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。      

人工防雹作业与冰雹发生的关系

本文利用2010-2018年黑龙江省降雹资料和人工防雹作业数据,统计分析了冰雹发生的变化和人工防雹作业的特征;同时人工防雹作业与冰雹发生的站次数在月际变化上呈正相关,人工防雹作业时段合理。     

昔阳地区冰雹云形成过程的一些特征

本文对昔阳地区冰雹云形成进行了个例分析和统计研究。结果表明,冰雹云形成演变常有发生、跃增、酝酿、降雹和消亡五个阶段。云体并合是雹云出现跃增的重要成因之一;较强回波伸入低温区是成雹的重要条件。文章指出,雹云形成常有“酝酿期”存在,它对雹云识别和人工防雹都是有启发的。     

阿克苏地区冰雹云特征的研究

通过普查阿克苏地区8县1市、10个气象站和120个防雹作业点1991～2000年4～9月在地区人工防雹作业阶段的降水、降雹情况及对应的雷达回波生消演变情况,对地区冰雹云天气发生背景、雹云路径及雷达回波、降雹情况等进行分析,摸清阿克苏地区冰雹云的活动规律和结构特征,改进地区人工防雹的作业模式,提高全地区人工防雹作业效益.     

冰雹短期预报

冰雹预报是人工防雹工作中的重要一环。准确的预报对于防雹的组织工作十分重要。同时,对于识别雹云以及防雹效果的检验也有一定的作用。近年来,随着大规模人工防雹群众运动的蓬勃开展,冰雹预报也取得了显著进展。这里只就短期预报的一些基本知识和方法作一简单介绍。     

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果,结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关;云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主,暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程,雹胚过多争食防雹;（２）促进雨霰转化过程,使雹胚浓度增加,并且减少过冷雨滴,抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长;（３）使云的下部霰量增加,降低降水粒子的增长轨迹,阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。     

冰雹云物理发展过程的一些研究

本文包括近年来我们在冰雹云物理研究几个方面的工作,即冰雹云单体生命史、云体併合与雹云形成、雹云和环境条件关系、冰雹云物理分类、冰雹云闪电观测分析和人工防雹的某些研究。 文章扼要地给出了上述研究的主要结果。     

昭苏雹块的微结构研究

冰雹云的微结构,对于研究冰雹增长的机制是十分重要的.但是由于直接进入雹云内部进行观测非常困难,所以目前主要通过遥感技术和冰雹样品的切片分析,推断雹云内部的微观结构和成雹机制. 众所周知,冰雹是从冰雹云中降落下来的固态降水物.不同的冰雹云类型,不同的增长过程,具有不同的微观结构.因此研究冰雹样品,有助于我们认识冰雹在云中的形成和增长过程,这对于人工防雹研究和作业设计具有实际意义.     

人工防雹作业浅析

1引言人工防雹[1],是对将要降雹的冰雹云施加人工影响,以减少和避免冰雹灾害。目前,人工防雹作业在理论和实践上都取得了很大的进展,积累了宝贵的经验,成为群众所愿意接受的减灾手段,受到各地有关部门的大力支持。防雹作业后,冰雹的密度、质量、个体减小,减轻了雹灾程度。冰雹云内存在着雷电和强大的升降气流,给观测和试验研究带来了困难,人工防雹至今仍处于试验研究阶段[4]。随着科学技术的发展,人们对雹云认识的深入,人工防雹工作必将为人类作出更大的贡献。2冰雹的预报冰雹预报有下面几种主要方法。有天气图方法、点聚图、T-LnP图及高…     

改进的SCIT算法在人工防雹作业中的应用分析

基于新一代天气雷达三维组网产品,利用改进后的对流风暴跟踪(SCIT)算法,对2013年3月22日发生在江西省北部地区的一次降雹天气过程进行冰雹回波识别和跟踪分析。选用能反映冰雹云特征的6个基于雷达反射率三维拼图的人工防雹作业指标,借助经验阈值形成人工防雹作业条件的模糊逻辑判断方法。以地面降雹实况记录为检验标准,对改进后的SCIT算法的识别结果进行检验。结果表明,改进后的SCIT算法共识别出可实施人工作业的冰雹云对流单体4个,不仅多于观测到的地面降雹站点数(3个),也多于未改进的SCIT算法识别出的冰雹云回波单体数,且识别出的位置与实况完全一致,表明应用改进后的SCIT算法有助于增强人工防雹作业的准确率。     

长春市防雹体系建设方案研究

冰雹灾害是威胁长春市农业经济发展和群众生活的重要气象灾害之一，每年因雹灾造成的经济损失少则几千万元，多则上亿元。如何建设长春市防雹体系，科学开展防雹减灾作业，是我们必须面对的重要研究课题。本文依据1995年以来长春市辖区冰雹灾害资料，综合分析出近10年来影响长春地区的主要雹线（冰雹路径），并依据雹线和各地实际防雹需求，对长春市防雹体系建设方案进行了专项研究，本文对于长春地区开展人工防雹减灾作业具有一定的指导意义。     

识别冰雹云的简易方法

正确判断云体是冰雹云还是雷雨云,这是进行人工防雹作业的重要依据。广大劳动群众在长期的防雹抗灾斗争中积累了丰富的实践经验,他们根据雹云的声、光、雷电、降水和移动等宏观特征,用耳听目测来识别雹云,并用许多生动的谚语形象地指出冰雹云的特征。例如冰雹云多“拉磨雷”、“蜂子朝王声”;“横闪多雹”;“黄云黑边子,必定下雹子”,“黑云尾,黄云头,雹子打死羊和牛”;“雹走老路”、“雹打一条线”以及雹云光象异常等等。这在人工防雹工作中起了很大的作     

三维冰雹云催化数值模式

为了研究冰雹形成机制、催化防雹机制和通过数值试验获得冰雹云优化催化技术,在以前工作的基础上,发展了一个３维弹性冰雹云催化数值模式。模式考虑了冰雹云中详细的微物理过程,各种粒子采用双变参数谱,将云中水物质分成水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、冻滴和雹８类,可以预报粒子的比浓度和比含量,尤其可以计算以霰或冻滴为胚胎的雹块的数量,非常适合研究冰雹的形成机制。此外,建立了催化剂ＡｇＩ的守恒方程,考虑了人工冰核的凝华核化及与云、雨滴接触的冻结核化过程,并用地面降雹动能通量检验催化防雹效果,因此,也可以研究催化防雹机制和对雹云的催化技术。     

催化防雹最优方案的数值试验探究

利用全弹性三维冰雹云数值模式,对2016年6月5日河南三门峡单体雹云个例进行模拟,将催化防雹的方式、时间、区域、剂量指标动态化组合形成81种方案,从而更高效、更精细地探究能够产生显著防雹效果的作业指标值域,探究催化防雹作业指标的最佳组合方案。结果表明:(1)减雹效果显著的催化方式、区域、剂量非固定单一指标,而催化在雹云初期内越早越好;催化防雹的显著效果取决于适合冰雹个体的各催化作业指标的优化组合。在雹云形成最早期,使用合理值域内的最大剂量对过冷水含量中心进行垂直催化,可使减雹效果最显著。(2)催化防雹后降雹量的减少转化为降雨量的增加,总降水量随之增加。(3)霰转化成冻滴、雹粒撞冻过冷云水增长二者的减少是冰雹时空积分总量减少的重要因素。(4)试验获得的8种减雹效果显著方案,其冰雹含水量极大值较未催化方案均减少80%;催化防雹对冰雹含水量极大值的分布位置影响很小。     

五类雹云的作业方案设计

目前我国的人工防雹作业已普遍采用三七高炮,选择适宜时机,向云体的适当部位发射适量的碘化银炮弹,影响雹云的发展过程,达到抑止冰雹生长的目的.同时,随着雷达探测雹云技术的发展,已经能够根据雷达回波识别雹云的结构和类型.由于不同类型的雹云,冰雹在云中的生长过程不尽相同,因此,为提高人工防雹的作业效果,必须注意对不同类型的雹云采用不同的作业方法.本文根据国内外的防雹理论和各地的实践经验,对五种类型雹云作业方法的设计进行初步探讨.     

云南一次典型降雹过程的冰雹微物理形成机理数值模拟研究

冰雹形成的微物理机理是人工防雹的重要科学依据,但对我国西南地区冰雹形成的微物理机理研究很少。利用中国科学院大气物理研究所三维冰雹分档云模式对云南2016年7月11日一次冰雹云过程进行了数值模拟研究,揭示了冰雹形成的微物理机理。此次冰雹云生成发展快,强度大,是西南山区典型夏季冰雹云。数值模拟的降水、降雹和回波强度等物理量与对应的观测量基本一致。模拟的冰雹云的最大上升气流速度达到28.7 m s?1。通过对冰雹形成的微物理过程分析研究表明,雹/霰胚的主要生成来源是通过过冷雨滴的概率冻结产生的冻滴,占95%,而冰晶碰冻雨滴产生的雹/霰胚仅占5%,这与国外和我国其他地区雹/霰胚产生的来源和冻滴所占比例有明显差别;形成的雹/霰胚直径多数集中在0.3 mm至3.0 mm范围,雹/霰胚主要通过对过冷云水的碰并过程实现增长,直径小于0.3 mm的雹/霰胚较难增长;大雨滴冻结成较大直径的雹胚,可促成短时间内形成冰雹;在雹云发展过程中存在短时的过冷雨水累积带,但过冷雨水累积带对雹/霰胚的增长贡献不大。     

爆炸影响对流云发展过程的原理研究

用爆炸方法进行人工防雹是我国的一个特点,且已有很长历史了,近十年来爆炸方法在群众性试验中进一步广泛采用,出现了利用空炸炮、火箭和高炮等爆炸手段。根据某些地方多年防雹资料的初步分析,用爆炸方法进行人工防雹是有一定效果的。然而爆炸究竟对云有什么作用?它对冰雹形成过程会有什么影响?国外有人试图用“空腔作用”造成软雹来解释爆炸影响冰雹云的作用,也有人提出爆炸引起过冷水的冻结作用。但我国大量人工防雹试验指出,爆炸可以迅速引起降水,出现云洞,云体消散或转向等现象,这些现象不能用上述国外已有想法来解释。     

石家庄冰雹气候分析及人工防雹布局

利用石家庄16个县(市)1959-2007年的资料(包括县志),对石家庄冰雹的时空分布特征、冰雹路径等进行了综合分析.分析表明:①石家庄地区降雹日数年变化存在1、11、12和25年的周期性变化,在1971和2003年出现突变;②5月下旬至7月中旬是石家庄降雹盛行季节,一天中降雹多出现在14:00-20:00;③石家庄降雹西部山区多于东部平原,平原上的多雹区一般在河流或古河道附近;④通过资料分析,划分3道人工防雹作业防线,适当增加防雹作业点,科学合理的进行防雹作业点布局,开展阶梯式人工防雹作业.     

1961—2020年贵州冰雹气候特征

基于1961—2020年贵州省84个地面气象观测站的冰雹天气观测资料,分析贵州冰雹的时空分布特征,并对首末次降雹时间、冰雹直径、持续时间等开展讨论,最后提出人工防雹的建议。结果表明,贵州年平均冰雹日数空间分布不均,呈现西多东少、中部多南北少的特征;近60 a冰雹日数呈显著（P<0.01）减少趋势;每年2—5月是贵州降雹频发月份,占全年雹日的85.0%;雹日中14:00至次日02:00是降雹的多发时段;近60 a贵州冰雹首次出现的平均时间从2月下旬至5月中旬自东向西推进,而末次出现平均时间从3月下旬至7月下旬自东向西依次结束;冰雹直径以中冰雹出现的频率最大达68.9%,一次冰雹的持续时间主要集中在10 min以内。因月季变化、日变化、首末次冰雹出现时间均存在明显地域差异,各地开展防雹工作时应充分掌握本地的冰雹规律,合理安排人工防雹各项工作。     

冰雹云雷达识别方法及防雹作业经验

总结了辽宁省40余年人工防雹工作积累的成果和经验,归纳了3种类型冰雹云的雷达回波特征以及利用回波形态、回波参量和综合指标对其进行雷达识别的方法,并结合冰雹云数值模拟结果,总结了对具有液态水累积区的雹云、对超级单体冰雹云和对多单体冰雹云实施人工防雹作业的一些经验,对于各地的科学防雹作业具有参考作用。