一次層狀云降水人工增雪作業(yè)雷達回波物理響應(yīng)分析

王淼 蔣文軒 劉慧敏

摘要 利用位于張家口康保的S波段新一代天氣雷達，分析2023年2月9日2處火箭增雪作業(yè)的雷達回波特征。由此總結(jié)了以下經(jīng)驗：人工播撒前需觀察作業(yè)點周圍回波發(fā)展情況，確保作業(yè)方位對應(yīng)的火箭射程范圍內(nèi)有一定強度回波；應(yīng)熟悉火箭彈在各發(fā)射仰角對應(yīng)的催化劑播撒高度，確保催化播撒高度能夠達到預(yù)期位置；冬春季節(jié)張家口層狀云降水云高較低，加之海拔較高，火箭作業(yè)宜采取最低仰角作業(yè)，地面碘化銀煙爐是對火箭作業(yè)的有效補充；部分區(qū)域仍存在雷達掃描盲區(qū)，需及時關(guān)注降水實況，結(jié)合其他多種觀測方式，對作業(yè)條件進行綜合判別。

關(guān)鍵詞 人工增雪；雷達響應(yīng)；效果分析

中圖分類號：P48 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）07–0229-03

新一代天氣雷達在云降水物理研究、人工影響天氣作業(yè)指揮和效果評估中發(fā)揮著重要作用[1-2]。利用天氣雷達連續(xù)觀測降水過程中實施的人工影響天氣作業(yè)，利用回波強度、回波頂高、垂直液態(tài)含水量、徑向速度等雷達探測資料，分析作業(yè)前后云的宏微觀結(jié)構(gòu)變化，可以作為檢驗人工影響天氣作業(yè)效果重要依據(jù)[3-5]。

利用新一代多普勒雷達探測資料，對2023年2月9日張家口1次火箭人工增雪作業(yè)的雷達回波特征進行分析，通過對比分析增雪作業(yè)前后雷達回波特征參量的物理響應(yīng)，對人工增雪的催化效果進行評估和驗證，以期為日后開展人工影響天氣作業(yè)進行條件判別和時機選擇提供參考依據(jù)。

1 天氣背景

張家口市地處河北省西北部，位于內(nèi)蒙古高原與華北平原銜接處，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。受高空槽和西南暖濕氣流的共同影響，2023年2月9日張家口出現(xiàn)了1次覆蓋全域的層狀云降水天氣過程。9日08：00張家口處于500 hPa高空槽前的位置，受西南氣流控制，水汽條件充沛，云系主要為均勻的層狀云，濕度層較為深厚，降水相態(tài)為雪（圖1）。

2 個例的選取

從9日08：00～15：40，張家口全市共實施地面火箭和碘化銀煙爐人工增雪作業(yè)26點次，發(fā)射RYI-6300型火箭彈82枚，燃燒碘化銀煙條62根。此次人工增雪作業(yè)主要依據(jù)位于張家口康保的S波段新一代天氣雷達（114.7°E，41.15°N，海拔高度1 426 m）的回波特征進行作業(yè)條件判別和作業(yè)實時指揮。在作業(yè)時機的選擇上，一方面從雷達回波圖上顯示在作業(yè)點影響范圍內(nèi)沿作業(yè)方位有一定強度的雷達回波，另一方面確保催化劑播撒能到達期望的云體部位。

在此次人工增雪作業(yè)過程中，選擇典型作業(yè)個例進行物理檢驗和效果分析。個例的選取主要通過設(shè)定催化擴散影響的目標區(qū)，在雷達回波圖上能夠在作業(yè)前從已生成的云中找出雷達回波參量及其變化特征與目標云相似的云作為對比區(qū)，從而在作業(yè)后通過對比驗證的方法對人工催化的物理響應(yīng)進行對比分析[6]。

3 作業(yè)效果的檢驗

此次降水回波特征為大范圍、長時間維持的均勻片狀回波，總體回波強度在10～ 25 dBz，RHI回波頂部較平坦，高度在4～5 km；云系整體自西南向東北方向移動，移速30～40 km/h（圖2）。降水連續(xù)均勻，降水相態(tài)為雪，降水性質(zhì)穩(wěn)定，持續(xù)時間較長，是一次典型的層狀云降水天氣系統(tǒng)。

選取宣化區(qū)北山園區(qū)作業(yè)點和尚義縣察汗淖爾作業(yè)點的2個點次地面火箭人工增雪作業(yè)進行效果檢驗。選擇較為直觀且易于獲取的回波強度（Z）、回波頂高（H）、垂直累積液態(tài)水含量（VIL）3個參量為作業(yè)效果判據(jù)進行統(tǒng)計分析。通過對比分析作業(yè)前、作業(yè)中及作業(yè)后的云宏微觀結(jié)構(gòu)特征，研究此次過程宏觀催化的物理響應(yīng)。

3.1 目標區(qū)和對比區(qū)的選取

目標區(qū)即人工催化所影響的降水云，通過計算目標云的移向、移速，隨著系統(tǒng)的移動而實時進行跟蹤。對比區(qū)選擇結(jié)合雷達回波演變來確定，通過觀察作業(yè)云系在作業(yè)前的演變特征，在目標區(qū)周邊挑選出與其強度和發(fā)展趨勢較為接近的云系確定對比區(qū)位置，同時地形、面積與目標區(qū)大體相似，形狀與目標區(qū)保持基本相當，在目標云系移動方向的側(cè)面或上風(fēng)方以確保不受催化影響[7-8]。

3.2 宣化區(qū)北山園區(qū)作業(yè)點的作業(yè)效果分析

宣化區(qū)北山園區(qū)作業(yè)點（115.095 6°E，40.635 8°N，海拔745 m）在9日08：07～08：08發(fā)射RYI-6300型火箭彈6枚。依照目標云和對比云面積、強度、生命史大體相當，相距較遠避免污染的原則選取對比區(qū)（圖3）。對比區(qū)距目標區(qū)約35 km，位于目標區(qū)南部且在目標區(qū)移動方向的垂直方向上，不會相互影響，實施作業(yè)前各發(fā)展階段的回波強度、回波頂高和垂直液態(tài)水含量都比較接近。

從圖3中可以看出，作業(yè)前目標云和對比云的回波強度和演變趨勢基本相同。跟蹤分析作業(yè)前后目標區(qū)和對比區(qū)基本反射率回波，其回波強度都在10～15 dBz范圍內(nèi)變化，作業(yè)前目標云和對比云回波強度變化趨勢基本相同。作業(yè)開始時目標區(qū)和對比區(qū)回波強度都處于10～15 dBz，且向東移動。作業(yè)12 min后目標區(qū)回波強度開始變強，24 min后目標區(qū)回波強度增加至15～25 dBz，而對比區(qū)回波強度無明顯增強，仍維持在10～15 dBz。

總體看來，目標區(qū)和對比區(qū)的回波強度在作業(yè)前變化趨勢相同，火箭催化后目標區(qū)回波強度開始明顯增強，25 min后目標區(qū)回波強度由15 dBz增加至25 dBz，而對比區(qū)云的回波強度無明顯變化，同時作業(yè)后目標云移動途徑的地面雨量站10 min雨量都出現(xiàn)了明顯的增加。這種目標區(qū)作業(yè)后回波強度增強應(yīng)與火箭播云有直接關(guān)系。

對作業(yè)前后回波頂高和垂直液態(tài)水含量進行對比。由于張家口春、冬季層狀降水云系回波強度較弱，且考慮到本地雷達反射率因子圖像色標值均為5的整數(shù)倍，為便于實際應(yīng)用，取15 dBz反射率因子最高高度作為回波頂高。通過觀察發(fā)現(xiàn)，總體回波頂高處于4.5～5 km之間，垂直液態(tài)水含量約為1 kg/m3，回波頂高和垂直液態(tài)水含量整體數(shù)據(jù)跨度較小且分布均勻，未能直觀地展現(xiàn)出變化規(guī)律。

3.3 尚義縣察汗淖爾作業(yè)點的作業(yè)效果分析

尚義縣察汗淖爾作業(yè)點位置坐標（114.005 3°E，41.448 6°N，海拔1 288 m）在09：15～09：18發(fā)射RYI-6300型火箭彈9枚。選取位于目標區(qū)西南方向相距約25 km的云作為對比區(qū)（圖4），對比區(qū)位于目標區(qū)移動方向的側(cè)后方，不會受到人工催化影響，實施作業(yè)前各發(fā)展階段的回波強度、回波頂高和垂直液態(tài)水含量都比較接近，兩塊回波基本滿足作為目標云和對比云的要求。

跟蹤分析作業(yè)前、后目標區(qū)和對比區(qū)基本反射率回波，作業(yè)前目標云和對比云回波強度變化趨勢基本相同，回波強度在15～25 dBz之間，作業(yè)后15 min目標區(qū)和對比區(qū)回波反射率都開始呈現(xiàn)減弱趨勢，其回波強度在10～20 dBz范圍內(nèi)變化，30 min后目標云和對比云回波強度減弱至10～15 dBz，目標區(qū)和對比區(qū)變化較為一致。此次火箭作業(yè)效果在雷達回波特征反應(yīng)并不明顯。

分析此次作業(yè)前后的回波頂高和垂直液態(tài)含水量。回波頂高由于參數(shù)數(shù)據(jù)跨度較小，作業(yè)前后均未能展現(xiàn)出規(guī)律。而垂直液態(tài)水含量在作業(yè)前目標云和對比云的演變趨勢大體一致，作業(yè)后也都有從大到小的變化過程，與回波反射率變化趨勢一致，均為減弱的趨勢。此次火箭人工增雪作業(yè)沒有直觀展現(xiàn)出人工催化后預(yù)期的變化。

分析其原因，可能是因為察汗淖爾作業(yè)點位于張家口壩上地區(qū)，海拔較高接近1 300 m，火箭作業(yè)即使采用最低仰角，其播撒高度也會高出云層，效果不明顯，由此分析在類似春冬季層狀云降水過程該地區(qū)選擇地面碘化銀煙爐作業(yè)更加合適。在回波頂高和垂直液態(tài)水含量的觀測中由于參數(shù)數(shù)據(jù)跨度較小，以及雷達設(shè)備本身各種誤差隨時間變化情況還不夠清晰，難以直觀地展現(xiàn)出相關(guān)的規(guī)律。

4 結(jié)論與討論

通過此次人工增雪過程對所選2個作業(yè)點播撒后的雷達回波物理響應(yīng)進行分析，北山園區(qū)作業(yè)點在作業(yè)后催化影響區(qū)有較為明顯的雷達回波變化響應(yīng)，說明人工催化是有效果的；察汗淖爾作業(yè)點在播撒后沒有展現(xiàn)出直觀回波響應(yīng)，說明在人工播撒位置的把握和作業(yè)方式的選擇上還有待改進和總結(jié)。在今后的張家口冬春季節(jié)層狀云降水人工增雪作業(yè)中總結(jié)以下4個方面的經(jīng)驗。

（1）人工播撒前需觀察作業(yè)點周圍回波發(fā)展情況，確保作業(yè)方位對應(yīng)的火箭射程范圍內(nèi)有一定強度回波。

（2）熟悉火箭彈在各發(fā)射仰角對應(yīng)的催化劑播撒高度，確保催化播撒高度能夠達到預(yù)期位置。

（3）冬、春季張家口層狀云降水云高較低，加之海拔較高，火箭作業(yè)宜采取最低仰角作業(yè)，地面碘化銀煙爐是對火箭作業(yè)的有效補充。

（4）部分區(qū)域仍存在雷達掃描盲區(qū)，需及時關(guān)注降水實況，結(jié)合其他觀測方式，對作業(yè)條件進行綜合判別。

參考文獻

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Analysis of Radar Echo Physical Response in A Stratified Cloud Precipitation Artificial Snow Enhancement Operation

Wang Miao et al（Zhangjiakou Meteo-

rological Bureau， Zhangjiakou， Hebei 075000）

Abstract The S band new generation weather radar located in Zhangjiakou Kangbao is used to analyze the radar echo characteristics of two rocket snow enhancement operations on February 9， 2023. Based on this， the following experience can be summarized： Before manual seeding， it is necessary to observe the development of echoes around the operation point to ensure that there is a certain intensity of echoes within the rocket range corresponding to the operation direction. You should be familiar with the catalyst seeding height corresponding to the launch elevation of the rocket， ensuring that the catalyst seeding height can reach the expected position; In winter and spring， the height of stratiform cloud precipitation clouds in Zhangjiakou is relatively low， and the altitude is relatively high， so the lowest elevation angle operation should be adopted for rocket operation. The ground Silver iodide smoke furnace is an effective supplement to rocket operation; Some areas still have radar scanning blind spots， and it is necessary to pay attention to the actual precipitation situation in a timely manner， combined with various other observation methods， to comprehensively judge the operating conditions.

Key words Artificial snow enhancement; Radar response; Effect analysis