務(wù)川一次人工增雨作業(yè)效果分析評估

摘" 要：利用地面自動氣象站、雙偏振多普勒天氣雷達等觀測資料，對2022年7月17日務(wù)川縣一次火箭增雨作業(yè)效果進行統(tǒng)計檢驗和物理檢驗。通過對影響區(qū)和對比區(qū)作業(yè)前后雨量及雷達參量的演變差異，完整分析此次人工增雨作業(yè)的催化效果。結(jié)果表明，此次增雨效果顯著，區(qū)域?qū)Ρ确治鐾ㄟ^0.1的顯著性檢驗，絕對增雨量為12.1 mm，相對增雨率為30.3％，總雨量增值達774 400 m3；催化效果在作業(yè)后15 min起到效果，影響區(qū)強回波迅速生成發(fā)展，并在1 h左右貝吉龍效應(yīng)達到最強，強回波區(qū)面積、液態(tài)水含量躍升變率及高值區(qū)占比、冰粒子尺度和數(shù)量等參量均大于對比區(qū)，人工增雨催化作用能夠被觀測的物理效應(yīng)所證實，為務(wù)川縣人工增雨保障氣象服務(wù)的順利開展積累經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：地面火箭；增雨作業(yè)；效果分析；天氣雷達；自動氣象站

中圖分類號：P481" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0101-05

Abstract： Based on the observation data of ground automatic weather station and dual polarization Doppler weather radar， statistical and physical tests were carried out on a rocket rain enhancement operation in Wuchuan County on July 17， 2022. Through the evolution differences of rainfall and radar parameters before and after the operation in the affected area and the control area， the catalytic effect of this artificial precipitation enhancement operation is analyzed completely. The results show that the effect of rain enhancement is remarkable. The regional contrast analysis has passed the significance test of 0.1. The absolute rainfall increase is 12.1 mm， the relative rainfall increase rate is 30.3%， and the total rainfall increment reaches 774 400m3. The catalytic effect was effective in 15 min after operation， and the strong echo in the affected zone was generated and developed rapidly， and the Bergeron Effect reached the strongest in about 1 hour. The strong echo area， the jump rate of liquid water content and the proportion of high value region， the size and quantity of ice particles and other parameters were larger than those in the control area. The catalysis of artificial precipitation enhancement can be confirmed by the observed physical effects， which accumulates experience for the smooth development of meteorological services in wuchuan county.

Keywords： ground rocket; rain enhancement operation; effect analysis; weather radar; automatic weather station

2022年7—9月務(wù)川縣遭遇1961年有氣象記錄以來最嚴重的高溫少雨天氣及氣象干旱，降水嚴重偏少，其中7月僅出現(xiàn)2次降雨，月平均累計降水量僅68.2 mm，比歷史同期少63%；通過及時開展人工增雨保障氣象服務(wù)，有力緩解了旱情，取得了較好的經(jīng)濟及社會效益。將務(wù)川新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達可測定降水粒子相態(tài)分類、垂直累積液態(tài)含水量等物理量的探測優(yōu)勢與車載火箭移動便捷、成核率高的特點相結(jié)合，有效提高人工增雨效率的同時，客觀、科學地對人工增雨的效果進行評估，總結(jié)作業(yè)全鏈條、全流程的經(jīng)驗和教訓。因此，人工增雨效果評估檢驗是一個非常重要的環(huán)節(jié)，也具有高度的不確定性和復雜性[1]。王婉等[2]采用非隨機化試驗利用統(tǒng)計的方法進行效果評估，現(xiàn)有的非隨機化試驗方案有序列試驗、區(qū)域?qū)Ρ仍囼灐^(qū)域歷史回歸試驗和區(qū)域趨勢雙比分析方案等。葉家東[3]指出，在結(jié)合抗旱開展的作業(yè)性試驗中回歸試驗仍是一種可行的方法，如果運用得當可以提高分析結(jié)果的客觀性和準確性。目前，人工增雨效果檢驗方法主要有物理檢驗、統(tǒng)計檢驗、數(shù)值模擬檢驗3種，統(tǒng)計檢驗、數(shù)值模擬檢驗的效果只有經(jīng)過物理解釋和觀測的物理效應(yīng)所證實，才能獲得比較令人信服的檢驗效果[4]?；谝陨嫌^點，本文在作業(yè)效果檢驗中使用序列分析、區(qū)域?qū)Ρ确治?、雙比分析等統(tǒng)計檢驗方案對7月17日務(wù)川縣一次降水天氣過程中人工地面火箭增雨作業(yè)的增雨效率進行效果評估，并利用務(wù)川新一代多普勒天氣雷達的觀測參量進行物理驗證和檢驗，旨在檢驗增雨作業(yè)情況，為今后開展人工增雨效果分析提供了較為科學的方法和思路。

1" 資料與方法

1.1" 數(shù)據(jù)資料

利用2022年7月16—17日500 hPa及850 hPa天氣圖、500 hPa及700 hPa高度場和風場、海平面氣壓場和500 hPa相對濕度場資料，白果組站、黃都站地面自動站逐分鐘雨量資料及務(wù)川新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達觀測等資料。

1.2" 研究方法

在序列分析中不涉及到對比區(qū)，在區(qū)域?qū)Ρ确治龊碗p比分析中，在作業(yè)區(qū)下風方向8 km范圍內(nèi)為影響區(qū)，對比區(qū)選擇時主要基于以下幾個原則：一是與影響區(qū)為同一天氣系統(tǒng)影響；二是在對比區(qū)上風向且地形地貌相似；三是與影響區(qū)歷史降水量的相關(guān)系數(shù)在0.8以上[5]。3種統(tǒng)計檢驗方法計算情況見表1，R為相對增雨率，Q為絕對增雨量，其中序列分析法中Y1和Y2為影響區(qū)作業(yè)前3 h和作業(yè)后3 h實測降水量；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)后3 h實測降水量；雙比分析中Y2和Y1為影響區(qū)作業(yè)期和非作業(yè)期實測降水量，X2和X1為對比區(qū)作業(yè)后3 h和作業(yè)前3 h實測降水量[6-7]。

2" 基于地面自動氣象站雨量統(tǒng)計的增雨效果評估

2.1" 天氣形勢

7月16日14時500 hPa副高588線控制貴州省中部以南地區(qū)，務(wù)川縣處于兩高之間不穩(wěn)定區(qū)；24 h（17日14時）后北支槽東移后轉(zhuǎn)西北氣流。700 hPa高空圖西南氣流、暖中心，陜甘南部切變；17日7時，川東南低渦切變開始增強并東移，14時西南氣流進一步增強，川東南低渦切變增強，云圖出現(xiàn)高濕區(qū)。850 hPa天氣圖務(wù)川縣一致偏南氣流，且受川東南低渦影響；14時偏南氣流加強，川東低渦加強西伸北抬東移、增濕進一步影響該縣。14時涪洋站（作業(yè)影響區(qū)附近）地面低壓925.1 hPa，3 h變壓-1.8 hPa，溫度達到29.0 ℃，露點溫度24.3 ℃，高層干冷空氣與低層暖濕空氣重疊，位勢不穩(wěn)定能量聚集。

用距離務(wù)川縣最近的沙坪壩探空資料來分析過程發(fā)生前后環(huán)境場的變化。16日20時，探空圖上CAPE數(shù)值為1 279.4 J/kg，550 hPa以上是明顯的干層，同時700 hPa至600 hPa風隨高度逆轉(zhuǎn)，對應(yīng)的溫度層結(jié)曲線與露點曲線發(fā)生分離，說明該層有冷空氣入侵。上干下濕的大氣層結(jié)為不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)，暖層深厚，中間有冷空氣侵入，有利于強對流天氣發(fā)生，并伴隨一定強度的短時強降水。0 ℃層和20 ℃層分別在500 hPa和300 hPa（6～9 km）之間，保證作業(yè)高度上云中存在較深厚的過冷卻水滴區(qū)。

因此本次降雨為低渦北抬與南下冷空氣遭遇，冷暖交匯程度明顯并配合穩(wěn)定的低渦與局地水汽輸送和不穩(wěn)定能量而形成對流性降水，有利低質(zhì)心對流降水云團的生成，具備人工增雨作業(yè)天氣條件。

2.2" 人工增雨作業(yè)效果

17日15時28—29分在桃符進行地面火箭作業(yè)，仰角50°，方位西西北，用量火箭彈3枚，彈道路徑為水平距離7～10 km，作業(yè)層催化垂直高度3～5 km。結(jié)合作業(yè)高度及風廓線（VWP）產(chǎn)品上高度2～8 km風向一致為西風、風速2 m/s左右、雷達回波緩慢向東移動等因素，將作業(yè)點下風方白果組站周圍64 km2（8 km×8 km）以內(nèi)的區(qū)域定為作業(yè)影響區(qū)（圖1），根據(jù)對比區(qū)選擇的原則，選取黃都站周邊64 km2（8 km×8 km）的區(qū)域為對比區(qū)，兩站7月份歷史雨量相關(guān)性達0.824 （表2），以作業(yè)前后3 h為統(tǒng)計變量，檢驗表明：3種分析顯示增雨作業(yè)均有正效果，其中序列分析顯著性水平小于0.01，說明增雨作業(yè)極顯著；區(qū)域?qū)Ρ确治鐾ㄟ^0.1的顯著性檢驗，絕對增雨量為12.1 mm，相對增雨率為30.3％，總雨量增值[8]約774 400 m3；雙比分析未通過顯著性檢驗，說明影響區(qū)和對比區(qū)可視為同一天氣系統(tǒng)影響。

3" 基于務(wù)川新一代雙偏振天氣雷達產(chǎn)品的增雨效果分析

3.1" 基本反射率

采用碘化銀對影響區(qū)云體作業(yè)后，經(jīng)過貝吉龍過程過冷水滴轉(zhuǎn)化為冰晶并逐步成長為雪晶和冰雹，隨著冰粒子生長成冰雹子，不斷消耗云中的過冷水。在催化區(qū)域內(nèi)，各種相態(tài)粒子的轉(zhuǎn)換和尺度變化，可引起后向散射截面的變化使雷達反射率因子發(fā)生變化。影響區(qū)云體作業(yè)前基本反射率為10～25 dBZ，占影響區(qū)面積的60%～80%，而強回波區(qū)域（40～45 dBZ）僅占5%；作業(yè)后約15 min，15：43體掃影響區(qū)基本反射率普遍增強至35 dBZ以上。影響區(qū)強回波（超過45 dBZ）持續(xù)影響的時間為16：35—17：44，最強回波出現(xiàn)在16：47，達到60 dBZ的強中心，該體掃垂直累積液態(tài)含水量達到26 kg/m3，此時的分鐘雨強也達到最強；同時作業(yè)目標云基本反射率為40～50 dBz的面積比作業(yè)前增大3倍以上。對比區(qū)強回波（超過45 dBZ）持續(xù)時段為15：00—16：58，最強回波出現(xiàn)在15：26，達到63.5 dBZ，該時刻垂直累積液態(tài)含水量達到28 kg/m3。作業(yè)后3 h，影響區(qū)內(nèi)白果組站降雨量達到52.0 mm，對比區(qū)內(nèi)黃都站降雨量為39.9 mm，而作業(yè)前3 h兩站的累計雨量分別僅為0.1 mm和2.9 mm，可見，作業(yè)后地面雨量逐漸增加，明顯大于作業(yè)前；盡管對比區(qū)強回波持續(xù)時間達118 min，遠長于影響區(qū)的69 min，且對比區(qū)的強回波區(qū)中心強度及垂直累積液態(tài)含水量均強于影響區(qū)，但影響區(qū)雨量卻相對于自然降雨量（對比區(qū)）的增雨效率達30.3%，這與火箭彈催化有直接關(guān)系，體現(xiàn)出增雨作業(yè)相較自然降雨的效率優(yōu)勢。

從剖面圖上看（圖2），作業(yè)前影響區(qū)低質(zhì)心對流云團尚處于初生階段，強回波高度在5 km以下，作業(yè)后迅速發(fā)展并緩慢東移，強回波高度達到5～8 km并及地且后續(xù)有新的強單體生成；對比區(qū)作業(yè)時次（15：26）云體強中心集中在5 km以下，但強度略強于作業(yè)后目標云（圖2（b）），結(jié)合云頂高度判斷強質(zhì)心較低，自然狀態(tài)降水量較目標云少23%；由此證明作業(yè)層催化作用大大增加了云體發(fā)展的垂直高度，有利于粒子在一定的高度反復碰并形成大雨滴并降落地面，形成較高的降雨效率。

3.2" 垂直累積液態(tài)含水量（VIL）

垂直累積液態(tài)含水量是降水云體中某一確定面積的垂直柱體內(nèi)液態(tài)水總量的分布，反映將反射率因子等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等價液態(tài)水值[9]；從其演變可知（圖3），作業(yè)1 h后影響區(qū)內(nèi)水汽聚合明顯，VIL強度明顯增強，說明作業(yè)后水汽沿碘化銀撒播區(qū)域凝結(jié)，冰晶數(shù)量和大小有較大增加。16：35垂直積分液態(tài)水含量由1.5 kg/m3躍升到17.5 kg/m3，10 kg/m3以下的面積在減?。淮笥?0 kg/m3的VIL面積明顯增加，說明VIL大值區(qū)域呈增加趨勢并于16：41達到最大值27 kg/m3，面積占比達到38%，并維持至17：10，持續(xù)時間達35 min，VIL大值區(qū)面積的漲落很好地與地面雨量觀測值相對應(yīng)，如大于等于20 kg/m3的面積最先增長且快于累計雨量的增長、雨量最大值出現(xiàn)在VIL大值區(qū)面積減小的時間區(qū)間內(nèi)等均符合云物理降水基本特征，可見火箭彈的催化效果體現(xiàn)在對云滴的貝吉龍效應(yīng)，逐漸碰并增大形成大雨滴，雷達測得迅速出現(xiàn)的VIL大值區(qū)，累計雨量也隨之躍增，增雨作業(yè)的效果被觀測的物理效應(yīng)所證實。

3.3" 粒子相態(tài)分類產(chǎn)品

雙偏振雷達的偏振參數(shù)對水成物的相態(tài)、形狀、空間取向和分布都很敏感，因此利用偏振參數(shù)可以推斷出水成物的微物理學特征。粒子相態(tài)分類產(chǎn)品（HCL）是對水成物進行相態(tài)識別的物理量，影響區(qū)內(nèi)作業(yè)后HCL上可看出（圖4）有大量冰雹子（大冰核子），說明冰晶粒子成長尺度較大，貝吉龍增長旺盛，集中在1.90～4.18 km（0.5～6.0°仰角）的冰核數(shù)量和面積、持續(xù)時間均強于對比區(qū)；對比區(qū)黃都站附近的大冰核子主要集中在2.23～4.72 km（0.5～3.4°仰角）高度，主要表現(xiàn)為冰雹和大雨滴的混合態(tài)和分散狀，影響區(qū)則主要是冰核，聚集態(tài)碘化銀加速了過冷水滴轉(zhuǎn)化為冰晶并逐步成長為雪晶和冰雹，隨著這些冰粒子的生長又不斷消耗云中的過冷水，這是增雨作業(yè)人工制造的“冰晶效應(yīng)”，大部分的降雨來自這些冰相粒子的融化。

4" 結(jié)論

1）針對此次天氣過程所開展的地面火箭增雨，3種評估方法均顯示有正效果，其中區(qū)域?qū)Ρ确治鐾ㄟ^0.1的顯著性檢驗，絕對增雨量為12.1 mm，相對增雨率為30.3％，總雨量增值約774 400 m3。

2）作業(yè)后15 min影響區(qū)基本反射率普遍增強到35 dBZ以上，超過45 dBZ的回波面積迅速擴大到作業(yè)前的3倍并持續(xù)69 min，作業(yè)層催化作用大大增加了云體發(fā)展的垂直高度，影響區(qū)強回波發(fā)展高度比對比區(qū)更高；1 h影響區(qū)目標云VIL從1.5 kg/m3增加到17.5 kg/m3，并維持了35 min，作業(yè)后目標云的面積增大和回波強度增強與火箭彈催化有直接關(guān)系；而影響區(qū)人工制造的聚集態(tài)碘化銀加速了過冷水滴轉(zhuǎn)化為冰晶并逐步成長為雪晶和冰雹，更加速了降水效率。

3）人工增雨效果檢驗的客觀性和準確性受以下因素制約。一是將對比區(qū)作為影響區(qū)自然降水的估計，盡管對比區(qū)選取方法理論上科學合理，如本文中影響區(qū)和對比區(qū)的歷史雨量相關(guān)性達0.824 6；但以本次火箭增雨作業(yè)為例，降水的局地性較強且受地形等因素的影響，兩區(qū)的相似性較差，主要體現(xiàn)在強回波（超過45 dBZ）持續(xù)影響的時間重合度較差，無法完全剔除云及降水的自然變率，一定程度上影響基于該方法的增雨效果檢驗。二是雙偏振雷達的云降水探測誤差對增雨作業(yè)物理檢驗的影響，如本文中影響區(qū)距離鄰近探測雷達較近約20 km，而對比區(qū)距離鄰近探測雷達較遠達50 km，探測回波誤差對結(jié)果會造成一定影響。

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基金項目：遵義市氣象局登記制科研項目（zyqxky（2022）7號）

第一作者簡介：高建飛（1989-），男，工程師。研究方向為人工影響天氣及氣象服務(wù)業(yè)務(wù)。