一次降水天气过程云垂直结构特征及作业效果评估分析

邓佩云，林 彤*，何 佳，周积强，常倬林

（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，宁夏银川 750002；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081；3.宁夏回族自治区气象灾害防御技术中心，宁夏 银川 750002）

宁夏位于西北干旱地区，水资源利用“中度失调”，严重制约地区经济发展，而随着宁夏工业化、城镇化的加快推进，蓄水量将大幅增加，用水形势将更加严峻[1-4]。六盘山位于宁夏南部地区，其作为西北地区东部的主要山脉，维系着西北内陆地区的空中水汽输送，是重要的水源涵养林基地及雨养农业区，也是宁夏生态保护红线“三屏一带五区”的重要生态屏障之一，因此，对于六盘山区云水资源的开发是当前生态环境建设中亟须解决的问题[5-6]。关于六盘山区云垂直结构特征的研究，是评估区域空中云水资源利用潜力的重要途径之一。该研究可为当地降水预测以及人工增雨作业方案提供可参考性依据，对缓解干旱缺水，防御气象灾害，改善当地人民的生活、生产水平具有重要作用。

研究表明，云垂直结构可有效反映云体内部热力和动力特征以及微物理过程，在辐射收支、能量平衡、水汽循环等方面对地气系统起着重要作用[7-8]。云与降水可改变区域辐射状况，进而影响大气环流与天气气候，在全球变暖的背景下，其重要性愈加受到学界的关注[9-12]。Ka 波段毫米波云雷达（以下简称云雷达）具有较短的波长，其对非降水云和弱降水云的探测能力要高于厘米波天气雷达，并且该设备具有小粒子探测能力，测速精度和空间分辨力较高，因此云雷达为研究云的垂直结构特性及预测云系发展提供了良好的技术支撑[13-15]。本文利用宁夏六盘山区六盘山气象站（以下简称六盘山站）及其西坡隆德气象站（以下简称隆德站）、东坡大湾作业点（以下简称大湾站）的云雷达资料，对六盘山区一次降水天气过程发生、发展时云系的垂直结构特征进行系统研究，明确六盘山及其东、西坡的云宏、微观特征的差异，并对此次过程中进行的地面火箭、烟炉作业效果展开评估分析，初步探讨在降水过程的不同发展阶段，六盘山区云的宏观参数特征以及进行地面人工增雨后云垂直结构特征的变化，以期为云和降水物理过程参数化方案等研究和应用提供可参考性依据。

1 资料来源

本文使用资料主要包括2021 年5 月14—15 日HT 101 型全固态云雷达资料、同期区域自动站（隆德站、六盘山站、大湾站）逐时降水量观测资料、MICAPS 4.0 常规资料和探空资料。六盘山位于青藏高原东部、黄土高原的西北边缘，其与南北向成近30°夹角，为近似南北走向。隆德站位于六盘山的西坡，大湾站位于六盘山的东坡。资料的具体情况如下。

（1）3 部HT 101 型全固态云雷达分别设置于六盘山站（35.67°N，106.20°E，2 845.2 m）、隆德站（35.60°N，106.14°E，2 078.6 m）以及大湾站（35.70°N，106.26°E，1 981 m）。该设备数据采集时间分辨率为5 s，垂直方向空间分辨率为30 m，探测范围可达10 km 以上高空，主要包括云底高度、云顶高度、云层数、云厚度、回波强度、径向速度以及速度谱宽等气象产品数据。

（2）三维超声波风速风向仪（Gill WindMaster 1 590-PK-020 型）资料来自于六盘山站，东坡山脚通信塔、东坡山腰、大湾炮点站，西坡六盘山梯度、峰台林场、杨家店村站。该设备数据输出频率为1 Hz，输出风速为0～45 m/s（精度为0.01 m/s），输出风向为0～359°。

（3）地面实测逐分钟降水资料来自宁夏地面基础气象资料服务平台。

（4）高度场和风场资料来源于MICAPS 4.0 高空实况资料。

（5）探空资料来源于甘肃平凉气象站（以下简称平凉站）。

2 降水实况及天气背景分析

2.1 降水实况

2021 年5 月14 日—15 日宁夏六盘山区出现连续性降水天气过程（图1），降水主要集中在14 日白天至15 日白天，其中六盘山站14 日08:23 降水开始，15 日19:02 降水结束，累积降水量为37.7 mm；隆德站14 日09:41 降水开始，15 日14:24 降水结束，累积降水量为19.1 mm；大湾站14 日07:10 降水开始，15 日19:35 降水结束，累积降水量为28.8 mm。

图1 2021 年5 月14—15 日六盘山区累积雨量分布图（单位：mm）

2.2 天气背景

由14 日08:00 500 hPa 风场和高度场可知（图2a），此次降水过程主要受高空东移短波槽及低空切变线的共同影响。在降水过程发生前，甘肃西部至青海有一短波槽，青海东部至四川东部有小槽维持，六盘山受高空槽前西南气流的影响。此外，700 hPa（图2b）贺兰山西侧有冷切存在，青海东部至甘肃南部有暖切维持，六盘山区有偏东风水汽输送并受热低压控制，低压中心位于宁夏东北侧，强度为997.5 hPa，其与上游甘肃西部冷高压配合，使得冷空气自西北向东南方向影响六盘山区。

图2 2021 年5 月14 日08:00 高度场和风场

2.3 物理量场分析

在此次降水过程中，动力、不稳定能量等因素起到了重要作用。本文利用距六盘山区最近的平凉站探空资料，对空间层结稳定性进行分析；利用六盘山东、西坡不同梯度代表站的三维超声风速仪资料，对此次过程的动力条件进行分析。

2.3.1 T-ln P 图 从平凉站T-ln P 图来看，2021 年5 月13 日20:00 整层湿度条件较差，CAPE 值达到928.2 J/kg，SI 指数达到1.86 ℃，整层大气有明显的不稳定能量，风随高度顺转，有暖平流存在，0 ℃层高度在500 hPa 与600 hPa 之间（图略）。14 日08:00随着降水的开始，不稳定能量得到释放，CAPE 值达到233.7 J/kg，SI 指数达到0.16 ℃，层结逐渐稳定，600 hPa 以下湿度条件转好，0 ℃层高度下降至600 hPa 附近（图3a）；20:00 整层湿度条件变好，400 hPa 以下几乎均为饱和状态，0 ℃层高度维持在600 hPa 附近（图3b）。15 日随着冷空气的入侵，中低层饱和湿空气厚度逐步减小，0 ℃层高度从600 hPa附近下降至700 hPa 以下，六盘山降水相态也随之发生变化，为此次降水提供了较好的不稳定条件（图3c～图3d）。

图3 2021 年5 月14—15 日平凉站T-ln P 图

2.3.2 动力场特征 此次降水过程中，六盘山区有低层偏东风辐合抬升和高层弱辅散的动力场配置（图略）。为进一步分析六盘山及其东、西坡动力条件的差异性，本文对六盘山站及东、西坡梯度站（东坡站点为东坡山脚通信塔、东坡山腰、大湾炮点，西坡站点为六盘山梯度、峰台林场、杨家店村）的三维超声风速仪数据进行分析。此次降水过程中，六盘山站的水平风速及垂直风速最强，降水前，风向为西南风；降水开始后，风向转为偏东风；降水过程中，下沉运动较为剧烈。东坡在降水开始前，风向为东南风，水平风速在2.0 m/s 以下，垂直风速为0.25 m/s，上升气流由原来强的下沉运动转为上升运动；降水开始后，风向调整为稳定的东南风，水平风速增强，在2.0 m/s以上，垂直风速为0.5 m/s，上升气流随着水平风速的增强而增强（图略）。西坡在降水开始前，山顶风向为东南风，水平风速逐渐减小，为2.5 m/s，垂直风速为0.03 m/s；降水开始后，风向逐渐转为东北风，水平风速先减小后增大，山顶水平风速最强，为6.0 m/s，垂直风速为0.02 m/s，上升气流运动强度减弱，随着水平风速的增加，大气下沉运动增强（图略）。此次降水天气过程中，大气上升运动的动力条件表现为六盘山站＞大湾站＞隆德站。

3 云雷达垂直结构特征分析

3.1 不同降水阶段的云垂直结构特征

3.1.1 回波强度 为了分析此次降水过程中六盘山站云系的垂直结构，本文对六盘山站、隆德站、大湾站云雷达反演的回波强度进行对比分析（图4）。从云系发展情况看，3 站云顶高均在4～7 km 波动。降水发生前，隆德站的云系最为深厚，最大值为6.8 km；其次为六盘山站，其最大云顶高度为5 km；大湾站的云系最为浅薄，最大云顶高度为4 km。从回波强度看，六盘山站次云系的回波强度最强，回波强度＞10 dBZ的时间较长；大湾站的回波强度次之；隆德站的回波强度最小。对3 站的具体分析如下。

（1）降水前期。此阶段，3 站云系均较为浅薄，以多层云为主，且均为接地云系。从云系的出现时间看，其首先于14 日04:00 在大湾站上空出现，即该站降水发生前的3 h 接地；六盘山站于14 日08:00开始出现云系，即该站降水发生前的30 min 开始接地；隆德站于14 日08:00 开始出现云系，即降水发生前的100 min 接地。

（2）降水期。降水开始时，3 站云体内回波强度均有剧增现象，增幅表现为六盘山站＞大湾站＞隆德站。在主要降水时段，各站均有一明显的4.2 km左右的0 ℃层亮带，为典型的层状云降水过程。随着降水过程的发展，0 ℃层亮带的高度逐渐降至3 km以内。从降水期间云系演变特征看，各站云系的演变趋势较为一致，大湾站的云系最为深厚，最高云顶高度达11 km；其次为六盘山站，其最大云底高度为10.2 km；隆德站的云系最弱，其最大云底高度为9.5 km。

（3）降水结束期。此阶段，各站云系云体内的回波强度有骤减现象，云系由深厚的单层云变为多层云，云系逐渐减弱至消散。

综上可知，六盘山站云系出现时间最早，维系时间最长，次云系的回波强度最强，回波强度＞10 dBZ的时间最长；回波强度次大值区域为大湾站；隆德站的回波强度最小。作为雷达测量降水量的技术数据，回波强度可有效表征降水情况。3 站云系回波强度的表征可初步印证此次过程中各站降水的持续情况，即六盘山站降水过程持续时间最长，其次为大湾站，隆德站降水持续时间最短。此外，受六盘山地形的影响，六盘山站的云系更为深厚，六盘山东坡较西坡有更为稳定的云系上升运动条件，因此大湾站的回波强度要高于隆德站，其累积降水量也更大。

3.1.2 径向速度 由径向速度图（图5）可知，降水发生前，各站云体内气流有微弱的上升运动，这是因为水汽到达高层大气之后，发生凝结并向周围环境释放热量，空气吸收热量，从而形成上升运动。降水开始时，各站云内粒子有明显的下沉运动，这是因为随着云系的不断发展，水汽随上升气流到达一定高度后，液化成大粒子降落，云系接地，变为深厚的单层云，产生降水。在降水过程中，3 站的云系发展较为深厚，云体内均以下沉运动为主，云内径向速度负值区范围表现为大湾站＞隆德站＞六盘山站。各站云层上部均有频繁的气流上升运动，云内径向速度正值区范围表现为六盘山站＞大湾站＞隆德站。

图5 2021 年5 月14—15 日径向速度图（单位：m/s）

3.1.3 速度谱宽 由降水过程中速度谱宽图（图6）可知：各站在4 km 左右出现了1 个距地2 km 左右的谱宽大值区，其中以大湾站最为明显，其次为隆德站，六盘山站谱宽较大值范围较小；大湾站的云体内湍流运动最为剧烈；六盘山站云体内的上升运动最多。在降水过程的间隙，各站云体内下层均有明显的上升运动，这为降水过程的维持和发展提供了重要的动力因素。降水过程趋于结束时，云体内气流上升运动骤减，同时谱宽值减小，云系内对流减弱，云系也逐渐消散，降水逐渐停止。

图6 2021 年5 月14—15 日速度谱宽图（单位：m/s）

3.1.4 云液态水含量 由云液态水含量（以下简称LWC）图（图7）可知，降水开始前，六盘山站LWC 最为充沛，其次为大湾站，隆德站最弱；降水开始时，3 站云系的LWC 出现一明显的剧增现象；降水过程中，云系云顶高度降低，LWC 有减弱现象，这是由于降水对雷达回波起到衰减作用，导致高层的回波变弱，3 站的LWC 在4 km 以下均为大值区，六盘山站的LWC 最高，达到1.5 g/m3，大湾站在1 g/m3以上，隆德站为0.5 g/m3。

图7 2021 年5 月14—15 日LWC 图（单位：g/m3）

综上可知，六盘山站的水汽条件最为充沛，这为降水的发生、发展提供了很好的水汽条件；大湾站的水汽条件较好；隆德站的水汽条件最差。随着降水过程的结束，云内LWC 降低；云系变得浅薄，其底高增高、波动性消散。

3.1.5 红外云图 由红外云图演变情况可知（图略），此次降水过程中云系整体由西南向东北方向移动，云系虽先过境于西坡隆德站，但其发展状况无东坡好，综合六盘山站及其东、西坡云垂直结构特征，可以看出东坡大湾站云系发展最为旺盛，其次为六盘山站，西坡隆德站最为薄弱。云系的发展状况与各站降水开始情况有良好的对应关系。本文初步分析，由于受六盘山地形的影响，与西坡相比，东坡的云系更易积聚、湍流运动更强，加之更优的水汽条件，出现降水的时间最早；六盘山站在降水前期，云体内湍流运动最强，云体内LWC、云内粒子的径向速度、速度谱宽等量值最大，因此云系发展最为迅速，从云系开始出现到降水开始仅用时2 h；隆德站在降水前期，云内回波强度、信噪比、LWC、云内粒子径向速度、速度谱宽等值最小，因此降水开始的时间最晚，云系从开始出现到降水发生时的维系时长最长。可见，此次降水天气过程中六盘山站水汽条件和动力条件最为充沛，其次为大湾站，隆德站最弱，这与各站的累积雨量情况一致。

3.2 作业效果分析

3.2.1 火箭作业效果分析 2021 年5 月14 日11:13—11:14 在隆德县陈靳作业点进行火箭增雨作业1 点次，仰角为55°，方位角为90°，隆德站距陈靳作业点7 km 左右。作业时，隆德站云体内回波强度较为稀薄，云系未接地，以多层云为主；作业后1 h，云体内回波强度有剧增现象，并逐渐发展、增厚，开始降水。以较为临近的六盘山站为对比区，11:00—12:00 六盘山站云体内回波强度无明显变化，均以距地1 km内较为浅薄的低云为主。因此，此次火箭增雨作业具有较好的增雨效果。

2021 年5 月15 日09:23—09:25 在泾源县惠台作业点进行火箭增雨作业1 点次，仰角为65°，方位角为345°，大湾站位于惠台作业方向30 km 处，距作业点较近的泾源站（8 km）处在作业方向的反方向上。以泾源站为对比区，在作业后1 h，大湾站云雷达反演的回波强度云体变得更为深厚，云厚增长1 km，云体内回波强度的大值区范围增加；泾源站云厚无明显变化，云体内回波强度有增强，可见此次作业有一定的增雨效果。

3.2.2 烟炉作业效果分析 2021 年5 月15 日07:05—07:25 在六盘山作业点进行地面烟炉作业1 点次。在作业时段内，六盘山站云雷达回波强度较弱；作业后1 h，云体内回波强度有明显的剧增现象，云体内回波强度大值区增长了10 dBZ 左右。以较为临近的隆德站作为对比区，在07:00—09:00 作业前后，云体内回波强度没有明显变化，初步判断此次地面烟炉作业在作业后1 h 内有一定的增雨效果。

2021 年5 月15 日07:05—07:25 在隆德站附近的作业点实施地面烟炉作业6 点次。隆德站的回波强度在作业后1 h 内没有明显变化，作业后2 h 回波强度有显著增强的效果。由此可知，地面烟炉作业在作业后1 h 对本站云系有影响，在作业后2 h 对邻近站点有一定影响。

2021 年5 月15 日07:35—07:55 在大湾站进行地面烟炉作业1 点次，作业后1 h 云体内回波强度有明显增强；09:20—09:35 在大湾站进行地面烟炉作业1 点次，作业时云体底部已有一回波强度大值区较为均匀的深厚云系，作业后1 h 大湾站云系云顶高度有明显的抬升，由作业时的9 km 抬升至10 km附近，可见本次作业具有一定的增雨效果。

4 结论

本文利用2021 年5 月14—15 日六盘山站及东、西坡代表站云雷达资料、三维超声风速仪资料、区域自动站逐时降水量观测资料、MICAPS 高空实况资料以及平凉站探空资料，对六盘山区一次降水天气过程的天气形势及云宏观特征进行分析，得出以下结论。

（1）此次降水过程主要受高空东移短波槽及低空切变线的共同影响，降水前有较好的不稳定条件，空气上升运动的动力条件表现为六盘山站＞大湾站＞隆德站。

（2）3 站云垂直结构特征表现：降水开始前，3 站云体内回波强度较低，各站云体内气流有微弱的上升运动，速度谱宽值较小且分布较为集中，降水发生前的0.5～3 h 云系有接地现象；降水过程中，回波强度较强，在接近雷达天线的低层云内粒子下落速度增强，LWC 有剧增现象；降水过程结束时，回波强度明显减弱，云体内上升运动减弱，同时谱宽值减小，LWC 减弱，云系也逐渐消散，降水逐渐停止。

（3）此次降水过程中六盘山区处在低涡东北侧，以东南风为主，云系在山系东坡积聚。与西坡相比，东坡云体内的湍流运动更强，加之更优的水汽条件，出现降水的时间最早。降水发生前，云接地时长表现为大湾站＞隆德站＞六盘山站。

（4）此次降水天气过程中六盘山站水汽条件和动力条件最为充沛，其次为大湾站，隆德站最弱，云系的发展与各站降水状况有良好的对应关系。

（5）在地面火箭、烟炉增雨作业后1 h，云顶高度有抬升现象，云体内回波强度大值区范围增大，作业具有一定的增雨效果。