一次高炮防雹动力效应的相控阵雷达观测分析.pdf

书书书董亚宁，刘福新，孙鸿娉，等，一次高炮防雹动力效应的相控阵雷达观测分析气象，（）：，（）：（）一次高炮防雹动力效应的相控阵雷达观测分析董亚宁刘福新孙鸿娉杨永龙山西省人工影响天气中心，太原 山西省临汾市隰县气象局，隰县 提要：年月日山西省临汾市隰县组织了一次高炮防雹试验。利用隰县的相控阵雷达资料，对炮击强对流云后的动力效应进行分析。通过组合反射率对过程进行分析，可以看到本次作业的时机和部位是符合试验设计的，即：爆炸是在自然云发展期，炸点位于强回波柱上端。通过作业信息和弹道曲线估算试验中炮弹炸点位置，经过雷达、炮点、炸点的时空一致性转换后，对作业前后炸点邻域雷达参量变化进行分析。结果显示：作业前 ，强回波柱处于发展增强中，在预定炸点附近未见多普勒谱宽区；作业后，在炸点正下端，强回波柱迅速衰弱、分裂、下沉，并在炸点区邻域呈现出多普勒谱宽明显的加宽且维持了 ，最终导致强回波整体衰落，未见再度强化。这样的演化情景显示出一个效应链：强回波柱由盛转衰是在爆炸后的炸点开始的，爆炸激起的动力扰动蜕变为次级流，展宽了多普勒谱宽，不均匀的动力扰动场诱发的雷诺应力抑制了对流流场，使对流云整体衰落了。另外，从不同强度回波顶高和回波样本数的统计可以看到，爆炸后强回波顶高迅速降低而相应的像素点数迅速减少；弱回波像素点的数值随强回波减少而增多，最后所有强度的回波像素点的数值皆随时间减小。关键词：观测研究，相控阵雷达，高炮防雹，动力抑制效应中图分类号：文献标志码：犇 犗 犐：，犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，中央引导地方科技发展资金项目（）、国家重点研发计划（）、山西省重点研发计划（）共同资助 年 月 日收稿；年月日收修定稿第一作者：董亚宁，主要从事人工影响天气研究 ：通讯作者：孙鸿娉，主要从事云降水物理与人工影响天气研究 ：第 卷 第期 年 月 气象 ，：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：，引言冰雹是中小尺度强对流云的产物，作为一种短时强烈的灾害性天气，其发生、发展和影响过程只有数小时 甚 至 几 十 分 钟（李 德 俊 等，；王 莎 等，；王俊等，）。冰雹以及与之相伴随的大风、雷暴等强天气过程会给人类活动造成很大灾害。对冰雹天气做出准确预报，及时开展人工防雹作业，可以有效减轻冰雹灾害（黄美元和王昂生，；许焕斌等，；周德平等，；李金辉等，）。人工防雹是减轻冰雹灾害的一项重要措施，高炮防雹是人工防雹作业的主要方式，我国采用高炮进行防雹作业已有 余年，目前防雹作业规模居世界之首，且还有发展之势（黄美元等，；雷恒池等，）。我国的防雹工程是先有防雹业务，再有工具发展，随后才有原理性研究（刘治国等，）。防雹业务举措、理论、效果皆需要实例验证，因此开展防雹的外场试验，进而验证理论具有相当重要的意义。国内外多年的人工防雹实践显示（王雨增等，；黄美元等，；许焕斌，；），在高炮防雹作业后，经常能观测到“炮响雨落”“化雹为雨”等一些云体的快速响应现象。然而这些现象很多发生在作业后几分钟内，仅从引晶催化的原理难以解释这些现象，爆炸产生的动力学效应起着重要的作用（许焕斌，；）。黄美元等（）认为，爆炸产生的冲击波，改变了云中上升气流，破坏了粒子落速和上升气流间的作用关系，产生防雹效果。郭学良等（；）利用数值模拟，证明改变云中上升气流会对积云的发展演变和降水过程产生明显的影响。许焕斌（）指出，炮弹爆炸产生的冲击波和 声 波 会 抑 制 云 中 上 升 气 流 的 发 展，许 焕 斌（；）还对爆炸防雹中存在的动力机制进行探讨，指出爆炸产生的扰动气流和重力波，通过一系列物理效应，使原云体的宏微观结构的协同性发生变化，破坏冰雹的形成，并应用模式模拟再现了该过程，模拟结果与物理假说一致。在前期研究的基础上，许焕斌（；）归纳中国防雹实践，系统地详述了爆炸防雹的“动力扰动理论”，指出炮弹的爆炸作用产生了扰动流场，扰动流场对云体的背景流场产生抑制作用，抑制导致了云体回波的垮塌和分裂。段英和许焕斌（）研究了爆炸防雹的云物理机制，指出在冰雹胚胎帘区的底部发生爆炸，可以改变大雹的运动轨迹，抑制大雹的形成。周非非等（）的数值模式试验表明，在雹云发展的不同阶段施加人工抑制，会对雹云的发展和降水产生不同影响，并对其物理机制进行分析。由此可见，爆炸产生的动力效应是人工防雹的关键因素，针对爆炸效应研究，已有许多理论假说，并由许多学者利用各种手段对理论加以印证。然而，由于观测手段的时空分辨率限制，针对爆炸防雹的实际观测证据近乎没有被捕获，利用高分辨率的观测设备开展外场试验，从而对理论进行验证和发展具有重要意义。相控阵雷达的出现为直接观测这一物理现象提供了条件。相控阵天气雷达是一款可快速扫描探测灾害天气的高新技术雷达系统（张志强和刘黎平，气象 第 卷 ；刘黎平等，），可用于冰雹云、强降水风暴高分辨率的快速探测，获取风暴高时空分辨三维径向速度场、强度和微物理精细结构和演化特性数据，对揭示特定区域冰雹云、降水发生发展机理及人工影响效果具有重要作用（刘黎平等，；于明慧等，；程元慧等，；潘佳文等，）。相控阵双偏振雷达 左右的时间分辨率，一定程度上可以排除云体的自然变化，双偏振参量也为分析冰雹云体演变提供了更多的手段（潘佳文等，；阮悦等，）。孙跃等（）利用相控阵双偏振雷达数据，对一次防雹作业前后云体的回波顶高、回波强度、径向速度等宏观特征进行了比较，并利用双偏振参量对云体微物理结构等变化过程进行了分析，通过云体的快速响应变化有力支持了爆炸防雹理论，但该过程中未发现爆炸的直接信号，缺乏相对完整的爆炸效应链。本文结合 年月日临汾市隰县一次高炮防雹过程，利用布署在当地的国产双偏振相控阵雷达的高时空分辨率探测数据，对高炮爆炸效应进行分析，对防雹的动力扰动理论进行了验证（许焕斌，）。资料研究使用的雷达为布署在隰县的双偏振相控阵天气雷达，该雷达工作频率为 ，采用双极化一维电子扫描的方式，能测得双偏振参量，每 一个体扫数据，仰角从 到 ，每 一个仰角，共有 个仰角，每个仰角下含 个方位（分辨率为 ），距离库分辨率为。地面防雹作业实况资料来自山西省隰县气象局。作业炮点为唐户塬炮站，位于雷达站的 方位，站点海拔高度为 ，与雷达站的直线距离为 （相对位置如图所示）。唐户塬炮站于：、：、：（北京时，下同）开展防雹作业三次，共发射炮弹 发，作业方位角范围（相对于作业炮点）为 ，作业仰角为 。结果分析 作业云演变概况首先对防雹作业前后雷达组合反射率演变进行图 年月日雷达与炮站相对位置示意图 分析，对作业合理性进行初分析，图中“”型黑线为当时高炮作业的方位角范围。年月日：（图），在炮站西北侧开始出现活跃的对流单体活动。回波总体向东南方向移动。回波发展旺盛，强回波中心达到 ，该作业云为正在发展的雹云，在：（图）左右强回波已移入炮站附近，站点申请作业计划，并准备作业。：（图）开始第一轮作业，从该作业时方位角范围来看，对流云回波处于旺盛发展阶段，高炮射击范围可覆盖强回波中上部。第二轮作业为：（图），高炮射击范围位于云体后方，仍然处于云内，可以影响到冰雹云，之后两块对流单体合并，但强度明显减弱。第三轮作业为：（图），雷达回波已明显减弱，高炮射击范围在强对流云边缘位置。三轮作业后，作业云体强回波基本消散（图），之后又有新的对流单体生成合并，但已离开作业站点。从雷达组合反射率演变来看，三轮作业高炮射击覆盖范围均位于对流云体强回波处，第三轮作业略偏晚，以下主要针对前两轮作业进行分析。对：炮站偏北侧的对流单体做垂直剖面，分析作业前云体结构。剖面位置如图 黑线所示，通过对流单体的垂直剖面可以看到发现，作业前炮站北侧的强回波单体具有悬挂回波特征（图），这是冰雹云的典型特征之一。由双偏振参量反演的相态识别（冯亮等，）结果可见，虽然此时近地面以大雨粒子为主，但高空存在大量霰粒子。在悬挂回波后部高度附近有冰雹形成，在下落过程中融化第期 董亚宁等：一次高炮防雹动力效应的相控阵雷达观测分析 注：型黑实线为高炮防雹作业方位范围。图 年月日：作业前后雷达组合反射率演变 ：形成雨加雹和大雨（图）。综上所述，可以认为该单体是正在形成降雹的冰雹云，适合作为防雹作业对象。但是，鉴于相态识别算法本身还存在主观性和经验性（，），且垂直剖面的插值过程可能会平滑掉小范围的高炮动力效应信号，下文仍然以雷达原始观测的数据为主要分析对象，不再对插值剖面和相态识别结果进行深入讨论。高炮炸点区域根据作业仰角和炮弹弹道曲线，判断炸点距炮站约，高度在（图 红圈位置）。图 中 型 黑 线 为 作 业 方 位 角 范 围，长 度 为，型区域为炮弹方位角范围。最终确定三角形为炸点区域，该区域为距离雷达约、高度在 处。在该区域中选择方位角 的径向剖面作为特征剖面对爆炸区域进行分析。作业前后谱宽变化特征谱宽是抽样体积内粒子的多普勒速度离散程度的度量，影响谱宽的因素大致可以分为气象因素和非气象因素。其中气象因素主要有：垂直风切变、大气湍流运动、粒子下落速度分布（万蓉等，；王芬等，）。图为作业前后 方位角剖面上的谱宽变化，可以看到炮击前在预定炸点附近未见多普勒谱宽区，第一次作业结束后 ，在预定炸点附近谱宽明显增宽，之后逐渐变小。结合变化出现的时间和位置可以判断，这是由于爆炸产生的冲击波以及蜕变产物产生的外加扰动气流引起了谱宽的增宽。第二次炮击作业对谱宽未造成明显影响，这很可能是由于显示这种响应对时空配合的要求甚高，这个条件不是每轮作业皆可达到的（换言之，其机会是可得而不可求），以致未能再捕捉到明显的类似扰动。作业前后回波反射率变化特征前两次炮击时间间隔较短，选取炮击前 到炮击后的连续若干个时次，根据雷达回波，分析炮击可能引起 的短时动力效应。从作业前后回波反射率 气象 第 卷图 年月日：作业前炮站北侧对流单体的典型垂直剖面（）剖面位置（黑线），（）反射率，（）相态识别 ：（）（），（），（）注：红圈为爆炸位置，蓝色三角形为估算的炸点区域。图 年月日：（）型人工防雹弹弹道曲线，（）炸点区域 （），（）：第期 董亚宁等：一次高炮防雹动力效应的相控阵雷达观测分析 注：红圈为爆炸点在剖面中的位置。图 年月日：作业前后谱宽变化（方位角剖面）（）：的变化（图）可以看到，作业前，回波发展旺盛，强回波面积大、回波连续、结构密实。第一轮作业结束后 （：、：），强回波衰弱不明显，这是因为爆炸对回波的抑制需要一定的时间，这与谱宽的变化相对应。第 一轮 作 业结 束 后 （：、：），强回波基本明显衰弱、下沉，强回波范围、强度明显减弱。第二轮作业后，强回波继续减弱、下沉，回波整体继续衰弱，在第二轮作业结束后，回波继 续衰弱（：、：），整 个作 业结 束 后 （：），整体回波强度明显减弱，强回波高度已下降到 左右。结合多普勒谱宽的变化显示出一个效应链：强回波柱由盛转衰是在爆炸后的炸点开始的，爆炸激起的动力扰动蜕变为次级流展宽了多普勒谱宽，不均匀的动力扰动场诱发的雷诺应力抑制了对流流场，终于使对流云整体衰落了。作业前后回波顶高变化特征为进一步分析雷达回波变化，对雷达方位角 范围，距离 的体扫数据进行不同强度回波顶高的统计，结果如图所示。从：开始，的强回波已出现在区域上空 左右，：，的强回波也开始出现，高度在 以内；在：作业之前，的回波顶高基本维持在 左右，变化幅度不大。：作业结束后，强回波顶高迅速降低，：第二次作业前，下降到 左右，：第二次作业结束 气象 第 卷图 年月日：作业前后回波反射率变化（方位角剖面）（）：后，顶高下降到 左右，之后基本维持在 以内；的强回波由于本身高度较低，受爆炸效应的瞬时影响较小，再之后随着回波结构整体的分裂、衰弱消失；强回波在作业后也出现迅速下降，：下降到最低 左右，之后又出现回升；整体变化不大，有下降但幅度很小。综合来看，研究范围内强回波顶高在作业结束后有明显降低，尤其是处在高炮炸点范围的 强回波，下降幅度很大，且下降时间与高炮作业时间相对应。回波样本统计图为不同强度回波样本数的统计变化，统计范围与回波顶高统计范围相同。可以看到，作业后，图 年月日：不同强度回波顶高（距离地面）的时间变化特征 （）：第期 董亚宁等：一次高炮防雹动力效应的相控阵雷达观测分析 图 年月日：不同强度回波样本数的时间变化特征 ：的强回波迅速减少，的弱回波迅速增加，之后随着回波的整体衰弱整体开始减少，这可能是爆炸对强回波产生抑制作用，导致强回波迅速减少，衰退为弱回波，导致弱回波增多，后因整体回波的衰弱而减少。的回波作业前后变化不大，与其本身高度较低、受爆炸效应的瞬时影响较小有关。作业前 也有衰减趋势，但作业前强回波的衰减并未造成弱回波的增加，而在作业后强回波衰减弱回波迅速增加，因此判断作业前的衰减属于云体的自然变化，作业后的迅速衰减是受高炮爆炸效应影响。结论与讨论（）利用具有分钟级时间和 级空间分辨率的相控阵雷达确实可察见爆炸动力效应的反应。佐证了我国爆炸防雹实践中所展示的快速起效性和理论推断的时（几分钟）空（百米）尺度范围的可信性。也表明了相控阵雷达的列装对人工影响天气业务发展是正确、必要的。（）此次过程作业云体位于雷达、炮站中间，距离雷达较近，相互位置配置较好，相控阵雷达时间分辨率高。通过组合反射率对过程进行分析，可以看到本次作业的时机和部位比较合理，这些都是本次试验能取得明显效果的基础。孙跃等（）同样利用隰县防雹过程的相控阵雷达数据，从宏微观结果变化对爆炸防雹效应进行了深入的分析，但由于该次过程中相互位置、作业时机等影响，未发现谱宽增宽等相对直接的证据。（）试验中第一次炮击击中了云体的强回波柱上方，第一次作业结束 后，在炸点附近出现明显的多普勒谱宽增宽现象，这意味着爆炸的蜕变产物 局地非均匀扰动流场的形成；这样的外加扰动流场形成应力场去抑制背景流场，抑制作用使得炮击前处于强势的回波结构场，从炮击时刻和位置开始，作业区强回波逐渐衰弱、分裂、下沉。第二次作业后，作业区回波继续衰弱、低位，或维持弱状态，没有出现再强化。（）对影响范围的不同强度回波顶高和回波样本数进行统计，结果显示高炮作业后，的强回波顶高迅速降低，样本数减少；弱回波样本先增多，后随着整体回波的衰退减少；的强回波因所处位置较低，受爆炸影响较小，作业前后变化不大。从变化出现的时机和特征来看，回波变化是由于爆炸对强回波产生抑制作用，导致强回波高度下降，并衰退为弱回波，弱回波随之增多，后因整体回波的衰弱而减少。（）此次试验给出的结果用观测到的实例图像较完整地展现了云中爆炸所诱发的效应链，即如何削弱强对流云的全过程，是可以用来验证防雹作业中爆炸作用的一个观测实例。然而由于爆炸作用的复杂性，为了在防雹外场试验中积累更多的观测个例，需继续进行研究，如果在试验中多次再现类似的观测反应，才可排除“张冠李戴”式的巧合性。下一步，将在该试验基础上，有针对性地布设其他观测设备，同时，利用有专门设计的高炮试验弹，开展对流云三维流场探测，分析爆炸防雹后流场和水成物的变化及爆炸防雹效果，为爆炸防雹技术发展提供更为可靠、严密、丰富的科学数据和技术支撑。参考文献程元慧，傅佩玲，胡东明，等，广州相控阵天气雷达组网方案设计及其观测试验气象，（）：，（）：（）段英，许焕斌，爆炸防雹中的云微物理机制的探讨气象学报，（）：，（）：（）冯亮，肖辉，孙跃，波段双偏振雷达水凝物粒子相态识别应用研究 气候与环境研究，（）：，气象 第 卷 ，（）：（）郭学良，黄美元，洪延超，等，三维冰雹分档强对流云数值模式研究 模式建立及冰雹的循环增长机制 大气科学，（）：，：，（）：（）郭学良，黄美元，洪延超，等，三维冰雹分档强对流云数值模式研究 冰雹粒子的分布特征 大气科学，（）：，：，（）：（）黄美元，王昂生，人工防雹导论北京：科学出版社 ，：（）黄美元，徐华英，王昂生，等，爆炸影响对流云发展过程的原理研究 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