滇西南一次人工增雨中C波段雷達(dá)回波演變分析

收稿日期：2024-01-11

基金項(xiàng)目：云南省氣象局科研項(xiàng)目“西雙版納地面火箭人工增雨作業(yè)條件研究”（YZ202222）。

作者簡介：李志（1985—），男，四川成都人，工程師，主要從事人工影響天氣和雷達(dá)應(yīng)用工作。#通信作者：洪群艷，E-mail：380801193 @qq.com。

摘 要：人工增雨是人為補(bǔ)充某些形成降水的必要條件，增加自然云降水，開發(fā)利用空中云水資源的有效途徑。新一代天氣雷達(dá)能及時(shí)探測降水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)展變化情況，是指導(dǎo)人工增雨作業(yè)的有效工具。通過篩選滇西南多年的人工增雨作業(yè)數(shù)據(jù)，選取2022年4月20日西雙版納州一次效果較好的兩點(diǎn)聯(lián)合人工增雨作業(yè)數(shù)據(jù)資料，分析作業(yè)前后組合反射率、垂直累計(jì)液態(tài)含水量、回波頂高3種新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品1 h內(nèi)的演變特征，印證人工增雨作業(yè)效果，為今后的人工增雨作業(yè)提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：C波段天氣雷達(dá)；人工增雨；組合反射率；垂直累計(jì)液態(tài)含水量；回波頂高

中圖分類號(hào)：P481 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）04–0-03

此處使用的是安徽四創(chuàng)電子股份有限公司研制的C波段雙線偏振全相參脈沖多普勒天氣雷達(dá)，該雷達(dá)采用雙極化技術(shù)，能夠進(jìn)一步探測氣象目標(biāo)的線性退極化比、差分反射率因子、差分傳播相移、差分傳播相移率、相關(guān)系數(shù)等信息，反演降水粒子形狀、尺寸、指向角的分布情況，進(jìn)行降水類型的分類和識(shí)別。借助該雷達(dá)，能夠較為全面地掌握當(dāng)前天氣情況和未來發(fā)展趨勢，指導(dǎo)氣象部門安全、有效地開展人工增雨防雹作業(yè)。

1 資料選取和產(chǎn)品介紹

1.1 資料選取

通過分析多年的人工增雨作業(yè)數(shù)據(jù)，選取2022年4月20日勐海布朗山作業(yè)點(diǎn)和布朗山瞭望塔作業(yè)點(diǎn)一次有效的聯(lián)合人工增雨作業(yè)數(shù)據(jù)資料，分析作業(yè)后新一代天氣雷達(dá)組合反射率（CR）、垂直累計(jì)液態(tài)含水量（VIL）和回波頂高（TOPS）三種產(chǎn)品演變特征，為今后的人工增雨作業(yè)方案設(shè)計(jì)提供參考[1]。

1.2 產(chǎn)品介紹

1.2.1 組合反射率（CR）

該產(chǎn)品是反映監(jiān)測范圍內(nèi)降水云體中最大回波強(qiáng)度值水平分布的圖像產(chǎn)品，顯示結(jié)果是多層掃描反射率因子的組合最大值。它在強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴形成分析中十分有效（表1）。

1.2.2 垂直累計(jì)液態(tài)含水量（VIL）

該產(chǎn)品是反映某一確定區(qū)域的垂直柱體內(nèi)降水云體中垂直液態(tài)含水總量分布的圖像產(chǎn)品。假設(shè)所有反射率因子回波都是由液態(tài)水滴返回的，將反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等價(jià)的液態(tài)水含量，然后對(duì)每個(gè)仰角的值進(jìn)行垂直累加所得。VIL有助于判別強(qiáng)降水和強(qiáng)對(duì)流天氣，也可用于指示大冰雹的存在。相關(guān)研究表明，VIL是業(yè)務(wù)中使用次數(shù)最多的產(chǎn)品之一（表1）。

1.2.3 回波頂高（TOPS）

該產(chǎn)品是顯示海平面以上回波強(qiáng)度≥18.3 dBz時(shí)，對(duì)應(yīng)的最高高度分布的圖像產(chǎn)品。對(duì)流的強(qiáng)弱在一定程度上與回波伸展的高度有關(guān)，因此該產(chǎn)品用來分析雷達(dá)探測范圍內(nèi)不同地區(qū)對(duì)流發(fā)展與否、對(duì)流相對(duì)強(qiáng)弱的情況（表1）。

2 回波演變分析

2.1 回波強(qiáng)度分析

2022年4月20日14：00，勐?？h對(duì)流發(fā)展，對(duì)流云

團(tuán)生成。如圖1所示，在CR圖上，回波整體呈塊狀結(jié)構(gòu)，主體回波周圍伴隨小塊分散回波生成，強(qiáng)度較弱，

范圍較小。14：00～14：54，對(duì)流逐漸發(fā)展，回波整體以約35 km/h的速度向東南方移動(dòng)，移動(dòng)期間的回波范圍逐漸增大且強(qiáng)度增強(qiáng)，中心強(qiáng)度最高達(dá)到54 dBz，此時(shí)，目標(biāo)作業(yè)點(diǎn)上空暫無對(duì)流云團(tuán)。14：54，對(duì)流云團(tuán)東南方有新風(fēng)暴云團(tuán)生成。初生階段，回波較弱，覆蓋面積較小，中心強(qiáng)度僅26 dBz，此時(shí)新風(fēng)暴云團(tuán)處于西雙版納州布置的人影作業(yè)點(diǎn)正西方位10 km左右。15：05，風(fēng)暴云團(tuán)回波增強(qiáng)且影響面積增大，最大強(qiáng)度達(dá)43 dBz。此時(shí)，風(fēng)暴云團(tuán)已移至西雙版納州布置的人影作業(yè)點(diǎn)射界范圍內(nèi)。15：06、15：09，位于風(fēng)暴云團(tuán)附近的布朗山作業(yè)點(diǎn)和布朗山瞭望塔作業(yè)點(diǎn)開始增雨作業(yè)，共發(fā)射JFJ-3型增雨防雹火箭彈11枚。作業(yè)后，風(fēng)暴云團(tuán)強(qiáng)度迅速增強(qiáng)且影響范圍擴(kuò)大，在15：11回波出現(xiàn)峰值，達(dá)52 dBz；15：28，30 dBz強(qiáng)度以上的回波面積達(dá)到最大。至15：51，風(fēng)暴云團(tuán)中心強(qiáng)度仍在40 dBz以上，此后風(fēng)暴云團(tuán)逐漸減弱消散。

2.2 垂直累計(jì)液態(tài)含水量（VIL）

如圖2所示，4月20日14：54，風(fēng)暴云團(tuán)生成。云團(tuán)初生時(shí)VIL最大值小于0.5 kg/m2。15：00、15：05，云團(tuán)的VIL最大值分別為1.5和4.5 kg/m2，此時(shí)可以有效開展人工增雨作業(yè)。15：06、15：09，增雨作業(yè)后風(fēng)暴云團(tuán)VIL值迅速增大。15：11，VIL達(dá)到峰值15 kg/m2，并在15：40前，云團(tuán)VIL最大值基本保持在10 kg/m2左右。15：45之后開始逐漸降低，直至15：51，云團(tuán)VIL值降至3 kg/m2以下[2]。

2.3 回波頂高（TOPS）

如圖3所示，4月20日14：54，風(fēng)暴云團(tuán)生成。初生階段云團(tuán)頂高為5.2 km，之后15：00、15：05，云團(tuán)頂高增至6.8、6.7 km，可以有效開展人工增雨作業(yè)。15：06、15：09，增雨作業(yè)后云團(tuán)頂高迅速增高；15：11，頂高增至8 km。15：17，回波頂高達(dá)到峰值9.2 km。15：51前，云團(tuán)頂高均保持在8 km以上，之后云團(tuán)頂高降低，但依舊維持在7 km以上。

3 增雨作業(yè)效果評(píng)估

3.1 增雨作業(yè)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的選取

選取區(qū)域?qū)Ρ确治龇椒ㄗ鳛?022年4月20日布朗山地面火箭人工增雨作業(yè)效果評(píng)估的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法最為合適[3]。區(qū)域?qū)Ρ确治龇ㄓ?jì)算公式如下：

（1）相對(duì)增雨：目標(biāo)區(qū)作業(yè)期實(shí)測雨量與對(duì)比區(qū)作業(yè)期實(shí)測雨量的比值減去1再乘以100%，單位為%，公式如下：

RAR=（1）

（2）絕對(duì)增雨：目標(biāo)區(qū)作業(yè)期實(shí)測雨量與自然雨量期望值（自然雨量期望值指計(jì)算出的在假定不做人工增雨情況下的目標(biāo)區(qū)雨量值，該方法中自然雨量期望值用對(duì)比區(qū)作業(yè)期實(shí)測雨量來近似代表）的差值，單位為mm，公式如下：

OAR=Y2-X2（2）

3.2 效果評(píng)估

根據(jù)區(qū)域?qū)Ρ确治龇ǚ治龅贸觯?022年4月20日地面火箭人工增雨聯(lián)合作業(yè)增加有效降水54.697 5萬m3。

4 結(jié)論

在2022年4月20日云南西雙版納州勐海縣實(shí)施的地面火箭人工增雨作業(yè)中，利用C波段天氣雷達(dá)探測資料分析作業(yè)后雷達(dá)回波演變情況，得出如下結(jié)論：

（1）正確有效的人工增雨作業(yè)會(huì)使云體內(nèi)部在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，雷達(dá)CR、VIL、TOPS產(chǎn)品均能有效反映出該變化。

（2）人工增雨作業(yè)后，目標(biāo)云體的回波強(qiáng)度和影響范圍將在短時(shí)間內(nèi)增加，且將維持一段時(shí)間高值。垂直累計(jì)液態(tài)含水量會(huì)先迅速增大，形成降水后有所減小，后期若水汽充足時(shí)可能再次出現(xiàn)增大現(xiàn)象?；夭敻咦兓怪崩塾?jì)液態(tài)含水量的變化相似。

（3）根據(jù)降水效果評(píng)估和雷達(dá)產(chǎn)品特征分析，正確有效的人工增雨作業(yè)將使降水量在一定時(shí)間內(nèi)增加。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪俊，劉雅琳.X波段移動(dòng)天氣雷達(dá)產(chǎn)品在人工增雨中的應(yīng)用[J].高原山地氣象研究，2022，42（S1）：125-130.

[2] 付華波.多普勒雷達(dá)在人工增雨作業(yè)中的應(yīng)用[J].中國高新科技，2022（14）：126-127.

[3] 鄧北勝.人工影響天氣技術(shù)與管理[M].北京：氣象出版社， 2011.