基于多普勒天气雷达的人工防雹工作分析

摘要：多普勒天气雷达主要是用于监测和分析气象现象的高科技设备，它通过发射和接收雷达波，来探测大气中的运动，进而达到人工防雹的效果。文章主要总结了冰雹灾害所产生的原因，并提出了多普勒雷达的回波特征分析、确定上升气流区域防雹作业时机、设计雷达回波参数等多普勒天气雷达的人工防雹方法，减少冰雹灾害，减少经济损失。

关键词：多普勒天气雷达；人工防雹；回波特征

引言：多普勒效应使得雷达能够区分出向雷达天线靠近和远离的运动，从而可以测量降水的速度和方向。通过多普勒天气雷达，来测量出降水颗粒的速度，进而就可以预测冰雹的发生，在冰雹形成前或形成过程中，发射雷达进而达到人工防雹的效果。通过人工防雹，可以在一定程度上减少由于自然冰雹灾害引起的环境问题，保证社会更加稳定。

1.冰雹灾害产生的原因

第一，冰雹通常伴随着强对流天气，如雷暴和积雨云，这些天气现象伴随着强烈的上升气流，可以将水滴带到云层高处，在那里它们会冷却并结冰，形成冰雹。

第二，大气不稳定，意味着暖湿空气容易上升并形成对流，在不稳定的大气条件下，暖湿气流上升时会遇冷凝结，形成冰晶，随着气流上升，冰晶会不断增大形成冰雹。

第三，冰雹的形成需要大量的水汽，通常，来自海洋的暖湿空气会带来大量水汽，当这些水汽遇到冷空气时，会凝结成水滴或冰晶[1]。具体来说，在接近地面的区域中，其湿度相对较高，以沧州地区为例，其湿度已经超过了70%，同时温度露点差值也低于4℃，表明这一层的水汽含量较为丰富。而在700hpa至500hpa的高空层次当中，温度露点差已经超过了13℃，这就表示出中层相对较为干燥，形成了所谓的相对干层。而这种上层干燥、下层湿润的垂直水汽结构，就有利于形成出强对流的天气。在一般情况下，当发生强对流的天气之前，低空就会受限于浅薄的暖湿气流影响，这些暖湿气流不仅为冰雹的形成提供了必要的水汽，同时也为其提供了能量条件，最终就会形成冰雹。

2.人工防雹中多普勒天气雷达的应用

2.1多普勒雷达的回波特征分析

通过对多普勒雷达回波特征的分析，气象人员就能够判断冰雹云的发展阶段、强度以及潜在的降雹威胁，从而指导防雹作业的实施。多普勒雷达通过检测降水粒子反射回波的频率变化来测量其速度。速度谱宽度反映了粒子速度的分散程度，宽度越大，表示粒子速度变化越大，通常与冰雹云中的强上升气流相关联。在进行冰雹回波特征分析的时候，一旦出现了比较强烈的回波信号，那么其强度就会超过了65dBz，且前方有一个相对比较显著的入流缺口，这就表明存在强烈的风暴入流气流，预示着风暴较强。在强回波的区域内部，垂直结构特征也是比较明显的，在中低层，出现了边界清晰的弱回波区；中层展示了剧烈的回波强度梯度；而在高层，形成了明显的穹窿结构，回波顶高度甚至达到了15公里，这些都是典型的冰雹云回波特征。在观察回波的演变过程时，一旦回波强度大于50dBz，其会从西向东移动。在这个过程中，原本大于60dBz的强回波带先是保持稳定，随后在与生成的降水回波交汇后，强度就会减弱至60dBz以下。随着强回波带的持续东移，其所经过的区域出现了冰雹和大风等强对流天气现象。通过分析多普勒雷达的回波特征，可以区分不同类型的降水，如雨、冰雹、雪等，这对于判断冰雹云的物理状态和预测其发展至关重要。

2.2确定上升气流区域防雹作业时机

多普勒雷达能够测量降水粒子相对于雷达的径向速度，通过分析垂直速度剖面，可以识别出上升气流区域。通常，垂直速度如果大于0m/s，那么这一区域就会被认为是上升气流，这表明云层正在膨胀，可能是冰雹云形成的迹象。反射率因子随着上升气流的增长而增加，因为更多的水汽凝结成降水粒子。因此，通过观察反射率因子的增长速度，可以推断出上升气流的强度。例如，在一个区域内，通过分析垂直速度剖面，发现云底附近有一个强烈的上升气流区域，其垂直速度超过了1m/s。随着时间的推移，注意到垂直速度在上升气流区域有所增加，这也就表明了气流正在加强，冰雹云正在进一步的发展。同时，观察到反射率因子在上升气流区域迅速增加，这表明云中的降水粒子正在增多，冰雹形成的潜在风险增加。当多普勒雷达检测到这一数据后，雷达系统发出了预警，提示可能形成冰雹，并建议在上升气流区域进行防雹作业。在预警发出后，防雹人员就要迅速进行防雹作业，例如，会使用高射炮或火箭，将装载碘化银的弹头射入到冰雹云的特定区域。然后再通过喷射火焰或爆炸的方式，来释放一定量的碘化银，从而抑制冰雹的继续生长。另外，炮弹爆炸后所产生的大量粉尘，则可以作为云中的凝结核，促使冰雹云中的水蒸气迅速的凝结成水滴，进而再以液态的形式返回到地面中，这样就可以更好的阻止新冰雹的形成，并且也能减缓已有冰雹的增长。在防雹作业后，通过雷达数据评估了作业的效果，如果上升气流区域的速度减缓或反射率因子增长速度下降，这表明防雹作业是成功的[2]。

2.3设计雷达回波参数

多普勒天气雷达的应用涉及对雷达回波参数的仔细分析和解读，以确定进行防雹作业的最佳时机和位置。回波强度反映了从雷达天线接收到的大气中降水粒子的反射能力，它与降水粒子的数量和大小有关。监测回波强度的增长速度，可以判断云层中降水的增长情况。如果回波强度迅速增加，就表明有强烈的上升气流和降水粒子聚集，这是冰雹云的迹象。回波顶高度是指雷达探测到的最强回波所对应的高度，它提供了云层垂直扩展的信息。如果回波顶高度迅速上升，就表明云层正在迅速发展，伴随着强烈的上升气流和降水。雷达探测到的降水回波在雷达扫描范围内的覆盖面积较大，这表明降水系统较大，会影响较大的区域。

基于以上雷达回波分析结果和其他的气象数据，那么就可以详细的设计出防雹的具体参数。如果在观测的过程中，发现雷达回波的高度在1分钟内增加了400米，并且回波的强度每分钟平均增长了2分贝，同时零度层以上的区域也出现了强回波现象，这些现象综合起来，可以被认定为指示冰雹云的征兆。这时就要选择具体的人工防雹的方法，在选择作业点的位置时，主要是选择离雷达较近的位置作为作业点，以确保雷达数据的准确性和及时性。同时，考虑地形的因素，选择一个有利于作业的区域。同时，也要根据雷达显示的回波强度和回波顶高度的迅速增长，确定在回波增长速度达到最大值之前进行作业，以最大限度的减少冰雹的形成。选择适合该特定雷暴云的弹种，例如干冰或碘化银弹，以有效的抑制冰雹的形成。通过对多普勒天气雷达监测的参数进行分析，来选择具体的防雹方案，进而保证防雹效果得到提升，实现环境的安全。

结论：综上所述，对人工防雹中多普勒天气雷达的应用进行分析，不仅会提升人工防雹的水平，还能增强环境预测的效果，推动气象科技的发展。在进行人工防雹的时候，主要是从回波特征分析、确定作业时机、设计参数等方面入手，让人工防雹更高效，维护国家的经济安全。

参考文献：

[1]黄亚林，孟海龙，孙美玲.风廓线雷达与多普勒天气雷达在暴雨大风天气过程中的应用分析[J].气象水文海洋仪器，2024，41（04）：26-28.

[2]吴嘉伟，姜淑杨，袁晶.多普勒天气雷达遥测下的雷电风险识别系统[J].电子设计工程，2023，31（24）：104-108.