用新一代天氣雷達評估火箭人工影響天氣作業(yè)的一種新方法

徐冬英 張瑞波

摘要通過利用新一代天氣雷達不同仰角層的探測資料，結(jié)合氣象探空資料，提出一種對人工增雨作業(yè)效果進行物理評估的新方法，且對廣西賓陽縣的一個人工增雨作業(yè)點進行了作業(yè)效果分析。結(jié)果表明，根據(jù)當?shù)氐臏囟确植继攸c，選取與雷達站距離適宜的作業(yè)點， 采用新一代天氣雷達不同仰角層的探測資料，分析其中冷、暖溫區(qū)中云層的回波變化，可以獲取由于催化引起云中物理變化信息。在對冷云催化后， 2.4°、3.4°等較高仰角層的回波變化曲線比0.5°和1.5°低仰角回波增強迅速。在分析的4個個例中，在催化11～30 min后，冷區(qū)的回波開始明顯增強，而暖區(qū)回波的發(fā)展相對滯后，可以反映出在冷層催化后，由于消耗過冷水，促使冰雪粒子增長，之后隨著冰雪晶降落融化，在暖層與云雨滴碰并，導(dǎo)致低層暖區(qū)回波增強。在云系的不同發(fā)展階段實施催化作業(yè)，其所產(chǎn)生的效果也不同。在云系的維持階段早期實施作業(yè)，可以使云系維持更長時間，而在消散階段實施作業(yè)，雖然催化可使上層冷區(qū)云系維持更長時間，但改變不了云系總體減弱的趨勢。

關(guān)鍵詞火箭；人工增雨；物理檢驗；天氣雷達

中圖分類號S423+.9文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）31-018-04

A New Way to Evaluate the Artificial Precipitation Enhancement by Rockets Using CINRAD Data

XU Dongying1， ZHANG Ruibo2*

（1. Hunan Weather Modification Leading Group Office， Changsha， Hunan 410007； 2. Guangxi Weather Modification Office， Nanning， Guangxi 530022）

Abstract By using the data of CINRAD in various elevation angles， joining with the meteorological data， this paper provides a new physical method to evaluate the artificial precipitation enhancement， and to study the operational cases taken in Binyang County， Guangxi. It shows that the physical changing information of cloud caused by catalyst can be obtained by analyzing the CINRAD data in various elevation angles in the cold and warm region in clouds， combining with the vertical temperature distribution， and the distance selection to the radar cite. After the seeding in the supercooled cloud， the reflection curses in the elevation angles of 2.4 and 3.4 degree may be more rapid in reaching the summit than that of 0.5 and 1.5 degree. In the 4 cases studies， in 11-30 minutes after seeding， echoes in cold region began to enhance obviously， and meanwhile， echoes in warm region developed in somehow delay which reflects that after seeding， the exhaustion of supercooled water promotes the development of ice and snow crystals ， melting as they are falling， and collision with the clouddrops and raindrops in the warm region， which leading to the echoes enhancement in the warm region. Cloud seeding in various stages of development may cause various effects. Seeding in the early stage may lead to the more long lasting of the cloud， while seeding in the dissipating stage， it may not alter the trend of weakening， in a whole， though seeding may expand the cloud life in the cold region.

Key words Rockets； Artificial precipitation enhancement； Physical evaluation； Weather radar

自1946年Schaefer[1]和Vonnegut[2]分別發(fā)現(xiàn)干冰和碘化銀可以在過冷云中產(chǎn)生冰晶并導(dǎo)致地面降水增加以來，世界上許多國家陸續(xù)開展了人工影響天氣作業(yè)，并開展了大量的外場試驗。我國從1958年開始，在抗旱減災(zāi)的強烈需求推動下，在吉林省首次開展人工影響天氣作業(yè)，作業(yè)取得初步成功后便開始作為一項科技措施在全國迅速推廣，且在抗旱減災(zāi)中發(fā)揮了積極作用。人工影響天氣作為一項科學(xué)技術(shù)，在發(fā)展過程中面臨一系列技術(shù)難題，效果評估是其中之一。對于其重要性，Silverman等[3]曾指出效果評估在所有播云計劃中均應(yīng)放在首位。人工影響天氣效果評估是人工影響天氣的重要組成部分。由于云和降水的自然變率大，在評估人工影響天氣作業(yè)效果時，評估對象具有不確定性，不同的時空條件下各種因子相互制約，復(fù)雜多變，因此，進行嚴格的效果評估在國內(nèi)外都仍然是一個很困難的問題[4]。

目前人工影響天氣效果評估主要有統(tǒng)計檢驗、物理檢驗2種方法。為了評估人工影響天氣作業(yè)效果，世界上許多國家曾開展過一系列外場試驗計劃。統(tǒng)計檢驗比較著名的有美國的國家冰雹研究試驗（NHRE）、佛羅里達地區(qū)積云試驗（FACE）、塞拉合作試驗（SCPP）、農(nóng)作物人工增雨試驗（PACE）、西班牙的PEP計劃等，這些計劃雖然取得了一定的結(jié)論，但仍然存在許多爭議[5]。1975～1986年我國在福建谷田水庫開展了持續(xù)12年的隨機化試驗，葉家東等[6]對此開展了一系列的效果評估研究，增雨效果達24%。在物理檢驗上，國內(nèi)外也開展了大量的外場試驗。從試驗效果看，一些試驗觀測到了人工影響對云產(chǎn)生的明顯變化[7-8]，如Fukuta[7]在美國尤他州的Stansbury島上空1.5 km對過冷層狀云播撒液態(tài)CO2作業(yè)，10～20 min后觀測到產(chǎn)生了3 km寬的云洞。但在人工降水效果上則一直存在較大的爭議，如有研究認為作業(yè)后隨著云的發(fā)展，降水相應(yīng)的增加[9]；而有研究發(fā)現(xiàn)作業(yè)后僅增加了云中冰晶數(shù)量，并沒有增加地面的降水[10]；也有許多分析認為作業(yè)是否增加了降水沒有確切的結(jié)論[11-13]。近年來，我國許多省市在人工影響天氣的效果評估研究上取得了新進展[14-18]，如李宏宇等[14]采用區(qū)域歷史回歸方法對北京地區(qū)近年的人工增雨和防雹作業(yè)效果進行了評估，發(fā)現(xiàn)增加降水20%左右，防雹效益約2.48億元；吳香華等[19]運用現(xiàn)代統(tǒng)計模擬方法研究自然降水變異對人工增雨效果評估的影響，這些工作進一步推動了效果評估研究的發(fā)展。筆者在此利用新一代天氣雷達（CINRAD-SB）的探測資料，提出一種人工增雨作業(yè)物理檢驗的新方法，對近年來在廣西賓陽縣武陵鎮(zhèn)六佑水庫作業(yè)點所實施的4次火箭人工增雨作業(yè)進行效果分析，試圖尋找出人工影響的物理信號，為物理檢驗提供依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料選取

全國氣象部門已建成了以新一代天氣雷達（CINRAD）為主的天氣探測網(wǎng)且投入了業(yè)務(wù)觀測使用。在進行連續(xù)觀測時，新一代天氣雷達有4種體積掃描模式（Volumn Coverage Pattern， VCP），即VCP11、VCP21、VCP31和VCP32，其中前2種體掃模式在降水模式中使用，后2種體掃模式在晴空模式中使用。每一次體掃雷達天線分別采用從低到高的仰角，進行全方位360°的掃描。如采用VCP21時，雷達將在6 min內(nèi)依次采用0.5°、1.45°、2.4°、3.35°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°和19.5°等仰角進行掃描。南寧新一代天氣雷達作為氣象部門的組網(wǎng)雷達之一，在業(yè)務(wù)運行時全天實行無縫隙觀測。該研究根據(jù)技術(shù)分析需要，選取實施人工增雨作業(yè)前后各1 h的雷達探測資料，分析其中0.5°、1.5°、2.4°、3.4°仰角探測回波的演變，揭示人工影響所產(chǎn)生的一些物理變化。

1.2評估方法

天氣雷達在探測時通過天線發(fā)射電磁波，電磁波遇到空中的懸浮粒子（空氣分子、氣溶膠、云雨滴、冰晶等）時，被懸浮粒子吸收和散射，其中后向散射的電磁波能量由雷達脈沖波束內(nèi)的粒子數(shù)量、大小、組成、相對位置、形狀和方位決定[20]。新一代天氣雷達在接收后向散射電磁波后，可從其振幅和相位中提取目標物的反射率因子、沿雷達波束徑向的平均速度和速度譜寬等3個基本量[21] 。

反射率因子的大小與散射體的后向散射截面成正比。南寧新一代天氣雷達（CINRAD-SA）工作頻率屬于S波段，波長（λ）為10 cm，雨滴直徑（D）一般為0.5～3.0 mm，最大不超過6 mm，符合λD的瑞利散射條件，因此后向散射截面σ可定義為：

σ=π5λ4 |K|2D6，式中，λ為電磁波波長，K為與粒子介質(zhì)復(fù)折射指數(shù)有關(guān)的參數(shù)，D為球形粒子的直徑。由此可知，對于同一降水粒子，直徑越大，其后向散射截面σ也越大，所產(chǎn)生回波強度也越強。σ還與|K|2值有關(guān)，水球的|K|2為0.93，冰球的|K|2值為0.197，即瑞利散射情況下冰球的后向散射截面大約只有同樣大小水球的1/5[21]。

在催化區(qū)域內(nèi)，隨著冰相粒子直徑的變化，無論暖區(qū)（溫度>0 ℃）還是冷區(qū)（溫度<0 ℃），各種相態(tài)粒子的轉(zhuǎn)換和尺度變化，可引起后向散射截面的變化，使雷達反射率因子發(fā)生變化[22]。

雷達掃描的電磁波波束中心高度由天線仰角和距離決定。在雷達覆蓋區(qū)內(nèi)的某一地點上空，根據(jù)波束中心高度隨仰角和距離的變化圖[21]，可以推知雷達探測層的高度，再結(jié)合氣象探空資料，可以推知探測層的溫度。因此，利用雷達不同仰角層的資料，可以分析某地上空不同溫度層的回波情況。

對于實施火箭增雨作業(yè)而言，利用雷達探測催化前后在催化區(qū)內(nèi)不同溫度層的回波變化，可以了解由于催化而引起的云中粒子的微物理變化。由于催化區(qū)的冷層主要經(jīng)歷冷雨過程（或冰晶過程），暖層主要經(jīng)歷暖雨過程（或碰并過程），因此，為便于分析催化區(qū)上空云層的微物理變化，作業(yè)地點應(yīng)選擇距離雷達站適當?shù)奈恢蒙希估走_不同仰角的探測高度可同時到達暖區(qū)和冷區(qū)（圖1）。

賓陽縣武陵鎮(zhèn)六佑水庫作業(yè)點（108°53′21″E，23°07′51″N）與南寧新一代天氣雷達站址的直線距離約50 km，處于南寧雷達探測覆蓋范圍內(nèi)。當南寧雷達仰角分別為0.5°、15°、2.4°、3.4°時，離雷達站天線距離約50 km的波束中心高度分別為1.5、2.8、4.0和5.8 km。2009年以來在賓陽該作業(yè)點共實施過4次火箭人工增雨作業(yè)。分析作業(yè)當日南寧氣象探空站的高空探測資料（圖2），可推測出當日這些高度層的溫度（表1）。這些高度層均跨越了從暖區(qū)（>0 ℃）到冷區(qū)（<0 ℃）的高度。因此，不同仰角層的資料包含了催化區(qū)上空不同溫區(qū)云層的回波信息。

WR-98型增雨防雹火箭最大射程約10 km，考慮到作業(yè)后催化劑及催化云層隨風(fēng)移動，因此回波取樣區(qū)域設(shè)定為作業(yè)區(qū)上空半徑為15 km的圓形區(qū)域（圖3），分析其中基本反射率平均值的變化，以探討催化引起的物理變化。

2結(jié)果與分析

2009年以來六佑水庫所實施的4次火箭人工增雨作業(yè)過程中，對南寧新一代天氣雷達19號產(chǎn)品（基本反射率）中催化區(qū)進行采樣后而得到的各種仰角的平均基本反射率（或平均回波強度）的變化曲線如圖4所示，采樣時間為作業(yè)前1 h至作業(yè)后1 h。從云物理角度看，降水云系一般要經(jīng)歷初生、發(fā)展、維持和消散4個階段，各階段在不同溫區(qū)的回波均有不同的特點。從各仰角探測回波曲線的配置判斷，在作業(yè)時刻催化區(qū)上空的云層處在不同的發(fā)展階段。

2009年3月29日00：33作業(yè)前后雷達回波演變（圖4a）顯示，作業(yè)區(qū)上空是一塊強度為20～30 dBz的中等偏弱的降水云系；在作業(yè)前28日23：32～29日00：02，各仰角的回波強度曲線呈上升趨勢，表明云系處在發(fā)展階段；其后至00：32，各仰角回波強度開始緩慢下降，云體開始步入消散階段，但0.5°仰角的回波強度更慢一些，說明高層冷區(qū)的粒子降落維持了低層暖區(qū)云雨粒子的數(shù)量；在00：33實施火箭作業(yè)后，經(jīng)過11 min，催化區(qū)上空的云系再次進入發(fā)展階段，尤其是高仰角所探測的冷區(qū)回波強度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性增強，且強于低仰角的暖區(qū)回波強度，表明催化云系開始出現(xiàn)顯著變化，在高層冷區(qū)出現(xiàn)尺度較大的冰雪晶。這一發(fā)展階段持續(xù)了約50 min，到01∶33后，催化區(qū)的云系再次進入消散階段。

從2011年8月8日17：10火箭增雨作業(yè)前后的回波演變（圖4b）可看出，作業(yè)區(qū)云層的回波強度中等偏強，達45 dBz，在作業(yè)前1 h，云系從發(fā)展階段到達維持階段，作業(yè)區(qū)各仰角的回波強度從處于發(fā)展階段的增強趨勢到達維持階段的平穩(wěn)狀態(tài)；在17：10作業(yè)后的14 min里，作業(yè)區(qū)各仰角回波維持在45 dBz，之后逐漸回落，但到32 min后（17：42），2.4°和3.4°的高仰角回波強度與0.5°和1.5°等低仰角的回波曲線開始出現(xiàn)背離，且前者開始強于后者，表明云中冷區(qū)粒子大小尺度發(fā)生了變化。在作業(yè)大約1 h后（18：12），作業(yè)區(qū)的各仰角回波再次進入增強階段，表明由于催化引發(fā)的云中上層冷區(qū)粒子的變化開始影響到下層暖區(qū)粒子的變化，反映了降水粒子從高層向低層降落的過程。

由2011年9月30日18：14作業(yè)前后各仰角回波演變（圖4c）可見，作業(yè)區(qū)云層的各仰角回波均為中等強度。在火箭催化時，作業(yè)區(qū)云層已處在維持階段，11 min后，2.4°和3.4°仰角回波強度開始緩慢加強，而0.5°和1.5°仰角的回波曲線仍處在維持階段的平穩(wěn)狀態(tài)，此時高層冷區(qū)的回波強度比低層暖區(qū)的回波約強3 dBz，但作業(yè)29 min后（18：43），低層暖區(qū)的回波強度也開始加強且超過高層冷區(qū)的強度，持續(xù)時間超過1 h。

2015年7月3日17：08作業(yè)前后的回波曲線演變（圖4d）顯示，火箭作業(yè)時，作業(yè)區(qū)的云層處于維持階段的后期，低層暖區(qū)回波增強，而高層冷區(qū)回波開始減弱，在作業(yè)13 min后（17：21），高層冷區(qū)回波開始強于低層暖區(qū)回波，但作業(yè)區(qū)的云層總體上仍處于消散減弱階段，可能是因為高層冷區(qū)在催化后，粒子大小仍有所發(fā)展，維持了上層回波的狀態(tài)。

3結(jié)論

火箭人工增雨作業(yè)從催化劑的釋放到云中粒子的變化和發(fā)展，最終導(dǎo)致降水的變化需要經(jīng)歷非常復(fù)雜的物理過程，作業(yè)影響時間、范圍受很多因素制約，具有許多不確定性。該研究數(shù)據(jù)的采樣范圍也具有一定的主觀性。但由于新一代天氣雷達具有很高的探測靈敏度，采用其不同仰角的探測資料，分析催化作業(yè)區(qū)的回波演變，以此途徑獲取人工催化的物理信號，對于客觀評估人工增雨的效果仍具有積極的意義。通過該研究的方法討論及其對4個個例的分析，可以初步得出以下初步結(jié)論：

（1） 結(jié)合當?shù)氐拇髿鈱咏Y(jié)特點，選取與新一代天氣雷達距離合適的作業(yè)點， 采用不同雷達仰角層的探測資料，分析作業(yè)區(qū)冷、暖溫區(qū)中云層的回波變化，可以獲取冷層由于催化引起的變化信息以及隨后暖層由于冷層粒子降落，導(dǎo)致粒子相互碰并而使回波增強的信息，反映了催化后云中微物理效應(yīng)而導(dǎo)致云中不同高度層粒子的連鎖反應(yīng)。

（2） 在對冷云催化后， 2.4°、3.4°等較高仰角層的回波變化曲線比0.5°和1.5°低仰角回波增強迅速。在分析的4個個例中，在催化11～30 min后，冷區(qū)回波開始明顯增強，而暖區(qū)回波的發(fā)展相對滯后，可以反映出在冷層催化后，由于消耗過冷水，促使冰雪粒子增長，之后隨著冰雪晶降落融化，在暖層與云雨滴碰并，導(dǎo)致低層暖區(qū)回波增強。

（3） 在云系的不同發(fā)展階段實施催化作業(yè)，其所產(chǎn)生的效果也不同。在云系的維持階段早期實施作業(yè)，可以使云系維持更長時間，而在消散階段實施作業(yè)，雖然催化可使上層冷區(qū)云系維持更長時間，但改變不了云系總體減弱的趨勢。

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