新一代天气雷达速度场特征在人工增雨中的应用

王丽莉，陈真，季芬琴，王丽俊，杨淑华，李效珍

（1.大同市气象局，山西 大同037010；2.泉州市气象局，福建 泉州362000；3.五寨县气象局，山西 五寨036200）

近年来随着极端天气事件的频繁出现，农业干旱的发生频率和强度明显增加［1］。大同市是中国水资源匮乏地区之一，年降水量趋于减少，年平均降水量20世纪50年代最多，从60年代开始减少，90年代略有增加但不明显［2］，大同地区有“十年九旱”之说。天然降水是水资源最重要的来源，在最近50余年，我国华北地区降水量明显趋于减少［3］，受到大气中诸多条件制约，自然云降水通常不能将空中云水充分降落到地面，且统计表明，我国北方地区自然降落到地面的云水只占空中总云水量的19%～30%［4］。其主要原因，北方降雨云系是以冷云或混合性云为主［5］，自然云中通常过冷水较多，而凝结核较少。所以，利用人工增雨根据不同的降雨云体的物理特性，选择云发展的合适时机，向云中的适宜部位、适量地播撒人工催化剂，促使云层增加降水量［6］。人工影响天气增加在全国迅速发展、方兴未艾。目前业界人士对人工影响天气比较一致的看法是：在适宜的地理背景和自然条件下，在适当的云体部位进行有科学指导的人工增雨作业，有可能达到人工影响局部天气的目的。人工影响局部天气就是企图在云雨发展的微物理过程的某一环节，在科学的指导下施加某种有效地影响，使云雨发展过程朝着人们预期的方向变化，达到影响天气的目的［7～10］，曹玲［11］、王 丽 荣［12］等对典型的速度场特征在人工增雨作业中的应用做了详细的分析说明，但对非典型过程增雨作业的研究相对较少。本文介绍两次系统截然不同情况下，利用时、空密度比较高的雷达产品，主要是速度场（PPI），选择恰当增雨时机和增雨地点，通过自动雨量站实时检验，均取得了很好的增雨效果，有效地增加了降水，缓解该地区水资源短缺状况，其增雨指标周边及北方处在夏季风区边缘地区均可借鉴。

1 典型过程分析

1.1 雷达速度场特征

从图1a的雷达（CINRAD／CB）速度图可以看到08：21时20km内“0”速度线呈“S”型，且弯曲程度严重，在雷达站点为东南风，低层逐渐转变为南风，到第一个20km距离圈转为西南风，表明实际风向随高度顺时针旋转，在20km范围内是暖平流，底层为暖平流加辐合，暖平流为降水提供了丰富的水汽条件。

在高度3.2km，距离70km，方位200°有一块包含在负速度区内的正速度区，最大负速度为－10 m·s－1，表明在此处有一个大的逆风区，在距离测站近的一方为强烈的辐散区，距离测站较远的一方为辐合区，以“0”速度线为中心，镜像对称的另一边则恰好相反，正速度区在方位60°包含有一块大的负速度，最大风速为－10m·s－1，靠近测站的一边为辐合区，远离测站的一边为辐散区，形成了典型的中尺度辐合、辐散共轭系统风场，有利于降水的形成发展，是增雨作业的有利部位［12］。在距离雷达30～40km、高度2.3km、方位320°，“0”速度线呈“V”形，说明在此处靠近雷达有强烈辐散区，远离雷达有一个明显的辐合区，有利的热力和动力条件使得降水维持。

在经过增雨作业后，如图1b，测站周围负速度区面积总和明显大于正速度区，增雨作业后在方位0°～90°的一块正速度区面积开始增大，最大速度为－10m·s－1，增雨作业后的3小时内一直呈增大态势，“0”径向速度线也较作业前略增宽，风场略有减弱［13］，3.8km高度正负速度最大值分别达5 m·s－1和－10m·s－1，表明存在风场性辐合，为汇合流场特征，气流汇合的区域也是回波较强区域，并伴有明显的大风区、逆风区，在大范围稳定云层中出现局部的积状云回波特征，高低层的辐合辐散抽吸，暖平流将水汽源源不断地输送到降水区，形成大的湿中心，降水云系将进一步发展加强。

直到12：19降水云系开始一边往南撤，一边向东缓慢移动，在14：30完全移出测站，在位于浑源、广灵、灵丘一带形成了近乎“之”字形的“S”型形状，“0”速度线变得很细，风场增强［13］，如图1c。从区域自动站资料证实浑源、广灵、灵丘雨强达到了最强，该处回波强度也比较强，24小时降雨量最大。

图1 2011年7月29日2.4°仰角径向速度图Fig.1 Radial velocity images with 2.4°elevation angle

1.2 作业效果分析

通过对作业后地面雨量的统计分析和对新一代多普勒雷达提供的产品分析，作业云移动方向及其速度影响了雨区分布，7月29日全市普降小到中雨，过程降雨量介于6.2～46.2mm之间，其中位于东南方向的浑源、灵丘、广灵达到了大雨，这3个县正好位于作业后的下风向，随着作业后回波顶高的增加，回波强度也逐渐增加，且其雨强基本与雷达回波强度的变化一致，而在没有进行增雨作业的东部，则雨量普遍偏小，这次降水过程是大尺度天气系统造成的大范围降水回波长时间维持与人工增雨作业共同影响的结果。

2 非典型过程分析

2.1 雷达速度场特征

从图2a速度图上可以明显看出，测站周围20 km内为“0”速度线呈反“S”形，正速度面积略大于负速度面积，为冷平流加辐散，回波顶高5km，不适宜进行人工增雨作业［13］，在20～40km，方位180°～360°，高度3.1～3.8km 有明显的辐合，在整个速度区负速度面积明显要大于正速度面积，说明在雷达测速范围内辐合较辐散明显。

从图2b可以看出，通过测站的10km内的“0”速度线几乎呈一条直线，这表示在这条直线两边的各高度层上，实际风向是均匀一致的，冷暖平流不再明显，在10～20km速度圈“0”速度线明显弯向负速度区，在雷达上半部（雷达的北部区域）风向随高度顺转，从东风逐渐偏南风、南风；而雷达的下半部（雷达的南部区域）风向随高度逆转，随着高度的增加，风向逐渐由东风转为东北风、北风，径向入流位于“弓”形的内侧，为“弓”形汇合流场特征［10］。在对应的3.4°强度图上，可以明显的找到“0”度层亮带，图略，高度为9km，说明大气层结已趋于稳定，并且水汽含量在此高度以上达到极大值［14～16］，由于催化只有在负温区才有效，所以此高度上也是人工增雨作业的有利部位［12］，通过地面火箭作业、市局与各县局的积极配合共发射WR98型火箭弹60发，主要发射点位于正速度区的左云、浑源、广灵、灵丘，方向西北，共计发射火箭弹41发。

在经过增雨作业后，19：01（图2c）测站10km内仍然呈“弓”形辐合流场特征，但是在10～20km范围出现了明显的“S”形“0”速度线，在20km速度圈内正速度为1m·s－1，负速度为－5m·s－1，呈现风速辐合，暖平流将水汽输送到降水区，形成湿中心，为暖平流加辐合降水将进一步维持。此后，负速度面积继续增大，正速度面积继续减小，负速度面积开始大于正速度面积，正速度区集中在左云、浑源、广灵、灵丘一带，在浑源至灵丘一线形成气流辐合，对应在此区域的强回波区。

图2 2011年8月17日径向速度图Fig.2 Radial velocity images

2.2 增雨效果分析

2011年8月14日～17日全市普降小到中雨，过程降雨量介于2.7～25.3mm之间，其中大同县达到了大雨。尽管16：41测站附近为冷平流加辐散，并不适宜进行增雨作业，在17：29表现出汇合流场特征，经过在各个增雨点进行增雨作业后，距离测站东南10km的大同县上空有强烈辐散，使得底层的上升气流得以加强，在增雨作业前后一直维持强烈的辐散，因此大同县成为此次增雨效果最好的作业点，系统移动的方向增雨效果较为明显。此次过程尽管不是典型的适宜增雨的“S”型暖平流加辐合特征形势，但是抓住了适宜催化的时机和地点，同样取得了较好的增雨效果。

3 结论

（1）大范围层状云为主降水过程，“S”型暖平流辐合型，其典型的中尺度辐合、辐散共轭系统风场，有利于降水的形成发展，在没有速度模糊的情况下，大范围正速度区包含负速度区和大范围负速度区包含正速度区是增雨作业的适宜部位。

（2）大范围层状云的降水过程中，存在“V”字形、“之”字形的“0”速度线（距离雷达站点超过30 km），其中必然有较为强烈的辐合、辐散区，在高空的长时间强烈辐散区是很好的增雨作业点。

（3）测站附近可能不具备人工增雨作业条件，但是在距离测站20km的大同县高空“0”速度线非常细，且“0”线靠近雷达为正速度区，远离雷达为负速度区，由始至终一直存在并且不断的维持加强。针对该处进行人工增雨作业发现，高空强烈辐散长时间维持，较大的垂直上升运动为降水的产生提供了动力条件，是适宜进行人工增雨部位。

（4）由于恒山山脉的阻隔，产生了特殊的地形抬升，地面形成辐合，高空形成辐散，于是位于恒山山脉附近的就成为大同地区大范围的层状云降水过程实施人工增雨作业的有利的作业点。因此考虑大尺度系统向东南方向移动的情况下，可以针对浑源、广灵、灵丘一带进行人工增雨作业，此为该地区特殊的增雨条件，恒山山脉的周边地区都可以借鉴。

（5）这两次增雨作业过程，作业时机选择了系统的前部和中部，高炮发射方向选择了系统移动的相反方向，炮弹移动方向与风速相反会有一定的抬升作用，因此炮弹发射夹角适当调小，以便催化剂在催化部位播撒，不会太高超过云顶。

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