雷達(dá)資料在青海省東部人工增雨效果檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究

康曉燕+馬學(xué)謙+張博越

摘要 利用2013—2014年青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)人工增雨作業(yè)期間雷達(dá)資料，根據(jù)層狀云和對(duì)流云2種類(lèi)型云的地面增雨作業(yè)，分析了作業(yè)云體（或?qū)Ρ仍企w）催化前后的組合反射率、回波頂高和垂直積分液態(tài)水含量等雷達(dá)參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，層狀云地面增雨作業(yè)后各雷達(dá)參量在一定時(shí)間內(nèi)處于上升趨勢(shì)，第5～7個(gè)體掃時(shí)達(dá)到最大，之后才出現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，可考慮對(duì)此類(lèi)降水云系的重復(fù)作業(yè)時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在作業(yè)后第5～7個(gè)體掃，即作業(yè)后30～40 min。在對(duì)流云增雨過(guò)程中，通過(guò)對(duì)照對(duì)比云，增雨作業(yè)有助于延長(zhǎng)對(duì)流單體的生命史，具有較大的增雨潛力。

關(guān)鍵詞 雷達(dá)資料；人工增雨；效果檢驗(yàn)；應(yīng)用；青海省東部

中圖分類(lèi)號(hào) P481 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）12-0214-04

Abstract According to two types of clouds（stratiform cloud and convective cloud），the change regulation of radar parameters（composite reflectivity，echo top height and vertical integrated liquid water content）of seeding clouds（no-seeding clouds）were analyzed before and after weather modification operations，based on the radar data in the agricultural region of eastern of Qinghai Province during the artificial precipitation period from 2013 to 2014. The results showed that the radar echo parameters of stratiform cloud became greater gradually in a certain time after seeding，and the maximum values appeared in the 5th to 7th scan body after seeding，then decreased. It is suggested that duplication timing of such rain clouds should be 5-7 individual sweep（30-40 mintus）after operation. In the process of convective clouds seeding，artificial precipitation enhancement are helpful to prolong the life of the convective cells by comparing seeded clouds and no-seeding clouds.

Key words radar data；artificial precipitation enhancement；effect evaluation；application；eastern of Qinghai Province

干旱是我國(guó)乃至全球常見(jiàn)和最大的自然災(zāi)害之一，其發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和人民生活均有重要影響，是制約我國(guó)社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一[1]。青海省地處高原氣候的典型區(qū)域，其東部農(nóng)業(yè)區(qū)屬暖涼溫半干旱氣候區(qū)，也是青海省主要的糧食產(chǎn)區(qū)，而干旱一直是制約當(dāng)?shù)禺a(chǎn)量水平的主要?dú)庀鬄?zāi)害[2]。人工增雨是在一定條件下通過(guò)人工途徑對(duì)云施加影響，從而增大降水量、緩解旱情的科學(xué)技術(shù)[3]。青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)從1992年開(kāi)始開(kāi)展有組織的人工影響天氣工作，近年來(lái)隨著人工增雨作業(yè)范圍的不斷擴(kuò)大，投入的資金不斷增加，如何客觀(guān)、科學(xué)、定量地評(píng)價(jià)人工增雨效果成為人工影響天氣研究和作業(yè)的關(guān)鍵性問(wèn)題，但同時(shí)也是人工影響天氣研究中最困難的科學(xué)問(wèn)題之一[4-7]。相比于統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，人工影響天氣效果的物理檢驗(yàn)可以為效果評(píng)估提供物理依據(jù)[8]。因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)雷達(dá)掃描圖像產(chǎn)品的分析，研究作業(yè)的目標(biāo)云催化前后的變化或目標(biāo)云與對(duì)比云的異同等特征，可以較直觀(guān)地判斷作業(yè)的效果，為人工增雨效果檢驗(yàn)提供直接的證據(jù)[9-11]。近幾年，采用雷達(dá)進(jìn)行物理檢驗(yàn)在我國(guó)許多省市已進(jìn)行了一些探索，如李紅斌等[12]在2007年應(yīng)用多普勒雷達(dá)數(shù)值產(chǎn)品對(duì)火箭增雨效果進(jìn)行了分析，總結(jié)出利用雷達(dá)實(shí)時(shí)指揮作業(yè)其雷達(dá)回波幾個(gè)主要參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律；張中波等[13]利用湖南省境內(nèi)的多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)資料，結(jié)合湖南省中小尺度地面降雨量資料，對(duì)催化作業(yè)前后目標(biāo)云與對(duì)比云的多普勒天氣雷達(dá)參數(shù)（回波頂高、最大反射率因子、垂直積分液態(tài)水含量等）的變化特征進(jìn)行對(duì)比分析；崔 丹等[14]采用地面降水資料、多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)、探空資料等，通過(guò)目標(biāo)區(qū)作業(yè)前后雷達(dá)參量的演變或目標(biāo)區(qū)與對(duì)比區(qū)的回波參量的差異，完整地分析2010年8月11日海南西部多點(diǎn)作業(yè)情況的催化效果。目前，對(duì)青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)雷達(dá)資料的分析研究主要集中在冰雹監(jiān)測(cè)與預(yù)警等方面，在應(yīng)用雷達(dá)進(jìn)行增雨效果分析方面則相對(duì)比較薄弱。因此，筆者利用2013—2014年青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)人工增雨作業(yè)期間雷達(dá)資料，根據(jù)層狀云和對(duì)流云2種類(lèi)型云的地面增雨作業(yè)，分析了作業(yè)云體（或?qū)Ρ仍企w）催化前后的組合反射率、回波頂高和垂直積分液態(tài)水含量等雷達(dá)參數(shù)，從而直觀(guān)、客觀(guān)地判斷作業(yè)效果，為進(jìn)一步完善青海省人工增雨作業(yè)雷達(dá)指標(biāo)、充分開(kāi)發(fā)空中云水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 層狀云地面增雨作業(yè)效果分析

1.1 個(gè)例分析

2013年5月7日20：00，在500 hPa高空?qǐng)D上，亞洲中高緯度維持兩槽一脊，一個(gè)位于貝爾加湖到青海東部，另一個(gè)位于日本海以東，具體見(jiàn)圖1（a）；地面圖上，青海東南部倒槽繼續(xù)發(fā)展，將水汽源源不斷輸送到青海東部，具體見(jiàn)圖1（b）。充足的水汽輸送和高空切變線(xiàn)有利于人工影響天氣作業(yè)的開(kāi)展。

根據(jù)天氣條件，青海省人工影響天氣辦公室在西寧、海東、海北、海南以及黃南等地區(qū)進(jìn)行地面大規(guī)模人工增雨作業(yè)。其中，湟中于21：39作業(yè)3次，耗用火箭彈6枚。由圖2、3可以看出，作業(yè)前作業(yè)區(qū)內(nèi)云體已出現(xiàn)減弱趨勢(shì)，隨著作業(yè)的進(jìn)行，目標(biāo)云明顯出現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)。

從圖4可以看出，作業(yè)前云體已出現(xiàn)減弱現(xiàn)象，作業(yè)后組合反射率在較長(zhǎng)時(shí)間保持在35 dBZ，之后才緩慢減弱?；夭敻咴谧鳂I(yè)后一直保持升高趨勢(shì)。由圖5可以看出，作業(yè)前垂直積分液態(tài)水含量呈現(xiàn)起伏現(xiàn)象，作業(yè)后迅速增大，并在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持平穩(wěn)。同時(shí)，結(jié)合自動(dòng)站10 min降水資料（圖5）也可以看出，隨著地面增雨作業(yè)的進(jìn)行，湟中縣降水強(qiáng)度明顯增大，說(shuō)明此次作業(yè)效果較好。

此外，2013年5月7日層狀云人工增雨雷達(dá)參量在作業(yè)前后的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果表明，層狀云地面人工增雨作業(yè)后回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量顯著大于作業(yè)前，分別通過(guò)0.05和0.1顯著性檢驗(yàn)。

1.2 平均值統(tǒng)計(jì)

對(duì)層狀云地面增雨作業(yè)的20個(gè)個(gè)例的雷達(dá)組合反射率、回波頂高及垂直積分液態(tài)水含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得到了其平均值作業(yè)前后的變化規(guī)律（圖6）：作業(yè)前組合反射率趨于上升，之后又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨著地面增雨作業(yè)，又趨于上升，并在作業(yè)后第7個(gè)體掃，即作業(yè)后42 min，達(dá)到最大?；夭敻咦鳂I(yè)后較作業(yè)前有上升趨勢(shì)，且在作業(yè)后第6個(gè)體掃達(dá)到最大，為7.7 km。垂直積分液態(tài)水含量的變化趨勢(shì)與回波頂高變化相似，在作業(yè)后第5、6個(gè)體掃達(dá)到最大。根據(jù)上述幾個(gè)特征值在第5～7個(gè)體掃時(shí)達(dá)到最大，之后出現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，可考慮對(duì)層狀云重復(fù)作業(yè)時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在作業(yè)后第5～7個(gè)體掃，即作業(yè)后30～40 min，這一結(jié)論與李紅斌等[12]應(yīng)用雷達(dá)數(shù)據(jù)分析火箭增雨效果的結(jié)論一致。

此外，層狀云20個(gè)地面人工增雨個(gè)例雷達(dá)參量在作業(yè)前后的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果表明，層狀云地面人工增雨作業(yè)后僅回波頂高顯著大于作業(yè)前，并通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)。由此說(shuō)明，在對(duì)層狀云地面人工增雨作業(yè)中，回波頂高是比較敏感的一個(gè)參量，可作為評(píng)判人工增雨效果的一個(gè)重要參數(shù)。

2 2014年4月15日對(duì)流云增雨作業(yè)效果個(gè)例分析

2014年4月15日，受蒙古槽分裂冷空氣和局部氣流抬升影響，青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)出現(xiàn)了1次強(qiáng)對(duì)流降水天氣過(guò)程。針對(duì)上述情況，海東地區(qū)平安縣洪水鄉(xiāng)（102.06°E，36.6°N）于22：46—22：48開(kāi)展了人工增雨作業(yè)，作業(yè)耗用火箭彈6枚。

對(duì)流云地面增雨作業(yè)時(shí)，作業(yè)范圍較小，可在作業(yè)云上風(fēng)方向選取相似云體特征及云體發(fā)展演變類(lèi)似的對(duì)比云進(jìn)行作業(yè)前后雷達(dá)產(chǎn)品的分析[15]。從此次作業(yè)前選取的目標(biāo)云和對(duì)比云雷達(dá)特征看，其發(fā)展和變化趨勢(shì)相似。

2.1 作業(yè)前后垂直剖面

作業(yè)前后，比較目標(biāo)云與對(duì)比云整個(gè)生命期的回波參數(shù)變化情況。圖7為作業(yè)過(guò)程選定的目標(biāo)云與對(duì)比云作業(yè)前后雷達(dá)垂直剖面演變情況。從圖8可以看出，作業(yè)前目標(biāo)云和對(duì)比云在穩(wěn)定發(fā)展中，作業(yè)后近1 h目標(biāo)云仍有持續(xù)發(fā)展或增強(qiáng)的趨勢(shì)，而對(duì)比云在此時(shí)已經(jīng)明顯減弱或消散。為更清晰地掌握目標(biāo)云和對(duì)比云雷達(dá)回波參數(shù)的發(fā)展演變，圖9給出目標(biāo)云和對(duì)比云每隔6 min的發(fā)展變化情況。

2.2 回波參數(shù)變化特征

從圖9可以看出，作業(yè)過(guò)程目標(biāo)云和對(duì)比云變化規(guī)律比較接近，但目標(biāo)云持續(xù)發(fā)展的時(shí)間明顯比對(duì)比云要長(zhǎng)。分析作業(yè)回波參數(shù)特征發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)云的組合反射率在催化后10個(gè)體掃，即1 h，仍有增強(qiáng)趨勢(shì)，而對(duì)比云已經(jīng)趨于減弱?；夭敻咴谧鳂I(yè)前已趨于下降趨勢(shì)，但隨著催化作業(yè)的進(jìn)行，目標(biāo)云的回波頂高又出現(xiàn)上升趨勢(shì)。各回波面積所占比例中，目標(biāo)云主要增加的是30 dBZ回波面積，其他回波增加幅度不明顯，而對(duì)比云增加的是較小回波面積，說(shuō)明作業(yè)催化主要提高了較強(qiáng)回波區(qū)的強(qiáng)度，這一結(jié)論與崔 丹等[14]應(yīng)用海南雷達(dá)數(shù)據(jù)分析增雨效果的結(jié)論一致。此外，2014年4月15日對(duì)流云人工增雨雷達(dá)參量目標(biāo)云和對(duì)比云配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)云地面人工增雨作業(yè)后垂直積分液態(tài)水含量顯著大于對(duì)比云，且通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)。

2.3 地面降水量分析

取靠近作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)方向的自動(dòng)雨量站的10 min降水資料與對(duì)比區(qū)降水資料進(jìn)行對(duì)比（圖10），作業(yè)前作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)降水均不明顯，但催化后作業(yè)區(qū)內(nèi)降水明顯增大，最大達(dá)到1.1 mm/10min，且持續(xù)到作業(yè)后1 h仍有降水。而對(duì)比區(qū)降水一直保持較小水平。由此可見(jiàn)，本次地面人工增雨作業(yè)效果明顯。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)層狀云地面增雨作業(yè)的20個(gè)個(gè)例的雷達(dá)組合反射率、回波頂高及垂直積分液態(tài)水含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得到了其平均值作業(yè)前后的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)對(duì)此類(lèi)云系進(jìn)行地面增雨作業(yè)，雷達(dá)幾個(gè)特征參量在作業(yè)后第5～7個(gè)體掃時(shí)達(dá)到最大，之后出現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，可考慮對(duì)此類(lèi)降水云系的重復(fù)作業(yè)時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在作業(yè)后第5～7個(gè)體掃，即作業(yè)后30～40 min。此外，通過(guò)層狀云人工增雨作業(yè)前后雷達(dá)平均參量獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，回波頂高顯著增高，可作為效果判識(shí)的參量之一，用以評(píng)判人工增雨效果。

在對(duì)流云增雨過(guò)程中，通過(guò)分析2014年4月15日催化影響目標(biāo)云微物理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)其催化后反射率因子、回波頂高、垂直液態(tài)水含量和回波面積等參量得到快速增長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)對(duì)流單體的生命史，具有較大的增雨潛力。并通過(guò)配對(duì)t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)云地面人工增雨作業(yè)后垂直積分液態(tài)水含量顯著大于對(duì)比云。

青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)人工增雨主要在春季開(kāi)展，層狀云地面增雨作業(yè)一般進(jìn)行大規(guī)模、大范圍的抗旱增雨作業(yè)，在對(duì)比區(qū)的選擇上有一定的困難，導(dǎo)致效果檢驗(yàn)缺乏說(shuō)服力；而針對(duì)對(duì)流云增雨作業(yè)的個(gè)例較少，不能很好地歸納其變化規(guī)律。因此，在以后的作業(yè)過(guò)程中可以嘗試開(kāi)展一些試驗(yàn)性、有選擇性的增雨作業(yè)。

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