洱海流域一次人工增雨實驗雨滴譜特征分析

朱淳源，陳 燾，張振秀

(大理州氣象局，云南 大理 671000)

0 引言

人工增雨催化后，云和降水是否產(chǎn)生了預(yù)期的明顯變化，地面的降水是否增加，是人們進(jìn)行人工增雨活動所特別關(guān)注的問題。物理檢驗是人工增雨效果評估的主要方法之一，主要根據(jù)云和降水的形成以及人工增雨的物理機(jī)制，通過各種觀測手段，探測出相應(yīng)的宏觀動力學(xué)效應(yīng)和微觀物理效應(yīng)，作為效果指標(biāo)來比較作業(yè)前后這些指標(biāo)是否有顯著的變化。由于各種宏觀和微觀參量受多種因素的制約，都存在著相當(dāng)大的自然變率，要檢測出人工增雨的效果，需要對作業(yè)方案進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計。

激光雨滴譜儀可以連續(xù)觀測雨滴直徑和雨滴下落速度，在此基礎(chǔ)上可以計算出雨滴濃度、雨滴譜、雨強(qiáng)、雷達(dá)反射率因子等各種降水參量，可以用來分析云降水微物理特征，了解自然降水的微物理過程，陳寶君、劉俊等先后開展了有關(guān)研究并取得成果[1-2]。近年來，國內(nèi)雨滴譜的應(yīng)用研究得到了更大的發(fā)展，濮江平等[3]利用雨滴譜儀觀測降水粒子譜，發(fā)現(xiàn)與衛(wèi)星計算的云頂有效粒子半徑時間變化趨勢有較好的一致性。房彬等[4]分析遼寧雨滴譜資料，發(fā)現(xiàn)直徑小于1 mm的降水粒子對數(shù)濃度的貢獻(xiàn)最大。潘雯菁等[5]分析了南京青奧會人工減雨作業(yè)前后南京站雨滴譜的變化，發(fā)現(xiàn)作業(yè)影響后譜寬變窄，粒子最大直徑、眾數(shù)直徑明顯變小，粒子總數(shù)濃度與不受催化影響的站負(fù)相關(guān)。陳光學(xué)等[6]利用河北和北京觀測的雨滴譜資料分析了人工增雨效果，結(jié)果顯示含水量、雨滴數(shù)濃度、雨滴平均直徑等參量在作業(yè)前后都有明顯變化。另外，增雨火箭被廣泛應(yīng)用于人工增雨防雹作業(yè)，其作業(yè)效果也有評估[7-9]。

2019年9月，大理州人工影響天氣中心引進(jìn)德國OTT公司生產(chǎn)的Parsivel2激光雨滴譜儀，布設(shè)于洱海流域人工增雨試驗場，為了有效地檢驗人工增雨效果，設(shè)計了地面火箭增雨作業(yè)方案，并對2020年1月4日洱海流域一次增雨作業(yè)過程進(jìn)行了初步對比分析。

1 實驗設(shè)計

1.1 試驗期影響天氣系統(tǒng)

2020年1月4日受南支槽影響洱海流域有人工增雨作業(yè)天氣條件。如圖1所示，圖中黑色圓點為洱海流域所在位置，1月4日08時500 hPa高空圖上，東移的南支槽到達(dá)90°E，槽前西南氣流影響云南地區(qū)，風(fēng)速較大。對應(yīng)700 hPa上云南至孟加拉灣均為西南風(fēng)控制，沿著氣流方向有帶狀水汽通量大值區(qū)，滇緬地區(qū)有水汽通量散度負(fù)值中心，洱海流域也為水汽輻合區(qū)，有開展增雨作業(yè)需要的水汽輸送條件。沿25°N剖面的垂直速度上看，洱海流域(100°E)以西自地面到高空200 hPa基本為負(fù)值上升運動，600 hPa有-2.0 Pa/s的負(fù)值中心，400 hPa有-2.5 Pa/s的負(fù)值中心，南支槽前有明顯上升運動，開展增雨作業(yè)具備良好的動力條件。

圖1 2020年1月4日08時(a)500 hPa高空圖，(b)700 hPa高空圖，(c)700 hPa水汽通量和水汽通量散度，(d)沿25°N剖面的垂直速度Fig.1 Upper chart of 500 hPa(a)，upper chart of 700 hPa(b)，vapor flux and vapor flux divergence of 700 hPa(c)，vertical velocity along 25° N profile(d)at 8∶00 on 4 January，2020

1.2 影響區(qū)和對比區(qū)的設(shè)置

根據(jù)本次實驗過程主要影響天氣系統(tǒng)的移向和高空引導(dǎo)氣流的方向，把影響區(qū)設(shè)置在大理市大理鎮(zhèn)A區(qū)(圖2)，對比區(qū)設(shè)在增雨作業(yè)點西北洱源縣鳳羽鎮(zhèn)B區(qū)(圖2)，東西長30 km，南北長20 km，面積約600 km2。圖中五角星為作業(yè)點位置，從南向北依次是陽和作業(yè)點，雙陽作業(yè)點和鳳羽作業(yè)點，激光雨滴譜儀及雨量站均設(shè)置在作業(yè)點處。

圖2 影響區(qū)與對比區(qū)分布Fig.2 Distribution of influence area and contrast area

1.3 作業(yè)條件的選擇

1.3.1 天氣條件

本次試驗過程作業(yè)天氣條件為南支槽。

1.3.2 引導(dǎo)氣流的方向

500 hPa高空風(fēng)向為作業(yè)云引導(dǎo)風(fēng)向，規(guī)定500 hPa風(fēng)向為西風(fēng)或西南風(fēng)時適合作業(yè)。

1.3.3 作業(yè)云的回波參數(shù)

由設(shè)在大理市鳳儀鎮(zhèn)文筆山的新一代天氣雷達(dá)(CINRAD/CC)提供作業(yè)云的回波參量，規(guī)定回波達(dá)到25 dBZ，回波頂高大于5.0 km以上條件時適合火箭作業(yè)。

2 增雨試驗雨滴譜特征

2.1 雨滴譜數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

因受設(shè)備本身硬件限制和觀測環(huán)境影響，OTT Parsivel2激光雨滴譜儀觀測數(shù)據(jù)有時會出現(xiàn)粒徑很小但速度很高(邊緣效應(yīng))、粒徑較大但速度偏低(風(fēng)和濺散效應(yīng))現(xiàn)象，這些異常觀測結(jié)果會對計算的降水微物理特征參量尤其譜分布產(chǎn)生影響。因此，對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行以下質(zhì)量控制：對于粒子數(shù)<20個和雨強(qiáng)I<0.001 mm·min-1的樣本(多是儀器噪聲導(dǎo)致)予以剔除。

根據(jù)粒子直徑D與粒子下落最大速度v的經(jīng)驗關(guān)系曲線式[10](1)將觀測速度值偏離經(jīng)驗曲線計算值60%的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

v(D)= 9.65-10.3exp(-0.6D)

(1)

考慮粒子大小對采樣面積造成的誤差，根據(jù)有效采樣面積修正公式[11](2)對采樣面積進(jìn)行訂正：

S=Length×(Width-Di/2)

(2)

式中：Length和Width分別是激光束的標(biāo)準(zhǔn)長度和寬度，即180 mm和30 mm；Di是第i檔的平均直徑；S是考慮降水粒子大小影響后的有效采樣面積。

雨滴在下落過程中變形對觀測造成的誤差，根據(jù)雨滴形變修正公式(3)[11]進(jìn)行訂正：

(3)

式中：D是雨滴等效球形直徑；Dpar是雨滴譜儀測得的雨滴直徑。

2.2 增雨作業(yè)情況

本次試驗過程采用BL-2型增雨火箭，發(fā)射方向均為西南，即系統(tǒng)來向，仰角均為55°，根據(jù)該型火箭彈道數(shù)據(jù)得知，催化劑播撒起點射高2.35 km，射程1.87 km；播撒終點射高3.03 km，射程3.19 km。2020年1月4日洱海流域火箭增雨作業(yè)情況見表1。

表1 2020年1月4日洱海流域人工增雨作業(yè)情況Tab.1 Artificial rain increase operation situation in Erhai Basin

2.3 人工催化對雨滴譜特征量的影響

根據(jù)火箭增雨作業(yè)前后雨滴譜分布的變化來評估增雨效果，在大理(作業(yè)區(qū))和洱源(對比區(qū))分別設(shè)立雨滴譜采集點，共獲取雨滴譜720份(4 h×60 min×3雨滴譜儀)。通過對催化前后雨滴譜特征量的比較，包括含水量、雨滴空間濃度、雨滴平均直徑，以及計算雨強(qiáng)等，分析增雨催化對雨滴譜特征量的影響。

表2是陽和、雙陽兩個作業(yè)點作業(yè)前后兩個雨滴譜分鐘數(shù)據(jù)，可以看出4次作業(yè)中雨滴譜反演含水量、空間濃度、平均直徑及雨強(qiáng)等特征量催化作業(yè)后都較催化前有所增加，僅有雙陽、陽和各1次的空間濃度略有降低，原因與其平均直徑增大有關(guān)。

表2 催化對雨滴譜特征量的影響Tab.2 Effect of catalysis on the characteristic quantity of raindrops spectrum

按雨滴譜的直徑大小，將雨滴分為大、中、小3個等級，其中將直徑d<0.6 mm的液滴劃分為小滴，中滴為直徑0.6 mm≤d<2.0 mm，大滴直徑d≥2.0 mm。通過3個等級的液滴特征量的變化(表3)，描述催化作業(yè)對雨滴譜影響的物理意義。

表3 催化對不同大小雨滴譜特征量的影響Tab.3 The influence of catalysis on the spectral characteristics of different sizes

表中可以看出，陽和作業(yè)點兩次作業(yè)催化后大滴、中滴的各項特征量較之催化前均有增大，其中以大滴的增加尤為顯著，而小滴各特征量則均有減少。雙陽作業(yè)點兩次催化后中滴、小滴各特征量均有顯著增加，且以中滴增加較為顯著，究其原因是催化劑增加云中凝結(jié)核，使水汽凝結(jié)碰并，最終表現(xiàn)為中、大滴濃度增加，小滴濃度減小。根據(jù)表中雨強(qiáng)及其權(quán)重可以看出，中、大雨滴對于雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)超小滴，同樣反映出人工催化增雨可減少小粒子濃度和增加大粒子濃度這一物理現(xiàn)象。

以影響區(qū)第2次作業(yè)(作業(yè)時間為11∶05)為例，對比分析同時間段對比區(qū)鳳羽作業(yè)點雨滴譜分布特征，圖3是影響區(qū)(陽和點、雙陽點)和對比區(qū)(鳳羽點)作業(yè)前后半小時平均雨滴譜分布，a為作業(yè)前半小時平均雨滴譜，b為作業(yè)后半小時平均雨滴譜。

作業(yè)前半小時(圖3a)，3地雨滴譜均呈現(xiàn)出單峰結(jié)構(gòu)，且波峰均在0.437 mm直徑處。1 mm以下粒子數(shù)濃度以鳳羽點最大，1 mm以上粒子濃度陽和、雙陽則略大于鳳羽點，而譜寬雙陽、陽和則小于鳳羽一個直徑檔。作業(yè)后半小時(圖3b)，陽和、雙陽兩處0.6 mm以下小粒子濃度顯著降低，0.6～2.0 mm中等粒子濃度則明顯增加，尤以雙陽點增加最顯著，且兩地滴譜均由作業(yè)前的單峰轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰結(jié)構(gòu)。對比區(qū)鳳羽點滴譜峰值粒子直徑增加至0.687 mm，但滴譜分布結(jié)構(gòu)與作業(yè)前一樣，譜寬則小于陽和、雙陽一個直徑檔。從作業(yè)前后半小時的平均雨滴譜分布同樣可以看出，人工催化增雨使得云中小粒子濃度將小，中等和大粒子數(shù)濃度增加。

圖3 陽和、鳳羽作業(yè)點人工增雨前后雨滴譜變化Fig.3 The change of raindrop spectrum before and after artificial rainfall in Yanghe and Fengyu

3 結(jié)論

(1)對2020年1月4日洱海流域一次降雨過程進(jìn)行人工增雨試驗方案設(shè)計，受南支槽影響，500 hPa風(fēng)向為西風(fēng)或西南風(fēng)時開展作業(yè)。選取適合的作業(yè)區(qū)與對比區(qū)，對比區(qū)應(yīng)位于作業(yè)區(qū)上風(fēng)方，避免對比區(qū)遭受催化劑污染，

(2)通過催化對雨滴譜特征量的影響分析，4次增雨作業(yè)中雨滴譜反演含水量、空間濃度、平均直徑及雨強(qiáng)等特征量在催化作業(yè)后都較催化前有增加，陽和、雙陽作業(yè)點第1次作業(yè)空間濃度略有降低，與其平均直徑增大有關(guān)。

(3)通過催化對不同大小雨滴譜特征量的影響分析，陽和、雙陽作業(yè)點4次作業(yè)催化后大滴、中滴的各項特征量較之催化前均有增大，其中以大滴和中滴的增加尤為顯著，而小滴各特征量則均有減少。

(4)分析影響區(qū)第二次作業(yè)前后半小時及對比區(qū)同時段平均雨滴譜分布特征，可以看出影響區(qū)作業(yè)后雨滴譜中等及大粒子濃度顯著增加，小粒子濃度顯著減小，譜分布特征由單峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為雙峰結(jié)構(gòu)，譜寬略有增大。而對比區(qū)同時間段滴譜均以小粒子為主，均為單峰結(jié)構(gòu)。

綜上所述，通過人工播撒催化劑增加云中凝結(jié)核，使云中水汽凝結(jié)和碰并，小粒子濃度減小，中等及大粒子濃度增加，符合人工增雨的微物理理論。