衡邵盆地7—8月對流云特征與人工增雨作業(yè)效果分析

唐佐陽，呂巍偉，呂校華，楊 科

（1.湖南省邵陽市氣象局，湖南 邵陽 422000；2.湖南省新邵縣氣象局，湖南 新邵 422900）

1 引言

干旱已經(jīng)成為影響面廣，持續(xù)時間長、造成經(jīng)濟損失較為嚴重的自然災害之一，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設、森林防火、社會經(jīng)濟和人民生活均會造成嚴重影響［1-8］。衡邵盆地位于湖南省中南部，總面積3.6萬平方公里，多山地丘陵，屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，境內(nèi)主要氣象災害有：干旱、洪澇、局地山洪、高溫、低溫、冰雹、冰凍、雷電、大風、大霧等，而干旱居各種災害之首。干旱是制約衡邵經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素，湖南省發(fā)改委牽頭做出了《衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃》項目，該項目的實施是應對氣候變化的一個重要舉措。每年夏季的7～8月，受西太平洋副熱帶高壓控制或大陸暖高壓脊控制，天氣晴朗少雨，太陽輻射強烈，都會出現(xiàn)持續(xù)或間斷性高溫干旱天氣。持續(xù)的高溫干旱天氣往往給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活帶來嚴重的影響，對畜、禽、水產(chǎn)等動物養(yǎng)殖業(yè)也造成一定的損害，同時干旱又會給森林防火造成嚴峻形勢。因此，在干旱期間，必須抓住時機，適時實施人工增雨作業(yè)，對緩解旱情和降低森林火災風險有重要意義。人工影響天氣作為防御自然災害的重要科技手段，近十年來得到廣泛應用。國內(nèi)很多學者和氣象工作者對人工增雨作業(yè)也有不少的研究［9-17］，得出了一些有意義的結(jié)果，但他們所研究人工增雨作業(yè)檢驗的次數(shù)太少，代表性不強，而對于人工增雨作業(yè)與對流云關系的研究，國內(nèi)工作者研究的較少，也沒有一個確定的積云地面人工增雨作業(yè)雷達判別指標，因此有必要進行多次積云雷達回波指標分析，尋找出作業(yè)判別指標，利用大量的人工增雨作業(yè)次數(shù)的數(shù)據(jù)采集，進行增雨效果評估分析，建立更加科學合理的人工影響天氣作業(yè)方案和服務關鍵技術指標，最大限度地減少或降低干旱給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、人民群眾的生產(chǎn)生活帶來的損失和影響。

2 資料和方法

雷達回波資料選用邵陽CINRAD/SA多普勒天氣雷達2010—2016年的7—8月期間，在衡邵盆地所觀測到的100個對流云個例，人工增雨作業(yè)個例選取邵陽區(qū)域內(nèi)14次作業(yè)，降水資料利用炮點附近自動站資料與遠離炮點的自動站降水資料進行對比分析。

3 對流云回波特征分析

3.1 單塊積云回波水平尺度及面積統(tǒng)計特征

3.1.1 單塊積云水平尺度特征

積云單體回波水平尺度，出現(xiàn)頻率最大的是3-6km，占41.6%（表 1），回波單體水平尺度＞15km的占6.2%，顯示夏秋季節(jié)積云回波單體水平尺度不太大，以中小尺度居多。

表1 積云單體回波水平尺度頻率分布

3.1.2 單塊積云回波面積特征

夏秋季積云單體回波水平面積并不大，出現(xiàn)幾率最大的是＜100㎞2積云單體，占 46.9%（表 2），100-200㎞2和 200-300㎞2積云單體的分別占18.8%和 14.4%，＞500㎞2積云單體較少，只占6.8%。

表2 降水性積云平面回波面積分布

3.2 不同天氣形勢下積云雷達回波面積分布特征

將7、8月積云雷達回波面積與對應的天氣系統(tǒng)對比分析，統(tǒng)計結(jié)果如表3。

分析表明，7、8月衡邵盆地上空主要受副高、中低層切變和副高邊緣等天氣系統(tǒng)影響，對應的積云出現(xiàn)幾率占49.8%、16.2%和6.2%，這3種天氣形勢出現(xiàn)的幾率占總數(shù)的72.2%。

在不同的天氣形勢下，積云雷達回波面積的大小差別甚大，出現(xiàn)平均最大回波面積的影響系統(tǒng)是中低層切變線。

表3 不同天氣形勢下回波面積（單位k㎡）分布

3.3 積云回波頂高分析

一般而言，對流的強弱在一定程度上和回波伸展的高度、回波強度等有關［18-22］，所以 ETPPI（回波頂高）產(chǎn)品可以用來分析、估測雷達探測范圍內(nèi)，不同地區(qū)的對流發(fā)展程度，即積云對流的強弱。

應用體積掃描獲取的三維數(shù)據(jù)，選定回波強度閥值，根據(jù)測高公式，在一定的底面積的垂直柱體中，自上而下搜索選定閥值所在的高度。若該回波強度閥值在上、下兩個仰角的經(jīng)線之間，則用線性插值和距離加權平均技術確定閥值所在高度，用這種方法便可得到積云單體的回波頂高度分布，即ETPPI產(chǎn)品。

根據(jù)衡邵盆地7、8月對流單體活動特點，回波強度閥值設置為5dBz，即云頂高度處的回波強度閥值為5dBz，垂直柱體的底面積為4km＊4km.我們選取濃積云65塊、降水性濃積云12塊、積雨云38塊，共115塊積云單體進行分析，得出積云云頂高度頻數(shù)：

濃積云云頂高度為3.5-7.0km，降水濃積云云頂高度為5.5-7.5km，積雨云云頂高度大部分均高于10km，積雨云回波頂出現(xiàn)幾率最大的是6.5-10km占53%，其次是10-12km，占16.6%，頂高超過15km的累計百分比僅占8.8%。可見夏秋干旱期有90%以上的積雨云回波頂高集中在6.5-15km范圍內(nèi)，顯然多為冷云降水云系。積雨云的回波頂高度為11-19km，最常出現(xiàn)在12-17km。

按不同天氣形勢來統(tǒng)計積云回波頂高度，結(jié)果見表4。

表4 不同天氣形勢下回波頂高度的分布

I類天氣形勢對應副高、西南氣流、臺風外圍偏北氣流、高原暖脊等比較穩(wěn)定的天氣形勢。Ⅱ類天氣形勢對應副高邊緣、東風波、高空低槽、中低層切變、臺風低壓等不夠穩(wěn)定的天氣形勢。從表4分析出，一般是不穩(wěn)定的天氣形勢下積云回波頂高較穩(wěn)定的天氣形勢的高。雷達回波頂高為5-15km的積云占絕大多數(shù)（I類為81.5%，Ⅱ類為88.6%）

3.4 夏秋干旱期積云降水雷達回波特征

以天氣背景劃分，積云降水回波大致可以分為以下4種類型：南支槽型、副高邊緣型、東北冷渦型、強冷空氣型。通過對65個積云降水過程進行分析，得出積云生長、成熟、消散的雷達回波識別指標見表5。

表5 積云降水回波的雷達識別指標

4 地面人工增雨作業(yè)效果個例分析

利用多普勒雷達產(chǎn)品及地面密集的區(qū)域自動雨量站資料，對2013年8月到2016年8月邵陽區(qū)域范圍內(nèi)50次火箭彈和37高炮增雨作業(yè)進行物理檢驗和雨量對比分析得出：利用車載式火箭炮的流動性及射高的靈活性，火箭彈增雨效果非常明顯，37高炮增雨作業(yè)效果一般。人工增雨作業(yè)自然增雨量平均為7.7mm，在5至10km2小面積范圍內(nèi)實施人工增雨作業(yè)時，當超過兩發(fā)火箭彈后，隨著火箭彈的數(shù)量增加，對增雨效果無明顯影響。

5 結(jié)論與討論

通過對衡邵盆地2010—2016年7—8月期間100個對流云個例雷達回波特征分析，以及對50次地面火箭彈和37高炮人工增雨作業(yè)效果進行檢驗。得出如下結(jié)論：

（1）積云回波在水平尺度上表現(xiàn)為，單塊積云回波水平尺度在3-6km最多，占41.3%，＞15km最少，占6.3%；.從面積來看，單塊積云回波面積＜50㎞2最多，占25.0%，＞500㎞2最少，只占 9.4%；回波頂高大多數(shù)在5.5-6.0km之間。

（2）在不同天氣形勢下，回波面積和高度也不盡相同。

（3）積云降水回波的雷達識別指標在不同的季節(jié)存在一定的差異。

（4）實施增雨作業(yè)后平均相對于自然降水量的增雨量達7.7mm，增雨效果比較明顯。

（5）當作業(yè)面積在5至10km2范圍內(nèi)時，增加作業(yè)炮彈的數(shù)量對增雨量的效果沒有明顯的影響。

目前，人工影響天氣是緩解旱情行之有效的重要手段，能減少其給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設、森林防火、人民生產(chǎn)生活、社會經(jīng)濟帶來的影響。但人工影響天氣作業(yè)又會受到天氣形勢、通訊設備的信息傳送、航管空域的開放度，其中最主要的是天氣形勢，人工影響天氣與天氣系統(tǒng)配合還需進一步研究與實踐，使增雨效果達到最大化。

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