高炮催化区跟踪方法在湖南的个例分析

2015-10-21徐冬英等

安徽农业科学 2015年21期

摘要简要介绍了湖南人影高炮作业情况与效果评估方法，并对高炮催化区跟踪方法进行个例检验，结合湖南实例，实现该算法在湖南的个例运用分析。利用长沙、岳阳2个降水过程，对多个回波跟踪区域进行连续跟踪，详细分析了回波跟踪的合理性；选择湖南郴州的一次高炮防雹作业，对其催化区进行跟踪，并对催化区内最大反射率和垂直液态含水量进行统计分析。结果表明，利用TREC算法，能够合理跟踪回波在空间的垂直位置与水平位置，较好地跟踪作业时催化区域移动，从而为高炮作业效果评估提供了一个有意义的参考。

关键词TREC；催化区；连续跟踪；效果评估

中图分类号S423+.9文献标识码A文章编号0517-6611（2015）21-225-04

我国开展人工降雨已有多年的历史，关于云和降水物理、人工影响天气的研究取得了一些进展[1]，而关于人工降雨效果的评估也更加受到重视。人工增雨效果评估方法有物理检验、统计检验、数值模式检验等，其中，物理检验采集与云物理过程变化相关的物理量信息，为人工作业效果评估提供了直观、有说服力的物理依据，为人工影响天气技术方法改进提供了有意义的参考。关于物理检验，前人进行了很多研究[2-4]，主要采用目标云、对比云的雷达回波参数对比方案，未涉及催化区的跟踪与催化区内回波参数统计。

高炮催化区跟踪方法基于新一代天气雷达三维拼图技术和TREC算法[5]，将高炮催化区作为跟踪对象，跟踪、统计催化区内雷达回波参数，该方法比统计目标云回波参数变化更为直观，更有说服力。在此，基于汪玲等的研究[6]，笔者选用湖南降水实例，分别对湖南未作业云“催化区”位置跟踪合理性、湖南高炮作业云“催化区”回波变化统计进行个例分析，初步实现了高炮催化区跟踪方法在湖南的本地化应用。

1湖南人影高炮作业与评估方法简介

1.1湖南人影高炮作业情况

1975年开始，省人影办先后在14个市63个县开展了高炮增雨作业，仅1978～1984年就作业2 788次。湘西州凤凰县属于湖南省首批设立炮点的市县之一，该县处云贵高原东侧山区，气候多变，夏秋季容易出现干旱，1975年在凤凰县设立4门炮点。湖南先后在湘西州凤凰县山区、柘溪水库东部的新化和安化一带进行了连续6年的外场高炮增雨试验，结果表明湖南单块积云催化降水量增加12%～20%。

2005年，张家界成为省首个开展高炮防雹试验的市州，并在开展作业后的两年内设7个防雹站点，两年作业累计达69次（包括22次高炮防雹作业），各个有效保护区内未出现雹灾，高炮防雹试验获得成功。随后，湘西自治州、常德、郴州等市也陆续开展防雹作业。2005～2007年连续3年省人影办在湘西张家界市开展烟叶高炮防雹试验，根据冰雹云云系特征，并综合利用多普勒雷达产品和车载雷达的现场观测数据，归纳出湘西北山区夏季冰雹云作业指标，采用早期发现与识别、早期联防作业，达到良好的作业效果。

目前，湖南已建成上百个炮点，高炮应用于空中、地面立体化辅助增雨作业、地面增雨作业和防雹作业，而主要应用于防雹作业。

1.2湖南人影高炮作业效果评估方法

高炮增雨作业效果检验主要采用作业前后作业云和目标云的回波顶高、强回波面积和最大反射率等回波参量的对比分析，有效地增雨作业后，云体发展、强度增加、降水增加，对应回波顶高、强回波面积和最大反射率等回波参量均有一定程度上的增强。增雨作业后，对增雨量进行估算，作业增加雨量W=平均每次作业降雨量×单次作业影响区范围×增雨效率系数×作业次数。

高炮防雹作业效果检验主要运用作业前后雷达回波强度特征进行对比分析，如果作业后目标云雷达回波强度在有效时间段内（10～15 min）比作业前减弱10 dBz，可视为防雹作业有效。防雹作业后，对人工防雹作业经济效益进行初步分析，根据作业业务规范估算影响区范围[7]，再计算经济效益Q，Q=影响区面积/（试验区总面积×烤烟种植面积）×平均成灾率×赔付单价。

然而，对于单次作业多采用物理检验。在常规物理检验中，多统计云体回波特征，并未涉及催化区的跟踪与催化区回波参数统计，与前者对比，后者更直观。

2高炮催化区跟踪方法简介

2.1资料来源

采用的雷达数据为中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开发的“新一代雷达三维组网及产品处理系统”计算后输出的回波强度三维格点组网数据。组网数据由不同高度层的CAPPI资料组成，经、纬向分辨率均为0.01°。组网数据文件时间间隔为6 min。

2.2高炮催化区跟踪方法原理

实际的作业根据云系情况进行不同时次的作业。高炮作业分为单点、多点作业，所以高炮催化区跟踪方法又分为单点和多点作业催化区跟踪方法，算法原理后者建立于前者。

2.2.1单点作业催化区跟踪方法。

2.2.1.1定位催化区。高炮可沿着0～360°方位进行作业，所以将高炮催化区取成圆形。关于高炮作业催化区扩散问题，王以琳等以催化剂不同的浓度阈值模拟，分析了湍流扩散系数、仰角、方位角和风速对人工增雨炮弹催化区的影响，发现高炮在最长作业影响时间约30 min内达到最大扩散半径为289.6 m[8]。催化剂最大扩散半径相对偏小，所以将作业区定为催化区。高炮作业水平射程一般为7～8 km，每门高炮影响距离为2 km，取10 km為单点作业催化区半径。

2.2.1.2确定催化区的位置。t0时刻，根据催化区信息（圆形，中心坐标（x0，y0）、半径r0）计算催化区位置，x0、y0分别为纬度、经度。假设任一点B，如果点B到中心的距离≤半径，则该点属于催化区。

2.2.1.3计算催化区回波移动速度。采用相邻时刻回波信息，并经过TREC算法，可以计算出TREC矢量，TREC矢量又分为U和V分量（分别代表回波在水平、垂直方向上的回波移动速度），U、V分量合成求出催化区移动速度C。在半径为r0的圆形区域范围内，不同位置的回波移动速度不一致，所以催化区移动速度取区域平均，对应的U、V分量分别取平均值meanU、meanV。

2.2.1.4计算下一时刻催化区的位置。跟踪时间间隔Δt取6 min，下一时刻t1催化区的中心坐标（x1，y1），中心坐标的求解公式：x1=x0+meanV×Δt、y1=y0+meanU×Δt，

根据t1时刻催化区中心坐标信息找到t1时刻的催化区。如此循环。

2.2.2多点作业催化区跟踪方法。

将多点作业看作多个单点作业，那么多点作业催化区（“体系”）对应为多个单点作业催化区（“多个分区”）。如果单个炮点在作业，则将该炮点对应的单点催化区纳入“体系”，并对其进行实时、连续跟踪。

因为每个炮点作业时段不一，多点作业时，就由“多个分区”构成的“体系”。所以，只需设置两组数组参数分别控制“多个分区”的跟踪时段，即记录跟踪起始时刻参数m[i]（m取第0、1、2…时刻）和跟踪时长的参数n[i]，到达跟踪起始时刻m[i]时跟踪开始，到达设定的跟踪时长n[i]时跟踪停止。i为多点作业高炮炮点数。

43卷21期徐冬英等高炮催化区跟踪方法在湖南的个例分析

3个例分析

3.1跟踪位置合理性分析

从回波在空间的移动（即竖直、水平方向）分别对跟踪位置进行合理性分析。在竖直方向上，对于不同高度的同一位置回波移动速度应当一致；在水平方向上，区域移动相对位置不变。所以从以下方面验证算法：①不同高度的同一经纬度位置回波，如果在同一时刻速度一致，则证明算法合理；②跟踪多个区域时，观察单个区域相对整片云位置是否不变，多个区域移动相对位置是否不变，且分析各区域的移动速度，同一系统中，各区域移动速度应在有限范围内波动。

3.1.1个例1。

2015年2月14日岳阳局部出现强降水，取岳阳雷达站09：42～10：12的CAPPI拼图资料，开始跟踪时刻14日09：42设为0时刻，分别选择2.5、3.0、3.5 km高度层的CAPPI作为跟踪对象，为保证在跟踪期间该点一直有回波，选定区域中心任意一个位置A（29.72°N、113.15°E）的回波，对其移动速度进行跟踪、统计，取该点周围5 km范围内的速度平均值为该点速度。

分别统计了不同时刻、不同高度层A位置的速度值，包括TREC矢量分量U、V方向上的速度U、V，以及该点合成速度C。速度U在13～18 m/s范围内变化显示（图1a），在同一时刻的不同高度，A位置回波的移动速度最大相差约3 m/s；速度V在7～9 m/s范围内变化显示（图1b），在同一时刻的不同高度，A位置回波的移动速度相差最大约2 m/s；从速度C在14～20 m/s范围内变化（图1c）可看出，在相同时刻的不同高度，A位置回波不同高度的移动速度相差最大约3 m/s；由此可知，同一经纬度位置回波将不同高度CAPPI资料作为跟踪对象时，同一时刻移动速度U、V以及该点合成速度C基本一致，从第一方面证明了算法正确合理。

3.1.2个例2。

2015年2月2日湖南长沙出现一次小范围降水过程。取长沙雷达站的14：00～14：30的CAPPI拼图资料，选择3个催化区跟踪（region1、region2、region3）。选择回波较好（回波面积大、回波强度强）的4 km高度层CAPPI作为跟踪对象。

为更好跟踪不同时刻催化区移动情况而设置彩色时间轴。设置开始跟踪时刻2日14：00为0时刻，一个时刻设为6 min。每个时刻对应不同颜色，如深红色对应第1时刻，对应时间为2日14：06。用不同颜色的圈表示不同时刻催化区位置，黑色箭头表示实时催化区内的TREC矢量，它反映了回波的移动趋势。

从region1、region2、region3的回波跟踪图（图2）可看出，region1、region2、region3在跟踪过程中，相对整片云位置基本不变，3个跟踪区域均向偏东北方向移动并保持相对位置基本不变；region1、region2、region3的移动速度（圖3）显示，3个跟踪区域速度在12～19 m/s 范围内波动，速度变化趋势基本一致。综上所述，在跟踪时间段内，单个跟踪区域相对整片云位置合理，多个区域在移动时相对位置不变，且分析了同一天气过程中多个区域的移动速度，这些区域的移动速度变化趋势基本一致且在有限范围内波动，从第二方面证明了

算法正确合理。

3.2高炮作业实例分析

2015年4月30日05：47郴州桂阳进行防雹作业，高炮用量55发，作业结束时间05：52，在此选择炮点周围10 km范围为催化区，对催化区进行跟踪（图4），并对催化区内最大反射率和区域平均垂直液态含水量进行统计（图5）。

将作业结束后临近时刻（05：54）作为0时刻，每个时刻为6 min。由图4可见，作业后催化区位置向东北方向移动，与TREC矢量指向一致。

统计作业后30 min内催化区最大反射率CR和垂直液态含水量VIL（图5）可知，作业后CR在作业18 min内从48 dBz迅速下降至36 dBz；作业后VIL出现下降，从开始的1.18 kg/m2下降至0.68 kg/m2。可见，作业后最大回波强度和垂直液态含水量在有效时间段内比作业前明显减弱，为防雹作业正效果提供进一步依据。

4结论与讨论

在TREC算法上，初步实现了高炮催化区跟踪方法在湖南的个例分析。选用2015年湖南长沙、岳阳2个自然降水过程和多个跟踪区域进行连续跟踪，从竖直、水平方向上验证移动位置合理性；选择湖南郴州桂阳一次高炮防雹作业，对催化区回波进行跟踪，验证跟踪方法在湖南本地化可行性，并对催化区内最大反射率、垂直液态含水量进行了统计计算。

结果表明，高炮作业催化区跟踪方法在湖南未作业个例中，对假设“高炮催化区”进行跟踪，跟踪位置合理；

高炮作业催化区跟踪方法在湖南防雹作业个例中，对高炮作业催化

区内最大反射率、垂直液态含水量等回波参数进行了计算，方法合理。

但高炮催化区跟踪方法仍然需要多地区多实例进一步验证，另外，除了统计催化区回波参数外，如何选择有效的对比区域也很重要，对比区域的选择为未来研究内容之一；由于催化区半径采用催化时间可达范围的最大值，而实际催化区是随着催化剂扩散而变化，如何改进算法并将催化半径定为变量也为未来研究的重要方向。

参考文献

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[6] 汪玲，刘黎平.人工增雨催化区跟踪方法与效果评估指标研究[J].气象，2015，41（1）：84-91.

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