寧夏六盤山區(qū)一次人工增雨條件觀測分析和效果評估

常倬林，黨張利，賈 樂，曹 寧，鄧佩云，周 楠

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002；2.中國氣象科學(xué)研究院中國氣象局云霧物理重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

引言

西北地區(qū)東部位于我國內(nèi)陸，由于降水稀少，蒸發(fā)較強(qiáng)烈，所以水資源短缺，生態(tài)環(huán)境相對脆弱［1］。六盤山是一條近似南北走向的山脈，六盤山區(qū)位于寧夏南部，是寧夏最主要的多雨中心，年降水量可以達(dá)到600mm 以上［2-3］，在六盤山地區(qū)開展人工增雨作業(yè)以及多種儀器綜合觀測分析，有利于進(jìn)一步掌握增雨作業(yè)效果和降水特征，為開發(fā)六盤山區(qū)云水資源，解決西北地區(qū)東部水資源短缺問題提供重要依據(jù)［4-6］。在降水過程觀測分析方面，很多學(xué)者通過特種觀測設(shè)備或探空數(shù)據(jù)、再分析資料等數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到降水過程中各種特征參量的變化或降水產(chǎn)生的成因［7-10］。李強(qiáng)等［11］利用區(qū)域自動站資料、再分析資料、多普勒雷達(dá)資料以及FY-2G 靜止衛(wèi)星逐小時(shí)紅外亮溫資料，對六盤山地區(qū)的一次暴雨過程進(jìn)行了詳細(xì)的診斷分析。白婷、田萬順等［12-13］利用再分析資料、衛(wèi)星、雷達(dá)及飛機(jī)等探測資料，對河南一次降水過程中的人工增雨作業(yè)條件進(jìn)行了綜合分析。李寶東等［14］利用飛機(jī)探測資料與衛(wèi)星、雷達(dá)以及探空等資料結(jié)合分析，對一次層狀云增雪作業(yè)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行探討，并給出了微物理參量以及衛(wèi)星、雷達(dá)等資料在人工影響天氣作業(yè)中的應(yīng)用。楊云蕓等［15］利用風(fēng)云衛(wèi)星觀測資料和再分析資料對主汛期湖南一次強(qiáng)降雨過程進(jìn)行分析和降水成因的探討。本文針對一次降水天氣過程，利用微波輻射計(jì)、三維風(fēng)速儀、云雷達(dá)以及微雨雷達(dá)等特種觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合分析，對該降水情況下的水汽場、動力場和微物理場特征進(jìn)行探究，同時(shí)對人工地面火箭增雨作業(yè)的增雨效率進(jìn)行評估，有利于了解降水情況，更有效率地開展人工增雨，緩解干旱。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

使用的資料為2021 年7 月25—28 日500hPa天氣圖、500hPa 及700hPa 高度場和風(fēng)場、海平面氣壓場、500hPa 相對濕度場資料，六盤山西側(cè)隆德站和東側(cè)涇源站微波輻射計(jì)資料，六盤山8 個(gè)梯度站三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀觀測資料，六盤山頂及東西兩側(cè)3 部云雷達(dá)和微雨雷達(dá)觀測資料。

其中六盤山西側(cè)隆德站微波輻射計(jì)使用的是德國RPG-HATPRO-G4 型多通道微波輻射計(jì)，采用并行42 通道設(shè)計(jì)，六盤山東側(cè)涇源站微波輻射計(jì)使用的是中國電子科技集團(tuán)公司第二十二所QFW-6000型，可以探測地面至對流層頂?shù)臏囟取⑾鄬穸?、水汽密度廓線、液態(tài)水廓線、大氣水汽含量和液水路徑等。三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀使用的六盤山大氣科學(xué)野外試驗(yàn)基地建立的8 個(gè)梯度觀測站數(shù)據(jù)，可以測量水平和垂直風(fēng)速與風(fēng)向。云雷達(dá)使用的是西安華騰HT101 型Ka 波段測云儀，可探測20km 內(nèi)非降水云、弱降水云、弱降水等氣象要素的反射率因子、徑向速度、速度譜寬等相關(guān)信息。微雨雷達(dá)使用的是德國MRR-2 型雷達(dá)，可以通過測量多普勒光譜的廓線，獲得雨滴大小分布、下落速度、液態(tài)水含量、雷達(dá)反射率因子、多普勒速率、路徑綜合衰減等信息。

1.2 研究方法

在作業(yè)效果檢驗(yàn)中使用序列分析、區(qū)域?qū)Ρ确治?、雙比分析和區(qū)域歷史回歸分析等統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。在序列分析中不涉及到對比區(qū)，在區(qū)域?qū)Ρ确治?、雙比分析中和區(qū)域歷史回歸分析中，在作業(yè)區(qū)下風(fēng)方向8km 范圍內(nèi)為影響區(qū)，對比區(qū)選擇時(shí)主要基于以下幾個(gè)原則：一是與影響區(qū)為同一天氣系統(tǒng)影響，二是在對比區(qū)上風(fēng)方向且地形地貌相似，三是兩者歷史降水量的相關(guān)系數(shù)在0.8 以上且通過置信度為95%的檢驗(yàn)。

四種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法計(jì)算如表1 所示，R 為相對增雨率，O 為絕對增雨量，其中序列分析法中Y1和Y2為影響區(qū)非作業(yè)期和作業(yè)期實(shí)測降水量，區(qū)域?qū)Ρ确治鲋衁2和X2為影響區(qū)和對比區(qū)作業(yè)期實(shí)測降水量，雙比分析中Y2和Y1為影響區(qū)作業(yè)期和非作業(yè)期實(shí)測降水量，X2和X1為對比區(qū)作業(yè)期和非作業(yè)期實(shí)測降水量，區(qū)域歷史回歸分析法中Y1和Y2為作業(yè)期對比區(qū)根據(jù)回歸方程計(jì)算出來的自然降水量的估計(jì)值和實(shí)測降水量。

表1 4 種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法

2 天氣背景分析

2.1 天氣實(shí)況

7 月25 日夜間到28 日白天六盤山區(qū)出現(xiàn)連續(xù)性降水天氣。其中26 日六盤山區(qū)普降小雨，最大累計(jì)雨量為6.1mm；27 日六盤山區(qū)大部出現(xiàn)雷陣雨或陣雨天氣，西吉縣興隆鎮(zhèn)公易村出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，最大小時(shí)雨強(qiáng)為36.4mm（17 時(shí)）；28 日仍為對流性降水，最大累計(jì)雨量為15.7mm。具體降水量分布見圖2。由于六盤山頂及東西兩側(cè)布設(shè)了微波輻射計(jì)、云雷達(dá)、微雨雷達(dá)等特種觀測儀器，進(jìn)一步分析六盤山西側(cè)隆德站、東側(cè)涇源站、山頂六盤山站25 日20 時(shí)至28 日20 時(shí)逐小時(shí)雨量?？梢钥闯?，六盤山東側(cè)涇源站降水為陣雨，累計(jì)雨量為1.4mm，26 日12—13時(shí)、28 日19 時(shí)三個(gè)時(shí)次出現(xiàn)降水，小時(shí)雨強(qiáng)均小于1mm；六盤山西側(cè)隆德站26 日為層狀云降水，27 日午后出現(xiàn)雷陣雨，16 時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)為10.4mm，28 日為雷陣雨或陣雨，累計(jì)雨量為23mm。

2.2 天氣形勢

7 月26 日08 時(shí)500hPa 位于青藏高原東部的低渦東移影響六盤山區(qū)，六盤山區(qū)轉(zhuǎn)受槽前西南氣流影響，此時(shí)六盤山區(qū)相對濕度＞90%；700hPa 六盤山區(qū)仍為偏北氣流影響，相對濕度在60%左右，有弱冷空氣影響。27 日08 時(shí)500hPa 六盤山區(qū)受東北冷渦槽后西北氣流影響，槽線位于蒙古國東部至內(nèi)蒙中部到陜西西部一帶，上游河西地區(qū)有短波槽東移。700hPa 受臺風(fēng)外圍環(huán)流影響，六盤山區(qū)為東北氣流，上游河西地區(qū)有弱切變。CAPE 值為392J／kg，K 指數(shù)＞30，有不穩(wěn)定能量存在，預(yù)示午后可能出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。28 日08 時(shí)500hPa 六盤山區(qū)仍受東北冷渦槽后西北氣流影響，槽線位于蒙古國東部至內(nèi)蒙中部到陜西西部一帶，槽線位置和27 日08 時(shí)相比略有偏西。700hPa 為西南氣流，六盤山區(qū)受切變線影響。到20 時(shí)500hPa、700hPa 轉(zhuǎn)為北風(fēng)并且相對濕度減小到60%以下，降水基本結(jié)束。

3 水汽動力及云宏微觀特征分析

3.1 水汽場特征分析

從26—28 日六盤山東西兩側(cè)微波輻射計(jì)反演的大氣水汽含量（IWV）和云液水路徑（LWP）的變化來看，整個(gè)過程中六盤山西側(cè)大氣水汽含量明顯高于六盤山東側(cè)。但是六盤山東側(cè)的云液水路徑要高于六盤山西側(cè)。由于發(fā)生降水時(shí)微波輻射計(jì)反演的大氣水汽含量與云液態(tài)水含量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此只針對無降水時(shí)定量反演結(jié)果做具體分析，有降水時(shí)的反演結(jié)果只做趨勢分析?？梢钥闯隽P山西側(cè)大氣水汽含量大約在25～48mm，云液水路徑在0～7mm；六盤山東側(cè)大氣水汽含量大約在12～40mm，云液水路徑在0～8mm。無降水時(shí)整個(gè)過程大氣水汽含量和液水路徑都呈現(xiàn)出微弱的下降趨勢，六盤山西側(cè)大氣水汽含量大約在25～32mm，云液水路徑在0～1mm；六盤山東側(cè)大氣水汽含量大約在12～23mm，云液水路徑在0～1mm；出現(xiàn)降水時(shí)大氣水汽含量與液水路徑都出現(xiàn)了躍增現(xiàn)象。

3.2 動力場特征

六盤山頂出現(xiàn)降水的主要時(shí)段在26 日10 時(shí)—16 時(shí)，27 日15—16 時(shí)，27 日20—28 日01 時(shí)，28 日15—18 時(shí)，26 日降水前水平風(fēng)速為6m·s-1，降水開始后水平風(fēng)速開始上升到12m·s-1，在小時(shí)降水超過1mm 后，水平風(fēng)速開始逐漸下降，水平風(fēng)向由降水前西北風(fēng)轉(zhuǎn)換為東北風(fēng)，垂直風(fēng)速的變化與水平風(fēng)速變化相近，由降水前1.5m·s-1增加到2.1m·s-1，在小時(shí)降水達(dá)到1mm 后開始逐漸下降（圖1）。27 日六盤山頂風(fēng)向在降水前為西北風(fēng)，降水開始后由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，水平風(fēng)速變化比較復(fù)雜，整體上呈現(xiàn)上升的變化，升中有降，垂直風(fēng)速在降水開始后首先出現(xiàn)了下沉氣流，而后開始變?yōu)樯仙龤饬鳌?8 日降水前東北氣流在降水開始后變?yōu)槲鞅睔饬?，水平風(fēng)速和垂直風(fēng)速呈現(xiàn)出逐漸增加的變化。

圖1 六盤山頂水平風(fēng)速風(fēng)向及垂直風(fēng)速等變化圖

東坡降水開始前風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，水平風(fēng)速6.0m·s-1以下，垂直風(fēng)速為0.02m·s-1，降水開始后風(fēng)向調(diào)整為穩(wěn)定的北風(fēng)，水平風(fēng)速增強(qiáng)，水平風(fēng)速6.5m·s-1以下，垂直風(fēng)速為0.03m·s-1，西坡降水開始前北風(fēng)和西南風(fēng)，水平風(fēng)速穩(wěn)定，水平風(fēng)速為2.7m·s-1，垂直風(fēng)速為1.05m·s-1以下。降水開始后風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西南風(fēng)，水平風(fēng)速增加，水平風(fēng)速在5.2m·s-1，垂直風(fēng)速為1.00m·s-1。

3.3 基于云雷達(dá)的云宏微觀特征分析

7 月26 日，云系以層狀云降水特征為主，各站在4.5km 左右有一明顯的0℃層亮帶，云系的生消在降水前、中、后期有多層-單層-多層的結(jié)構(gòu)特征，降水前為云底高為9km，云頂高為13km 的高層云，降水期為云頂高在9km 左右的深厚的接地云系，降水結(jié)束期，為云底高在6km 以上的中高層云系，云系減弱消散?；夭◤?qiáng)度大小表現(xiàn)為六盤山站最強(qiáng)，其次是東坡的涇源和大灣站，西坡的隆德站最弱。降水期間，云體內(nèi)回波強(qiáng)度均有劇增現(xiàn)象。

7 月27—28 日，云系的生消特征在降水前、中、后期有多層-單層-多層的結(jié)構(gòu)特征，主降水時(shí)段，4.5km 左右有一0℃層亮帶，其中六盤山站最為明顯，相較于26 日的降水過程，云體內(nèi)對流性特征更為明顯，云體內(nèi)回波強(qiáng)度的較大值生消變化劇烈，云內(nèi)粒子湍流運(yùn)動較強(qiáng)?；夭◤?qiáng)度大小表現(xiàn)為六盤山站最強(qiáng)，其次是東坡的涇源及大灣站，西坡的隆德站最弱。

3.4 基于微雨雷達(dá)的云宏微觀特征分析

7 月26—28 日，隆德、六盤山及大灣三站出現(xiàn)了融化層亮帶，融化層的高度在4000～4500m 之間，固態(tài)水凝物粒子在4000m 左右完全融化后下落速度達(dá)到最大值，在融化層以下下落速度幾乎不變。

26 日07 時(shí)開始，六盤山頂及東西兩側(cè)出現(xiàn)了回波強(qiáng)度大于20dBZ 的回波，降水開始；26 日13 時(shí)降水結(jié)束，回波為晴空回波，三站回波強(qiáng)度大致相同，六盤山頂融化層高度稍高于其東西兩側(cè)的大灣和隆德站。27 日六盤山西側(cè)隆德站14∶00—16∶00 出現(xiàn)了對流性降水，隆德站微雨雷達(dá)回波強(qiáng)度由晴空回波增加到50dBZ，且強(qiáng)回波接地，其粒子的下落末速度達(dá)到11m·s-1，該時(shí)段是此次過程小時(shí)降水最大時(shí)段，隆德站14 時(shí)小時(shí)降水達(dá)到5.5mm，15 時(shí)小時(shí)降水達(dá)到10.4mm，回波強(qiáng)度、下落末速度明顯高于六盤山頂及其東側(cè)的大灣。28 日，六盤山頂及東西兩側(cè)對流云降水特征比較明顯。六盤山站的最大雷達(dá)反射率因子為47.58dBZ，隆德站為52.64dBZ，大灣站為54.45dBZ，東坡最強(qiáng)，其次是西坡，山頂最弱。六盤山站下落末速度的最大值為11.61m·s-1，隆德站為11.5m·s-1，大灣站為11.87m·s-1，東坡最大，其次是山頂，西坡最小。

4 人工增雨作業(yè)效果評估

7 月28 日在隆德關(guān)莊進(jìn)行地面火箭作業(yè)，作業(yè)時(shí)間為15∶22—15∶23，仰角45°，方位為正北方向。根據(jù)雷達(dá)回波圖，可以看出雷達(dá)回波移動方向?yàn)槲鞅?東南走向。

根據(jù)7 月28 日人影作業(yè)情況，結(jié)合作業(yè)高度風(fēng)向風(fēng)速和雷達(dá)回波移向移速，將作業(yè)點(diǎn)上風(fēng)方20km以內(nèi)的區(qū)域定為作業(yè)影響區(qū)，影響區(qū)確定好后，根據(jù)對比區(qū)選擇的原則，選取多個(gè)不同的備選對比區(qū)，計(jì)算與其作業(yè)影響區(qū)的相關(guān)系數(shù)，以相關(guān)系數(shù)最大區(qū)域，作為最終選取的對比區(qū)。影響區(qū)內(nèi)共有雨量站點(diǎn)18 個(gè)，對比區(qū)共有雨量站點(diǎn)9 個(gè)。

通過以上選取的影響區(qū)與對比區(qū)，采用序列分析、區(qū)域?qū)Ρ确治觥㈦p比分析、區(qū)域回歸試驗(yàn)四種方法分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，以日雨量作為統(tǒng)計(jì)變量。從表2 中可以看出，區(qū)域歷史回歸分析、序列分析有正效果，顯著性水平小于0.05，其他均未通過顯著性檢驗(yàn)，其中區(qū)域歷史回歸分析絕對增雨量為4.2mm，相對增雨率為75.3%。

表2 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）降水前微波輻射計(jì)云液水路徑和大氣水汽含水量出現(xiàn)躍增現(xiàn)象，六盤山東西兩側(cè)山坡氣流均為上升運(yùn)動，降水開始后，六盤山東坡的氣流上升運(yùn)動加強(qiáng)，西坡氣流上升運(yùn)動略有減弱。降水后東西坡水平風(fēng)速均加強(qiáng)。降水開始前后，云系的生消呈現(xiàn)在降水前、中、后期有多層、單層、多層的結(jié)構(gòu)特征。

（2）從微雨雷達(dá)的觀測結(jié)果看到本次降水屬于層積混合降水，六盤山東坡最大雷達(dá)反射率因子最大，其次是西坡，山頂最弱；東坡水凝物粒子下落末速度最大值是最大，其次是山頂，西坡最小。

（3）對此次天氣系統(tǒng)所開展的地面火箭增雨評估后發(fā)現(xiàn)，區(qū)域歷史回歸分析得到的絕對增雨量為4.2mm，相對增雨率為75.3%。