一次层状云降水人工增雪作业雷达回波物理响应分析

王淼 蒋文轩 刘慧敏

摘要 利用位于张家口康保的S波段新一代天气雷达，分析2023年2月9日2处火箭增雪作业的雷达回波特征。由此总结了以下经验：人工播撒前需观察作业点周围回波发展情况，确保作业方位对应的火箭射程范围内有一定强度回波；应熟悉火箭弹在各发射仰角对应的催化剂播撒高度，确保催化播撒高度能够达到预期位置；冬春季节张家口层状云降水云高较低，加之海拔较高，火箭作业宜采取最低仰角作业，地面碘化银烟炉是对火箭作业的有效补充；部分区域仍存在雷达扫描盲区，需及时关注降水实况，结合其他多种观测方式，对作业条件进行综合判别。

关键词 人工增雪；雷达响应；效果分析

中图分类号：P48 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）07–0229-03

新一代天气雷达在云降水物理研究、人工影响天气作业指挥和效果评估中发挥着重要作用[1-2]。利用天气雷达连续观测降水过程中实施的人工影响天气作业，利用回波强度、回波顶高、垂直液态含水量、径向速度等雷达探测资料，分析作业前后云的宏微观结构变化，可以作为检验人工影响天气作业效果重要依据[3-5]。

利用新一代多普勒雷达探测资料，对2023年2月9日张家口1次火箭人工增雪作业的雷达回波特征进行分析，通过对比分析增雪作业前后雷达回波特征参量的物理响应，对人工增雪的催化效果进行评估和验证，以期为日后开展人工影响天气作业进行条件判别和时机选择提供参考依据。

1 天气背景

张家口市地处河北省西北部，位于内蒙古高原与华北平原衔接处，属温带大陆性季风气候。受高空槽和西南暖湿气流的共同影响，2023年2月9日张家口出现了1次覆盖全域的层状云降水天气过程。9日08：00张家口处于500 hPa高空槽前的位置，受西南气流控制，水汽条件充沛，云系主要为均匀的层状云，湿度层较为深厚，降水相态为雪（图1）。

2 个例的选取

从9日08：00～15：40，张家口全市共实施地面火箭和碘化银烟炉人工增雪作业26点次，发射RYI-6300型火箭弹82枚，燃烧碘化银烟条62根。此次人工增雪作业主要依据位于张家口康保的S波段新一代天气雷达（114.7°E，41.15°N，海拔高度1 426 m）的回波特征进行作业条件判别和作业实时指挥。在作业时机的选择上，一方面从雷达回波图上显示在作业点影响范围内沿作业方位有一定强度的雷达回波，另一方面确保催化剂播撒能到达期望的云体部位。

在此次人工增雪作业过程中，选择典型作业个例进行物理检验和效果分析。个例的选取主要通过设定催化扩散影响的目标区，在雷达回波图上能够在作业前从已生成的云中找出雷达回波参量及其变化特征与目标云相似的云作为对比区，从而在作业后通过对比验证的方法对人工催化的物理响应进行对比分析[6]。

3 作业效果的检验

此次降水回波特征为大范围、长时间维持的均匀片状回波，总体回波强度在10～ 25 dBz，RHI回波顶部较平坦，高度在4～5 km；云系整体自西南向东北方向移动，移速30～40 km/h（图2）。降水连续均匀，降水相态为雪，降水性质稳定，持续时间较长，是一次典型的层状云降水天气系统。

选取宣化区北山园区作业点和尚义县察汗淖尔作业点的2个点次地面火箭人工增雪作业进行效果检验。选择较为直观且易于获取的回波强度（Z）、回波顶高（H）、垂直累积液态水含量（VIL）3个参量为作业效果判据進行统计分析。通过对比分析作业前、作业中及作业后的云宏微观结构特征，研究此次过程宏观催化的物理响应。

3.1 目标区和对比区的选取

目标区即人工催化所影响的降水云，通过计算目标云的移向、移速，随着系统的移动而实时进行跟踪。对比区选择结合雷达回波演变来确定，通过观察作业云系在作业前的演变特征，在目标区周边挑选出与其强度和发展趋势较为接近的云系确定对比区位置，同时地形、面积与目标区大体相似，形状与目标区保持基本相当，在目标云系移动方向的侧面或上风方以确保不受催化影响[7-8]。

3.2 宣化区北山园区作业点的作业效果分析

宣化区北山园区作业点（115.095 6°E，40.635 8°N，海拔745 m）在9日08：07～08：08发射RYI-6300型火箭弹6枚。依照目标云和对比云面积、强度、生命史大体相当，相距较远避免污染的原则选取对比区（图3）。对比区距目标区约35 km，位于目标区南部且在目标区移动方向的垂直方向上，不会相互影响，实施作业前各发展阶段的回波强度、回波顶高和垂直液态水含量都比较接近。

从图3中可以看出，作业前目标云和对比云的回波强度和演变趋势基本相同。跟踪分析作业前后目标区和对比区基本反射率回波，其回波强度都在10～15 dBz范围内变化，作业前目标云和对比云回波强度变化趋势基本相同。作业开始时目标区和对比区回波强度都处于10～15 dBz，且向东移动。作业12 min后目标区回波强度开始变强，24 min后目标区回波强度增加至15～25 dBz，而对比区回波强度无明显增强，仍维持在10～15 dBz。

总体看来，目标区和对比区的回波强度在作业前变化趋势相同，火箭催化后目标区回波强度开始明显增强，25 min后目标区回波强度由15 dBz增加至25 dBz，而对比区云的回波强度无明显变化，同时作业后目标云移动途径的地面雨量站10 min雨量都出现了明显的增加。这种目标区作业后回波强度增强应与火箭播云有直接关系。

对作业前后回波顶高和垂直液态水含量进行对比。由于张家口春、冬季层状降水云系回波强度较弱，且考虑到本地雷达反射率因子图像色标值均为5的整数倍，为便于实际应用，取15 dBz反射率因子最高高度作为回波顶高。通过观察发现，总体回波顶高处于4.5～5 km之间，垂直液态水含量约为1 kg/m3，回波顶高和垂直液态水含量整体数据跨度较小且分布均匀，未能直观地展现出变化规律。

3.3 尚义县察汗淖尔作业点的作业效果分析

尚义县察汗淖尔作业点位置坐标（114.005 3°E，41.448 6°N，海拔1 288 m）在09：15～09：18发射RYI-6300型火箭弹9枚。选取位于目标区西南方向相距约25 km的云作为对比区（图4），对比区位于目标区移动方向的侧后方，不会受到人工催化影响，实施作业前各发展阶段的回波强度、回波顶高和垂直液态水含量都比较接近，两块回波基本满足作为目标云和对比云的要求。

跟踪分析作业前、后目标区和对比区基本反射率回波，作业前目标云和对比云回波强度变化趋势基本相同，回波强度在15～25 dBz之间，作业后15 min目标区和对比区回波反射率都开始呈现减弱趋势，其回波强度在10～20 dBz范围内变化，30 min后目标云和对比云回波强度减弱至10～15 dBz，目标区和对比区变化较为一致。此次火箭作业效果在雷达回波特征反应并不明显。

分析此次作业前后的回波顶高和垂直液态含水量。回波顶高由于参数数据跨度较小，作业前后均未能展现出规律。而垂直液态水含量在作业前目标云和对比云的演变趋势大体一致，作业后也都有从大到小的变化过程，与回波反射率变化趋势一致，均为减弱的趋势。此次火箭人工增雪作业没有直观展现出人工催化后预期的变化。

分析其原因，可能是因为察汗淖尔作业点位于张家口坝上地区，海拔较高接近1 300 m，火箭作业即使采用最低仰角，其播撒高度也会高出云层，效果不明显，由此分析在类似春冬季层状云降水过程该地区选择地面碘化银烟炉作业更加合适。在回波顶高和垂直液态水含量的观测中由于参数数据跨度较小，以及雷达设备本身各种误差隨时间变化情况还不够清晰，难以直观地展现出相关的规律。

4 结论与讨论

通过此次人工增雪过程对所选2个作业点播撒后的雷达回波物理响应进行分析，北山园区作业点在作业后催化影响区有较为明显的雷达回波变化响应，说明人工催化是有效果的；察汗淖尔作业点在播撒后没有展现出直观回波响应，说明在人工播撒位置的把握和作业方式的选择上还有待改进和总结。在今后的张家口冬春季节层状云降水人工增雪作业中总结以下4个方面的经验。

（1）人工播撒前需观察作业点周围回波发展情况，确保作业方位对应的火箭射程范围内有一定强度回波。

（2）熟悉火箭弹在各发射仰角对应的催化剂播撒高度，确保催化播撒高度能够达到预期位置。

（3）冬、春季张家口层状云降水云高较低，加之海拔较高，火箭作业宜采取最低仰角作业，地面碘化银烟炉是对火箭作业的有效补充。

（4）部分区域仍存在雷达扫描盲区，需及时关注降水实况，结合其他观测方式，对作业条件进行综合判别。

参考文献

[1] 唐仁茂，袁正腾，向玉春，等.依据雷达回波自动选取对比云进行人工增雨效果检验的方法[J].气象，2010，36（4）：96-100.

[2] 王以琳，姚展予，林长城.一次火箭人工增雨作业雷达回波响应探讨[J].气象科技，2016，44（6）：1053-1059.

[3] 刘伯华，张鑫，周鹏，等.几种气象资料在人工增雨效果评估中的应用研究[J].中国环境管理干部学院学报，2018，28 （4）：40-43.

[4] 何阳，李红斌，夏葳，等.雷达特征参数在人工增雨（雪）决策中的应用[J].沙漠与绿洲气象，2022，16（4）：125-130.

[5] 王以琳，姚展予，林长城.人工增雨作业前后不同高度雷达回波分析[J].干旱气象，2018，36（4）：644-651.

[6] 王霄，孙建印，赵宇，等.气象雷达在人工增雨效果物理检验中的应用[J].河南科学，2022，40（11）：1842-1849.

[7] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2007.

[8] 陈光学，段英，吴兑.火箭人工影响天气技术[M].北京：气象出版社，2007.

Analysis of Radar Echo Physical Response in A Stratified Cloud Precipitation Artificial Snow Enhancement Operation

Wang Miao et al（Zhangjiakou Meteo-

rological Bureau， Zhangjiakou， Hebei 075000）

Abstract The S band new generation weather radar located in Zhangjiakou Kangbao is used to analyze the radar echo characteristics of two rocket snow enhancement operations on February 9， 2023. Based on this， the following experience can be summarized： Before manual seeding， it is necessary to observe the development of echoes around the operation point to ensure that there is a certain intensity of echoes within the rocket range corresponding to the operation direction. You should be familiar with the catalyst seeding height corresponding to the launch elevation of the rocket， ensuring that the catalyst seeding height can reach the expected position; In winter and spring， the height of stratiform cloud precipitation clouds in Zhangjiakou is relatively low， and the altitude is relatively high， so the lowest elevation angle operation should be adopted for rocket operation. The ground Silver iodide smoke furnace is an effective supplement to rocket operation; Some areas still have radar scanning blind spots， and it is necessary to pay attention to the actual precipitation situation in a timely manner， combined with various other observation methods， to comprehensively judge the operating conditions.

Key words Artificial snow enhancement; Radar response; Effect analysis