安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估

杨慧玲 孙 跃 肖 辉 曹亚楠 冯 亮 冯 强 舒未希 朱明佳

1)(中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室, 北京 100029) 2)(中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049) 3)(安徽省人工影响天气办公室, 合肥 230061) 4)(中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094)

引 言

目前,我国人工影响天气主要包括人工增(减)雨、人工增雪、人工防雹和人工消雾等,以火箭、高炮和飞机为主要作业工具[1-3]。然而,由于空域管制、人工影响天气炮弹火箭储运、作业安全防范等多方面影响,传统作业方法的作业时机和作用范围均受到很大制约[4]。新型燃气炮是一种综合运用冲击波、声波和催化剂对局部天气干扰和催化影响的新型作业装备[5]。燃气炮将燃气和压缩空气按照一定比例充入爆燃罐内,罐内混合气体被点燃后爆炸过程产生的强烈冲击波和声波引起燃气炮上空气流的扰动,影响大气动力和云雨粒子运动和碰并等物理过程,同时,燃气炮发射产生的强烈气流携带燃烧中的暖云催化剂或者冷云催化剂进入空中,影响上空水汽凝结、核化等云微物理过程,最终达到人工增(减)雨、人工增雪、人工消雾和人工防雹等目的。鉴于燃气炮作业不会对航空器飞行安全造成影响,不需要申请作业空域,因此近年在我国安徽省寿县、内蒙古自治区兴安盟、山西省临汾市、贵州省贵阳市等地已经相继开展了燃气炮人工影响天气作业应用。然而,作为一种人工增雨作业的新技术设备,燃气炮还处于应用探索阶段,需要更多的野外试验以评估其增雨效果[6]。

燃气炮作业产生的强烈冲击波和强声波可能激发云内水凝物的运动、碰并和增长,影响水凝物粒子的浓度、粒径和形态等参数变化,诱发云中雨滴或冰晶短时间内急剧增多,促进降水发生[7-8]。但燃气炮发射时产生具有强大冲击力的热气流也可能导致云雾消散,具体效果取决于燃气炮发射时目标云体高度、流场和微物理场等因素。因此,需要对燃气炮作业的人工增雨效果进行客观、科学的定量评估[9-10]。目前,人工增雨效果的检验方法主要包括数值模拟检验、统计检验和物理检验[11-13]。数值模拟检验根据云和降水的宏微观物理过程,模拟自然云和催化云的云和降水形成物理过程,分析人工影响天气的作业效果[14]。统计检验以数理统计为基础,在一定显著性水平上得到定量的人工影响天气作业效果,评价作业有效性[15]。国内外学者利用统计检验方法开展了大量的工作,如区域对比试验、历史回归试验、区域控制法、协变量统计分析方法和聚类分析方法等[15-18]。物理检验包括云体宏微观结构观测和催化剂示踪观测等,其中雷达、卫星等遥感探测技术以及飞机穿云观测技术在物理检验中有重要的应用潜力[19-20]。

近30年多普勒天气雷达技术水平不断发展,可以更多地了解云和降水的宏观特征,但仍然缺乏云微物理特征的探测手段[20-21]。随着双偏振多普勒天气雷达的发展和应用,偏振参量对探测云微物理变化特征和分析降水形成过程具有重要的应用潜力[22-26]。在人工影响天气作业过程中,分析双偏振多普勒天气雷达参数(水平反射率因子(ZH)、差分反射率(ZDR)、共极化相关系数(ρhv)、多普勒径向速度(VR)及速度谱宽(SW)等)[23,27-35]有助于分析人工影响天气的作业效果。

目前,国内利用燃气炮开展人工影响天气作业尚处于探索阶段,利用双偏振多普勒天气雷达、地面雨量和ERA5再分析数据综合评估燃气炮人工作业效果的研究鲜见报道。鉴于此,本文以安徽省81次燃气炮作业个例为基础,利用多源观测数据,从多角度综合研究和评估燃气炮开展人工增雨作业的效果,研究结果有望为进步分析燃气炮对云微物理过程和降水人工影响的作业效应提供重要参考。

1 数据与分析

1.1 燃气炮简介

2021—2023年安徽省人工增雨作业中使用了3种类型燃气炮:第1种是中国华云气象科技集团公司生产的HY-R型燃气炮,第2种为北京厚力德仪器设备有限公司生产的ZBZ-PR型聚能燃气炮,第3种是华云普达(北京)科技有限公司生产的HY-R移动旋转型增雨防雹燃气炮(第2代)。

3种燃气炮均以液化气和空气为能源,依靠冲击波向高空播撒AgI冷云催化剂或者暖云催化剂进行作业,具有安全性高、环保、不需要申请空域、作业成本极低、操作简易的特点。其中,中国华云气象科技集团公司生产的HY-R型燃气炮遥控距离为1000 m,炮口流速为240 m·s-1,炮轰间隔6～10 s可调,可连续工作3 h。华云普达(北京)科技有限公司生产的HY-R移动旋转型增雨防雹燃气炮(第2代)是第1代燃气炮的升级产品,采用移动旋转设计,具备定向(偏离天顶-30°～30°)发射及转动发射功能,水平作用范围更大。北京厚力德仪器设备有限公司生产的ZBZ-PR型聚能燃气炮遥控距离为1000 m,炮口流速为986 m·s-1,定向发射角范围(偏离天顶)为-30°～30°,炮轰间隔5～10 s可调,可连续工作3 h以上。与HY-R型燃气炮相比,ZBZ-PR型聚能燃气炮炮口流速更大,冲击力更强,预期作用距离更远。不同类型燃气炮性能对于作业效果评估的影响目前尚不清楚。

1.2 数据及研究区域

本研究使用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据、S波段双偏振多普勒天气雷达数据以及地面小时降水数据等多源观测数据。研究使用位于安徽省合肥、阜阳和铜陵的CINRAD-SA型双偏振多普勒业务天气雷达数据。雷达采用机械扫描控制,每6 min完成1次9个仰角的体扫。使用的雷达记录变量包括水平反射率因子(ZH,单位:dBZ)、差分反射率(ZDR,单位:dB)、共极化相关系数(ρhv,量纲为1)、多普勒径向速度(VR,单位:m·s-1)和速度谱宽(SW,单位:m·s-1)。选取作业区域附近6个经(纬)度范围内共7477个自动雨量站的小时降水量,并利用ERA5再分析数据(水平分辨率为0.25°×0.25°)的风场数据建立作业影响区及对比区。分析2021年11月20日—2023年5月17日81次燃气炮作业个例,其中,作业时间最短为10 min,最长为2 h。燃气炮作业涉及安徽省亳州、阜阳、合肥和马鞍山。作业站点分别为亳州市谯城区亳芜园区、亳州市利辛县气象局、亳州市利辛县马店孜镇湿地公园、亳州市利辛县永兴镇空气炮点、阜阳市颍泉区茨河铺、阜阳市临泉县邢塘街道、阜阳市颍上县慎城镇、阜阳市颍上县十八里铺乡、合肥市肥西县花岗镇、马鞍山市和县夹山关水库作业点、马鞍山市含山县昭关水库和马鞍山市博望区野风港空气炮点。马鞍山市含山县昭关水库作业点使用华云普达(北京)科技有限公司生产的HY-R移动旋转型增雨防雹燃气炮(第2代);马鞍山市和县夹山关水库作业点、马鞍山市博望区野风港空气炮点和亳州市利辛县永兴镇空气炮点3个站点使用北京厚力德仪器设备有限公司生产的ZBZ-PR型聚能燃气炮;其他站点均使用中国华云气象科技集团公司生产的HY-R型燃气炮。燃气炮作业点(14个)及雷达(3部)和自动雨量站(7477个)位置如图1所示。

图1 燃气炮作业点、S波段双偏振天气雷达和自动雨量站位置示意图(红色圆圈为以雷达为原点的半径230 km探测范围)

1.3 作业条件

目前在具备作业条件的情况下,燃气炮人工增雨是传统火箭作业手段的补充。将满足安徽省人工影响天气办公室建议的增雨作业指标(式(1))和实时雷达回波强度(至少大于25 dBZ)的云系作为目标区,考虑当日温度和使用的催化剂种类确定作业云系。以暖云催化、天顶发射为主。作业时长由天气过程影响时间和厂家推荐的安全作业时间综合确定,一般定为0.5 h、1 h、2 h。安徽省人工影响天气办公室建议增雨作业指标采用以下判别方法:利用雷达进行作业条件判别,将云体反射率因子极大值(Rmax,单位:dBZ)、垂直积分液态水含量(V,单位:kg·m-2)、负温层厚度(S1,单位:km)、30 dBZ云体质量(M,单位:106kg)进行加权得到人工增雨作业条件指标:

I=0.243I(Rmax)+0.207I(V)+0.277I(S1)+0.276I(M)。

(1)

当0≤I<0.1,无作业条件;0.1≤I<0.3,作业条件较差;0.3≤I<0.6,作业条件一般;0.6≤I<0.8,作业条件较好;0.8≤I<1,作业条件很好。

1.4 分析方法

雷达垂直剖面分析方法:燃气炮作业前1 h至作业结束后1 h,以700 hPa层水平风为参考风向,对站点上游50 km至站点下游100 km范围进行插值垂直剖面。插值由雷达的径向距离、方位角、仰角为原始坐标进行三线性插值。这组雷达垂直剖面图主要用于考察燃气炮作业前后降水云的垂直结构变化。

为了分析人工增雨燃气炮作业对作业云体双偏振特征参量的影响,对81个作业个例进行统计分析。每个个例选取与当前炮点最近的雷达观测数据,统计分析影响区和对比区内雷达最低层仰角内各变量的平均值随时间的变化,得到作业前后影响区和对比区的物理参量差异。

2 研究结果

2.1 影响区和对比区选择

燃气炮的催化剂播撒特点近似介于地面烟炉和高炮之间,可能引起的效果包括瞬时动力效应和数十分钟内催化剂引发的微物理效应。然而,通过对81个作业个例雷达数据逐帧、逐层仔细观察,并未发现以往相控阵雷达观测高炮防雹作业研究中发现的瞬时动力结构改变[24]和疑似高炮炸点的信号[32]。这既可能由于机械扫描业务雷达时空分辨率低,也可能由于燃气炮在高空引发瞬时的动力效应不够强,具体原因有待研究,本文不对此深入分析。下面将划定影响区和对比区,以便对播撒催化剂在作业点下游可能引发的效应进行讨论。

在作业影响范围方面,尽管目前对燃气炮直接输送催化剂的最大高度仍然缺乏充分评估,但考虑到炮口向上发射的催化剂可能被云下环境的上升气流带入对流云中,进而由对流云输送至对流层中上层。同时,在确定催化剂水平输送和扩散范围时,对流层低层和中层的水平风也应予以考虑。本文利用与燃气炮作业时刻最临近的ERA5再分析数据,分别计算每个个例的影响区和对比区范围。影响区的定义规则:考虑1 h内,从地面到500 hPa高度的水平风对催化剂的输送作用和扩散作用[33],最终构成的不规则边界区域如图2棕红色区域所示。对比区具体定义:按燃气炮作业平均时刻700 hPa高度的水平风向及相邻45°方向,取地面到500 hPa高度的最大风速,取与影响区计算时长相同的1 h,构建左右各90°的扇形区域,剔除影响区所占的区域,作为燃气炮作业下风侧向对比区。构建下风侧向对比区的原因在于统计增雨时拟用作业后的雨量减去作业前的雨量。如果在一个降水云向燃气炮点移动时进行作业,那么作业后云系将恰好在下风方向形成降水,而上风方向可能已经下完雨,这时用作业后的雨量减去作业前的雨量,可能导致影响区的雨量差为正值,上风方向的对比区雨量差为负值,这在理论上会干扰统计结果的客观性。

图2 影响区与下风侧向对比区构建

2.2 典型个例作业前后观测小时降水量

图3为部分代表性作业个例的观测小时降水量。选取3个不同类型个例:个例1,2022年6月23日,作业时段为11:10—11:20(北京时,下同),降水开始一段时间进行携带冷云催化剂的燃气炮作业;个例2,2022年11月28日,作业时段为11:04—11:44,刚开始降水进行携带暖云催化剂的燃气炮作业;个例3,2022年8月16日,作业时段为16:00—17:00,降水未开始进行携带冷云催化剂的燃气炮作业。

图3 燃气炮(位于图中倒三角符号位置)作业前后典型个例观测小时降水量(填色圆圈为台站观测的小时累积降水量,填色场为距离平方反比插值结果;风羽为700 hPa风场)

由图3可见,个例1为在降水发生一段时间后开始燃气炮作业,沿下风方向降水无明显变化,说明作业效果欠佳。个例2为降水刚开始进行燃气炮作业,作业时段内降水有一定增加,说明作业效果较好。个例3为降水开始前进行燃气炮作业,作业后沿下风方向降水明显增加,说明增雨效果显著。因此,降水开始前进行燃气炮作业,增雨效果较好,降水开始后作业,增雨效果不理想。这主要是因为降水开始后作业,由于降水的冲刷作用,燃气炮作业向空中释放的催化剂不容易被输送至高空,因而对云中水凝物的微物理过程影响较弱。在降水开始前作业,云中上升气流比较旺盛,燃气炮作业向空中释放的催化剂容易随上升气流输送至云中,引起云中核化作用增强,形成大量小液滴,通过凝结和碰并作用,大雨滴增多,地面降水增加。

2.3 典型个例作业前后雷达双偏振参数

探空图(图略)为典型个例分析提供天气背景。个例1的2022年6月23日08:00合肥站探空显示,地面温度约为32 ℃, 自由抬升凝结高度气压为914 hPa, 自由抬升凝结高度温度为22 ℃,即云底高度约为900 m,零度层高度约为5 km,对流有效位能为841 J·kg-1,容易产生对流抬升,催化剂易由上升气流携带至零度层以上,使用冷云催化剂作业。个例2的2022年11月28日08:00铜陵站探空显示,地面温度约为18 ℃, 自由抬升凝结高度气压为956 hPa, 自由抬升凝结高度温度为14 ℃,即云底高度约600 m,零度层高度约3.5 km,对流有效位能为零,产生对流抬升的可能性较小,使用暖云催化剂作业。个例3的2022年8月16日08:00合肥站探空显示,地面温度约32 ℃, 自由抬升凝结高度气压为929 hPa, 自由抬升凝结高度温度为23 ℃,即云底高度约为850 m,零度层高度约为5 km,对流有效位能为2212 J·kg-1,容易产生对流抬升,催化剂易由上升气流携带至零度层以上,使用冷云催化剂作业。

图4～图6分别为上述3个典型个例在燃气炮作业前后双偏振雷达参量(水平反射率因子ZH、差分反射率ZDR和共极化相关系数ρhv)的雷达垂直剖面。个例 1(图4)为2022年6月23日降水过程作业个例。降水已经开始一段时间使用带有冷云催化剂的燃气炮进行作业,作业后ZH、ZDR和ρhv相对于作业前均无明显变化,表明作业效果欠佳。

图4 个例 1(作业时段为2022年6月23日11:10—11:20)作业前后双偏振雷达参量(垂直剖面为沿700 hPa水平风方向、过作业站点的上游50 km—下游100 km的插值剖面,下同)

个例2(图5)为2022年11月28日降水过程作业个例。在降水开始初期,使用带有暖云催化剂的燃气炮进行作业,作业进行7 min(11:14:47)后ZH明显增强,强回波(45 dBZ)顶高升高,ZDR大值区范围增大,距离燃气炮作业点-45 km(上游)和30 km(下游)处的ρhv减少,这表明云中大雨滴增多,暖云催化剂被对流云上升气流输送至云中,云中大云滴核化加快,液滴直接碰并作用增强,液滴增大。随着大液滴增多,ZH增强,ZDR增大。同时,由于云中大滴增多,滴谱变宽,液滴种类增多,ρhv减少。随着作业时间增加,作业进行22 min(11:26:02)后,作业效果减弱,ZH、ZDR相对于作业7 min时均减小,而ρhv增大,这说明随着大液滴的降落,云中水滴变小。因此,在降水发生初期进行带有暖云催化剂的燃气炮作业,刚开始作业效果较好,降水增强,但随着作业时间增加,作业效果逐步减弱。雷达参数进一步显示,利用暖云催化剂的燃气炮作业后,云内的变化主要发生在6 km高度以下范围,尤其发生在零度层(3.5 km)高度以下范围,这也说明暖云催化剂主要对暖云微物理过程产生明显影响。

图5 个例2(作业时段为2022年11月28日11:04—11:44)作业前后双偏振雷达参量

个例3(图6)为2022年8月16日降水过程作业个例。降水开始前进行带有冷云催化剂的燃气炮作业,作业进行23 min(16:21:15)后,对流云强回波中心的ZH、ZDR明显增大,强回波顶高增加(可到达8 km高度附近),ZDR大值区范围明显增大。ZDR柱出现在6 km高度以下,说明在过冷层5～6 km高度范围存在大量过冷水,这有利于对流云中的冰相粒子通过凇附等微物理过程生成。强回波中心的ρhv从云底到8 km高度范围均出现较小值区域,这可能说明云中水凝物种类明显增加,高层ρhv减小与冰晶粒子数浓度增大有密切相关,而低层由于冰晶融化,液滴大小不均引起。这些结果表明:冷云催化剂随对流云上升气流进入云体,导致云中冰晶核化和凇附过程增强,同时,由于固态降水粒子的融化等过程又引起融化层(5 km高度)以下大液滴增大,ZH增大,ZDR减小。随着作业持续,作业45 min(16:43:54)后ZH减弱,且大值中心高度下降,ZDR最大值减少,且大值中心高度明显降低(下降到5 km高度以下),ρhv低值中心高度也降低,这说明云中粒子由冰相向液相降水的转化过程增强,云中低层大液滴增多,降水增强。因此,该个例与个例2类似,在降水开始前作业,作业效果好,降水增强,随着作业时间延长,作业效果减弱。但值得指出的是,带有冷云催化剂的燃气炮作业后对流云内各雷达参量变化范围扩大,8 km高度以下范围变化明显,这可能说明带有冷云催化剂的燃气炮作业对对流云中冷云、暖云微物理过程均有明显的影响作用。

图6 个例3(作业时段为2022年8月16日16:00—17:00)作业前后双偏振雷达参量

综上所述,在降水开始前进行带有暖云催化剂或者冷云催化剂的燃气炮进行对流云增雨作业可以取得较好作业效果,使得降水增强,随着降水增大,作业效果减弱。使用带有暖云催化剂的燃气炮作业后对流云体变化主要发生在零度层以下,对暖云微物理过程影响明显,这说明燃气炮作业的暖云催化剂起主要作用。使用带有冷云催化剂的燃气炮作业后冷云和暖云区均发生明显变化,同时影响对流云中的冷云和暖云微物理过程,影响范围更大,可达到8 km高度,零度层以上出现ZDR柱,云中出现过冷水区,这说明冷云催化剂对对流云中的冷云和暖云微物理过程均产生明显影响。由双偏振雷达探测的偏振参量分析可知,燃气炮作业可使对流云中的冰相水凝物向液相水凝物的转化过程明显增强。

2.4 典型个例影响区与作业区双偏振特征参量

取最低仰角(0.5°)的平面位置显示图(PPI)对上述3个典型个例作业前后双偏振雷达参量(ZH、ZDR、ρhv、SW)进行统计分析(图7～图9)。由图7可以看到,影响区ZH和ZDR在作业时段内相对于作业前有少量减小,而对比区的ZH和ZDR则为少量增大。这说明作业效果欠佳,甚至产生减雨效果。同时,影响区的ρhv有少量减小,说明作业对液滴尺度有一定影响,液滴尺度分布范围更广,而对比区的ρhv基本无变化。影响区的SW明显增宽,这可能与燃气炮作业产生的冲击波影响作用一致。燃气炮冲击波作用下空气受到强烈扰动,不同尺度的液滴可能以不同的惯性速度运动,增强不同大小水滴之间的碰并作用,使大滴增多,因此,云中速度谱宽SW明显增大。相比之下,对比区的速度谱宽则变化不大。

图7 个例1作业前后最低仰角(0.5°)PPI双偏振特征参量(黑色竖线为作业起止时间,下同)

由图8可知,作业后影响区和对比区的ZH、ZDR均明显增大,这说明云中大液滴增多,降水增强,但影响区增大更加显著。影响区和对比区的ρhv均呈现出减少趋势,但影响区的ρhv减少更加明显。作业后影响区的SW明显增加,而对比区SW减少,这说明与对比区相比,影响区燃气炮冲击波引起速度谱宽增大,液滴增长更快。因此,在降水刚开始使用带有暖云催化剂的燃气炮进行作业,增雨效果显著。

图8 个例2作业前后最低仰角(0.5°)PPI双偏振特征参量

由图9可知,在作业过程中(16:20以后),影响区和对比区的ZH虽然均有增加,但影响区ZH增加明显大于对比区。作业后(17:00以后)影响区的ZH和ZDR均明显增大,说明云中大滴增多,结合雷达数据分析可知,该现象与高空冰相水凝物下落产生的融化有关,融化可引起云中大滴增多,降水增强。燃气炮作业期间对比区的ZH和ZDR明显小于影响区。作业初期ρhv明显减少,后期增加,这说明作业初期燃气炮作业引起云中水凝物种类增多。燃气炮作业期间影响区的SW明显增大,而对比区SW变化不大,这说明燃气炮冲击作用引起云中速度谱宽增大。

图9 个例3作业前后最低仰角(0.5°)PPI双偏振特征参量

综上所述,燃气炮作业期间影响区的速度谱宽SW明显增加,这可能是由于燃气炮的冲击波作用引起气流涡旋增加,导致云中速度谱宽增大,使得云中水凝物粒子向各个方向扩散。同时,SW增大,也加速粒子碰并增长,大粒子增多。在降水开始前和降水刚开始进行燃气炮作业,使ZH和ZDR增加,ρhv减少,有利于增雨。而在降水开始后作业效果欠佳。使用带有暖云催化剂的燃气炮作业后可很快产生影响效果,但维持时间较短,而带有冷云催化剂的燃气炮作业,影响持续时间较长。

2.5 影响区与对比区增雨效果统计

利用t检验及显著性分析方法,统计分析对燃气炮影响区与对比区增雨效果。燃气炮作业个例影响区与对比区的增雨效果统计2 h结果,2 h代表作业开始时刻后的两个整点数据(小时降水量)的平均值减去作业开始时刻前的两个整点数据的平均值。统计2 h的原因在于作业开始时刻一般非整点,而自动雨量站观测数据均为整点的小时降水量,如果仅选取作业开始后第1个整点的小时降水量数据进行分析,则可能因离作业时刻过于接近导致分析不准确。t检验方法:根据作业前后2 h的观测数据,取燃气炮作业影响区站点的增雨量和对比区站点的增雨量数据作为两组对比样本,进行双样本t检验。计算t值和显著性水平P值,用于判别是否存在显著增雨或减雨。此外,本文还提出计算一个二次计算量:-sign(t)×lg(P),即是取显著性水平P值的对数乘以t检验值再取负。该参量将本来非线性的P值进行近似线性转换,同时还克服了P无符号、t值受自由度影响以及作业绝对增雨量在不同个例中量级存在差异等局限性,便于分析不同个例增、减雨的显著性与其他变量的相关性。

将81个燃气炮作业个例按照作业时机分类,其中降水未开始作业个例25个(类型1),刚开始降水作业个例47个(类型2),降水开始一段时间作业个例9个(类型3)。增雨作业关于云况条件的选择判别标准参考1.3节。燃气炮作业对于不同个例效果不同,有增雨也有减雨。为了更好地了解燃气炮作业的效果,本文在2.6节和2.7节对所有作业个例和3种不同作业时机类型个例分别进行统计分析,研究所有作业个例和3种不同作业时机类型个例的增减雨分布情况,并分析各种因子(作业时长、雷达回波(ZH、ZDR)、水平风速和风切变等)对作业效果的可能影响。

2.6 研究个例增减雨分布特征

由81个个例增减雨分布情况的统计结果(图略)可知,影响区小时增雨量ΔR(单位:mm)大于对比区ΔR0的个例占比为53.1%,即有43个个例呈现增雨,其中小时降水量R增加3 mm 以上的个例有5个(占6.1%)。如以显著性水平P<0.1为标准,有33.3%的个例(27个)呈现R显著增大,28.3%的个例(23个)呈现R显著减小。进一步地,如以P<0.01为标准,有25.9%的个例(21个)呈现R显著增大,而有16.0%的个例(13个)呈现R显著减小。可见,燃气炮作业后显著增雨个例总体上略多于显著减雨个例。

图10为3种不同作业时机类型个例增减雨分布情况。由图10可以看到,对降水未开始作业的25个个例(类型1),影响区ΔR大于对比区ΔR0的个例占比为40%,即有10个个例呈现增雨,小时增雨量均位于0～1 mm。影响区ΔR小于对比区ΔR0的个例占比为60%,即有15个个例呈现减雨,其中有52%(13个)的个例减雨量为0～1 mm,8%(2个)个例减雨量为1～2 mm。对刚开始降水作业的47个个例(类型2),影响区ΔR大于对比区ΔR0的个例占比为66%,即有31个个例呈现增雨,其中小时增雨量大于1 mm的个例占25.5%(12个),小时增雨量为0～1 mm的个例占40.5%(19个);影响区ΔR小于对比区ΔR0的个例占比为34%(16个),其中小时减雨量大于1 mm 的个例占8.5%(4个),小时减雨量为0～1 mm 的个例占25.5%。对降水开始一段时间作业的9个个例(类型3)中,影响区ΔR大于对比区ΔR0的个例占比为55.5%(5个),其中小时增雨量为0～1 mm的个例占22.2%(2个),小时增雨量大于3 mm 的个例占33.3%(3个);影响区ΔR小于对比区ΔR0的个例占比为44.5%(4个),其中小时减雨量0～1 mm的个例占11.1%(1个),小时减雨量大于1 mm的个例占33.3%(3个)。总之,类型1减雨个例多于增雨个例,但小时减雨量或增雨量均较小;类型2增雨个例明显多于减雨个例,小时增雨量大于1 mm的个例多;类型3个例样本太少,增雨和减雨个例数量相当。3种类型中类型2增雨效果最好,即在降水初期作业最有利于人工增雨,这可能与降水初期上升气流比较旺盛有关,燃气炮作业后上升气流有利于催化剂向高空输送,且有利于人工增雨作业的持续进行,提高作业效果。

图10 3种不同作业时机类型个例增减雨分布

2.7 作业时长、雷达回波(ZH、ZDR)、水平风速和风切变与增雨效果相关性

为了研究影响燃气炮作业效果的可能因素,下面通过相关系数分析作业效果和其他物理量的数值关联性(表1、表2)。参与计算相关系数的是81个个例中雨量和其他物理量的二次计算量Δ2(X)和S(ΔX)。其中,X代表影响区或对比区内空间平均的降水量或其他物理量;Δ2(X)代表影响区增量ΔX减去对比区增量ΔX0,即由于作业导致的影响区比对比区增加的量,可视为作业绝对增量;S(ΔX)代表影响区增量和对比区增量之差的t检验二次统计量,即-sign(t)×lg(P)。R为小时降水量(单位:mm),v为水平风速(单位:m·s-1),s为风切变(单位:m·s-1)。

表1 雷达回波和降水量的相关性

表2 自动雨量站统计量和风速、风切变的相关性

S(ΔR)与燃气炮作业时长呈负相关(-0.055),且燃气炮作业绝对增雨量Δ2(R)的显著性水平和作业时长呈显著负相关(-0.303,P<0.01),表明燃气炮作业过量播撒可能导致减雨,这将在表1中结合与ZDR的相关性进一步讨论。S(ΔR)与作业前影响区的降水量呈负相关(-0.207,P<0.1),且燃气炮作业绝对增雨量Δ2(R)的显著性与作业前影响区的降水量也呈负相关(-0.234,P<0.05),这表明:一方面,在已经产生明显降水的情况下,燃气炮作业的冲击波效应以及催化剂向上输送可能不充分,很难使作业发挥正向作用,且原有大滴在燃气炮动力作用下更多大滴破碎变为小滴;另一方面,如果影响区内自然云在作业前已处于有明显降水阶段,作业开始后影响区的雨快下完了,导致统计为负效果。

由表1可知,绝对增雨量Δ2(R)和增雨显著性S(ΔR)与影响区的ZH增量(ΔZH)统计量均呈正相关,具有物理一致性:一般认为,雷达反射率因子越大,降水量越大。作业时长与ZDR的增量(ΔZDR)呈一定负相关,可能的物理机制是燃气炮作业的冲击波效应以及携带催化剂向上输送并参与云微物理过程,播撒导致大滴迅速减少、小滴增多,导致减雨。这与前面得到的增雨和作业时长的负相关性结论一致。

由表2可知,绝对增雨量Δ2(R)的统计量与中低层风速和风切变呈正相关,这可能与中低层风速越大催化剂扩散更充分有关。然而,增雨显著性S(ΔR)和500 hPa高度的风速呈显著负相关,表明中层风速过大会导致催化剂严重稀释,影响效果减弱。

3 结论与讨论

本文利用2021—2023年安徽省81次燃气炮作业的S波段双偏振多普勒天气雷达数据、小时降水量及ERA5再分析数据等多源观测数据,综合分析不同类型典型个例燃气炮作业前后小时雨量和双偏振雷达参量特征变化,评估燃气炮作业效果并对所有个例增减雨分布和各种因子(作业时长、雷达回波(ZH、ZDR)、水平风速和风切变等)对作业效果的可能影响进行讨论,主要结论如下:

1) 降水开始前进行燃气炮作业,增雨效果较好;降雨开始后作业,增雨效果较差。这主要是降水开始后作业,由于降水冲刷和下沉气流的作用,燃气炮作业向空中发射的催化剂不容易输送至高空,对云中水凝物微物理过程影响减弱。

2) 降水开始前进行燃气炮作业,可使云中双偏振参量ZH、ZDR增大,ρhv减小,作业效果好。燃气炮向空中发射的暖云催化剂的影响范围主要在零度层以下,对暖云微物理过程影响明显。而燃气炮向空中播撒的冷云催化剂可同时影响云中冷云和暖云微物理过程,云体零度层以上出现ZDR柱,使得云中液相向冰相水凝物转化过程明显加强。

3) 燃气炮作业过程中影响区多普勒速度谱宽SW明显增加,燃气炮冲击作用引起气流涡旋增加,粒子向不同方向扩散,速度谱宽增大。携带暖云催化剂的燃气炮作业后效果较快出现,但维持时间较短,而携带冷云催化剂的燃气炮作业影响持续时间更长。

4) 53.1%的燃气炮作业个例影响区增雨大于对比区,显著增雨个例总体上略高于显著减雨个例。3种不同作业时机类型个例中,类型2作业增雨效果最佳。

5) 增雨显著性水平与燃气炮作业时长呈显著负相关,作业时长与ZDR增量呈负相关,过量作业会导致减雨。增雨量和增雨显著性水平均与燃气炮作业前影响区的雨量呈负相关,降水开始后燃气炮作业效果不佳。增雨量和增雨显著性水平与ZH的影响区增量呈正相关。燃气炮作业增雨量与中低层风速和风切变呈正相关,而与中高层风速呈负相关,且中高层风速过大不利于燃气炮作业增雨。

综上所述,燃气炮是一种用于人工增雨作业的新型技术设备,还处于应用探索阶段,未来还有许多工作值得深入开展。对于已有经验建立的燃气炮作业指标和作业云况选择,需要更多试验结果补充完善,通过更多的作业实践,积累经验,改进作业指标,使增雨作业指标和作业云况选择更加合理和规范化。不同类型燃气炮性能对于作业效果评估的影响目前尚不清楚,本研究使用的85%燃气炮作业数据个例为HY-R型燃气炮作业结果,ZBZ-PR型聚能燃气炮和HY-R移动旋转型增雨防雹燃气炮(第2代)作业个例仅为几个,样本太少无法得到可靠的分类结论,今后需要更多的实践以获取更多的样本数据,为探讨不同类型燃气炮性能对于作业效果评估的影响提供可靠的数据支持。效果检验是目前人工影响天气中最难,但也最需要解决的问题,物理检验存在很大不确定性,且不能够严格直接证明催化增雨的效果,但能定性说明对云的作用,也值得深入研究。今后工作可以与示踪法相互补充和验证,也可以将物理检验与统计检验和数值模拟有机地结合起来,使作业效果检验更有说服力。应该开展更多典型个例的多源观测,在多种手段联合探测验证的基础上,深入研究和归纳燃气炮作业对云动力和微物理过程的影响。同时,应该加强多种波长相控阵双偏振气象雷达的应用,对燃气炮作业对云和降水结构影响及其作业效果进行更加精准的探测[22,27-29,35]。

致 谢：感谢安徽省人工影响天气办公室为本研究提供了2021年11月—2023年5月安徽省燃气炮作业数据、安徽省小时降水量数据以及合肥市、阜阳市和铜陵市SA型布网S波段双偏振多普勒天气雷达基数据。