雷達(dá)和GPS水汽資料在人工增雨指標(biāo)中的應(yīng)用

孫莉娟　徐陽　魯?shù)陆稹≈烀骷?/p>

摘要 ? ?利用雷達(dá)、GPS大氣可降水量等綜合分析了云物理特征參數(shù)在一次對(duì)流降水中實(shí)施人工增雨的指標(biāo)，根據(jù)對(duì)流過程的演變，將其細(xì)分為生成、發(fā)展、成熟、減弱、消亡5個(gè)階段來分析各物理參數(shù)的變化特征。結(jié)果表明，GPS大氣可降水量對(duì)降水的產(chǎn)生有較好的指示作用;組合反射率、回波頂高、垂直積分液體水含量與降水相關(guān)性好，能表示對(duì)流云總體發(fā)展情況;成熟階段是實(shí)施人工增雨的最佳時(shí)段。

關(guān)鍵詞 ? ?人工增雨;雷達(dá);GPS大氣可降水量

中圖分類號(hào) ? ?P481 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）16-0160-03

安徽省為農(nóng)業(yè)大省，夏季對(duì)降水的需求旺盛，開展人工增雨是開發(fā)大氣水資源、改善當(dāng)?shù)厮Y源狀況的一項(xiàng)重要措施。

近年來，各省在人工增雨外場(chǎng)作業(yè)中不斷探索，試圖構(gòu)建適合各省的作業(yè)條件和作業(yè)時(shí)機(jī)的判斷指標(biāo)。雷達(dá)可探測(cè)對(duì)流云回波變化的高時(shí)空分辨率特性，對(duì)外場(chǎng)人工增雨作業(yè)有指導(dǎo)性[1-2]。20世紀(jì)90年代河南、河北兩省就開始探索層狀云的人工催化條件[3-4];王吉宏等[5]用沈陽棋盤山新一代天氣雷達(dá)探測(cè)分析了2004—2006年在遼寧中西部地區(qū)進(jìn)行的人工增雨作業(yè)及降水的雷達(dá)回波特征，初步總結(jié)出對(duì)積層混合云實(shí)施人工增雨作業(yè)的雷達(dá)判別指標(biāo)。唐 ?林等[6]以湖南主要人工增雨積云和積層混合云為研究對(duì)象，得出湖南的人工增雨指標(biāo)和評(píng)分規(guī)則，并建立地面人工增雨多普勒天氣雷達(dá)指揮系統(tǒng)。伍志方等[7]利用廣東省新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品分析了春季廣東中北部有利于降水的天氣條件，并舉例說明新一代天氣雷達(dá)各種產(chǎn)品在人工增雨作業(yè)中的綜合應(yīng)用。郭 ?艷等[8]總結(jié)了江西2007—2008年人工增雨作業(yè)條件的多普勒天氣雷達(dá)參數(shù)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上建立了人工增雨作業(yè)條件判別方程。安徽省在人工影響天氣作業(yè)條件分析判斷方面也進(jìn)行了初步探索，蔣年沖等[9]探討了安徽省夏季不同類型降水系統(tǒng)中對(duì)流性降水云的結(jié)構(gòu)、降水形成機(jī)制，旨在為進(jìn)一步研究安徽省人工影響天氣提供技術(shù)途徑。

有研究指出，GPS信號(hào)的分析可直接得到大氣水汽含量的變化，對(duì)判斷增雨作業(yè)時(shí)機(jī)有很好的指導(dǎo)性。袁 ?野等[10]、王明明等[11]研究發(fā)現(xiàn)，地面降水與云液態(tài)水含量隨時(shí)間的分布對(duì)應(yīng)較好，在地面降水出現(xiàn)前，云液態(tài)水含量有躍增現(xiàn)象，利用這種現(xiàn)象可判斷此時(shí)段云系正處于發(fā)展階段，由此可應(yīng)用于人工增雨作業(yè)條件的判別。

基于目前研究的現(xiàn)狀，本文綜合雷達(dá)、GPS大氣可降水量和地面降水觀測(cè)資料，針對(duì)2018年的一次對(duì)流降水過程，分析雷達(dá)參數(shù)、GPS大氣可降水量與降水的關(guān)系，嘗試建立識(shí)別增雨作業(yè)時(shí)機(jī)的參數(shù)指標(biāo)。

1 ? ?資料選取

選用的資料有合肥市地面觀測(cè)站降水資料、安慶探空站資料、合肥站地基GPS大氣可降水量（PWV）。選用2018年8月7日安徽省內(nèi)安慶、蚌埠、阜陽、合肥、黃山共5市的S波段雷達(dá)資料，SWAN系統(tǒng)能集合多部雷達(dá)數(shù)據(jù)，反演生成多種基本產(chǎn)品，包括三維拼圖雷達(dá)產(chǎn)品、組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量等。天氣形勢(shì)分析資料取自MICAPS系統(tǒng)生成的相關(guān)產(chǎn)品。

2 ? ?天氣形勢(shì)

2018年8月7日合肥市及周邊地區(qū)出現(xiàn)一次短時(shí)對(duì)流降水過程，降水從8月7日11：58開始，于17：00左右結(jié)束，強(qiáng)降水中心主要集中在合肥市東北部長(zhǎng)豐縣和肥東縣一帶，6 h累計(jì)雨量有10個(gè)站超過5 mm，最大降水量達(dá)到51.5 mm，出現(xiàn)在白龍鎮(zhèn)（圖1）。此次降水過程具有歷時(shí)短、降水強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特征。7日8：00 500 hPa（圖2）上安徽省處于副高控制下，周圍多短波槽，安徽區(qū)域水汽含量豐富。安慶探空顯示大氣層結(jié)不穩(wěn)定，CAPE為2 564 J/kg，底層風(fēng)切變強(qiáng)，700 hPa低層為西南風(fēng)，高層為東南風(fēng)。

對(duì)流云11：00生成于合肥東部（圖3a），對(duì)流回波迅速發(fā)展壯大（圖3b），并在移動(dòng)過程中逐漸形成東南—西北走向的對(duì)流回波（圖3c）。在移動(dòng)過程中逐漸增強(qiáng)，在14：50對(duì)流強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，基本反射率最大達(dá)到55 dBZ。在移動(dòng)過程中有對(duì)流單體的生成和合并發(fā)展，14：00左右在巢湖市有新的對(duì)流單體產(chǎn)生，與原減弱的對(duì)流云合并后（圖3d），持續(xù)發(fā)展一段時(shí)間，15：53在巢湖市消亡（圖3e）。

3 ? ?基于PGS/PWV的判別指標(biāo)

GPS大氣可降水量（PWV）與天氣系統(tǒng)的演變存在密切關(guān)系，其引發(fā)的降水等天氣過程一般都對(duì)應(yīng)著水汽總量的顯著變化。由圖4可以看出，降水發(fā)生前，大氣可降水量PWV呈遞增的趨勢(shì)，大氣中水汽含量不斷增加，有利于水汽的積累，為降水提供有利的水汽條件。8月7日7：00 PWV值達(dá)到52.5 mm。合肥12：00左右開始出現(xiàn)降水，降水期間PWV保持減少趨勢(shì)，但減少幅度比較小，PWV值在50 mm左右，降水在17：00左右結(jié)束，18：00 PWV值急速下降到46 mm。降水往往隨即出現(xiàn)在大氣可降水量的急速增加之后，降水發(fā)生后，水汽含量呈緩慢下降趨勢(shì)，降水過程結(jié)束后，水汽含量迅速下降。PWV的減小預(yù)示降水過程的結(jié)束，降水過程與PWV峰值區(qū)對(duì)應(yīng)較好，PWV的躍增對(duì)開展人工增雨時(shí)機(jī)有一定指示作用。

4 ? ?基于雷達(dá)資料的判別指標(biāo)

雷達(dá)可探測(cè)對(duì)流云回波變化的高時(shí)空分辨率特性，分析2018年8月7日雷達(dá)產(chǎn)品與降水的關(guān)系。雷達(dá)參數(shù)包括回波頂高、18.5 dBZ云體積、30 dBZ云體積、冷層厚度、平均反射率、最大反射率、最大反射率高度和垂直積分液態(tài)水含量。各參數(shù)定義如下。①回波頂高：每個(gè)庫上回波強(qiáng)度大于18.5 dBZ的最大高度。②面積：SWAN拼圖數(shù)據(jù)格點(diǎn)大小為0.01經(jīng)度×0.01緯度，其面積隨緯度的變化有所變化，33°N的格點(diǎn)面積大小約為1.03 km2，所以計(jì)算段的面積時(shí)，將每個(gè)格點(diǎn)的面積近似為1 km2，所以段的長(zhǎng)度即為面積。③冷層厚度：由風(fēng)暴的二維分量計(jì)算風(fēng)暴覆蓋下的最大回波頂高，與零度層的高度差即為冷層厚度。④最大反射率：每個(gè)庫上對(duì)所有垂直高度層的反射率進(jìn)行比較，選擇最大的反射率值，即組合反射率。⑤垂直積分液態(tài)含水量：降水云體在某一確定底面積垂直柱體內(nèi)降水粒子總量折合成水的分布。

此外，雨量站為合自動(dòng)雨量站分鐘降水，SWAN三維拼圖雷達(dá)資料時(shí)間間隔為6 min，為了與拼圖資料時(shí)間一致，需要將分鐘雨量資料統(tǒng)計(jì)為拼圖資料體掃開始時(shí)間至結(jié)束時(shí)間對(duì)應(yīng)的6 min累計(jì)降水量。

回波頂高、18.5 dBZ云體積、30 dBZ云體積、冷層厚度、平均反射率、組合反射率、最大反射率高度、垂直積分液態(tài)水含量等物量參量與雨強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.292 328、0.287 931 448、0.058 575 923、0.433 526、0.278 777、0.433 171 12、0.331 507 765、0.352 42。

可以看出，回波頂高、冷層厚度、組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量與降水的相關(guān)性較好?；夭敻吣艽碓浦羞^冷水含量;組合反射率表示對(duì)流云發(fā)展強(qiáng)度的狀態(tài)，垂直積分液體水含量是判別強(qiáng)降水及其降水潛力的有效參量，故選擇回波頂高、組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量來表示對(duì)流云總體發(fā)展情況。

為分析出適合作業(yè)的最佳時(shí)段，基于目前的研究和本次對(duì)流過程的發(fā)展演變，將整個(gè)對(duì)流過程細(xì)分為生成、發(fā)展、成熟、減弱和消散5個(gè)階段，不同階段組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量的回波參數(shù)特征如表1所示。

發(fā)展階段，組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量值比較低，組合反射率低于30 dBZ，回波頂高小于4 km，垂直積分液態(tài)水含量小于1 kg/m2。當(dāng)對(duì)流快速發(fā)展進(jìn)入發(fā)展階段時(shí)，回波強(qiáng)度迅速增大到30 dBZ以上，回波頂高能達(dá)到6 km，液態(tài)含水量也變得豐富?；夭ㄔ黾铀俣群芸欤M(jìn)入成熟階段后，組合反射率最大能達(dá)到55 dBZ，回波頂高最高能發(fā)展到14 km，液態(tài)水含量也非常豐富，能達(dá)到20 kg/m2。持續(xù)40 min后，對(duì)流云開始減弱，組合反射率變?nèi)酰夭ǜ叨冉档?，液態(tài)水含量顯著減少，直至整個(gè)對(duì)流消散結(jié)束。

對(duì)流降水過程局地性比較強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間短，一般對(duì)流云降水從生長(zhǎng)—發(fā)展—成熟—減弱—消散整個(gè)過程生命期在 30～240 min范圍內(nèi)。對(duì)流云系主要有多單體合并對(duì)流云與單體對(duì)流云，多單體對(duì)流云在生命史、回波高度、強(qiáng)度、尺度等方便都超過單體對(duì)流云，同時(shí)液態(tài)水含量和自然降水效率都比單體對(duì)流云大。本次對(duì)流過程為多單體合并對(duì)流云降水過程，綜合各參數(shù)在對(duì)流過程中的演變指標(biāo)，選擇成熟階段進(jìn)行人工增雨作業(yè)效果較好。

5 ? ?結(jié)論與討論

通過分析GPS大氣可降水量、雷達(dá)參數(shù)與降水的關(guān)系，初步建立了識(shí)別增雨作業(yè)時(shí)機(jī)的參數(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，降水開始前PWV的躍增對(duì)開展人工增雨有一定指示作用。雷達(dá)參數(shù)回波頂高、組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量與降水的相關(guān)性好，可表示對(duì)流云總體發(fā)展情況。根據(jù)本次對(duì)流過程的發(fā)展演變，將整個(gè)對(duì)流過程細(xì)分為生成、發(fā)展、成熟、減弱和消散5個(gè)階段，成熟階段是適合開展人工增雨作業(yè)時(shí)段。安徽省對(duì)流過程中實(shí)施人工增雨的雷達(dá)指標(biāo)：組合反射率發(fā)展到40 dBZ以上，回波頂高達(dá)到6 km，垂直積分液態(tài)水含量達(dá)到20 kg/m2。

本研究嘗試將GPS大氣可降水量和雷達(dá)參數(shù)應(yīng)用于安徽省人工增雨條件和時(shí)段的判別研究中，對(duì)指導(dǎo)外場(chǎng)人工增雨業(yè)務(wù)更加準(zhǔn)確直接，可有效提高人工增雨的效率，對(duì)安徽省人工增雨有重要的意義，但本研究結(jié)果僅為一次天氣過程的分析結(jié)果，后續(xù)將積累大量安徽省對(duì)流過程的統(tǒng)計(jì)分析，以期給出具有統(tǒng)計(jì)意義的判據(jù)指標(biāo)。

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基金項(xiàng)目 ? 安徽省氣象局新技術(shù)集成項(xiàng)目（AHXJ201706）。

作者簡(jiǎn)介 ? 孫莉娟（1988-），女，江蘇泰州人，工程師，從事人工影響天氣綜合業(yè)務(wù)、農(nóng)業(yè)氣象的研究工作。

收稿日期 ? 2020-07-03