宁夏六盘山区一次人工增雨条件观测分析和效果评估

2022-10-24常倬林党张利邓佩云

气象研究与应用 2022年3期

常倬林，党张利，贾乐，曹宁，邓佩云，周楠

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2.中国气象科学研究院中国气象局云雾物理重点开放实验室，北京 100081）

引言

西北地区东部位于我国内陆，由于降水稀少，蒸发较强烈，所以水资源短缺，生态环境相对脆弱［1］。六盘山是一条近似南北走向的山脉，六盘山区位于宁夏南部，是宁夏最主要的多雨中心，年降水量可以达到600mm 以上［2-3］，在六盘山地区开展人工增雨作业以及多种仪器综合观测分析，有利于进一步掌握增雨作业效果和降水特征，为开发六盘山区云水资源，解决西北地区东部水资源短缺问题提供重要依据［4-6］。在降水过程观测分析方面，很多学者通过特种观测设备或探空数据、再分析资料等数据资料进行了详细的分析，得到降水过程中各种特征参量的变化或降水产生的成因［7-10］。李强等［11］利用区域自动站资料、再分析资料、多普勒雷达资料以及FY-2G 静止卫星逐小时红外亮温资料，对六盘山地区的一次暴雨过程进行了详细的诊断分析。白婷、田万顺等［12-13］利用再分析资料、卫星、雷达及飞机等探测资料，对河南一次降水过程中的人工增雨作业条件进行了综合分析。李宝东等［14］利用飞机探测资料与卫星、雷达以及探空等资料结合分析，对一次层状云增雪作业的技术指标进行探讨，并给出了微物理参量以及卫星、雷达等资料在人工影响天气作业中的应用。杨云芸等［15］利用风云卫星观测资料和再分析资料对主汛期湖南一次强降雨过程进行分析和降水成因的探讨。本文针对一次降水天气过程，利用微波辐射计、三维风速仪、云雷达以及微雨雷达等特种观测设备的数据资料进行综合分析，对该降水情况下的水汽场、动力场和微物理场特征进行探究，同时对人工地面火箭增雨作业的增雨效率进行评估，有利于了解降水情况，更有效率地开展人工增雨，缓解干旱。

1 资料与方法

1.1 数据资料

使用的资料为2021 年7 月25—28 日500hPa天气图、500hPa 及700hPa 高度场和风场、海平面气压场、500hPa 相对湿度场资料，六盘山西侧隆德站和东侧泾源站微波辐射计资料，六盘山8 个梯度站三维超声风速风向仪观测资料，六盘山顶及东西两侧3 部云雷达和微雨雷达观测资料。

其中六盘山西侧隆德站微波辐射计使用的是德国RPG-HATPRO-G4 型多通道微波辐射计，采用并行42 通道设计，六盘山东侧泾源站微波辐射计使用的是中国电子科技集团公司第二十二所QFW-6000型，可以探测地面至对流层顶的温度、相对湿度、水汽密度廓线、液态水廓线、大气水汽含量和液水路径等。三维超声风速风向仪使用的六盘山大气科学野外试验基地建立的8 个梯度观测站数据，可以测量水平和垂直风速与风向。云雷达使用的是西安华腾HT101 型Ka 波段测云仪，可探测20km 内非降水云、弱降水云、弱降水等气象要素的反射率因子、径向速度、速度谱宽等相关信息。微雨雷达使用的是德国MRR-2 型雷达，可以通过测量多普勒光谱的廓线，获得雨滴大小分布、下落速度、液态水含量、雷达反射率因子、多普勒速率、路径综合衰减等信息。

1.2 研究方法

在作业效果检验中使用序列分析、区域对比分析、双比分析和区域历史回归分析等统计检验方法。在序列分析中不涉及到对比区，在区域对比分析、双比分析中和区域历史回归分析中，在作业区下风方向8km 范围内为影响区，对比区选择时主要基于以下几个原则：一是与影响区为同一天气系统影响，二是在对比区上风方向且地形地貌相似，三是两者历史降水量的相关系数在0.8 以上且通过置信度为95%的检验。

四种统计检验方法计算如表1 所示，R 为相对增雨率，O 为绝对增雨量，其中序列分析法中Y1和Y2为影响区非作业期和作业期实测降水量，区域对比分析中Y2和X2为影响区和对比区作业期实测降水量，双比分析中Y2和Y1为影响区作业期和非作业期实测降水量，X2和X1为对比区作业期和非作业期实测降水量，区域历史回归分析法中Y1和Y2为作业期对比区根据回归方程计算出来的自然降水量的估计值和实测降水量。

表1 4 种统计检验方法

2 天气背景分析

2.1 天气实况

7 月25 日夜间到28 日白天六盘山区出现连续性降水天气。其中26 日六盘山区普降小雨，最大累计雨量为6.1mm；27 日六盘山区大部出现雷阵雨或阵雨天气，西吉县兴隆镇公易村出现短时强降水，最大小时雨强为36.4mm（17 时）；28 日仍为对流性降水，最大累计雨量为15.7mm。具体降水量分布见图2。由于六盘山顶及东西两侧布设了微波辐射计、云雷达、微雨雷达等特种观测仪器，进一步分析六盘山西侧隆德站、东侧泾源站、山顶六盘山站25 日20 时至28 日20 时逐小时雨量。可以看出，六盘山东侧泾源站降水为阵雨，累计雨量为1.4mm，26 日12—13时、28 日19 时三个时次出现降水，小时雨强均小于1mm；六盘山西侧隆德站26 日为层状云降水，27 日午后出现雷阵雨，16 时小时雨强为10.4mm，28 日为雷阵雨或阵雨，累计雨量为23mm。

2.2 天气形势

7 月26 日08 时500hPa 位于青藏高原东部的低涡东移影响六盘山区，六盘山区转受槽前西南气流影响，此时六盘山区相对湿度＞90%；700hPa 六盘山区仍为偏北气流影响，相对湿度在60%左右，有弱冷空气影响。27 日08 时500hPa 六盘山区受东北冷涡槽后西北气流影响，槽线位于蒙古国东部至内蒙中部到陕西西部一带，上游河西地区有短波槽东移。700hPa 受台风外围环流影响，六盘山区为东北气流，上游河西地区有弱切变。CAPE 值为392J／kg，K 指数＞30，有不稳定能量存在，预示午后可能出现强对流天气。28 日08 时500hPa 六盘山区仍受东北冷涡槽后西北气流影响，槽线位于蒙古国东部至内蒙中部到陕西西部一带，槽线位置和27 日08 时相比略有偏西。700hPa 为西南气流，六盘山区受切变线影响。到20 时500hPa、700hPa 转为北风并且相对湿度减小到60%以下，降水基本结束。

3 水汽动力及云宏微观特征分析

3.1 水汽场特征分析

从26—28 日六盘山东西两侧微波辐射计反演的大气水汽含量（IWV）和云液水路径（LWP）的变化来看，整个过程中六盘山西侧大气水汽含量明显高于六盘山东侧。但是六盘山东侧的云液水路径要高于六盘山西侧。由于发生降水时微波辐射计反演的大气水汽含量与云液态水含量结果不准确，因此只针对无降水时定量反演结果做具体分析，有降水时的反演结果只做趋势分析。可以看出六盘山西侧大气水汽含量大约在25～48mm，云液水路径在0～7mm；六盘山东侧大气水汽含量大约在12～40mm，云液水路径在0～8mm。无降水时整个过程大气水汽含量和液水路径都呈现出微弱的下降趋势，六盘山西侧大气水汽含量大约在25～32mm，云液水路径在0～1mm；六盘山东侧大气水汽含量大约在12～23mm，云液水路径在0～1mm；出现降水时大气水汽含量与液水路径都出现了跃增现象。

3.2 动力场特征

六盘山顶出现降水的主要时段在26 日10 时—16 时，27 日15—16 时，27 日20—28 日01 时，28 日15—18 时，26 日降水前水平风速为6m·s-1，降水开始后水平风速开始上升到12m·s-1，在小时降水超过1mm 后，水平风速开始逐渐下降，水平风向由降水前西北风转换为东北风，垂直风速的变化与水平风速变化相近，由降水前1.5m·s-1增加到2.1m·s-1，在小时降水达到1mm 后开始逐渐下降（图1）。27 日六盘山顶风向在降水前为西北风，降水开始后由西北风转为西南风，水平风速变化比较复杂，整体上呈现上升的变化，升中有降，垂直风速在降水开始后首先出现了下沉气流，而后开始变为上升气流。28 日降水前东北气流在降水开始后变为西北气流，水平风速和垂直风速呈现出逐渐增加的变化。

图1 六盘山顶水平风速风向及垂直风速等变化图

东坡降水开始前风向为北风，水平风速6.0m·s-1以下，垂直风速为0.02m·s-1，降水开始后风向调整为稳定的北风，水平风速增强，水平风速6.5m·s-1以下，垂直风速为0.03m·s-1，西坡降水开始前北风和西南风，水平风速稳定，水平风速为2.7m·s-1，垂直风速为1.05m·s-1以下。降水开始后风向为北风和西南风，水平风速增加，水平风速在5.2m·s-1，垂直风速为1.00m·s-1。

3.3 基于云雷达的云宏微观特征分析

7 月26 日，云系以层状云降水特征为主，各站在4.5km 左右有一明显的0℃层亮带，云系的生消在降水前、中、后期有多层-单层-多层的结构特征，降水前为云底高为9km，云顶高为13km 的高层云，降水期为云顶高在9km 左右的深厚的接地云系，降水结束期，为云底高在6km 以上的中高层云系，云系减弱消散。回波强度大小表现为六盘山站最强，其次是东坡的泾源和大湾站，西坡的隆德站最弱。降水期间，云体内回波强度均有剧增现象。

7 月27—28 日，云系的生消特征在降水前、中、后期有多层-单层-多层的结构特征，主降水时段，4.5km 左右有一0℃层亮带，其中六盘山站最为明显，相较于26 日的降水过程，云体内对流性特征更为明显，云体内回波强度的较大值生消变化剧烈，云内粒子湍流运动较强。回波强度大小表现为六盘山站最强，其次是东坡的泾源及大湾站，西坡的隆德站最弱。

3.4 基于微雨雷达的云宏微观特征分析

7 月26—28 日，隆德、六盘山及大湾三站出现了融化层亮带，融化层的高度在4000～4500m 之间，固态水凝物粒子在4000m 左右完全融化后下落速度达到最大值，在融化层以下下落速度几乎不变。

26 日07 时开始，六盘山顶及东西两侧出现了回波强度大于20dBZ 的回波，降水开始；26 日13 时降水结束，回波为晴空回波，三站回波强度大致相同，六盘山顶融化层高度稍高于其东西两侧的大湾和隆德站。27 日六盘山西侧隆德站14∶00—16∶00 出现了对流性降水，隆德站微雨雷达回波强度由晴空回波增加到50dBZ，且强回波接地，其粒子的下落末速度达到11m·s-1，该时段是此次过程小时降水最大时段，隆德站14 时小时降水达到5.5mm，15 时小时降水达到10.4mm，回波强度、下落末速度明显高于六盘山顶及其东侧的大湾。28 日，六盘山顶及东西两侧对流云降水特征比较明显。六盘山站的最大雷达反射率因子为47.58dBZ，隆德站为52.64dBZ，大湾站为54.45dBZ，东坡最强，其次是西坡，山顶最弱。六盘山站下落末速度的最大值为11.61m·s-1，隆德站为11.5m·s-1，大湾站为11.87m·s-1，东坡最大，其次是山顶，西坡最小。

4 人工增雨作业效果评估

7 月28 日在隆德关庄进行地面火箭作业，作业时间为15∶22—15∶23，仰角45°，方位为正北方向。根据雷达回波图，可以看出雷达回波移动方向为西北-东南走向。

根据7 月28 日人影作业情况，结合作业高度风向风速和雷达回波移向移速，将作业点上风方20km以内的区域定为作业影响区，影响区确定好后，根据对比区选择的原则，选取多个不同的备选对比区，计算与其作业影响区的相关系数，以相关系数最大区域，作为最终选取的对比区。影响区内共有雨量站点18 个，对比区共有雨量站点9 个。

通过以上选取的影响区与对比区，采用序列分析、区域对比分析、双比分析、区域回归试验四种方法分布进行统计检验，以日雨量作为统计变量。从表2 中可以看出，区域历史回归分析、序列分析有正效果，显著性水平小于0.05，其他均未通过显著性检验，其中区域历史回归分析绝对增雨量为4.2mm，相对增雨率为75.3%。