雷達(dá)和GPS水汽資料在人工增雨指標(biāo)中的應(yīng)用

孫莉娟　徐陽　魯?shù)陆稹≈烀骷?/p>

摘要 ? ?利用雷達(dá)、GPS大氣可降水量等綜合分析了云物理特征參數(shù)在一次對流降水中實施人工增雨的指標(biāo)，根據(jù)對流過程的演變，將其細(xì)分為生成、發(fā)展、成熟、減弱、消亡5個階段來分析各物理參數(shù)的變化特征。結(jié)果表明，GPS大氣可降水量對降水的產(chǎn)生有較好的指示作用;組合反射率、回波頂高、垂直積分液體水含量與降水相關(guān)性好，能表示對流云總體發(fā)展情況;成熟階段是實施人工增雨的最佳時段。

關(guān)鍵詞 ? ?人工增雨;雷達(dá);GPS大氣可降水量

中圖分類號 ? ?P481 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）16-0160-03

安徽省為農(nóng)業(yè)大省，夏季對降水的需求旺盛，開展人工增雨是開發(fā)大氣水資源、改善當(dāng)?shù)厮Y源狀況的一項重要措施。

近年來，各省在人工增雨外場作業(yè)中不斷探索，試圖構(gòu)建適合各省的作業(yè)條件和作業(yè)時機(jī)的判斷指標(biāo)。雷達(dá)可探測對流云回波變化的高時空分辨率特性，對外場人工增雨作業(yè)有指導(dǎo)性[1-2]。20世紀(jì)90年代河南、河北兩省就開始探索層狀云的人工催化條件[3-4];王吉宏等[5]用沈陽棋盤山新一代天氣雷達(dá)探測分析了2004—2006年在遼寧中西部地區(qū)進(jìn)行的人工增雨作業(yè)及降水的雷達(dá)回波特征，初步總結(jié)出對積層混合云實施人工增雨作業(yè)的雷達(dá)判別指標(biāo)。唐 ?林等[6]以湖南主要人工增雨積云和積層混合云為研究對象，得出湖南的人工增雨指標(biāo)和評分規(guī)則，并建立地面人工增雨多普勒天氣雷達(dá)指揮系統(tǒng)。伍志方等[7]利用廣東省新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品分析了春季廣東中北部有利于降水的天氣條件，并舉例說明新一代天氣雷達(dá)各種產(chǎn)品在人工增雨作業(yè)中的綜合應(yīng)用。郭 ?艷等[8]總結(jié)了江西2007—2008年人工增雨作業(yè)條件的多普勒天氣雷達(dá)參數(shù)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上建立了人工增雨作業(yè)條件判別方程。安徽省在人工影響天氣作業(yè)條件分析判斷方面也進(jìn)行了初步探索，蔣年沖等[9]探討了安徽省夏季不同類型降水系統(tǒng)中對流性降水云的結(jié)構(gòu)、降水形成機(jī)制，旨在為進(jìn)一步研究安徽省人工影響天氣提供技術(shù)途徑。

有研究指出，GPS信號的分析可直接得到大氣水汽含量的變化，對判斷增雨作業(yè)時機(jī)有很好的指導(dǎo)性。袁 ?野等[10]、王明明等[11]研究發(fā)現(xiàn)，地面降水與云液態(tài)水含量隨時間的分布對應(yīng)較好，在地面降水出現(xiàn)前，云液態(tài)水含量有躍增現(xiàn)象，利用這種現(xiàn)象可判斷此時段云系正處于發(fā)展階段，由此可應(yīng)用于人工增雨作業(yè)條件的判別。

基于目前研究的現(xiàn)狀，本文綜合雷達(dá)、GPS大氣可降水量和地面降水觀測資料，針對2018年的一次對流降水過程，分析雷達(dá)參數(shù)、GPS大氣可降水量與降水的關(guān)系，嘗試建立識別增雨作業(yè)時機(jī)的參數(shù)指標(biāo)。

1 ? ?資料選取

選用的資料有合肥市地面觀測站降水資料、安慶探空站資料、合肥站地基GPS大氣可降水量（PWV）。選用2018年8月7日安徽省內(nèi)安慶、蚌埠、阜陽、合肥、黃山共5市的S波段雷達(dá)資料，SWAN系統(tǒng)能集合多部雷達(dá)數(shù)據(jù)，反演生成多種基本產(chǎn)品，包括三維拼圖雷達(dá)產(chǎn)品、組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量等。天氣形勢分析資料取自MICAPS系統(tǒng)生成的相關(guān)產(chǎn)品。

2 ? ?天氣形勢

2018年8月7日合肥市及周邊地區(qū)出現(xiàn)一次短時對流降水過程，降水從8月7日11：58開始，于17：00左右結(jié)束，強(qiáng)降水中心主要集中在合肥市東北部長豐縣和肥東縣一帶，6 h累計雨量有10個站超過5 mm，最大降水量達(dá)到51.5 mm，出現(xiàn)在白龍鎮(zhèn)（圖1）。此次降水過程具有歷時短、降水強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特征。7日8：00 500 hPa（圖2）上安徽省處于副高控制下，周圍多短波槽，安徽區(qū)域水汽含量豐富。安慶探空顯示大氣層結(jié)不穩(wěn)定，CAPE為2 564 J/kg，底層風(fēng)切變強(qiáng)，700 hPa低層為西南風(fēng)，高層為東南風(fēng)。

對流云11：00生成于合肥東部（圖3a），對流回波迅速發(fā)展壯大（圖3b），并在移動過程中逐漸形成東南—西北走向的對流回波（圖3c）。在移動過程中逐漸增強(qiáng)，在14：50對流強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，基本反射率最大達(dá)到55 dBZ。在移動過程中有對流單體的生成和合并發(fā)展，14：00左右在巢湖市有新的對流單體產(chǎn)生，與原減弱的對流云合并后（圖3d），持續(xù)發(fā)展一段時間，15：53在巢湖市消亡（圖3e）。

3 ? ?基于PGS/PWV的判別指標(biāo)

GPS大氣可降水量（PWV）與天氣系統(tǒng)的演變存在密切關(guān)系，其引發(fā)的降水等天氣過程一般都對應(yīng)著水汽總量的顯著變化。由圖4可以看出，降水發(fā)生前，大氣可降水量PWV呈遞增的趨勢，大氣中水汽含量不斷增加，有利于水汽的積累，為降水提供有利的水汽條件。8月7日7：00 PWV值達(dá)到52.5 mm。合肥12：00左右開始出現(xiàn)降水，降水期間PWV保持減少趨勢，但減少幅度比較小，PWV值在50 mm左右，降水在17：00左右結(jié)束，18：00 PWV值急速下降到46 mm。降水往往隨即出現(xiàn)在大氣可降水量的急速增加之后，降水發(fā)生后，水汽含量呈緩慢下降趨勢，降水過程結(jié)束后，水汽含量迅速下降。PWV的減小預(yù)示降水過程的結(jié)束，降水過程與PWV峰值區(qū)對應(yīng)較好，PWV的躍增對開展人工增雨時機(jī)有一定指示作用。

4 ? ?基于雷達(dá)資料的判別指標(biāo)

雷達(dá)可探測對流云回波變化的高時空分辨率特性，分析2018年8月7日雷達(dá)產(chǎn)品與降水的關(guān)系。雷達(dá)參數(shù)包括回波頂高、18.5 dBZ云體積、30 dBZ云體積、冷層厚度、平均反射率、最大反射率、最大反射率高度和垂直積分液態(tài)水含量。各參數(shù)定義如下。①回波頂高：每個庫上回波強(qiáng)度大于18.5 dBZ的最大高度。②面積：SWAN拼圖數(shù)據(jù)格點大小為0.01經(jīng)度×0.01緯度，其面積隨緯度的變化有所變化，33°N的格點面積大小約為1.03 km2，所以計算段的面積時，將每個格點的面積近似為1 km2，所以段的長度即為面積。③冷層厚度：由風(fēng)暴的二維分量計算風(fēng)暴覆蓋下的最大回波頂高，與零度層的高度差即為冷層厚度。④最大反射率：每個庫上對所有垂直高度層的反射率進(jìn)行比較，選擇最大的反射率值，即組合反射率。⑤垂直積分液態(tài)含水量：降水云體在某一確定底面積垂直柱體內(nèi)降水粒子總量折合成水的分布。

此外，雨量站為合自動雨量站分鐘降水，SWAN三維拼圖雷達(dá)資料時間間隔為6 min，為了與拼圖資料時間一致，需要將分鐘雨量資料統(tǒng)計為拼圖資料體掃開始時間至結(jié)束時間對應(yīng)的6 min累計降水量。

回波頂高、18.5 dBZ云體積、30 dBZ云體積、冷層厚度、平均反射率、組合反射率、最大反射率高度、垂直積分液態(tài)水含量等物量參量與雨強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.292 328、0.287 931 448、0.058 575 923、0.433 526、0.278 777、0.433 171 12、0.331 507 765、0.352 42。

可以看出，回波頂高、冷層厚度、組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量與降水的相關(guān)性較好。回波頂高能代表云中過冷水含量;組合反射率表示對流云發(fā)展強(qiáng)度的狀態(tài)，垂直積分液體水含量是判別強(qiáng)降水及其降水潛力的有效參量，故選擇回波頂高、組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量來表示對流云總體發(fā)展情況。

為分析出適合作業(yè)的最佳時段，基于目前的研究和本次對流過程的發(fā)展演變，將整個對流過程細(xì)分為生成、發(fā)展、成熟、減弱和消散5個階段，不同階段組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量的回波參數(shù)特征如表1所示。

發(fā)展階段，組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含量值比較低，組合反射率低于30 dBZ，回波頂高小于4 km，垂直積分液態(tài)水含量小于1 kg/m2。當(dāng)對流快速發(fā)展進(jìn)入發(fā)展階段時，回波強(qiáng)度迅速增大到30 dBZ以上，回波頂高能達(dá)到6 km，液態(tài)含水量也變得豐富。回波增加速度很快，進(jìn)入成熟階段后，組合反射率最大能達(dá)到55 dBZ，回波頂高最高能發(fā)展到14 km，液態(tài)水含量也非常豐富，能達(dá)到20 kg/m2。持續(xù)40 min后，對流云開始減弱，組合反射率變?nèi)酰夭ǜ叨冉档停簯B(tài)水含量顯著減少，直至整個對流消散結(jié)束。

對流降水過程局地性比較強(qiáng)，持續(xù)時間短，一般對流云降水從生長—發(fā)展—成熟—減弱—消散整個過程生命期在 30～240 min范圍內(nèi)。對流云系主要有多單體合并對流云與單體對流云，多單體對流云在生命史、回波高度、強(qiáng)度、尺度等方便都超過單體對流云，同時液態(tài)水含量和自然降水效率都比單體對流云大。本次對流過程為多單體合并對流云降水過程，綜合各參數(shù)在對流過程中的演變指標(biāo)，選擇成熟階段進(jìn)行人工增雨作業(yè)效果較好。

5 ? ?結(jié)論與討論

通過分析GPS大氣可降水量、雷達(dá)參數(shù)與降水的關(guān)系，初步建立了識別增雨作業(yè)時機(jī)的參數(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，降水開始前PWV的躍增對開展人工增雨有一定指示作用。雷達(dá)參數(shù)回波頂高、組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量與降水的相關(guān)性好，可表示對流云總體發(fā)展情況。根據(jù)本次對流過程的發(fā)展演變，將整個對流過程細(xì)分為生成、發(fā)展、成熟、減弱和消散5個階段，成熟階段是適合開展人工增雨作業(yè)時段。安徽省對流過程中實施人工增雨的雷達(dá)指標(biāo)：組合反射率發(fā)展到40 dBZ以上，回波頂高達(dá)到6 km，垂直積分液態(tài)水含量達(dá)到20 kg/m2。

本研究嘗試將GPS大氣可降水量和雷達(dá)參數(shù)應(yīng)用于安徽省人工增雨條件和時段的判別研究中，對指導(dǎo)外場人工增雨業(yè)務(wù)更加準(zhǔn)確直接，可有效提高人工增雨的效率，對安徽省人工增雨有重要的意義，但本研究結(jié)果僅為一次天氣過程的分析結(jié)果，后續(xù)將積累大量安徽省對流過程的統(tǒng)計分析，以期給出具有統(tǒng)計意義的判據(jù)指標(biāo)。

6 ? ?參考文獻(xiàn)

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基金項目 ? 安徽省氣象局新技術(shù)集成項目（AHXJ201706）。

作者簡介 ? 孫莉娟（1988-），女，江蘇泰州人，工程師，從事人工影響天氣綜合業(yè)務(wù)、農(nóng)業(yè)氣象的研究工作。

收稿日期 ? 2020-07-03