人工增雨（雪）效果評估方法探索

劉伯華，馬曉龍，曹建新

（1. 廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2. 燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004；3. 秦皇島市氣象局，河北 秦皇島 066000）

人工增雨（雪）效果評估方法探索

劉伯華1，馬曉龍2，曹建新3

（1. 廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；2. 燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004；3. 秦皇島市氣象局，河北 秦皇島 066000）

人工增雨（雪）常用的評估方法為統(tǒng)計檢驗和物理檢驗，統(tǒng)計檢驗需要大量試驗樣本，且隨機化試驗在我國難以實現(xiàn)，大量樣本無從獲得。物理檢驗目前主要是雷達觀測演變狀況和飛機直接觀測云內(nèi)微物理參數(shù)，由于技術和能力有限，這些方法都難以實現(xiàn)。為了在人工影響天氣作業(yè)后盡快得出評估結(jié)果供政府及環(huán)境保護等部門參考，利用雨滴譜記錄數(shù)據(jù)對一次人工增雪作業(yè)后的效果進行了評估，發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)在沒有常規(guī)降雪記錄情況下具有一定的參考價值。從評估結(jié)果看，人工增雪作業(yè)后，降水強度有明顯增大的趨勢。

人工影響天氣；效果評估；雨滴譜；數(shù)據(jù)分析；應用；環(huán)境保護

我國的人工增雨（雪）工作在改善生態(tài)環(huán) 境、增加有效降水等方面取得了顯著成效，得到各級政府及社會各界的廣泛關注和大力支持，但其科學嚴謹?shù)男Чu估難以實現(xiàn)，目前常用的評估方法是統(tǒng)計檢驗和物理檢驗[1]。統(tǒng)計檢驗需要大量試驗樣本，而且隨機化試驗在我國難以實現(xiàn)，物理檢驗由于技術和能力有限也難以實現(xiàn)。本研究利用雨滴譜記錄數(shù)據(jù)對一次人工增雪作業(yè)后的效果進行了評估總結(jié)。

1 雨滴譜監(jiān)測資料在一次人工增雪效果評估中的應用與分析

自然降水粒子譜分布形式與人工催化以后的降水粒子譜形式理論上應當具有較大的差別，人工增雨作業(yè)降水滴譜變化物理響應和降水強度時間變化響應都有明顯的區(qū)別。如果能夠?qū)崟r監(jiān)測到這些差別，就能夠?qū)θ斯ご呋挠行赃M行論證。同時無論是自然降水還是人工催化降水的強度、時間變化能夠被精確記錄，也有益于分析作業(yè)效果[2]。目前加密氣象雨量站和自動氣象站對液態(tài)降水的測量和數(shù)據(jù)存儲基本上能滿足實際工作及科學研究需要，但當前固態(tài)降水的氣象觀測還只是以每天幾次定時人工觀測為主，實時自動氣象記錄少，對于固態(tài)降水的時間和空間的觀測還不能滿足需要。因此，對2013年1月20日凌晨的人工增雪作業(yè)后的效果分析只能使用HSC-PS32雨滴譜監(jiān)測數(shù)據(jù)進行初步評估。

1.1 降水概況

地面氣象觀測記錄顯示，2013年1月19日夜間開始至21日早晨廊坊市普遍出現(xiàn)中雪天氣，全市平均降雪量為2.8 mm，最大降雪量出現(xiàn)在霸州，為4.0 mm。具體降雪量及雪深分布見表1。

由表1可知，從2013年1月19日夜間到20日夜間廊坊市普遍出現(xiàn)中雪天氣過程，中北部較小，北部主要降水出現(xiàn)時間較中南部晚，即降水是從南向北陸續(xù)開始的，但各個時刻的降雪量在常規(guī)氣象監(jiān)測中沒有記載。

表1 廊坊市2013年1月20日08∶00及21日08∶00降雪量及雪深氣象觀測記錄

從廊坊觀測站雨滴譜儀（簡稱LF002號）的測量數(shù)據(jù)可知，2013年1月19日夜間3：49開始記錄小雪，3:56出現(xiàn)0.01 mm降水量記錄，說明從3:49開始有降水粒子直徑達到0.2 mm或以上，隨后在5:20～7:55沒有降水記錄，7:56又開始記錄小雪，降雪直到14：42結(jié)束，期間出現(xiàn)過中雪和毛毛雨、陣雨等記錄，其中，中雪出現(xiàn)16 min，小雪354 min，小陣雨或毛毛雨出現(xiàn)86 min。分鐘降水量累計1.1 mm，比人工觀測降水量數(shù)據(jù)少0.4 mm。從廣陽區(qū)安裝的雨滴譜儀（簡稱LF001號）的測量數(shù)據(jù)可知，2013年1月19日夜間3:58～5:14有小雪記錄，說明從3:58開始有降水粒子直徑達到0.2 mm或以上。隨后在5:15～7:47沒有天氣現(xiàn)象記錄，7:48又開始記錄小雪，直到14:55結(jié)束，期間出現(xiàn)過中雪和毛毛雨、陣雨等記錄，其中9:32～10:24降水最為明顯，記錄的中雪等級最多。分鐘降水量累計1.8 mm。

由于目前夜間時段沒有人工地面氣象觀測[3]和其他儀器觀測來記載降水的開始和結(jié)束時間、降水強度和降水量，上述2部雨滴譜監(jiān)測儀的觀測數(shù)據(jù)可視為實際降水情況。

1.2 增雪作業(yè)效果分析

根據(jù)天氣預報和雷達觀測資料，全市于2013 年1月19日已做好了火箭人工增雪的準備。20日凌晨，廊坊市人工增雨指揮判別指標中強度為15 dBz的雷達回波移近市區(qū)[4]，由于目前地面觀測站夜間沒有天氣現(xiàn)象記錄，所以，人工增雪指揮人員于3:15左右觀察云天時，目測和體感有細小雪晶飄散，此時可記為降雪開始時間（目前沒有降雪開始時間任何氣象記錄可查），隨后指揮8個作業(yè)單位陸續(xù)實施了作業(yè)。2013年1月20日4:19～9:40，全市自南向北先后實施增雪作業(yè)，共發(fā)射火箭彈55枚，實施較早的是永清和霸州。

一般火箭的影響面積為200 km2，在當時700 hPa引導氣流作用下，選取其下游作為影響區(qū)域，并選取作業(yè)后6 h（4:20～10:19）[5]兩個雨滴譜觀測資料，從361 min的LF001號的分鐘測量數(shù)據(jù)看，出現(xiàn)毛毛雨或小陣雨記錄有11 min，出現(xiàn)小雪記錄151 min，出現(xiàn)中雪記錄40 min，無降水記錄159 min。從每分鐘的測量記錄情況分析得知，共有168 min保持了0.01 mm的降水量，有6 min保持了0.02 mm的降水量。5:01～8:11期間無降水記錄，9:30～10:20為降水連續(xù)且降水強度較大時段。

圖1 4：20～5：00分鐘降水量

圖2 8：12～10：17分鐘降水量

圖1顯示，4:20～5:00期間，有4個時刻記錄下分鐘降水量從0.0 mm增加到0.01 mm的現(xiàn)象。圖2顯示，8:12～10:17期間,有6個時刻記錄下分鐘降水量從0.01 mm增加到0.02 mm的現(xiàn)象，說明在增雪作業(yè)后的這些時刻降水強度有明顯增大的趨勢。

由多普勒天氣雷達回波資料分析[6]，20日3:00，回波15 dBz的云已接近廊坊，目測降雪開始（夜間沒有觀測，故沒有觀測記錄）；3:12，回波15～25 dBz的云正向廊坊市區(qū)移近，此時，作業(yè)人員已趕往作業(yè)點；永清和霸州于4:20分左右實施了作業(yè)； 4:18，15～25 dBz云層覆蓋廊坊市，作業(yè)時機最合適；4:48資料，回波面積增大，強度加強，特別是20～25 dBz的云范圍增大明顯。但這種評估分析只能是宏觀分析，定量困難，從雷達降水1 h估算資料分析，整個過程廊坊市都處于無降水區(qū)，與實況不符。

2 雨滴譜監(jiān)測資料的可信性分析

由于雨滴譜監(jiān)測資料積累不多，還沒有對其與實況資料的差異進行檢驗分析。本研究只對一次加密雨量觀測站資料缺測情況下雨滴譜觀測數(shù)據(jù)與降水實況進行了對比。2013年8月21日凌晨，廊坊市出現(xiàn)了小陣雨天氣，且LF001號所在地點實際出現(xiàn)了降水（早晨地面有積水），但在同一地點的廣陽加密雨量站沒有監(jiān)測降水記錄，實況確有降水，且臨近觀測站均有降水記錄。HSCPS32雨滴譜監(jiān)測儀與廣陽加密雨量站在同一地點，其監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，降水出現(xiàn)在3個時段，其中，1：11～1：54時段以小雨為主，其間1：13～1：27為中雨，2：44～2：46段以小雨或陣雨為主，3：31～3：44段出現(xiàn)了小雨和小毛毛雨。從分鐘降水量看，主要降水量集中在1：15～1：25之間，此時降雨強度最強，達中雨。累計降水量0.3 mm，而相臨近自動雨站觀測到的降雨量為萬莊鎮(zhèn)0.3 mm，氣象局（廊坊市區(qū)觀測站）0.2 mm，落垡鎮(zhèn)0.2 mm。由此可以推斷，HSC-PS32雨滴譜監(jiān)測到0.3 mm的降水數(shù)據(jù)與實際降水量差別不大，具有一定的可信性。

3 雨滴譜數(shù)據(jù)說明

HSC-PS32雨滴譜監(jiān)測儀是一種采用現(xiàn)代激光遙測技術的降水過程監(jiān)測紀錄分析設備，它有一個能夠發(fā)射水平光束的激光傳感器，其變送器和接收器集成在防護罩中，應用激光原理對運動物體進行測定，可以對各種降水過程（毛毛雨、小雨、大雨、冰雹、雪花、雪粒、雨夾雪等）進行精確監(jiān)測。測量固態(tài)粒徑范圍為0.2～25 mm，液態(tài)粒徑0.2～5 mm，測粒子速度范圍為0.2～20 m/s，粒子等級1 024種（32種直徑×32種速度），降雨降雪等級區(qū)分度＞97%，可測量最小強度0.001 mm/h的毛毛雨。系統(tǒng)軟件可統(tǒng)計所有的降水粒子在速度和粒徑上的分布（繪出雨滴譜圖）。以文中用到的天氣現(xiàn)象記錄格式舉例，如表2所示。

下面是幾種SYNOP電碼記錄規(guī)則舉例。液態(tài)降水：每小時降水強度小于或等于0.2 mm記為小毛毛雨，SYNOP電碼為51；每小時降水強度小于或等于0.2 mm記為小陣雨，SYNOP電碼為57；每小時降水強度小于或等于0.5 mm記為小雨，SYNOP電碼為61；每小時降水強度0.5到4.0 mm記為中雨，SYNOP電碼為62?；旌辖邓好啃r降水強度小于或等于0.5 mm記為小雨夾雪，SYNOP電碼為67。固態(tài)降水：每小時降水強度小于或等于0.5 mm記為小雪，SYNOP電碼為71；每小時降水強度0.5到4.0 mm記為中雪，SYNOP電碼為77。

表2 雨滴譜儀觀測記錄格式

4 結(jié)語

HSC-PS32雨滴譜監(jiān)測儀在廊坊市只安裝了2部，其記錄不能代表大范圍降水情況，因此不適用于進行大面積的降水分析，只能作為個別代表進行分析以供參考。HSC-PS32雨滴譜監(jiān)測儀觀測的降水量與當前的自動雨量站觀測和人工觀測的數(shù)據(jù)均有一定差別，還有待于進行誤差分析。

[1]蔣年沖，曾光平，袁野，等.夏季對流云人工增雨效果評價方法初探[J].氣象科學，2008，28（1）：100-104.

[2]郭艷君，熊雄，李德俊.激光粒度氣象儀Parsivel在人工影響天氣作業(yè)中的應用[J].科技廣場，2010（1）：231-234.

[3]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，1979.

[4]劉伯華，馬曉龍，曹建新，等.人工增雨指揮系統(tǒng)構建與研究[J].中國環(huán)境管理干部學院學報，2013，23（4）：34-37.

[5]高樹俊.一種人工增雨效果評估簡便設計方法[J].山東氣象，2003（4）：39-40.

[6]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業(yè)務應用[M].北京：氣象出版社，2005.

（編輯：周利海）

Research of Artificial Rainfall(Snow)Evaluation Methods

Liu Bohua1,Ma Xiaolong2,Cao Jianxin3
（1.Langfang Meteorological Bureau,Langfang， Hebei 065000,China；2.college of information science and engineering,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei 066004,China；3.Qinhuangdao Meteorological Bureau,Qinhuangdao,Hebei 066000,China）

The commonly used methods of artificial precipitation are statistical tests and physical examination.The statistical tests method needs a large quantity of samples,which make the randomized experiments difficult to achieve in our country because there is no way to get a large number of samples.The physical examination method is mainly to observe the changing situations by radar and observe the microphysical parameters by aircraft.Due to limited technology and capacity,those methods are hard to achieve.In order to get the assessment results to provide reference for the government and environmental protection authorities after the artificial weather modification,used the raindrop size distribution data to evaluate the effect of the job,it turned out that these data have some reference value in the case of absence of regular snowfall.It was concluded that after the artificial snow operation,the rainfall intensity tends to increase significantly.

weather modification；effect evaluation；raindrop size distribution；data analysis；application；environmental protection

P481

A 文章編號：1008-813X（2014）05-0004-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2014.05.09

2013-06-13

劉伯華（1963-），女，河北廊坊人，畢業(yè)于成都信息工程學院大氣科學專業(yè)，高級工程師，主要從事大氣物理與環(huán)境方面研究。