多普勒雷达数据在海南省人工增雨效果评估中的应用

崔丹，黄彦彬，肖辉，许向春，黄勇

(1.海南省气象科学研究所，海南海口570203;2.中国气象科学研究院云雾物理环境重点开放实验室，北京100081;3.中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室，北京100029;4.海口市气象局，海南海口570203)

多普勒雷达数据在海南省人工增雨效果评估中的应用

崔丹1，2，黄彦彬1，肖辉3，许向春1，黄勇4

(1.海南省气象科学研究所，海南海口570203;2.中国气象科学研究院云雾物理环境重点开放实验室，北京100081;3.中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室，北京100029;4.海口市气象局，海南海口570203)

采用地面降水资料、多普勒雷达数据、探空资料等，利用自主开发的系统软件对实测资料进行增雨效果统计检验，通过目标区作业前后雷达参量的演变或目标区与对比区的回波参量的差异，来完整的分析2010年8月11日海南西部多点作业情况的催化效果。物理统计分析结果显示，催化一般在作业后半小时内起到效果并达到最强，目标区的最大强度、强回波区面积、液态水含量、回波顶高的增大率大于对比区的值，催化作业确实延长了目标云的寿命。

多普勒雷达数据;目标区;对比区;增雨效果分析

0 引言

人工增雨效果检验在整个作业项目中占有重要地位(Silverman，2001)，但是由于云和降水存在巨大的自然变率(福建省气象科学研究所人控室，1983)，要想在这些变率中有效地、准确地检验出增雨效果是非常困难的。因此，这项工作是本学科亟待解决的一个科学难题，数十年来广大科研人员也一直致力于这一课题的研究。

人工增雨效果是指人工催化后云体演变及其降水过程发生的变化，一是人工增雨后云内微物理过程和云中宏观、微观物理量发生的变化;二是人工增雨影响前后降水发生的变化(叶家东和范蓓芬，1982)。在这两种催化效果中人们往往更关心后者。

就目前来说，人工增雨效果检验方法有物理检验、统计检验和数值模式检验(李大山等，2002)，许多学者都做过与此相关的研究(房文等，2005;孙海燕等，2005;肖明静等，2006;黄彦彬，2010)。对于统计检验，随机化试验效果统计分析虽然是科学界公认的科学评价方法，但是，由于它需要放弃一半左右的作业机会，使得这一方案在业务中应用很困难。因此，国内人工增雨作业大多为非随机化试验(周德平等，2006;唐仁茂等，2009;王婉和姚展予，2009)，即采用非随机化试验方案利用统计的方法进行效果评估，还有很多专家学者将聚类统计方法应用在非随机化试验方案中(房彬等，2006;翟羽等，2008;房彬等，2009)。本文用自主开发的系统软件对多普勒雷达数据进行物理统计检验，深入分析人工增雨作业的物理响应效果，并评估结果的准确性和方法的适用性。

1 分析方法与分析系统功能简介

1.1 分析方法

现有的非随机化试验方案主要有序列试验、区域对比试验、区域历史回归试验等(李大山等，2002;房彬等，2006;翟羽等，2008)。其中区域对比试验作为一种经典的效果评估方案经常被采用，本文将采用此方案进行增雨效果的物理统计检验，即依托自主开发的人工增雨效果评估软件为分析工具，选择目标区和对比区，通过统计目标区作业前后雷达参量的演变或目标区与对比区的回波参量的差异来分析人工增雨催化的效果，同时在分析中尽量增加效果检验结果的客观性。

1.2 分析系统功能

自主开发的人工增雨效果评估系统的设计思路在于通过多普勒雷达资料建立一个能为人工增雨作业效果提供查询、分析、处理的平台。主要包括人工增雨资料的快速查询、多普勒雷达二次导出产品、火箭发射弹道与雷达剖面的叠加等，通过分析作业前后雷达回波参数的变化来定性或定量的判断增雨效果。

效果评估系统的主要功能是查询到需要进行效果分析的作业个例，自动打开该时次作业(若与该时次不符，则自动寻找最近时次的多普勒雷达体扫基数据)，显示该时次雷达平显PPI(plain position indicator)、作业火箭车的位置、火箭作业射向垂直剖面、人工增雨作业最为关心的特性层高度(0℃、－5℃、－20℃)等，据此分析人工增雨作业催化是否在关键作业区，同时系统可以建立所选取作业云时间序列雷达参量的变化曲线，分析作业前后雷达参量的物理响应。

2 人工增雨作业情况分析

2.1 天气情况

2010年8月11日在海南省出现了一次大范围的积层混合云系降水过程。受南海低压槽和南海辐合带影响，全省大部分地区普降中到大雨，自然降水从12:31(北京时间，下同)开始，22:02全省降水基本结束。由卫星云图(图略)可以看到，8月11日中午之后云系由东向西移动，逐渐覆盖海南全省大部分，在西移时强度逐渐加大、发展，表现为云系由松散结构变为紧密结构，由灰暗色向白亮色变化。在19:01云系前端进入北部湾后，移速缓慢，云系处于稳定的发展阶段，只有云系的尾部影响海南岛西部市县。由当日海口站20时的探空资料可知，0℃、－10℃、－20℃层高度分别为5 468 m、7 163 m和8 705 m。

2.2 增雨作业情况及资料说明

针对2010年8月11日的降水天气情况，在海南省全岛开展了11次人工增雨作业工作，共耗火箭弹22发(表1)。本文将对这11次作业情况采用相同的分析方法进行深入研究，由于篇幅有限，重点分析当日下午降雨过程中海南西部多点作业的情况，对作业影响区域范围内的4个作业点(编号:5、6、7、8)来整体分析。资料为海口雷达站S波段多普勒雷达6 min一次的体扫数据和二次产品，相关的高显RHI(range height indicator)资料，以及自动站的分钟雨量资料、历史观测资料和海口市的探空资料。

表1 2010年8月11日海南省火箭作业信息表Table 1 Information of the rockets in precipitation enhancement on August 11，2010 in Hainan Province

2.3 天气气候背景分析

由于人工增雨作业需要一定的天气条件，在具备一定的增雨潜力条件下才能开展增雨作业，达到增雨的目的，因此，分析当日的气候背景能够更清楚的了解当天降水的可能性。根据海南省气象局基本站近30 a(1979—2008年)的观测资料平均值(表2)可知，海南西部市县除东方市外30 a的年平均降水量约为140 mm，东方市最少，但8月的平均降水比30 a的年平均值高出一倍以上，东方市仍然最少。该地区年平均和8月平均的相对湿度均在75%以上，说明大气水份很充沛，有利于云的形成;从降水概率(降水概率预报是指各预报区未来36 h内的3个时段(每12 h为1个时段)出现0.1 cm或以上的降水机会的百分数，和降水时间以及面积无关)上来看，东方市8月平均值为36.5%，可见相比于其他市县，降水时间分布上不均，降水强度却很大，因此有必要抓紧利用有利时机进行增雨。同时也可以看到西部市县2010年8月的平均气温都比30 a的年平均值高50%左右。8月11日当天的气温也高于历史8月的平均值，利于对流云的上升和发展，而当天的平均相对湿度均高于历史8月的平均值，并且白沙县、东方市和乐东县在15:00至17:00的湿度很大，接近90%，有利于降水。

3 增雨效果统计

3.1 对比云的选取

通过把作业车辆GPS位置叠加到雷达回波PPI图(图1)，可以看到西部多点作业主要集中在强降雨回波区的东部，因此选择红框区域，面积约为900 km2作为火箭作业的目标采样区域。根据国内外人工增雨试验后所引起的云层宏观明显变化的时间长度推算，在作业后1 h内，应产生由于播云所致的云中固相、液相粒子在数量组成、尺度大小方面的显著变化(Hobbs and Politovich，1980;English and Marwitz，1981;Gagin and Neumann，1981)，因此，选取目标区域在催化作业后1 h内的采样资料作为分析对象。考虑到催化高度上是偏东风并且1 h内催化剂扩散和影响不会超出10～20 km的范围以及雷达回波的移速，选取以海口雷达站为圆心，目标区的东南方向，处于相同半径并且中心相距约35 km的蓝框区域作为对比区1，同时选择红框目标区的东北部，回波强度相似，中心相距也约为35 km的绿框区域作为对比区2(图1)。所有对比区的采样面积都是接近900 km2，由于对比区2采样高度和目标区不一样，因此要通过提高雷达扫描仰角即2.4°仰角来进行分析，由此确保作业目标区与对比区采样高度一致，采样面积一致，并且在采样时间内不产生相互影响。图1中标注了8月11日全天11次作业的火箭车地理位置，选择该时刻回波主要是根据西部火箭车作业时刻，为了更好的分析西部市县增雨效果。

表2 海南西部部分市县的天气气候背景Table 2 The weather and climate background of some cities and counties in the western part of Hainan p rovince

图1 2010年8月11日15时51分22秒的雷达回波图(红框为目标区，蓝框为对比区1，仰角:1.45°，半径距离:100 km;绿框为对比区2，仰角:2.4°，半径距离:100 km)Fig.1 The radar echo image at 15:51:22 on August 11，2010(red box is the target area and blue box is the contrast district 1，elevation:1.45°;radius distance:100 km;green box is the contrast district 2，elevation:2.4°;radius distance:100 km)

3.2 目标云与对比云的回波参数变化比较

分析海口雷达站每6 min一次的体扫资料，根据目标云与对比云的雷达回波参量在增雨作业前后的变化特征来分析增雨效果。

图2是作业目标区域与对比区域在增雨作业前后雷达回波量值的变化，为了更清楚的看到区域量值的变化趋势，将图2中系统统计的各个强度范围所占的比重值排列生成图3。由图2可见，各区域面积都接近900 km2，在15:51，经过系统计算目标区云体35～40 dBZ、40～45 dBZ、45～50 dBZ回波区的面积分别占区域总面积的4.0%、6.6%、12.3%，其他强度的具体统计见图2a。在作业半小时后，即16:22，回波强度明显增强，强回波中心区域面积进一步扩大，见图2b，35～40 dBZ、40～45 dBZ、45～50 dBZ回波区的面积分别占总面积的21.1%、29.1%、16.4%，其中前两项增加幅度大，后者虽有所增强，但增加幅度不明显，说明作业催化主要提高了较强回波区的强度，而非最强回波区。对比区1在增雨前后变化不大，从图2c可见，作业前即15:51，经过系统计算该区域云体35～40 dBZ、40～45 dBZ、45～50 dBZ回波区的面积分别占区域总面积的10.2%、14.0%、3.8%。作业后即16:22(图2d)，35～40 dBZ、40～45 dBZ、45～50 dBZ回波区的面积分别占区域总面积的11.3%、18.2%，9.9%。对比区2在15:51，雷达回波2.4°仰角的高度下，经过系统计算该区域云体35～40 dBZ、40～45 dBZ、45～50 dBZ回波区的面积分别占区域总面积的7.5%、9.7%、9.0%(图2e)，而作业后它们分别占区域总面积的12.0%、12.6%和7.1%(图2f)，增长幅度不大，有的甚至还减小了。总体上看，对比区云强回波面积略微增加，较目标区增加趋势弱，增加幅度比较小。

从变化曲线图3上可以更清楚地看到，作业目标区云的回波强度变化比对比区云更明显。作业前，三者都出现两个小峰值，呈现驼峰状，强回波区的峰值比弱回波区峰值小或二者基本相当，目标区云的两个峰值都比对比区1小，所占的百分比偏小;而作业后目标区云的弱回波区曲线和作业前的曲线分离，向后偏移，说明整体强度有所增强，但峰值变小，强回波区所占百分比峰值却显著增大，并超过作业前弱回波区峰值，说明催化效果明显(图3a)。对比区1作业后弱回波区曲线和作业前的曲线基本重合，其峰值变小，但相差很小，说明作业前后弱回波区的强度基本保持不变，强回波区峰值虽然变大，但变化很小(图3b)，可见对比区1在增雨作业前后变化不明显。由图3c可见，对比区2作业前后弱回波区和强回波区曲线基本重合，说明作业前后所占的百分比基本未变，而两者峰值都变大了，超过了作业前的峰值，但增加幅度不大，并且整个变化趋势和作业前的基本一致，曲线斜率没有大幅度增大或减小，说明对比区2没有受到催化作用。对比区2作业后峰值的增加，除了一部分自然物理过程作用外，也可能是该区在作业前有大面积的无云区域，造成了各回波强度范围所占的百分比整体偏低。从图3可见，对比区1和对比区2作业前后都没有很明显的变化，特别是回波强度的变化趋势，而目标区的曲线斜率以及峰值都出现了明显的变化，这都说明催化产生了作用。

通过分析雷达体扫资料以及雷达二次产品随时间的变化情况，得出了目标区云和对比区云雷达回波参数的变化(表3)。

图2 2010年8月11日作业目标区(a，b;1.45°仰角)与对比区1(c，d;1.45°仰角)和对比区2(e，f;2.4°仰角)雷达回波强度值变化a，c，e.15:51;b，d，f.16:22Fig.2 The changes of radar echoes intensity in(a，b;1.45°elevation)artificial precipitation target area，(c，d;1.45°elevation)contrast area 1，and(e，f;2.4°elevation)contrast area 2 on August 11，2010a，c，e.15:51 BST;b，d，f.16:22 BST

图3 2010年8月11日作业目标区(a)与对比区1(b)、对比区2(c)在增雨作业前后的回波强度变化曲线(作业前:15:51;作业后:16:22)Fig.3 The curve of the radar echo intensity changes in(a)target area，(b)contrast area 1 and(c)contrast area 2 before and after artificial precipitation operation on August 11，2010(before operation:15:51 BST;after operation:16:22 BST)

由表3可见，催化作业后，目标区云的各回波参数增大率均比对比区云要大。其中达到最大强度的时间比对比区云长，增大率大，说明催化产生了一定的正效果。特别是目标区云在最大强度增大率只比对比区1大6%的情况下，同样时间内强回波面积增大率却比对比区1大310%。同时回波顶高从15 km增加到17 km，增大率为13%，垂直积分液态水含量却迅速增加，从10 kg·m－2增加到30 kg·m－2，增大率为200%，单体的生命期也比对比区1长。对比区1的各参量，除液态水含量没有增加外，其他参量都有小幅上升，但幅度比目标区要小，特别是回波顶高达到最大值的时间比目标区长，而增大率却比目标区小，只有8%;对比区2的各参数中只有强回波面积增加，且增大率也远远小于目标区，只有30%，其他参数不但没有增加反而减小或不变。目标区云催化后液态水含量迅速增大，对比区1和对比区2在较长时间内都没有有效增加液态水含量，说明人工催化有一定的效果。同时从表3可看到，催化作业后，在半小时内催化就显现出效果，使目标区云的生命期比对比区云延长了约15 min。对比分析可以看到，催化作业对延长目标区云的生命期，增大云的强回波面积和液态水含量都起到了积极的作用。

3.4 自动站雨量分析

自动雨量站可以提供每分钟的降水量，不仅可以检验雷达资料对人工增雨催化的效果分析，还可以直接检验催化效果。由表3可知，对比区2的回波参数减小比较明显，故本文只分析目标区和对比区1的雨量站变化情况。

图4是通过统计目标区和对比区1内(或距离最近)的自动站降水资料，取小时平均值而生成的小时降水量变化。由于01—12时无有效降水，图4只显示13—23时的雨量。从图4a可见，目标区内的昌江县站和东方市站雨量在16时都达到了最高值，分别为28.6 mm和37.3 mm，儋州市站和白沙县站在17时达到最大值，分别为32 mm和47 mm。结合表1中火箭作业时刻和图5a自动站分钟雨量资料，东方市站是在15:12作业，作业后48 min内累积降水量达到最大值，最大分钟雨强出现在作业后第23 min(即图中所示的第35 min)，为3.7 mm，增大率为68%，主要降水时段在第13 min至第35 min，平均雨强为1.5 mm;昌江县由于作业两次，第一次作业后的最大分钟雨强出现在作业后第28 min，为3.8 mm，增大率为27%。第二次作业前，前次作业的催化效果已减弱，分钟雨强已变成1.9 mm，随后开展的第二次作业又加强了催化，虽然位置不同，但增加了目标区的降水，第59 min雨强变为了3.2 mm，增大率为60%。可能受到前次的影响，第二次的最大分钟雨强出现的时间比较提前。两次作业叠加后，累积降水量在16时出现了峰值。儋州市站在作业后40 min内降水量累积达到最大值，最大分钟雨强出现在作业后第25 min，为1.2 mm。由于儋州市站作业方向向着白沙县，因此白沙县的增雨效果可能更准确。统计目标区内的白沙县自动站，最大分钟雨强出现在第28 min，为2.4 mm，增大率为40%。从4个作业点降雨资料可见，最大分钟雨强出现在作业后第20 min，为3.0 mm，主要降水时段在作业后第9 min到第25 min之间，雨强基本上都在0.8 mm以上，平均增大率为48%。

表3 目标区云与对比区云的回波参数Table 3 The radar echo parameters in the target area and the contrast areas

图4 2010年8月11日作业目标区(a)与对比区1(b)小时降水量变化Fig.4 The changes of the hourly precipitation in(a)target area and(b)contrast area 1 on August 11，2010

由图4可见，目标区的降水明显强于对比区1。对比区1内的昌江县站和乐东市站小时降水量在17时达到最大值，分别为24 mm和22.7 mm，白沙县站在18时达到最大值为20.9 mm，五指山市站在16时达到最大值8.7 mm(图4b)。由自动站分钟雨量资料(图5b)可见，昌江县站最大分钟雨强出现第6 min，为2.4 mm，乐东市站最大分钟雨强出现在第17 min，为1.3 mm，主要降水时段在第10 min到第24 min，五指山市站最大分钟雨强出现在第7 min，为0.8 mm。白沙县站最大分钟雨强出现在第13 min，为2.0 mm。由图5b自动站分钟雨量资料可见，对比区1主要降水时段为第5 min至第20 min，前10 min雨强和目标区基本相当，甚至略微偏强，随后几分钟内降雨强度相当，从第20 min开始，对比区1各站的雨强不断减小，而目标区各站的雨强却迅速增大，说明催化作业确实延长了目标云的寿命。

4 结论

通过作业目标区与对比区在相同高度的雷达回波资料的分析，可以得到以下结论:

1)催化一般在作业后半小时内起到效果并达到最强，催化后目标区的云体最大回波强度、强回波区面积、回波顶高、垂直积分液态水含量等均有效增大，而对比区的增大率比目标区的要小，甚至未增大，例如液态水含量。

图5 作业目标区(a)与对比区1(b)自动站在其最大小时降水量相应时段内的分钟雨量变化Fig.5 The minutely rainfall changes during the maximum hourly precipitation period in(a)target area and(b)contrast area 1

2)通过效果检验技术系统，具体统计目标区与对比区的雷达回波区域面积量值的变化，发现催化在对较强回波区和弱回波区的强度增加方面也能起到积极的作用。

3)目标区云的强回波中心对应的雨量站分钟雨强在催化后半小时内达到最大值，存在两个峰值，催化作业延长了目标区云的生命期;与对比区相比，目标区云降水时间长，降水强度大。

本文可为海南省人工增雨效果的分析提供初步的物理检验证据，对比区的选择上尽量避免了过多的主观因素。随着今后更多新的探测设备和资料的引入，将进一步完善人工催化物理效果的验证。

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Application of Doppler-radar data in the effect evaluation of artificial precipitation enhancement in Hainan Province

CUI Dan1，2，HUANG Yan-bin1，XIAO Hui3，XU Xiang-chun1，HUANG Yong4

(1.Hainan Institute of Meteorological Sciences，Haikou 570203，China;2.Key Laboratory for Cloud Physics and Weather Modification，China Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China;3.Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;4.Haikou Bureau of Meteorology，Haikou 570203，China)

Based on the precipitation data，Doppler radar data and sounding figures，the paper statistically tests the effect of artificial precipitation enhancement by using a self-developed effect-evaluating software system.By comparing the differences of Doppler radar echo characteristics between the target clouds and the contrast clouds，the effect of rain enhancement is studied by evaluating the multi-point operations in the west part of Hainan Province on August 11，2010.The results show that the effect of seeding starts in half an hour after seeding in the target area and reaches the peak.Compared with the contrast clouds，the increase rates are larger for such parameters as the maximum echo intensity，the stronger echo area，echo tops and the values of the vertically integrated liquid water content of the target cloud.The results also indicate that the seeding operations indeed extend the life of the target clouds.

Doppler radar data;the target area;the contrast area;precipitation enhancement effect analysis

P412

A

1674-7097(2012)01-0087-08

2011-05-12;改回日期:2011-09-09

中国气象局云雾物理环境重点开放实验室开放科研课题(2009Z0037);国家自然科学基金资助项目(40875080);公益性行业(气象)科研专项(GYHY(QX)201006031;GYHY(QX)200906002);青海省三江源人工增雨工程科技支撑计划项目(2009-Q-04)

崔丹(1981—)，男，河南新乡人，工程师，研究方向为人工影响天气及大气物理，cuidan1219@yahoo.com.cn.

崔丹，黄彦彬，肖辉，等.2012.多普勒雷达数据在海南省人工增雨效果评估中的应用［J］.大气科学学报，35(1):87-94.

Cui Dan，Huang Yan-bin，Xiao Hui，et al.2011.Application of Doppler-radar data in the effect evaluation of artificial precipitation enhancement in Hainan Province［J］.Trans Atmos Sci，35(1):87-94.

(责任编辑:刘菲)