安徽省燃氣炮人工增雨作業效果綜合評估

楊慧玲 孫 躍 肖 輝 曹亞楠 馮 亮 馮 強 舒未希 朱明佳

1)(中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室, 北京 100029) 2)(中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 100049) 3)(安徽省人工影響天氣辦公室, 合肥 230061) 4)(中國科學院空天信息創新研究院, 北京 100094)

引 言

目前,我國人工影響天氣主要包括人工增(減)雨、人工增雪、人工防雹和人工消霧等,以火箭、高炮和飛機為主要作業工具[1-3]。然而,由于空域管制、人工影響天氣炮彈火箭儲運、作業安全防范等多方面影響,傳統作業方法的作業時機和作用范圍均受到很大制約[4]。新型燃氣炮是一種綜合運用沖擊波、聲波和催化劑對局部天氣干擾和催化影響的新型作業裝備[5]。燃氣炮將燃氣和壓縮空氣按照一定比例充入爆燃罐內,罐內混合氣體被點燃后爆炸過程產生的強烈沖擊波和聲波引起燃氣炮上空氣流的擾動,影響大氣動力和云雨粒子運動和碰并等物理過程,同時,燃氣炮發射產生的強烈氣流攜帶燃燒中的暖云催化劑或者冷云催化劑進入空中,影響上空水汽凝結、核化等云微物理過程,最終達到人工增(減)雨、人工增雪、人工消霧和人工防雹等目的。鑒于燃氣炮作業不會對航空器飛行安全造成影響,不需要申請作業空域,因此近年在我國安徽省壽縣、內蒙古自治區興安盟、山西省臨汾市、貴州省貴陽市等地已經相繼開展了燃氣炮人工影響天氣作業應用。然而,作為一種人工增雨作業的新技術設備,燃氣炮還處于應用探索階段,需要更多的野外試驗以評估其增雨效果[6]。

燃氣炮作業產生的強烈沖擊波和強聲波可能激發云內水凝物的運動、碰并和增長,影響水凝物粒子的濃度、粒徑和形態等參數變化,誘發云中雨滴或冰晶短時間內急劇增多,促進降水發生[7-8]。但燃氣炮發射時產生具有強大沖擊力的熱氣流也可能導致云霧消散,具體效果取決于燃氣炮發射時目標云體高度、流場和微物理場等因素。因此,需要對燃氣炮作業的人工增雨效果進行客觀、科學的定量評估[9-10]。目前,人工增雨效果的檢驗方法主要包括數值模擬檢驗、統計檢驗和物理檢驗[11-13]。數值模擬檢驗根據云和降水的宏微觀物理過程,模擬自然云和催化云的云和降水形成物理過程,分析人工影響天氣的作業效果[14]。統計檢驗以數理統計為基礎,在一定顯著性水平上得到定量的人工影響天氣作業效果,評價作業有效性[15]。國內外學者利用統計檢驗方法開展了大量的工作,如區域對比試驗、歷史回歸試驗、區域控制法、協變量統計分析方法和聚類分析方法等[15-18]。物理檢驗包括云體宏微觀結構觀測和催化劑示蹤觀測等,其中雷達、衛星等遙感探測技術以及飛機穿云觀測技術在物理檢驗中有重要的應用潛力[19-20]。

近30年多普勒天氣雷達技術水平不斷發展,可以更多地了解云和降水的宏觀特征,但仍然缺乏云微物理特征的探測手段[20-21]。隨著雙偏振多普勒天氣雷達的發展和應用,偏振參量對探測云微物理變化特征和分析降水形成過程具有重要的應用潛力[22-26]。在人工影響天氣作業過程中,分析雙偏振多普勒天氣雷達參數(水平反射率因子(ZH)、差分反射率(ZDR)、共極化相關系數(ρhv)、多普勒徑向速度(VR)及速度譜寬(SW)等)[23,27-35]有助于分析人工影響天氣的作業效果。

目前,國內利用燃氣炮開展人工影響天氣作業尚處于探索階段,利用雙偏振多普勒天氣雷達、地面雨量和ERA5再分析數據綜合評估燃氣炮人工作業效果的研究鮮見報道。鑒于此,本文以安徽省81次燃氣炮作業個例為基礎,利用多源觀測數據,從多角度綜合研究和評估燃氣炮開展人工增雨作業的效果,研究結果有望為進步分析燃氣炮對云微物理過程和降水人工影響的作業效應提供重要參考。

1 數據與分析

1.1 燃氣炮簡介

2021—2023年安徽省人工增雨作業中使用了3種類型燃氣炮:第1種是中國華云氣象科技集團公司生產的HY-R型燃氣炮,第2種為北京厚力德儀器設備有限公司生產的ZBZ-PR型聚能燃氣炮,第3種是華云普達(北京)科技有限公司生產的HY-R移動旋轉型增雨防雹燃氣炮(第2代)。

3種燃氣炮均以液化氣和空氣為能源,依靠沖擊波向高空播撒AgI冷云催化劑或者暖云催化劑進行作業,具有安全性高、環保、不需要申請空域、作業成本極低、操作簡易的特點。其中,中國華云氣象科技集團公司生產的HY-R型燃氣炮遙控距離為1000 m,炮口流速為240 m·s-1,炮轟間隔6～10 s可調,可連續工作3 h。華云普達(北京)科技有限公司生產的HY-R移動旋轉型增雨防雹燃氣炮(第2代)是第1代燃氣炮的升級產品,采用移動旋轉設計,具備定向(偏離天頂-30°～30°)發射及轉動發射功能,水平作用范圍更大。北京厚力德儀器設備有限公司生產的ZBZ-PR型聚能燃氣炮遙控距離為1000 m,炮口流速為986 m·s-1,定向發射角范圍(偏離天頂)為-30°～30°,炮轟間隔5～10 s可調,可連續工作3 h以上。與HY-R型燃氣炮相比,ZBZ-PR型聚能燃氣炮炮口流速更大,沖擊力更強,預期作用距離更遠。不同類型燃氣炮性能對于作業效果評估的影響目前尚不清楚。

1.2 數據及研究區域

本研究使用歐洲中期天氣預報中心ERA5再分析數據、S波段雙偏振多普勒天氣雷達數據以及地面小時降水數據等多源觀測數據。研究使用位于安徽省合肥、阜陽和銅陵的CINRAD-SA型雙偏振多普勒業務天氣雷達數據。雷達采用機械掃描控制,每6 min完成1次9個仰角的體掃。使用的雷達記錄變量包括水平反射率因子(ZH,單位:dBZ)、差分反射率(ZDR,單位:dB)、共極化相關系數(ρhv,量綱為1)、多普勒徑向速度(VR,單位:m·s-1)和速度譜寬(SW,單位:m·s-1)。選取作業區域附近6個經(緯)度范圍內共7477個自動雨量站的小時降水量,并利用ERA5再分析數據(水平分辨率為0.25°×0.25°)的風場數據建立作業影響區及對比區。分析2021年11月20日—2023年5月17日81次燃氣炮作業個例,其中,作業時間最短為10 min,最長為2 h。燃氣炮作業涉及安徽省亳州、阜陽、合肥和馬鞍山。作業站點分別為亳州市譙城區亳蕪園區、亳州市利辛縣氣象局、亳州市利辛縣馬店孜鎮濕地公園、亳州市利辛縣永興鎮空氣炮點、阜陽市潁泉區茨河鋪、阜陽市臨泉縣邢塘街道、阜陽市潁上縣慎城鎮、阜陽市潁上縣十八里鋪鄉、合肥市肥西縣花崗鎮、馬鞍山市和縣夾山關水庫作業點、馬鞍山市含山縣昭關水庫和馬鞍山市博望區野風港空氣炮點。馬鞍山市含山縣昭關水庫作業點使用華云普達(北京)科技有限公司生產的HY-R移動旋轉型增雨防雹燃氣炮(第2代);馬鞍山市和縣夾山關水庫作業點、馬鞍山市博望區野風港空氣炮點和亳州市利辛縣永興鎮空氣炮點3個站點使用北京厚力德儀器設備有限公司生產的ZBZ-PR型聚能燃氣炮;其他站點均使用中國華云氣象科技集團公司生產的HY-R型燃氣炮。燃氣炮作業點(14個)及雷達(3部)和自動雨量站(7477個)位置如圖1所示。

圖1 燃氣炮作業點、S波段雙偏振天氣雷達和自動雨量站位置示意圖(紅色圓圈為以雷達為原點的半徑230 km探測范圍)

1.3 作業條件

目前在具備作業條件的情況下,燃氣炮人工增雨是傳統火箭作業手段的補充。將滿足安徽省人工影響天氣辦公室建議的增雨作業指標(式(1))和實時雷達回波強度(至少大于25 dBZ)的云系作為目標區,考慮當日溫度和使用的催化劑種類確定作業云系。以暖云催化、天頂發射為主。作業時長由天氣過程影響時間和廠家推薦的安全作業時間綜合確定,一般定為0.5 h、1 h、2 h。安徽省人工影響天氣辦公室建議增雨作業指標采用以下判別方法:利用雷達進行作業條件判別,將云體反射率因子極大值(Rmax,單位:dBZ)、垂直積分液態水含量(V,單位:kg·m-2)、負溫層厚度(S1,單位:km)、30 dBZ云體質量(M,單位:106kg)進行加權得到人工增雨作業條件指標:

I=0.243I(Rmax)+0.207I(V)+0.277I(S1)+0.276I(M)。

(1)

當0≤I<0.1,無作業條件;0.1≤I<0.3,作業條件較差;0.3≤I<0.6,作業條件一般;0.6≤I<0.8,作業條件較好;0.8≤I<1,作業條件很好。

1.4 分析方法

雷達垂直剖面分析方法:燃氣炮作業前1 h至作業結束后1 h,以700 hPa層水平風為參考風向,對站點上游50 km至站點下游100 km范圍進行插值垂直剖面。插值由雷達的徑向距離、方位角、仰角為原始坐標進行三線性插值。這組雷達垂直剖面圖主要用于考察燃氣炮作業前后降水云的垂直結構變化。

為了分析人工增雨燃氣炮作業對作業云體雙偏振特征參量的影響,對81個作業個例進行統計分析。每個個例選取與當前炮點最近的雷達觀測數據,統計分析影響區和對比區內雷達最低層仰角內各變量的平均值隨時間的變化,得到作業前后影響區和對比區的物理參量差異。

2 研究結果

2.1 影響區和對比區選擇

燃氣炮的催化劑播撒特點近似介于地面煙爐和高炮之間,可能引起的效果包括瞬時動力效應和數十分鐘內催化劑引發的微物理效應。然而,通過對81個作業個例雷達數據逐幀、逐層仔細觀察,并未發現以往相控陣雷達觀測高炮防雹作業研究中發現的瞬時動力結構改變[24]和疑似高炮炸點的信號[32]。這既可能由于機械掃描業務雷達時空分辨率低,也可能由于燃氣炮在高空引發瞬時的動力效應不夠強,具體原因有待研究,本文不對此深入分析。下面將劃定影響區和對比區,以便對播撒催化劑在作業點下游可能引發的效應進行討論。

在作業影響范圍方面,盡管目前對燃氣炮直接輸送催化劑的最大高度仍然缺乏充分評估,但考慮到炮口向上發射的催化劑可能被云下環境的上升氣流帶入對流云中,進而由對流云輸送至對流層中上層。同時,在確定催化劑水平輸送和擴散范圍時,對流層低層和中層的水平風也應予以考慮。本文利用與燃氣炮作業時刻最臨近的ERA5再分析數據,分別計算每個個例的影響區和對比區范圍。影響區的定義規則:考慮1 h內,從地面到500 hPa高度的水平風對催化劑的輸送作用和擴散作用[33],最終構成的不規則邊界區域如圖2棕紅色區域所示。對比區具體定義:按燃氣炮作業平均時刻700 hPa高度的水平風向及相鄰45°方向,取地面到500 hPa高度的最大風速,取與影響區計算時長相同的1 h,構建左右各90°的扇形區域,剔除影響區所占的區域,作為燃氣炮作業下風側向對比區。構建下風側向對比區的原因在于統計增雨時擬用作業后的雨量減去作業前的雨量。如果在一個降水云向燃氣炮點移動時進行作業,那么作業后云系將恰好在下風方向形成降水,而上風方向可能已經下完雨,這時用作業后的雨量減去作業前的雨量,可能導致影響區的雨量差為正值,上風方向的對比區雨量差為負值,這在理論上會干擾統計結果的客觀性。

圖2 影響區與下風側向對比區構建

2.2 典型個例作業前后觀測小時降水量

圖3為部分代表性作業個例的觀測小時降水量。選取3個不同類型個例:個例1,2022年6月23日,作業時段為11:10—11:20(北京時,下同),降水開始一段時間進行攜帶冷云催化劑的燃氣炮作業;個例2,2022年11月28日,作業時段為11:04—11:44,剛開始降水進行攜帶暖云催化劑的燃氣炮作業;個例3,2022年8月16日,作業時段為16:00—17:00,降水未開始進行攜帶冷云催化劑的燃氣炮作業。

圖3 燃氣炮(位于圖中倒三角符號位置)作業前后典型個例觀測小時降水量(填色圓圈為臺站觀測的小時累積降水量,填色場為距離平方反比插值結果;風羽為700 hPa風場)

由圖3可見,個例1為在降水發生一段時間后開始燃氣炮作業,沿下風方向降水無明顯變化,說明作業效果欠佳。個例2為降水剛開始進行燃氣炮作業,作業時段內降水有一定增加,說明作業效果較好。個例3為降水開始前進行燃氣炮作業,作業后沿下風方向降水明顯增加,說明增雨效果顯著。因此,降水開始前進行燃氣炮作業,增雨效果較好,降水開始后作業,增雨效果不理想。這主要是因為降水開始后作業,由于降水的沖刷作用,燃氣炮作業向空中釋放的催化劑不容易被輸送至高空,因而對云中水凝物的微物理過程影響較弱。在降水開始前作業,云中上升氣流比較旺盛,燃氣炮作業向空中釋放的催化劑容易隨上升氣流輸送至云中,引起云中核化作用增強,形成大量小液滴,通過凝結和碰并作用,大雨滴增多,地面降水增加。

2.3 典型個例作業前后雷達雙偏振參數

探空圖(圖略)為典型個例分析提供天氣背景。個例1的2022年6月23日08:00合肥站探空顯示,地面溫度約為32 ℃, 自由抬升凝結高度氣壓為914 hPa, 自由抬升凝結高度溫度為22 ℃,即云底高度約為900 m,零度層高度約為5 km,對流有效位能為841 J·kg-1,容易產生對流抬升,催化劑易由上升氣流攜帶至零度層以上,使用冷云催化劑作業。個例2的2022年11月28日08:00銅陵站探空顯示,地面溫度約為18 ℃, 自由抬升凝結高度氣壓為956 hPa, 自由抬升凝結高度溫度為14 ℃,即云底高度約600 m,零度層高度約3.5 km,對流有效位能為零,產生對流抬升的可能性較小,使用暖云催化劑作業。個例3的2022年8月16日08:00合肥站探空顯示,地面溫度約32 ℃, 自由抬升凝結高度氣壓為929 hPa, 自由抬升凝結高度溫度為23 ℃,即云底高度約為850 m,零度層高度約為5 km,對流有效位能為2212 J·kg-1,容易產生對流抬升,催化劑易由上升氣流攜帶至零度層以上,使用冷云催化劑作業。

圖4～圖6分別為上述3個典型個例在燃氣炮作業前后雙偏振雷達參量(水平反射率因子ZH、差分反射率ZDR和共極化相關系數ρhv)的雷達垂直剖面。個例 1(圖4)為2022年6月23日降水過程作業個例。降水已經開始一段時間使用帶有冷云催化劑的燃氣炮進行作業,作業后ZH、ZDR和ρhv相對于作業前均無明顯變化,表明作業效果欠佳。

圖4 個例 1(作業時段為2022年6月23日11:10—11:20)作業前后雙偏振雷達參量(垂直剖面為沿700 hPa水平風方向、過作業站點的上游50 km—下游100 km的插值剖面,下同)

個例2(圖5)為2022年11月28日降水過程作業個例。在降水開始初期,使用帶有暖云催化劑的燃氣炮進行作業,作業進行7 min(11:14:47)后ZH明顯增強,強回波(45 dBZ)頂高升高,ZDR大值區范圍增大,距離燃氣炮作業點-45 km(上游)和30 km(下游)處的ρhv減少,這表明云中大雨滴增多,暖云催化劑被對流云上升氣流輸送至云中,云中大云滴核化加快,液滴直接碰并作用增強,液滴增大。隨著大液滴增多,ZH增強,ZDR增大。同時,由于云中大滴增多,滴譜變寬,液滴種類增多,ρhv減少。隨著作業時間增加,作業進行22 min(11:26:02)后,作業效果減弱,ZH、ZDR相對于作業7 min時均減小,而ρhv增大,這說明隨著大液滴的降落,云中水滴變小。因此,在降水發生初期進行帶有暖云催化劑的燃氣炮作業,剛開始作業效果較好,降水增強,但隨著作業時間增加,作業效果逐步減弱。雷達參數進一步顯示,利用暖云催化劑的燃氣炮作業后,云內的變化主要發生在6 km高度以下范圍,尤其發生在零度層(3.5 km)高度以下范圍,這也說明暖云催化劑主要對暖云微物理過程產生明顯影響。

圖5 個例2(作業時段為2022年11月28日11:04—11:44)作業前后雙偏振雷達參量

個例3(圖6)為2022年8月16日降水過程作業個例。降水開始前進行帶有冷云催化劑的燃氣炮作業,作業進行23 min(16:21:15)后,對流云強回波中心的ZH、ZDR明顯增大,強回波頂高增加(可到達8 km高度附近),ZDR大值區范圍明顯增大。ZDR柱出現在6 km高度以下,說明在過冷層5～6 km高度范圍存在大量過冷水,這有利于對流云中的冰相粒子通過凇附等微物理過程生成。強回波中心的ρhv從云底到8 km高度范圍均出現較小值區域,這可能說明云中水凝物種類明顯增加,高層ρhv減小與冰晶粒子數濃度增大有密切相關,而低層由于冰晶融化,液滴大小不均引起。這些結果表明:冷云催化劑隨對流云上升氣流進入云體,導致云中冰晶核化和凇附過程增強,同時,由于固態降水粒子的融化等過程又引起融化層(5 km高度)以下大液滴增大,ZH增大,ZDR減小。隨著作業持續,作業45 min(16:43:54)后ZH減弱,且大值中心高度下降,ZDR最大值減少,且大值中心高度明顯降低(下降到5 km高度以下),ρhv低值中心高度也降低,這說明云中粒子由冰相向液相降水的轉化過程增強,云中低層大液滴增多,降水增強。因此,該個例與個例2類似,在降水開始前作業,作業效果好,降水增強,隨著作業時間延長,作業效果減弱。但值得指出的是,帶有冷云催化劑的燃氣炮作業后對流云內各雷達參量變化范圍擴大,8 km高度以下范圍變化明顯,這可能說明帶有冷云催化劑的燃氣炮作業對對流云中冷云、暖云微物理過程均有明顯的影響作用。

圖6 個例3(作業時段為2022年8月16日16:00—17:00)作業前后雙偏振雷達參量

綜上所述,在降水開始前進行帶有暖云催化劑或者冷云催化劑的燃氣炮進行對流云增雨作業可以取得較好作業效果,使得降水增強,隨著降水增大,作業效果減弱。使用帶有暖云催化劑的燃氣炮作業后對流云體變化主要發生在零度層以下,對暖云微物理過程影響明顯,這說明燃氣炮作業的暖云催化劑起主要作用。使用帶有冷云催化劑的燃氣炮作業后冷云和暖云區均發生明顯變化,同時影響對流云中的冷云和暖云微物理過程,影響范圍更大,可達到8 km高度,零度層以上出現ZDR柱,云中出現過冷水區,這說明冷云催化劑對對流云中的冷云和暖云微物理過程均產生明顯影響。由雙偏振雷達探測的偏振參量分析可知,燃氣炮作業可使對流云中的冰相水凝物向液相水凝物的轉化過程明顯增強。

2.4 典型個例影響區與作業區雙偏振特征參量

取最低仰角(0.5°)的平面位置顯示圖(PPI)對上述3個典型個例作業前后雙偏振雷達參量(ZH、ZDR、ρhv、SW)進行統計分析(圖7～圖9)。由圖7可以看到,影響區ZH和ZDR在作業時段內相對于作業前有少量減小,而對比區的ZH和ZDR則為少量增大。這說明作業效果欠佳,甚至產生減雨效果。同時,影響區的ρhv有少量減小,說明作業對液滴尺度有一定影響,液滴尺度分布范圍更廣,而對比區的ρhv基本無變化。影響區的SW明顯增寬,這可能與燃氣炮作業產生的沖擊波影響作用一致。燃氣炮沖擊波作用下空氣受到強烈擾動,不同尺度的液滴可能以不同的慣性速度運動,增強不同大小水滴之間的碰并作用,使大滴增多,因此,云中速度譜寬SW明顯增大。相比之下,對比區的速度譜寬則變化不大。

圖7 個例1作業前后最低仰角(0.5°)PPI雙偏振特征參量(黑色豎線為作業起止時間,下同)

由圖8可知,作業后影響區和對比區的ZH、ZDR均明顯增大,這說明云中大液滴增多,降水增強,但影響區增大更加顯著。影響區和對比區的ρhv均呈現出減少趨勢,但影響區的ρhv減少更加明顯。作業后影響區的SW明顯增加,而對比區SW減少,這說明與對比區相比,影響區燃氣炮沖擊波引起速度譜寬增大,液滴增長更快。因此,在降水剛開始使用帶有暖云催化劑的燃氣炮進行作業,增雨效果顯著。

圖8 個例2作業前后最低仰角(0.5°)PPI雙偏振特征參量

由圖9可知,在作業過程中(16:20以后),影響區和對比區的ZH雖然均有增加,但影響區ZH增加明顯大于對比區。作業后(17:00以后)影響區的ZH和ZDR均明顯增大,說明云中大滴增多,結合雷達數據分析可知,該現象與高空冰相水凝物下落產生的融化有關,融化可引起云中大滴增多,降水增強。燃氣炮作業期間對比區的ZH和ZDR明顯小于影響區。作業初期ρhv明顯減少,后期增加,這說明作業初期燃氣炮作業引起云中水凝物種類增多。燃氣炮作業期間影響區的SW明顯增大,而對比區SW變化不大,這說明燃氣炮沖擊作用引起云中速度譜寬增大。

圖9 個例3作業前后最低仰角(0.5°)PPI雙偏振特征參量

綜上所述,燃氣炮作業期間影響區的速度譜寬SW明顯增加,這可能是由于燃氣炮的沖擊波作用引起氣流渦旋增加,導致云中速度譜寬增大,使得云中水凝物粒子向各個方向擴散。同時,SW增大,也加速粒子碰并增長,大粒子增多。在降水開始前和降水剛開始進行燃氣炮作業,使ZH和ZDR增加,ρhv減少,有利于增雨。而在降水開始后作業效果欠佳。使用帶有暖云催化劑的燃氣炮作業后可很快產生影響效果,但維持時間較短,而帶有冷云催化劑的燃氣炮作業,影響持續時間較長。

2.5 影響區與對比區增雨效果統計

利用t檢驗及顯著性分析方法,統計分析對燃氣炮影響區與對比區增雨效果。燃氣炮作業個例影響區與對比區的增雨效果統計2 h結果,2 h代表作業開始時刻后的兩個整點數據(小時降水量)的平均值減去作業開始時刻前的兩個整點數據的平均值。統計2 h的原因在于作業開始時刻一般非整點,而自動雨量站觀測數據均為整點的小時降水量,如果僅選取作業開始后第1個整點的小時降水量數據進行分析,則可能因離作業時刻過于接近導致分析不準確。t檢驗方法:根據作業前后2 h的觀測數據,取燃氣炮作業影響區站點的增雨量和對比區站點的增雨量數據作為兩組對比樣本,進行雙樣本t檢驗。計算t值和顯著性水平P值,用于判別是否存在顯著增雨或減雨。此外,本文還提出計算一個二次計算量:-sign(t)×lg(P),即是取顯著性水平P值的對數乘以t檢驗值再取負。該參量將本來非線性的P值進行近似線性轉換,同時還克服了P無符號、t值受自由度影響以及作業絕對增雨量在不同個例中量級存在差異等局限性,便于分析不同個例增、減雨的顯著性與其他變量的相關性。

將81個燃氣炮作業個例按照作業時機分類,其中降水未開始作業個例25個(類型1),剛開始降水作業個例47個(類型2),降水開始一段時間作業個例9個(類型3)。增雨作業關于云況條件的選擇判別標準參考1.3節。燃氣炮作業對于不同個例效果不同,有增雨也有減雨。為了更好地了解燃氣炮作業的效果,本文在2.6節和2.7節對所有作業個例和3種不同作業時機類型個例分別進行統計分析,研究所有作業個例和3種不同作業時機類型個例的增減雨分布情況,并分析各種因子(作業時長、雷達回波(ZH、ZDR)、水平風速和風切變等)對作業效果的可能影響。

2.6 研究個例增減雨分布特征

由81個個例增減雨分布情況的統計結果(圖略)可知,影響區小時增雨量ΔR(單位:mm)大于對比區ΔR0的個例占比為53.1%,即有43個個例呈現增雨,其中小時降水量R增加3 mm 以上的個例有5個(占6.1%)。如以顯著性水平P<0.1為標準,有33.3%的個例(27個)呈現R顯著增大,28.3%的個例(23個)呈現R顯著減小。進一步地,如以P<0.01為標準,有25.9%的個例(21個)呈現R顯著增大,而有16.0%的個例(13個)呈現R顯著減小?？梢?燃氣炮作業后顯著增雨個例總體上略多于顯著減雨個例。

圖10為3種不同作業時機類型個例增減雨分布情況。由圖10可以看到,對降水未開始作業的25個個例(類型1),影響區ΔR大于對比區ΔR0的個例占比為40%,即有10個個例呈現增雨,小時增雨量均位于0～1 mm。影響區ΔR小于對比區ΔR0的個例占比為60%,即有15個個例呈現減雨,其中有52%(13個)的個例減雨量為0～1 mm,8%(2個)個例減雨量為1～2 mm。對剛開始降水作業的47個個例(類型2),影響區ΔR大于對比區ΔR0的個例占比為66%,即有31個個例呈現增雨,其中小時增雨量大于1 mm的個例占25.5%(12個),小時增雨量為0～1 mm的個例占40.5%(19個);影響區ΔR小于對比區ΔR0的個例占比為34%(16個),其中小時減雨量大于1 mm 的個例占8.5%(4個),小時減雨量為0～1 mm 的個例占25.5%。對降水開始一段時間作業的9個個例(類型3)中,影響區ΔR大于對比區ΔR0的個例占比為55.5%(5個),其中小時增雨量為0～1 mm的個例占22.2%(2個),小時增雨量大于3 mm 的個例占33.3%(3個);影響區ΔR小于對比區ΔR0的個例占比為44.5%(4個),其中小時減雨量0～1 mm的個例占11.1%(1個),小時減雨量大于1 mm的個例占33.3%(3個)?？傊?類型1減雨個例多于增雨個例,但小時減雨量或增雨量均較小;類型2增雨個例明顯多于減雨個例,小時增雨量大于1 mm的個例多;類型3個例樣本太少,增雨和減雨個例數量相當。3種類型中類型2增雨效果最好,即在降水初期作業最有利于人工增雨,這可能與降水初期上升氣流比較旺盛有關,燃氣炮作業后上升氣流有利于催化劑向高空輸送,且有利于人工增雨作業的持續進行,提高作業效果。

圖10 3種不同作業時機類型個例增減雨分布

2.7 作業時長、雷達回波(ZH、ZDR)、水平風速和風切變與增雨效果相關性

為了研究影響燃氣炮作業效果的可能因素,下面通過相關系數分析作業效果和其他物理量的數值關聯性(表1、表2)。參與計算相關系數的是81個個例中雨量和其他物理量的二次計算量Δ2(X)和S(ΔX)。其中,X代表影響區或對比區內空間平均的降水量或其他物理量;Δ2(X)代表影響區增量ΔX減去對比區增量ΔX0,即由于作業導致的影響區比對比區增加的量,可視為作業絕對增量;S(ΔX)代表影響區增量和對比區增量之差的t檢驗二次統計量,即-sign(t)×lg(P)。R為小時降水量(單位:mm),v為水平風速(單位:m·s-1),s為風切變(單位:m·s-1)。

表1 雷達回波和降水量的相關性

表2 自動雨量站統計量和風速、風切變的相關性

S(ΔR)與燃氣炮作業時長呈負相關(-0.055),且燃氣炮作業絕對增雨量Δ2(R)的顯著性水平和作業時長呈顯著負相關(-0.303,P<0.01),表明燃氣炮作業過量播撒可能導致減雨,這將在表1中結合與ZDR的相關性進一步討論。S(ΔR)與作業前影響區的降水量呈負相關(-0.207,P<0.1),且燃氣炮作業絕對增雨量Δ2(R)的顯著性與作業前影響區的降水量也呈負相關(-0.234,P<0.05),這表明:一方面,在已經產生明顯降水的情況下,燃氣炮作業的沖擊波效應以及催化劑向上輸送可能不充分,很難使作業發揮正向作用,且原有大滴在燃氣炮動力作用下更多大滴破碎變為小滴;另一方面,如果影響區內自然云在作業前已處于有明顯降水階段,作業開始后影響區的雨快下完了,導致統計為負效果。

由表1可知,絕對增雨量Δ2(R)和增雨顯著性S(ΔR)與影響區的ZH增量(ΔZH)統計量均呈正相關,具有物理一致性:一般認為,雷達反射率因子越大,降水量越大。作業時長與ZDR的增量(ΔZDR)呈一定負相關,可能的物理機制是燃氣炮作業的沖擊波效應以及攜帶催化劑向上輸送并參與云微物理過程,播撒導致大滴迅速減少、小滴增多,導致減雨。這與前面得到的增雨和作業時長的負相關性結論一致。

由表2可知,絕對增雨量Δ2(R)的統計量與中低層風速和風切變呈正相關,這可能與中低層風速越大催化劑擴散更充分有關。然而,增雨顯著性S(ΔR)和500 hPa高度的風速呈顯著負相關,表明中層風速過大會導致催化劑嚴重稀釋,影響效果減弱。

3 結論與討論

本文利用2021—2023年安徽省81次燃氣炮作業的S波段雙偏振多普勒天氣雷達數據、小時降水量及ERA5再分析數據等多源觀測數據,綜合分析不同類型典型個例燃氣炮作業前后小時雨量和雙偏振雷達參量特征變化,評估燃氣炮作業效果并對所有個例增減雨分布和各種因子(作業時長、雷達回波(ZH、ZDR)、水平風速和風切變等)對作業效果的可能影響進行討論,主要結論如下:

1) 降水開始前進行燃氣炮作業,增雨效果較好;降雨開始后作業,增雨效果較差。這主要是降水開始后作業,由于降水沖刷和下沉氣流的作用,燃氣炮作業向空中發射的催化劑不容易輸送至高空,對云中水凝物微物理過程影響減弱。

2) 降水開始前進行燃氣炮作業,可使云中雙偏振參量ZH、ZDR增大,ρhv減小,作業效果好。燃氣炮向空中發射的暖云催化劑的影響范圍主要在零度層以下,對暖云微物理過程影響明顯。而燃氣炮向空中播撒的冷云催化劑可同時影響云中冷云和暖云微物理過程,云體零度層以上出現ZDR柱,使得云中液相向冰相水凝物轉化過程明顯加強。

3) 燃氣炮作業過程中影響區多普勒速度譜寬SW明顯增加,燃氣炮沖擊作用引起氣流渦旋增加,粒子向不同方向擴散,速度譜寬增大。攜帶暖云催化劑的燃氣炮作業后效果較快出現,但維持時間較短,而攜帶冷云催化劑的燃氣炮作業影響持續時間更長。

4) 53.1%的燃氣炮作業個例影響區增雨大于對比區,顯著增雨個例總體上略高于顯著減雨個例。3種不同作業時機類型個例中,類型2作業增雨效果最佳。

5) 增雨顯著性水平與燃氣炮作業時長呈顯著負相關,作業時長與ZDR增量呈負相關,過量作業會導致減雨。增雨量和增雨顯著性水平均與燃氣炮作業前影響區的雨量呈負相關,降水開始后燃氣炮作業效果不佳。增雨量和增雨顯著性水平與ZH的影響區增量呈正相關。燃氣炮作業增雨量與中低層風速和風切變呈正相關,而與中高層風速呈負相關,且中高層風速過大不利于燃氣炮作業增雨。

綜上所述,燃氣炮是一種用于人工增雨作業的新型技術設備,還處于應用探索階段,未來還有許多工作值得深入開展。對于已有經驗建立的燃氣炮作業指標和作業云況選擇,需要更多試驗結果補充完善,通過更多的作業實踐,積累經驗,改進作業指標,使增雨作業指標和作業云況選擇更加合理和規范化。不同類型燃氣炮性能對于作業效果評估的影響目前尚不清楚,本研究使用的85%燃氣炮作業數據個例為HY-R型燃氣炮作業結果,ZBZ-PR型聚能燃氣炮和HY-R移動旋轉型增雨防雹燃氣炮(第2代)作業個例僅為幾個,樣本太少無法得到可靠的分類結論,今后需要更多的實踐以獲取更多的樣本數據,為探討不同類型燃氣炮性能對于作業效果評估的影響提供可靠的數據支持。效果檢驗是目前人工影響天氣中最難,但也最需要解決的問題,物理檢驗存在很大不確定性,且不能夠嚴格直接證明催化增雨的效果,但能定性說明對云的作用,也值得深入研究。今后工作可以與示蹤法相互補充和驗證,也可以將物理檢驗與統計檢驗和數值模擬有機地結合起來,使作業效果檢驗更有說服力。應該開展更多典型個例的多源觀測,在多種手段聯合探測驗證的基礎上,深入研究和歸納燃氣炮作業對云動力和微物理過程的影響。同時,應該加強多種波長相控陣雙偏振氣象雷達的應用,對燃氣炮作業對云和降水結構影響及其作業效果進行更加精準的探測[22,27-29,35]。

致 謝：感謝安徽省人工影響天氣辦公室為本研究提供了2021年11月—2023年5月安徽省燃氣炮作業數據、安徽省小時降水量數據以及合肥市、阜陽市和銅陵市SA型布網S波段雙偏振多普勒天氣雷達基數據。