基于双线偏振天气雷达的人工防雹作业效果分析

曾勇 文继芬 李迪 张淑霞 李皓

摘  要：利用X波段双线偏振雷达观测数据，结合地面观测和防雹作业资料，从微物理特征对一次典型雹暴过程防雹作业效果进行分析。结果表明：作业前差分反射率ZDR基本处于负值区，作业后ZDR在-0.3dB

关键词：雹暴;偏振雷达;人工防雹;粒子识别

中图分类号：P482         文献标识码：A       文章编号：2095-2945（2019）30-0047-03

Abstract： Based on X-band double linear polarization radar observation data， combined with ground observation and hail suppression operation data， the hail suppression effect of a typical hail storm process was analyzed from the microphysical characteristics. The results show that the differential reflectance ZDR was basically in the negative area before operation， and the average value of ZDR between -0.3dB and 0.3dB after operation increases by 0.8 dB. The proportion of correlation coefficient greater than 0.9 decreases from 83.49 before operation to 33.03 after operation. The changes of ZDR and ρhv were the result of the competition between artificial ice nuclei and natural hailstone embryos for supercooled water to produce more ice crystals. Before operation， hail grains coexist with the mixed area of ice and water in the target area. After operation， the area of the mixed area of ice and water decreases， and the artificial ice core was consumed by the supercooled water， which restrains the formation of large hail. The operation timing of the artificial hail suppression operation was basically accurate， and the artificial hail suppression operation has played a certain effect.

Keywords： hail storm; polarization radar; artificial hail suppression; particle recognition

引言

人工防雹作為有防御和减轻冰雹灾害的有效技术手段，目前我国已经有32个省（省、直辖市、自治区、建设兵团）开展人工防雹作业[1]。天气雷达主要用作冰雹预警及人工防雹作业决策与指挥，37mm高炮作为人工防雹作业的主要工具，使用率超过95%，火箭作为辅助防雹作业工具[2]。人工防雹原理主要基于将携带碘化银（AgI）的炮弹发射到需要进行播撒雹云区域内，使大量人工冰核与自然雹胚“争食”作业区域内水汽，从而限制冰雹的增长[3，4]。目前关于人工防雹作业效果评估主要基于新一代天气雷达回波宏观参量演变的统计检验，而缺少对作业前后目标云体内微物理参量的分析[5-7]。本文利用双线偏振雷达能识别水成物粒子功能，对一次人工防雹作业效果进行了分析，主要从作业前后双线偏振雷达偏振参量变化展开分析，将宏观分析与微观分析相结合，更加科学地分析防雹作业效果。

1 天气实况、资料与方法

2018年3月12日20时（北京时间，下同）开始，贵州省中部清镇地区出现雷雨冰雹天气，清镇辛店、暗流多个乡镇出现冰雹，局地冰雹密度在300到400粒左右，冰雹颗粒最大直径14毫米。

本研究雷达资料来源于清镇X波段双线偏振雷达（106.376°E，26.52°N）观测资料，降雹实况资料与防雹作业信息来自于当日天气报文与人影作业站点。在20：21-20：24分暗流和卫城两个作业点利用DF37mm高炮开展人工防雹作业，用弹量各均为60发。因空域繁忙，在首次降雹20：05分之前未开展防雹作业，降雹后雹云回波没有减弱，继续得到能量补充增强。基于云精细化分析系统与X波段双线偏振雷达产品分析终端，对防雹作业前后X波段双线偏振雷达回波参量进行追踪统计分析。表1给出了降雹基本信息与防雹作业信息。

表1 降雹信息与防雹作业信息

2 偏振雷达偏振参量分析

差分反射率因子ZDR是雷達发射和接收水平与垂直电磁波束经过运算得到，主要反映雹粒子、液态水滴等空间取向排列及大小差异，具有较高反射率与较低的ZDR值产生冰雹可能性较大。相关系数ρhv主要反映雷达接收水平和垂直电磁波对雹粒子、水滴的相关程度，雹粒子因其形状差异，各向排列取向不规则，ρhv小，相反水滴ρhv较大。图1给出了作业前后雹云5.35km高度层上ZDR所占比例。从ZDR占比可以看出，作业前中后ZDR基本处于负值区，在正值区占极低的比例。说明此时云内已经生成了的小冰雹，在强烈的上升气流下雹粒子在不断的翻滚、碰并和吸湿增长，因此作业时机基本准确。-0.3dB

相关系数ρhv反映了水平偏振和垂直偏振回波功率之间的相关系数，表征云水粒子前后形状和尺寸，ρhv对于降雨和干雪时其值较大，接近于1，说明水平电磁波和垂直电磁波相关性好，而融化层中冰雹和湿雪时ρhv值相对较小。图2给出了相关系数ρhv在作业前后的占比。从作业前后ρhv占比变化看，ρhv大于0.9占比从作业前的83.49减小到作业后的33.03，小于0.9比例在增加。作业前是冰水混合区，已有少量雹粒子吸湿过冷水增长，作业后雹粒子数量增加，空间取向呈现不规则排列，导致雷达扫描体积范围内水平与垂直后向散射相关程度比单纯雨区小，相关系数减小。

从ZDR与ρhv总体变化，说明此次防雹作业向过冷水区注入的防雹增雨弹爆炸后生成大量冰晶与自然雹胚争食过冷水，抑制了大冰雹的生成。从作业前新一代多普勒天气雷达组合反射率及强回波高度看，有可能产生与20：05分的降雹直径14mm相当，但在作业后根据地面观测资料在20：33分在清镇暗流降雹，冰雹直径8mm，说明此次防雹有一定效果，防雹催化抑制了大冰雹的形成。

利用X波段双线偏振雷达对作业前后和降雹时刻降水粒子识别，识别结果见图3，从图3可以看出，在作业之前（20：15），目标区主要粒子构成为冰水混合区，含有极小部分小冰雹，说明有雹粒子正在发展;作业中（20：21），目标区冰水混合区面积减小，而小冰雹区域面积增加，作业催化剂在云体内开始生成冰核，与自然雹胚争食过冷水，从而冰水区面积较小。在作业后3分钟（20：27），冰水混合区全部基本消失，主要由小冰雹粒子构成，过冷水获得消耗;在降雹时刻，目标区为冰水混合占据，随着雹粒子降落，冰雹区域消失。以上分析可知，X波段双线偏振雷达对冰雹识别效果较好，在20：15分已经识别有冰雹产生，但是雹粒子正在吸湿过冷水增长，在此时申请空域时间开展防雹作业时机把握正确。

3 结束语

（1）作业前ZDR基本处于负值区，已经有雹粒子生成，-0.3dB

（2）作业前，目标区已是有小雹粒与冰水混合区共存，作业后冰水混合区面积减小，在催化剂作用下人工冰核与自然雹胚争食云体内过冷水，使得过冷水大量消耗，抑制大冰雹的形成。

（3）此次防雹作业在作业时机把握上基本准确，X波段双线偏振雷达能够很好识别冰雹云，同时能直观观察到防雹作业前后云体内粒子的相态变化，对冰雹云监测预警和防雹作业效果检验提供较好的支撑。

参考文献：

[1]郭学良.大气物理与人工影响天气[M].北京：气象出版社，2009.

[2]李大山.人工影响天气现状与展望[M].北京：气象出版社，2002.

[3]许焕斌.强对流云物理及其应用[M].北京：气象出版社，2012.

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