高炮催化區(qū)跟蹤方法在湖南的個例分析

摘要簡要介紹了湖南人影高炮作業(yè)情況與效果評估方法，并對高炮催化區(qū)跟蹤方法進行個例檢驗，結(jié)合湖南實例，實現(xiàn)該算法在湖南的個例運用分析。利用長沙、岳陽2個降水過程，對多個回波跟蹤區(qū)域進行連續(xù)跟蹤，詳細分析了回波跟蹤的合理性；選擇湖南郴州的一次高炮防雹作業(yè)，對其催化區(qū)進行跟蹤，并對催化區(qū)內(nèi)最大反射率和垂直液態(tài)含水量進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，利用TREC算法，能夠合理跟蹤回波在空間的垂直位置與水平位置，較好地跟蹤作業(yè)時催化區(qū)域移動，從而為高炮作業(yè)效果評估提供了一個有意義的參考。

關(guān)鍵詞TREC；催化區(qū)；連續(xù)跟蹤；效果評估

中圖分類號S423+.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-225-04

我國開展人工降雨已有多年的歷史，關(guān)于云和降水物理、人工影響天氣的研究取得了一些進展[1]，而關(guān)于人工降雨效果的評估也更加受到重視。人工增雨效果評估方法有物理檢驗、統(tǒng)計檢驗、數(shù)值模式檢驗等，其中，物理檢驗采集與云物理過程變化相關(guān)的物理量信息，為人工作業(yè)效果評估提供了直觀、有說服力的物理依據(jù)，為人工影響天氣技術(shù)方法改進提供了有意義的參考。關(guān)于物理檢驗，前人進行了很多研究[2-4]，主要采用目標云、對比云的雷達回波參數(shù)對比方案，未涉及催化區(qū)的跟蹤與催化區(qū)內(nèi)回波參數(shù)統(tǒng)計。

高炮催化區(qū)跟蹤方法基于新一代天氣雷達三維拼圖技術(shù)和TREC算法[5]，將高炮催化區(qū)作為跟蹤對象，跟蹤、統(tǒng)計催化區(qū)內(nèi)雷達回波參數(shù)，該方法比統(tǒng)計目標云回波參數(shù)變化更為直觀，更有說服力。在此，基于汪玲等的研究[6]，筆者選用湖南降水實例，分別對湖南未作業(yè)云“催化區(qū)”位置跟蹤合理性、湖南高炮作業(yè)云“催化區(qū)”回波變化統(tǒng)計進行個例分析，初步實現(xiàn)了高炮催化區(qū)跟蹤方法在湖南的本地化應(yīng)用。

1湖南人影高炮作業(yè)與評估方法簡介

1.1湖南人影高炮作業(yè)情況

1975年開始，省人影辦先后在14個市63個縣開展了高炮增雨作業(yè)，僅1978～1984年就作業(yè)2 788次。湘西州鳳凰縣屬于湖南省首批設(shè)立炮點的市縣之一，該縣處云貴高原東側(cè)山區(qū)，氣候多變，夏秋季容易出現(xiàn)干旱，1975年在鳳凰縣設(shè)立4門炮點。湖南先后在湘西州鳳凰縣山區(qū)、柘溪水庫東部的新化和安化一帶進行了連續(xù)6年的外場高炮增雨試驗，結(jié)果表明湖南單塊積云催化降水量增加12%～20%。

2005年，張家界成為省首個開展高炮防雹試驗的市州，并在開展作業(yè)后的兩年內(nèi)設(shè)7個防雹站點，兩年作業(yè)累計達69次（包括22次高炮防雹作業(yè)），各個有效保護區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)雹災(zāi)，高炮防雹試驗獲得成功。隨后，湘西自治州、常德、郴州等市也陸續(xù)開展防雹作業(yè)。2005～2007年連續(xù)3年省人影辦在湘西張家界市開展煙葉高炮防雹試驗，根據(jù)冰雹云云系特征，并綜合利用多普勒雷達產(chǎn)品和車載雷達的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，歸納出湘西北山區(qū)夏季冰雹云作業(yè)指標，采用早期發(fā)現(xiàn)與識別、早期聯(lián)防作業(yè)，達到良好的作業(yè)效果。

目前，湖南已建成上百個炮點，高炮應(yīng)用于空中、地面立體化輔助增雨作業(yè)、地面增雨作業(yè)和防雹作業(yè)，而主要應(yīng)用于防雹作業(yè)。

1.2湖南人影高炮作業(yè)效果評估方法

高炮增雨作業(yè)效果檢驗主要采用作業(yè)前后作業(yè)云和目標云的回波頂高、強回波面積和最大反射率等回波參量的對比分析，有效地增雨作業(yè)后，云體發(fā)展、強度增加、降水增加，對應(yīng)回波頂高、強回波面積和最大反射率等回波參量均有一定程度上的增強。增雨作業(yè)后，對增雨量進行估算，作業(yè)增加雨量W=平均每次作業(yè)降雨量×單次作業(yè)影響區(qū)范圍×增雨效率系數(shù)×作業(yè)次數(shù)。

高炮防雹作業(yè)效果檢驗主要運用作業(yè)前后雷達回波強度特征進行對比分析，如果作業(yè)后目標云雷達回波強度在有效時間段內(nèi)（10～15 min）比作業(yè)前減弱10 dBz，可視為防雹作業(yè)有效。防雹作業(yè)后，對人工防雹作業(yè)經(jīng)濟效益進行初步分析，根據(jù)作業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)范估算影響區(qū)范圍[7]，再計算經(jīng)濟效益Q，Q=影響區(qū)面積/（試驗區(qū)總面積×烤煙種植面積）×平均成災(zāi)率×賠付單價。

然而，對于單次作業(yè)多采用物理檢驗。在常規(guī)物理檢驗中，多統(tǒng)計云體回波特征，并未涉及催化區(qū)的跟蹤與催化區(qū)回波參數(shù)統(tǒng)計，與前者對比，后者更直觀。

2高炮催化區(qū)跟蹤方法簡介

2.1資料來源

采用的雷達數(shù)據(jù)為中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室開發(fā)的“新一代雷達三維組網(wǎng)及產(chǎn)品處理系統(tǒng)”計算后輸出的回波強度三維格點組網(wǎng)數(shù)據(jù)。組網(wǎng)數(shù)據(jù)由不同高度層的CAPPI資料組成，經(jīng)、緯向分辨率均為0.01°。組網(wǎng)數(shù)據(jù)文件時間間隔為6 min。

2.2高炮催化區(qū)跟蹤方法原理

實際的作業(yè)根據(jù)云系情況進行不同時次的作業(yè)。高炮作業(yè)分為單點、多點作業(yè)，所以高炮催化區(qū)跟蹤方法又分為單點和多點作業(yè)催化區(qū)跟蹤方法，算法原理后者建立于前者。

2.2.1單點作業(yè)催化區(qū)跟蹤方法。

2.2.1.1定位催化區(qū)。高炮可沿著0～360°方位進行作業(yè)，所以將高炮催化區(qū)取成圓形。關(guān)于高炮作業(yè)催化區(qū)擴散問題，王以琳等以催化劑不同的濃度閾值模擬，分析了湍流擴散系數(shù)、仰角、方位角和風(fēng)速對人工增雨炮彈催化區(qū)的影響，發(fā)現(xiàn)高炮在最長作業(yè)影響時間約30 min內(nèi)達到最大擴散半徑為289.6 m[8]。催化劑最大擴散半徑相對偏小，所以將作業(yè)區(qū)定為催化區(qū)。高炮作業(yè)水平射程一般為7～8 km，每門高炮影響距離為2 km，取10 km為單點作業(yè)催化區(qū)半徑。

2.2.1.2確定催化區(qū)的位置。t0時刻，根據(jù)催化區(qū)信息（圓形，中心坐標（x0，y0）、半徑r0）計算催化區(qū)位置，x0、y0分別為緯度、經(jīng)度。假設(shè)任一點B，如果點B到中心的距離≤半徑，則該點屬于催化區(qū)。

2.2.1.3計算催化區(qū)回波移動速度。采用相鄰時刻回波信息，并經(jīng)過TREC算法，可以計算出TREC矢量，TREC矢量又分為U和V分量（分別代表回波在水平、垂直方向上的回波移動速度），U、V分量合成求出催化區(qū)移動速度C。在半徑為r0的圓形區(qū)域范圍內(nèi)，不同位置的回波移動速度不一致，所以催化區(qū)移動速度取區(qū)域平均，對應(yīng)的U、V分量分別取平均值meanU、meanV。

2.2.1.4計算下一時刻催化區(qū)的位置。跟蹤時間間隔Δt取6 min，下一時刻t1催化區(qū)的中心坐標（x1，y1），中心坐標的求解公式：x1=x0+meanV×Δt、y1=y0+meanU×Δt，

根據(jù)t1時刻催化區(qū)中心坐標信息找到t1時刻的催化區(qū)。如此循環(huán)。

2.2.2多點作業(yè)催化區(qū)跟蹤方法。

將多點作業(yè)看作多個單點作業(yè)，那么多點作業(yè)催化區(qū)（“體系”）對應(yīng)為多個單點作業(yè)催化區(qū)（“多個分區(qū)”）。如果單個炮點在作業(yè)，則將該炮點對應(yīng)的單點催化區(qū)納入“體系”，并對其進行實時、連續(xù)跟蹤。

因為每個炮點作業(yè)時段不一，多點作業(yè)時，就由“多個分區(qū)”構(gòu)成的“體系”。所以，只需設(shè)置兩組數(shù)組參數(shù)分別控制“多個分區(qū)”的跟蹤時段，即記錄跟蹤起始時刻參數(shù)m[i]（m取第0、1、2…時刻）和跟蹤時長的參數(shù)n[i]，到達跟蹤起始時刻m[i]時跟蹤開始，到達設(shè)定的跟蹤時長n[i]時跟蹤停止。i為多點作業(yè)高炮炮點數(shù)。

43卷21期徐冬英等高炮催化區(qū)跟蹤方法在湖南的個例分析

3個例分析

3.1跟蹤位置合理性分析

從回波在空間的移動（即豎直、水平方向）分別對跟蹤位置進行合理性分析。在豎直方向上，對于不同高度的同一位置回波移動速度應(yīng)當一致；在水平方向上，區(qū)域移動相對位置不變。所以從以下方面驗證算法：①不同高度的同一經(jīng)緯度位置回波，如果在同一時刻速度一致，則證明算法合理；②跟蹤多個區(qū)域時，觀察單個區(qū)域相對整片云位置是否不變，多個區(qū)域移動相對位置是否不變，且分析各區(qū)域的移動速度，同一系統(tǒng)中，各區(qū)域移動速度應(yīng)在有限范圍內(nèi)波動。

3.1.1個例1。

2015年2月14日岳陽局部出現(xiàn)強降水，取岳陽雷達站09：42～10：12的CAPPI拼圖資料，開始跟蹤時刻14日09：42設(shè)為0時刻，分別選擇2.5、3.0、3.5 km高度層的CAPPI作為跟蹤對象，為保證在跟蹤期間該點一直有回波，選定區(qū)域中心任意一個位置A（29.72°N、113.15°E）的回波，對其移動速度進行跟蹤、統(tǒng)計，取該點周圍5 km范圍內(nèi)的速度平均值為該點速度。

分別統(tǒng)計了不同時刻、不同高度層A位置的速度值，包括TREC矢量分量U、V方向上的速度U、V，以及該點合成速度C。速度U在13～18 m/s范圍內(nèi)變化顯示（圖1a），在同一時刻的不同高度，A位置回波的移動速度最大相差約3 m/s；速度V在7～9 m/s范圍內(nèi)變化顯示（圖1b），在同一時刻的不同高度，A位置回波的移動速度相差最大約2 m/s；從速度C在14～20 m/s范圍內(nèi)變化（圖1c）可看出，在相同時刻的不同高度，A位置回波不同高度的移動速度相差最大約3 m/s；由此可知，同一經(jīng)緯度位置回波將不同高度CAPPI資料作為跟蹤對象時，同一時刻移動速度U、V以及該點合成速度C基本一致，從第一方面證明了算法正確合理。

3.1.2個例2。

2015年2月2日湖南長沙出現(xiàn)一次小范圍降水過程。取長沙雷達站的14：00～14：30的CAPPI拼圖資料，選擇3個催化區(qū)跟蹤（region1、region2、region3）。選擇回波較好（回波面積大、回波強度強）的4 km高度層CAPPI作為跟蹤對象。

為更好跟蹤不同時刻催化區(qū)移動情況而設(shè)置彩色時間軸。設(shè)置開始跟蹤時刻2日14：00為0時刻，一個時刻設(shè)為6 min。每個時刻對應(yīng)不同顏色，如深紅色對應(yīng)第1時刻，對應(yīng)時間為2日14：06。用不同顏色的圈表示不同時刻催化區(qū)位置，黑色箭頭表示實時催化區(qū)內(nèi)的TREC矢量，它反映了回波的移動趨勢。

從region1、region2、region3的回波跟蹤圖（圖2）可看出，region1、region2、region3在跟蹤過程中，相對整片云位置基本不變，3個跟蹤區(qū)域均向偏東北方向移動并保持相對位置基本不變；region1、region2、region3的移動速度（圖3）顯示，3個跟蹤區(qū)域速度在12～19 m/s 范圍內(nèi)波動，速度變化趨勢基本一致。綜上所述，在跟蹤時間段內(nèi)，單個跟蹤區(qū)域相對整片云位置合理，多個區(qū)域在移動時相對位置不變，且分析了同一天氣過程中多個區(qū)域的移動速度，這些區(qū)域的移動速度變化趨勢基本一致且在有限范圍內(nèi)波動，從第二方面證明了

算法正確合理。

3.2高炮作業(yè)實例分析

2015年4月30日05：47郴州桂陽進行防雹作業(yè)，高炮用量55發(fā)，作業(yè)結(jié)束時間05：52，在此選擇炮點周圍10 km范圍為催化區(qū)，對催化區(qū)進行跟蹤（圖4），并對催化區(qū)內(nèi)最大反射率和區(qū)域平均垂直液態(tài)含水量進行統(tǒng)計（圖5）。

將作業(yè)結(jié)束后臨近時刻（05：54）作為0時刻，每個時刻為6 min。由圖4可見，作業(yè)后催化區(qū)位置向東北方向移動，與TREC矢量指向一致。

統(tǒng)計作業(yè)后30 min內(nèi)催化區(qū)最大反射率CR和垂直液態(tài)含水量VIL（圖5）可知，作業(yè)后CR在作業(yè)18 min內(nèi)從48 dBz迅速下降至36 dBz；作業(yè)后VIL出現(xiàn)下降，從開始的1.18 kg/m2下降至0.68 kg/m2?？梢?，作業(yè)后最大回波強度和垂直液態(tài)含水量在有效時間段內(nèi)比作業(yè)前明顯減弱，為防雹作業(yè)正效果提供進一步依據(jù)。

4結(jié)論與討論

在TREC算法上，初步實現(xiàn)了高炮催化區(qū)跟蹤方法在湖南的個例分析。選用2015年湖南長沙、岳陽2個自然降水過程和多個跟蹤區(qū)域進行連續(xù)跟蹤，從豎直、水平方向上驗證移動位置合理性；選擇湖南郴州桂陽一次高炮防雹作業(yè)，對催化區(qū)回波進行跟蹤，驗證跟蹤方法在湖南本地化可行性，并對催化區(qū)內(nèi)最大反射率、垂直液態(tài)含水量進行了統(tǒng)計計算。

結(jié)果表明，高炮作業(yè)催化區(qū)跟蹤方法在湖南未作業(yè)個例中，對假設(shè)“高炮催化區(qū)”進行跟蹤，跟蹤位置合理；

高炮作業(yè)催化區(qū)跟蹤方法在湖南防雹作業(yè)個例中，對高炮作業(yè)催化

區(qū)內(nèi)最大反射率、垂直液態(tài)含水量等回波參數(shù)進行了計算，方法合理。

但高炮催化區(qū)跟蹤方法仍然需要多地區(qū)多實例進一步驗證，另外，除了統(tǒng)計催化區(qū)回波參數(shù)外，如何選擇有效的對比區(qū)域也很重要，對比區(qū)域的選擇為未來研究內(nèi)容之一；由于催化區(qū)半徑采用催化時間可達范圍的最大值，而實際催化區(qū)是隨著催化劑擴散而變化，如何改進算法并將催化半徑定為變量也為未來研究的重要方向。

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