2022年3月31日務川縣地面火箭人工增雨作業效果分析

高建飛，李 霞，熊 凱，吳新星，王立斌，劉曉倩

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

我國主要的人工影響天氣效果檢驗有物理檢驗、統計檢驗和數值模擬檢驗3種，分析手段基于統計檢驗，即非隨機化實驗中的序列試驗、區域對比試驗、區域歷史回歸試驗等方法。區域對比試驗的效果檢驗與評估是假設試驗期雨量的空間分布是均勻的，將對比區雨量作為影響區自然雨量的估算值，關鍵問題是在作業區自然雨量的估計上，即對比區的選擇。

新一代天氣雷達每6 min完成1個體積掃描資料,可提供雷達回波的分布、強度和垂直結構等回波信息,國內有很多學者對此進行了研究，如李紅斌等開展了火箭人工增雨作業核心技術方法及雷達物理效果檢驗分析[1-2]。唐仁茂等[3]通過建立目標云作業前、后雷達回波參量演變，或目標云與對比云的參量的差異來分析增雨催化效果。鐘小英[4]采用統計學方法和雷達產品物理檢驗對增雨效果進行分析。孫旭映等[5]探討了目標云作業前、后較對比云雷達回波有關參數的顯著變化，并結合地面雨量點觀測資料對火箭增雨作業效果進行了初步分析。當前，國內一致認為人工增雨效果應采用地面降雨量的統計分析和對云中物理在催化后應出現的物理過程與參量變化的物理檢驗相結合的綜合評價方法[6-9]。根據這一理論分析了2022年3月31日務川縣一次火箭增雨作業的效果。

1 資料與方法

2022年3月31日增雨作業前、后影響區和對比區內氣象站逐分鐘雨量資料，以及務川新一代雙偏振多普勒天氣雷達提供的反射率因子、差分相移率和回波頂高等產品以及天氣圖資料等。

效果分析方法是基于統計檢驗的區域對比試驗。假設試驗期影響區和對比區天氣是連續的，降水系統處于同一發展階段，雨區移動具有方向性，地形條件相似，將對比區雨量作為影響區自然雨量的估計值，并采用區域趨勢對比分析法，計算作業時段影響區與對比區雨量的比值和作業前期2個區域雨量的比值，并進一步由這2比值的比率來評估作業的正、負效果見公式（1）[10-11]。影響區選在開展人工增雨的區域，對比區選擇在不受催化影響的位置。作業增雨值所取的變化時間，根據作業實際取作業前、后3 h內雨量變化值進行統計對比。將影響區和對比區的雨量按E=y1（作業后3 h的雨量）-y0（作業前3 h雨量）計算；作業效果值P、作業增雨值W按以下公式計算:

P＞1為正效果，P＜1為負效果。

式（1）（2）中，n表示影響區自動站數，En表示影響區各自動站雨量變化值，單位：mm，下同。m表示對比區自動站數，Em表示對比區各自動站雨量變化值。

式（3）中，△R為作業后影響區總雨量增值，單位：m3；S為影響區面積，單位km2；Rn為作業后影響區在時間△T內的雨量平均值（mm）；Rm為作業后對比區在時間△T內的雨量平均值（mm）。作業后影響時間△T，取3 h。（Rn－Rm）/Rm為相對增雨。

2 天氣形勢分析

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

3 作業效果分析

3.1 雨量效果分析

務川縣人工影響天氣服務中心根據回波發展演變動態，及時在務川縣大坪作業點開展了火箭增雨作業。本次作業時段為31日00:25～00:26，火箭發射架1部次、發射火箭彈2枚。作業高度在5 000 m左右，射擊仰角為60°～70°。

增雨作業區上空盛行西南風，在影響區北面選取對比區，考慮作業“下風效應”，影響區選取為作業點及下風方面積約95 km2的區域（圖1）。該區域有3個氣象站：大坪、紅絲和焦壩。考慮不能受催化影響等諸多因素，對比區選擇鎮南、茅天和硯山3個氣象站所在的位置，面積約93 km2；2個區的最近距離均在10 km以上，且均為西南—東北向，在天氣系統的移動路徑上，影響區與作業區的回波在作業前處于大致相同的發展時期，且兩者作業前3 h的累計雨量量級上大致相同，影響區為8.8 mm、對比區為9.5 mm。從影響區和對比區作業前、后時段內累計雨量統計來看（圖2），影響區作業后累計雨量明顯高于作業前；在作業云團的移動路徑上，影響區作業點下風方的紅絲和蕉壩作業后累計雨量明顯增加，下風效應明顯。而對比區在對應時段雨量較均等，空間分布較均勻，驗證影響區和對比區的選取具有一定的合理性。

圖1 作業前00:20影響區與對比區回波強度

圖2 影響區與對比區作業前、后累計雨量

影響區、對比區同一時段內3 h雨量實況為：影響區平均降雨量11.0 mm，對比區平均降雨量9.3 mm；作業效果值為1.28，正效果；作業增雨值為2.4 mm，相對增雨18.3%,總雨量增值約161 500 m3。

3.2 雷達產品效果分析

3.2.1 雷達回波參數變化由圖1可知，31日00:20（作業前），雷達顯示大坪東北方向出現比較適宜開展增雨作業的降水回波，回波由西南向東北方向移動，強度為30～35 dBz，回波頂高為3～4 km。00:23～00:25在大坪作業點向東北方向射擊，沿著風暴移動路徑（A7，圖3），作業后混合云系發展加強，并向東北方向移動，強度在00:37時達到最強的40～47 dBz，回波頂高大幅度躍升，最高達到7.5 km。在作業后0.5°仰角的KDP（差分相移率）產品反映降水強度。圖上對應出現一個強值區，反映作業后降水強度得到大幅增強，與之對應的大坪站10 min（00:29～00:39）雨量速率達到最大的1.9 mm/10 min。

圖3 增雨作業前（00:20）、后（00:37）大坪作業點回波反射率（a）、差分相移率（b）演變圖

3.2.2 最大反射率因子的對比分析圖4為影響區和對比區的0.5°仰角的最大反射率因子隨時間的變化，作業前00:09～00:22,影響區最大反射率因子變化總體呈減小趨勢，對比區是增加的，但在作業后2～13 min, 即00:26～00:37,影響區的最大基本反射率從33 dBz增加至46.5 dBz, 出現躍升并且增長幅度更加明顯，達到并維持最大強度的時間比對比區云長、增率高，說明催化產生了一定的正效果。低層反射率因子增強說明有大量降水粒子降落接地；而這一時段對比區的最大反射率因子變化相對比較穩定，從累計雨量來看作業點大坪00:26～01:00累計雨量達到4.2 mm，對比區對應分鐘雨量僅為2.4 mm。從作業前、后趨勢線來看，影響區最大反射率因子斜率更高，回波強度變化更明顯，反映隨時間增長的趨勢更明顯。

圖4 影響區、對比區最大反射率因子隨時間的變化與作業點大坪站6 min雨量曲線（箭頭所指為作業時刻）

3.2.3 回波頂高的對比分析從作業前、后回波頂高的演變情況（圖5）來看，作業前影響區雨對比區的回波頂高基本相當，在7 km左右，作業后2個區的云頂高度均逐漸上升，影響區00:48～00:53 達最大值9.3 km，對比區在00:37達到最高，只有8.3 km。影響區作業后00:26～01:04內云頂高度維持在8 km以上，之后由于強降水產生，能量逐步釋放，云頂高度下降至7 km以下。對比區的回波頂高幾乎沒有超過8 km，與對比區相比，催化作業使催化云發展得更高，延長了生命期，云降水時間更長，降水強度更大，這一趨勢與地面降雨量有較好的對應關系。

圖5 影響區、對比區回波頂高隨時間的變化曲線

4 結論

（1）采用3 h雨量進行增雨作業效果評估，估算作業效果值為1.28，正效果，作業增雨值為2.4 mm；相對增雨18.3%，總雨量增值161 500 m3，驗證增雨作業后產生了較為明顯的效果。

（2）作業后，影響區回波強度、回波頂高、差分相移率等均增長，10～20 min后都達到最強，同時雷達產品物理檢驗和雨量資料分析對應一致，且對比區增大率比影響區低，說明催化促進了目標云體中對流的發展，證明了增雨催化效果明顯。

（3）本次增雨作業的目的是抗旱減災，而不是科研的增雨實驗，在影響區和對比區的選擇上具有主觀性，因此評估結果存在一定的誤差，但從降雨量級、雷達產品來看，本次作業取得了較好的效果。

（4）針對一次增雨作業進行效果分析，樣本量、作業次數、用彈量均較少；個例存在局限性，甚至受到空域申請等客觀因素的限制；無法在最優的時空點上作業，因此后續要不斷積累增雨試驗，更多的實踐以獲取更多的樣本數據，使人工增雨效果分析更趨合理和完善。