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人工影响天气作业技术培训教材（人工防雹）上册农一师三团人武部二一二年二月一日第一章 冰雹的物理特性和降雹的时空分布 冰雹是一种严重的气象灾害，具有很大的破坏力，是人工防雹作业的主要对象。研究冰雹的形状、大小、谱分布、内部结构以及雹块增长等物理特性，有助于认识冰雹的形成机制和人工防雹的作业原理。了解自然降雹的时空分布特征，对于认识降雹的自然规律，危害程度以及人工防雹作业的实施具有实际意义。一、 冰雹形成的云物理过程1、 冰雹的概念冰雹是从冰雹云中降落下来的固态降水物，群众习惯称之雹子、冷子和冰蛋。在现代气象学上，冰雹一词从狭义上讲，系指直径在5mm以上的固态降水物。从广义上说，它还包括霰（xian）和冰丸。霰也称软雹指直径25mm的白色不透明球型或圆锥形粒状冰组合体，结构松散，着地易碎，由冰晶聚合体为中心，外面撞冻大量的过冷水滴。冰雹也称雹块（雹块通常指一个单一的冰雹个体），指直径5mm以上的固态降水物，一般较硬，不易压碎，着地可以反跳，它常有一个明显的核（有时也有双核或多核）核心外由1mm以上厚度的透密与不透明冰层交替包围组成。2、 冰雹形成的云物理过程冰雹是怎么形成的？简单的说，就是近地面的水汽上升凝结层云，在云中形成霰或冰丸，并和过冷却水滴撞碰增长的雹块。冰雹形成的云物理过程：1、由水汽到云滴2、由云滴到雨滴3、由过冷却水滴到霰粒4、由霰粒到冰丸至雹块或由大水滴到雹块。二、 冰雹的物理特性1、 冰雹的形状、大小和谱分布（1） 冰雹的形状（ 冰雹的形状有球形、椭球形、圆锥形和不规则形等。小冰雹多为球形和圆锥形；直径为23cm的中等冰雹多呈椭球形；直径大于3cm的大冰雹则常为不规则形。）（2） 冰雹的大小（我国各地的观测资料表明，最常见的冰雹直径在0.52cm之间，重量在0.113g之间）（3） 冰雹的谱分布(冰雹粒子象其他降水粒子一样也具有谱分布。某一时段降雹浓度单位体积中的个数随冰雹尺度的分布称为雹谱。)2、 冰雹的结构（1） 冰雹的胚胎（从冰雹切片中看出，它有一个核心，这个核心就是冰雹胚胎，一个冰雹一般只有一个胚胎，但偶尔也观测到双胚或多胚，冰雹通常是围绕雹胚而增长的，但雹胚并不一定位于冰雹中央，也有相当多数的雹胚位于雹块中心的一侧）（2） 冰雹的层次结构（在冰雹中，有的层可能中断，有的层可能和邻近的层交错叠加。各层的厚度也不相同。一般说，小冰雹的层厚12mm，大冰雹的可达410mm。3、 冰雹的下降末速度（1） 冰雹末速度的概念（2） 球形冰雹末速度公式（3） 决定冰雹末速度的几个参数4、 冰雹的增长和融化（1） 冰雹的增长冰雹的撞碰增长 冰雹的干增长和湿增长冰雹的海绵增长和冰柱增长（2）冰雹的融化（ 冰雹降落到0层以下高度时开始融化，因此落地冰雹的尺度总小于云中形成时的冰雹。）三、 新疆降雹的时空分布特征 1、降雹的地理分布（降雹北疆多于南疆，西部多于东部，山脉的背风面多于迎风坡，河谷和山谷地带多于河流下游和开阔的地区。降雹最多的高度，北疆在海拔10002400米处，南疆在海拔12002600米处。） 2、降雹的范围（降雹的范围除与产生冰雹的云体大小、位置和移动路径有关外，还与具体的地形有关。热力对流所形成的冰雹，其范围均很小；但与强烈的天气系统相联系的降雹，范围一般较大。由于冰雹云受地形的影响，同一次降雹，雹击带的大小也不一样，有的地方宽，有的地方窄，有的地方甚至出现中断现象。据调查，地形狭窄的山谷和坝区，雹击带较短，宽度较小；地形比较开阔的山谷和坝区，雹击带较长，宽度较大。一条雹击带，一般宽几千米，长几十千米；最宽的有数百千米。）3、降雹的时间分布 （1）日分布（一天中任何时间都可出现冰雹，以北京时间820时为界，白天降雹多于夜晚，新疆白天降雹时间，基本上集中在 1518时。） 4、冰雹云的路径 （1）冰雹云一般都是在山区形成，然后沿山移动或移向平原。有的在移动过程中不断发展、增强、间断降雹（或跳跃式降雹），然后减弱至消失。 （2）冰雹云的移动方向明显地与地理位置和地形特征有关，但基本路径是由西移向东，或由西北移向东南、也有从北移向东南或南。 （3）冰雹的降落范围随冰雹云移动而变化。一般的降雹范围只有几公里宽，成一狭长地带，俗称“雨下一大片，雹打一条线”。另外从各地的大量观测表明，在同一地区各次冰雹路径变化不大、仅在原路径左右摆，所以又有“雹走老路”的规律。第二章 冰雹云的基本特征及其物理分类冰雹云是积雨云的一种，但它比较强烈，具有某些特征而能产生地面降雹，所以与一般积雨云又有一定差异。冰雹云的基本特征包括：冰雹云形成的环境条件，冰雹云的生命史特征，冰雹云中的水态、温度、电荷分布以及冰雹云的气流和回波等特征一、冰雹云形成的环境场条件1、 一般积雨云形成的坏境场条件一般积雨云形成总是在一定的基本条件（即必要条件）下，加上某些触发条件促进而造成的。一般积雨云的基本形成条件是大气层结不稳定和充分的水汽条件，触发条件包括地面不均匀加热、地形抬升、锋面和飑线的影响等等。 云体是由水汽凝成物（包括云滴、雨滴、冰晶、雪花和冰雹等）组成的，积雨云是含有大量水汽及其凝成物的庞大对流云体，没有充分的水汽供应就无法形成积雨云。2、冰雹云形成的环境条件冰雹云是强烈发展的积雨云，冰雹则是在特定条件下积雨云发展到相当强烈阶段的产物，有利于冰雹云形成的环境条件主要是：强的对流性不稳定，上干下湿的水汽垂直分布和适中的垂直风切变。二、 冰雹云的生命史1、一般积雨云的生命史 （1）积云阶段（在热天，由于地表受热不均匀，形成一个个浮生热泡缓缓上升，到达凝结高度以上便形成朵朵淡积云。淡积云几生几消后，发展成个体高大的浓积云。由淡积云到浓积云统称为积云阶段。） （2）成熟阶段（即由浓积云到积雨云阶段。此阶段云上升气流不断发展，云滴增大为雨滴；由于两滴下降的拖带作用，以及雨滴下降时蒸发冷却使空气降温，造成下沉气流；通常在积雨云的前部和上部为上升气流区，积云后部中层以下为下沉气流区；上升气流区等温线向上凸起，下沉气流区等温线向下凹陷。这个阶段是积状云发展最旺盛时期；云砧明显，常伴有雷电、暴雨、大气等天气现象。 （3）消亡阶段（此阶段云内下沉气流占主导地位，维持积雨云发展的潮湿空气基本断绝了来源，云体逐渐瓦解消散；云中等温线形状和积云阶段恰好相反，略成弧线向下凹陷，云中温度略低于四周大气，云中心处最低，向四周逐渐递增。降水持续，下沉气流范围愈来愈扩散，直至切断维持上升气流中的暖湿空气源，造成云体整个下沉，只剩高空残存的云。云滴不再增大，降水逐渐停止残留云体蜕变，蒸发消散。） 2、冰雹云的生命史（1）发生阶段(从对流云生成到云体明显增长之前称为发生阶段，即由淡云到尺度不大的浓积云阶段。此阶段云体不断生消，但垂直发展缓慢，云内小云滴通过凝结，碰并过程不断增长，云体处于较高温度区。（2）跃增阶段（云体垂直向上出现突发性剧增时期称为跃增阶段，此阶段云内闪电頻数、回波顶高、回波强度等参量在短时间内急剧增长。（3）孕育阶段（云体跃增之后，虽然云内闪电頻数、回波顶高、回波强度不再出现明显增长，强回波顶高和强回波区中心明显上移，云中冰雹已经产生，并迅速孕育增长，孕育阶段一般为1020分钟左右。（4）降雹阶段（云体出现降雹到降雹终止时期称为降雹阶段。观测表明，地面出现降雹后，回波顶高、回波强度和闪电頻数都迅速下降。这一现象和跃增阶段正好相反，由于降雹是导致雹云消亡的动力作用，因此降雹云体明显减弱。）（5）消亡阶段（降雹结束到云体消亡时期时期为消亡阶段。降雹结束后，上升气流和下沉气流同时崩溃，导致云体分裂、瓦解、云滴蒸发而消亡。）第三章 冰雹云的识别冰雹天气预报一般指未来12小时或23小时内某一地区能否出现降雹的预告。而冰雹云的识别，则是具体指哪一块云或一个单体可能出现降雹。如能在降雹前1030分钟内，准确而及时识别出降雹的对流单体，对人工防雹作业的实施具有决定意义。但目前对冰雹云识别的时限，常局限于10分钟左右。 目前，国内识别冰雹云，主要依据冰雹云发展过程中的一些特征，如雷达回波特征、闪电特征、宏观特征、卫星云图特征与降雹云合的关系等进行判别。一、 冰雹云的闪电识别1、 冰雹云的闪电特征 雷雨云的闪电特征（绝大多数雷雨云闪电活动史较短，闪电頻数低，頻数一时间曲线的峰值也较低，云体生命史中生、消亡各阶段的特点不突出。） 孤立单体冰雹云的闪电特征（初期的闪电活动较弱，云体发展旺盛时，闪电频率跃增，峰区明显，峰区前沿陡直。降雹多出现在峰区。降雹期间，闪电頻数骤减，降雹终止后闪电活动即趋消失。） 强冰雹云的闪电特征（初始的闪电活动比弱冰雹云频繁，云体旺盛时闪电頻数骤增，峰区持续时间长，降雹出现在峰区中后部。降雹后頻数陡降，闪电很快消失。）二、 冰雹云的宏观识别宏观识别冰雹云，是以云体外貌特征为基础，结合声光电、降水物以及压温湿风等气象因子的一项综合性技术。1、 冰雹云的外貌识别（1） 单体冰雹云的外貌和识别（冰雹云的外貌特征，主要表现在云底和云顶部，并且都与强烈的上升气流相联系。） 云底可见滚轴状云堤且常弧状或旋转结构。 云底入流区除有碎雨云外，还可看到向上隆起的涡旋状结构。 云底周围常有淡积云或小块浓积云向云主体汇聚、并合。 云砧的底部有时可见悬球状结构，在太阳高度角较低时，比较清晰。 在主云体外数十公里范围常见不到其他对流单体。此时，表明主云体已发展为成熟的超级单体，并开始进入降雹阶段。 成熟强单体的大量水汽凝成物常集中于云砧，在重力作用下，常可见到云砧在下风方向低空倾斜。一般来说，云砧愈大，愈厚实，并向下风方低空倾斜，降雹的可能性愈大。 远处看云砧上部正对云底入流区的上方有上冲云顶。因此，上冲云顶愈高，降雹的可能性愈大。 浓积云顶部的垂直伸展速度反映了云内上升气流的强烈和所到达的高度。云顶的上升速度愈快，形成冰雹云的可能性愈大。（2） 多单体冰雹云的外貌识别 传播冰雹云的外貌特征（总是出现在主云体的前方或右前方；引导云至降水区的距离可达68km，云底上升气流较宽广，但相对单体冰雹云来说，云底结构比较平整；） 点源冰雹云的外貌特征（新生单体总是出现于主云体的后部或源区；云体呈条带状排列，各个单体之间可有一定间隙；除已消亡的单体外，其他各单体的云塔结构清晰，并呈规则排列，其中新生单体云塔顶最低，成熟单体云塔顶最高；）2、 利用声光电识别冰雹云（1） 声 雷声（冰雹云闪电中，云间闪电较多，属低频性，因而雷声沉闷，连续不断，群众称为“拉磨雷”、“闪雷”或“不落音雷”。云中因垂直运动剧烈，起电过程快，易产生许多电荷中心，各个电荷中心的间距较短，云中放电频繁，使雷声连成一片，透过深厚的云层，传来如石磨转动发出沉闷的声音一样，故称“拉磨雷”） 吼声（有不少地方，在冰雹云移近时，可听到类似风吹树叶发生省沙沙响声，或象远处的飞机声、山中的瀑布声。这种吼声在一般积雨云或雷雨云中听不到，因而也就成为某些地方识别冰雹云的依据之一。吼声产生的原因，说法不一。一种认为是冰雹撞击地面、水面、树叶及建筑物等发出的声音，遇山谷等特殊地形，又可使此种声音共鸣加强并传至远方，因而在本地降雹前就可听到。）（2） 光 雹区群众经验证实，冰雹云来势凶猛，云内常有异常光象。我国北方普遍总结的“黄云有雹”、“黑云红梢子降雹”、“黑云黄边子，必定下雹子”、“黑云尾，黄云头，雹子打死羊和牛”、“黄云翻、冷雹天”等农谚，都说明冰雹云内异常光象的存在，其原因是冰雹云内对流活动强烈，上升气流常从地面卷起大量尘土进入云体而造成，特别是上升气流所在云体前部，更为明显。但应指出的是：这种光现象不是在所有冰雹云中都能看到，因它与观测者、太阳、云体三者的相对位置有关，还与降水粒子对日光的折射和反射有关。（3） 电 拉磨雷的产生，是冰雹云内闪电次数频繁的结果。而一般积雨云或雷雨云，大多为云地闪电（即竖闪）。所以云中闪电频繁，即“横闪多雹”，也成为宏观识别冰雹云的一条依据。3、 利用地面气象要素演变特征识别冰雹云（1） 风的演变特征（2） 气压的演变特征（3） 温度和湿度的演变特征4、 利用自然降雹规律识别冰雹云 “雨滴铜钱大，雹子接着下”的群众经验相一致。即雹云快到头顶时，常常在降雹之前先降下大而凉的雨滴，且滴数较稀。这是由少量小雹在降落过程中融化而出现的。第四章 人工防雹的原理和方法一、 人工防雹的基本原理人工防雹是指用人工方法使雹云不能降雹，或者减弱降雹强度的措施。目前国内外人工防雹作业普遍采用的方法有两种：一种是向云中播撒催化剂；另一种是用爆炸方法影响雹云发展。二、 人工防雹作业方案的设计现有的防雹概念模式就总体上来说，大致可分为两大类：一类是针对成熟单体的雹源部位进行过量催化作业；另一类是针对新生单体的早期催化作业。8