多普勒天氣雷達資料在人工增雨中的應用

李成鵬 田云平

摘 要：氣象雷達探測系統在人工影響天氣過程中運用非常廣泛，通過對云南多普勒雷達資料的分析發現：當回波強度達到30～50dBz，伸展高度達到8km，入流速度和出流速度中心值達到15m/s，垂直累積液態含水量在15kg/m2以上時，是開展人工增雨的最佳時機。作業所需要的彈藥數可以通過雷達進行測量其區域的體積、水含量，再根據云層的發展來計算催化劑濃度，這樣可以利用最好的自然撒播環境，減少用彈量，是提高增雨效率性價比的重要環節。

關鍵詞：多普勒雷達；氣象探測資料；人工增雨

中圖分類號：S164 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515055

引言

昆明棋盤山多普勒天氣雷達站，海拔2515m，為CINRAD/CC多普勒天氣雷達，最大可測速度為24.86m/s，最大可測距離為150km，其所探測范圍基本覆蓋滇中（昆明、玉溪、楚雄）地區。多普勒天氣雷達是以多普勒效應為其基本的工作原理進行設計的，在對降水的監測作用和降水量的定量估算等方面具有與其它氣象雷達不同的優勢，不僅可以探測出關于降水方面的豐富信息，同時還能較為清晰的識別出即將到來的降水的結構和類型，并且具有很高的時間和空間分辨率，是探測中尺度降水云系非常有效的工具，國內很多專家對多普勒雷達資料在人工增雨中的應用進行了分析和總結，對提高人工增雨的效率起到了很大作用。

利用多普勒雷達研發出相關產品的有很多，如回波頂高度產品，是利用回波來了解云層中對流的情況；其次是垂直累積液態含水量產品，是利用多普勒天氣雷達對對流垂直面的含水量進行探測，分析由于對流帶來的暴雨、冰雹等的可能性。本文主要通過對多普勒雷達產品進行分析，介紹如何利用其資料更好地開展人工增雨作業。

1 多普勒雷達資料分析

1.1 雷達回波強度演變分析

利用云南省昆明、昭通、文山、思茅、德宏、麗江的多普勒天氣雷達拼圖資料，對即將到來的降水云系的回波特征進行分析。如2013年6月9日午后，在云南北部不斷有分散的對流回波生成，以40km/h速度向東偏南方向移動，其中鑲嵌有多個強對流單體，回波強度達到35～45dBz，最強可達50dBz，回波發展高度不高，回波結構低質心，不存在強回波懸垂，45dBz以上強回波伸展高度在3～5km，最高達6km，大部分強回波處于0℃層高度以下，可見主要是以液態水為主，此種云系若采取人工作業降水效率很高。生成后的回波沿著風暴承載層平均風——偏西風向著偏東方向移動，在向下風方向移動過程中有所加強，不斷代替前面減弱的對流回波，形成明顯的后向傳播。9日20：00—10日02：00時段內，大片40～50 dBz回波不斷生成、發展（圖1），此時是開展人工增雨作業最好的時機。

1.2 徑向速度特征分析

通過雷達徑向速度可以大致分析水平風場情況。從昆明雷達徑向速度圖上可以看到一個邊界層急流的建立與維持過程，以2013年6月9日為例，20：00后昆明雷達徑向速度圖上雷達上空200～400m之間的偏東風風速逐漸增強，形成明顯的對稱“牛眼對”結構，至20：30入流速度和出流速度中心值已由5m/s增強至15m/s，邊界層偏東風急流建立之后逐漸向高層擴展，23：12急流高度達800m附近，急流核高度達到350～450m/s（圖2），邊界層急流的建立與維持為中尺度對流系統的產生持續提供強動力觸發作用和水汽的強烈輻合作用。同時還可以看到雷達上空800m以內，風隨高度呈現弱的“S”形，說明近地層有很弱的暖平流，有利于觸發對流。此外，近地層除有偏東風急流和弱暖平流以外，近地層以上風向為西偏南風，垂直方向存在明顯的風切變，還有多個逆風區生成，逆風區最高發展到4.3°仰角，說明回波內存在著明顯的垂直風切變和逆風區（圖2），可以使中尺度垂直環流加強，回波將強烈發展，逆風區內均有強度超過40dBz的回波發展，此時的回波強度最有利于開展人工增雨作業。

1.3 回波頂高度分析

根據回波的強度、速度等值來計算云層中的含水量，根據測量物的頂層數值作為依據，同時利用體積掃描的方法將計算出來的三維數據進行分析，了解所測物的回波強度閥值，根據閥值判斷出云層中對流發展的強弱情況。經過長期的實驗發現：在一般情況下，回波強度在5dBz以內為正常天氣狀況，在5～18dBz就有可能產生不定量的降水，在18～30dBz這一個階段就會有強對流風暴產生。通過回波頂高度能測量出對流的強弱，它主要是與回波的伸展高度有關，對流產生的可能性與回波頂高度成正比，分析發現，當回波頂的伸展高度達到8km以上就會產生強對流風暴，超過10km就會產生更嚴重的天氣狀況，比如說雷暴、大風、冰雹等。因此利用回波頂高度對測量對流發揮了很大的作用。

1.4 垂直累積液態含水量分析

對降水云體的垂直方向的含水量進行的測量，從而了解到在強對流天氣中這些水會以什么樣的形態出現。根據研究，當反射回來的數據較少時則表示這個層面的垂直累積液態水含量較少，則在強對流天氣中水就以原形態出現，反之則出現固體降水。垂直累積液態含水量的數值大小與強對流天氣中降水形態有著很大的關系。這個在不同的地區有不同的值，就以云南來說，當垂直累積液態含水量在15kg/以上，或者是等于這個值的時候，這個區域非常容易形成對流式的降水。

2 人工降雨作業中催化劑的計算方法

2.1 理論依據

人工增雨是通過在云層中播撒冰核，使得云層中的冰晶數量增多，同時在形成冰晶的過程中釋放大量的熱量，使得云層內外的熱量不均，從而產生不穩定的狀態，導致云層產生降雨或者增大降雨的效果。在進行人工降雨作業時對于催化劑播撒量的計算，要根據作業區域的體積、水含量以及催化劑的濃度（一般在300～500個/L）進行計算，而前2項都是利用多普勒天氣雷達進行測量，再通過多普勒天氣雷達相關產品進行計算的。根據多年觀測分析，云層要達到降雨的效果，多普勒雷達回波強度應在20～30dBz之間，因此在進行催化劑量的計算的時候就可以直接利用這2個數值作為一個閥值進行計算，這樣就可以計算出彈量的使用區間了。

2.2 催化劑量計算方法

多普勒雷達在進行云層觀測時發現，部分強風暴體是以紡錘體的形狀出現在云層中，這個是利用回波頂高度產品的反射率因子進行測量的。紡錘體是不同于圓柱體和圓錐體的存在，因此如果利用圓柱體的公式進行體積的計算明顯偏大，如果利用圓錐體的公式計算則偏小。通過反復研究后發現，以下的這個公式是最接近實體回波體體積的一個。

V=SVIL2×htop

式中：V為面體積，單位為km3，htop表示所測量地區內的回波頂值大于閥值的面積內的云層的平均回波高度，單位為km；SVIL表示一個區域內在垂直方向上面的總水量在某一閥值之外的總面積，單位為km3，云南是以15kg/m2為計算閥值。通過多普勒天氣雷達傳輸回來的數據圖像可以測出超過這個閥值的區域內的象素數Num的數值是多少，以4km×4km作為象素的平均底面積，則SVIL可以通過這樣的公式進行計算。

SVIL=4km×4km×Num

假設降雨催化劑原料為AgI，以每個火箭彈可以裝催化劑10g，這個劑量在-10℃時可以擁有1.8×1016個冰核，并以M來代替每升中所擁有的冰核數，以N表示所需要的火箭彈，因此在-10℃時N的計算公式如下。

N=VM1.8×1016=SVILhtopM3.6×1016=16NumhtopM3.6×1016

假設Num=3，則SVIL就等于48km2，取htop=10km，M=400個/L，則可以計算出紡錘體的體積為240km3，因此將所有數值帶入上式中，則得出在這個的區域內進行人工降雨所需要的彈藥數為5.3枚，也就是說最多需要6枚彈藥進行發射，就可以達到較佳的降雨效果。但在實際操作中，應根據時間段的不同，來判斷云層內的含水量和云層的高度，因此在進行人工降雨的時候要根據云層的發展來進行作業，這樣可以借助自然的力量使冰核進入最好的撒播環境，減少用彈量，使增雨效率達到最佳的性價比。

3 結語

加強多普勒雷達資料的分析和總結，對提高人工增雨的效率起到了很大作用。當回波強度達到30～50dBz，伸展高度達到8km，入流速度和出流速度中心值達到15m/s，垂直累積液態含水量在15kg/m2以上，是開展人工增雨的最佳時機；氣象雷達探測系統在人工影響天氣過程中運用非常廣泛，所需要的彈藥數要通過雷達進行測量作業區域的體積、水含量，再根據云層的發展來計算催化劑濃度，這樣可以利用最好的自然撒播環境，減少用彈量，是提高增雨效率性價比的重要環節。

參考文獻

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