務川一次人工增雨作業效果分析評估

摘" 要：利用地面自動氣象站、雙偏振多普勒天氣雷達等觀測資料，對2022年7月17日務川縣一次火箭增雨作業效果進行統計檢驗和物理檢驗。通過對影響區和對比區作業前后雨量及雷達參量的演變差異，完整分析此次人工增雨作業的催化效果。結果表明，此次增雨效果顯著，區域對比分析通過0.1的顯著性檢驗，絕對增雨量為12.1 mm，相對增雨率為30.3％，總雨量增值達774 400 m3；催化效果在作業后15 min起到效果，影響區強回波迅速生成發展，并在1 h左右貝吉龍效應達到最強，強回波區面積、液態水含量躍升變率及高值區占比、冰粒子尺度和數量等參量均大于對比區，人工增雨催化作用能夠被觀測的物理效應所證實，為務川縣人工增雨保障氣象服務的順利開展積累經驗。

關鍵詞：地面火箭；增雨作業；效果分析；天氣雷達；自動氣象站

中圖分類號：P481" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0101-05

Abstract： Based on the observation data of ground automatic weather station and dual polarization Doppler weather radar， statistical and physical tests were carried out on a rocket rain enhancement operation in Wuchuan County on July 17， 2022. Through the evolution differences of rainfall and radar parameters before and after the operation in the affected area and the control area， the catalytic effect of this artificial precipitation enhancement operation is analyzed completely. The results show that the effect of rain enhancement is remarkable. The regional contrast analysis has passed the significance test of 0.1. The absolute rainfall increase is 12.1 mm， the relative rainfall increase rate is 30.3%， and the total rainfall increment reaches 774 400m3. The catalytic effect was effective in 15 min after operation， and the strong echo in the affected zone was generated and developed rapidly， and the Bergeron Effect reached the strongest in about 1 hour. The strong echo area， the jump rate of liquid water content and the proportion of high value region， the size and quantity of ice particles and other parameters were larger than those in the control area. The catalysis of artificial precipitation enhancement can be confirmed by the observed physical effects， which accumulates experience for the smooth development of meteorological services in wuchuan county.

Keywords： ground rocket; rain enhancement operation; effect analysis; weather radar; automatic weather station

2022年7—9月務川縣遭遇1961年有氣象記錄以來最嚴重的高溫少雨天氣及氣象干旱，降水嚴重偏少，其中7月僅出現2次降雨，月平均累計降水量僅68.2 mm，比歷史同期少63%；通過及時開展人工增雨保障氣象服務，有力緩解了旱情，取得了較好的經濟及社會效益。將務川新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達可測定降水粒子相態分類、垂直累積液態含水量等物理量的探測優勢與車載火箭移動便捷、成核率高的特點相結合，有效提高人工增雨效率的同時，客觀、科學地對人工增雨的效果進行評估，總結作業全鏈條、全流程的經驗和教訓。因此，人工增雨效果評估檢驗是一個非常重要的環節，也具有高度的不確定性和復雜性[1]。王婉等[2]采用非隨機化試驗利用統計的方法進行效果評估，現有的非隨機化試驗方案有序列試驗、區域對比試驗、區域歷史回歸試驗和區域趨勢雙比分析方案等。葉家東[3]指出，在結合抗旱開展的作業性試驗中回歸試驗仍是一種可行的方法，如果運用得當可以提高分析結果的客觀性和準確性。目前，人工增雨效果檢驗方法主要有物理檢驗、統計檢驗、數值模擬檢驗3種，統計檢驗、數值模擬檢驗的效果只有經過物理解釋和觀測的物理效應所證實，才能獲得比較令人信服的檢驗效果[4]。基于以上觀點，本文在作業效果檢驗中使用序列分析、區域對比分析、雙比分析等統計檢驗方案對7月17日務川縣一次降水天氣過程中人工地面火箭增雨作業的增雨效率進行效果評估，并利用務川新一代多普勒天氣雷達的觀測參量進行物理驗證和檢驗，旨在檢驗增雨作業情況，為今后開展人工增雨效果分析提供了較為科學的方法和思路。

1" 資料與方法

1.1" 數據資料

利用2022年7月16—17日500 hPa及850 hPa天氣圖、500 hPa及700 hPa高度場和風場、海平面氣壓場和500 hPa相對濕度場資料，白果組站、黃都站地面自動站逐分鐘雨量資料及務川新一代C波段雙偏振多普勒天氣雷達觀測等資料。

1.2" 研究方法

在序列分析中不涉及到對比區，在區域對比分析和雙比分析中，在作業區下風方向8 km范圍內為影響區，對比區選擇時主要基于以下幾個原則：一是與影響區為同一天氣系統影響；二是在對比區上風向且地形地貌相似；三是與影響區歷史降水量的相關系數在0.8以上[5]。3種統計檢驗方法計算情況見表1，R為相對增雨率，Q為絕對增雨量，其中序列分析法中Y1和Y2為影響區作業前3 h和作業后3 h實測降水量；區域對比分析中Y2和X2為影響區和對比區作業后3 h實測降水量；雙比分析中Y2和Y1為影響區作業期和非作業期實測降水量，X2和X1為對比區作業后3 h和作業前3 h實測降水量[6-7]。

2" 基于地面自動氣象站雨量統計的增雨效果評估

2.1" 天氣形勢

7月16日14時500 hPa副高588線控制貴州省中部以南地區，務川縣處于兩高之間不穩定區；24 h（17日14時）后北支槽東移后轉西北氣流。700 hPa高空圖西南氣流、暖中心，陜甘南部切變；17日7時，川東南低渦切變開始增強并東移，14時西南氣流進一步增強，川東南低渦切變增強，云圖出現高濕區。850 hPa天氣圖務川縣一致偏南氣流，且受川東南低渦影響；14時偏南氣流加強，川東低渦加強西伸北抬東移、增濕進一步影響該縣。14時涪洋站（作業影響區附近）地面低壓925.1 hPa，3 h變壓-1.8 hPa，溫度達到29.0 ℃，露點溫度24.3 ℃，高層干冷空氣與低層暖濕空氣重疊，位勢不穩定能量聚集。

用距離務川縣最近的沙坪壩探空資料來分析過程發生前后環境場的變化。16日20時，探空圖上CAPE數值為1 279.4 J/kg，550 hPa以上是明顯的干層，同時700 hPa至600 hPa風隨高度逆轉，對應的溫度層結曲線與露點曲線發生分離，說明該層有冷空氣入侵。上干下濕的大氣層結為不穩定層結狀態，暖層深厚，中間有冷空氣侵入，有利于強對流天氣發生，并伴隨一定強度的短時強降水。0 ℃層和20 ℃層分別在500 hPa和300 hPa（6～9 km）之間，保證作業高度上云中存在較深厚的過冷卻水滴區。

因此本次降雨為低渦北抬與南下冷空氣遭遇，冷暖交匯程度明顯并配合穩定的低渦與局地水汽輸送和不穩定能量而形成對流性降水，有利低質心對流降水云團的生成，具備人工增雨作業天氣條件。

2.2" 人工增雨作業效果

17日15時28—29分在桃符進行地面火箭作業，仰角50°，方位西西北，用量火箭彈3枚，彈道路徑為水平距離7～10 km，作業層催化垂直高度3～5 km。結合作業高度及風廓線（VWP）產品上高度2～8 km風向一致為西風、風速2 m/s左右、雷達回波緩慢向東移動等因素，將作業點下風方白果組站周圍64 km2（8 km×8 km）以內的區域定為作業影響區（圖1），根據對比區選擇的原則，選取黃都站周邊64 km2（8 km×8 km）的區域為對比區，兩站7月份歷史雨量相關性達0.824 （表2），以作業前后3 h為統計變量，檢驗表明：3種分析顯示增雨作業均有正效果，其中序列分析顯著性水平小于0.01，說明增雨作業極顯著；區域對比分析通過0.1的顯著性檢驗，絕對增雨量為12.1 mm，相對增雨率為30.3％，總雨量增值[8]約774 400 m3；雙比分析未通過顯著性檢驗，說明影響區和對比區可視為同一天氣系統影響。

3" 基于務川新一代雙偏振天氣雷達產品的增雨效果分析

3.1" 基本反射率

采用碘化銀對影響區云體作業后，經過貝吉龍過程過冷水滴轉化為冰晶并逐步成長為雪晶和冰雹，隨著冰粒子生長成冰雹子，不斷消耗云中的過冷水。在催化區域內，各種相態粒子的轉換和尺度變化，可引起后向散射截面的變化使雷達反射率因子發生變化。影響區云體作業前基本反射率為10～25 dBZ，占影響區面積的60%～80%，而強回波區域（40～45 dBZ）僅占5%；作業后約15 min，15：43體掃影響區基本反射率普遍增強至35 dBZ以上。影響區強回波（超過45 dBZ）持續影響的時間為16：35—17：44，最強回波出現在16：47，達到60 dBZ的強中心，該體掃垂直累積液態含水量達到26 kg/m3，此時的分鐘雨強也達到最強；同時作業目標云基本反射率為40～50 dBz的面積比作業前增大3倍以上。對比區強回波（超過45 dBZ）持續時段為15：00—16：58，最強回波出現在15：26，達到63.5 dBZ，該時刻垂直累積液態含水量達到28 kg/m3。作業后3 h，影響區內白果組站降雨量達到52.0 mm，對比區內黃都站降雨量為39.9 mm，而作業前3 h兩站的累計雨量分別僅為0.1 mm和2.9 mm，可見，作業后地面雨量逐漸增加，明顯大于作業前；盡管對比區強回波持續時間達118 min，遠長于影響區的69 min，且對比區的強回波區中心強度及垂直累積液態含水量均強于影響區，但影響區雨量卻相對于自然降雨量（對比區）的增雨效率達30.3%，這與火箭彈催化有直接關系，體現出增雨作業相較自然降雨的效率優勢。

從剖面圖上看（圖2），作業前影響區低質心對流云團尚處于初生階段，強回波高度在5 km以下，作業后迅速發展并緩慢東移，強回波高度達到5～8 km并及地且后續有新的強單體生成；對比區作業時次（15：26）云體強中心集中在5 km以下，但強度略強于作業后目標云（圖2（b）），結合云頂高度判斷強質心較低，自然狀態降水量較目標云少23%；由此證明作業層催化作用大大增加了云體發展的垂直高度，有利于粒子在一定的高度反復碰并形成大雨滴并降落地面，形成較高的降雨效率。

3.2" 垂直累積液態含水量（VIL）

垂直累積液態含水量是降水云體中某一確定面積的垂直柱體內液態水總量的分布，反映將反射率因子等數據轉換成等價液態水值[9]；從其演變可知（圖3），作業1 h后影響區內水汽聚合明顯，VIL強度明顯增強，說明作業后水汽沿碘化銀撒播區域凝結，冰晶數量和大小有較大增加。16：35垂直積分液態水含量由1.5 kg/m3躍升到17.5 kg/m3，10 kg/m3以下的面積在減小；大于20 kg/m3的VIL面積明顯增加，說明VIL大值區域呈增加趨勢并于16：41達到最大值27 kg/m3，面積占比達到38%，并維持至17：10，持續時間達35 min，VIL大值區面積的漲落很好地與地面雨量觀測值相對應，如大于等于20 kg/m3的面積最先增長且快于累計雨量的增長、雨量最大值出現在VIL大值區面積減小的時間區間內等均符合云物理降水基本特征，可見火箭彈的催化效果體現在對云滴的貝吉龍效應，逐漸碰并增大形成大雨滴，雷達測得迅速出現的VIL大值區，累計雨量也隨之躍增，增雨作業的效果被觀測的物理效應所證實。

3.3" 粒子相態分類產品

雙偏振雷達的偏振參數對水成物的相態、形狀、空間取向和分布都很敏感，因此利用偏振參數可以推斷出水成物的微物理學特征。粒子相態分類產品（HCL）是對水成物進行相態識別的物理量，影響區內作業后HCL上可看出（圖4）有大量冰雹子（大冰核子），說明冰晶粒子成長尺度較大，貝吉龍增長旺盛，集中在1.90～4.18 km（0.5～6.0°仰角）的冰核數量和面積、持續時間均強于對比區；對比區黃都站附近的大冰核子主要集中在2.23～4.72 km（0.5～3.4°仰角）高度，主要表現為冰雹和大雨滴的混合態和分散狀，影響區則主要是冰核，聚集態碘化銀加速了過冷水滴轉化為冰晶并逐步成長為雪晶和冰雹，隨著這些冰粒子的生長又不斷消耗云中的過冷水，這是增雨作業人工制造的“冰晶效應”，大部分的降雨來自這些冰相粒子的融化。

4" 結論

1）針對此次天氣過程所開展的地面火箭增雨，3種評估方法均顯示有正效果，其中區域對比分析通過0.1的顯著性檢驗，絕對增雨量為12.1 mm，相對增雨率為30.3％，總雨量增值約774 400 m3。

2）作業后15 min影響區基本反射率普遍增強到35 dBZ以上，超過45 dBZ的回波面積迅速擴大到作業前的3倍并持續69 min，作業層催化作用大大增加了云體發展的垂直高度，影響區強回波發展高度比對比區更高；1 h影響區目標云VIL從1.5 kg/m3增加到17.5 kg/m3，并維持了35 min，作業后目標云的面積增大和回波強度增強與火箭彈催化有直接關系；而影響區人工制造的聚集態碘化銀加速了過冷水滴轉化為冰晶并逐步成長為雪晶和冰雹，更加速了降水效率。

3）人工增雨效果檢驗的客觀性和準確性受以下因素制約。一是將對比區作為影響區自然降水的估計，盡管對比區選取方法理論上科學合理，如本文中影響區和對比區的歷史雨量相關性達0.824 6；但以本次火箭增雨作業為例，降水的局地性較強且受地形等因素的影響，兩區的相似性較差，主要體現在強回波（超過45 dBZ）持續影響的時間重合度較差，無法完全剔除云及降水的自然變率，一定程度上影響基于該方法的增雨效果檢驗。二是雙偏振雷達的云降水探測誤差對增雨作業物理檢驗的影響，如本文中影響區距離鄰近探測雷達較近約20 km，而對比區距離鄰近探測雷達較遠達50 km，探測回波誤差對結果會造成一定影響。

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基金項目：遵義市氣象局登記制科研項目（zyqxky（2022）7號）

第一作者簡介：高建飛（1989-），男，工程師。研究方向為人工影響天氣及氣象服務業務。