基于雷达资料人工增雨潜势预判方法的研究

2015-03-19侯正俊

安徽农业科学 2015年32期

潘多，侯正俊，次珍

(1．西藏自治区拉萨市气象局，西藏拉萨850000;2．西藏自治区人工影响天气中心，西藏拉萨850000)

随着全球气候变暖、人口增长、生态环境恶化、经济发展与水资源短缺的矛盾日益加剧，有效的人工增雨已成为确保西藏自治区水资源安全、经济社会发展和生态保护的有效措施。人工增雨是开发利用空中云水资源，在适当的条件下，针对具有降水潜力的云在适当的时机和部位用科学方法进行催化，激发或加速降水形成过程，以此提高降水效率，达到增加地面降水的目的。

有效开展人工增雨的基础条件有具有潜力的云雨条件、适当的部位和时机、科学的作业方法和效果检验。针对西藏较为典型的干旱、半干旱季风气候特征和特殊的地理条件，利用常规气象资料进行有利于高原人工增雨的大气环流背景分析、空中云水资源评估是有效地开展人工增雨的基础;利用各型雷达观测资料和经验，积极开展人工增雨作业指标的分析总结，准确地预测和判定是有效开展人工增雨的关键，而科学的作业方法和效果检验是有效地开展人工增雨、提高增雨效益的技术保障。该研究利用1995～1998年日喀则地区711测雨雷达、1999～2011年江孜CTL-A型雷达和部分日喀则多普勒雷达资料、结合多次指导人工增雨作业所积累的经验和常规气象资料，进行适合当地人工增雨基础条件的分析，探索地面人工增雨雷达的可播性指标，减少无效作业在资金、人工和设备上的损耗，提高人工增雨的科学性、可信性和有效性。

1 可播性天气系统及天气条件

1．1 初夏(5～6月)环流特征东亚大气环流从南向北季节性推移，高原上空也向雨季特征转化。雨季前，干旱的主要环流特征是咸海、巴湖冷槽和东亚大槽势力强盛，高原及其南侧盛行西风，印度北部受高压的控制。干旱结束，雨季开始的环流形势特征主要为伊朗高压、西太平洋副高北跳，孟加拉湾风暴暴发或孟加拉湾减弱同时新疆高压加强。进入雨季后高原降水的主要系统有切变线、高原低涡、高原小高压单体前后的竖切变、东伸到高原上的伊朗高压边缘的横切变、西伸到高原上的西太平洋副高边缘的横切变(图1)。

1．2 盛夏(7～9月)西藏高原上基本环流特征

1．2．1 雨型。雨型是盛夏的正常环流，在500 hPa的环流场上，高原周围是南北低、东西高的鞍形场，即西太平洋副高、伊朗高压、副热带西风槽和印度低压(图2)。

1．2．2 西太平洋高压型(T型)。在咸海和巴湖一带为稳定的长波槽，伊朗高压势力偏南、偏西，由于西藏高压东移和西太平洋副高合并或西太平洋副高西伸，高原上主要以西南气流为主。在T型下，高原上气温高、湿度较大、多局部对流天气。

1．2．3 西藏高压型(Q型)。在副热带高压强盛的时候，我国华南、西南的东风波动常沿着东风气流向西移动并影响到高原上，在这样的形势下，当西藏高压东移和西太平洋副高打通，切断高原东侧的强冷槽时，冷槽南段可转成东风波动向西移动影响高原。

1．3 冬春季(10月～次年4月)高原上主要环流特征

1．3．1 孟加拉湾风暴。影响高原的孟加拉湾风暴主要发生在每年的5月和10～11月期间，它对高原的影响除少数表现为减弱成低压直接袭击以外，大部分是通过与南支槽或副热带急流共同结合而产生［1］。如2008年10月孟湾风暴“若西米”登陆转向东北(图3)，影响西藏东南部和山南地区南部出现特大暴雪和暴雨天气。

图1 夏季高原雨型降水系统(高原低涡切变)

图2 典型高原雨型环流特征(鞍型场)

图3 2008年10月27日08:00 500 hPa环流场

1．3．2 西风槽。对于高原地区而言，能造成影响的西风槽有3种，其中2种是大气环流因为受高原大地形影响而出现的南北各一支绕流槽，即南支槽和北支槽，第3个就是高原上的西风槽(少见，主要在5和9月，过渡季节)。南支槽和北支槽是造成高原冬季降雪的主要系统，特别当两者配合出现阶梯槽形势(南支槽在东、北支槽在西)，非常有利于冷空气下高原和暖湿气流上高原，如果有孟加拉湾风暴云系(主要出现在冬季)被南支槽引导北上，高原上(特别是南部边缘地区)会出现较强降雪天气。

2 季节性可播云型

通过对拉萨市近30年降水次数和降水云型统计分析(图4)，综合雷达回波特点，在不同季节可能产生降水的云型中，按照层状云、积雨云、积层混合云三类降水云型划分［2］。冬、春季节积雨云和积层混合云出现的次数和频率较高，是冬、春季节人工增雨(雪)的主要目标云型;而夏、秋季节80%以上的降水来自对流云和积层混合云，且对流云降水日数和概率大于积层混合云，按照产生机制和强度，积雨云(对流云)又可分为系统性和局地性2种，其中系统性积雨云的发生、发展与大、中、小天气系统密切相关，往往在低压槽、切变线、低涡等系统附近产生发展，其特点主要为云层较为深厚、云中垂直对流活跃、含水量丰富、降水范围大、时间长［3］，宏观特征和雷达回波特征明显，作业效果最佳。受地形及热力影响产生的局地性积雨云(对流云)，因范围小、生命时短和强度相对较弱，在小范围区域可适时开展人工增雨，如森林(草场)灭火、湖泊蓄水城镇降温增湿等特定目标区的增雨作业，由爆炸法原理产生的“炮响雨落”和增雨防雹兼顾的效果明显。

图4 1981～2010年拉萨降水次数与降水云型次数月变化

3 雷达资料的应用

天气雷达高精度、直观和时效性高的特点，决定了其在人工增雨中具有其他探测工具不可替代的作用，主要体现在:①在中短期有利于人工增雨天气预报产品指导下，可随时、连续跟踪、监测影响区域天气系统的变化，提前发布短时增雨潜势预报，适时指导增雨作业，特别是在夜雨率较高的高原利用意义更大。②根据回波特征及参数变化，科学判定，选择最佳作业时机、催化部位和用弹量。③收集科研数据、资料，为增雨效果检验提供依据和佐证。④PPI、RHI 2种扫描方式和图形在人影决策中最为直观和快捷。依据现有资料，根据相互独立，并与较强积雨云相关性较好的要求，以Z-R关系为基点，选定回波强度(基本反射率Ze)、0 dBz回波顶高度(H)、强回波高度(H≥25 dBz)、负温区高度△H、回波形态为基本判别指标。

在平面扫描PPI上，基本反射率Ze值的大小能客观地反映出所测云体中过冷水滴或冰晶的含量和云体的强度，Ze值越大云的强度越强，降水和增雨的潜力越大，因而可将Ze值的大小作为增雨预判的一项重要指标［4］。在回波特征上，系统性积雨云、强对流云基本特征为云体结构紧密、大面积块状型回波，回波水平尺度＞10 km，平均回波强度Ze≥15 dBz，强中心回波强度Ze＞25 dBz。对流云在演变形式上表现为多单体合并回波和单体回波，多单体合并大多为对流单体各自发展，由于各单体的移动方向及移动速度的不同而产生合并，合并后能量的集中促使某一单体迅速增强、水平尺度增大，常配合有利的天气系统如切变线、低涡等，在形态特征上常呈带状、“弓”状和不对称状。对流发展旺盛时，常伴有电闪雷鸣，闪电频数＞5次/min，以横闪、云体乌黑、云底翻滚状为宏观特征，对人工增雨最为有利。单体回波型强对流云具备以上特征，Ze＞35 dBz，瞬时降水大、时间短，对特定目标区增雨作业贡献最大，发展旺盛时冰雹云可增雨防雹兼顾。层积混合云回波多呈大面积片状，平均Ze≤15 dBz，其中包含一个或多个强回波对流云团，Ze≥25 dBz。速度图上正负速度交界线明显，近地层存在明显的风速辐合，对应VIL的变化梯度值，VIL值越大，增雨的潜势越大。

在垂直扫描RHI上，积云(对流云)表征为柱状形回波，强回波区(Ze≥25 dBz)常位于回波的中上部，回波紧密、边缘清晰，回波顶高H≥8 km、强回波(H≥25 dBz)高度≥5 km，平均云底高度≤1．8 km，有效作业后回波高度有明显的跃增，负温区高度△H即为无衰减回波高度H与0℃层高度之差。选择此项作为判别指标是因为云体中的重要部位达到过冷水活跃温度的所在高度，即△H越厚，越利于有效降水的形成。

综上所述，当积云(对流云)在PPI显示器上雷达回波强度Ze≥15 dBz、强中心回波强度 Ze＞35 dBz，在垂直(高度)显示器上，回波顶高H≥8 km、强回波高度H≥5 km，有利于人工增雨作业。层状云在PPI上雷达回波强度Ze≥10 dBz、强中心回波强度Ze≥20 dBz，在垂直(高度)显示器上，回波顶高H＞5 km，强回波高度H＞3 km，可适时开展人工增雨作业。层积混合云在PPI上雷达回波强度Ze≥15 dBz、强中心回波强度Ze≥25 dBz，在垂直(高度)显示器上，回波顶高H＞6 km、强回波高度H＞4 km，有利于开展人工增雨作业(表1)。如2008年7月11日日喀则西南方多单体对流云团发展，呈带状分布，19:13甲措雄、曲布雄、城南炮点陆续开始人工增雨作业(图5a)，19:32云团合并加强，强中心回波跃增7 dBz(图5b)，而实况是日喀则本站降水量16．4 mm，可见人工增雨效果显著。