幾種人工增雨效果評估方法的應(yīng)用與研究

鄧戰(zhàn)滿　張中波

摘要綜合介紹了近年來全國及湖南省人影工作中包括大面積抗旱、日常人工增雨、水庫人工增雨試驗以及云物理外場試驗研究工作中幾種常用的人工增雨效果評估的方法及應(yīng)用。但目前湖南省能進入對流云中對微物理過程及變化的實際探測不夠，在種種條件的限制下，所介紹的這幾種方法在目前日常工作中的可操作性和合理性就顯得比較重要。

關(guān)鍵詞人工增雨；效果評估；統(tǒng)計檢驗；方法應(yīng)用

中圖分類號S161.6文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）09-02675-02

作者簡介鄧戰(zhàn)滿（1980- ），男，湖南長沙人，工程師，從事防雷工程技術(shù)研究。

目前，人工增雨效果評估的方法很多，但均受到多種條件如統(tǒng)計樣本數(shù)、觀測數(shù)據(jù)、外場試驗條件等的制約[1-3]。因為成云致雨過程的復(fù)雜性，特別是降水過程的多樣性和局地性，加之自然降水過程的長、中、短期預(yù)報的準確性還有待提高，所以，在自然降水的定量估算還沒有很大突破的前提下，要弄清經(jīng)人工催化后降雨“增量”的研究也不可能有實質(zhì)性的進展。但效果評估的最終目的是剔除自然降水成分，留下因催化經(jīng)云中微物理過程產(chǎn)生變化后其增加（或減少）雨量的百分比。多年來，湖南省人工增雨、云物理工作者對增雨效果的評價研究一直在進行努力的探索，如1970年以前的序列試驗，1970～1980年初期懷化芷江、湘西鳳凰的區(qū)域回歸試驗，1980～1989年安化、瀏陽單塊積云的隨機催化試驗，以及近年來湖南省四大水庫的人工增雨蓄水發(fā)電試驗等[4-7]。隨著這些試驗的開展及經(jīng)驗的不斷積累，人們對效果評估工作有了進一步的認識與了解，但目前在理論上還沒有深層次的突破與進展，一種理論可靠、實際操作性強的高可信度的評估方法還需要在長期的實踐中不斷摸索發(fā)現(xiàn)，不斷積累探索。筆者在此綜合介紹了近年來全國及湖南省人影工作中幾種常用的人工增雨效果評估的方法及應(yīng)用。

1科研運用的常見人工增雨效果評估方法

1.1物理評價主要包括雷達參量催化前后變化特征的評價；用雷達參數(shù)做出ZR、ZI關(guān)系，對自然降水進行估算；云中冰晶濃度以及凝結(jié)核、氣溶膠催化前后變化特征（包括飛機探測）的評估；云體催化前后的宏觀特征（水平尺度、云頂高、云底高是否合并，生消的狀態(tài)變化）評價；降雨過程中云滴譜、地面雨滴譜尺度特征統(tǒng)計差異分析；氣象要素因子與協(xié)變量（層結(jié)穩(wěn)定度、模式計算可播度等）分析。

1.2統(tǒng)計檢驗法包括時間、空間序列法的統(tǒng)計差異分析，區(qū)域回歸法（對比、影響區(qū)）、歷史資料估算法，雙比分析及常規(guī)統(tǒng)計（T檢驗、正態(tài)檢驗、對數(shù)正態(tài)分析、秩和檢驗、方差分析）評估方法，數(shù)值模擬評估法（云中微物理參數(shù)催化前與催化后的差異分析，地面降雨實測值與計算值對比分析，模擬催化結(jié)果與實測差異信度分析等）、隨機試驗評估法、浮動對比區(qū)效果檢驗法（即用聚類方法劃分不同的降水類型區(qū)域，再利用雷達觀測資料對已建立的降水回歸方程進行補充后進行效果的計算與檢驗）、數(shù)據(jù)序列的模糊數(shù)學(xué)分析法。

綜上所述，雖然方法很多，但在運用這些方法的過程中有較高的前期資料攝取要求，特別是要求觀測資料的準確性、連續(xù)性與樣本的數(shù)量（一般n ≥ 30）和質(zhì)量要有保障，且要求影響區(qū)、對比區(qū)的歷史資料沒有受到催化“污染”，即真正的自然降水。加之觀測的時間要長，密度要高，一般要求一次降水過程總降雨量的80%都要在兩區(qū)內(nèi)觀測到。而目前實際工作中連區(qū)域內(nèi)的3 h或6 h及日雨量的面雨量等值線圖都無法繪出，當(dāng)然會給效果評價的可信度打折扣。這樣，就不是一次真正有意義的、科學(xué)客觀的效果評價了。

2實際工作中幾種常見的人工增雨效果評估方法及應(yīng)用

2.1運用雷達回波進行催化后的效果評估根據(jù)湖南省冷云催化原理，催化后云中微物理參量可能會發(fā)生一些變化，如云體的分裂與合并，合并之后是否加強云體的發(fā)展，這些變化可能導(dǎo)致雷達回波形狀產(chǎn)生一些變化，即回波的水平尺度有所增強。催化后5～10 min，因貝吉龍效應(yīng)，當(dāng)冰晶濃度增加與冰晶增長時會產(chǎn)生凝結(jié)，凝結(jié)過程釋放潛熱可使云頂有上升的跳躍；催化后25～45 min后，因冰晶效應(yīng)而產(chǎn)生的云中降水粒子增多，云中上升氣流托不住時會隨云體中后部的下沉氣流降至地面，形成降水的跳躍，造成回波頂高有下降的跳躍現(xiàn)象。這些回波明顯的跳躍現(xiàn)象需在觀測與分析中細心捕捉，不斷積累和量化后，都是催化后效果評估的較有說服力的物理效果的佐證。建立雷達ZR、ZI關(guān)系，結(jié)合地面雨滴譜的觀測，對自然積云降水過程進行估算，再用計算值與催化后的觀測值進行比較，得到效果結(jié)果。

2.2區(qū)域回歸法實際應(yīng)用中，選取影響區(qū)（又稱目標區(qū)）和對比區(qū)（又稱控制區(qū)）2個區(qū)域。湖南地區(qū)一般選40 km×40 km，根據(jù)兩區(qū)的歷史雨量資料建立雨量回歸方程（R影響區(qū)=b+a·R對比區(qū)），然后用這一歷史回歸方程中的對比區(qū)的雨量值來估算影響區(qū)的自然雨量。將催化后影響區(qū)內(nèi)實際觀測得到的雨量值減去影響區(qū)估算出的自然雨量值，其差值即為效果值。這個方法的操作中應(yīng)注意的是，對比區(qū)雨量不受影響區(qū)催化的影響，地形、面積與目標區(qū)大體相仿，試驗期兩區(qū)的天氣影響相同且兩區(qū)均應(yīng)合理布設(shè)雨量觀測點。

2.3作業(yè)影響面積估算法根據(jù)催化劑擴散理論，瞬時點源爆炸近似為一定球形空間范圍，即催化劑分布濃度在水平方向表現(xiàn)為同心圓的分布曲線。又因催化劑在云中持續(xù)影響與云在炮點上空的持續(xù)時間有關(guān)，隨著云的移動，其催化過程所發(fā)生的變化也隨云移動，同時改變其時空分布，具體可用公式S=L·V·T來計算，式中，S為催化影響面積；L為高炮射程半徑3.5 km，含下游取7 km；T為云過境移動時間，可由回波或作業(yè)時間推算；V為云移速，可由高空風(fēng)（700～500 hPa）風(fēng)速或雷達回波移速推算。影響面積S計算出后，將區(qū)域的平均雨量作為總雨量R，將R·S·f=R增（萬t）作為增雨效果，其中f為有效增雨系數(shù)，根據(jù)湖南單塊積云隨機試驗結(jié)果取0.24。

2.4水庫蓄水型人工增雨效果評估方法及應(yīng)用以湖南省柘溪水庫流域人工增雨蓄水為例，流域位于資水中游安化縣境內(nèi)，流域長約430 km，控制集雨面積為22 640 km2，庫區(qū)流域還包括新化縣、冷水江市、新邵縣和邵陽縣（圖1）。水庫流域的增雨作業(yè)擬采用固定目標區(qū)和對比區(qū)的非隨機試驗方案。目標區(qū)和對比區(qū)在地形地貌、氣候背景、水文特征等方面均較為相似或接近，2個區(qū)自然降水量存在線性關(guān)系R1=a+bR2，式中，R1、R2分別為目標區(qū)和對比區(qū)的逐日自然降水量，a、b為回歸系數(shù)。若作業(yè)后目標區(qū)的實測雨量為R0，則作業(yè)后增加的雨量為△R=R0-R1，所以增雨率α=△R/R1。

2.4.1作業(yè)后增雨量計算。根據(jù)近年來（2000～2008年）湖南省水庫區(qū)域在不同時期開展人工增雨作業(yè)的統(tǒng)計資料計算了a、b值的大小，得出相應(yīng)的回歸結(jié)果（表1）。個例選取2008年8月的人工增雨作業(yè)資料，作業(yè)地點為柘溪水庫上游的新邵縣、邵陽縣，作業(yè)裝備為WR1B火箭，每次發(fā)射火箭2～3枚，共開展作業(yè)3次。根據(jù)公式R1=a+bR2、△R=R0-R1，計算出作業(yè)后增雨結(jié)果（表2）。由表2可見，3次作業(yè)平均增加降雨26.7 mm，平均增雨率為24.7%。注：A為目標區(qū)；B為對比區(qū)。