昭通市漁洞水庫(kù)蓄水型人工增雨效果的評(píng)估分析

摘 要：以昭通市漁洞水庫(kù)徑流區(qū)作為水庫(kù)蓄水型人工增雨野外試驗(yàn)背景，采取區(qū)域回歸分析方法，利用云南省昭通市昭陽(yáng)區(qū)和魯?shù)榭h2014—2022年近9年區(qū)域自動(dòng)站年均降水量資料，選取作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)，建立月際逐日自然降水量回歸方程，基于ArcGIS軟件，在作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)上繪制泰森多邊形，開(kāi)展同一影響天氣系統(tǒng)下24個(gè)作業(yè)樣本面雨量分析，以對(duì)比區(qū)逐日自然降水面雨量推測(cè)作業(yè)影響區(qū)逐日自然降水面雨量，再與作業(yè)影響區(qū)實(shí)測(cè)面雨量作比較，得出7—10月昭通市漁洞水庫(kù)蓄水型人工增雨相對(duì)平均增雨率為15.4%，作業(yè)期間貢獻(xiàn)入庫(kù)量約1 269.05萬(wàn)m3；同時(shí)組合反射率、回波頂高度、垂直積分液態(tài)含水量等雷達(dá)回波參量均對(duì)增雨作業(yè)具有一定效果。

關(guān)鍵詞：人工增雨；庫(kù)塘蓄水；效果評(píng)估

中圖分類號(hào)：P481 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-03

云南省昭通市地處云、貴、川三省交界處，位于云南東北部、烏蒙山區(qū)北緣，地勢(shì)南高北低，立體氣候突出。昭魯壩子作為云南省第三大壩子，總耕地面積約為3.48萬(wàn)hm2。以往因水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，灌溉效率較低，以高原特色農(nóng)經(jīng)作物種植為主的農(nóng)田灌溉能力不足且單產(chǎn)較低，而漁洞水庫(kù)的建設(shè)從根本上解決了該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水問(wèn)題和昭陽(yáng)區(qū)城市居民飲用水問(wèn)題，提升了昭魯壩子的水利化程度。

近年來(lái)，受極端高溫干旱天氣影響，漁洞水庫(kù)徑流區(qū)長(zhǎng)期雨水補(bǔ)給不足，導(dǎo)致上游來(lái)水量偏少，水資源短缺，嚴(yán)重威脅著漁洞水庫(kù)用水安全，而庫(kù)塘蓄水是應(yīng)對(duì)水資源短缺最為有效的手段。因此，氣象部門正在不斷探索高效開(kāi)發(fā)空中云水資源的方法，以增加庫(kù)塘蓄水量，并對(duì)庫(kù)塘蓄水型人工增雨作業(yè)密切關(guān)注。

目前，對(duì)于人工增雨效益評(píng)估研究方法大多采用區(qū)域?qū)Ρ确治龅姆椒ǎ?005年，會(huì)澤縣氣象局在毛家村水庫(kù)徑流區(qū)設(shè)立了3個(gè)增雨試驗(yàn)點(diǎn)，通過(guò)人工增雨蓄水進(jìn)行發(fā)電，對(duì)作業(yè)影響區(qū)和非影響區(qū)采用3種方法進(jìn)行效果分析，得出毛家村水庫(kù)在雨季實(shí)施人工增雨作業(yè)增加降水量10%～25%[1]；方夏馨等[2]主要通過(guò)對(duì)作業(yè)影響區(qū)域和非影響區(qū)域過(guò)程雨量進(jìn)行分析，初步得出2012昆明市一次人工增雨作業(yè)效果顯著。

1 研究區(qū)概況

昭通市漁洞水庫(kù)徑流區(qū)水庫(kù)蓄水型人工增雨野外試驗(yàn)在昭陽(yáng)區(qū)的蘇甲、樂(lè)居，魯?shù)榭h的新街、塘房、龍樹(shù)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域設(shè)置了5個(gè)固定作業(yè)點(diǎn)，有效避免了固定作業(yè)點(diǎn)影響區(qū)域受限、作業(yè)方位固定等問(wèn)題。此外，在魯?shù)榭h水磨鄉(xiāng)增加1個(gè)流動(dòng)作業(yè)點(diǎn)，增加機(jī)動(dòng)作業(yè)能力。

區(qū)域歷史回歸分析是建立在作業(yè)影響區(qū)與對(duì)比區(qū)降水量的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系與歷史上降水量的區(qū)域相關(guān)性相同的假定基礎(chǔ)上，利用昭陽(yáng)區(qū)及魯?shù)榭h2014—2022年近9年區(qū)域自動(dòng)站年均降水量資料，建立一元線性回歸方程。以相關(guān)性程度篩選作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)，選取魯?shù)榭h新街、龍樹(shù)、水磨鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為作業(yè)影響區(qū)，魯?shù)榭h梭山、樂(lè)紅、龍頭山鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為對(duì)比區(qū)，得到一元線性回歸方程?？紤]到降水資料時(shí)間跨度較長(zhǎng)及降水時(shí)空分布不均特性等因素，該方程擬合度相對(duì)較好，選取的作業(yè)影響區(qū)與對(duì)比區(qū)較為合理，可以作為區(qū)域歷史回歸分析方法的應(yīng)用研究區(qū)域基礎(chǔ)。作業(yè)影響區(qū)及對(duì)比區(qū)年均降水量（2014—2022年），具體如表1所示。

2 人工增雨作業(yè)的效果評(píng)估

2.1 基于ArcGIS計(jì)算泰森多邊形面雨量

本研究基于ArcGIS軟件分析工具，在作業(yè)影響區(qū)及對(duì)比區(qū)站點(diǎn)布局基礎(chǔ)上繪制泰森多邊形，自動(dòng)氣象站分布如圖1所示，基于站點(diǎn)分布的泰森多邊形區(qū)劃圖如圖2所示。求得各雨量站的面積權(quán)重系數(shù)，然后用各站點(diǎn)雨量與該站所占面積權(quán)重相乘后累加，得到相對(duì)科學(xué)客觀的面雨量數(shù)據(jù)。設(shè)每個(gè)雨量站都以其所在的多邊形為控制面積△A，△A與作業(yè)影響區(qū)或?qū)Ρ葏^(qū)的面積A之比即為該雨量站的權(quán)重?cái)?shù)，權(quán)重?cái)?shù)如表2所示。

2.2 月際逐日自然降水量回歸方程

選取作業(yè)影響區(qū)及對(duì)比區(qū)2023年7—10月的月際逐日自然降水量數(shù)據(jù)，建立月際逐日自然降水量回歸方程（表3），考慮到降水資料時(shí)間跨度較長(zhǎng)及降水時(shí)空分布不均特性等因素，該方程擬合度較好，表明兩區(qū)自然降水面雨量存在線性關(guān)系，可以利用對(duì)比區(qū)實(shí)測(cè)雨量推算作業(yè)影響區(qū)估計(jì)雨量[1-5]。

2.3 相對(duì)平均增雨率的計(jì)算

設(shè)對(duì)比區(qū)自然面雨量為x，作業(yè)影響區(qū)面雨量估計(jì)值為，作業(yè)影響區(qū)面雨量實(shí)測(cè)值為z，相對(duì)增雨率為q，將對(duì)比區(qū)自然面雨量x代入對(duì)應(yīng)月際逐日自然降水量回歸方程，計(jì)算作業(yè)影響區(qū)面雨量估計(jì)值，再將作業(yè)影響區(qū)面雨量實(shí)測(cè)值z(mì)減去作業(yè)影響區(qū)面雨量估計(jì)值后除以作業(yè)影響區(qū)面雨量估計(jì)值，得到對(duì)應(yīng)相對(duì)增雨率q，利用算術(shù)平均法計(jì)算最終相對(duì)平均增雨率。即7—10月昭通市漁洞水庫(kù)蓄水型人工增雨相對(duì)平均增雨率為15.4%。設(shè)人工增雨入庫(kù)貢獻(xiàn)量為Q，水庫(kù)實(shí)測(cè)入庫(kù)量為L(zhǎng)，用水庫(kù)實(shí)測(cè)入庫(kù)量L乘以相對(duì)平均增雨率，再除以相對(duì)平均增雨率加1，昭通市漁洞水庫(kù)管理局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：7月31日至10月26日期間，漁洞水庫(kù)蓄水量從15 019.39萬(wàn)m3（較歷年同期平均值偏少32%）增加至24 529萬(wàn)m3（增加了9 509.61萬(wàn)m3），推算得出作業(yè)期間貢獻(xiàn)入庫(kù)量約1 269.05萬(wàn)m3。

P=f1 p1+f2 p2+…fn pn（1）

y=ax+b（2）

q=（3）

Q=（4）

式（1）～式（4）中，f1、f2、…，fn分別為各雨量站用多邊形面積計(jì)算的權(quán)重?cái)?shù)；p1，p2，…，pn為各測(cè)站同時(shí)期降雨量；P為作業(yè)影響區(qū)或?qū)Ρ葏^(qū)的平均面雨量。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

2.4 雷達(dá)回波參量的分析

雷達(dá)組合反射率可以顯示單位體積內(nèi)全部云雨粒子的后向散射截面之和，依據(jù)其原理可以用來(lái)檢驗(yàn)人工增雨作業(yè)向云層播散碘化銀催化劑后對(duì)云雨催化目標(biāo)粒子濃度及大小的影響，以此判斷增雨作業(yè)效果；而雷達(dá)回波頂高TOPS的演變可以表征對(duì)流單體發(fā)展旺盛程度，雨量越集中、雨強(qiáng)越大則雷達(dá)回波頂高也會(huì)越高，可以用來(lái)判別人工增雨作業(yè)用催化劑催化效果；垂直液態(tài)水含量是指單位體積內(nèi)大氣中所含的液態(tài)水質(zhì)量，人工增雨通過(guò)向暖云中播撒吸濕性粒子促進(jìn)凝結(jié)增長(zhǎng)或向冷云中播撒足量凝結(jié)核促進(jìn)云中冰晶凝結(jié)發(fā)展，進(jìn)而增加降水量，通過(guò)觀察作業(yè)影響區(qū)垂直液態(tài)水含量變化情況可以準(zhǔn)確地反映通過(guò)人工增雨進(jìn)行空中水汽資源開(kāi)發(fā)的情況[6-8]。

回波參量個(gè)例選取2023年8月3日增雨過(guò)程昭通新一代雙偏振多普勒天氣雷達(dá)回波資料進(jìn)行參量分析。8月3日魯?shù)榭h新街、龍樹(shù)、塘房作業(yè)點(diǎn)于22：32開(kāi)始梯次開(kāi)展蓄水型人工增雨作業(yè)3次，發(fā)射高炮彈15發(fā)，天氣系統(tǒng)為低槽切變，云狀為積雨云，700 hPa上空受偏北氣流控制。利用中國(guó)氣象局新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)軟件ROSE 2.1對(duì)作業(yè)前后雷達(dá)流傳輸基數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將22：03作業(yè)前雷達(dá)回波參數(shù)與22：43作業(yè)后雷達(dá)回波參數(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：作業(yè)影響區(qū)域組合反射率最大中心強(qiáng)度由45 dBz變?yōu)?5 dBz，平均回波頂高由8 km變?yōu)?1 km，垂直液態(tài)水含量由3 kg/m2變?yōu)? kg/m2，且垂直液態(tài)水含量高值區(qū)域面積明顯擴(kuò)大，表明蓄水型人工增雨作業(yè)效果明顯，在雷達(dá)回波參量上有較好的響應(yīng)。

3 結(jié)論

第一，以同一天氣背景及降水時(shí)段為評(píng)估單元，采取區(qū)域回歸分析方法能夠較為客觀地反映相對(duì)平均增雨率的大小。其結(jié)果可以作為昭通市漁洞水庫(kù)蓄水型人工增雨效果評(píng)估的參考依據(jù)。

第二，以昭通市漁洞水庫(kù)徑流區(qū)作為水庫(kù)蓄水型人工增雨野外試驗(yàn)背景，采取區(qū)域歷史回歸分析方法，選取昭陽(yáng)區(qū)及魯?shù)榭h2014—2022年近9年的區(qū)域自動(dòng)站作業(yè)影響區(qū)及對(duì)比區(qū)的年均降水量資料，建立月際的逐日自然降水量回歸方程，基于ArcGIS軟件在作業(yè)影響區(qū)及對(duì)比區(qū)上繪制泰森多邊形，開(kāi)展同一影響天氣系統(tǒng)下24個(gè)作業(yè)樣本面雨量分析，以對(duì)比區(qū)逐日自然降水面雨量推測(cè)作業(yè)影響區(qū)逐日自然降水面雨量，再與作業(yè)影響區(qū)實(shí)測(cè)面雨量做比較，得出7—10月昭通市漁洞水庫(kù)蓄水型人工增雨相對(duì)平均增雨率為15.4%，作業(yè)期間貢獻(xiàn)入庫(kù)量約1 269.05萬(wàn)m3。

第三，開(kāi)展人工增雨作業(yè)后，作業(yè)影響區(qū)域組合反射率最大中心強(qiáng)度由45 dBz變?yōu)?5 dBz，平均回波頂高由8 km變?yōu)?1 km，垂直液態(tài)水含量由3 kg/m3變?yōu)? kg/m3，且垂直液態(tài)水含量高值區(qū)域面積明顯擴(kuò)大，在雷達(dá)回波參量上有較好的響應(yīng)，通過(guò)雷達(dá)回波參量分析表明7—10月昭通市漁洞水庫(kù)蓄水型人工增雨具有一定的效果。

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基金項(xiàng)目：2023年云南省氣象局自籌科研項(xiàng)目“昭通雙偏振天氣雷達(dá)防雹作業(yè)識(shí)別指標(biāo)研究”（YZ202308）。

作者簡(jiǎn)介：陳劍輝（1998—），男，云南施甸人，助理工程師，主要從事人工影響天氣相關(guān)工作。