一次飛機(jī)冷云增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)*

岳治國 余 興 劉貴華,3 王 瑾,3 戴 進(jìn),3 李金輝,3

1. 陜西省人工影響天氣中心，西安，710016

2. 陜西省氣象科學(xué)研究所，西安，710016

3. 秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安，710016

1 引 言

隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)大及氣候變化加劇，水資源短缺等問題日益嚴(yán)重，中國各級(jí)政府非常重視人工增雨工作，近年來發(fā)展迅速，作業(yè)規(guī)模和投入均居世界首位。中國飛機(jī)人工增雨作業(yè)對象主要為層狀冷云，每年作業(yè)近千架次，但總體科學(xué)水平不高（洪延超等，2012；雷恒池等，2008；郭學(xué)良等，2019；段婧等，2017）。增雨效果始終是人工影響天氣工作必須回答的問題，但一直沒有得到很好解決。增雨效果檢驗(yàn)常用方法有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)（劉晴等，2013）、數(shù)值模擬檢驗(yàn)（劉衛(wèi)國等，2021；劉香娥等，2021）等。由于成云致雨過程的復(fù)雜性和地面降水的隨機(jī)性，最常用的增雨效果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)大都沒有定論（Haupt，et al，2018）。對一次人工增雨作業(yè)而言，科學(xué)地給出令人信服的效果檢驗(yàn)結(jié)果更是沒有好的解決方案。

自然云降水過程涉及巨大的能量交換，這意味著通過改變云系的質(zhì)量或能量平衡來增強(qiáng)降水是不可行的，人工影響天氣主要針對云降水微物理過程施加影響（毛節(jié)泰等，2006），冷云增雨是利用冰面飽和水汽壓低于水面飽和水汽壓、水汽在冰晶上快速凝華增長的特點(diǎn)，在云中過冷云水區(qū)播撒催化劑（AgI或致冷劑）產(chǎn)生冰晶，經(jīng)一系列冰相增長過程和繁生機(jī)制，形成降水粒子，降落到地面達(dá)到增加降水的目的。因此，有效果的冷云增雨作業(yè)，在播撒區(qū)會(huì)形成冰晶等大粒子，如果出現(xiàn)在云頂就會(huì)被氣象衛(wèi)星觀測到，雷達(dá)也應(yīng)能發(fā)現(xiàn)由于催化形成的大粒子而增強(qiáng)的回波。

French等（2018）和Tessendorf等（2019）使用地面雷達(dá)、機(jī)載云雷達(dá)和云物理探測等設(shè)備，開展冬季地形云人工增雪觀測試驗(yàn)，取得了許多新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了三次從播撒人工冰核到核化、冰晶生長再降到地面的完整微物理過程鏈。針對這三次增雪試驗(yàn)，F(xiàn)riedrich等（2020）從自然降水回波中分離出了人工增雪催化產(chǎn)生的回波，使用等效雷達(dá)回波反射率因子和降雪量的關(guān)系（Ze-S）定量估算增雪量，分析人工增雪量的時(shí)、空演變。

早在1963年，河北省氣象局（1973）對層狀冷云實(shí)施干冰催化后，在雷達(dá)PPI回波上就發(fā)現(xiàn)了與飛機(jī)航跡平行的條狀雷達(dá)回波，猜測與飛機(jī)催化有關(guān)。2000年3月14日業(yè)務(wù)增雨飛機(jī)在陜西省境內(nèi)實(shí)施AgI播云后，NOAA-14/AVHRR衛(wèi)星觀測到一條出現(xiàn)在云頂?shù)那逦劬€云跡（飛機(jī)催化航跡上云頂塌陷，航跡內(nèi)云頂溫度高于周邊云頂溫度，也稱“云溝”），形狀與飛機(jī)播云航線相似。通過衛(wèi)星云微物理特征反演、催化劑輸送擴(kuò)散模擬等多方面對比分析，證實(shí)云跡是播云物理效應(yīng)在云頂?shù)闹庇^反映（Rosenfeld，et al，2005；Yu，et al，2005；戴進(jìn)等，2006；余興等，2005），這是首次在衛(wèi)星云圖上觀測到冷云催化的物理響應(yīng)。近年來，中國也發(fā)現(xiàn)AgI催化使過冷水滴數(shù)濃度降低、冰晶尺度增大和數(shù)濃度升高，衛(wèi)星云圖顯示其云頂塌陷和云頂溫度升高（Dong，et al，2020）。遺憾的是，這些產(chǎn)生明顯云物理響應(yīng)的增雨個(gè)例都沒有連續(xù)觀測的數(shù)字化雷達(dá)數(shù)據(jù)，無法追蹤催化云體的時(shí)、空演變，未能定量估算地面增雨量。

2017年3月19日陜西省飛機(jī)冷云增雨作業(yè)后，在FY-3C衛(wèi)星云圖上再次出現(xiàn)了催化“云溝”，氣象雷達(dá)也完整記錄了催化云系的演變（Wang，et al，2021）。針對此次增雨過程，本研究給出了一種基于物理檢驗(yàn)的增雨定量估算新方法，即分離人工增雨產(chǎn)生的邊界清晰的降雨區(qū)域和識(shí)別自然降水量，使用激光雨滴譜儀和雷達(dá)數(shù)據(jù)定量估算一次飛機(jī)作業(yè)的增雨量。

2 飛機(jī)增雨個(gè)例、資料和方法

2.1 飛機(jī)增雨

2017年3月19日業(yè)務(wù)增雨飛機(jī)燃燒AgI焰劑對陜西關(guān)中盆地西部的層狀冷云實(shí)施催化作業(yè)，02時(shí)41分—03時(shí)14分（世界時(shí)，下同）在海拔3200—3975 m高度實(shí)施催化，播撒線總長125 km （圖1藍(lán)線），共播撒AgI 750 g，平均播撒率為0.368 g/s。19日00時(shí)涇河站探空數(shù)據(jù)顯示3950 m高度層溫度為-10.3℃，風(fēng)速9 m/s、西南風(fēng)（圖1b）。

2.2 雷達(dá)資料

西安涇河C波段業(yè)務(wù)多普勒天氣雷達(dá)位于（34.43°N，108.97°E）（圖1），海拔高度459 m，6 min完成一次體掃，最大探測距離為400 km，徑向分辨率為500 m，最低掃描仰角為0.5°。雷達(dá)體掃反射率經(jīng)孤立點(diǎn)剔除、噪聲消除等質(zhì)量控制后，插值得到水平格距為500 m、垂直格距為200 m的格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

飛機(jī)增雨作業(yè)后，雷達(dá)回波增強(qiáng)區(qū)域（增雨影響回波）與自然云降水回波一起持續(xù)向東北方向移動(dòng)，移速8.55 m/s。增雨作業(yè)影響回波經(jīng)過的最高地形海拔為1800 m，為了減少地物回波的干擾，且考慮到越接近地面的雷達(dá)回波強(qiáng)度與地面降雨量（Z-I關(guān)系）相關(guān)關(guān)系越好，故采用海拔1800 m等高度面雷達(dá)數(shù)據(jù)（CAPPI），建立Z-I擬合關(guān)系，計(jì)算地面增雨量。

2.3 雨滴譜資料

西安涇河雷達(dá)站距離淳化和銅川站的直線距離分別為57和69 km，淳化距離銅川站54 km（圖1）。淳化和銅川氣象站分別布設(shè)了1部OTTParsivel型激光雨滴譜儀，采樣頻率為60 s。3月19日00—08時(shí)，淳化和銅川氣象站出現(xiàn)間歇性小雨，激光雨滴譜儀連續(xù)記錄了降雨發(fā)生時(shí)間和雨滴大小。

圖1 2017年3月19日陜西增雨飛機(jī)航跡 （a）、播撒路線高度 （b） （增雨飛機(jī)在綠色AB段起飛爬升，藍(lán)色BC段 （02時(shí)41分—03時(shí)14分） 播撒AgI，紫色CA段返航；（b） 中藍(lán)色風(fēng)標(biāo)表示播撒高度3950 m層風(fēng)向和風(fēng)速，1個(gè)長風(fēng)向桿代表4 m/s）Fig.1 Flight track （a） and seeding route （b） of the operational precipitation enhancement by aircraft on 19 March 2017 in Shaanxi province （The aircraft took off and climbed from A to B （green），seeded AgI from B to C （blue，02:41—03:14 UTC）and returned from C to A （purple）；the blue wind barb in （b） indicates the wind direction and wind speed at 3950 m height （a full wind barb represents 4 m/s））

3 增雨物理響應(yīng)

3.1 雷達(dá)回波演變

增雨飛機(jī)在02時(shí)41分（圖1的B點(diǎn)）開始播撒AgI，18 min后（02時(shí)59分）的雷達(dá)組合反射率圖上已觀測到與移動(dòng)后播云航線位置一致的增雨影響回波（長13.4 km、10—15 dBz，圖2a）。隨后，增雨影響回波在移動(dòng)過程中變長增寬（圖2c、e、g）。沿著回波移動(dòng)方向、經(jīng)過淳化站的回波強(qiáng)度剖面（圖2b、d、f、h）顯示，增雨影響回波最初在飛機(jī)播撒高度出現(xiàn)，逐漸向下發(fā)展到達(dá)地面。04時(shí)47分，大于15 dBz的增雨影響回波寬度超過15 km（圖2g）。增雨影響回波向東北方向移動(dòng)100 km后，在06時(shí)35分后逐漸減弱消散。02時(shí)36分—07時(shí)14分每6 min間隔的雷達(dá)組合反射率和垂直剖面動(dòng)畫可詳見Wang等（2021）。

圖2 涇河雷達(dá)組合反射率回波和回波強(qiáng)度垂直剖面的時(shí)間演變 （藍(lán)色實(shí)線為飛機(jī)播撒AgI軌跡，紅色點(diǎn)虛線為播撒AgI軌跡當(dāng)前時(shí)刻位置，b、d、f、h分別為a （02時(shí)59分）、c （03時(shí)16 分）、e （03時(shí)27分）、g （04時(shí)47分） 中沿著紅色實(shí)線箭頭位置的剖面回波，紅五星為涇河雷達(dá)站位置，紅色三角為淳化站位置、黑色三角為銅川站位置，見Wang，et al，2021）Fig.2 Temporal evolution of composite radar reflectivity and cross sections of echo at Jinghe radar station （The blue solid line in panels a，c，e and g shows the seeding track，and the red dotted line is the seeding track at time of 02:59 UTC，03:16 UTC，03:27 UTC and 04:47 UTC. The panels b，d，f and h are the cross sections of radar echo along the red solid arrow in each panel. The red five-star is the location of Jinghe radar station，the red triangle is the location of Chunhua station，and the black triangle is the location of Tongchuan station （Wang，et al，2021））

3.2 衛(wèi)星“云溝”

飛機(jī)增雨作業(yè)結(jié)束后，在03時(shí)30分的FY-3C/VIRR衛(wèi)星多光譜彩色合成圖上，催化航跡的北部紅色虛線位置觀測到催化產(chǎn)生的“云溝”（圖3），這與圖2e中雷達(dá)組合反射率強(qiáng)度（03時(shí)27分）上發(fā)現(xiàn)增雨作業(yè)增強(qiáng)了雷達(dá)回波強(qiáng)度（紅色虛線位置）位置一致（Wang，et al，2021）。

圖3 2017年3月19日03時(shí)30分FY-3C/VIRR衛(wèi)星云微物理彩色圖上的“云溝” （RGB合成時(shí)紅色R為0.6 μm通道可見光反射率，綠色G為1.6 μm通道可見光反射率，藍(lán)色B為10.8 μm通道亮溫溫度；藍(lán)色實(shí)線和紅色點(diǎn)虛線同圖2；Wang，et al，2021）Fig.3 Sinked cloud top on the RGB composite image of FY-3C/VIRR satellite at 03:30 UTC 19 March 2017（R，G and B are 0.6 μm （red） and 1.6 μm （green） reflectance and 11 μm brightness temperature （blue）； the blue solid line and the red dotted line are the same as in Fig.2 （Wang，et al，2021））

3.3 地面雨滴譜演變

在雷達(dá)組合反射率圖上，根據(jù)回波強(qiáng)度大于15 dBz的增雨影響回波經(jīng)過測站的時(shí)間，可確定增雨影響回波經(jīng)過淳化和銅川站的時(shí)間分別為03時(shí)25—35分和04時(shí)32分—05時(shí)11分，過測站時(shí)的回波強(qiáng)度比經(jīng)過前和經(jīng)過后增強(qiáng)10 dBz左右（圖4a、b）（Wang，et al，2021）。03時(shí)30分，淳化站的組合反射率達(dá)到最大值26 dBz。由于高空的增強(qiáng)回波降落到地面存在時(shí)間差，2 min后（03時(shí)32分）淳化激光雨滴譜儀數(shù)據(jù)計(jì)算的地面雨強(qiáng)達(dá)到了0.35 mm/h的峰值（圖4a）。增雨影響回波經(jīng)過測站時(shí)，淳化站雨滴數(shù)濃度和雨滴直徑增大明顯（圖4c）。由于云中過冷水經(jīng)過100多分鐘消耗，盡管增雨影響回波使銅川站地面雨滴數(shù)濃度出現(xiàn)升高，但雨滴直徑變化不明顯（圖4d）。

圖4 雷達(dá)組合反射率回波強(qiáng)度 （a和b黑實(shí)線）、雨滴譜數(shù)據(jù)計(jì)算的雨強(qiáng) （a和b黑虛線） 和雨滴譜演變 （a、c. 淳化，b、d. 銅川；增雨前、增雨、增雨后的時(shí)間段根據(jù)回波強(qiáng)度大于15 dBz的增雨影響回波經(jīng)過測站的時(shí)間確定；Wang，et al，2021）Fig.4 Evolution of composite reflectivity from Jinghe radar，rain intensity calculated by raindrop spectrum data and raindrop spectrum （a，c. Chunhua，b，d. Tongchuan；the time ranges of pre-seed，seed and post-seed are determined according to the time of echo affected by precipitation enhancement passing through the station with echo greater than 15 dBz （Wang，et al，2021））

由以上分析可見，雷達(dá)回波增強(qiáng)帶、增雨影響回波在垂直方向的演變、衛(wèi)星云圖“云溝”位置和地面雨滴譜數(shù)據(jù)變化都與飛機(jī)催化航跡相對應(yīng)。多種數(shù)據(jù)如此一致地觀測到催化云體的物理響應(yīng)，不可能是層狀云自然變率造成的，可以確認(rèn)這是過冷層云對飛機(jī)播撒AgI的物理響應(yīng)（Wang，et al，2021）。

4 分離增雨影響回波和背景回波

4.1 單站增雨影響回波

由于增雨影響回波是人工催化效應(yīng)增強(qiáng)的回波（增雨回波）和背景回波（自然降水回波）的綜合體現(xiàn)，從增雨影響回波中得到增雨回波是人工增雨效果檢驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將0.5°仰角上增雨影響回波經(jīng)過測站前后時(shí)刻的回波強(qiáng)度近似作為自然降水回波的起止（圖5紅色圈），然后線性插值得到對應(yīng)的自然降水回波強(qiáng)度（圖5藍(lán)線，增雨影響回波之外都為自然回波）。增雨影響后回波強(qiáng)度減去自然降水回波強(qiáng)度，就可近似得到增雨回波強(qiáng)度（圖5紅線）。

圖5 0.5°仰角增雨影響回波 （黑線）、自然降水回波 （藍(lán)線） 和增雨回波 （紅線） 強(qiáng)度的演變（a. 淳化，b. 銅川；增雨前、增雨、增雨后的時(shí)段同圖4）Fig.5 Evolution of reflectivity at 0.5° elevation angle （black），background reflectivity （blue） and enhancement reflectivity（red）（a. Chunhua，b. Tongchuan；the time ranges of pre-seed，seed and post-seed are the same as shown in Fig.4）

4.2 區(qū)域增雨影響回波

為了得到地面增雨的區(qū)域分布，必須從連片雷達(dá)回波中分離出增雨影響回波。從02時(shí)41分開始，飛機(jī)在3950 m高度附近播撒增雨催化劑（AgI），29 min后（03時(shí)10分）在1800 m等高面上出現(xiàn)了增強(qiáng)的條狀雷達(dá)回波（增雨影響回波），一直持續(xù)到268 min后（07時(shí)09分）消失，增雨影響時(shí)間為03時(shí)10分—07時(shí)09分，約為4 h （圖6）。

分析1800 m高度回波CAPPI （圖6a、c、e、g）可知，雖然背景回波與條狀增強(qiáng)帶連成一片，但界限非常清晰。通過跟蹤飛機(jī)播云航跡隨時(shí)間的移動(dòng)，識(shí)別出增雨影響回波，即與航跡對應(yīng)的邊界清晰的條狀回波增強(qiáng)帶，其面積為增雨雷達(dá)回波面積（圖6b、d、f、h），與確定單站增雨方法類似，將緊鄰的未受影響的雷達(dá)回波強(qiáng)度近似平均作為背景回波，例如從圖6a、c、e、g可確定背景回波強(qiáng)度分別為10、12、15、10 dBz。同理，可逐時(shí)次（每6 min）分離整個(gè)時(shí)段的增雨影響回波和得到背景回波強(qiáng)度。

圖6 涇河雷達(dá)1800 m等高面回波強(qiáng)度 （a、c、e、g） 和增雨影響回波 （b、d、f、h）（a和 b為03時(shí)10分初始出現(xiàn)增雨影響回波，c和 d為03時(shí)27分增雨影響回波經(jīng)過淳化氣象站，e 和 f 為04時(shí)47 分增雨影響回波經(jīng)過銅川氣象站，g和 h為07時(shí)09分增雨影響回波最后時(shí)刻；其他同圖2）Fig.6 Radar echoes （a，c，e，g） and enhancement precipitation echoes （b，d，f，h） of Jinghe radar CAPPI at 1800 m altitude（a and b are the initial enhancement precipitation echoes at 03:10 UTC， c and d are the echoes at 03:27 UTC when they passed Chunhua station， e and f are the echoes at 04:47 UTC when they passed Tongchuan station，g and h are the end time of echoes at 07:09 UTC； others are the same as that in Fig.2）

5 建立Z-I擬合關(guān)系

為了更加準(zhǔn)確地用雷達(dá)回波計(jì)算雨量，采用這次增雨作業(yè)雷達(dá)和雨滴譜觀測資料，建立雷達(dá)反射率因子和降雨強(qiáng)度（Z-I）的擬合關(guān)系。

用雨滴譜計(jì)算降雨強(qiáng)度（I）的公式為

式中，Di為第i檔的雨滴直徑（單位：mm），vi為第i直徑檔雨滴下落速度（單位：m/s），N（Di）為第i個(gè)直徑檔雨滴數(shù)濃度，I單位為mm/h。N（Di）為

式中，Nij為雨滴譜第i個(gè)直徑檔、第j個(gè)速度檔的雨滴數(shù)濃度，nij為60 s內(nèi)第i個(gè)直徑檔、第j個(gè)速度檔的雨滴個(gè)數(shù)（單位：個(gè)/m3），vj為第j個(gè)速度檔雨滴下落速度（單位：m/s）。

雷達(dá)反射率因子（Z）的計(jì)算公式為

式中，Z的單位為mm6/m3。

結(jié)合式（1）和式（4），得到Z-I擬合關(guān)系式為

式中，a、b分別為擬合系數(shù)。

通過對增雨雷達(dá)回波和背景回波演變分析發(fā)現(xiàn)，02時(shí)53分—05時(shí)降水云系經(jīng)過淳化站，取得雨滴譜樣本共118份。03時(shí)21分—06時(shí)降水云系經(jīng)過銅川站，取得雨滴譜樣本共126份。分別使用淳化和銅川站的雨滴譜資料，計(jì)算得到兩組Z和I（圖7），建立兩個(gè)Z-I擬合關(guān)系式（圖7紅線）分別為

圖7 淳化 （a） 和銅川 （b） 氣象站雨滴譜計(jì)算雷達(dá)反射率因子 （Z） 和降雨強(qiáng)度 （I） 的散點(diǎn)分布（a和b中紅色曲線分別為用式（6） 和 （7） 擬合結(jié)果）Fig.7 Scatter plots of rainfall intensity I and radar reflectivity factor Z calculated by raindrop spectrum at Chunhua （a） and Tongchuan （b） station （The red curves in （a） and （b） are the fitting results using Eqs.（6） and （7），respectively）

式中，I1為淳化站Z-I關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)為0.87；I2為銅川站Z-I關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)為0.94。

6 增雨量的時(shí)、空分布和增雨總量

首先比較兩個(gè)擬合關(guān)系式對增雨量計(jì)算的代表性。用雨滴譜計(jì)算的I作為實(shí)測值，分析淳化站（02時(shí)53分—05時(shí)）、銅川站（03時(shí)21分—06時(shí)）測量值（I）與用式（6）和（7）估算雨強(qiáng)I1、I2的散點(diǎn)分布（圖8）可知，式（6）結(jié)果總體大于測量值。這是由于淳化站處在增雨影響回波的初期，云體過冷水含量充沛，催化效應(yīng)產(chǎn)生了較多的大雨滴落到地面，導(dǎo)致擬合公式偏向較大雨強(qiáng)。

圖8 淳化 （a） 和銅川站 （b） 實(shí)測雨強(qiáng) （I） 和計(jì)算雨強(qiáng) （I1、I2） 的散點(diǎn)分布Fig.8 Scatter plots of measured rainfall intensity （I） and calculated rainfall intensity （I1 and I2） at Chunhua （a） and Tongchuan （b） stations

增雨回波對應(yīng)的地面雨量是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。通過進(jìn)一步分析可知增雨雷達(dá)回波經(jīng)過淳化站（03時(shí)25—35分）時(shí)式（6）和（7）估算雨量的平均相對誤差為46%和41%，經(jīng)過銅川站（04時(shí)32分—05時(shí)11分）時(shí)估算雨量平均相對誤差都為16%（表略），擬合關(guān)系式（7）計(jì)算結(jié)果總體上更接近實(shí)測值，故文中采用擬合關(guān)系式（7）計(jì)算降雨量。

首先，對增雨影響回波強(qiáng)度和背景回波強(qiáng)度分別應(yīng)用關(guān)系式（7），得到單個(gè)時(shí)次增雨影響區(qū)每個(gè)位置的總降水雨強(qiáng)和自然降水雨強(qiáng)，再計(jì)算增雨影響區(qū)內(nèi)6 min總的降水量和自然降水量，總降水量減去自然降水量為增雨量。然后，在增雨影響時(shí)段（03時(shí)10分—07時(shí)09分），逐次重復(fù)上述過程，得到每個(gè)時(shí)次的總降雨量、自然降雨量和增雨量（圖9）。分析圖9可知，總降雨量、增雨量、增雨影響回波面積、自然降雨量隨時(shí)間先增后減?？偨涤炅糠逯蹬c增雨量峰值同步，早于自然降雨峰值，說明增雨作業(yè)改變了降雨隨時(shí)間的變化，降雨極值出現(xiàn)時(shí)間提前，促進(jìn)降雨發(fā)生。增雨量在催化后146 min （04時(shí)47分）達(dá)最大4.9×104m3。增雨影響回波面積在催化后174 min （05時(shí)15分）達(dá)到最大（1711 km2），面積峰值滯后增雨量峰值出現(xiàn)。另外，催化后180 min（05時(shí)21分），自然降雨量大于增雨量，也就是說，作業(yè)3 h后，增雨作用小于自然降雨。

圖9 增雨影響回波產(chǎn)生的地面總降雨量、云體自然降雨量、增加雨量和增雨面積的時(shí)間演變Fig.9 Temporal evolution of total surface precipitation，natural precipitation，artificial precipitation enhancement and affected area during the seeding

增雨影響時(shí)段，逐次將增雨影響回波投影到地面得到增雨影響區(qū)（圖10a），其面積為5448 km2。在增雨影響區(qū)內(nèi)，逐次分別疊加自然降雨量、總降雨量、增雨量，得到相應(yīng)的空間分布（圖10b—d）。分析圖10可知，增雨影響區(qū)位于播撒線下游，呈條帶狀，與播撒結(jié)束時(shí)形成的播撒線平行，影響區(qū)形狀與播撒線相關(guān)；增雨影響區(qū)內(nèi)總降雨量空間分布為中間大邊緣小，高值區(qū)位于淳化北部和耀州地區(qū)，與增雨量空間分布一致，而與自然降雨分布關(guān)聯(lián)性不大，說明增雨改變了降雨空間分布。計(jì)算得到增雨影響區(qū)總降雨總量和增雨總量分別為1.518×106m3和8.04×105m3，影響區(qū)內(nèi)增雨率達(dá)53%。

圖10 增雨影響區(qū) （a）、累計(jì)總降雨量 （b）、自然降雨 （c） 和人工增加降雨 （d） 的空間分布 （藍(lán)色實(shí)線和紅色點(diǎn)虛線同圖2）Fig.10 Spatial distributions of areas affected by precipitation enhancement （a），cumulative total precipitation （b），natural precipitation （c） and artificial precipitation enhancement （d）（The blue solid line and the red dotted line are the same as that shown in Fig.2）

7 結(jié)論和討論

增雨作業(yè)成功的基本指標(biāo)是觀測到地面降雨量超過預(yù)期的自然降雨量。當(dāng)前，從自然降雨的變化中直接探測人工催化增加的降雨量仍然具有極大的難度。針對這一難題，文中提出了利用雷達(dá)回波和雨滴譜數(shù)據(jù)計(jì)算地面增雨量的方法，對一次飛機(jī)冷云增雨作業(yè)進(jìn)行了增雨量定量估算，得到主要結(jié)論如下：

（1）增雨影響時(shí)間約4 h，影響區(qū)面積為5448 km2。該區(qū)總降雨總量和增雨總量分別為1.518×106m3和8.04×105m3，增雨影響區(qū)內(nèi)增雨率達(dá)53%。

（2）總降雨強(qiáng)度、增雨強(qiáng)度、自然降雨強(qiáng)度隨時(shí)間先增后減，總降雨強(qiáng)度峰值與增雨強(qiáng)度峰值同步，早于自然降雨雨強(qiáng)峰值；增雨影響區(qū)位于播撒線下游，呈條帶狀，與播撒線有關(guān)，區(qū)域內(nèi)總降雨量空間分布為中間大邊緣小，與增雨量空間分布一致。說明此次增雨作業(yè)改變了降雨時(shí)、空分布，促進(jìn)降雨形成，增加了地面降雨量。

增雨率不是一個(gè)固定量，對于不同云系、不同作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)部位都有所不同，僅對這次作業(yè)而言，增雨影響區(qū)內(nèi)增雨率達(dá)53%。增雨率計(jì)算還存在許多不確定性，例如，位于淳化與銅川之間海拔高度為1500—1800 m的黃土高原溝壑縱橫，對云系發(fā)生、發(fā)展可能產(chǎn)生不同影響；天氣系統(tǒng)和云系自身發(fā)展演變，Z-I擬合關(guān)系式的誤差等因素，都會(huì)影響增雨率計(jì)算。

本研究呈現(xiàn)了一次增雨云系從產(chǎn)生地面降雨到消散的完整過程，盡管只是一次飛機(jī)增雨個(gè)例，卻是基于增雨物理效應(yīng)檢驗(yàn)的增雨定量估算，這些結(jié)果向著定量評(píng)估增雨效果邁出了關(guān)鍵一步。利用文中提出的增雨定量評(píng)估方法，可對其他的增雨作業(yè)個(gè)例開展效果評(píng)估，這對提高中國人工增雨效果評(píng)估的科學(xué)水平具有重要的推動(dòng)作用。

此方法應(yīng)用時(shí)，需把握兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一是增雨作業(yè)一定要在滿足作業(yè)條件的云體和部位實(shí)施，這樣雷達(dá)和雨滴譜儀才能觀測到相應(yīng)的增雨響應(yīng)；二是作業(yè)云體會(huì)隨著高空氣流移動(dòng)，應(yīng)追蹤作業(yè)云體的時(shí)、空演變，準(zhǔn)確分離增雨影響區(qū)，以及確定增雨影響區(qū)的自然降雨回波強(qiáng)度。

此方法能較好地回答增雨作業(yè)的增雨總量、影響時(shí)間、影響面積等問題，遺憾的是沒有更多觀測資料（增雨響應(yīng)）支持新方法的應(yīng)用。目前，中國已經(jīng)建成較完備的雷達(dá)和雨滴譜觀測網(wǎng)（每個(gè)地面氣象站布設(shè)了激光雨滴譜儀），文中結(jié)果就是基于常規(guī)氣象觀測網(wǎng)取得的，因此，現(xiàn)有氣象觀測網(wǎng)基本可以滿足飛機(jī)增雨效果檢驗(yàn)要求。應(yīng)用新方法檢驗(yàn)增雨效果，必須滿足的條件是雷達(dá)和雨滴譜儀觀測到增雨響應(yīng)，這里還存在許多亟待解決的科學(xué)問題，今后仍需不斷探索。

致 謝：本研究得到南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院楚志剛博士在涇河雷達(dá)基數(shù)據(jù)處理方面的幫助，使用了風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http://satellite.nsmc.org.cn）提供的FY-3C數(shù)據(jù)，在此一并表示感謝。