冰雹形成过程及人工防雹研究综述

冰雹作为一种短时强灾害天气,常给农业、建筑、电力、交通甚至生命财产等造成严重影响,人工防雹也因此受到人们的广泛关注。文中首先介绍了冰雹形成机理和雹云物理研究情况,然后围绕人工防雹机理、技术、科学试验及效果评估这4个方面的研究进行了评述,旨在从理论和实践上总结人工防雹工作的进展,增进对人工防雹科学问题的认知,从而为促进中国人工防雹理论研究和技术进步提供借鉴。研究表明:（1）“累积带理论”和“循环增长理论”是冰雹形成的最常见理论,限于早期的雷达观测技术和缺乏完整的冰雹数值模式,早期认知的冰雹形成机理存在一定的局限。（2）雹胚一般分为冻滴胚和霰胚,冻滴胚由过冷雨滴冻结而成,霰胚则是冰晶、雪花撞冻生长而成。冰雹云中哪种雹胚占优势,主要看云底温度的高低。雹云的发展依赖于水汽条件、动力不稳定条件、风垂直切变等关键因子。（3）人工防雹主要遵循“播撒防雹”和“爆炸防雹”2条技术路线,“利益竞争”和“早期降雨”是常见的6种防雹原理假说中最广泛被用来作为防雹作业设计依据的2种播撒防雹理论。（4）人工防雹技术上多采用通过飞机、地面火箭、地面燃烧炉等向云中播撒人工冰核,或通过地面高炮向云中发射含人工冰核的炮弹等方式,影响冰雹的生长过程从而达到抑制或削弱冰雹生长的目的。（5）大量外场试验证明人工防雹效果有较大的地域差异,需根据各地冰雹云特征及其降雹特点制定和发展本地适用的人工防雹技术体系。（6）人工防雹效果检验仍然是制约人工防雹技术发展的一个“瓶颈”,目前常用的统计检验、物理检验和数值模拟检验技术方法均需要进一步改进和完善。由于雹云变化迅速、降雹过程短促,人工防雹技术实施的时效性以及防雹效果评估仍存在较大的困难。今后应更多地借助多种探测设备进行冰雹云的精细化探测,开展有科学设计的人工防雹外场综合试验,运用统计检验、物理检验和数值模拟相结合的综合检验技术方法评估防雹效果,推动人工防雹事业进一步快速发展。      

六盘山地区一次低槽低涡云系结构及其降水机制的数值模拟研究

六盘山是西北重要的水源涵养林基地,干旱少雨制约了该地区农业和经济发展。作为该地区人工增雨技术研究的基础,本文利用WRF模式对2018年8月21日发生在宁夏南部六盘山区的一次降水天气过程进行了数值模拟。根据模拟结果结合实测资料,分析了造成此次强降水过程的有利环流形势场,重点讨论了山区降水云系的微物理结构以及降水形成机制。结果表明:降水是在高空槽配合低涡的动力场作用下形成的,受六盘山地形的阻挡作用,低层低涡系统移速落后于高空槽;垂直方向上云系呈现“催化—供给”的分层结构,但在云系不同部位,各层水凝物配置不同,导致冷暖云过程对降水的贡献差异;六盘山东部迎风坡降水强于西坡。霰粒子融化和云水碰并是地面降水的主要来源;碰冻过冷雨水是霰增长的主要过程。迎风坡云水层深厚,含水量高,一方面促进过冷层中霰粒子的碰冻增长过程,一方面为雨滴碰并增长提供充沛的云水条件,即同时增强了冷暖云降水过程。地形对云的发展和降水的形成有明显影响,当降低地形高度后,云水量减少,暖云过程减弱,同时也影响了霰粒子的增长过程。     

六盘山地区空中水资源特征及水凝物降水效率研究

为了利用人工增雨技术合理开发六盘山地区空中水资源,首先需要了解该地区水汽场、地形对当地降水的影响和空中水资源的特征及典型降水过程中云系的降水效率。本文采用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的高时空分辨率ERA5再分析数据集和中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据,通过统计分析研究了该地区水汽的输送、地形强迫作用下的辐合抬升状况和地形云参量特征,并分别利用WRF模式数值模拟的输出结果和ERA5再分析数据,估算2016~2017年夏季自西向东移经该山区的多次混合降水云系的水凝物降水效率。研究结果表明:位于西北地区东部的六盘山地区具有较为丰沛的大气可降水量和更强的水汽输送。受亚洲季风影响,夏季偏南风向六盘山地区输送了丰沛的水汽,山区成为相对湿度高值区;春、夏、秋季午后山区云量(CF)达70%及以上,夏季云水路径(CWP)和云光学厚度(COT)均明显大于周边地区。在夏季降水过程中,地形引起的动力场对降水有明显的影响,在日降水量5 mm以上强度的过程中,气流遇迎风坡地形产生明显辐合抬升,且辐合抬升越强时降水强度越大。夏季典型降水系统中,山区水凝物降水效率平均约为48.1%,空中还有较大部分的水凝物未能成为降水。因此作为水源涵养地的六盘山地区夏季空中水资源相对丰富而降水量不足,空中水资源具有一定开发空间。     

江淮对流云人工增雨作业效果检验个例分析

江淮对流云是安徽省夏季开展人工增雨作业的主要作业对象,不同于经过严格试验设计的随机试验,大多采用非随机的地面火箭、高炮或者烟炉的作业方式。由于对流云存在生命期较短局地性强、自然变差较大等特点,对其作业效果进行客观、科学、定量的效果评估存在一定困难。利用安徽省国家级地面气象站降水量日值数据和覆盖目标区的SA多普勒雷达资料,将区域历史回归分析统计检验方法和播云多普勒雷达识别追踪及物理检验方法相结合对2012年6月28—30日江淮对流云增雨作业效果进行个例分析。结果表明,作业后目标区绝对增雨37.2 mm,相对增雨65.18%,统计显著度α0.1;基于雷达探测基数据识别追踪作业单元,选取合适对比单元,对比分析作业单元与对比单元作业前后雷达回波参量的变化差异给出了对应统计检验结果的物理证据。     

随机森林算法在人工增雨效果统计检验中的应用研究

评估人工影响天气的效果通常需通过一定的方法近似求出未作业时的降水量,传统的人工影响天气效果的统计检验方法以线性回归为主,这种方法能够较好地建立目标区和对比区的历史回归方程。但实际上,降水量受多种因素影响,通过历史回归方法无法解决降水量非线性的问题。为解决降水估算中存在的非线性问题,提高降水量估算精度,引入了当下流行的机器学习算法——随机森林算法。使用优选出的多个与降水量相关的预报因子,分别构建了月、日降水估算模型,然后利用江西省南昌市1961-2010年降水数据及环流指数数据,并结合2012-2014年南昌市地面增雨作业信息,验证所建模型估算降水的可行性和人工增雨作业效果统计检验的适用性。结果表明,随机森林模型估算精度较高、泛化能力强,能较准确地估算月、日降水量,对于稳定性降水的估算准确率达90%;但随机森林模型对汛期的月降水量和强对流天气影响下的日降水量估算结果较观测值偏低,有待进一步订正和研究。总体来说,随机森林模型具有精度高、稳定性好、收敛快、不用进行数据预处理、参数少、操作便捷等特性,在综合性能上具有一定优势和可推广性。     

增雨防雹火箭弹催化剂播撒技术的对比研究

介绍了HY-1A型增雨防雹火箭弹较传统型增雨防雹火箭弹在催化剂播撒技术方面所做的技术创新,增雨防雹火箭弹催化剂由原来的线性播撒方式改进为体播撒。将线性播撒和体播撒的催化剂扩散分别近似为线源扩散和瞬时点源扩散,基于解析解计算公式近似估算两种播撒方式的催化剂扩散有效区域半径,进而估算有效区域体积。对比发现,给定浓度阈值时,体播撒的催化剂扩散有效区域体积为线性播撒的3.6～7.2倍,且体播撒的催化剂扩散有效区域持续时间较线性播撒持续时间更长。线性播撒和体播撒方式的火箭弹有不同适用对象,后续可进一步改进优化催化剂播撒技术。     

1961～2015年中国地区冰雹持续时间的时空分布特征及影响因子研究

本文利用1961～2015年（55年）中国地区577个地面观测站的冰雹资料,应用统计学方法,分析了冰雹持续时间的空间分布、年际变化以及日变化特征,包括站点降雹累积持续时间、平均单次降雹持续时间、区域平均单次降雹持续时间、小时降雹累积持续时间和总降雹累积持续时间。结果表明:（1）1961～2015年中国地区站点降雹累积持续时间与海拔高度呈现较高的正相关关系,相关系数高达0.99。站点降雹累积持续时间的最大值出现在青藏高原地区,累积持续时间高达250分钟,其次为内蒙古中部以及东北部的山区地带,累积持续时间约为150分钟。（2）1961～2015年平均单次降雹持续时间呈现上升趋势,55年冰雹累积持续时间大约增长1分钟,且通过了95%信度水平的显著性检验。（3）西北地区、北部平原地区和东南地区在1961～1980年期间,区域平均单次降雹持续时间都有显著的下降趋势,而在1970～2015年期间西北地区和青藏高原地区呈现显著的上升趋势。1961～1980年期间区域平均单次降雹持续时间在西北地区的长期趋势变化主要受到日最低气温以及温度日较差长期年际变化的影响,在北部平原地区仅与温度日较差相关,而在东南地区与三个对流参数都有较好的相关性;1970～2015年和1961～2015年期间西北地区和青藏高原地区的区域平均单次降雹持续时间的上升趋势分别与这两个区域的区域平均日最高气温、日最低气温呈正相关。（4）单次降雹持续时间的日变化明显,午后至夜间出现的冰雹持续时间长于凌晨和上午的冰雹持续时间,持续时间峰值出现在当地时间17时和18时。本文还利用探空资料分析了对流有效势能和Totals-totals指数与冰雹持续时间的关系,结果表明中国地区20时（北京时）的对流有效势能和Totals-totals指数可能是冰雹持续时间日变化的影响因子之一。