流的強(qiáng)弱主要取決于熱力浮力，對(duì)流不穩(wěn)定能量越大，出現(xiàn)強(qiáng)冰雹的概率越大。強(qiáng)冰雹的出現(xiàn)還依賴于風(fēng)暴尺度結(jié)構(gòu)的變化，風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致在相似的熱力結(jié)構(gòu)中冰雹的大小、濃度和分布都有不同的變化。并且0℃層的高度也對(duì)降到地面冰雹的大小有重要影響。

上述的冰雹形成機(jī)理與增長(zhǎng)過程認(rèn)知基本上是基于個(gè)例的雷達(dá)觀測(cè)等資料構(gòu)建的物理模型，重點(diǎn)描述的是冰雹形成過程中的動(dòng)力影響。限于早期的雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)，而且當(dāng)時(shí)沒有完整的冰雹數(shù)值模式，因此早期認(rèn)知的冰雹形成機(jī)理存在一定的局限，尤其是累積帶理論對(duì)雹胚形成的微物理過程的認(rèn)知有明顯偏差，事實(shí)上只要有水凝物粒子的輻合效應(yīng)，不一定只能在最大上升氣流速度所在位置以上才發(fā)生累積。

近30年來中國(guó)數(shù)值模式在人工影響天氣中的應(yīng)用越來越多，很多學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對(duì)冰雹形成機(jī)理和增長(zhǎng)過程進(jìn)行了深入研究（孔凡鈾等，1990；毛玉華等，1993；黃燕等，1994；洪延超，1998，1999；郭學(xué)良等，2001a，2001b；許煥斌等，2001，2002，2008；洪延超等，2002；肖輝等，2002，2004；Kang，et al，2007；陳寶君等，2012；樊明月等，2013；許煥斌，2012，2014，2015，2021；Yin，et al，2021）。

洪延超（1999）利用三維冰雹云催化模式模擬研究了1997年7月8日在旬邑地區(qū)出現(xiàn)的一塊雹云，并且分析了該地區(qū)冰雹形成的物理機(jī)制，結(jié)果表明，97%的雹塊是以凍滴為核心增長(zhǎng)的，在云中冰雹還未形成前，于強(qiáng)上升氣流區(qū)的適當(dāng)高度催化效果較好，而在上升氣流極值高度亦是高含水量區(qū)催化效果最好。

郭學(xué)良等（2001a）建立和發(fā)展了一個(gè)包括云滴、云冰、雨滴、雪團(tuán)、霰和雹的云中主要水成物場(chǎng)及凝結(jié)、碰凍等37種主要微物理過程，可用于預(yù)測(cè)和研究三維強(qiáng)冰雹云降雹過程的冰雹分檔模式，模式能夠提供在雹云參數(shù)化模式中無法提供的關(guān)于冰雹增長(zhǎng)與分布的信息。

許煥斌等（2002）研究表明，冰雹云中具有翻滾式對(duì)流流場(chǎng)，流場(chǎng)的性質(zhì)決定云中存在著一個(gè)動(dòng)力吸引區(qū)，它處于主上升氣流區(qū)旁側(cè)水平氣流等于0的區(qū)域，粒子在增長(zhǎng)運(yùn)行中向這里集中，造成水凝物的累積。并且這種粒子的集中和水凝物的累積是流場(chǎng)動(dòng)力特征和粒子增長(zhǎng)行為相互作用的表現(xiàn)，如果沒有粒子的增長(zhǎng)，集中和累積是困難的。粒子的集中和水凝物的累積是受流場(chǎng)和粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力過程控制的，而累積粒子是液相雨滴或固相霰粒、雪團(tuán)和冰雹受降水發(fā)展過程屬液相或固相占優(yōu)勢(shì)來決定的。而一旦有過冷雨滴的累積，會(huì)加速冰雹生長(zhǎng)。這也為播撒防雹形成凍滴雹胚準(zhǔn)備了條件。

陳寶君等（2012）使用三維冰雹分檔對(duì)流云模式結(jié)合三維粒子運(yùn)行增長(zhǎng)模式，對(duì)一例超級(jí)單體風(fēng)暴進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)雹胚主要分布在上升氣流區(qū)上部，冰雹主要分布在上升氣流區(qū)東側(cè)，并且發(fā)現(xiàn)這些大冰雹絕大多數(shù)起源于主上升氣流區(qū)北側(cè)的高層云區(qū)，氣旋性進(jìn)入主上升氣流區(qū)按照簡(jiǎn)單的上—下形式增長(zhǎng)，少數(shù)大冰雹起源于主上升氣流區(qū)西北側(cè)風(fēng)暴后部中高層，氣旋性地沿著主上升氣流區(qū)邊緣按照下—上—下形式運(yùn)動(dòng)增長(zhǎng)，表明超級(jí)單體中大冰雹可能存在2條增長(zhǎng)路徑。

樊明月等（2013）采用三維全彈性冰雹云模式對(duì)2006年山東省內(nèi)一次強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了模擬分析，表明冰雹的胚胎主要是霰，79%左右的冰雹以霰為核心增長(zhǎng)，霰最初來源于雪的自動(dòng)轉(zhuǎn)化以及雪與過冷雨水碰撞凍結(jié)過程，冰雪晶與過冷雨水碰撞凍結(jié)以及雪的自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程是霰數(shù)量增加的主要過程。冰雹主要來源于霰的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，主要生長(zhǎng)過程是霰的自動(dòng)轉(zhuǎn)化以及碰并過冷云水。

近30年的數(shù)值模擬研究對(duì)冰雹形成的微物理過程的認(rèn)知逐漸明晰：雹胚一般分為凍滴胚和霰胚，凍滴胚由過冷雨滴凍結(jié)形成，霰胚則是冰晶、雪花撞凍增長(zhǎng)而成。冰雹云中哪種雹胚占優(yōu)勢(shì)，主要看云底溫度的高低。在冰雹形成過程中，作為胚胎的霰和凍滴主要通過撞凍過冷水生長(zhǎng)，撞凍增長(zhǎng)占增長(zhǎng)量的大部分，云中存在豐富的過冷水是雹胚和冰雹的形成及增長(zhǎng)的重要條件。

2.2 雹云結(jié)構(gòu)與發(fā)展過程研究

Newton（1963）研究表明，潛在的不穩(wěn)定、低高度的充足水分、剪切和轉(zhuǎn)向的環(huán)境風(fēng)以及一些觸發(fā)機(jī)制是強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)展的有利條件。Marwitz（1972）將影響冰雹的強(qiáng)對(duì)流單體分為3類，分別是多單體風(fēng)暴、超級(jí)單體風(fēng)暴和強(qiáng)烈剪切風(fēng)暴，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析。Marwitz（1972）還根據(jù)雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果對(duì)Browning（1964）提出的超級(jí)單體模型進(jìn)行了修正，增加了云底有組織的上升氣流、最大冰雹區(qū)域和可視云層邊界（圖2）。Moller等（1994）又將超級(jí)單體劃分為弱降水超級(jí)單體、經(jīng)典超級(jí)單體和強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴。Weisman等（2000）研究了不同地區(qū)超級(jí)單體風(fēng)暴過程的物理特征，結(jié)果表明，水汽條件、不穩(wěn)定條件、風(fēng)垂直切變和中尺度抬升機(jī)制等關(guān)鍵因子的變化是超級(jí)單體強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生、發(fā)展的重要條件。

圖2 超級(jí)單體風(fēng)暴的平面示意 （Marwitz，1972）Fig. 2 Schematic diagram of a supercell storm in plan view （Marwitz，1972）

李曉霞等（2007）對(duì)2005年發(fā)生于甘肅省的一次強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了數(shù)值模擬及成因分析，當(dāng)日午后由于局地?zé)釋?duì)流、地形等抬升作用，不穩(wěn)定能量積聚較強(qiáng)，地面冷鋒經(jīng)過甘肅中部時(shí)由于強(qiáng)烈的抬升作用，低層流場(chǎng)急劇輻合導(dǎo)致強(qiáng)旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)了不穩(wěn)定能量釋放，為暴雨、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣提供了動(dòng)力條件。王秀明等（2009）利用WRF中尺度數(shù)值模式模擬了2005年發(fā)生于北京境內(nèi)的一次冰雹天氣過程，發(fā)現(xiàn)雹云水平結(jié)構(gòu)上有不對(duì)稱的雙“S”型流場(chǎng)和回波結(jié)構(gòu)，這是雹云的強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)、云內(nèi)渦偶與環(huán)境風(fēng)三者相互作用的結(jié)果。

胡金磊等（2013）通過ARPS/ADAS云分析系統(tǒng)將雷達(dá)反射率因子信息引入到模式的初始場(chǎng)中，并結(jié)合中尺度數(shù)值模式模擬分析了北京周邊一次冰雹天氣過程，發(fā)現(xiàn)引入雷達(dá)反射率因子信息可以改進(jìn)初始場(chǎng)中水凝物信息和溫度場(chǎng)，使得初始場(chǎng)更符合該時(shí)刻的實(shí)際大氣狀況。郭欣等（2019）使用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所三維冰雹分檔對(duì)流云模式分析了北京一次典型超級(jí)單體雹暴天氣過程，發(fā)現(xiàn)冰雹云頂高度約13 km，最大上升氣流達(dá)30 m/s；由于風(fēng)切變強(qiáng)度較大，冰雹云出現(xiàn)明顯傾斜垂直結(jié)構(gòu)，有利于冰雹天氣的維持和發(fā)展；并且發(fā)現(xiàn)冰雹增長(zhǎng)過程主要依靠雹胚撞凍過冷云水，其增長(zhǎng)率的量級(jí)與冰雹胚胎產(chǎn)生率的量級(jí)一致。

李金輝等（2020）利用探空火箭、新一代天氣雷達(dá)和氣象探測(cè)資料對(duì)2015年7月17日延安寶塔區(qū)冰雹云進(jìn)行了綜合探測(cè)?；鸺綔y(cè)的位置偏冰雹云后部，冰雹云由低層到高層風(fēng)向呈逆時(shí)針變化，探空儀擺動(dòng)明顯，-20℃溫度層偏高，氣流較強(qiáng)，整層偏下沉氣流。冰雹云0℃層附近，在溫度區(qū)間-1.8—5.0℃、厚度1.0 km范圍內(nèi)有最大濕度區(qū)，相對(duì)濕度超過80%，最大濕度87.1%，為冰雹的形成提供了水汽條件。且在緊貼0℃層下正溫區(qū)有最大水平風(fēng)速為19 m/s的急流，厚度為0.022 km。在溫度區(qū)間-4.8—5.0℃、厚度1.6 km范圍內(nèi)維持13 m/s以上水平風(fēng)速，為冰雹的形成提供了動(dòng)力條件。在溫度區(qū)間-9.2—-8.7℃、厚度0.2 km，有不大于2 m/s弱風(fēng)區(qū)；弱風(fēng)區(qū)下方，在溫度區(qū)間-8.8—-4.6℃、厚度0.889 km有上升氣流，平均上升速度1.79 m/s，最大上升速度4 m/s，這種配置為冰雹的生長(zhǎng)提供了環(huán)境場(chǎng)。

Yin 等（2021）使用WRF模式對(duì)2015年4月28日江蘇省一次冰雹天氣過程用SBM（Spectral Bin Microphysics）方案進(jìn)行了模擬。該模擬再現(xiàn)了對(duì)流系統(tǒng)的2個(gè)階段：線性對(duì)流系統(tǒng)（LCS，Linear Convective System）和弓狀回波系統(tǒng)（BES，Bow Echo System）階段。在線性對(duì)流系統(tǒng)階段，上升氣流的強(qiáng)度比弓狀回波系統(tǒng)階段略強(qiáng)，-20℃層以上有大量的過冷水，粒狀物和冰雹主要產(chǎn)生于這一階段。在線性對(duì)流系統(tǒng)期間產(chǎn)生冰雹的階段，研究了冰雹的微物理變化和大小分布特征。結(jié)果表明，冰雹主要是通過過冷水與霰的碰撞形成，并通過收集液態(tài)水而增大尺寸。直徑較小的冰雹顆粒位于主上升氣流的周邊，而較大的顆粒則分布在上升氣流的左側(cè)邊緣。通過三維冰雹生長(zhǎng)模型計(jì)算所選單元內(nèi)冰雹的軌跡和尺寸增長(zhǎng)過程，發(fā)現(xiàn)冰雹來自上升氣流東側(cè)的中間層，并向西和向下轉(zhuǎn)化到低層。它們沿著上升氣流的左側(cè)邊緣繼續(xù)上升，并經(jīng)歷了一次或多次上下循環(huán)，然后落到上升氣流西側(cè)的地面上。

對(duì)雹云的精細(xì)觀測(cè)和數(shù)值模擬研究表明：雹云通常會(huì)具有諸如“V”型缺口、入流缺口、鉤狀回波、指狀回波、弓形或“人”字形回波等一種或多種特征性雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)。雹云的發(fā)展依賴于云中的水汽條件、動(dòng)力不穩(wěn)定條件、風(fēng)垂直切變等關(guān)鍵因子。雹云的發(fā)展和消亡過程經(jīng)常伴隨著雷達(dá)回波單元的合并和分裂，通常發(fā)生在輻合區(qū)的云體合并是促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的一種重要方式；雹云的分裂通常是由云體內(nèi)部的水平渦旋運(yùn)動(dòng)與環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)的相互作用所引起。

3 人工防雹機(jī)理研究

人工防雹研究與強(qiáng)對(duì)流云物理學(xué)密切相關(guān)。人工防雹不僅要了解天氣系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征，還需要了解云系發(fā)展的宏觀與微觀物理演變過程。近幾十年來，中外研究人員對(duì)人工防雹機(jī)理有過很多研究，目前人工防雹理論也在不斷發(fā)展完善，對(duì)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)有重要的指導(dǎo)意義。

3.1 播撒防雹機(jī)理研究

播撒防雹是指向云中播撒人工冰核或吸濕性核，從而影響冰雹的形成過程，達(dá)到抑制或削弱冰雹增長(zhǎng)的目的。WMO（1995）列出了6種防雹原理的假說：①冰雹胚間限制增長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)（利益競(jìng)爭(zhēng)）；②雨從雹胚區(qū)提早落出（早期降雨）；③云水凍結(jié)；④軌道降低；⑤在低效率、弱風(fēng)暴單體中促進(jìn)碰并；⑥播撒引起動(dòng)力效應(yīng)。并認(rèn)為最有希望成為防雹作業(yè)設(shè)計(jì)依據(jù)的是“利益競(jìng)爭(zhēng)”和“早期降雨”。這些防雹假說、防雹概念和播撒方案如圖3所示（許煥斌，2012）。

圖3 防雹假說、防雹概念和播撒方案示意 （許煥斌，2012）Fig. 3 Schematic diagram of hypothesis，concept and seeding scheme of hail suppression （Xu，2012）

“利益競(jìng)爭(zhēng)”是把比自然雹胚濃度高得多的人工雹胚引入云體中，使眾多的雹胚去“爭(zhēng)食”可利用的有限過冷水從而達(dá)到限制它們生長(zhǎng)的大小，如果提供了足夠的雹胚，就可能造成不能增長(zhǎng)到足夠大而在下落過程中融化成雨（許煥斌等，2000）。Young（1977）通過數(shù)值模擬認(rèn)為實(shí)現(xiàn) “利益競(jìng)爭(zhēng)”需要滿足2項(xiàng)基本要求：首先是在雹胚形成區(qū)必須使最大雹胚濃度升高，即形成窄譜，臨界濃度約10—100 m-3；其次在雹增長(zhǎng)區(qū)應(yīng)使雹胚增長(zhǎng)，造成等價(jià)爭(zhēng)食過冷水，以限制最大雹塊尺度和濃度。洪延超（1999）數(shù)值模擬研究表明，催化使得作為冰雹胚胎的霰和凍滴的數(shù)濃度升高，單個(gè)粒子質(zhì)量減小，向冰雹的轉(zhuǎn)化率大為降低，因此雹塊的質(zhì)量和濃度以及降雹動(dòng)能通量都減小，達(dá)到防雹的目的。

“早期降雨”是指向雹云的主上升氣流底層迎風(fēng)向的前側(cè)、溫度處于-20—0℃、只存在過冷云滴的區(qū)域播撒人工冰核，導(dǎo)致在混合云中粒子迅速長(zhǎng)大到毫米級(jí)，這里的弱上升氣流不能夠承托它們而下落，從而脫離冰雹形成的過程。這種雨的先期落出也消耗了過冷水，并由向下的拖曳力和底層蒸發(fā)引起的負(fù)浮力去削弱上升氣流的強(qiáng)度（許煥斌，2012）。

Fukuta（1981）曾提出“擦邊播云”法，即為了避開云中心上升氣流，讓飛機(jī)沿著云體邊緣-10℃等溫線進(jìn)行水平播撒碘化銀（AgI），當(dāng)把這種方法用于多單體雹暴時(shí)，可以造成霰的快速增長(zhǎng)和快速下落，從而達(dá)到人工增雨和防雹的目的。

Bloomer等（1996）通過實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，在有些情況下對(duì)風(fēng)暴的側(cè)線單體云底（-10℃）播撒成冰核是有效的，但并非所有的風(fēng)暴都具有側(cè)線發(fā)展特征。對(duì)發(fā)展較快的單體，采取在過冷水區(qū)直接引入人工冰核。而且側(cè)線單體的冰晶化播云應(yīng)在單體發(fā)展的早期，在其融入主風(fēng)暴之前使催化產(chǎn)生的冰晶上升到凝結(jié)高度以上，以便留足時(shí)間在側(cè)線云中形成冰晶。

冰雹總質(zhì)量偏低的原因在于冰雹的數(shù)濃度很低，在其形成過程中碰撞云滴、雨滴流失的水甚多，約50%—80%的碰撞水以彈濺、旋轉(zhuǎn)損耗、凍結(jié)噴射、環(huán)狀流失、凍結(jié)破碎等方式流散。在雹暴中產(chǎn)生冰雹的區(qū)域?yàn)樯仙龤饬鬏^強(qiáng)的核心部位，僅占雹暴總體積的很小一部分（李大山，2002）。

降低冰雹增長(zhǎng)軌跡是很重要的防雹概念，這樣既可以縮短雹胚在生長(zhǎng)區(qū)的時(shí)間，也可以減少到達(dá)雹增長(zhǎng)區(qū)的液態(tài)水含量，從而顯著降低大雹的濃度和冰雹總質(zhì)量（李大山，2002）。Dennis等（1972）對(duì)雹胚形成區(qū)播撒AgI，可使初始回波降低400—600 m；而同樣條件下播撒吸濕性核，可降低回波高度1 km，回波出現(xiàn)區(qū)的溫度也明顯升高。

許煥斌等（2001）研究表明，由于強(qiáng)對(duì)流（雹）云的流場(chǎng)的特征和相應(yīng)的過冷水凝結(jié)物場(chǎng)的配置，決定了雹云中存在著一個(gè)成雹“穴道”，它位于主上升氣流旁側(cè)的相對(duì)于雹云水平風(fēng)速近于0的主入流區(qū)下側(cè)，出口端是主上升氣流中心，這里適合于大冰雹形成；入口端是主上升氣流的邊沿，這里適合于雹胚形成?！把ǖ馈钡膭?dòng)力特點(diǎn)是，粒子一旦進(jìn)入很難被吹出，自然地進(jìn)行循環(huán)增長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入主上升氣流區(qū)長(zhǎng)成大雹，在上升氣流托不住時(shí)下落。這個(gè)“穴道”的存在和位置是由對(duì)流流場(chǎng)的特征決定的，在“穴道”中粒子增長(zhǎng)率的快慢和進(jìn)入主上升氣流中心的路途長(zhǎng)短是由過冷水場(chǎng)（過冷度和量）來決定的。

Kang等（2007）使用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所開發(fā)的三維云數(shù)值模式與冰雹微觀物理學(xué)相結(jié)合模擬了一次發(fā)生在甘肅永登縣典型的冰雹天氣過程。模擬研究結(jié)果基本與許煥斌等（2001）研究的“穴道”理論一致。隨著冰雹的演變，高空含水量中心在高度上逐漸降低與低層并合，較早的并合導(dǎo)致形成較大的冰雹。消散階段，“穴道”區(qū)出現(xiàn)下沉氣流。盡管如此，“穴道”區(qū)域的冰雹水含量仍然很高。此外，研究還發(fā)現(xiàn)為了抑制冰雹，人工播撒顆粒至“穴道”區(qū)可能會(huì)抑制冰雹的形成，尤其是大冰雹。

中國(guó)還有不少播撒冰雹云的數(shù)值研究（洪延超等，2002；李宏宇等，2003；周毓荃等，2003；周非非等，2005；Chen，et al，2010；樊 明 月 等，2013）。Chen等（2010）采用一個(gè)三維非流體靜力學(xué)云模式研究了碘化銀播撒對(duì)云微物理學(xué)、動(dòng)力學(xué)和對(duì)流風(fēng)暴降水的影響。研究結(jié)果表明，播撒碘化銀可以顯著影響高平原地區(qū)對(duì)流風(fēng)暴的云動(dòng)力學(xué)、微物理學(xué)和進(jìn)一步降水。模擬結(jié)果不僅發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)播撒碘化銀有利于提高防雹效果，而且還證明具有冷基且壽命長(zhǎng)的對(duì)流云也具有動(dòng)態(tài)播撒的潛力。

樊明月等（2013）利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所開發(fā)的三維全彈性冰雹云模式，對(duì)2006年7月5日發(fā)生于山東境內(nèi)的一次以冰雹、雷雨大風(fēng)為主的強(qiáng)對(duì)流過程進(jìn)行模擬，分析了冰雹的形成機(jī)制并且分別從催化時(shí)間、高度、劑量、區(qū)域等方面進(jìn)行了模擬催化試驗(yàn)，研究該個(gè)例催化防雹效果并分析防雹機(jī)理。結(jié)果表明：催化效果的好壞對(duì)作業(yè)時(shí)機(jī)的選取十分敏感，在強(qiáng)對(duì)流云中冰雹含量達(dá)到0.1 g/m3前1—4 min進(jìn)行催化，能有效抑制冰雹的增長(zhǎng)，因此實(shí)踐中若能在雹云發(fā)展的早期進(jìn)行作業(yè)，防雹效果會(huì)好得多；連續(xù)催化的防雹效果比瞬時(shí)催化好；在過冷水含量中心區(qū)進(jìn)行催化的防雹效果比在其他區(qū)域好，在過冷水含量中心高度（5.5 km）上方1.0—1.5 km催化效果較好，在其下方催化防雹效果較差；一般情況下催化劑量越大，防雹效果越好，但當(dāng)催化劑量達(dá)到一定值后，再增加催化劑，防雹效果變化不大。

對(duì)播撒防雹的觀測(cè)研究和數(shù)值模擬表明：“利益競(jìng)爭(zhēng)”和“早期降雨”是實(shí)際防雹作業(yè)中應(yīng)用較為普遍的兩種播撒防雹理論。在雹云中的適當(dāng)位置進(jìn)行播撒催化可以使充當(dāng)雹胚的霰和凍滴的數(shù)濃度升高，粒子質(zhì)量減小，從而起到抑制或減少成雹、降雹的作用；在雹云的適當(dāng)位置進(jìn)行播撒催化所引起的動(dòng)力效應(yīng)也不容小覷，對(duì)抑制冰雹生長(zhǎng)和雹云發(fā)展往往發(fā)揮非常關(guān)鍵的作用。

雖然播撒防雹已被廣泛認(rèn)同并在中外人工防雹業(yè)務(wù)中得到普遍應(yīng)用，但由于精細(xì)化觀測(cè)和模擬技術(shù)仍在不斷地發(fā)展，加強(qiáng)對(duì)冰雹形成機(jī)制與防雹原理的研究仍需進(jìn)一步深入。

3.2 爆炸防雹機(jī)理研究

自1973年以來，中國(guó)廣泛使用 “三七”高炮對(duì)雹云發(fā)射炮彈，運(yùn)用爆炸方法進(jìn)行防雹增雨作業(yè)。20世紀(jì)80年代初，一批基于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和物理核查的防雹效果報(bào)告已經(jīng)發(fā)表，總的來說，“三七”高炮防雹是有效果的。幾十年來，中國(guó)很多地方開展過大量的高炮防雹試驗(yàn)，蘇聯(lián)也做過不少同樣的工作。

如圖4和5所示，對(duì)強(qiáng)對(duì)流云施行連續(xù)“三七”高炮轟擊之后，雷達(dá)回波可發(fā)生以下幾種變化：

圖4 1978年8月25日，人工防雹作業(yè)后雷達(dá)回波RHI的變化（a、b和c分別是14：02、14：08和14：10（北京時(shí)，下同））（許煥斌，2012）Fig. 4 The graphical change of the radar echo RHI display after hail suppression operation on 25 August 1978 （a. 14：02 BT，b. 14：08 BT，c. 14：10 BT） （Xu，2012）

①回波頂下降，回波減弱，回波衰弱速度比自然云明顯加快。

②移速驟減，有轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。

③回波出現(xiàn)空洞或弱區(qū)、強(qiáng)區(qū)分裂。

在防雹作業(yè)中，由于使用高炮向云中發(fā)射炮彈時(shí)會(huì)伴隨著爆炸，在爆炸的幾分鐘內(nèi)云系會(huì)出現(xiàn)各種變化，其動(dòng)力效應(yīng)明顯，這與播撒防雹在原理上有很大區(qū)別（許煥斌，2001）。對(duì)此做過很多數(shù)值模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爆炸可以使未達(dá)到空氣動(dòng)力學(xué)破碎尺度的滴和不滿足碰撞破碎的滴破碎成小于0.08 cm的滴群，并且能形成大雹的胚胎常在懸掛回波區(qū)的胚胎簾的底部下伸到0℃層以下融化，這種融化除了使雹胚的體密度升高，還可使表面粗糙度降低和阻力系數(shù)減小，從而使末速度增大，更易于進(jìn)入主上升氣流，從而更有利于（除大雹形成外）液滴的破碎，為用爆炸促使這些融滴的破碎準(zhǔn)備了條件（許煥斌，2012）。

圖5 1991年6月28日人工防雹作業(yè)后雷達(dá)回波RHI作業(yè)前（a）、后 （b） 及自然云先 （c）、后 （d） 兩個(gè)時(shí)次比較 （李連銀，1996，有刪改）Fig. 5 Comparison of radar echo RHI before （a） and after（b） hail suppression operation，and the change of two times（c. before，d. after） of one natural colud on 28 June 1991 （Li，1996，with deletion ）

爆炸的產(chǎn)物主要有：爆炸氣體、爆炸飛濺物、沖擊波、聲波和擾動(dòng)氣流，其中爆炸氣體和爆炸飛濺物對(duì)防雹作業(yè)的影響可以忽略（許煥斌，2014）。

許煥斌（1979，2014）提出爆炸產(chǎn)生的沖擊波是一種非對(duì)稱波，在序列定點(diǎn)爆炸時(shí)，除了隨時(shí)間變化著的壓力波動(dòng)外，在炸點(diǎn)周圍可以形成一個(gè)平均等效壓力場(chǎng)，其壓力梯度力能對(duì)氣流起制動(dòng)或加速作用，經(jīng)過初步估算，可把3—4 m/s的上升氣流制動(dòng)到0。

爆炸產(chǎn)生了聲波，沖擊波也會(huì)衰減為聲波，聲波是否對(duì)小尺度粒子運(yùn)動(dòng)有影響？Hoerner（1935）曾研究了聲波對(duì)繞球流動(dòng)的影響，對(duì)降水粒子來說，運(yùn)動(dòng)邊界層的特征尺度與聲振可以相當(dāng)，因而可以影響邊界層的動(dòng)量交換，所以聲波對(duì)降水粒子有影響。許煥斌等（1989）認(rèn)為在聲強(qiáng)相當(dāng)大、其頻率和振幅滿足一定條件時(shí)，對(duì)于空氣中的雨滴下落來說能起到“潤(rùn)滑”作用，不過要證實(shí)這種作用在理論上有很大的困難，還需要進(jìn)行很多模擬試驗(yàn)。

爆炸產(chǎn)生的沖擊波能量占爆炸釋放能量的90%以上，沖擊波的前壓縮后伸疏會(huì)使空氣運(yùn)動(dòng)前、后反向。這些都表明沖擊波在耗散中可以把能量轉(zhuǎn)化為氣流擾動(dòng)能，形成具有強(qiáng)梯度的擾動(dòng)流場(chǎng)（許煥斌，2014）。

多年的防雹實(shí)踐已經(jīng)證明爆炸防雹是有效果的，爆炸產(chǎn)生的沖擊波和動(dòng)力效應(yīng)更容易促使雹胚或液滴的破碎，但針對(duì)爆炸防雹的機(jī)理仍需基于精細(xì)觀測(cè)和仿真模擬開展進(jìn)一步的研究。

4 人工防雹技術(shù)研究

4.1 國(guó)際上人工防雹技術(shù)研究

蘇聯(lián)的防雹技術(shù)方法研究始于20世紀(jì)50年代，“利益競(jìng)爭(zhēng)”理論最初來自20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)人工影響天氣部門的工作。蘇聯(lián)使用炮彈和火箭播撒冰核，減少了70%—90%的雹災(zāi)損失（Marwitz，1973；Battan，1973）。

蘇聯(lián)科學(xué)家1967年提出的防雹方法是同時(shí)使用成冰劑和吸濕劑，即將含有直徑5—10 μm的氯化鈉粒子防雹炮彈發(fā)射到成熟雹云的云底和中部附近，即雷達(dá)反射率較強(qiáng)的暖區(qū)，同時(shí)將含有碘化銀成冰劑的防雹炮彈發(fā)射到成熟雹云雷達(dá)反射率最強(qiáng)的過冷層部位。基于該方法，南斯拉夫在東部面積5×104km2的地區(qū)長(zhǎng)期實(shí)行防雹計(jì)劃。播云區(qū)內(nèi)有23個(gè)測(cè)站建有12個(gè)區(qū)域雷達(dá)中心，設(shè)置了1300個(gè)火箭發(fā)射站，在每年的雹季進(jìn)行雷達(dá)指揮防雹作業(yè)（Mesinger，et al，1992）。由于當(dāng)時(shí)對(duì)冰雹生長(zhǎng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)不足，采用播撒吸濕劑的方法進(jìn)行防雹作業(yè)缺乏科學(xué)理論支撐。

西班牙萊昂大學(xué)于1986年開始制定了一項(xiàng)名叫PALA的防雹計(jì)劃，目的是減少冰雹對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)造成的損失。在Leon和Zamora地區(qū)12500 km2面積上建立氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，獲取與冰雹有關(guān)的氣候信息，并繪制了冰雹災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖（Sanchez，et al，1994）。

加拿大阿爾伯塔自1996年開始實(shí)施了一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)20 a的基于飛機(jī)作業(yè)的人工防雹項(xiàng)目（AHSP）。2015年7月21日的一次防雹試驗(yàn)，3架飛機(jī)從云頂發(fā)射含20 g AgI的成冰焰劑，墜落過程中燃燒，可在0.8 km內(nèi)播撒；同時(shí)，飛機(jī)攜帶48個(gè)含150 g AgI末端燃燒器固定在機(jī)翼下進(jìn)行播撒；另外2架飛機(jī)在云層底部發(fā)射含20 g AgI焰彈或者燃燒含AgI的溶液進(jìn)行低劑量播撒作業(yè)（Gilbert，et al，2016）。

20世紀(jì)50年代美國(guó)北達(dá)科他州開始實(shí)施播云防雹作業(yè)，設(shè)立了兩個(gè)分離的目標(biāo)區(qū)，當(dāng)時(shí)為地面AgI丙酮溶液燃燒爐燒煙，后來改為飛機(jī)播云，都是采用“利益競(jìng)爭(zhēng)”的方式進(jìn)行人工防雹。1997年美國(guó)實(shí)施北達(dá)科他人工影響云計(jì)劃（NDCMP），NDCMP計(jì)劃為達(dá)到增雨和防雹雙重目的，在每年作業(yè)期采用機(jī)載AgI丙酮溶液燃煙、尾燃AgI焰彈等方式，在云底部上升氣流區(qū)播撒或直接在云頂播撒。在此期間催化劑的配方也一直在改變。NDCMP從1975年開始防雹作業(yè)，多年來，作業(yè)效果評(píng)價(jià)認(rèn)為防雹增雨為正效應(yīng)（Langerud，et al，1998）。

2015年，格魯吉亞卡赫季地區(qū)約65萬hm2區(qū)域建立了現(xiàn)代的防雹作業(yè)系統(tǒng)，在此設(shè)置了85個(gè)返航火箭發(fā)射點(diǎn)，每10 km一個(gè)發(fā)射點(diǎn)。發(fā)射場(chǎng)安裝有火箭發(fā)射裝置、太陽能電池板、接地和安全系統(tǒng)（圖6）。在海拔205—1775 m的高度設(shè)置發(fā)射器，每個(gè)發(fā)射器攜帶26枚火箭彈。使用馬其頓生產(chǎn)的SK-6防雹火箭（圖7），這種火箭長(zhǎng)約55 cm，每個(gè)火箭攜帶40 g AgI試劑，他們將這些火箭發(fā)射到 海 拔2—4.5 km的 高 度（Amiranashvili，et al，2015）。

圖6 格魯吉亞卡赫季地區(qū)布置的火箭自動(dòng)發(fā)射裝置（Amiranashvili，et al，2015）Fig. 6 The automatic rocket launcher deployed in the Kakheti area of Georgia （Amiranashvili，et al，2015）

圖7 格魯吉亞卡赫季地區(qū)使用的SK-6防雹火箭 （Amiranashvili，et al，2015）Fig. 7 The anti-hail rocket SK-6 used in the Kakheti area of Georgia （Amiranashvili，et al，2015）

亞美尼亞采用了一種新型的全自動(dòng)防雹工作設(shè)備，適用于在部分密閉區(qū)域的防雹作業(yè)。其工作方法如下：為了及早發(fā)現(xiàn)冰雹和含冰雹的云，可以使用具有一般靈敏度的簡(jiǎn)單微波輻射計(jì)。通過使用微波輻射計(jì)測(cè)量射頻觀測(cè)介質(zhì)的本征輻射，可以準(zhǔn)確、高概率地對(duì)冰雹和包含冰雹的云進(jìn)行分類。因此，具有一般靈敏度的微波輻射計(jì)可以成功地用于冰雹探測(cè)、云分類和冰雹危險(xiǎn)預(yù)警。通過輻射探測(cè)器校正器的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)局部地區(qū)防雹的自主和自動(dòng)功能以及防雹網(wǎng)絡(luò)的完全自動(dòng)功能（圖8）（Arakelyan，2017）。

圖8 亞美尼亞采用自動(dòng)防雹網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作示意 （Arakelyan，2017）Fig. 8 Schematic diagram of automatic hail suppression network system used in Armenia （Arakelyan，2017）

國(guó)際上防雹技術(shù)多數(shù)采用通過地面火箭、飛機(jī)、地面燃燒爐等向云中播撒人工冰核等手段抑制或削弱冰雹云中冰雹的增長(zhǎng)。20世紀(jì)60—80年代，蘇聯(lián)和南斯拉夫等一些東歐國(guó)家的人工防雹除了播撒人工冰核外，還會(huì)同時(shí)在暖區(qū)播撒吸濕性核，但隨著對(duì)冰雹生長(zhǎng)機(jī)理的逐步認(rèn)識(shí)，在暖區(qū)播撒吸濕性核進(jìn)行防雹的方法被摒棄。目前國(guó)際上防雹技術(shù)朝著數(shù)字化、自動(dòng)化與網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，防雹設(shè)備、探測(cè)設(shè)備及探測(cè)技術(shù)的發(fā)展較快，但集冰雹云識(shí)別、預(yù)警、催化作業(yè)和效果檢驗(yàn)為一體的成套人工防雹技術(shù)體系還有所欠缺。蘇聯(lián)的人工防雹技術(shù)發(fā)展早、積累多、技術(shù)相對(duì)先進(jìn)和全面，但其數(shù)值模擬技術(shù)和綜合技術(shù)體系仍需加強(qiáng)和提高。

4.2 中國(guó)人工防雹技術(shù)研究

中國(guó)自1958年開始組織人工防雹作業(yè)試驗(yàn)，20世紀(jì)70年代以來，先在山西昔陽、甘肅岷縣和平?jīng)觥⑿陆烟K等地，后來發(fā)展到華北、西北、西南和東北等20個(gè)省、市、自治區(qū)，開展了有組織有設(shè)計(jì)的人工防雹試驗(yàn)（黃美元等，2000；姚展予，2006）。通過不斷地研究和試驗(yàn)，很多地方已經(jīng)建立了一套針對(duì)地方天氣特征和適應(yīng)科學(xué)發(fā)展的人工防雹技術(shù)方法，通過雷達(dá)監(jiān)測(cè)冰雹云指揮作業(yè)，有效地減少了冰雹災(zāi)害的發(fā)生。

多年的防雹實(shí)踐使得中國(guó)的人工防雹技術(shù)有了顯著進(jìn)步，建立了基于“三七”高炮的人工防雹體系。中國(guó)氣象科學(xué)研究院改進(jìn)和提高了炮彈內(nèi)AgI的成核率，中國(guó)有關(guān)企業(yè)研制和試驗(yàn)了多種炮彈。通過多年的試驗(yàn)和實(shí)踐，中國(guó)已逐步建立和發(fā)展了一套適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的利用雷達(dá)監(jiān)測(cè)識(shí)別和預(yù)警冰雹云、利用計(jì)算機(jī)通訊系統(tǒng)指揮作業(yè)、利用發(fā)射炮彈（火箭彈）播撒成冰催化劑的以高炮（火箭）為作業(yè)工具的人工防雹技術(shù)系統(tǒng)（姚展予，2006）。

中國(guó)人工防雹監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷的進(jìn)步，從20世紀(jì)70年代開始，中國(guó)開始發(fā)展711雷達(dá)和713雷達(dá)在冰雹監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用；到20世紀(jì)80年代末，中國(guó)已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的數(shù)字化（黃美元等，2000），并且閃電計(jì)數(shù)器、閃電頻譜儀和閃電定位器已經(jīng)應(yīng)用到人工防雹中；20世紀(jì)90年代開始，現(xiàn)代通訊設(shè)備和計(jì)算機(jī)在人工防雹中被廣泛運(yùn)用，各地已經(jīng)建立起較為健全的人工防雹指揮系統(tǒng)（吳海英等，2003；曹景一，2016）；從1998年開始，隨著中國(guó)新一代天氣雷達(dá)（CINRAD）的布網(wǎng)，進(jìn)一步提高了對(duì)災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)水平，配套的軟件、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，對(duì)于冰雹云監(jiān)測(cè)和人工防雹作業(yè)指揮技術(shù)都有很大提升；近年來，偏振雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展使得冰雹云的監(jiān)測(cè)、識(shí)別和預(yù)警技術(shù)進(jìn)一步提高，為人工防雹科學(xué)作業(yè)和精準(zhǔn)作業(yè)奠定了可靠基礎(chǔ)。中國(guó)多地的人工影響天氣業(yè)務(wù)部門在外場(chǎng)探測(cè)和防雹作業(yè)多年積累的基礎(chǔ)上，分析了冰雹云雷達(dá)回波特征及回波參數(shù)與降雹的關(guān)系，建立了各地基于常規(guī)氣象雷達(dá)或雙偏振雷達(dá)探測(cè)識(shí)別冰雹云及其防雹作業(yè)指標(biāo)（黃美元等，1980；肖輝等，2002；付雙喜等，2004；樊鵬等，2005；樊志超等，2006；王令等，2006；李金輝等，2007；周德平等，2007；湯興芝等，2009；李紅斌等，2010；段鶴等，2011；閔晶晶等，2011；張正國(guó)等，2012；王若升等，2013；段藝萍等，2014；黃駿等，2016；周長(zhǎng)青等，2018；劉紅亞等，2020；劉昭武等，2020；潘佳文等，2020）。

1969—1978年，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所在山西昔陽縣開展了為期10 a的冰雹云和人工防雹探測(cè)與試驗(yàn)研究（黃美元等，1980）。項(xiàng)目組用多種儀器設(shè)備對(duì)冰雹云進(jìn)行綜合探測(cè)，在中國(guó)率先對(duì)冰雹云進(jìn)行分類，研究不同類型冰雹云形成的環(huán)境條件、生命史、演變過程、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和降雹特征，建立了冰雹云概念模型，提出了冰雹云的識(shí)別和預(yù)報(bào)方法，開展了高炮人工防雹試驗(yàn)，總結(jié)出一套雹云預(yù)報(bào)、雷達(dá)監(jiān)視和識(shí)別、高炮作業(yè)、對(duì)比統(tǒng)計(jì)效果檢驗(yàn)的人工防雹技術(shù)方法，并在中國(guó)推廣應(yīng)用。

肖輝等（2002）通過分析1997—1999年陜西旬邑防雹試驗(yàn)區(qū)的146塊雷暴和冰雹云，并通過數(shù)值模擬與觀測(cè)相結(jié)合發(fā)現(xiàn)：雹云初期強(qiáng)回波都出現(xiàn)在0—5℃層中，而雷雨云的初始回波高度低。根據(jù)分析，提出了判別當(dāng)?shù)乇⒃频闹笜?biāo)（表1），根據(jù)這些指標(biāo)可以提前5—10 min判別冰雹云并進(jìn)行人工防雹作業(yè)，且這套冰雹云識(shí)別指標(biāo)已由中國(guó)氣象局在全國(guó)推廣應(yīng)用。

表1 陜西旬邑縣雹云雷達(dá)識(shí)別指標(biāo) （肖輝等，2002）Table 1 Radar identification indexes of hail clouds in Xunyi county，Shaanxi province （Xiao，et al，2002）

李金輝等（2007）用雷達(dá)強(qiáng)回波（45 dBz）高度和降雹日08時(shí)月平均0℃層高度對(duì)1991—2003年寶雞雷達(dá)站觀測(cè)的多塊對(duì)流云進(jìn)行數(shù)值擬合，得出了識(shí)別冰雹云的指標(biāo)：處于發(fā)展中的對(duì)流云，雷達(dá)強(qiáng)回波45 dBz高度大于或等于多年降雹日08時(shí)0℃層月平均值（2.9 km）將有冰雹醞釀形成。對(duì)造成災(zāi)害降雹過程的雷達(dá)回波分析表明：雷達(dá)強(qiáng)回波（45 dBz）平均底部高度越高，提前識(shí)別的時(shí)間越長(zhǎng)；頂部高度越高，距離降雹時(shí)間越短。并且經(jīng)過檢驗(yàn)，該識(shí)別冰雹云方法對(duì)單體降雹平均提前識(shí)別有較好的指示作用。

段鶴等（2011）對(duì)比分析了云南普洱、西雙版納典型的中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的多普勒速度特征和反射率因子及其導(dǎo)出產(chǎn)品的特征，發(fā)現(xiàn)滇南冰雹云回波的中心強(qiáng)度為55—69 dBz，而短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)中心為40—45 dBz，大風(fēng)回波中心強(qiáng)度為30—55 dBz。92%的冰雹云45 dBz回波頂高超過-20℃層，97%的冰雹云回波和85%的大風(fēng)回波移速≥30 km/h，而強(qiáng)降水回波中，僅有5%的回波移速≥30 km/h，這些雷達(dá)回波綜合特征可作為臨近預(yù)報(bào)的參考指標(biāo)。

李紅斌等（2011）對(duì)大連地區(qū)2003年以來多普勒雷達(dá)觀測(cè)到的29個(gè)降雹個(gè)例雷達(dá)體掃資料進(jìn)行了PUP軟件計(jì)算，得到每個(gè)個(gè)例的回波強(qiáng)度、頂高、30 dBz強(qiáng)中心高度、強(qiáng)回波頂高和垂直積分液態(tài)水含量的主要雷達(dá)參數(shù)值，將冰雹（強(qiáng)對(duì)流）云分為單體、多單體和強(qiáng)（超級(jí)）單體雹云3類，并總結(jié)了防雹作業(yè)判據(jù)指標(biāo)；對(duì)3種類型實(shí)例的多普勒雷達(dá)PPI和RHI雷達(dá)回波強(qiáng)度和速度場(chǎng)進(jìn)行分析，總結(jié)了3種不同類型冰雹云實(shí)例的防雹作業(yè)概念模型。

王若升等（2013）利用甘肅平?jīng)鍪?009—2011年112個(gè)雷暴單體的多普勒雷達(dá)探測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)了冰雹雷達(dá)回波基本反射率、組合反射率、徑向速度、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量（VIL）等數(shù)據(jù)，分析了冰雹回波與短時(shí)強(qiáng)降水回波等的差異（表2）。

表2 甘肅平?jīng)鍪斜⒒夭ㄌ卣髁科骄?（王若升等，2013）Table 2 Average values of hail echo characteristics in Pingliang city，Gansu province （Wang，et al，2013）

方德賢等（2016）以SCIT算法為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征，綜合利用雷達(dá)、探空資料，自動(dòng)提取風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征指數(shù)；采用基于決策樹模型的風(fēng)暴自動(dòng)分類技術(shù)，將風(fēng)暴按強(qiáng)度分為雷雨云、單體風(fēng)暴、多單體風(fēng)暴和強(qiáng)風(fēng)暴；最后根據(jù)風(fēng)暴強(qiáng)度、高度和位置等屬性，對(duì)有可能產(chǎn)生冰雹的單體，結(jié)合GIS自動(dòng)對(duì)下游方向或附近作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警或輸出作業(yè)參數(shù)。并且通過對(duì)2006—2014年重慶、大連、三門峽3地較為典型的31次冰雹天氣過程、182次冰雹樣本的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此風(fēng)暴識(shí)別技術(shù)能有效提高人工防雹作業(yè)的自動(dòng)化程度，對(duì)防雹作業(yè)的科學(xué)決策有重要參考作用。

隨著對(duì)冰雹形成機(jī)理和冰雹云結(jié)構(gòu)特征的逐步認(rèn)識(shí)，伴隨著雷達(dá)等探測(cè)設(shè)備和探測(cè)技術(shù)以及地面火箭和高炮等作業(yè)設(shè)備的現(xiàn)代化發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，中國(guó)自20世紀(jì)70年代開始在多個(gè)省、市開展的人工防雹活動(dòng)正朝著自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、智能化、科學(xué)化的方向不斷發(fā)展和進(jìn)步，符合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱驮葡堤卣鞯募⒃评走_(dá)監(jiān)測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)、冰雹預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)、人工防雹地面催化作業(yè)系統(tǒng)和人工防雹效果檢驗(yàn)系統(tǒng)為一體的成套人工防雹技術(shù)體系正在建立和不斷完善，提升了中國(guó)人工防雹的整體技術(shù)水平。各地的人工防雹作業(yè)有效地減輕了當(dāng)?shù)氐谋?zāi)害，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 人工防雹科學(xué)試驗(yàn)

5.1 國(guó)際上的人工防雹科學(xué)試驗(yàn)

為了減少冰雹帶來的災(zāi)害以及更好地研究冰雹云，一些國(guó)家很早就開始實(shí)行防雹科學(xué)試驗(yàn)，然而，大規(guī)模的防雹試驗(yàn)是從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)開始的，特別是20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)防雹試驗(yàn)成功的報(bào)道引起了世界各國(guó)的注意。

蘇聯(lián)于1983年開始“綜合冰雹試驗(yàn)”，1983—1985年為試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，1986年正式開始，由高山地球物理研究所（蘇聯(lián)防雹科技工作牽頭單位）負(fù)責(zé)進(jìn)行。試驗(yàn)基地設(shè)在蘇聯(lián)北高加索中部地區(qū)山腳地帶，由于這里冰雹活動(dòng)頻繁，具有全部各種主要類型的冰雹過程，所以選擇在該區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)?！熬C合冰雹試驗(yàn)”布置了3個(gè)研究站、4個(gè)地面催化站，并做了技術(shù)裝備多邊形布設(shè)。1983—1988年做了49個(gè)雹暴理論的研究（39個(gè)催化個(gè)例），其中包括6個(gè)超級(jí)單體、5個(gè)有序列多單體、31個(gè)無序列多單體、7個(gè)短暫雹暴?！熬C合冰雹試驗(yàn)”給出了多普勒天氣雷達(dá)方法研究雹暴云內(nèi)空間氣流結(jié)構(gòu)及氣流分布特點(diǎn)的個(gè)例，如1987年6月23日一次簡(jiǎn)單單體雹暴的氣流分布：在云的前部2—3 km高度上觀測(cè)到上升氣流達(dá)3 m/s，在云的后部同樣高度是類似的下沉氣流﹔在反射率10-8cm-1處，風(fēng)的水平分量達(dá)10—20 m/s，隨高度上升風(fēng)的水平分量降低，垂直分量增大到5 m/s；在8 km高度，垂直分量達(dá)到極大值，為8—17 m/s；在云的下部（2—4 km高度）后方記錄到出流，但是到6—8 km高度，輻散區(qū)變到前部（龔乃虎，1991）。綜合冰雹試驗(yàn)還研究了雹塊產(chǎn)生和生長(zhǎng)的物理學(xué)原理、雹胚成分和其同位素成分。

塞爾維亞防雹試驗(yàn)是從1967年開始的，運(yùn)用的是蘇聯(lián)的防雹模式，對(duì)冰雹云進(jìn)行快速、大量的播撒AgI催化劑。雖然不同類型的雹云在播撒方法上有一些變化，但一般都是直接將催化劑引入-8—-12℃等溫線之間的云中。但近年來，由于新型催化劑的開發(fā)，催化劑的活化門檻溫度越來越高，播撒方法略有改進(jìn)，但是對(duì)于火箭播撒的方式都是由-10℃云層高度決定的。因此，在防雹作業(yè)中應(yīng)采用火箭播撒層厚度和播撒層距地高度作為初步近似值，供給層離地面的高度可由相應(yīng)等溫線的平均高度和地面平均高度的差來確定。圖9為發(fā)射點(diǎn)高度的頻率分布。最大頻率高度是在平均海拔100—500 m，僅有約10%的點(diǎn)高度大于1 km。并且高度高的發(fā)射點(diǎn)多集中于塞爾維亞西南部的山區(qū)，那里的發(fā)射點(diǎn)約占發(fā)射點(diǎn)總數(shù)的2/3（Vukovic，et al，1990）。

圖9 塞爾維亞防雹試驗(yàn)發(fā)射點(diǎn)高度的頻率分布 （高度單位：100 m）（Vukovic，et al，1990）Fig. 9 The frequency distribution of firing point elevations （elevation in 100 m） of the hail suppression test in Serbia （Vukovic，et al，1990）

法國(guó)防雹外場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目（Association Nationale d'Etude et de Lutte contre les Fléaux Atmosphériques，ANELFA）從1952年到2015年連續(xù)開展了64 a。防雹區(qū)自然大氣中冰核濃度的研究已進(jìn)行了20 a，地面燃燒爐已得到改進(jìn)。1984年，共建成燃燒爐455座，保護(hù)面積5.5萬 km2，從最初只有少量木炭燃燒的地基爐開始。2015年，有838個(gè)催化點(diǎn)，覆蓋7萬 km2（圖10）。在地面燃燒爐中以1.1 L/h的燃燒速率燃燒含8 g/L的AgI-0.5NaI丙酮溶液，并用1275個(gè)冰雹儀監(jiān)測(cè)冰雹的下落動(dòng)能。早期防雹的目的是減少農(nóng)作物的損失，因此通過農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)公司的數(shù)據(jù)，對(duì)1986年以前的防雹效果在催化受災(zāi)區(qū)和其他地區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明西北地區(qū)的損失減少了41%。自1988年以來一直使用冰雹（直徑＞0.7 cm）測(cè)量的數(shù)量，得出在密集催化的云體中冰雹數(shù)量減少42%。隨后用測(cè)雹板測(cè)量的動(dòng)能取代冰雹數(shù)量來統(tǒng)計(jì)催化效果。在統(tǒng)計(jì)的18個(gè)主要降雹日中，10個(gè)燃燒爐覆蓋1000 km2，每個(gè)燃燒爐燃燒AgI（9 g/h）可以降低冰雹50%的動(dòng)能。后來統(tǒng)計(jì)了24個(gè)主要降雹日的冰雹半徑和下落動(dòng)能，半徑1.2—3.5 cm的雹粒子動(dòng)能變化顯著，大劑量催化（121 g AgI）比小劑量催化（11 g AgI）冰雹動(dòng)能降低47%（Dessens，et al，2016）。

圖10 法國(guó)防雹外場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目 （ANELFA） 2015年地面燃燒爐分布 （Dessens，et al，2016）Fig. 10 Map of the ANELFA ground generator networks in 2015 （Dessens，et al，2016）

1978—1983年的6—9月，在西班牙阿爾巴塞特省實(shí)施了一項(xiàng)防雹計(jì)劃。保護(hù)區(qū)面積大約600 km2，由農(nóng)業(yè)部根據(jù)保險(xiǎn)公司提供的歷史雹災(zāi)損失資料選定。作業(yè)用飛機(jī)進(jìn)行，飛行高度的溫度是-10℃，播撒工具是噴射式AgI煙火器。在保護(hù)區(qū)的控制點(diǎn)上安置了一部氣象雷達(dá)，飛機(jī)按照雷達(dá)指示的航向直接飛向云團(tuán)。凡是反射率接近45 dBz、垂直發(fā)展高度超過6500 m的云就認(rèn)為存在降雹危險(xiǎn)性（Sanchez，et al，1988）。此外，西班牙還借鑒法國(guó)于1978年開始進(jìn)行的防雹試驗(yàn)，1990年改為遙控自動(dòng)燃燒爐。利用c-212飛機(jī)進(jìn)行了67次冰雹云觀測(cè)飛行，發(fā)現(xiàn)地面燃燒爐催化后，過冷液態(tài)水幾乎為0，但在云移動(dòng)50—60 km后，過冷液態(tài)水恢復(fù)到原來的值。結(jié)果表明，地面燃燒爐對(duì)雷暴的成核過程有30 min的影響。1997年觀測(cè)網(wǎng)范圍較小，只有70塊測(cè)雹板；2000年建立5 km測(cè)雹網(wǎng)、165塊測(cè)雹板；2005年停止催化，但測(cè)雹板觀測(cè)仍在繼續(xù)（無催化雹）（Dessens，et al，2016）。

美國(guó)從1972年開始正式開展國(guó)家冰雹研究試驗(yàn)（National Hail Research Experiment，NHRE），試驗(yàn)地點(diǎn)在科羅拉多州東北部（圖11），NHRE是一個(gè)隨機(jī)催化防雹試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)顯示，NHRE的防雹效果差別很大，從60%減雹到500%增雹，因此無法對(duì)NHRE的防雹效果做出結(jié)論。NHRE最初計(jì)劃5 a，后來只進(jìn)行了3 a，因?yàn)?972—1974年對(duì)播云效應(yīng)的初步分析無法證實(shí)防雹的統(tǒng)計(jì)顯著性。試驗(yàn)最終取得57個(gè)雹日，27個(gè)雹日催化作業(yè)，30個(gè)雹日留作對(duì)比。統(tǒng)計(jì)分析表明防雹效果僅7%，增加降水5%，但不具有統(tǒng)計(jì)顯著性。雖然該項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)蘇聯(lián)播云防雹的原理和方法未能證實(shí)，但對(duì)試驗(yàn)區(qū)雹暴的形成和結(jié)構(gòu)有了深入了解，由于雹胚形態(tài)各地差異大（與氣候特征有關(guān)），而且具有不同的雹胚群體，它們對(duì)不同的播云方法有不同的敏感性。即使成功的播云技術(shù)，也不能簡(jiǎn)單地從一地直接照搬到另一地使用（Foote，et al，1979）。美國(guó)此次外場(chǎng)試驗(yàn)雖然可以評(píng)估出實(shí)施人工防雹作業(yè)可以減輕雹災(zāi)20%—30%，但是缺少對(duì)冰雹云內(nèi)部微物理結(jié)構(gòu)變化的研究，并沒有掌握人工防雹的科學(xué)作業(yè)方法。

圖11 美國(guó)NHRE試驗(yàn)區(qū)地理分布 （Foote，et al，1979）Fig. 11 Map of the NHRE experimental area in the United States （Foote，et al，1979）

1977—1981年，瑞士、法國(guó)和意大利在瑞士中部進(jìn)行了為期5 a的防雹試驗(yàn)（Grossversuch Ⅳ），采用了蘇聯(lián)的人工防雹技術(shù)和方法（Federer，et al，1978）。在試驗(yàn)場(chǎng)中布設(shè)了非常密的測(cè)雹板（1300 km2內(nèi)有333塊測(cè)雹板），并布設(shè)了10 cm波長(zhǎng)的雷達(dá)對(duì)催化和未催化的冰雹單體內(nèi)的動(dòng)能進(jìn)行測(cè)量，共獲得了216個(gè)試驗(yàn)單體。此次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)催化與未催化的冰雹云單體動(dòng)能統(tǒng)計(jì)上并沒有明顯差異，說明蘇聯(lián)的防雹方法并不適用于瑞士試驗(yàn)區(qū)（Federer，et al，1986）。

1956—1985年，加拿大阿爾伯塔研究委員會(huì)（ARC）實(shí)施了長(zhǎng)達(dá)30 a的冰雹和人工防雹研究計(jì)劃，對(duì)阿爾伯塔地區(qū)的冰雹特征和雹災(zāi)損失有了深刻認(rèn)識(shí)?；谇捌诘难芯炕A(chǔ)和對(duì)該地區(qū)冰雹特征的認(rèn)知，阿爾伯塔惡劣天氣管理協(xié)會(huì)（ASWMS）自1996年開始實(shí)施了為期20 a的人工防雹計(jì)劃（AHSP），目的是保護(hù)阿爾伯塔城市和農(nóng)作物免受或減少冰雹災(zāi)害，采用的是飛機(jī)播撒碘化銀方法，防雹作業(yè)試驗(yàn)期間，配備的天氣雷達(dá)每4 min做一次體掃描，使用TITAN軟件實(shí)時(shí)跟蹤雷達(dá)掃描單元。該試驗(yàn)計(jì)劃最終并未給出明確的防雹效果，僅對(duì)一些飛行作業(yè)個(gè)例的雷達(dá)探測(cè)對(duì)比分析給出了作業(yè)單元和對(duì)比單元的雷達(dá)回波差異（Gilbert，et al，2016）。

從國(guó)際上的人工防雹科學(xué)試驗(yàn)來看，蘇聯(lián)首先開展了冰雹研究和人工防雹試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)區(qū)的雹暴形成和結(jié)構(gòu)有較深入的了解，其他國(guó)家也先后開展過許多人工防雹試驗(yàn)，但是發(fā)現(xiàn)不同國(guó)家雹云的形態(tài)和發(fā)展差異很大，相同的人工防雹方法在不同地區(qū)的試驗(yàn)效果有很大不同，這與各地的氣候特征和雹云特征差異有關(guān)。因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)各地不同雹云特征的研究，深入了解各地冰雹形成與發(fā)展特性，形成有針對(duì)性的人工防雹概念模型和技術(shù)方法。

5.2 中國(guó)人工防雹科學(xué)試驗(yàn)

中國(guó)自1970年以來先后在山西的昔陽，甘肅的平?jīng)觥⒂赖?，新疆的昭蘇，內(nèi)蒙古的包頭，河北的張家口、滿城，北京的延慶，云南的昭通，陜西的太古，遼寧的鞍山，山東的德州等地開展過防雹外場(chǎng)試驗(yàn)研究，均取得了相應(yīng)的成果（黃美元等，2000；姚展予，2006）。

1974—1980年的6—9月，在新疆昭蘇縣北部進(jìn)行了為期7 a的“三七”高炮在冰雹云中撒播AgI催化防雹試驗(yàn)，并對(duì)目標(biāo)區(qū)目標(biāo)期的各類降雹日數(shù)、降雹次數(shù)、持續(xù)降雹時(shí)間等與目標(biāo)區(qū)的對(duì)比期和控制區(qū)在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較和分析（李大鈞，1983）。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，防雹試驗(yàn)的目標(biāo)區(qū)位于昭蘇縣北部，長(zhǎng)約30 km，寬約20 km。1956—1973年，單站平均年降雹日數(shù)達(dá)23.2 d，降雹次數(shù)達(dá)34.2 次；最多年降雹單站可達(dá)32 d，降雹次數(shù)可達(dá)52次。

控制區(qū)位于目標(biāo)區(qū)的上風(fēng)方向，距目標(biāo)區(qū)中心20—30 km的農(nóng)田面積、地形、氣候等條件與目標(biāo)區(qū)基本一致。為避免控制區(qū)受目標(biāo)區(qū)中、下層回流污染，在中小對(duì)流天氣活動(dòng)中，由于地形等關(guān)系，在目標(biāo)區(qū)和控制區(qū)之間設(shè)置了過渡區(qū)（圖12）。

圖12 新疆昭蘇縣北部“三七”高炮播撒AgI催化冰雹云防雹試驗(yàn)情況 （李大鈞，1983）Fig. 12 Hail suppression experiment by AgI-seeding hail cloud sprayed using "37" artillery in the north of Zhaosu county Xinjiang municipality （Li，1983）

在新疆昭蘇縣開展的防雹試驗(yàn)結(jié)果顯示，在防雹季節(jié)內(nèi)（6月16日至9月15日）平均降雹日數(shù)減少了31%，重復(fù)降雹次數(shù)減少了36%，大冰雹日數(shù)減少了48%。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明，顯著性水平都在1%以上，而且與回歸分析結(jié)果非常一致。由于對(duì)冰雹云“不斷播撒AgI”催化，致使平均降雹持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)了1.2 min，但并不顯著。

1986—1990年在河北滿城實(shí)施5 a的防雹試驗(yàn)，1986年開始，在滿城界河和漕河上游地區(qū)的北臺(tái)魚、劉家臺(tái)、龍門和未莊，中、下游地區(qū)的石井、東馬、相莊和賈家莊等先后設(shè)立了高炮作業(yè)點(diǎn)（圖13），每點(diǎn)配備“三七”高炮2—3門、電臺(tái)1部、警報(bào)機(jī)1臺(tái)、炮彈300—500發(fā)，每點(diǎn)配備炮手6—9人、通訊聯(lián)絡(luò)員1人，在指揮部的統(tǒng)一指揮下開展工作（王雨曾等，1995）。

圖13 河北滿城縣防雹作業(yè)炮位示意 （王雨曾等，1995）Fig. 13 Map of artillery positions for hail suppression operation in Mancheng county，Hebei province （Wang，et al，1995）

王雨曾等（1995）對(duì)此次防雹試驗(yàn)進(jìn)行了分析，在此期間年平均受災(zāi)面積為633.33 hm2，比前10年平均減少2193.33 hm2，防雹效果達(dá)77.6%。5 a間使全縣糧食、棉花及果品每年增加357萬kg，折合人民幣264萬元，是該縣每年防雹支出（15萬元）的17.6倍，與對(duì)比區(qū)的易縣比，滿城縣平均每年雹災(zāi)面積減少0.29萬hm2，因此，可以認(rèn)為滿城防雹試驗(yàn)是有成效的，經(jīng)濟(jì)上是合算的。

“人工防雹減災(zāi)技術(shù)研究”作為“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目，在陜西旬邑、甘肅平?jīng)?、?nèi)蒙古呼和浩特和包頭建立了3個(gè)試驗(yàn)區(qū)，該項(xiàng)目研究取得了冰雹云的識(shí)別指標(biāo)和人工防雹催化技術(shù)，研制了為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)人工防雹服務(wù)的三維冰雹云催化模式和模擬技術(shù)（洪延超，1998）。該三維冰雹云催化數(shù)值模式采用孔凡鈾等（1990）的動(dòng)力學(xué)框架和數(shù)值技術(shù)；設(shè)計(jì)了較為全面的雹云微物理過程，第一次考慮了兩種冰雹胚胎：霰和凍滴，可用于研究冰雹形成機(jī)制和催化防雹機(jī)制、人工防雹技術(shù)。

“太行山東麓人工增雨防雹作業(yè)技術(shù)試驗(yàn)示范”是河北省“十三五”氣象重點(diǎn)項(xiàng)目。范皓等（2019）利用該項(xiàng)目在冰雹發(fā)生區(qū)獲取的綜合觀測(cè)資料，分析了2018年5月12日下午發(fā)生于太行山東麓的一次強(qiáng)對(duì)流單體降雹天氣過程。通過對(duì)雹云降雹時(shí)段雷達(dá)回波具有超長(zhǎng)“懸掛回波”和對(duì)應(yīng)大雹形成特征分析表明，云中存在著上、中、下相互銜接的0℃線（域），主上升氣流2次逆時(shí)針轉(zhuǎn)彎增加了雹胚再入主上升氣流區(qū)繼續(xù)長(zhǎng)成大雹的機(jī)會(huì)，據(jù)此勾畫出了云體主上升氣流框架及大冰雹的形成機(jī)制。

2021年5月27日，國(guó)家（貴州）人工防雹外場(chǎng)試驗(yàn)在貴州威寧正式啟動(dòng)。該試驗(yàn)由中國(guó)氣象局人工影響天氣中心、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所、成都信息工程大學(xué)和貴州省氣象局共同組織開展，圍繞冰雹云精細(xì)化結(jié)構(gòu)觀測(cè)、防雹催化技術(shù)、效果評(píng)估等目前人工防雹亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題開展科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)（田紅玲等，2021）。

中國(guó)的人工防雹是邊試驗(yàn)邊研究。自從20世紀(jì)70年代以來，中國(guó)在很多地區(qū)開展過人工防雹科學(xué)試驗(yàn)，對(duì)當(dāng)?shù)氐谋⒃铺卣骱徒当C(jī)理有了比較明確的認(rèn)知，為當(dāng)?shù)亻_展人工防雹提供了必要的積累。大量的外場(chǎng)試驗(yàn)表明，在雹云生長(zhǎng)發(fā)展時(shí)期進(jìn)行防雹作業(yè)，才能取得較好的防雹效果。從各地不同的試驗(yàn)結(jié)果來看，地區(qū)不同，氣候背景和雹云特征差異較大，防雹效果也可能不同，因此要根據(jù)各地云系條件，提前確定具體作業(yè)指標(biāo)，采用有針對(duì)性的人工防雹作業(yè)技術(shù)。隨著現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，雙偏振雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)等先進(jìn)探測(cè)設(shè)備將為監(jiān)測(cè)、識(shí)別雹云結(jié)構(gòu)提供更加快速、精細(xì)、準(zhǔn)確的有效信息，為引導(dǎo)和指揮人工防雹作業(yè)提供有力支撐。未來，中國(guó)應(yīng)加強(qiáng)先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)和作業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合，進(jìn)一步提高數(shù)值模擬技術(shù)水平，發(fā)展精細(xì)化和智能化人工防雹作業(yè)指揮系統(tǒng)，更加精準(zhǔn)地把控作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)部位和作業(yè)劑量，更加科學(xué)地開展人工防雹作業(yè)，為防災(zāi)、減災(zāi)發(fā)揮更大功效。

6 人工防雹效果評(píng)估研究

人工防雹的原理和方法正確與否，通常需要通過防雹效果進(jìn)行檢驗(yàn)，由于冰雹云變化迅速，降雹過程短促，成災(zāi)范圍小，這些特點(diǎn)增加了防雹效果檢驗(yàn)的難度（黃美元等，1976）。目前國(guó)際上主要使用的防雹效果檢驗(yàn)方法有3種：統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法、物理檢驗(yàn)法和數(shù)值模擬檢驗(yàn)法（姚展予等，2016）。

6.1 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)評(píng)估

人工防雹效果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的主要評(píng)估對(duì)象有年降雹日數(shù)、雹災(zāi)面積、雹災(zāi)損失、防雹經(jīng)濟(jì)效益等。通常使用的統(tǒng)計(jì)方法主要有序列分析、區(qū)域?qū)Ρ确治?、雙比分析和區(qū)域（歷史）回歸分析等；統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)效果必須進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)，可采用參量性（如u-檢驗(yàn)法和t-檢驗(yàn)法等）和非參量性（如符號(hào)檢驗(yàn)法和秩和檢驗(yàn)法等）統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)方法，給出統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)效果的可信度（姚展予等，2016）。

黃美元等（1978）認(rèn)為降雹日數(shù)和雹災(zāi)面積可以看作是隨機(jī)變量，其分布可用正態(tài)分布來近似，對(duì)于年降雹日數(shù)來說，用泊松分布來近似更好些，因此用統(tǒng)計(jì)方法來分析防雹效果是適宜的，而且人工防雹后實(shí)際的雹災(zāi)減少量一般比較大，可較容易地用統(tǒng)計(jì)方法來區(qū)分自然變化和人工影響。

序列分析檢驗(yàn)是統(tǒng)計(jì)有效性檢驗(yàn)的最簡(jiǎn)單方法。該方法的要旨是基于測(cè)試區(qū)域中某個(gè)變量的歷史數(shù)據(jù)，該區(qū)域的歷史平均值通過統(tǒng)計(jì)方式獲得，作為測(cè)試期間自然冰雹的期望值，然后與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，以獲得人工防雹效果的估計(jì)值。

首先確定統(tǒng)計(jì)量，比如年降雹日數(shù)、受災(zāi)面積等都可以作為統(tǒng)計(jì)量。然后根據(jù)其防雹地區(qū)防雹前求出歷史平均值，接著選定統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，比如簡(jiǎn)單常用的序列分析檢驗(yàn)；在很多情況下，有防雹記錄的年份較少，并且不知道樣本服從何種分布，這時(shí)可以采用非參數(shù)檢驗(yàn)法（比如秩和檢驗(yàn)法）來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)效果的顯著性檢驗(yàn)（表3）（王雨曾，1987）。

表3 國(guó)際上人工防雹效果統(tǒng)計(jì) （王雨曾，1987）Table 3 Statistics on the effect of artificial hail suppression in foreign countries （Wang，1987）

林大強(qiáng)等（1983）選取了林西縣1954—1980年111個(gè)成災(zāi)面積樣本（防雹前）和1967—1980年（防雹后）195個(gè)樣本采用序列分析法進(jìn)行檢驗(yàn)。賈玲等（2005）將回波頂高、回波強(qiáng)度和40 dBz強(qiáng)回波頂高3個(gè)雷達(dá)回波參數(shù)作為統(tǒng)計(jì)變量，對(duì)旬邑2002年的17次防雹作業(yè)進(jìn)行物理統(tǒng)計(jì)評(píng)估，經(jīng)檢驗(yàn)，旬邑2002年防雹作業(yè)在α=0.028水平下效果顯著，作業(yè)效果53%。李瑋等（2013）采用序列試驗(yàn)評(píng)估方法，以1961—1979年自然降雹期站日數(shù)為歷史資料，對(duì)畢節(jié)地區(qū)1992—2003年人工防雹作業(yè)效果進(jìn)行了評(píng)估，并用t檢驗(yàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地區(qū)人工防雹作業(yè)取得了很好的效果，其效果為33.11%，置信水平達(dá)0.05。李斌等（2020a）利用1976—2013年新疆主要冰雹多發(fā)地區(qū)及冰雹災(zāi)害面積資料，采用t檢驗(yàn)等參量統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)方法對(duì)人工防雹作業(yè)前、后效果的顯著性進(jìn)行分析，得出了重點(diǎn)雹災(zāi)區(qū)人工防雹的作業(yè)效果。李斌等（2020b）利用與反映冰雹云發(fā)展強(qiáng)度直接有關(guān)的最大雷達(dá)回波頂高、回波最強(qiáng)中心強(qiáng)度和40 dBz回波強(qiáng)度頂高等雷達(dá)回波參數(shù)特征，采用物理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，針對(duì)2004—2005年新疆天山西部昭蘇盆地和北疆沿天山東部的五家渠墾區(qū)人工防雹作業(yè)效果進(jìn)行了分析評(píng)估，得出了防雹效果顯著的結(jié)論。

因?yàn)楸⒕哂懈邥r(shí)、空變率特征，因此防雹試驗(yàn)要進(jìn)行多年才能得出明確的統(tǒng)計(jì)結(jié)論。例如，南斯拉夫東部利用蘇聯(lián)的防雹方法（圖14），在南斯拉夫東部面積5萬 km2的播云區(qū)內(nèi)有23個(gè)測(cè)站，建有12個(gè)區(qū)域雷達(dá)中心，設(shè)立1300個(gè)火箭發(fā)射站，最后采用目標(biāo)區(qū)23個(gè)站1949—1988年雹日頻率資料進(jìn)行復(fù)隨機(jī)化檢驗(yàn)，結(jié)果表明防雹作業(yè)具有正效應(yīng)，減少年雹日頻率在15%—20%，可信度高達(dá)

圖14 南斯拉夫東部催化站點(diǎn)1949—1988年平均雹日變化 （Mesinger，et al，1992）Fig. 14 Variation trend of average hail days from 1949 to 1988 at the catalytic site in eastern Yugoslavia （Mesinger，et al，1992）

98.5%（Mesinger，et al，1992）。

與序列分析法不同的是，區(qū)域回歸分析法不是借助歷史平均值，而是選擇一個(gè)或者多個(gè)對(duì)比區(qū)域，假定作業(yè)期兩個(gè)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)變量滿足某個(gè)統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系，則利用統(tǒng)計(jì)回歸方程由作業(yè)期對(duì)比區(qū)的統(tǒng)計(jì)變量值推算出作業(yè)期目標(biāo)區(qū)的統(tǒng)計(jì)變量自然值，亦稱作業(yè)期目標(biāo)區(qū)自然統(tǒng)計(jì)變量的期望值，再與作業(yè)期目標(biāo)區(qū)的實(shí)際統(tǒng)計(jì)變量值比較，即可得到作業(yè)期目標(biāo)區(qū)統(tǒng)計(jì)變量的評(píng)估結(jié)果（姚展予等，2016）。區(qū)域回歸分析法與序列試驗(yàn)法相比，準(zhǔn)確度高，但對(duì)資料的選取要求也較高，對(duì)比區(qū)域選擇有嚴(yán)格要求。

李斌等（2017）為了評(píng)估阿克蘇地區(qū)開展人工防雹作業(yè)前、后年雹災(zāi)面積的差異，利用阿克蘇地區(qū)和喀什地區(qū)1978—2013年的年雹災(zāi)面積統(tǒng)計(jì)資料，以1996年作為阿克蘇地區(qū)開展人工防雹作業(yè)開始年，采用區(qū)域回歸分析法，將喀什地區(qū)作為對(duì)比區(qū)，分析阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)前、后各18 a的年雹災(zāi)面積差異（圖15）。

圖15 新疆防雹作業(yè)區(qū)與對(duì)比區(qū)示意 （Ⅰ為對(duì)比區(qū)：喀什地區(qū)；Ⅱ?yàn)槟繕?biāo)區(qū)：阿克蘇地區(qū)） （李斌等，2017）Fig. 15 Schematic diagram of Xinjiang hail suppression operation area and comparison area，Ⅰ is the comparison area：Kashgar area；Ⅱ is the target area：Aksu area （Li，et al，2017）

利用區(qū)域回歸分析發(fā)現(xiàn)，新疆阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后，平均年雹災(zāi)面積減少23802 hm2，相對(duì)減少率為54.5%，雹災(zāi)明顯減小，防雹社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著（李斌等，2017）。

6.2 物理檢驗(yàn)評(píng)估

物理檢驗(yàn)法通常選用反映雹云特征變化的物理量作為防雹效果檢驗(yàn)的特征參量，常用的有雷達(dá)回波強(qiáng)度、回波頂高、回波體積、垂直積分液態(tài)水含量等，通過這些物理量的變化來檢驗(yàn)防雹作業(yè)是否有效（姚展予等，2016）。物理檢驗(yàn)法通常是選取兩塊發(fā)展階段和生命周期相似的雹云，對(duì)一塊進(jìn)行作業(yè)，一塊不作業(yè)用作對(duì)比；或者是選取雹云中兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)相近的云體單元，對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行作業(yè)，一個(gè)單元不作業(yè)用作對(duì)比（姚展予等，2016）。如果無法找到兩塊發(fā)展階段和生命周期相似的雹云或者兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)相近的云體單元，只能退而求其次，選取同一塊雹云，來對(duì)比其防雹前、后物理量的變化。物理檢驗(yàn)法可以從云宏觀動(dòng)力學(xué)特征變化和云微物理特征變化兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

6.2.1 云宏觀動(dòng)力學(xué)特征變化分析

防雹的效果除了在降雹日數(shù)、雹災(zāi)面積和經(jīng)濟(jì)效益等方面有體現(xiàn)外，更為直接的是對(duì)雹云物理的影響，防雹作業(yè)是否有效果在宏觀方面有較大的變化，雖然認(rèn)為在物理過程中捕捉這些變化有較大的困難和資料分析中有很大的不確定性，但是云宏觀動(dòng)力學(xué)特征觀測(cè)分析已經(jīng)成為防雹效果評(píng)估的一種重要手段。

隨著中國(guó)新一代天氣雷達(dá)的布網(wǎng)，雷達(dá)已成為觀測(cè)云系發(fā)展變化的重要手段。針對(duì)作業(yè)單元和對(duì)比單元同時(shí)觀察雷達(dá)回波在作業(yè)前、后形態(tài)的變化是判別防雹作業(yè)是否有效的一種重要手段。除此之外，還可以通過雷達(dá)產(chǎn)品的綜合指標(biāo)進(jìn)行分析。

劉治國(guó)等（2006）結(jié)合2005年6月25日祁連山東部一次高炮消雹試驗(yàn)，利用新一代天氣雷達(dá)高時(shí)、空分辨率資料，從消雹前、后雷達(dá)回波外形特征、垂直最大回波強(qiáng)度、回波頂高、雹云內(nèi)部水平風(fēng)場(chǎng)、垂直結(jié)構(gòu)、最大垂直積分液態(tài)含水量的變化以及地面降水實(shí)況等方面進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。結(jié)果表明，高炮作業(yè)抑制雹云的發(fā)展主要存在兩方面作用：一是AgI在爆炸點(diǎn)附近快速撒播，并與周圍凍滴快速碰并而減小凍滴的平均質(zhì)量和直徑，二是炮彈爆炸動(dòng)力抑制爆炸點(diǎn)下方附近上升氣流的發(fā)展。高炮防雹的同時(shí)也促進(jìn)地面降水的產(chǎn)生，起到人工增雨的效果。

李金輝等（2011）分析了2007年7月24日兩塊冰雹云防雹作業(yè)前、后動(dòng)態(tài)雷達(dá)回波特征。對(duì)雹云A實(shí)施防雹作業(yè)1次，最大回波強(qiáng)度降低10 dBz，45 dBz回波頂部高度降低8 km，云體加寬、減弱。平面顯示，回波面積擴(kuò)大，云體分裂，移動(dòng)停止，并與后面的云團(tuán)反向合并。對(duì)雹云B實(shí)施防雹作業(yè)4次，作業(yè)后云頂高度下降0.4—1.3 km，平均降低0.85 km；45 dBz回波頂高度下降0.4—0.9 km，平均降低0.65 km。平面顯示：前2輪作業(yè)后，云體分裂成2個(gè)單體，面積增大，第3、4輪防雹作業(yè)后云體面積繼續(xù)擴(kuò)大、分裂。結(jié)果認(rèn)為兩塊冰雹云的高炮人工防雹作業(yè)均有效。

王慶等（2018）利用2008年5月23—26日山東一次冰雹過程的常規(guī)氣象資料，分析了兩個(gè)極相似云體在催化和未催化情況下從初生、發(fā)展到消亡的演變特征。結(jié)果表明，防雹作業(yè)加劇了冰雹云的消亡過程，表現(xiàn)為回波強(qiáng)度減弱、回波高度下降、垂直積分液態(tài)含水量減少、生命期縮短等（圖16）。

圖16 2008年5月山東兩塊對(duì)流云回波高度 （a） 和垂直積分液態(tài)含水量 （b） 隨時(shí)間的演變情況 （王慶等，2018）Fig. 16 Temporal evolution of the echo height （a） and VIL （b） of two convective clouds in Shandong in May，2008 （Wang，et al，2018）

劉昭武等（2020）利用2018年6月12—13日山東西北部一次冰雹過程的常規(guī)氣象資料，分析了防雹效果（圖17）。從圖17中可以看出提前開展防雹作業(yè)可以一定程度上有效防雹，但在降雹發(fā)生后進(jìn)行作業(yè)有時(shí)也可以減少降雹。通過分析兩塊相似的對(duì)流單體，一塊進(jìn)行了防雹作業(yè)，一塊不作業(yè)，可以看出進(jìn)行了防雹作業(yè)的對(duì)流單體各項(xiàng)雷達(dá)物理量數(shù)值下降較快，即作業(yè)加速了對(duì)流單體的削弱，反觀另一塊則下降速率較慢，從而證明了此次防雹作業(yè)有效。

圖17 2018年6月12日山東西北部?jī)蓚€(gè)單體的雷達(dá)回波強(qiáng)度 （a）、垂直積分液態(tài)含水量 （b）、冰雹和強(qiáng)冰雹概率 （c） 以及回波頂高 （d） 變化 （圖中斜線陰影柱體表示作業(yè)時(shí)段；Y4：防雹作業(yè)，U4：自然雹云） （劉昭武等，2020）Fig. 17 Radar echo intensity （a），VIL （b），probability of hail and strong hail （c） and the change of echo top height （d） of two monomers in the northwestern area of Shandong on 12 June 2018 （oblique shaded column in the figure indicates the operation time；Y4：hail suppression cloud，U4：natural cloud） （Liu，et al，2020）

6.2.2 云微物理參數(shù)變化

云微物理參數(shù)變化可用于檢驗(yàn)防雹作業(yè)的微物理基礎(chǔ)是否合理，通過觀測(cè)雹云中內(nèi)部過冷水含量、冰晶濃度等變化可以判斷防雹作業(yè)是否有效。雙偏振雷達(dá)具有可以獲得云中相態(tài)、偏振參量以及水成物分類等功能，對(duì)云中微物理變化有直觀反映。

Gilbert等（2016）分析了加拿大阿爾伯塔的防雹項(xiàng)目，通過分析3次強(qiáng)冰雹過程，得出催化使大于60 dBz的回波區(qū)面積比相鄰未催化的冰雹云面積分別減少46%和18%，催化云的垂直積分液態(tài)含水量和最大回波強(qiáng)度也出現(xiàn)下降（圖18）。

圖18 2015年7月21日加拿大阿爾伯塔防雹項(xiàng)目中雷達(dá)觀測(cè)的24 h最大垂直累積液態(tài)水含量 （a） 和體掃對(duì)流單體雷達(dá)最大回波強(qiáng)度在播撒前、播撒中和播撒后的變化 （b） （對(duì)流單體分別為cell 1、cell 2和cell 5） （Gilbert，et al，2016）Fig. 18 24 h maximum vertical cumulative liquid water content observed by radar （a） and variation of the maximum echo intensity of the in the Canadian Alberta Hail Prevention Project on 21 July 2015 （including three convective monomer belts，cell 1，cell 2 and cell 5 respectively） （Gilbert，et al，2016）

陳羿辰等（2016）利用雙偏振雷達(dá)資料分析了北京平谷區(qū)一次防雹作業(yè)過程，發(fā)現(xiàn)作業(yè)區(qū)對(duì)流減弱，高層有較大冰雹粒子，大雨滴下沉明顯，最終以霰粒子為主；而對(duì)比區(qū)則對(duì)流仍然旺盛，冰雹粒子有增多趨勢(shì)。15時(shí)22分粒子相態(tài)識(shí)別結(jié)果為作業(yè)前，在6、8 km兩個(gè)高度層上都已經(jīng)產(chǎn)生大量冰雹，但是地面沒有降雹，所以云體內(nèi)冰雹粒子還沒有增長(zhǎng)到足夠大以致降雹，其中可以看到在8 km高度上的作業(yè)區(qū)內(nèi)有部分大雨滴，說明該區(qū)域內(nèi)存在很強(qiáng)的上升氣流，將暖區(qū)的大雨滴抬升到該高度層上（圖19）。以上現(xiàn)象說明此次防雹作業(yè)可以有效吸食過冷水從而抑制冰雹胚胎成長(zhǎng)為冰雹。通過雙線偏振雷達(dá)的觀測(cè)可以判斷云微物理參數(shù)變化，從而可以很好地檢測(cè)人工防雹的效果。

圖19 北京平谷區(qū)一次防雹作業(yè)前、后作業(yè)云區(qū) （紅色方框） 和對(duì)比云區(qū) （白色方框） 雙偏振雷達(dá)相態(tài)變化 （陳羿辰等，2016）Fig. 19 Phase changes of the operation cloud area （red square） and the contrast cloud area （white square） by dual-polarization radar before and after a hail suppression operation in Pinggu district，Beijing （Chen，et al，2016）

6.3 數(shù)值模擬檢驗(yàn)評(píng)估

利用基于云降水宏觀動(dòng)力學(xué)和微物理過程以及人工防雹原理建立的冰雹云催化模式可以進(jìn)行防雹效果的數(shù)值模擬檢驗(yàn)，一般方法是選取一次冰雹過程作為試驗(yàn)個(gè)例，分別就不同的催化方式、催化劑量和催化位置等進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比其催化結(jié)果，可以據(jù)此分析出較佳的防雹作業(yè)方案。

二維對(duì)流云數(shù)值模式、三維冰雹云數(shù)值催化模式、三維風(fēng)暴云催化模式等數(shù)值模式都可以用來有效地研究冰雹云人工抑制條件及其云物理過程（孔凡鈾等，1990；洪延超，1998；郭學(xué)良等，2001a；肖輝等，2004）。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的雙參數(shù)三維冰雹云模式（IAPCSM3D）考慮了冰雹云中各種詳細(xì)的微物理過程，云中粒子采用數(shù)濃度和質(zhì)量濃度雙變參數(shù)譜，將云中水物質(zhì)分成水汽、云水、雨水、凍滴、冰晶、霰、雪和冰雹等8類，可以預(yù)報(bào)粒子的數(shù)濃度和質(zhì)量濃度，尤其可以計(jì)算以霰或凍滴為胚胎的雹塊數(shù)量，該模式還能模擬防雹作業(yè)后的效果，是研究冰雹云形成機(jī)制和預(yù)報(bào)冰雹的參考方法之一（洪延超，1998）。

吳海英等（2002）應(yīng)用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所建立的三維完全彈性冰雹云模式，對(duì)2000年6月9日發(fā)生在江蘇射陽地區(qū)的一次冰雹云過程及其催化試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)模式輸出的高時(shí)、空分辨率資料，分析了冰雹云發(fā)生、發(fā)展過程中的熱力和動(dòng)力作用及微物理過程的變化，對(duì)這次冰雹云形成的機(jī)制做了初步分析，并做了一系列AgI催化試驗(yàn)。

周毓荃等（2003）在洪延超（1999）三維雹云模式基礎(chǔ)上，采用濕熱泡擾動(dòng)方式激發(fā)對(duì)流云，模擬了河南北部地區(qū)1998年7月21日一次降雹過程，并研究了AgI的催化作用。圖20為模擬自然云和8 min、4 km作業(yè)云各水物質(zhì)中心值及高度?？梢钥闯?，由于AgI的催化作用，從第10分鐘開始，作業(yè)云過冷水含量降低，中心高度下降，雹胚開始增多，中心高度下降，冰雹增多。原因是作業(yè)時(shí)機(jī)和作業(yè)高度不恰當(dāng)，導(dǎo)致人工雹胚沒有進(jìn)入自然雹胚區(qū)?？偟膩碚f，對(duì)冰雹云進(jìn)行催化作業(yè)，選擇不同的時(shí)機(jī)和部位，可能獲得不同的作業(yè)效果。

圖20 1998年7月21日河南北部地區(qū)一次降雹過程模擬自然云 （實(shí)線） 與8 min、4 km作業(yè)云 （虛線） 的過冷雨 （a、b）、雹胚 （c、d）、冰雹 （e、f） 中心值 （b、d、f） 及高度 （a、c、e） 的比較 （周毓荃等，2003）Fig. 20 Comparison of super cold rain （a，b）， hail embryo （c，d）， hail （e，f） center value （b，d，f） and height （a，c，e） in the simulated natural cloud （solid line） and 8 min， 4 km operation cloud （dotted line） during a hail process in the northern part of Henan on 21 July 1998 （Zhou，et al，2003）

李宏宇等（2003）利用三維冰雹云數(shù)值催化模式，選取1999年7月18日陜西旬邑地區(qū)的冰雹云作為試驗(yàn)個(gè)例，分別就高炮催化不同的作業(yè)時(shí)間、催化劑量、作業(yè)部位、催化方式等以及對(duì)火箭催化所攜帶的高效AgI焰劑的成核率與火箭在作業(yè)過程中以不同的發(fā)射距離、發(fā)射仰角和當(dāng)火箭方位角發(fā)生偏離后對(duì)地面防雹效果的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。圖21a是AgI成核率模擬試驗(yàn)，分別對(duì)不同的炮彈進(jìn)行模擬，圖21b為不同仰角的火箭發(fā)射對(duì)應(yīng)的彈道曲線。通過對(duì)不同參數(shù)的模擬試驗(yàn)，為人工防雹提供了技術(shù)參考。

圖21 1999年7月18日陜西旬邑地區(qū)的冰雹云模擬 （a. BR-91-Y型AgI焰劑與另外兩種復(fù)合核成核率的比較結(jié)果，b. 火箭以不同仰角發(fā)射對(duì)應(yīng)的彈道曲線） （李宏宇等，2003）Fig. 21 Hail cloud simulation in Xunyi area of Shaanxi province on 18 July 1999 （a. comparison of nucleation rate among BR-91-Y AgI flame and the other two composite nuclei，b. results of the corresponding ballistic curve of the rocket launched at different elevation angles） （Li，et al，2003）

樓小鳳等（2016）利用三維冰雹云AgI催化模式對(duì)北京一次降雹過程進(jìn)行了不同催化時(shí)間、不同催化部位和不同催化劑量的模擬試驗(yàn)。圖22為7種不同催化劑量的模擬結(jié)果，及自然云和催化云的總降雹量和降雨量以及冰雹和霰總質(zhì)量變化。

圖22 北京一次降雹過程不同劑量 （單位：kg-1） 催化劑的 （a） 降雹量、（b） 降雨量和不同云的 （c） 降雹量和降雨量、（d）冰雹和霰總質(zhì)量隨時(shí)間分布的模擬結(jié)果 （樓小鳳等，2016）Fig. 22 Simulation results of total hail （a） and rainfall （b） at the amount of 5×107、1×107、5×106、1×106、5×105、1×105 and 5×104 kg-1 of catalyst， simulation results of total hail and rainfall （c） and total mass of hail and graupel （d） in natural clouds and catalytic clouds over time during a hail process in Beijing （Lou，et al，2016）

半個(gè)多世紀(jì)以來，人工影響天氣的效果評(píng)估經(jīng)歷了一個(gè)從依賴統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)隨機(jī)化試驗(yàn)到重新注重經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，學(xué)會(huì)如何正確設(shè)計(jì)作業(yè)方案，探索物理因子與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)合為一體的試驗(yàn)研究和業(yè)務(wù)性作業(yè)的大輪回過程（章澄昌，1998）。

效果檢驗(yàn)是制約人工影響天氣發(fā)展的瓶頸。WMO（2015）關(guān)于人工影響天氣的聲明指出，播撒成冰劑技術(shù)在世界很多地方被應(yīng)用于人工防雹作業(yè)，然而效果的評(píng)估是相當(dāng)困難的，迄今為止的科學(xué)證據(jù)尚無定論。未來，人工防雹效果檢驗(yàn)應(yīng)多采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)和數(shù)值模擬檢驗(yàn)相結(jié)合的綜合檢驗(yàn)，以提高人工防雹效果評(píng)估的可信度。

7 總結(jié)與展望

7.1 總 結(jié)

在綜述冰雹形成機(jī)理和增長(zhǎng)過程研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，總結(jié)了過去幾十年中外在人工防雹工作方面取得的重要成果和進(jìn)展，包括人工防雹的機(jī)理、防雹的技術(shù)手段、開展的防雹科學(xué)試驗(yàn)及防雹效果評(píng)估。主要結(jié)論如下：

（1）“累積帶理論”和“循環(huán)增長(zhǎng)理論”是最常見的冰雹形成理論，限于早期的雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)和缺乏完整的冰雹數(shù)值模式，早期認(rèn)知的冰雹形成機(jī)理存在一定的局限。

（2）雹胚一般分為凍滴胚和霰胚，凍滴胚由過冷雨滴凍結(jié)形成，霰胚則是冰晶、雪花撞凍增長(zhǎng)而成。冰雹云中哪種雹胚占優(yōu)勢(shì)主要看云底溫度的高低。雹云的發(fā)展依賴于水汽條件、動(dòng)力不穩(wěn)定條件、風(fēng)垂直切變等關(guān)鍵因子。

（3）作為冰雹災(zāi)害防御的重要手段之一，人工防雹就是對(duì)將要產(chǎn)生冰雹的冰雹云施加人工影響，以達(dá)到減少或避免雹災(zāi)的目的，主要形成了“播撒防雹”和“爆炸防雹”兩條技術(shù)路線。前者是指向云中播撒人工冰核，從而影響冰雹的形成過程，并認(rèn)為“利益競(jìng)爭(zhēng)”和“早期降雨”是常見的6種防雹原理假說中最有希望成為防雹作業(yè)設(shè)計(jì)的依據(jù)；后者則是基于爆炸的原理通過向雹云中發(fā)射炮彈的方式促使融滴的破碎，從而達(dá)到抑制或削弱冰雹增長(zhǎng)的目的。

（4）中外發(fā)展的人工防雹技術(shù)多遵循上述兩條技術(shù)路線，即多采用通過地面火箭、飛機(jī)、地面燃燒爐等向云中播撒人工冰核，或通過地面高炮向云中發(fā)射含人工冰核的炮彈等技術(shù)手段抑制或削弱冰雹云中冰雹的增長(zhǎng)。目前，中國(guó)已逐步建立和發(fā)展了適合中國(guó)國(guó)情的基于現(xiàn)代科技發(fā)展的綜合雷達(dá)監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)指揮、地面高炮火箭作業(yè)為主的人工防雹技術(shù)系統(tǒng)。

（5）迄今為止，中外已開展了很多人工防雹科學(xué)試驗(yàn)。從試驗(yàn)基地的選定、技術(shù)方法的使用、試驗(yàn)裝備的改進(jìn)、試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估分析等各方面都有了很大進(jìn)步。這些科學(xué)試驗(yàn)充分證明在冰雹云的生長(zhǎng)發(fā)展階段進(jìn)行防雹作業(yè)，具有較好的防雹效果。不同地區(qū)，防雹試驗(yàn)效果可能不同，要根據(jù)各地冰雹云特征及其降雹特點(diǎn)，制定有針對(duì)性的人工防雹技術(shù)體系。

（6）隨著人工防雹試驗(yàn)的廣泛開展，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行效果檢驗(yàn)十分必要。由于冰雹云變化迅速，降雹過程短促，成災(zāi)范圍小等特點(diǎn)增加了效果檢驗(yàn)的難度。目前常用的防雹效果評(píng)估方法主要有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)和數(shù)值模擬檢驗(yàn)等。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)常用的評(píng)估對(duì)象主要包括年降雹日數(shù)、雹災(zāi)面積、雹災(zāi)損失、防雹經(jīng)濟(jì)效益等，常用的統(tǒng)計(jì)方法主要有序列分析、區(qū)域?qū)Ρ确治觥㈦p比分析和區(qū)域（歷史）回歸分析等；物理檢驗(yàn)通常選用反映雹云特征變化的物理量如雷達(dá)回波強(qiáng)度、回波頂高、回波體積、垂直累積液態(tài)水含量等來分析尋找防雹效果的物理學(xué)證據(jù)；數(shù)值模擬檢驗(yàn)則是利用基于云降水宏觀動(dòng)力學(xué)和微物理過程及人工防雹原理建立的冰雹云催化模式進(jìn)行效果評(píng)估。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合檢驗(yàn)技術(shù)方法評(píng)估防雹效果勢(shì)在必行。

7.2 展 望

隨著現(xiàn)代科技進(jìn)步，未來人工防雹有望在以下幾個(gè)方面取得突破：

（1）借助雙線偏振雷達(dá)、云雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)等先進(jìn)探測(cè)設(shè)備，觀測(cè)冰雹云結(jié)構(gòu)，感知催化前、后冰雹云流場(chǎng)和微物理結(jié)構(gòu)變化，力求在防雹理論上有所創(chuàng)新，包括爆炸防雹對(duì)雹云和空氣流動(dòng)的影響等。

（2）提高人工防雹催化技術(shù)水平，同時(shí)考慮污染和氣候變化對(duì)冰雹天氣的影響。將數(shù)值模擬、外場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值預(yù)報(bào)等技術(shù)方法相結(jié)合，建立和發(fā)展冰雹云概念模型和人工防雹業(yè)務(wù)系統(tǒng)，開展有科學(xué)設(shè)計(jì)的人工防雹外場(chǎng)綜合試驗(yàn)。

（3）研發(fā)高效實(shí)用的防雹效果評(píng)估方法，并及時(shí)應(yīng)用于外場(chǎng)試驗(yàn)。將統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)和數(shù)值模擬檢驗(yàn)相結(jié)合，從而提高人工防雹效果評(píng)估的可信度。