衡邵盆地7—8月對流云特征與人工增雨作業(yè)效果分析

唐佐陽，呂巍偉，呂校華，楊 科

（1.湖南省邵陽市氣象局，湖南 邵陽 422000；2.湖南省新邵縣氣象局，湖南 新邵 422900）

1 引言

干旱已經(jīng)成為影響面廣，持續(xù)時間長、造成經(jīng)濟(jì)損失較為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、森林防火、社會經(jīng)濟(jì)和人民生活均會造成嚴(yán)重影響［1-8］。衡邵盆地位于湖南省中南部，總面積3.6萬平方公里，多山地丘陵，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)主要?dú)庀鬄?zāi)害有：干旱、洪澇、局地山洪、高溫、低溫、冰雹、冰凍、雷電、大風(fēng)、大霧等，而干旱居各種災(zāi)害之首。干旱是制約衡邵經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要因素，湖南省發(fā)改委牽頭做出了《衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃》項(xiàng)目，該項(xiàng)目的實(shí)施是應(yīng)對氣候變化的一個重要舉措。每年夏季的7～8月，受西太平洋副熱帶高壓控制或大陸暖高壓脊控制，天氣晴朗少雨，太陽輻射強(qiáng)烈，都會出現(xiàn)持續(xù)或間斷性高溫干旱天氣。持續(xù)的高溫干旱天氣往往給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活帶來嚴(yán)重的影響，對畜、禽、水產(chǎn)等動物養(yǎng)殖業(yè)也造成一定的損害，同時干旱又會給森林防火造成嚴(yán)峻形勢。因此，在干旱期間，必須抓住時機(jī)，適時實(shí)施人工增雨作業(yè)，對緩解旱情和降低森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。人工影響天氣作為防御自然災(zāi)害的重要科技手段，近十年來得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)很多學(xué)者和氣象工作者對人工增雨作業(yè)也有不少的研究［9-17］，得出了一些有意義的結(jié)果，但他們所研究人工增雨作業(yè)檢驗(yàn)的次數(shù)太少，代表性不強(qiáng)，而對于人工增雨作業(yè)與對流云關(guān)系的研究，國內(nèi)工作者研究的較少，也沒有一個確定的積云地面人工增雨作業(yè)雷達(dá)判別指標(biāo)，因此有必要進(jìn)行多次積云雷達(dá)回波指標(biāo)分析，尋找出作業(yè)判別指標(biāo)，利用大量的人工增雨作業(yè)次數(shù)的數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行增雨效果評估分析，建立更加科學(xué)合理的人工影響天氣作業(yè)方案和服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，最大限度地減少或降低干旱給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、人民群眾的生產(chǎn)生活帶來的損失和影響。

2 資料和方法

雷達(dá)回波資料選用邵陽CINRAD/SA多普勒天氣雷達(dá)2010—2016年的7—8月期間，在衡邵盆地所觀測到的100個對流云個例，人工增雨作業(yè)個例選取邵陽區(qū)域內(nèi)14次作業(yè)，降水資料利用炮點(diǎn)附近自動站資料與遠(yuǎn)離炮點(diǎn)的自動站降水資料進(jìn)行對比分析。

3 對流云回波特征分析

3.1 單塊積云回波水平尺度及面積統(tǒng)計(jì)特征

3.1.1 單塊積云水平尺度特征

積云單體回波水平尺度，出現(xiàn)頻率最大的是3-6km，占41.6%（表 1），回波單體水平尺度＞15km的占6.2%，顯示夏秋季節(jié)積云回波單體水平尺度不太大，以中小尺度居多。

表1 積云單體回波水平尺度頻率分布

3.1.2 單塊積云回波面積特征

夏秋季積云單體回波水平面積并不大，出現(xiàn)幾率最大的是＜100㎞2積云單體，占 46.9%（表 2），100-200㎞2和 200-300㎞2積云單體的分別占18.8%和 14.4%，＞500㎞2積云單體較少，只占6.8%。

表2 降水性積云平面回波面積分布

3.2 不同天氣形勢下積云雷達(dá)回波面積分布特征

將7、8月積云雷達(dá)回波面積與對應(yīng)的天氣系統(tǒng)對比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3。

分析表明，7、8月衡邵盆地上空主要受副高、中低層切變和副高邊緣等天氣系統(tǒng)影響，對應(yīng)的積云出現(xiàn)幾率占49.8%、16.2%和6.2%，這3種天氣形勢出現(xiàn)的幾率占總數(shù)的72.2%。

在不同的天氣形勢下，積云雷達(dá)回波面積的大小差別甚大，出現(xiàn)平均最大回波面積的影響系統(tǒng)是中低層切變線。

表3 不同天氣形勢下回波面積（單位k㎡）分布

3.3 積云回波頂高分析

一般而言，對流的強(qiáng)弱在一定程度上和回波伸展的高度、回波強(qiáng)度等有關(guān)［18-22］，所以 ETPPI（回波頂高）產(chǎn)品可以用來分析、估測雷達(dá)探測范圍內(nèi)，不同地區(qū)的對流發(fā)展程度，即積云對流的強(qiáng)弱。

應(yīng)用體積掃描獲取的三維數(shù)據(jù)，選定回波強(qiáng)度閥值，根據(jù)測高公式，在一定的底面積的垂直柱體中，自上而下搜索選定閥值所在的高度。若該回波強(qiáng)度閥值在上、下兩個仰角的經(jīng)線之間，則用線性插值和距離加權(quán)平均技術(shù)確定閥值所在高度，用這種方法便可得到積云單體的回波頂高度分布，即ETPPI產(chǎn)品。

根據(jù)衡邵盆地7、8月對流單體活動特點(diǎn)，回波強(qiáng)度閥值設(shè)置為5dBz，即云頂高度處的回波強(qiáng)度閥值為5dBz，垂直柱體的底面積為4km＊4km.我們選取濃積云65塊、降水性濃積云12塊、積雨云38塊，共115塊積云單體進(jìn)行分析，得出積云云頂高度頻數(shù)：

濃積云云頂高度為3.5-7.0km，降水濃積云云頂高度為5.5-7.5km，積雨云云頂高度大部分均高于10km，積雨云回波頂出現(xiàn)幾率最大的是6.5-10km占53%，其次是10-12km，占16.6%，頂高超過15km的累計(jì)百分比僅占8.8%?？梢娤那锔珊灯谟?0%以上的積雨云回波頂高集中在6.5-15km范圍內(nèi)，顯然多為冷云降水云系。積雨云的回波頂高度為11-19km，最常出現(xiàn)在12-17km。

按不同天氣形勢來統(tǒng)計(jì)積云回波頂高度，結(jié)果見表4。

表4 不同天氣形勢下回波頂高度的分布

I類天氣形勢對應(yīng)副高、西南氣流、臺風(fēng)外圍偏北氣流、高原暖脊等比較穩(wěn)定的天氣形勢。Ⅱ類天氣形勢對應(yīng)副高邊緣、東風(fēng)波、高空低槽、中低層切變、臺風(fēng)低壓等不夠穩(wěn)定的天氣形勢。從表4分析出，一般是不穩(wěn)定的天氣形勢下積云回波頂高較穩(wěn)定的天氣形勢的高。雷達(dá)回波頂高為5-15km的積云占絕大多數(shù)（I類為81.5%，Ⅱ類為88.6%）

3.4 夏秋干旱期積云降水雷達(dá)回波特征

以天氣背景劃分，積云降水回波大致可以分為以下4種類型：南支槽型、副高邊緣型、東北冷渦型、強(qiáng)冷空氣型。通過對65個積云降水過程進(jìn)行分析，得出積云生長、成熟、消散的雷達(dá)回波識別指標(biāo)見表5。

表5 積云降水回波的雷達(dá)識別指標(biāo)

4 地面人工增雨作業(yè)效果個例分析

利用多普勒雷達(dá)產(chǎn)品及地面密集的區(qū)域自動雨量站資料，對2013年8月到2016年8月邵陽區(qū)域范圍內(nèi)50次火箭彈和37高炮增雨作業(yè)進(jìn)行物理檢驗(yàn)和雨量對比分析得出：利用車載式火箭炮的流動性及射高的靈活性，火箭彈增雨效果非常明顯，37高炮增雨作業(yè)效果一般。人工增雨作業(yè)自然增雨量平均為7.7mm，在5至10km2小面積范圍內(nèi)實(shí)施人工增雨作業(yè)時，當(dāng)超過兩發(fā)火箭彈后，隨著火箭彈的數(shù)量增加，對增雨效果無明顯影響。

5 結(jié)論與討論

通過對衡邵盆地2010—2016年7—8月期間100個對流云個例雷達(dá)回波特征分析，以及對50次地面火箭彈和37高炮人工增雨作業(yè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)。得出如下結(jié)論：

（1）積云回波在水平尺度上表現(xiàn)為，單塊積云回波水平尺度在3-6km最多，占41.3%，＞15km最少，占6.3%；.從面積來看，單塊積云回波面積＜50㎞2最多，占25.0%，＞500㎞2最少，只占 9.4%；回波頂高大多數(shù)在5.5-6.0km之間。

（2）在不同天氣形勢下，回波面積和高度也不盡相同。

（3）積云降水回波的雷達(dá)識別指標(biāo)在不同的季節(jié)存在一定的差異。

（4）實(shí)施增雨作業(yè)后平均相對于自然降水量的增雨量達(dá)7.7mm，增雨效果比較明顯。

（5）當(dāng)作業(yè)面積在5至10km2范圍內(nèi)時，增加作業(yè)炮彈的數(shù)量對增雨量的效果沒有明顯的影響。

目前，人工影響天氣是緩解旱情行之有效的重要手段，能減少其給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、森林防火、人民生產(chǎn)生活、社會經(jīng)濟(jì)帶來的影響。但人工影響天氣作業(yè)又會受到天氣形勢、通訊設(shè)備的信息傳送、航管空域的開放度，其中最主要的是天氣形勢，人工影響天氣與天氣系統(tǒng)配合還需進(jìn)一步研究與實(shí)踐，使增雨效果達(dá)到最大化。

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