冰雹灾害是我国重要的气象灾害之一，平均每年受雹灾的面积约为2万km
2，雹暴造成的灾害损失仅次于洪涝与干旱
[1]。人工防雹作为减轻或避免冰雹灾害的一项重要科技手段，受到政府和人民的高度重视。20世纪初，国内外学者开展了冰雹研究，建立了多种冰雹形成概念模式理论，如水分积累带理论、胚胎帘理论、“饲养风暴”理论、“穴道”理论
[2-3]等；20世纪中期，苏联、法国、西班牙、加拿大、美国等开展了一系列大型防雹综合观测试验，我国自1958 年开始在陕西旬邑、山西昔阳、新疆昭苏、河北满城、四川冕宁等地开展防雹试验，进行冰雹云的雷达观测和模拟研究
[4-6]。在冰雹云的雷达观测研究、数值模拟研究、防雹假说检验和防雹理论发展等方面取得明显进展
[7-16]。近年来，依托新型地基雷达等探测设备和探测技术，学者们提出早期冰雹云识别方法和冰雹云概念模型，为防雹技术发展提供了观测依据
[17-23]。但受试验条件和观测手段限制，对雹暴单体的变化趋势、结构演变以及持续时间等认识还不足，亟需进行外场试验观测研究，提高冰雹识别的准确率和监测预警时效。
目前我国人工防雹主要采取两种方式，一种是过量播撒防雹，向云中播撒足够多的人工冰核，与自然雹胚争食云中过冷水，形成“竞争机制”，引起雹胚数量增加，平均直径减小，从而减小冰雹的总质量、平均直径和数浓度，起到减雹和防雹的作用
[16,22-23]；另一种是爆炸防雹，通过爆炸在云内引发动力干扰，破坏冰雹增长区的动态平衡气流场，使未长大的冰雹提前降落。研究表明，爆炸产生的冲击波可抑制大冰雹的形成
[24-26]。然而至今仍未完全确定爆炸防雹的具体作用机理，针对爆炸防雹理论的实际观测证据较少，亟需利用先进的新型探测设备开展外场试验，对该理论进行验证和发展。
X波段相控阵雷达观测为冰雹云的三维结构特征研究提供了绝佳的观测数据
[27-30]。相比单部相控阵雷达，多部相控阵雷达组网可以获取相对准确的云体三维流场结构信息
[31-32]，爆炸对对流云气流场的影响比较重要，3部相控阵雷达的阵列组合对于爆炸防雹的观测更为理想。随着阵列双偏振相控阵雷达的应用，可能捕捉爆炸引起的流场和云体内部水凝物相态分布的变化，进一步支撑爆炸防雹观测研究。
贵州威宁防雹试验基地（以下简称“基地）位于贵州省毕节市威宁县，处于云贵高原中段的乌蒙山腹地，是云贵高原台地和斜坡过渡带的交汇地带，冰雹灾害重，降雹期集中，作业次数多，具备很好的冰雹观测自然条件和人工防雹试验基础。贵州威宁冰雹防控中心建成国家级专业化防雹基地，可开展冰雹云内部动力场和水成物场的观测试验研究，通过基地的3部组网阵列X波段双偏振相控阵雷达，可获取1 min时间分辨率的冰雹云三维回波、风场和微物理场的发展演变特征
[33]，为爆炸防雹效果研究提供了可能。有学者利用X波段双偏振相控阵雷达数据高时空分辨率的特点，基于回波和偏振参量等多种宏微观参量对高炮防雹作业个例展开分析
[34-35]，证明了相控阵雷达可用于对爆炸防雹瞬间云体变化研究。
2021—2023年7—9月，中国气象局人工影响天气中心和贵州省气象局联合高校院所、软硬件厂家和弹药厂家，在基地组织开展贵州防雹外场观测试验（以下简称“试验”），探索爆炸防雹的机制机理及效果，促进防雹爆炸理论的发展。本文介绍了试验的科学问题与目标、基地观测布局及试验方案设计，总结试验在前期取得的研究成果，并对试验未来研究方向进行讨论。
1 科学问题与目标
试验总体目标是利用阵列相控阵雷达等冰雹综合观测系统，开展针对对流云和冰雹云内部结构探测与防雹效果检验的外场科学试验，为冰雹形成机理研究和人工防雹效果检验提供科学观测数据。试验围绕雹暴单体的形成演变的结构特征、提高对雹暴单体识别的准确率以及提高监测预警时效、爆炸对对流云的影响、爆炸防雹的具体作用机理等科学问题开展。
为解决这些科学问题，具体的观测试验目标是：（1）开展冰雹云内部结构探测与防雹效果检验外场科学试验，研究冰雹云发生发展演变的精细宏微观物理结构特征和防雹作业前后冰雹云内部回波、风场和微物理变化特征；（2）使用专门设计的纯爆炸高炮试验弹开展针对对流云的爆炸防雹试验，研究爆炸前后对流云内部三维流场和水成物变化，为爆炸防雹效果检验提供科学观测数据和技术支撑。
2 观测试验内容
每年的冰雹季（6—9月）在基地开展试验，围绕冰雹云结构观测和爆炸防雹效果检验观测目标。
2.1 单体对流云自主试验
以孤立对流云为作业对象，自主设计爆炸作业方案，研究爆炸对对流云的影响。利用阵列X波段双偏振相控阵雷达、X波段双偏振雷达和X波段云雨廓线雷达等观测设备，通过调整各雷达的观测模式，协同观测对流云回波结构、气流场和微物理场的变化特征。试验采用定制的固定自炸时间且不含AgI高炮试验弹。试验中重点关注爆炸引起的对流云回波场、流场、微物理场变化，以期找到爆炸动力效应的直接观测证据。
2.2 业务防雹作业试验
在威宁县气象局业务防雹中开展针对性的观测，通过效果分析检验业务防雹中作业时机、作业部位和作业量的合理性，提高业务防雹作业技术水平。利用组网X波段双偏振相控阵雷达以及X波段双偏振雷达，对威宁县防雹业务作业对象开展观测，关注作业引起的冰雹云三维结构的变化，开展效果分析。
2.3 雹云结构观测试验
基于基地高时空分辨率观测设备开展冰雹云结构观测，获取冰雹云精细结构特征。利用阵列相控阵双偏振雷达、X波段双偏振雷达等，通过雷达组网、风场反演、相态识别等方法，获取冰雹云内宏微观物理场的三维结构以及高时空分辨率的动力场演变特征。
3 试验设备布局与技术方案设计
3.1 试验设备布局
基地观测设备布局根据以下3方面设计（
图1）：（1）冰雹云宏微观演变监测网。在威宁县冰雹路径上布设3部X波段相控阵雷达组成相距不到20 km的三角阵列雷达观测网，用于快速捕捉冰雹云精细结构特征和防雹作业前后冰雹云变化。2部X波段双偏振雷达用于加密观测，弥补相控阵雷达垂直精细度的不足。布设1台高清高速摄像机，记录冰雹云发展演变以及防雹作业前后冰雹云的宏观特征等。（2）冰雹云回波结构和环境场垂直观测网。在威宁雪山布设C波段调频连续波雷达1部、毫米波偏振多普勒云雷达1部、多通道微波辐射计1部和雪山附近X波段云雨廓线雷达1部，与观风海炮站的边界层风廓线雷达、威宁县局的对流层风廓线雷达、L波段探空设备、GPS自动探空仪组成冰雹云回波结构和环境场的垂直观测网。（3）冰雹云滴谱特征和雹谱信息观测网。在冰雹路径上有10套雨滴谱仪、微雨雷达和冰雹自动测量设备，用于获取冰雹云的滴谱分布与雹谱特征分布信息。这些设备组成的冰雹外场观测网大大提高了对冰雹云三维宏微观结构及其演变过程的探测能力，以及对防雹作业前后冰雹云变化的探测能力。
3.2 试验技术方案
试验期间，每日上午根据强对流预报产品，若当天有冰雹天气过程，14时（BT，下同）开展加密探空，并启动观测试验。当观测区出现20 dBZ以上回波时，所有观测设备按照对流云监测方案进行观测，若对流云发展并达到防雹作业条件时，进行业务防雹作业试验，如有合适单体对流云出现，则进行单体对流云自主人工影响天气试验；当对流云不在高炮作业范围内时，继续进行雹云结构观测试验，直至对流过程结束。试验结束后开展观测和降雹数据收集工作并进行试验观测结果分析。
3.2.1 对流云监测方案
一般观测期时，3部相控阵雷达和双偏振雷达都进行体扫观测，关注试验区对流回波的生成、发展和移动。当观测区发现20 dBZ以上回波时，相控阵雷达根据回波距离及回波发展情况适时启用近距离体扫模式，双偏振雷达适时对准对流云强中心做RHI扫描，获取对流单体强中心的垂直结构信息。
3.2.2 单体对流云自主爆炸试验方案
根据观测目的、雷达布局和对流云位置的不同，单体对流云自主爆炸试验方案有3个观测方案：
（1）高垂直分辨率爆炸防雹效果观测。利用位于距雪山炮站西北方向4.7 km布设一部高垂直分辨率的X波段多参数云雨廓线雷达，在3部相控阵雷达配合下进行精细垂直结构爆炸防雹效果观测，捕捉爆炸瞬间对流云体精细垂直结构变化特征。试验对象是X波段云雨廓线雷达上空的相对比较静止或移速特别慢的单体对流云。在爆炸试验过程中，雪山相控阵雷达对西北方向进行RHI观测，获取对流云高垂直分辨率和时间分辨率观测信息；另外两部相控阵雷达用扇扫模式获取对流云的三维结构信息；威宁县双偏振雷达用RHI模式对准对流单体中心扫描，获取对流单体强中心的垂直结构信息（
图2a）。
（2）高时间分辨率爆炸催化效果迎面观测方案。采取作业弹道与雷达径向共面的观测方案，即对流云大致在相控阵雷达和炮站连线的延长线上，保证相控阵雷达对爆炸点进行直接迎面观测，使雷达观测爆炸云区的流场和回波场受到衰减等因素影响达到最小。试验对象是满足相控阵雷达—作业炮站—对流云大致在一条直线上的对流云单体。在爆炸试验过程中，距对流云最近的相控阵雷达采用RHI观测模式，获取对流云高时间分辨率观测，另外两部相控阵雷达采用扇扫观测，获取对流云的三维结构信息；威宁县双偏振雷达对准对流云强中心做RHI观测，获取对流单体强中心的垂直结构信息（
图2b）。
（3）三维流场爆炸催化效果观测方案。利用3部相控阵雷达阵列组网可以合成真实三维流场的优势，对出现在3部相控阵雷达观测范围覆盖的单体对流云进行观测，获取对流云三维流场结构。试验对象是出现在3部相控阵雷达观测覆盖范围内的对流云单体。在爆炸试验过程中，3部相控阵雷达用扇扫探测模式对准对流云观测，获取目标对流云中回波场、流场和微物理场的三维结构特征；威宁县双偏振雷达用RHI模式对准对流单体中心扫描（
图2c）。
3.2.4 业务防雹作业试验方案
在威宁县局开展业务防雹作业期间，基地雷达将根据作业情况调整观测模式，对业务防雹作业进行观测。观测方案有2种：（1）若作业采取扇形范围射击方式，3部相控阵雷达调整观测模式，对准目标云进行扇扫，双偏振雷达对作业云强中心部位进行RHI扫描（
图3a）；（2）若作业采取定点射击方式，离对流云体最近的一部相控阵雷达针对爆炸部位做RHI扫描，另外两部相控阵雷达对作业云体做扇扫，双偏振雷达对作业云体强中心部位进行RHI扫描（
图3b）。
3.2.5 雹云结构观测试验方案
针对三部相控阵雷达共同覆盖范围,未进行作业区域的雹云云体将进行结构观测试验。主要有两个观测方案：
（1）雹云三维结构观测方案。目标是获取雹云的三维结构特征，3部相控阵雷达进行体扫，获取雹云发生发展演变的三维结构特征；双偏振雷达对目标云体的强回波中心进行RHI扫描，获取精细垂直结构。对于雪山附近的初生对流云，云雷达可针对性做扇扫，观测雹云发展前期结构（
图3c）。
（2）高时间分辨率雹云剖面结构观测方案。目标是获取雹云高时间分辨率回波场、流场和微物理场的剖面信息。当雹云云体在两部相控阵雷达连线上出现时，两部相控阵雷达转换为RHI模式，分别对准雹云进行扫描，可获取高时间分辨率雹云剖面结构观测，另一部相控阵雷达可针对雹云进行扇扫观测（
图3d）。
4 试验观测个例总体情况和初步研究进展
4.1 试验观测个例总体情况
2021—2023年试验期间通过开展不同的观测方案收集到的观测试验个例。单体对流云自主爆炸试验个例有24个，业务防雹作业试验个例有59个，雹云结构观测个例有82个。对于单体对流云自主爆炸试验和业务防雹作业试验个例，记录作业站点、作业起始时间（精确到秒）、作业方位角和仰角、用弹量、3部相控阵雷达观测模式及雷达模式调整时间。
4.2 冰雹云结构特征
利用相控阵雷达观测资料对威宁多个冰雹云个例结构进行分析，发现威宁某类冰雹云具有脉冲风暴的回波特征，即属于弱垂直风切变环境中的强风暴，具有尺度小、发展迅速、持续时间短、移动缓慢、组织性弱的特征
[36]，Dong等
[33]对威宁的典型冰雹云结构和机制进行了模拟研究。
图4为基于相控阵雷达观测的2021年9月16日一次典型脉冲风暴冰雹云发生发展演变的垂直结构特征，冰雹云单体从空中开始出现（初始回波高度在0 ℃层～-10 ℃层），从初生到降雹大约16 min，系统发展迅速，降雹前10 min 40 dBZ以上的回波中心顶高出现跃增，回波面积也持续快速扩大；16:37 降雹时强回波出现从地面到6 km贯通的回波带，随后回波减弱，降雹结束。因此，对于脉冲风暴类型的冰雹云，在冰雹云监测中要密切注意出现初始回波的高度、最大回波强度及其所在高度。
4.3 防雹效果
选取2023年8月5日爆炸试验个例来分析纯爆炸对对流云的影响。2023年8月5日17:37秀水炮站东北方向有对流单体生成发展，秀水炮站在对流发展盛期17:51和17:53开展两次防雹作业，分别用不含碘化银的高炮炮弹30和20枚，利用三部阵列相控阵雷达资料分析发现，从作业高度层回波强度变化可知，作业前回波呈发展状态，强回波面积完整;第一次作业后爆炸点附近的对流云开始破碎，60 dBZ以上强回波面积减少;第二次作业后，对流单体进一步分裂减弱，强回波快速消散。试验表明爆炸对对流强度有明显减弱作用（
图5）。
选取作业云体为研究对象，统计作业云体在高炮爆炸前后云体回波强度、回波面积和回波顶高的变化，分析结果见
图6。爆炸后作业云体雷达最大反射率因子迅速减小；50 dBZ以上强度回波面积迅速减小，由14 km
2减小到8 km
2；50 dBZ以上强回波体积快速减小，30～50 dBZ回波体积先增大后减小，50 dBZ以上强度回波顶高作业后迅速降低，30～ 50 dBZ回波顶高先升高后降低。综上，强回波受高炮作业影响比较明显，减弱迅速，衰减为弱回波，造成弱回波先增加，后期随着对流整体减弱而减少。强回波迅速减弱时刻与高炮作业时间对应，表明高炮爆炸效应对云体的影响，结果与董亚宁等
[35]的研究一致。
从对流云回波强度和三维风场的垂直结构变化来看，高炮作业前（17:50 ）单体强回波中心强度超过60 dBZ，强上升气流伴随着强回波区表明对流发展旺盛，17:51 第一次作业后，60 dBZ以上回波面积减小并高度下降，炸点附近上升气流明显减弱，17:53 第二次作业后，炸点附近的上升气流完全转为下沉气流，强回波区域迅速减小，55 dBZ回波顶高下降到7.5 km以下，对流完全减弱为降水回波（
图7）。因此，作业云体的垂直风场变化与高炮作业时间对应较好，从一定程度上说明爆炸可能对对流垂直风场有动力扰动，未来还需要多个个例进行验证。
在微物理特征方面，从云体粒子相态变化发现，17:49云体中部存在霰和小雹，大雨接地，部分区域有雨夹雹，云体中心距雷达高度3.8 km附近识别出少量冰雹；17:51 第一次作业，冰雹面积减少；17:53 第二次作业后，空中冰雹粒子消失，雨夹雹面积减小，霰和小雹区域发生分裂。随后雨夹雹面积持续减小，防雹作业后对流强度减弱。
综上，防雹作业个例从雷达回波、三维风场、粒子相态等方面都表明了爆炸对对流云有明显的减弱作用，并且反应迅速，从一定程度上反映了爆炸的动力效应对对流发展的快速制动作用。
5 讨论与展望
利用贵州防雹试验2021—2023年的观测资料，对贵州威宁地区冰雹云结构和防雹效果进行了基于多源信息的综合观测试验研究，得出以下结论：
（1）威宁某类冰雹云具有脉冲风暴的回波特征，回波从中层开始迅速发展, 在防雹业务中冰雹云监测阶段要密切注意出现对流初始回波的高度、最大回波强度及其所在高度。
（2）在防雹效果和爆炸效应分析方面，通过个例分析发现爆炸对对流云的影响特征。作业后雷达回波强度变弱，强回波顶高迅速下降，对流云上升运动减弱，冰雹最大粒径减小及空中雹粒子减少。这些现象的发生与爆炸作业时间对应较好，但由于爆炸过程复杂，该个例无法找到发展进程相似的自然云作为对比云来对比分析作业效果，未来需要积累更多的有自然云和作业云对比的观测个例。
为进一步探索冰雹的形成和发展规律，推动人工防雹关键技术发展，未来将围绕冰雹云结构和防雹关键技术方面继续开展防雹外场科学试验，主要研究方向：（1）开展冰雹云精细化多源观测试验，深入开展冰雹云精细结构和形成机理研究；（2）开展防雹外场科学试验，获取更多防雹典型个例，提取防雹作业指标；（3）在防雹效果研究方面，注重自然云和作业云的对比分析；继续开展纯爆炸防雹试验，利用多波段雷达联合观测获取爆炸对对流云影响的高时空分辨率观测资料，并结合爆炸模式探索爆炸防雹的可能性原理；（4）基于无人机等手段开展降雹过程对作物致灾情况调研，并利用雷达观测资料开展威宁地区防雹作业效益评估；（5）开展基于相控阵雷达和FY-4B卫星的雹云演变协同观测试验，利用FY-4B卫星搭载的快速扫描仪观测信息，结合相控阵雷达资料，捕获分析冰雹云完整的生消演变过程以及作业前后的变化特征；（6）开展冰雹微观结构研究，利用冰雹切片机对冰雹开展切片微物理实验分析，分析冰雹粒子的生长轨迹以及微物理过程，尝试从微物理角度验证人工防雹的实际作用及效果。
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