雷達資料在青海省東部人工增雨效果檢驗中的應用研究

康曉燕+馬學謙+張博越

摘要 利用2013—2014年青海省東部農業區人工增雨作業期間雷達資料，根據層狀云和對流云2種類型云的地面增雨作業，分析了作業云體（或對比云體）催化前后的組合反射率、回波頂高和垂直積分液態水含量等雷達參數的變化規律。結果表明，層狀云地面增雨作業后各雷達參量在一定時間內處于上升趨勢，第5～7個體掃時達到最大，之后才出現下降趨勢。因此，可考慮對此類降水云系的重復作業時機應選擇在作業后第5～7個體掃，即作業后30～40 min。在對流云增雨過程中，通過對照對比云，增雨作業有助于延長對流單體的生命史，具有較大的增雨潛力。

關鍵詞 雷達資料；人工增雨；效果檢驗；應用；青海省東部

中圖分類號 P481 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）12-0214-04

Abstract According to two types of clouds（stratiform cloud and convective cloud），the change regulation of radar parameters（composite reflectivity，echo top height and vertical integrated liquid water content）of seeding clouds（no-seeding clouds）were analyzed before and after weather modification operations，based on the radar data in the agricultural region of eastern of Qinghai Province during the artificial precipitation period from 2013 to 2014. The results showed that the radar echo parameters of stratiform cloud became greater gradually in a certain time after seeding，and the maximum values appeared in the 5th to 7th scan body after seeding，then decreased. It is suggested that duplication timing of such rain clouds should be 5-7 individual sweep（30-40 mintus）after operation. In the process of convective clouds seeding，artificial precipitation enhancement are helpful to prolong the life of the convective cells by comparing seeded clouds and no-seeding clouds.

Key words radar data；artificial precipitation enhancement；effect evaluation；application；eastern of Qinghai Province

干旱是我國乃至全球常見和最大的自然災害之一，其發生頻率高、持續時間長、影響范圍廣，對農業生產、生態環境和人民生活均有重要影響，是制約我國社會進步和經濟發展的重要因素之一[1]。青海省地處高原氣候的典型區域，其東部農業區屬暖涼溫半干旱氣候區，也是青海省主要的糧食產區，而干旱一直是制約當地產量水平的主要氣象災害[2]。人工增雨是在一定條件下通過人工途徑對云施加影響，從而增大降水量、緩解旱情的科學技術[3]。青海省東部農業區從1992年開始開展有組織的人工影響天氣工作，近年來隨著人工增雨作業范圍的不斷擴大，投入的資金不斷增加，如何客觀、科學、定量地評價人工增雨效果成為人工影響天氣研究和作業的關鍵性問題，但同時也是人工影響天氣研究中最困難的科學問題之一[4-7]。相比于統計學檢驗，人工影響天氣效果的物理檢驗可以為效果評估提供物理依據[8]。因為通過對雷達掃描圖像產品的分析，研究作業的目標云催化前后的變化或目標云與對比云的異同等特征，可以較直觀地判斷作業的效果，為人工增雨效果檢驗提供直接的證據[9-11]。近幾年，采用雷達進行物理檢驗在我國許多省市已進行了一些探索，如李紅斌等[12]在2007年應用多普勒雷達數值產品對火箭增雨效果進行了分析，總結出利用雷達實時指揮作業其雷達回波幾個主要參數隨時間的變化規律；張中波等[13]利用湖南省境內的多普勒天氣雷達探測資料，結合湖南省中小尺度地面降雨量資料，對催化作業前后目標云與對比云的多普勒天氣雷達參數（回波頂高、最大反射率因子、垂直積分液態水含量等）的變化特征進行對比分析；崔 丹等[14]采用地面降水資料、多普勒雷達數據、探空資料等，通過目標區作業前后雷達參量的演變或目標區與對比區的回波參量的差異，完整地分析2010年8月11日海南西部多點作業情況的催化效果。目前，對青海省東部農業區雷達資料的分析研究主要集中在冰雹監測與預警等方面，在應用雷達進行增雨效果分析方面則相對比較薄弱。因此，筆者利用2013—2014年青海省東部農業區人工增雨作業期間雷達資料，根據層狀云和對流云2種類型云的地面增雨作業，分析了作業云體（或對比云體）催化前后的組合反射率、回波頂高和垂直積分液態水含量等雷達參數，從而直觀、客觀地判斷作業效果，為進一步完善青海省人工增雨作業雷達指標、充分開發空中云水資源提供科學依據。

1 層狀云地面增雨作業效果分析

1.1 個例分析

2013年5月7日20：00，在500 hPa高空圖上，亞洲中高緯度維持兩槽一脊，一個位于貝爾加湖到青海東部，另一個位于日本海以東，具體見圖1（a）；地面圖上，青海東南部倒槽繼續發展，將水汽源源不斷輸送到青海東部，具體見圖1（b）。充足的水汽輸送和高空切變線有利于人工影響天氣作業的開展。

根據天氣條件，青海省人工影響天氣辦公室在西寧、海東、海北、海南以及黃南等地區進行地面大規模人工增雨作業。其中，湟中于21：39作業3次，耗用火箭彈6枚。由圖2、3可以看出，作業前作業區內云體已出現減弱趨勢，隨著作業的進行，目標云明顯出現增強趨勢。

從圖4可以看出，作業前云體已出現減弱現象，作業后組合反射率在較長時間保持在35 dBZ，之后才緩慢減弱?；夭敻咴谧鳂I后一直保持升高趨勢。由圖5可以看出，作業前垂直積分液態水含量呈現起伏現象，作業后迅速增大，并在很長時間內保持平穩。同時，結合自動站10 min降水資料（圖5）也可以看出，隨著地面增雨作業的進行，湟中縣降水強度明顯增大，說明此次作業效果較好。

此外，2013年5月7日層狀云人工增雨雷達參量在作業前后的獨立樣本t檢驗結果表明，層狀云地面人工增雨作業后回波頂高、垂直積分液態水含量顯著大于作業前，分別通過0.05和0.1顯著性檢驗。

1.2 平均值統計

對層狀云地面增雨作業的20個個例的雷達組合反射率、回波頂高及垂直積分液態水含量進行統計和分析，得到了其平均值作業前后的變化規律（圖6）：作業前組合反射率趨于上升，之后又呈現下降趨勢，隨著地面增雨作業，又趨于上升，并在作業后第7個體掃，即作業后42 min，達到最大?；夭敻咦鳂I后較作業前有上升趨勢，且在作業后第6個體掃達到最大，為7.7 km。垂直積分液態水含量的變化趨勢與回波頂高變化相似，在作業后第5、6個體掃達到最大。根據上述幾個特征值在第5～7個體掃時達到最大，之后出現下降的變化趨勢，可考慮對層狀云重復作業時機應選擇在作業后第5～7個體掃，即作業后30～40 min，這一結論與李紅斌等[12]應用雷達數據分析火箭增雨效果的結論一致。

此外，層狀云20個地面人工增雨個例雷達參量在作業前后的獨立樣本t檢驗結果表明，層狀云地面人工增雨作業后僅回波頂高顯著大于作業前，并通過0.1顯著性檢驗。由此說明，在對層狀云地面人工增雨作業中，回波頂高是比較敏感的一個參量，可作為評判人工增雨效果的一個重要參數。

2 2014年4月15日對流云增雨作業效果個例分析

2014年4月15日，受蒙古槽分裂冷空氣和局部氣流抬升影響，青海省東部農業區出現了1次強對流降水天氣過程。針對上述情況，海東地區平安縣洪水鄉（102.06°E，36.6°N）于22：46—22：48開展了人工增雨作業，作業耗用火箭彈6枚。

對流云地面增雨作業時，作業范圍較小，可在作業云上風方向選取相似云體特征及云體發展演變類似的對比云進行作業前后雷達產品的分析[15]。從此次作業前選取的目標云和對比云雷達特征看，其發展和變化趨勢相似。

2.1 作業前后垂直剖面

作業前后，比較目標云與對比云整個生命期的回波參數變化情況。圖7為作業過程選定的目標云與對比云作業前后雷達垂直剖面演變情況。從圖8可以看出，作業前目標云和對比云在穩定發展中，作業后近1 h目標云仍有持續發展或增強的趨勢，而對比云在此時已經明顯減弱或消散。為更清晰地掌握目標云和對比云雷達回波參數的發展演變，圖9給出目標云和對比云每隔6 min的發展變化情況。

2.2 回波參數變化特征

從圖9可以看出，作業過程目標云和對比云變化規律比較接近，但目標云持續發展的時間明顯比對比云要長。分析作業回波參數特征發現，目標云的組合反射率在催化后10個體掃，即1 h，仍有增強趨勢，而對比云已經趨于減弱?；夭敻咴谧鳂I前已趨于下降趨勢，但隨著催化作業的進行，目標云的回波頂高又出現上升趨勢。各回波面積所占比例中，目標云主要增加的是30 dBZ回波面積，其他回波增加幅度不明顯，而對比云增加的是較小回波面積，說明作業催化主要提高了較強回波區的強度，這一結論與崔 丹等[14]應用海南雷達數據分析增雨效果的結論一致。此外，2014年4月15日對流云人工增雨雷達參量目標云和對比云配對t檢驗結果表明，目標云地面人工增雨作業后垂直積分液態水含量顯著大于對比云，且通過0.01顯著性檢驗。

2.3 地面降水量分析

取靠近作業點下風方向的自動雨量站的10 min降水資料與對比區降水資料進行對比（圖10），作業前作業區和對比區降水均不明顯，但催化后作業區內降水明顯增大，最大達到1.1 mm/10min，且持續到作業后1 h仍有降水。而對比區降水一直保持較小水平。由此可見，本次地面人工增雨作業效果明顯。

3 結論與討論

通過對層狀云地面增雨作業的20個個例的雷達組合反射率、回波頂高及垂直積分液態水含量進行統計和分析，得到了其平均值作業前后的變化規律。發現對此類云系進行地面增雨作業，雷達幾個特征參量在作業后第5～7個體掃時達到最大，之后出現下降的變化趨勢，可考慮對此類降水云系的重復作業時機應選擇在作業后第5～7個體掃，即作業后30～40 min。此外，通過層狀云人工增雨作業前后雷達平均參量獨立樣本t檢驗，回波頂高顯著增高，可作為效果判識的參量之一，用以評判人工增雨效果。

在對流云增雨過程中，通過分析2014年4月15日催化影響目標云微物理過程，發現其催化后反射率因子、回波頂高、垂直液態水含量和回波面積等參量得到快速增長，從而延長對流單體的生命史，具有較大的增雨潛力。并通過配對t檢驗發現目標云地面人工增雨作業后垂直積分液態水含量顯著大于對比云。

青海省東部農業區人工增雨主要在春季開展，層狀云地面增雨作業一般進行大規模、大范圍的抗旱增雨作業，在對比區的選擇上有一定的困難，導致效果檢驗缺乏說服力；而針對對流云增雨作業的個例較少，不能很好地歸納其變化規律。因此，在以后的作業過程中可以嘗試開展一些試驗性、有選擇性的增雨作業。

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