洱海流域一次人工增雨实验雨滴谱特征分析

2021-11-04朱淳源张振秀

云南地理环境研究 2021年4期

朱淳源，陈焘，张振秀

(大理州气象局，云南大理 671000)

0 引言

人工增雨催化后，云和降水是否产生了预期的明显变化，地面的降水是否增加，是人们进行人工增雨活动所特别关注的问题。物理检验是人工增雨效果评估的主要方法之一，主要根据云和降水的形成以及人工增雨的物理机制，通过各种观测手段，探测出相应的宏观动力学效应和微观物理效应，作为效果指标来比较作业前后这些指标是否有显著的变化。由于各种宏观和微观参量受多种因素的制约，都存在着相当大的自然变率，要检测出人工增雨的效果，需要对作业方案进行科学合理的设计。

激光雨滴谱仪可以连续观测雨滴直径和雨滴下落速度，在此基础上可以计算出雨滴浓度、雨滴谱、雨强、雷达反射率因子等各种降水参量，可以用来分析云降水微物理特征，了解自然降水的微物理过程，陈宝君、刘俊等先后开展了有关研究并取得成果[1-2]。近年来，国内雨滴谱的应用研究得到了更大的发展，濮江平等[3]利用雨滴谱仪观测降水粒子谱，发现与卫星计算的云顶有效粒子半径时间变化趋势有较好的一致性。房彬等[4]分析辽宁雨滴谱资料，发现直径小于1 mm的降水粒子对数浓度的贡献最大。潘雯菁等[5]分析了南京青奥会人工减雨作业前后南京站雨滴谱的变化，发现作业影响后谱宽变窄，粒子最大直径、众数直径明显变小，粒子总数浓度与不受催化影响的站负相关。陈光学等[6]利用河北和北京观测的雨滴谱资料分析了人工增雨效果，结果显示含水量、雨滴数浓度、雨滴平均直径等参量在作业前后都有明显变化。另外，增雨火箭被广泛应用于人工增雨防雹作业，其作业效果也有评估[7-9]。

2019年9月，大理州人工影响天气中心引进德国OTT公司生产的Parsivel2激光雨滴谱仪，布设于洱海流域人工增雨试验场，为了有效地检验人工增雨效果，设计了地面火箭增雨作业方案，并对2020年1月4日洱海流域一次增雨作业过程进行了初步对比分析。

1 实验设计

1.1 试验期影响天气系统

2020年1月4日受南支槽影响洱海流域有人工增雨作业天气条件。如图1所示，图中黑色圆点为洱海流域所在位置，1月4日08时500 hPa高空图上，东移的南支槽到达90°E，槽前西南气流影响云南地区，风速较大。对应700 hPa上云南至孟加拉湾均为西南风控制，沿着气流方向有带状水汽通量大值区，滇缅地区有水汽通量散度负值中心，洱海流域也为水汽辐合区，有开展增雨作业需要的水汽输送条件。沿25°N剖面的垂直速度上看，洱海流域(100°E)以西自地面到高空200 hPa基本为负值上升运动，600 hPa有-2.0 Pa/s的负值中心，400 hPa有-2.5 Pa/s的负值中心，南支槽前有明显上升运动，开展增雨作业具备良好的动力条件。

图1 2020年1月4日08时(a)500 hPa高空图，(b)700 hPa高空图，(c)700 hPa水汽通量和水汽通量散度，(d)沿25°N剖面的垂直速度Fig.1 Upper chart of 500 hPa(a)，upper chart of 700 hPa(b)，vapor flux and vapor flux divergence of 700 hPa(c)，vertical velocity along 25° N profile(d)at 8∶00 on 4 January，2020

1.2 影响区和对比区的设置

根据本次实验过程主要影响天气系统的移向和高空引导气流的方向，把影响区设置在大理市大理镇A区(图2)，对比区设在增雨作业点西北洱源县凤羽镇B区(图2)，东西长30 km，南北长20 km，面积约600 km2。图中五角星为作业点位置，从南向北依次是阳和作业点，双阳作业点和凤羽作业点，激光雨滴谱仪及雨量站均设置在作业点处。

图2 影响区与对比区分布Fig.2 Distribution of influence area and contrast area

1.3 作业条件的选择

1.3.1 天气条件

本次试验过程作业天气条件为南支槽。

1.3.2 引导气流的方向

500 hPa高空风向为作业云引导风向，规定500 hPa风向为西风或西南风时适合作业。

1.3.3 作业云的回波参数

由设在大理市凤仪镇文笔山的新一代天气雷达(CINRAD/CC)提供作业云的回波参量，规定回波达到25 dBZ，回波顶高大于5.0 km以上条件时适合火箭作业。

2 增雨试验雨滴谱特征

2.1 雨滴谱数据质量控制

因受设备本身硬件限制和观测环境影响，OTT Parsivel2激光雨滴谱仪观测数据有时会出现粒径很小但速度很高(边缘效应)、粒径较大但速度偏低(风和溅散效应)现象，这些异常观测结果会对计算的降水微物理特征参量尤其谱分布产生影响。因此，对原始观测数据进行以下质量控制：对于粒子数<20个和雨强I<0.001 mm·min-1的样本(多是仪器噪声导致)予以剔除。

根据粒子直径D与粒子下落最大速度v的经验关系曲线式[10](1)将观测速度值偏离经验曲线计算值60%的数据进行剔除。

v(D)= 9.65-10.3exp(-0.6D)

(1)

考虑粒子大小对采样面积造成的误差，根据有效采样面积修正公式[11](2)对采样面积进行订正：

S=Length×(Width-Di/2)

(2)

式中：Length和Width分别是激光束的标准长度和宽度，即180 mm和30 mm；Di是第i档的平均直径；S是考虑降水粒子大小影响后的有效采样面积。

雨滴在下落过程中变形对观测造成的误差，根据雨滴形变修正公式(3)[11]进行订正：

(3)

式中：D是雨滴等效球形直径；Dpar是雨滴谱仪测得的雨滴直径。

2.2 增雨作业情况

本次试验过程采用BL-2型增雨火箭，发射方向均为西南，即系统来向，仰角均为55°，根据该型火箭弹道数据得知，催化剂播撒起点射高2.35 km，射程1.87 km；播撒终点射高3.03 km，射程3.19 km。2020年1月4日洱海流域火箭增雨作业情况见表1。

表1 2020年1月4日洱海流域人工增雨作业情况Tab.1 Artificial rain increase operation situation in Erhai Basin

2.3 人工催化对雨滴谱特征量的影响

根据火箭增雨作业前后雨滴谱分布的变化来评估增雨效果，在大理(作业区)和洱源(对比区)分别设立雨滴谱采集点，共获取雨滴谱720份(4 h×60 min×3雨滴谱仪)。通过对催化前后雨滴谱特征量的比较，包括含水量、雨滴空间浓度、雨滴平均直径，以及计算雨强等，分析增雨催化对雨滴谱特征量的影响。

表2是阳和、双阳两个作业点作业前后两个雨滴谱分钟数据，可以看出4次作业中雨滴谱反演含水量、空间浓度、平均直径及雨强等特征量催化作业后都较催化前有所增加，仅有双阳、阳和各1次的空间浓度略有降低，原因与其平均直径增大有关。

表2 催化对雨滴谱特征量的影响Tab.2 Effect of catalysis on the characteristic quantity of raindrops spectrum

按雨滴谱的直径大小，将雨滴分为大、中、小3个等级，其中将直径d<0.6 mm的液滴划分为小滴，中滴为直径0.6 mm≤d<2.0 mm，大滴直径d≥2.0 mm。通过3个等级的液滴特征量的变化(表3)，描述催化作业对雨滴谱影响的物理意义。

表3 催化对不同大小雨滴谱特征量的影响Tab.3 The influence of catalysis on the spectral characteristics of different sizes

表中可以看出，阳和作业点两次作业催化后大滴、中滴的各项特征量较之催化前均有增大，其中以大滴的增加尤为显著，而小滴各特征量则均有减少。双阳作业点两次催化后中滴、小滴各特征量均有显著增加，且以中滴增加较为显著，究其原因是催化剂增加云中凝结核，使水汽凝结碰并，最终表现为中、大滴浓度增加，小滴浓度减小。根据表中雨强及其权重可以看出，中、大雨滴对于雨强的贡献要远超小滴，同样反映出人工催化增雨可减少小粒子浓度和增加大粒子浓度这一物理现象。

以影响区第2次作业(作业时间为11∶05)为例，对比分析同时间段对比区凤羽作业点雨滴谱分布特征，图3是影响区(阳和点、双阳点)和对比区(凤羽点)作业前后半小时平均雨滴谱分布，a为作业前半小时平均雨滴谱，b为作业后半小时平均雨滴谱。

作业前半小时(图3a)，3地雨滴谱均呈现出单峰结构，且波峰均在0.437 mm直径处。1 mm以下粒子数浓度以凤羽点最大，1 mm以上粒子浓度阳和、双阳则略大于凤羽点，而谱宽双阳、阳和则小于凤羽一个直径档。作业后半小时(图3b)，阳和、双阳两处0.6 mm以下小粒子浓度显著降低，0.6～2.0 mm中等粒子浓度则明显增加，尤以双阳点增加最显著，且两地滴谱均由作业前的单峰转变为双峰结构。对比区凤羽点滴谱峰值粒子直径增加至0.687 mm，但滴谱分布结构与作业前一样，谱宽则小于阳和、双阳一个直径档。从作业前后半小时的平均雨滴谱分布同样可以看出，人工催化增雨使得云中小粒子浓度将小，中等和大粒子数浓度增加。