洱海初夏人工增雨作业条件和效果分析

2022-05-25张振秀朱淳源

云南大学学报（自然科学版） 2022年3期

张振秀，朱淳源，陈焘

(大理州气象局，云南大理 671000)

洱海是大理人民赖以生存的母亲湖，对流域地区社会经济发展和人民生活质量提高起着举足轻重的作用.近年来随着气候环境的改变，洱海流域干旱灾害时有发生[1-2]，人工增雨作业是在有利的天气条件下向正在发展的降水云中播撒催化剂，争取更大的降水效率，是开发利用空中云水资源的主要途径[3-4].目前国内很多地方均开展了人工增雨作业，在作业前分析作业条件有利于科学开展人工增雨作业，唐林等[5]分析得出湖南夏秋干旱期人工增雨作业的4 类有利天气形势，并且给出了当地主要作业对象云的宏观和微观判别指标.唐熠等[6]分析桂林秋季适合人工增雨作业的大气环流背景和雷达回波，总结得出主要增雨作业云为系统性对流云带.孙晶等[7]利用人工影响天气数值模式分析中国南方高温旱区三类云系降水过程的云结构和冷云催化增雨作业条件.张腾飞等[8]分析云南多年有效飞机增雨作业典型过程，得到有利的环流背景气象条件和作业云系宏微观参量特征.

人工增雨作业后进行效果检验有利于积累经验，目前主要有统计检验、物理检验和数值模拟检验[9].统计检验是利用雨量资料客观评价试验效果.王婉等[10]在对非随机化试验进行功效数值分析后，选择区域对比、双比分析和区域历史回归试验对北京市2002—2007 年人工增雨作业进行了效果总评价，结果表明人工增雨效果较为显著.翟晴飞等[11]利用区域历史回归统计分析方法，对辽宁一次人工增雨作业过程进行效果检验，发现统计变量的选取是人工增雨作业效果检验的关键.物理检验是从物理机制出发比较作业前后相应物理量指标变化.张瑞波等[12]利用GPS 仪和新一代天气雷达资料，对广西一次人工增雨作业效果进行物理检验，表明催化作业使雷达回波增强.崔丹等[13]对一次人工增雨作业过程的多普勒雷达数据进行检验，结果显示目标区最大强度、强回波面积、液态水含量和回波顶高的增大率大于对比区.数值模拟检验是宏微观耦合的全过程理论分析方法.高茜等[14]利用中国气象局科学研究院（Chinese Academy of Meteorological Sciences，CAMS）中尺度云分辨模式进行人工催化数值试验，结果表明在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加.刘香娥等[15]利用加入碘化银冷云催化模块的中尺度数值模式WRF 对一次增雨作业过程进行了催化数值模拟研究，探讨了增雨的效果和机理.2019 年4 月中旬至5 月底大理州多日无有效降雨，持续晴热高温少雨，气象干旱发展迅速，特别是入夏之后，大部分地区处于重度气象干旱，洱海流域也出现不同程度旱情，对工农业生产和群众生活造成重大影响.6 月大理州人工影响天气中心根据天气形势，抓住有利时机积极开展人工增雨作业.本文利用NCEP 1°×1°再分析资料、大理新一代多普勒天气雷达资料和激光雨滴谱仪资料分析了2019年6 月1 日（简称“06.01”过程，下同）和14 日（简称“06.14”过程，下同）增雨作业过程，并对增雨效果进行了简要分析检验.

1 资料与方法

本文雷达数据使用大理新一代多普勒天气雷达（CINRAD/CC）数据，雷达位于大理市文笔山（100.397 8°E、25.608 3°N），海拔2 915 m，探测半径150 km，时间分辨率6 min.地图底图为雷达厂商安徽四创电子股份有限公司VectorMap2.0 软件生成，采用的地图数据为中国行政区域电子地图（http://www.oogps.com/xingzheng/）.洱海流域受苍山大地形影响，地物回波明显，分析时筛除在苍山位置有较高反射率因子并且径向速度接近零速度值的回波.

本文雨滴谱仪数据为安装在苍山东坡阳和站（100.162 5°E，25.667 5°N，海拔2 162 m）与双阳站（100.121 9°E、25.723 9°N，海拔2 176 m）的Parsivel2雨滴谱探测仪观测资料，数据分辨率为1 min.分析的降水强度为探测系统数据记录，然后参考陈子健等[16]的方法求得雨滴谱仪每分钟第i档的雨滴尺度谱分布：

式中，N(Di)是雨滴数浓度（单位：个·m−3·mm−1）；nij是第i尺度档和第j速度档的雨滴个数；S为有效采样面积（单位：m2）；Δt是采样时间（单位：s），ΔDi是对应的雨滴平均直径间隔（单位：mm）；Vj是第j档雨滴的平均下落速度（单位：m·s−1）.

2 作业条件分析

2.1 “06.01”过程天气背景2019 年6 月1 日08:00 500 hPa（图略）中纬度大槽东移至华北平原、四川盆地一线，青藏高原东南部为槽后偏北气流.700 hPa（图略）中纬度高空槽槽后西北气流到达青藏高原东南部时转向为东北气流与偏西气流在云南东北地区形成切变，东北风强盛.20:00 时500 hPa 中纬度槽东移，云南北部为槽后西北气流，冷空气侵入洱海流域（图1（a））.700 hPa 上东北风与偏西风的切变线向西南方向移动至云南中部，洱海流域位于切变线前沿（图1（b））.

洱海流域21:39 开始增雨作业，20:00 时700 hPa 上云南相对湿度（图略）以切变线为界呈东北低西南高的形势，洱海流域为85%以上的高湿区，并且在切变线附近水汽通量散度为负值辐合，洱海流域处于水汽辐合中心.从相对湿度剖面图上看（图1（c）），洱海流域（100°E）附近地面至400 hPa相对湿度基本为60%以上的湿区，700～600 hPa之间为80%以上的高湿区，人工增雨作业具备有利的水汽条件.假相当位温垂直剖面上洱海流域700 hPa 以下和400 hPa 以上为345 K 的高区，而中间为340 K 以下的低区，大气层结位势不稳定.垂直速度剖面图上（图1（d））洱海流域附近自地面到高空基本为负值上升运动，101°E 上空650 hPa 有负值中心.散度在101°E 上空700 hPa 以下为负值辐合中心、700～500 hPa 为正值辐散中心，洱海流域处于低层辐合高层辐散的结构，有助于上升运动发展.20:00 洱海流域0 ℃线约在550 hPa，上升运动到达零线以上，有利于水汽和催化剂向上运动碰并凝结增长.

图1 2019 年6 月1 日20:00 高空环流形势和四要素沿25°N 垂直剖面Fig.1 The circulation pattern and four elements are vertically profited along 25°N at 20:00 on 1 June,2019

2.2 “06.14”过程天气背景2019 年6 月13 日20:00 高空500 hPa（图2（a））中纬度大槽在华东沿海，华中为高压脊控制，副热带高压位于中南半岛，洱海流域为偏西风，同时印度半岛有高压，两高压之间形成孟加拉湾低压，低压外围西南气流影响缅甸地区.700 hPa（图略）孟加拉湾东部为明显低压槽，自孟加拉湾东岸到云南西南边缘为西南风控制.14 日08:00 时500 hPa（图2（b））孟加拉湾低压槽东移，副热带高压南移，洱海流域为孟加拉湾低压槽前西南气流影响.700 hPa 孟加拉湾低压槽东移，洱海流域为西南风控制.

09:54 洱海流域开始增雨作业，08:00 时700 hPa上云南相对湿度较大基本在80%以上，大值中心在滇西南，洱海流域为90%以上，相对湿度垂直剖面（图2（c））也可以看到100°E 以西从地面到高空基本为85%以上的高湿区，孟加拉湾低压槽槽前气流湿度较高.同时700 hPa 水汽通量散度上（图略）滇西南为负值辐合中心，西南气流引导水汽自孟加拉湾输送到云南，洱海流域开展人工增雨有良好的水汽条件，并且水汽比“06.01”过程充沛.但是假相当位温洱海流域300 hPa 以下基本为350～355 K 之间，随高度变化不明显，不稳定条件没有“06.01”过程好.垂直速度上（图2（d））也可以看到洱海流域730 hPa 以下为负值上升运动，高空大部分地区为正值下沉运动，0 ℃线在520 hPa 左右，故“06.14”过程作业前洱海流域上升运动条件没有“06.01”过程好.

图2 2019 年6 月13—14 日500 hPa 高空环流形势和四要素沿25°N 垂直剖面Fig.2 The circulation pattern of 500 hPa and four elements are vertically profited along 25°N on 13−14 June,2019

2.3 作业前雷达回波特征分析“06.01”过程作业前雷达回波特征（图略），19:00 起苍山以西漾濞地区有降水回波生成，在东移的过程中不断发展，至19:28 洱海流域南部有块状降水回波自西向东移动，位置偏南.至19:46 在阳和作业点以西约20 km 的地方有降水回波生成，20:15 回波到达苍山，阳和作业点20:39 开始开展增雨作业，目标云为混合云，至20:38 作业点附近组合反射率强度为37.8 dBz，回波顶高为5.5 km，垂直积分液态水含量（Vertical Integrated Liquid water，VIL）达0.4 kg·m−2，0.5°仰角速度为辐合结构.

分析“06.14”过程作业前雷达回波特征（图略），08:02 在漾濞西部有混合云降水回波生成，中心回波强度达39.5 dBz，回波顶高达7.4 km，VIL 为0.9 kg·m−2，回波向东北方向移动的过程中南部回波减弱、北部回波稳定，降水区域向北移.09:01 回波越过苍山后强度减弱，洱海流域南部回波基本消散，北部回波减弱至30 dBz，但是回波面积较大.永兴作业点于09:54 开展增雨作业，目标云也为混合云，至09:48 作业点附近的回波强度为32.6 dBz，回波顶高6.6 km，VIL 达0.4 kg·m−2.

3 增雨效果检验

3.1 雷达产品分析“06.01”过程中，洱海流域20:39 开始增雨作业，选定影响区和对比区（图3）.20:38 影响区中心强度为37.8 dBz、高度为3.1 km，回波顶高为5.5 km，VIL 为0.4 kg·m−2，大于30 dBz的回波面积约有15 km2；对比区中心强度为39.2 dBz、高度为4.0 km，回波顶高为6.6 km，VIL 达0.8 kg·m−2，大于30 dBz 的回波面积约有20 km2，两者相比对比区回波略强.增雨作业12 min 后（20:50）影响区大于30 dBz 的回波面积明显增大，回波中心强度为38.3 dBz、高度为3.1 km，回波顶高为5.2 km，VIL 为0.4 kg·m−2，回波强度基本维持.而对比区中心强度为38.6 dBz、高度为3.5 km，回波顶高为4.4 km，VIL 为0.4 kg·m−2，大于30 dBz 的回波面积减少至10 km2，回波处于减弱趋势.21:08 影响区回波中心强度为37.7 dBz、高度为3.1 km，回波顶高5.6 km，VIL 为0.6 kg·m−2，大于30 dBz 的回波面积略减小，而对比区中心强度为34.5 dBz，回波顶高为5.4 km，VIL 降至0.2 kg·m−2，大于30 dBz 的回波明显溃散.之后影响区回波开始减弱，至21:37影响区和对比区回波均减弱至30 dBz 以下，并且逐渐消散.如表1 所示，对比区的回波为持续减弱趋势，而影响区作业后回波强度维持约30 min 后才减弱，并且大于30 dBz 的回波面积明显增大，雷达回波变化表明此次增雨作业效果明显.

图3 2019 年6 月1 日作业后雷达组合反射率Fig.3 The composite reflectivity of radar after operation on 1 June,2019

表1 2019 年6 月1 日作业后雷达参数对比Tab.1 The comparison of radar parameters after operations on 1 June,2019

“06.14”过程中，09:54 洱海流域开展增雨作业，选定影响区和对比区（图4）.09:54 影响区中心强度为36.7 dBz、高度为4.8 km，回波顶高为7 km，VIL 为0.6 kg·m−2，大于30 dBz 的回波面积约25 km2；对比区中心强度为34 dBz、高度为4.7 km，回波顶高为6.6 km，VIL 为0.5 kg·m−2，大于30 dBz 的回波面积约22 km2.12 min 后（10:06）影响区回波中心强度升至38.8 dBz、高度为4.8 km，回波顶高为7.5 km，VIL 达0.8 kg·m−2，大于30 dBz 的回波面积增至50 km2.而对比区中心强度下降为32.2 dBz、高度为4.8 km，回波顶高为7.7 km，VIL 为0.4 kg·m−2，大于30 dBz 的回波面积明显减少.至10:17 影响区回波减弱，回波中心强度为34.8 dBz、高度为4.9 km，回波顶高为6.5 km，VIL 为0.5 kg·m−2，大于30 dBz的回波面积明显减少.对比区中心强度为32.4 dBz、高度为4.9 km，回波顶高为6.8 km，VIL 为0.4 kg·m−2，相较10:06 回波强度维持，大于30 dBz 的回波面积相差不大.10:55 回波基本降低至30 dBz 以下，两块回波稳定向东北方向移动.如表2 所示，作业后影响区回波明显增强、强回波面积增大，而对比区的回波强度、强回波面积均减弱，雷达回波变化说明人工增雨效果明显.

表2 2019 年6 月14 日作业后雷达参数对比Tab.2 The comparison of radar parameters after operations on 14 June,2019

图4 2019 年6 月14 日作业后雷达组合反射率Fig.4 The composite reflectivity of radar after operation on 14 June,2019

总之，2 次初夏抗旱人工增雨作业目标云均为混合云，中心强度在35～40 dBz 之间，回波顶高约为5～7 km，VIL 大于0.4 kg·m−2，低层速度辐合，回波移动速度较快.从雷达回波变化分析，2 次人工增雨作业均有效果，作业12 min 后雷达回波有明显变化，强度增强，VIL 增大，大于30 dBz 的回波面积明显增大，30 min 后回波开始减弱，1 h 后回波减弱至30 dBz 以下.

3.2 区域站降水分析“06.01”过程洱海流域自20:00 起出现降水，降水区域主要在南部.20:39—20:58 开展增雨作业，作业后21:00—22:00 降水量（图5（a））影响区（圆圈内）最大为大理站5.5 mm，3 mm 以上有5 站，而非作业区降水相对较小，增雨作业有明显效果.

“06.14”过程作业后10:00—11:00 降水量（图5（b））相比较少，但是影响区（圆圈内）3 个站点降水量在1 mm 以上，洱海流域其余地区基本在1 mm 以下，增雨作业也有效果.

3.3 雨滴谱仪资料分析从“06.01”过程增雨作业前后降水强度变化（图6）可以看到，阳和站20:21起开始出现降水，降水强度逐渐增大，至20:31 达到2.5 mm·h−1后处于较稳定状态，20:39 开展增雨作业后降水强度上升至5.3 mm·h−1，之后下降但基本维持在3 mm·h−1以上，期间20:54 出现极大值6.05 mm·h−1，21:03 下降至3 mm·h−1以下.双阳站20:43 起有明显降水，20:47 开展增雨作业后降雨强度明显上升，至20:51 降水强度上升至最大8.3 mm·h−1，21:04 降低至3 mm·h−1以下.

图6 2019 年6 月1 日20:00 至21:40 降水强度变化Fig.6 Changes of rainfall intensity during 20:00—21:40 on 1 June,2019

图7 为雨滴数浓度随雨滴直径的时间演变，阳和站在作业之前雨滴谱数浓度较低，均在200个·m−3·min−1以下，在20:39 作业后雨滴谱数浓度出现了较明显的跃增，雨滴数浓度最大值达到了490 个·m−3·min−1，但谱宽增加不明显，主要是雨滴直径1 mm 以下的小粒子，且呈现单峰特征，峰值在0.44 mm.双阳站作业前有零星阵雨，20:47 作业后，雨滴谱数浓度出现跃增，最大值达到230个·m−3·min−1，但谱宽依然较小，同样也呈现单峰型特征，峰值在0.44 mm.所以增雨作业虽有效果，但是降水量小.

图7 2019 年6 月1 日20:00 至22:00 雨滴数浓度随直径的时间演变Fig.7 Temporal distribution of number concentration of raindrops varies with diameter during 20:00—22:00 on 1 June,2019