基于锦州地区冰雹监测的雹情监测仪及其方法研发

赵 冬

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)



基于锦州地区冰雹监测的雹情监测仪及其方法研发

赵 冬

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

冰雹具有较强的随机性、突发性和区域特征，并且破坏力极强，对农业所造成的危害仅次于干旱对农业所带来的危害，严重时造成受灾区农业绝收，甚至影响人畜生命安全。目前，国内外都没有一款能有效监测雹情的设备，用于监测雹情的方法多为人工观测，而人工观测得到的冰雹粒径时、密度、冰雹量误差很大。文章依托于集监测冰雹粒径、历时、密度和冰雹量功能于一体的雹情监测仪及其监测方法，通过一台仪器实现对冰雹历时、冰雹的粒径、密度、冰雹量数据的监测，解决了冰雹粒径和冰雹密度不能测量的问题，进而研究了冰雹路径和天气特点，归纳预报预测方法，提高准确率，以提升雹灾预测预报功能。

冰雹灾害；雹情监测仪；监测方法；预测预报

冰雹天气往往伴随着短时强降水、雷暴大风天气，给城市交通、电力通信、人民生产生活带来巨大危害[1]。目前对冰雹的形成机制、发展过程，预测与预报，人工防雹等方面已有较深入的研究。此外，利用气象站的观测数据，对冰雹的时空分布及风险区划也有一些研究，但对冰雹粒径和密度等有关的监测的研究较少[2]。

冰雹生成多伴有降雨，而且冰有遇水则化的特点，因此很难及时观测出有效的数据。测量时会采用一种用于雹情检测的传统工具——冰雹板，即利用冰雹砸在冰雹板上的印迹得到冰雹的粒径和密度，但冰雹砸在冰雹板上的印迹通常是重叠的，人工很难辨别重复落点的次数以及冰雹的粒径，因此对冰雹的粒径和密度的测量是相当不准确的。雨量计通常用来监测雨量，对冰雹量也能起到监测效果，但无法完成对冰雹密度和粒径的监测。为此，目前为止亟需研发一种专门用于对冰雹量进行精确的监测仪器以及相关的监测方法，以应对与冰雹灾害采取最好的防治措施。

1 锦州地区冰雹情况分析

1.1 冰雹时间分布特征

冷涡具有明显的季节性变化特征，导致锦州地区冰雹的时间分布也具有一定的规律性，冰雹年平均发生频次为5-6次[3,4]。根据1990-2015年资料显示，春、夏、秋季均有发生，主要集中在夏季，占全年的70%；春季占18%；秋季占12%。受气温日变化的影响，辽西地区冰雹主要出现在10:00-23:00，发生频率为95%，其中14:00-20:00发生频率为65%。冰雹灾害的发生多伴有大风、暴雨或山洪以及次生灾害。情况如表1所示。

表1 锦州市4-10月各月平均雹日及平均占比

6-7月锦州地区有天气尺度系统进入时，也是冰雹等强对流天气的多发期，导致冰雹灾情严重，而此时正是农作物主要生育期，对农作物危害巨大。

1.2 冰雹及冰雹灾害的形成机制

冰雹是一种固态降水物，呈圆球形或圆锥形，其直径通常为0.5-5.0cm，也有达到10cm的情况。冰雹的形成一般需要具备以下几个条件：

1)大气中的不稳定层必须要达到一定的厚度。

2)积雨云必须要达到能使单个大水滴凝结的温度。

3)需要具有强烈的风切变。

4)积雨云的垂直厚度需要>6-8km。

5)积雨云中含水量丰沛，一般应为3-8g/m3。

6)积雨云内需要上升气流，速度一般在10-20m/s。

2 冰雹灾害对农业生产的影响

冰雹由于自身的重量、体积以及在高空中所具有的势能，当冰雹落下是会带来较为严重的灾害：砸伤作物、毁损坏房屋、人被砸伤、牲畜被打死等。冰雹灾害的轻重，主要取决于冰雹的破坏力，雹害一般可分为轻雹害、中雹害和重雹害三级[5]。冰雹对农作物的危害主要有以下2种情况：

1)冰雹下降时因机械破坏作用使农作物叶片、茎秆和果实等遭受损伤，该损伤会跟随冰雹下降的时间、范围以及冰雹单体的大小的不同而呈现出不同的等级。

2)冰雹多发生温暖季节，而此刻的农作物正处于生长阶段，降雹后，一方面冰雹会吸热融化，造成农作物的冻伤；另一方面，大量的冰雹堆积在一起会造成土壤板结，不利于植物根的呼吸作用。

3 雹情监测仪使用及其监测方法

长期对冰雹成因以及危害做出相当详细的统计以及计算预测，但是对于冰雹的粒径和密度等相关详细数据没能做出较为精确的统计。目前，用于监测雹情的方法多为人工观测，而人工观测得到的冰雹粒径、历时、密度、冰雹量误差很大。冰雹生成多伴有降雨，而且冰有遇水则化的特点，所以很难及时观测出有效的数据。为此要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，研发一种集监测冰雹粒径、历时、密度和冰雹量功能于一体的雹情监测仪及其监测方法极为必要[6,7]。

3.1 雹情监测仪

雹情监测仪主要由壳体内所布置有冰雹粒径、密度监测单元、总天然降水量监测单元、液体降水监测单元、控制器和蓄电池组成。冰雹粒径、密度监测单元由上、下贯通的正方体状粒径观测桶、设于粒径观测桶一侧的X方向高速摄像机、设于粒径观测桶另一侧的Y方向高速摄像机、连接于X方向高速摄像机和粒径观测桶之间的影像缓冲罩Ⅰ、连接于Y方向高速摄像机和粒径观测桶之间的影像缓冲罩Ⅱ组成，影像缓冲罩Ⅰ和影像缓冲罩Ⅱ均为四棱锥体状。并且X方向高速摄像机和Y方向高速摄像机的镜头中心线交汇且交汇点与粒径观测桶的中心线重合，仪器整体结构的壳体底面对应粒径观测桶的位置设有贯穿孔。

总天然降水量监测单元由总量收集桶、设于总量收集桶顶部的漏斗状导流板、设于总量收集桶下方的布置有称重传感器的水平底座组成；液体降水监测单元由液体收集桶、倾斜布置于液体收集桶上方的冰水分离篦板、设于冰水分离篦板上方的导向筒、设于液体收集桶下方的布置有称重传感器的水平底座组成；导向筒对应冰水分离篦板最低端的一侧设有冰雹滤出口。壳体底面设有对应冰雹滤出口的冰雹排出口，壳体顶部设有顶盖，所述顶盖对应粒径观测桶、漏斗状导流板和导向筒的位置为镂空结构。如图1-4所示。

与此同时在雹情监测仪的壳体外侧壁上支设有太阳能电池板和220V电源接口。在优先考虑使用太阳能供电，若是因环境的限制情况下，与可以才用标准家庭供电的方式是对仪器供电，确保实验数据采集的连续有效性。

图1 雹情监测仪结构示意图

图2 冰雹粒径、密度监测单元示意图

图3 总天然降水量监测单元结构示意图

图4 液体降水监测单元的结构示意图

3.2 监测方法

雹情监测仪的使用目的很明确，就是在下冰雹的期间段，通过合理的方式方法来测量出来冰雹粒径、历时、密度和冰雹量。冰雹粒径、密度监测单元实时观测冰雹下落影像，并将影像数据传送给控制器，由控制器计算得到冰雹历时、冰雹的粒径、密度数据；总天然降水量监测单元采用计重法测得天然降水量的数据并传送给控制器；液体降水监测单元采用计重法测得分离冰雹后液体降水量的数据并传送给控制器。其中，所提到的冰雹粒径、密度监测单元的X方向高速摄像机和Y方向高速摄像机同时对粒径观测桶内的景象进行摄像，进而通过摄像记录下冰雹下落起始时间、冰雹下落结束时间；通过X方向高速摄像机和Y方向高速摄像机的同步影像捕捉到同一冰雹的X方向轮廓和Y方向轮廓，通过控制器计算得到该冰雹的粒径，最终通过比较计算得到冰雹最大粒径和平均粒径；通过X方向高速摄像机和Y方向高速摄像机捕捉并追踪影像中下降的冰雹，最终通过控制器计算出落入粒径观测桶内的冰雹总数，再根据粒径观测桶的覆盖面积计算出单位面积内的冰雹总数，即冰雹密度。所述控制器将天然降水量的数据与液体降水量的数据做差得到冰雹量。

3.3 监测布设

要对冰雹的相关数据进行精确测量，不仅要保证仪器的有效性，还要保证数据采集的合理性，即采集地点的位置。锦州市位于辽宁省的西南部、“辽西走廊”东端，总面积10301km2。锦州市境内山脉连绵起伏，东北部有医巫闾山山脉，西北部有松岭山脉，地势西北高、东南低，从海拔400m的山区，向南逐渐降到海拔20m以下的海滨平原。如图5所示。

图5 辽宁冰雹灾害防御分区及主要路径

由于该仪器的体积并不是特别大，但是需要各种仪器相互关联配合使用，因此，雹情监测仪布设应尽量保证各仪器之间距离，保证在使用仪器进行两侧时候的仪器与测量人员的安全。

仪器要根据时空位置进行合理安放，如图5所示，锦州市为位于一般防御区，但是冰雹的主要移动路径与山脉走向一致，因此监测仪器的安放点主要选在凌河区至北镇市沿线上，周边不是主要路径区域也要作为考察地区。雹情监测仪主要目的不是预警冰雹来袭，而是针对监测冰雹粒径、历时、密度和冰雹量，实现全天候实时在线监测，获得准确的统计值，进而进一步分析雹情。

4 结 论

锦州地区易发冰雹天气，冰雹年变化80%出现在6-8月份；冰雹日变化70%发生在12:00-20:00。为解决人工观测雹情的数据不准确的缺点，设计一套基于计算机为主体的高速摄像机监测的雹情监测仪，实现对冰雹历时、冰雹的粒径、密度、冰雹量数据的监测，与现有雨量计等相比，功能全，且准确度高；利用高速摄像机的捕捉、追踪功能，解决了冰雹粒径和冰雹密度不能测量的问题。该仪器能较精确的量测所需要的数据，分析当前的气候特点，文章只是利用雹情监测仪对冰雹进行监测的一次量测尝试，监测的时效性和准确程度还有待进一步提高。

[1]刘丹,殷世平,于成龙,等.利用环境减灾卫星遥感监测冰雹灾害初探[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2012(09):128-132.

[2]董安祥,张强.中国冰雹研究的新进展和主要科学问题[J].干旱气象,2004(03):68-76.

[3]赵芳文,王菊芳,孟广义,等.朝阳地区冰雹的统计特征及其组合预报[J].辽宁气象,1992(04):32-33，38.

[4]梁群,张国林,吴晓华.辽宁西部冰雹时空分布特征分析[J].农业灾害研究,2013(06):32-34.

[5]崔杰石.基于 SWAT 模型的汤河流域面源污染时空分布研究[J].水利规划与设计，2016(02)：4-6.

[6]邵玲玲,黄宁立,王倩怡,等.冰雹指数产品剖析及在灾害性强降水预报中的应用[J].气象,2006(11):48-54，129.

[7]汪跃军.淮河干流蚌埠水文站年径流系列多时间尺度分析[J].水利技术监督，2007，15(01)：37-40.

Research on Hail Monitoring Instrument and Its Monitoring Method of Hail Situation in Jinzhou Area

ZHAO Dong

(Jinzhou Hydrological Bureau Liaoning Province, Jinzhou 121000, China)

Hail has strong randomness, sudden and regional characteristics, and extremely destructive, being harmful to the agriculture, only less than the drought harm to it, even resulting in total crop failure in the affected area, and affecting the safety of farmers and animals. At present, no any instrument can effectively monitor the status of hail regime at home and abroad, the methods to monitor hail regime are mostly artificial observation to obtain the size, density and quantity of hail with great errors. Based on the monitoring instrument and its monitoring method setting hail duration, size diameter, amount and density functions in one, this paper realized the monitoring by a monitoring instrument and solved the problem that hail size and density couldn't be monitored correctly, and researched the hail path and weather characteristics, summarized the forecast method, improved the accuracy so as to strengthen the function of forecasting the hail disaster.

hail disaster; hail monitoring instrument; monitoring method; forecast

1007-7596(2017)02-0025-04

2017-02-19

赵冬(1982-)，男，辽宁锦州人，工程师，研究方向为水文水资源勘测设备维护、管理、设备自动化研究工作。

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