高炮催化區跟蹤方法在湖南的個例分析

摘要簡要介紹了湖南人影高炮作業情況與效果評估方法，并對高炮催化區跟蹤方法進行個例檢驗，結合湖南實例，實現該算法在湖南的個例運用分析。利用長沙、岳陽2個降水過程，對多個回波跟蹤區域進行連續跟蹤，詳細分析了回波跟蹤的合理性；選擇湖南郴州的一次高炮防雹作業，對其催化區進行跟蹤，并對催化區內最大反射率和垂直液態含水量進行統計分析。結果表明，利用TREC算法，能夠合理跟蹤回波在空間的垂直位置與水平位置，較好地跟蹤作業時催化區域移動，從而為高炮作業效果評估提供了一個有意義的參考。

關鍵詞TREC；催化區；連續跟蹤；效果評估

中圖分類號S423+.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-225-04

我國開展人工降雨已有多年的歷史，關于云和降水物理、人工影響天氣的研究取得了一些進展[1]，而關于人工降雨效果的評估也更加受到重視。人工增雨效果評估方法有物理檢驗、統計檢驗、數值模式檢驗等，其中，物理檢驗采集與云物理過程變化相關的物理量信息，為人工作業效果評估提供了直觀、有說服力的物理依據，為人工影響天氣技術方法改進提供了有意義的參考。關于物理檢驗，前人進行了很多研究[2-4]，主要采用目標云、對比云的雷達回波參數對比方案，未涉及催化區的跟蹤與催化區內回波參數統計。

高炮催化區跟蹤方法基于新一代天氣雷達三維拼圖技術和TREC算法[5]，將高炮催化區作為跟蹤對象，跟蹤、統計催化區內雷達回波參數，該方法比統計目標云回波參數變化更為直觀，更有說服力。在此，基于汪玲等的研究[6]，筆者選用湖南降水實例，分別對湖南未作業云“催化區”位置跟蹤合理性、湖南高炮作業云“催化區”回波變化統計進行個例分析，初步實現了高炮催化區跟蹤方法在湖南的本地化應用。

1湖南人影高炮作業與評估方法簡介

1.1湖南人影高炮作業情況

1975年開始，省人影辦先后在14個市63個縣開展了高炮增雨作業，僅1978～1984年就作業2 788次。湘西州鳳凰縣屬于湖南省首批設立炮點的市縣之一，該縣處云貴高原東側山區，氣候多變，夏秋季容易出現干旱，1975年在鳳凰縣設立4門炮點。湖南先后在湘西州鳳凰縣山區、柘溪水庫東部的新化和安化一帶進行了連續6年的外場高炮增雨試驗，結果表明湖南單塊積云催化降水量增加12%～20%。

2005年，張家界成為省首個開展高炮防雹試驗的市州，并在開展作業后的兩年內設7個防雹站點，兩年作業累計達69次（包括22次高炮防雹作業），各個有效保護區內未出現雹災，高炮防雹試驗獲得成功。隨后，湘西自治州、常德、郴州等市也陸續開展防雹作業。2005～2007年連續3年省人影辦在湘西張家界市開展煙葉高炮防雹試驗，根據冰雹云云系特征，并綜合利用多普勒雷達產品和車載雷達的現場觀測數據，歸納出湘西北山區夏季冰雹云作業指標，采用早期發現與識別、早期聯防作業，達到良好的作業效果。

目前，湖南已建成上百個炮點，高炮應用于空中、地面立體化輔助增雨作業、地面增雨作業和防雹作業，而主要應用于防雹作業。

1.2湖南人影高炮作業效果評估方法

高炮增雨作業效果檢驗主要采用作業前后作業云和目標云的回波頂高、強回波面積和最大反射率等回波參量的對比分析，有效地增雨作業后，云體發展、強度增加、降水增加，對應回波頂高、強回波面積和最大反射率等回波參量均有一定程度上的增強。增雨作業后，對增雨量進行估算，作業增加雨量W=平均每次作業降雨量×單次作業影響區范圍×增雨效率系數×作業次數。

高炮防雹作業效果檢驗主要運用作業前后雷達回波強度特征進行對比分析，如果作業后目標云雷達回波強度在有效時間段內（10～15 min）比作業前減弱10 dBz，可視為防雹作業有效。防雹作業后，對人工防雹作業經濟效益進行初步分析，根據作業業務規范估算影響區范圍[7]，再計算經濟效益Q，Q=影響區面積/（試驗區總面積×烤煙種植面積）×平均成災率×賠付單價。

然而，對于單次作業多采用物理檢驗。在常規物理檢驗中，多統計云體回波特征，并未涉及催化區的跟蹤與催化區回波參數統計，與前者對比，后者更直觀。

2高炮催化區跟蹤方法簡介

2.1資料來源

采用的雷達數據為中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室開發的“新一代雷達三維組網及產品處理系統”計算后輸出的回波強度三維格點組網數據。組網數據由不同高度層的CAPPI資料組成，經、緯向分辨率均為0.01°。組網數據文件時間間隔為6 min。

2.2高炮催化區跟蹤方法原理

實際的作業根據云系情況進行不同時次的作業。高炮作業分為單點、多點作業，所以高炮催化區跟蹤方法又分為單點和多點作業催化區跟蹤方法，算法原理后者建立于前者。

2.2.1單點作業催化區跟蹤方法。

2.2.1.1定位催化區。高炮可沿著0～360°方位進行作業，所以將高炮催化區取成圓形。關于高炮作業催化區擴散問題，王以琳等以催化劑不同的濃度閾值模擬，分析了湍流擴散系數、仰角、方位角和風速對人工增雨炮彈催化區的影響，發現高炮在最長作業影響時間約30 min內達到最大擴散半徑為289.6 m[8]。催化劑最大擴散半徑相對偏小，所以將作業區定為催化區。高炮作業水平射程一般為7～8 km，每門高炮影響距離為2 km，取10 km為單點作業催化區半徑。

2.2.1.2確定催化區的位置。t0時刻，根據催化區信息（圓形，中心坐標（x0，y0）、半徑r0）計算催化區位置，x0、y0分別為緯度、經度。假設任一點B，如果點B到中心的距離≤半徑，則該點屬于催化區。

2.2.1.3計算催化區回波移動速度。采用相鄰時刻回波信息，并經過TREC算法，可以計算出TREC矢量，TREC矢量又分為U和V分量（分別代表回波在水平、垂直方向上的回波移動速度），U、V分量合成求出催化區移動速度C。在半徑為r0的圓形區域范圍內，不同位置的回波移動速度不一致，所以催化區移動速度取區域平均，對應的U、V分量分別取平均值meanU、meanV。

2.2.1.4計算下一時刻催化區的位置。跟蹤時間間隔Δt取6 min，下一時刻t1催化區的中心坐標（x1，y1），中心坐標的求解公式：x1=x0+meanV×Δt、y1=y0+meanU×Δt，

根據t1時刻催化區中心坐標信息找到t1時刻的催化區。如此循環。

2.2.2多點作業催化區跟蹤方法。

將多點作業看作多個單點作業，那么多點作業催化區（“體系”）對應為多個單點作業催化區（“多個分區”）。如果單個炮點在作業，則將該炮點對應的單點催化區納入“體系”，并對其進行實時、連續跟蹤。

因為每個炮點作業時段不一，多點作業時，就由“多個分區”構成的“體系”。所以，只需設置兩組數組參數分別控制“多個分區”的跟蹤時段，即記錄跟蹤起始時刻參數m[i]（m取第0、1、2…時刻）和跟蹤時長的參數n[i]，到達跟蹤起始時刻m[i]時跟蹤開始，到達設定的跟蹤時長n[i]時跟蹤停止。i為多點作業高炮炮點數。

43卷21期徐冬英等高炮催化區跟蹤方法在湖南的個例分析

3個例分析

3.1跟蹤位置合理性分析

從回波在空間的移動（即豎直、水平方向）分別對跟蹤位置進行合理性分析。在豎直方向上，對于不同高度的同一位置回波移動速度應當一致；在水平方向上，區域移動相對位置不變。所以從以下方面驗證算法：①不同高度的同一經緯度位置回波，如果在同一時刻速度一致，則證明算法合理；②跟蹤多個區域時，觀察單個區域相對整片云位置是否不變，多個區域移動相對位置是否不變，且分析各區域的移動速度，同一系統中，各區域移動速度應在有限范圍內波動。

3.1.1個例1。

2015年2月14日岳陽局部出現強降水，取岳陽雷達站09：42～10：12的CAPPI拼圖資料，開始跟蹤時刻14日09：42設為0時刻，分別選擇2.5、3.0、3.5 km高度層的CAPPI作為跟蹤對象，為保證在跟蹤期間該點一直有回波，選定區域中心任意一個位置A（29.72°N、113.15°E）的回波，對其移動速度進行跟蹤、統計，取該點周圍5 km范圍內的速度平均值為該點速度。

分別統計了不同時刻、不同高度層A位置的速度值，包括TREC矢量分量U、V方向上的速度U、V，以及該點合成速度C。速度U在13～18 m/s范圍內變化顯示（圖1a），在同一時刻的不同高度，A位置回波的移動速度最大相差約3 m/s；速度V在7～9 m/s范圍內變化顯示（圖1b），在同一時刻的不同高度，A位置回波的移動速度相差最大約2 m/s；從速度C在14～20 m/s范圍內變化（圖1c）可看出，在相同時刻的不同高度，A位置回波不同高度的移動速度相差最大約3 m/s；由此可知，同一經緯度位置回波將不同高度CAPPI資料作為跟蹤對象時，同一時刻移動速度U、V以及該點合成速度C基本一致，從第一方面證明了算法正確合理。

3.1.2個例2。

2015年2月2日湖南長沙出現一次小范圍降水過程。取長沙雷達站的14：00～14：30的CAPPI拼圖資料，選擇3個催化區跟蹤（region1、region2、region3）。選擇回波較好（回波面積大、回波強度強）的4 km高度層CAPPI作為跟蹤對象。

為更好跟蹤不同時刻催化區移動情況而設置彩色時間軸。設置開始跟蹤時刻2日14：00為0時刻，一個時刻設為6 min。每個時刻對應不同顏色，如深紅色對應第1時刻，對應時間為2日14：06。用不同顏色的圈表示不同時刻催化區位置，黑色箭頭表示實時催化區內的TREC矢量，它反映了回波的移動趨勢。

從region1、region2、region3的回波跟蹤圖（圖2）可看出，region1、region2、region3在跟蹤過程中，相對整片云位置基本不變，3個跟蹤區域均向偏東北方向移動并保持相對位置基本不變；region1、region2、region3的移動速度（圖3）顯示，3個跟蹤區域速度在12～19 m/s 范圍內波動，速度變化趨勢基本一致。綜上所述，在跟蹤時間段內，單個跟蹤區域相對整片云位置合理，多個區域在移動時相對位置不變，且分析了同一天氣過程中多個區域的移動速度，這些區域的移動速度變化趨勢基本一致且在有限范圍內波動，從第二方面證明了

算法正確合理。

3.2高炮作業實例分析

2015年4月30日05：47郴州桂陽進行防雹作業，高炮用量55發，作業結束時間05：52，在此選擇炮點周圍10 km范圍為催化區，對催化區進行跟蹤（圖4），并對催化區內最大反射率和區域平均垂直液態含水量進行統計（圖5）。

將作業結束后臨近時刻（05：54）作為0時刻，每個時刻為6 min。由圖4可見，作業后催化區位置向東北方向移動，與TREC矢量指向一致。

統計作業后30 min內催化區最大反射率CR和垂直液態含水量VIL（圖5）可知，作業后CR在作業18 min內從48 dBz迅速下降至36 dBz；作業后VIL出現下降，從開始的1.18 kg/m2下降至0.68 kg/m2。可見，作業后最大回波強度和垂直液態含水量在有效時間段內比作業前明顯減弱，為防雹作業正效果提供進一步依據。

4結論與討論

在TREC算法上，初步實現了高炮催化區跟蹤方法在湖南的個例分析。選用2015年湖南長沙、岳陽2個自然降水過程和多個跟蹤區域進行連續跟蹤，從豎直、水平方向上驗證移動位置合理性；選擇湖南郴州桂陽一次高炮防雹作業，對催化區回波進行跟蹤，驗證跟蹤方法在湖南本地化可行性，并對催化區內最大反射率、垂直液態含水量進行了統計計算。

結果表明，高炮作業催化區跟蹤方法在湖南未作業個例中，對假設“高炮催化區”進行跟蹤，跟蹤位置合理；

高炮作業催化區跟蹤方法在湖南防雹作業個例中，對高炮作業催化

區內最大反射率、垂直液態含水量等回波參數進行了計算，方法合理。

但高炮催化區跟蹤方法仍然需要多地區多實例進一步驗證，另外，除了統計催化區回波參數外，如何選擇有效的對比區域也很重要，對比區域的選擇為未來研究內容之一；由于催化區半徑采用催化時間可達范圍的最大值，而實際催化區是隨著催化劑擴散而變化，如何改進算法并將催化半徑定為變量也為未來研究的重要方向。

參考文獻

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