2022年3月31日務(wù)川縣地面火箭人工增雨作業(yè)效果分析

高建飛，李 霞，熊 凱，吳新星，王立斌，劉曉倩

1.務(wù)川仡佬族苗族自治縣氣象局，貴州務(wù)川 564300；2.遵義市氣象局，貴州遵義 563000

我國(guó)主要的人工影響天氣效果檢驗(yàn)有物理檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和數(shù)值模擬檢驗(yàn)3種，分析手段基于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，即非隨機(jī)化實(shí)驗(yàn)中的序列試驗(yàn)、區(qū)域?qū)Ρ仍囼?yàn)、區(qū)域歷史回歸試驗(yàn)等方法。區(qū)域?qū)Ρ仍囼?yàn)的效果檢驗(yàn)與評(píng)估是假設(shè)試驗(yàn)期雨量的空間分布是均勻的，將對(duì)比區(qū)雨量作為影響區(qū)自然雨量的估算值，關(guān)鍵問(wèn)題是在作業(yè)區(qū)自然雨量的估計(jì)上，即對(duì)比區(qū)的選擇。

新一代天氣雷達(dá)每6 min完成1個(gè)體積掃描資料,可提供雷達(dá)回波的分布、強(qiáng)度和垂直結(jié)構(gòu)等回波信息,國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，如李紅斌等開展了火箭人工增雨作業(yè)核心技術(shù)方法及雷達(dá)物理效果檢驗(yàn)分析[1-2]。唐仁茂等[3]通過(guò)建立目標(biāo)云作業(yè)前、后雷達(dá)回波參量演變，或目標(biāo)云與對(duì)比云的參量的差異來(lái)分析增雨催化效果。鐘小英[4]采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和雷達(dá)產(chǎn)品物理檢驗(yàn)對(duì)增雨效果進(jìn)行分析。孫旭映等[5]探討了目標(biāo)云作業(yè)前、后較對(duì)比云雷達(dá)回波有關(guān)參數(shù)的顯著變化，并結(jié)合地面雨量點(diǎn)觀測(cè)資料對(duì)火箭增雨作業(yè)效果進(jìn)行了初步分析。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)一致認(rèn)為人工增雨效果應(yīng)采用地面降雨量的統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)云中物理在催化后應(yīng)出現(xiàn)的物理過(guò)程與參量變化的物理檢驗(yàn)相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法[6-9]。根據(jù)這一理論分析了2022年3月31日務(wù)川縣一次火箭增雨作業(yè)的效果。

1 資料與方法

2022年3月31日增雨作業(yè)前、后影響區(qū)和對(duì)比區(qū)內(nèi)氣象站逐分鐘雨量資料，以及務(wù)川新一代雙偏振多普勒天氣雷達(dá)提供的反射率因子、差分相移率和回波頂高等產(chǎn)品以及天氣圖資料等。

效果分析方法是基于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的區(qū)域?qū)Ρ仍囼?yàn)。假設(shè)試驗(yàn)期影響區(qū)和對(duì)比區(qū)天氣是連續(xù)的，降水系統(tǒng)處于同一發(fā)展階段，雨區(qū)移動(dòng)具有方向性，地形條件相似，將對(duì)比區(qū)雨量作為影響區(qū)自然雨量的估計(jì)值，并采用區(qū)域趨勢(shì)對(duì)比分析法，計(jì)算作業(yè)時(shí)段影響區(qū)與對(duì)比區(qū)雨量的比值和作業(yè)前期2個(gè)區(qū)域雨量的比值，并進(jìn)一步由這2比值的比率來(lái)評(píng)估作業(yè)的正、負(fù)效果見公式（1）[10-11]。影響區(qū)選在開展人工增雨的區(qū)域，對(duì)比區(qū)選擇在不受催化影響的位置。作業(yè)增雨值所取的變化時(shí)間，根據(jù)作業(yè)實(shí)際取作業(yè)前、后3 h內(nèi)雨量變化值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比。將影響區(qū)和對(duì)比區(qū)的雨量按E=y1（作業(yè)后3 h的雨量）-y0（作業(yè)前3 h雨量）計(jì)算；作業(yè)效果值P、作業(yè)增雨值W按以下公式計(jì)算:

P＞1為正效果，P＜1為負(fù)效果。

式（1）（2）中，n表示影響區(qū)自動(dòng)站數(shù)，En表示影響區(qū)各自動(dòng)站雨量變化值，單位：mm，下同。m表示對(duì)比區(qū)自動(dòng)站數(shù)，Em表示對(duì)比區(qū)各自動(dòng)站雨量變化值。

式（3）中，△R為作業(yè)后影響區(qū)總雨量增值，單位：m3；S為影響區(qū)面積，單位km2；Rn為作業(yè)后影響區(qū)在時(shí)間△T內(nèi)的雨量平均值（mm）；Rm為作業(yè)后對(duì)比區(qū)在時(shí)間△T內(nèi)的雨量平均值（mm）。作業(yè)后影響時(shí)間△T，取3 h。（Rn－Rm）/Rm為相對(duì)增雨。

2 天氣形勢(shì)分析

3月30日20;00 500 hPa橫槽開始轉(zhuǎn)豎，務(wù)川縣位于500 hPa高原槽前、700 hPa低渦切變右前方的上升氣流區(qū)，850 hPa切變線已經(jīng)南壓，務(wù)川縣受500 hPa槽后部偏東回流影響，在溫度場(chǎng)上有明顯的東路冷平流存在，地面鋒面西進(jìn)至省中部以東。因此，本次降雨為鋒后冷空氣補(bǔ)充型穩(wěn)定性降水，500 hPa高原槽和地面鋒面的增強(qiáng)提供了有利的動(dòng)力抬升條件，配合良好的水汽條件，有利于低質(zhì)心降水云團(tuán)的生成，具備人工增雨作業(yè)天氣條件。

3 作業(yè)效果分析

3.1 雨量效果分析

務(wù)川縣人工影響天氣服務(wù)中心根據(jù)回波發(fā)展演變動(dòng)態(tài)，及時(shí)在務(wù)川縣大坪作業(yè)點(diǎn)開展了火箭增雨作業(yè)。本次作業(yè)時(shí)段為31日00:25～00:26，火箭發(fā)射架1部次、發(fā)射火箭彈2枚。作業(yè)高度在5 000 m左右，射擊仰角為60°～70°。

增雨作業(yè)區(qū)上空盛行西南風(fēng)，在影響區(qū)北面選取對(duì)比區(qū)，考慮作業(yè)“下風(fēng)效應(yīng)”，影響區(qū)選取為作業(yè)點(diǎn)及下風(fēng)方面積約95 km2的區(qū)域（圖1）。該區(qū)域有3個(gè)氣象站：大坪、紅絲和焦壩。考慮不能受催化影響等諸多因素，對(duì)比區(qū)選擇鎮(zhèn)南、茅天和硯山3個(gè)氣象站所在的位置，面積約93 km2；2個(gè)區(qū)的最近距離均在10 km以上，且均為西南—東北向，在天氣系統(tǒng)的移動(dòng)路徑上，影響區(qū)與作業(yè)區(qū)的回波在作業(yè)前處于大致相同的發(fā)展時(shí)期，且兩者作業(yè)前3 h的累計(jì)雨量量級(jí)上大致相同，影響區(qū)為8.8 mm、對(duì)比區(qū)為9.5 mm。從影響區(qū)和對(duì)比區(qū)作業(yè)前、后時(shí)段內(nèi)累計(jì)雨量統(tǒng)計(jì)來(lái)看（圖2），影響區(qū)作業(yè)后累計(jì)雨量明顯高于作業(yè)前；在作業(yè)云團(tuán)的移動(dòng)路徑上，影響區(qū)作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)方的紅絲和蕉壩作業(yè)后累計(jì)雨量明顯增加，下風(fēng)效應(yīng)明顯。而對(duì)比區(qū)在對(duì)應(yīng)時(shí)段雨量較均等，空間分布較均勻，驗(yàn)證影響區(qū)和對(duì)比區(qū)的選取具有一定的合理性。

圖1 作業(yè)前00:20影響區(qū)與對(duì)比區(qū)回波強(qiáng)度

圖2 影響區(qū)與對(duì)比區(qū)作業(yè)前、后累計(jì)雨量

影響區(qū)、對(duì)比區(qū)同一時(shí)段內(nèi)3 h雨量實(shí)況為：影響區(qū)平均降雨量11.0 mm，對(duì)比區(qū)平均降雨量9.3 mm；作業(yè)效果值為1.28，正效果；作業(yè)增雨值為2.4 mm，相對(duì)增雨18.3%,總雨量增值約161 500 m3。

3.2 雷達(dá)產(chǎn)品效果分析

3.2.1 雷達(dá)回波參數(shù)變化由圖1可知，31日00:20（作業(yè)前），雷達(dá)顯示大坪東北方向出現(xiàn)比較適宜開展增雨作業(yè)的降水回波，回波由西南向東北方向移動(dòng)，強(qiáng)度為30～35 dBz，回波頂高為3～4 km。00:23～00:25在大坪作業(yè)點(diǎn)向東北方向射擊，沿著風(fēng)暴移動(dòng)路徑（A7，圖3），作業(yè)后混合云系發(fā)展加強(qiáng)，并向東北方向移動(dòng)，強(qiáng)度在00:37時(shí)達(dá)到最強(qiáng)的40～47 dBz，回波頂高大幅度躍升，最高達(dá)到7.5 km。在作業(yè)后0.5°仰角的KDP（差分相移率）產(chǎn)品反映降水強(qiáng)度。圖上對(duì)應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)值區(qū)，反映作業(yè)后降水強(qiáng)度得到大幅增強(qiáng)，與之對(duì)應(yīng)的大坪站10 min（00:29～00:39）雨量速率達(dá)到最大的1.9 mm/10 min。

圖3 增雨作業(yè)前（00:20）、后（00:37）大坪作業(yè)點(diǎn)回波反射率（a）、差分相移率（b）演變圖

3.2.2 最大反射率因子的對(duì)比分析圖4為影響區(qū)和對(duì)比區(qū)的0.5°仰角的最大反射率因子隨時(shí)間的變化，作業(yè)前00:09～00:22,影響區(qū)最大反射率因子變化總體呈減小趨勢(shì)，對(duì)比區(qū)是增加的，但在作業(yè)后2～13 min, 即00:26～00:37,影響區(qū)的最大基本反射率從33 dBz增加至46.5 dBz, 出現(xiàn)躍升并且增長(zhǎng)幅度更加明顯，達(dá)到并維持最大強(qiáng)度的時(shí)間比對(duì)比區(qū)云長(zhǎng)、增率高，說(shuō)明催化產(chǎn)生了一定的正效果。低層反射率因子增強(qiáng)說(shuō)明有大量降水粒子降落接地；而這一時(shí)段對(duì)比區(qū)的最大反射率因子變化相對(duì)比較穩(wěn)定，從累計(jì)雨量來(lái)看作業(yè)點(diǎn)大坪00:26～01:00累計(jì)雨量達(dá)到4.2 mm，對(duì)比區(qū)對(duì)應(yīng)分鐘雨量?jī)H為2.4 mm。從作業(yè)前、后趨勢(shì)線來(lái)看，影響區(qū)最大反射率因子斜率更高，回波強(qiáng)度變化更明顯，反映隨時(shí)間增長(zhǎng)的趨勢(shì)更明顯。

圖4 影響區(qū)、對(duì)比區(qū)最大反射率因子隨時(shí)間的變化與作業(yè)點(diǎn)大坪站6 min雨量曲線（箭頭所指為作業(yè)時(shí)刻）

3.2.3 回波頂高的對(duì)比分析從作業(yè)前、后回波頂高的演變情況（圖5）來(lái)看，作業(yè)前影響區(qū)雨對(duì)比區(qū)的回波頂高基本相當(dāng)，在7 km左右，作業(yè)后2個(gè)區(qū)的云頂高度均逐漸上升，影響區(qū)00:48～00:53 達(dá)最大值9.3 km，對(duì)比區(qū)在00:37達(dá)到最高，只有8.3 km。影響區(qū)作業(yè)后00:26～01:04內(nèi)云頂高度維持在8 km以上，之后由于強(qiáng)降水產(chǎn)生，能量逐步釋放，云頂高度下降至7 km以下。對(duì)比區(qū)的回波頂高幾乎沒(méi)有超過(guò)8 km，與對(duì)比區(qū)相比，催化作業(yè)使催化云發(fā)展得更高，延長(zhǎng)了生命期，云降水時(shí)間更長(zhǎng)，降水強(qiáng)度更大，這一趨勢(shì)與地面降雨量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 影響區(qū)、對(duì)比區(qū)回波頂高隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

（1）采用3 h雨量進(jìn)行增雨作業(yè)效果評(píng)估，估算作業(yè)效果值為1.28，正效果，作業(yè)增雨值為2.4 mm；相對(duì)增雨18.3%，總雨量增值161 500 m3，驗(yàn)證增雨作業(yè)后產(chǎn)生了較為明顯的效果。

（2）作業(yè)后，影響區(qū)回波強(qiáng)度、回波頂高、差分相移率等均增長(zhǎng)，10～20 min后都達(dá)到最強(qiáng)，同時(shí)雷達(dá)產(chǎn)品物理檢驗(yàn)和雨量資料分析對(duì)應(yīng)一致，且對(duì)比區(qū)增大率比影響區(qū)低，說(shuō)明催化促進(jìn)了目標(biāo)云體中對(duì)流的發(fā)展，證明了增雨催化效果明顯。

（3）本次增雨作業(yè)的目的是抗旱減災(zāi)，而不是科研的增雨實(shí)驗(yàn)，在影響區(qū)和對(duì)比區(qū)的選擇上具有主觀性，因此評(píng)估結(jié)果存在一定的誤差，但從降雨量級(jí)、雷達(dá)產(chǎn)品來(lái)看，本次作業(yè)取得了較好的效果。

（4）針對(duì)一次增雨作業(yè)進(jìn)行效果分析，樣本量、作業(yè)次數(shù)、用彈量均較少；個(gè)例存在局限性，甚至受到空域申請(qǐng)等客觀因素的限制；無(wú)法在最優(yōu)的時(shí)空點(diǎn)上作業(yè)，因此后續(xù)要不斷積累增雨試驗(yàn)，更多的實(shí)踐以獲取更多的樣本數(shù)據(jù)，使人工增雨效果分析更趨合理和完善。