基于雷達(dá)資料人工增雨潛勢(shì)預(yù)判方法的研究

潘 多，侯正俊，次 珍

(1．西藏自治區(qū)拉薩市氣象局，西藏拉薩850000;2．西藏自治區(qū)人工影響天氣中心，西藏拉薩850000)

隨著全球氣候變暖、人口增長、生態(tài)環(huán)境惡化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源短缺的矛盾日益加劇，有效的人工增雨已成為確保西藏自治區(qū)水資源安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的有效措施。人工增雨是開發(fā)利用空中云水資源，在適當(dāng)?shù)臈l件下，針對(duì)具有降水潛力的云在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)和部位用科學(xué)方法進(jìn)行催化，激發(fā)或加速降水形成過程，以此提高降水效率，達(dá)到增加地面降水的目的。

有效開展人工增雨的基礎(chǔ)條件有具有潛力的云雨條件、適當(dāng)?shù)牟课缓蜁r(shí)機(jī)、科學(xué)的作業(yè)方法和效果檢驗(yàn)。針對(duì)西藏較為典型的干旱、半干旱季風(fēng)氣候特征和特殊的地理?xiàng)l件，利用常規(guī)氣象資料進(jìn)行有利于高原人工增雨的大氣環(huán)流背景分析、空中云水資源評(píng)估是有效地開展人工增雨的基礎(chǔ);利用各型雷達(dá)觀測(cè)資料和經(jīng)驗(yàn)，積極開展人工增雨作業(yè)指標(biāo)的分析總結(jié)，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和判定是有效開展人工增雨的關(guān)鍵，而科學(xué)的作業(yè)方法和效果檢驗(yàn)是有效地開展人工增雨、提高增雨效益的技術(shù)保障。該研究利用1995～1998年日喀則地區(qū)711測(cè)雨雷達(dá)、1999～2011年江孜CTL-A型雷達(dá)和部分日喀則多普勒雷達(dá)資料、結(jié)合多次指導(dǎo)人工增雨作業(yè)所積累的經(jīng)驗(yàn)和常規(guī)氣象資料，進(jìn)行適合當(dāng)?shù)厝斯ぴ鲇昊A(chǔ)條件的分析，探索地面人工增雨雷達(dá)的可播性指標(biāo)，減少無效作業(yè)在資金、人工和設(shè)備上的損耗，提高人工增雨的科學(xué)性、可信性和有效性。

1 可播性天氣系統(tǒng)及天氣條件

1．1 初夏(5～6月)環(huán)流特征 東亞大氣環(huán)流從南向北季節(jié)性推移，高原上空也向雨季特征轉(zhuǎn)化。雨季前，干旱的主要環(huán)流特征是咸海、巴湖冷槽和東亞大槽勢(shì)力強(qiáng)盛，高原及其南側(cè)盛行西風(fēng)，印度北部受高壓的控制。干旱結(jié)束，雨季開始的環(huán)流形勢(shì)特征主要為伊朗高壓、西太平洋副高北跳，孟加拉灣風(fēng)暴暴發(fā)或孟加拉灣減弱同時(shí)新疆高壓加強(qiáng)。進(jìn)入雨季后高原降水的主要系統(tǒng)有切變線、高原低渦、高原小高壓單體前后的豎切變、東伸到高原上的伊朗高壓邊緣的橫切變、西伸到高原上的西太平洋副高邊緣的橫切變(圖1)。

1．2 盛夏(7～9月)西藏高原上基本環(huán)流特征

1．2．1 雨型。雨型是盛夏的正常環(huán)流，在500 hPa的環(huán)流場(chǎng)上，高原周圍是南北低、東西高的鞍形場(chǎng)，即西太平洋副高、伊朗高壓、副熱帶西風(fēng)槽和印度低壓(圖2)。

1．2．2 西太平洋高壓型(T型)。在咸海和巴湖一帶為穩(wěn)定的長波槽，伊朗高壓勢(shì)力偏南、偏西，由于西藏高壓東移和西太平洋副高合并或西太平洋副高西伸，高原上主要以西南氣流為主。在T型下，高原上氣溫高、濕度較大、多局部對(duì)流天氣。

1．2．3 西藏高壓型(Q型)。在副熱帶高壓強(qiáng)盛的時(shí)候，我國華南、西南的東風(fēng)波動(dòng)常沿著東風(fēng)氣流向西移動(dòng)并影響到高原上，在這樣的形勢(shì)下，當(dāng)西藏高壓東移和西太平洋副高打通，切斷高原東側(cè)的強(qiáng)冷槽時(shí)，冷槽南段可轉(zhuǎn)成東風(fēng)波動(dòng)向西移動(dòng)影響高原。

1．3 冬春季(10月～次年4月)高原上主要環(huán)流特征

1．3．1 孟加拉灣風(fēng)暴。影響高原的孟加拉灣風(fēng)暴主要發(fā)生在每年的5月和10～11月期間，它對(duì)高原的影響除少數(shù)表現(xiàn)為減弱成低壓直接襲擊以外，大部分是通過與南支槽或副熱帶急流共同結(jié)合而產(chǎn)生［1］。如2008年10月孟灣風(fēng)暴“若西米”登陸轉(zhuǎn)向東北(圖3)，影響西藏東南部和山南地區(qū)南部出現(xiàn)特大暴雪和暴雨天氣。

圖1 夏季高原雨型降水系統(tǒng)(高原低渦切變)

圖2 典型高原雨型環(huán)流特征(鞍型場(chǎng))

圖3 2008年10月27日08:00 500 hPa環(huán)流場(chǎng)

1．3．2 西風(fēng)槽。對(duì)于高原地區(qū)而言，能造成影響的西風(fēng)槽有3種，其中2種是大氣環(huán)流因?yàn)槭芨咴蟮匦斡绊懚霈F(xiàn)的南北各一支繞流槽，即南支槽和北支槽，第3個(gè)就是高原上的西風(fēng)槽(少見，主要在5和9月，過渡季節(jié))。南支槽和北支槽是造成高原冬季降雪的主要系統(tǒng)，特別當(dāng)兩者配合出現(xiàn)階梯槽形勢(shì)(南支槽在東、北支槽在西)，非常有利于冷空氣下高原和暖濕氣流上高原，如果有孟加拉灣風(fēng)暴云系(主要出現(xiàn)在冬季)被南支槽引導(dǎo)北上，高原上(特別是南部邊緣地區(qū))會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)降雪天氣。

2 季節(jié)性可播云型

通過對(duì)拉薩市近30年降水次數(shù)和降水云型統(tǒng)計(jì)分析(圖4)，綜合雷達(dá)回波特點(diǎn)，在不同季節(jié)可能產(chǎn)生降水的云型中，按照層狀云、積雨云、積層混合云三類降水云型劃分［2］。冬、春季節(jié)積雨云和積層混合云出現(xiàn)的次數(shù)和頻率較高，是冬、春季節(jié)人工增雨(雪)的主要目標(biāo)云型;而夏、秋季節(jié)80%以上的降水來自對(duì)流云和積層混合云，且對(duì)流云降水日數(shù)和概率大于積層混合云，按照產(chǎn)生機(jī)制和強(qiáng)度，積雨云(對(duì)流云)又可分為系統(tǒng)性和局地性2種，其中系統(tǒng)性積雨云的發(fā)生、發(fā)展與大、中、小天氣系統(tǒng)密切相關(guān)，往往在低壓槽、切變線、低渦等系統(tǒng)附近產(chǎn)生發(fā)展，其特點(diǎn)主要為云層較為深厚、云中垂直對(duì)流活躍、含水量豐富、降水范圍大、時(shí)間長［3］，宏觀特征和雷達(dá)回波特征明顯，作業(yè)效果最佳。受地形及熱力影響產(chǎn)生的局地性積雨云(對(duì)流云)，因范圍小、生命時(shí)短和強(qiáng)度相對(duì)較弱，在小范圍區(qū)域可適時(shí)開展人工增雨，如森林(草場(chǎng))滅火、湖泊蓄水城鎮(zhèn)降溫增濕等特定目標(biāo)區(qū)的增雨作業(yè)，由爆炸法原理產(chǎn)生的“炮響雨落”和增雨防雹兼顧的效果明顯。

圖4 1981～2010年拉薩降水次數(shù)與降水云型次數(shù)月變化

3 雷達(dá)資料的應(yīng)用

天氣雷達(dá)高精度、直觀和時(shí)效性高的特點(diǎn)，決定了其在人工增雨中具有其他探測(cè)工具不可替代的作用，主要體現(xiàn)在:①在中短期有利于人工增雨天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品指導(dǎo)下，可隨時(shí)、連續(xù)跟蹤、監(jiān)測(cè)影響區(qū)域天氣系統(tǒng)的變化，提前發(fā)布短時(shí)增雨潛勢(shì)預(yù)報(bào)，適時(shí)指導(dǎo)增雨作業(yè)，特別是在夜雨率較高的高原利用意義更大。②根據(jù)回波特征及參數(shù)變化，科學(xué)判定，選擇最佳作業(yè)時(shí)機(jī)、催化部位和用彈量。③收集科研數(shù)據(jù)、資料，為增雨效果檢驗(yàn)提供依據(jù)和佐證。④PPI、RHI 2種掃描方式和圖形在人影決策中最為直觀和快捷。依據(jù)現(xiàn)有資料，根據(jù)相互獨(dú)立，并與較強(qiáng)積雨云相關(guān)性較好的要求，以Z-R關(guān)系為基點(diǎn)，選定回波強(qiáng)度(基本反射率Ze)、0 dBz回波頂高度(H)、強(qiáng)回波高度(H≥25 dBz)、負(fù)溫區(qū)高度△H、回波形態(tài)為基本判別指標(biāo)。

在平面掃描PPI上，基本反射率Ze值的大小能客觀地反映出所測(cè)云體中過冷水滴或冰晶的含量和云體的強(qiáng)度，Ze值越大云的強(qiáng)度越強(qiáng)，降水和增雨的潛力越大，因而可將Ze值的大小作為增雨預(yù)判的一項(xiàng)重要指標(biāo)［4］。在回波特征上，系統(tǒng)性積雨云、強(qiáng)對(duì)流云基本特征為云體結(jié)構(gòu)緊密、大面積塊狀型回波，回波水平尺度＞10 km，平均回波強(qiáng)度Ze≥15 dBz，強(qiáng)中心回波強(qiáng)度Ze＞25 dBz。對(duì)流云在演變形式上表現(xiàn)為多單體合并回波和單體回波，多單體合并大多為對(duì)流單體各自發(fā)展，由于各單體的移動(dòng)方向及移動(dòng)速度的不同而產(chǎn)生合并，合并后能量的集中促使某一單體迅速增強(qiáng)、水平尺度增大，常配合有利的天氣系統(tǒng)如切變線、低渦等，在形態(tài)特征上常呈帶狀、“弓”狀和不對(duì)稱狀。對(duì)流發(fā)展旺盛時(shí)，常伴有電閃雷鳴，閃電頻數(shù)＞5次/min，以橫閃、云體烏黑、云底翻滾狀為宏觀特征，對(duì)人工增雨最為有利。單體回波型強(qiáng)對(duì)流云具備以上特征，Ze＞35 dBz，瞬時(shí)降水大、時(shí)間短，對(duì)特定目標(biāo)區(qū)增雨作業(yè)貢獻(xiàn)最大，發(fā)展旺盛時(shí)冰雹云可增雨防雹兼顧。層積混合云回波多呈大面積片狀，平均Ze≤15 dBz，其中包含一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)回波對(duì)流云團(tuán)，Ze≥25 dBz。速度圖上正負(fù)速度交界線明顯，近地層存在明顯的風(fēng)速輻合，對(duì)應(yīng)VIL的變化梯度值，VIL值越大，增雨的潛勢(shì)越大。

在垂直掃描RHI上，積云(對(duì)流云)表征為柱狀形回波，強(qiáng)回波區(qū)(Ze≥25 dBz)常位于回波的中上部，回波緊密、邊緣清晰，回波頂高H≥8 km、強(qiáng)回波(H≥25 dBz)高度≥5 km，平均云底高度≤1．8 km，有效作業(yè)后回波高度有明顯的躍增，負(fù)溫區(qū)高度△H即為無衰減回波高度H與0℃層高度之差。選擇此項(xiàng)作為判別指標(biāo)是因?yàn)樵企w中的重要部位達(dá)到過冷水活躍溫度的所在高度，即△H越厚，越利于有效降水的形成。

綜上所述，當(dāng)積云(對(duì)流云)在PPI顯示器上雷達(dá)回波強(qiáng)度Ze≥15 dBz、強(qiáng)中心回波強(qiáng)度 Ze＞35 dBz，在垂直(高度)顯示器上，回波頂高H≥8 km、強(qiáng)回波高度H≥5 km，有利于人工增雨作業(yè)。層狀云在PPI上雷達(dá)回波強(qiáng)度Ze≥10 dBz、強(qiáng)中心回波強(qiáng)度Ze≥20 dBz，在垂直(高度)顯示器上，回波頂高H＞5 km，強(qiáng)回波高度H＞3 km，可適時(shí)開展人工增雨作業(yè)。層積混合云在PPI上雷達(dá)回波強(qiáng)度Ze≥15 dBz、強(qiáng)中心回波強(qiáng)度Ze≥25 dBz，在垂直(高度)顯示器上，回波頂高H＞6 km、強(qiáng)回波高度H＞4 km，有利于開展人工增雨作業(yè)(表1)。如2008年7月11日日喀則西南方多單體對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，呈帶狀分布，19:13甲措雄、曲布雄、城南炮點(diǎn)陸續(xù)開始人工增雨作業(yè)(圖5a)，19:32云團(tuán)合并加強(qiáng)，強(qiáng)中心回波躍增7 dBz(圖5b)，而實(shí)況是日喀則本站降水量16．4 mm，可見人工增雨效果顯著。

表1 各種類型云系人工增雨潛勢(shì)預(yù)判指標(biāo)

圖5 2008年7月11日19:06帶狀積云發(fā)展(a)和19:32合并加強(qiáng)(b)

4 結(jié)論

(1)影響高原降水的主要系統(tǒng)有切變線、高原低渦、高原小高壓單體前后的豎切變、東伸到高原上的伊朗高壓邊緣的橫切變、西伸到高原上的西太副高邊緣的橫切變。冬春季主要為孟灣風(fēng)暴和西方槽。

(2)對(duì)降水貢獻(xiàn)率最大的可播云型為積云和層積混合云，占全年可降水云型的80%以上。

(3)當(dāng)各類型云系平均雷達(dá)回波強(qiáng)度Ze≥10dBz，強(qiáng)中心回波強(qiáng)度Ze＞20 dBz，回波頂高H＞5 km，強(qiáng)回波高度H＞3 km，有利于開展人工增雨作業(yè)。

(4)因在PPI上只能粗略反映云體的水平面積和強(qiáng)度，RHI上垂直剖面掃描需在PPI上的定位指示下來確定云中垂直剖面掃描位置，所以單一使用PPI或RHI掃面難以完成探測(cè)目標(biāo)云的判定和指揮，需進(jìn)行組合使用。

(5)使用多功能數(shù)字化天氣雷達(dá)，可將PPI或RHI掃描設(shè)為初始預(yù)判模式，將立體掃描等參數(shù)作為指揮模式。

(6)作業(yè)時(shí)機(jī)、方式、用彈類型和用彈量的準(zhǔn)確把握，對(duì)有效進(jìn)行人工增雨至關(guān)重要，在目標(biāo)云特別是層積混合云的上風(fēng)方，應(yīng)采用催化型人雨彈多點(diǎn)均勻作業(yè)播撒;在積云(對(duì)流云)云體發(fā)展旺盛時(shí)，當(dāng)Ze≥35 dBz、H＞8 km時(shí)，采用爆炸型人雨彈，短時(shí)大劑量作業(yè)，可起到增雨防雹兼顧的作用。

［1］楊鑒初，陶詩言，葉篤正，等．西藏高原氣象學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社，1959:24－32．

［2］趙仕雄，德力格爾，涂多彬．黃河上游降水云層對(duì)流特性及降水微結(jié)構(gòu)機(jī)制研究［J］．高原氣象，2003，22(4):385．

［3］郭恩銘．西藏高原積雨云的研究［J］．氣象，1982(8):22 －24．

［4］蔡濤，馬麗征，莫愛勰，等．人影作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取新一代天氣雷達(dá)圖的實(shí)現(xiàn)［J］．氣象與環(huán)境科學(xué)，2009，32(3):91 －93．