务川一次人工增雨作业效果分析评估

摘" 要：利用地面自动气象站、双偏振多普勒天气雷达等观测资料，对2022年7月17日务川县一次火箭增雨作业效果进行统计检验和物理检验。通过对影响区和对比区作业前后雨量及雷达参量的演变差异，完整分析此次人工增雨作业的催化效果。结果表明，此次增雨效果显著，区域对比分析通过0.1的显著性检验，绝对增雨量为12.1 mm，相对增雨率为30.3％，总雨量增值达774 400 m3；催化效果在作业后15 min起到效果，影响区强回波迅速生成发展，并在1 h左右贝吉龙效应达到最强，强回波区面积、液态水含量跃升变率及高值区占比、冰粒子尺度和数量等参量均大于对比区，人工增雨催化作用能够被观测的物理效应所证实，为务川县人工增雨保障气象服务的顺利开展积累经验。

关键词：地面火箭；增雨作业；效果分析；天气雷达；自动气象站

中图分类号：P481" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）19-0101-05

Abstract： Based on the observation data of ground automatic weather station and dual polarization Doppler weather radar， statistical and physical tests were carried out on a rocket rain enhancement operation in Wuchuan County on July 17， 2022. Through the evolution differences of rainfall and radar parameters before and after the operation in the affected area and the control area， the catalytic effect of this artificial precipitation enhancement operation is analyzed completely. The results show that the effect of rain enhancement is remarkable. The regional contrast analysis has passed the significance test of 0.1. The absolute rainfall increase is 12.1 mm， the relative rainfall increase rate is 30.3%， and the total rainfall increment reaches 774 400m3. The catalytic effect was effective in 15 min after operation， and the strong echo in the affected zone was generated and developed rapidly， and the Bergeron Effect reached the strongest in about 1 hour. The strong echo area， the jump rate of liquid water content and the proportion of high value region， the size and quantity of ice particles and other parameters were larger than those in the control area. The catalysis of artificial precipitation enhancement can be confirmed by the observed physical effects， which accumulates experience for the smooth development of meteorological services in wuchuan county.

Keywords： ground rocket; rain enhancement operation; effect analysis; weather radar; automatic weather station

2022年7—9月务川县遭遇1961年有气象记录以来最严重的高温少雨天气及气象干旱，降水严重偏少，其中7月仅出现2次降雨，月平均累计降水量仅68.2 mm，比历史同期少63%；通过及时开展人工增雨保障气象服务，有力缓解了旱情，取得了较好的经济及社会效益。将务川新一代C波段双偏振多普勒天气雷达可测定降水粒子相态分类、垂直累积液态含水量等物理量的探测优势与车载火箭移动便捷、成核率高的特点相结合，有效提高人工增雨效率的同时，客观、科学地对人工增雨的效果进行评估，总结作业全链条、全流程的经验和教训。因此，人工增雨效果评估检验是一个非常重要的环节，也具有高度的不确定性和复杂性[1]。王婉等[2]采用非随机化试验利用统计的方法进行效果评估，现有的非随机化试验方案有序列试验、区域对比试验、区域历史回归试验和区域趋势双比分析方案等。叶家东[3]指出，在结合抗旱开展的作业性试验中回归试验仍是一种可行的方法，如果运用得当可以提高分析结果的客观性和准确性。目前，人工增雨效果检验方法主要有物理检验、统计检验、数值模拟检验3种，统计检验、数值模拟检验的效果只有经过物理解释和观测的物理效应所证实，才能获得比较令人信服的检验效果[4]。基于以上观点，本文在作业效果检验中使用序列分析、区域对比分析、双比分析等统计检验方案对7月17日务川县一次降水天气过程中人工地面火箭增雨作业的增雨效率进行效果评估，并利用务川新一代多普勒天气雷达的观测参量进行物理验证和检验，旨在检验增雨作业情况，为今后开展人工增雨效果分析提供了较为科学的方法和思路。

1" 资料与方法

1.1" 数据资料

利用2022年7月16—17日500 hPa及850 hPa天气图、500 hPa及700 hPa高度场和风场、海平面气压场和500 hPa相对湿度场资料，白果组站、黄都站地面自动站逐分钟雨量资料及务川新一代C波段双偏振多普勒天气雷达观测等资料。

1.2" 研究方法

在序列分析中不涉及到对比区，在区域对比分析和双比分析中，在作业区下风方向8 km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；二是在对比区上风向且地形地貌相似；三是与影响区历史降水量的相关系数在0.8以上[5]。3种统计检验方法计算情况见表1，R为相对增雨率，Q为绝对增雨量，其中序列分析法中Y1和Y2为影响区作业前3 h和作业后3 h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后3 h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为对比区作业后3 h和作业前3 h实测降水量[6-7]。

2" 基于地面自动气象站雨量统计的增雨效果评估

2.1" 天气形势

7月16日14时500 hPa副高588线控制贵州省中部以南地区，务川县处于两高之间不稳定区；24 h（17日14时）后北支槽东移后转西北气流。700 hPa高空图西南气流、暖中心，陕甘南部切变；17日7时，川东南低涡切变开始增强并东移，14时西南气流进一步增强，川东南低涡切变增强，云图出现高湿区。850 hPa天气图务川县一致偏南气流，且受川东南低涡影响；14时偏南气流加强，川东低涡加强西伸北抬东移、增湿进一步影响该县。14时涪洋站（作业影响区附近）地面低压925.1 hPa，3 h变压-1.8 hPa，温度达到29.0 ℃，露点温度24.3 ℃，高层干冷空气与低层暖湿空气重叠，位势不稳定能量聚集。

用距离务川县最近的沙坪坝探空资料来分析过程发生前后环境场的变化。16日20时，探空图上CAPE数值为1 279.4 J/kg，550 hPa以上是明显的干层，同时700 hPa至600 hPa风随高度逆转，对应的温度层结曲线与露点曲线发生分离，说明该层有冷空气入侵。上干下湿的大气层结为不稳定层结状态，暖层深厚，中间有冷空气侵入，有利于强对流天气发生，并伴随一定强度的短时强降水。0 ℃层和20 ℃层分别在500 hPa和300 hPa（6～9 km）之间，保证作业高度上云中存在较深厚的过冷却水滴区。

因此本次降雨为低涡北抬与南下冷空气遭遇，冷暖交汇程度明显并配合稳定的低涡与局地水汽输送和不稳定能量而形成对流性降水，有利低质心对流降水云团的生成，具备人工增雨作业天气条件。

2.2" 人工增雨作业效果

17日15时28—29分在桃符进行地面火箭作业，仰角50°，方位西西北，用量火箭弹3枚，弹道路径为水平距离7～10 km，作业层催化垂直高度3～5 km。结合作业高度及风廓线（VWP）产品上高度2～8 km风向一致为西风、风速2 m/s左右、雷达回波缓慢向东移动等因素，将作业点下风方白果组站周围64 km2（8 km×8 km）以内的区域定为作业影响区（图1），根据对比区选择的原则，选取黄都站周边64 km2（8 km×8 km）的区域为对比区，两站7月份历史雨量相关性达0.824 （表2），以作业前后3 h为统计变量，检验表明：3种分析显示增雨作业均有正效果，其中序列分析显著性水平小于0.01，说明增雨作业极显著；区域对比分析通过0.1的显著性检验，绝对增雨量为12.1 mm，相对增雨率为30.3％，总雨量增值[8]约774 400 m3；双比分析未通过显著性检验，说明影响区和对比区可视为同一天气系统影响。

3" 基于务川新一代双偏振天气雷达产品的增雨效果分析

3.1" 基本反射率

采用碘化银对影响区云体作业后，经过贝吉龙过程过冷水滴转化为冰晶并逐步成长为雪晶和冰雹，随着冰粒子生长成冰雹子，不断消耗云中的过冷水。在催化区域内，各种相态粒子的转换和尺度变化，可引起后向散射截面的变化使雷达反射率因子发生变化。影响区云体作业前基本反射率为10～25 dBZ，占影响区面积的60%～80%，而强回波区域（40～45 dBZ）仅占5%；作业后约15 min，15：43体扫影响区基本反射率普遍增强至35 dBZ以上。影响区强回波（超过45 dBZ）持续影响的时间为16：35—17：44，最强回波出现在16：47，达到60 dBZ的强中心，该体扫垂直累积液态含水量达到26 kg/m3，此时的分钟雨强也达到最强；同时作业目标云基本反射率为40～50 dBz的面积比作业前增大3倍以上。对比区强回波（超过45 dBZ）持续时段为15：00—16：58，最强回波出现在15：26，达到63.5 dBZ，该时刻垂直累积液态含水量达到28 kg/m3。作业后3 h，影响区内白果组站降雨量达到52.0 mm，对比区内黄都站降雨量为39.9 mm，而作业前3 h两站的累计雨量分别仅为0.1 mm和2.9 mm，可见，作业后地面雨量逐渐增加，明显大于作业前；尽管对比区强回波持续时间达118 min，远长于影响区的69 min，且对比区的强回波区中心强度及垂直累积液态含水量均强于影响区，但影响区雨量却相对于自然降雨量（对比区）的增雨效率达30.3%，这与火箭弹催化有直接关系，体现出增雨作业相较自然降雨的效率优势。

从剖面图上看（图2），作业前影响区低质心对流云团尚处于初生阶段，强回波高度在5 km以下，作业后迅速发展并缓慢东移，强回波高度达到5～8 km并及地且后续有新的强单体生成；对比区作业时次（15：26）云体强中心集中在5 km以下，但强度略强于作业后目标云（图2（b）），结合云顶高度判断强质心较低，自然状态降水量较目标云少23%；由此证明作业层催化作用大大增加了云体发展的垂直高度，有利于粒子在一定的高度反复碰并形成大雨滴并降落地面，形成较高的降雨效率。

3.2" 垂直累积液态含水量（VIL）

垂直累积液态含水量是降水云体中某一确定面积的垂直柱体内液态水总量的分布，反映将反射率因子等数据转换成等价液态水值[9]；从其演变可知（图3），作业1 h后影响区内水汽聚合明显，VIL强度明显增强，说明作业后水汽沿碘化银撒播区域凝结，冰晶数量和大小有较大增加。16：35垂直积分液态水含量由1.5 kg/m3跃升到17.5 kg/m3，10 kg/m3以下的面积在减小；大于20 kg/m3的VIL面积明显增加，说明VIL大值区域呈增加趋势并于16：41达到最大值27 kg/m3，面积占比达到38%，并维持至17：10，持续时间达35 min，VIL大值区面积的涨落很好地与地面雨量观测值相对应，如大于等于20 kg/m3的面积最先增长且快于累计雨量的增长、雨量最大值出现在VIL大值区面积减小的时间区间内等均符合云物理降水基本特征，可见火箭弹的催化效果体现在对云滴的贝吉龙效应，逐渐碰并增大形成大雨滴，雷达测得迅速出现的VIL大值区，累计雨量也随之跃增，增雨作业的效果被观测的物理效应所证实。

3.3" 粒子相态分类产品

双偏振雷达的偏振参数对水成物的相态、形状、空间取向和分布都很敏感，因此利用偏振参数可以推断出水成物的微物理学特征。粒子相态分类产品（HCL）是对水成物进行相态识别的物理量，影响区内作业后HCL上可看出（图4）有大量冰雹子（大冰核子），说明冰晶粒子成长尺度较大，贝吉龙增长旺盛，集中在1.90～4.18 km（0.5～6.0°仰角）的冰核数量和面积、持续时间均强于对比区；对比区黄都站附近的大冰核子主要集中在2.23～4.72 km（0.5～3.4°仰角）高度，主要表现为冰雹和大雨滴的混合态和分散状，影响区则主要是冰核，聚集态碘化银加速了过冷水滴转化为冰晶并逐步成长为雪晶和冰雹，随着这些冰粒子的生长又不断消耗云中的过冷水，这是增雨作业人工制造的“冰晶效应”，大部分的降雨来自这些冰相粒子的融化。

4" 结论

1）针对此次天气过程所开展的地面火箭增雨，3种评估方法均显示有正效果，其中区域对比分析通过0.1的显著性检验，绝对增雨量为12.1 mm，相对增雨率为30.3％，总雨量增值约774 400 m3。

2）作业后15 min影响区基本反射率普遍增强到35 dBZ以上，超过45 dBZ的回波面积迅速扩大到作业前的3倍并持续69 min，作业层催化作用大大增加了云体发展的垂直高度，影响区强回波发展高度比对比区更高；1 h影响区目标云VIL从1.5 kg/m3增加到17.5 kg/m3，并维持了35 min，作业后目标云的面积增大和回波强度增强与火箭弹催化有直接关系；而影响区人工制造的聚集态碘化银加速了过冷水滴转化为冰晶并逐步成长为雪晶和冰雹，更加速了降水效率。

3）人工增雨效果检验的客观性和准确性受以下因素制约。一是将对比区作为影响区自然降水的估计，尽管对比区选取方法理论上科学合理，如本文中影响区和对比区的历史雨量相关性达0.824 6；但以本次火箭增雨作业为例，降水的局地性较强且受地形等因素的影响，两区的相似性较差，主要体现在强回波（超过45 dBZ）持续影响的时间重合度较差，无法完全剔除云及降水的自然变率，一定程度上影响基于该方法的增雨效果检验。二是双偏振雷达的云降水探测误差对增雨作业物理检验的影响，如本文中影响区距离邻近探测雷达较近约20 km，而对比区距离邻近探测雷达较远达50 km，探测回波误差对结果会造成一定影响。

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基金项目：遵义市气象局登记制科研项目（zyqxky（2022）7号）

第一作者简介：高建飞（1989-），男，工程师。研究方向为人工影响天气及气象服务业务。