雷達(dá)和GPS水汽資料在人工增雨指標(biāo)中的應(yīng)用

　　摘要 利用雷達(dá)、GPS 大氣可降水量等綜合分析了云物理特征參數(shù)在一次對(duì)流降水中實(shí)施人工增雨的指標(biāo)，根據(jù)對(duì)流過(guò)程的演變，將 其細(xì)分為生成、發(fā)展、成熟、減弱、消亡 5 個(gè)階段來(lái)分析各物理參數(shù)的變化特征。結(jié)果表明，GPS 大氣可降水量對(duì)降水的產(chǎn)生有較好的指示 作用;組合反射率、回波頂高、垂直積分液體水含量與降水相關(guān)性好，能表示對(duì)流云總體發(fā)展情況;成熟階段是實(shí)施人工增雨的最佳時(shí)段。

　　關(guān)鍵詞 人工增雨;雷達(dá);GPS 大氣可降水量

　　安徽省為農(nóng)業(yè)大省，夏季對(duì)降水的需求旺盛，開(kāi)展人工 增雨是開(kāi)發(fā)大氣水資源、改善當(dāng)?shù)厮�資源狀況的一項(xiàng)重要 措施。 近年來(lái)，各省在人工增雨外場(chǎng)作業(yè)中不斷探索，試圖構(gòu) 建適合各省的作業(yè)條件和作業(yè)時(shí)機(jī)的判斷指標(biāo)。雷達(dá)可探測(cè) 對(duì)流云回波變化的高時(shí)空分辨率特性，對(duì)外場(chǎng)人工增雨作 業(yè)有指導(dǎo)性[1-2]。

　　20 世紀(jì) 90 年代河南、河北兩省就開(kāi)始探索 層狀云的人工催化條件[3-4];王吉宏等[5]用沈陽(yáng)棋盤山新一代 天氣雷達(dá)探測(cè)分析了 2004—2006 年在遼寧中西部地區(qū)進(jìn) 行的人工增雨作業(yè)及降水的雷達(dá)回波特征，初步總結(jié)出對(duì) 積層混合云實(shí)施人工增雨作業(yè)的雷達(dá)判別指標(biāo)。唐 林等[6]以 湖南主要人工增雨積云和積層混合云為研究對(duì)象，得出湖 南的人工增雨指標(biāo)和評(píng)分規(guī)則，并建立地面人工增雨多普 勒天氣雷達(dá)指揮系統(tǒng)。伍志方等[7]利用廣東省新一代天氣雷 達(dá)產(chǎn)品分析了春季廣東中北部有利于降水的天氣條件，并舉 例說(shuō)明新一代天氣雷達(dá)各種產(chǎn)品在人工增雨作業(yè)中的綜合 應(yīng)用。

　　郭 艷等[8]總結(jié)了江西 2007—2008 年人工增雨作業(yè)條 件的多普勒天氣雷達(dá)參數(shù)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上建立了人工增 雨作業(yè)條件判別方程。安徽省在人工影響天氣作業(yè)條件分 析判斷方面也進(jìn)行了初步探索，蔣年沖等[9]探討了安徽省夏 季不同類型降水系統(tǒng)中對(duì)流性降水云的結(jié)構(gòu)、降水形成機(jī) 制，旨在為進(jìn)一步研究安徽省人工影響天氣提供技術(shù)途徑。 有研究指出，GPS 信號(hào)的分析可直接得到大氣 水 汽 含 量 的 變 化，對(duì)判斷增雨作業(yè)時(shí)機(jī)有很好的指導(dǎo)性 。

　　袁 野 等[10]、王明明等[11]研究發(fā)現(xiàn)，地面降水與云液態(tài)水含量隨時(shí) 間的分布對(duì)應(yīng)較好，在地面降水出現(xiàn)前，云液態(tài)水含量有躍 增現(xiàn)象，利用這種現(xiàn)象可判斷此時(shí)段云系正處于發(fā)展階段， 由此可應(yīng)用于人工增雨作業(yè)條件的判別。 基于目前研究的現(xiàn)狀，本文綜合雷達(dá)、GPS 大氣可降水 量和地面降水觀測(cè)資料，針對(duì) 2018 年的一次對(duì)流降水過(guò)程， 分析雷達(dá)參數(shù)、GPS 大氣可降水量與降水的關(guān)系，嘗試建立 識(shí)別增雨作業(yè)時(shí)機(jī)的參數(shù)指標(biāo)。

　　1 資料選取

　　選用的資料有合肥市地面觀測(cè)站降水資料、安慶探空站 資料、合肥站地基 GPS 大氣可降水量(PWV)。選用 2018 年8 月 7 日安徽省內(nèi)安慶、蚌埠、阜陽(yáng)、合肥、黃山共 5 市的 S 波 段雷達(dá)資料，SWAN 系統(tǒng)能集合多部雷達(dá)數(shù)據(jù)，反演生成多種 基本產(chǎn)品，包括三維拼圖雷達(dá)產(chǎn)品、組合反射率、回波頂高、 垂直積分液態(tài)水含量等。天氣形勢(shì)分析資料取自 MICAPS 系統(tǒng)生成的相關(guān)產(chǎn)品。

　　2 天氣形勢(shì)

　　2018 年 8 月 7 日合肥市及周邊地區(qū)出現(xiàn)一次短時(shí)對(duì)流 降 水 過(guò) 程，降 水 從 8 月 7 日 11：58 開(kāi) 始，于 17：00 左 右 結(jié) 束，強(qiáng)降水中心主要集中在合肥市東北部長(zhǎng)豐縣和肥東縣 一帶，6 h 累計(jì)雨量有 10 個(gè)站超過(guò) 5 mm，最大降水量達(dá)到 51.5 mm，出現(xiàn)在白龍鎮(zhèn)。此次降水過(guò)程具有歷時(shí)短、 降水強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)等特征。7 日 8：00 500 hPa上安 徽省處于副高控制下，周圍多短波槽，安徽區(qū)域水汽含量豐 富。 安慶探空顯示大氣層結(jié)不穩(wěn)定，CAPE 為 2 564 J/kg，底 層風(fēng)切變強(qiáng)，700 hPa 低層為西南風(fēng)，高層為東南風(fēng)。對(duì)流云 11：00 生成于合肥東部，對(duì)流回波迅速 發(fā)展壯大，并在移動(dòng)過(guò)程中逐漸形成東南—西北走 向的對(duì)流回波。

　　在移動(dòng)過(guò)程中逐漸增強(qiáng)，在 14：50 對(duì) 流強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，基本反射率最大達(dá)到 55 dBZ。在移動(dòng)過(guò)程 中有對(duì)流單體的生成和合并發(fā)展，14：00 左右在巢湖市有新 的對(duì)流單體產(chǎn)生，與原減弱的對(duì)流云合并后，持續(xù)發(fā) 展一段時(shí)間，15：53 在巢湖市消亡。

　　3 基于 PGS/PWV 的判別指標(biāo)

　　GPS 大氣可降水量(PWV)與天氣系統(tǒng)的演變存在密切 關(guān)系，其引發(fā)的降水等天氣過(guò)程一般都對(duì)應(yīng)著水汽總量的顯著變化。由圖 4 可以看出，降水發(fā)生前，大氣可降水量 PWV 呈遞增的趨勢(shì)，大氣中水汽含量不斷增加，有利于水汽的積累，為降水提供有利的水汽條件。

　　8 月 7 日 7：00 PWV 值達(dá) 到 52.5 mm。合肥 12：00 左右開(kāi)始出現(xiàn)降水，降水期間 PWV 保持減少趨勢(shì)，但減少幅度比較小，PWV 值在 50 mm 左右， 降水在 17：00 左右結(jié)束，18：00 PWV 值急速下降到 46 mm。 降水往往隨即出現(xiàn)在大氣可降水量的急速增加之后，降水 發(fā)生后，水汽含量呈緩慢下降趨勢(shì)，降水過(guò)程結(jié)束后，水汽 含量迅速下降。PWV 的減小預(yù)示降水過(guò)程的結(jié)束，降 水 過(guò) 程與 PWV 峰值區(qū)對(duì)應(yīng)較好，PWV 的 躍 增 對(duì)開(kāi) 展 人 工 增 雨 時(shí)機(jī)有一定指示作用。

　　4 基于雷達(dá)資料的判別指標(biāo)

　　雷達(dá)可探測(cè)對(duì)流云回波變化的高時(shí)空分辨率特性，分 析 2018 年 8 月 7 日雷達(dá)產(chǎn)品與降水的關(guān)系。雷達(dá)參數(shù)包括回波頂高、18.5 dBZ 云體積、30 dBZ 云體積、冷層厚度、平均 反射率、最大反射率、最大反射率高度和垂直積分液態(tài)水含 量。各參數(shù)定義如下。

　　①回波頂高：每個(gè)庫(kù)上回波強(qiáng)度大于 18.5 dBZ 的最大高度。②面積：SWAN 拼圖數(shù)據(jù)格點(diǎn)大小為 0.01 經(jīng)度×0.01 緯度，其面積隨緯度的變化有所變化，33°N 的格點(diǎn)面積大小約為 1.03 km2 ，所以計(jì)算段的面積時(shí)，將每 個(gè)格點(diǎn)的面積近似為 1 km2 ，所以段的長(zhǎng)度即為面積。③冷層厚度：由風(fēng)暴的二維分量計(jì)算風(fēng)暴覆蓋下的最大回波頂 高，與零度層的高度差即為冷層厚度。④最大反射率：每個(gè) 庫(kù)上對(duì)所有垂直高度層的反射率進(jìn)行比較，選擇最大的反射 率值，即組合反射率。

　　⑤垂直積分液態(tài)含水量：降水云體在某 一確定底面積垂直柱體內(nèi)降水粒子總量折合成水的分布。 此外，雨量站為合自動(dòng)雨量站分鐘降水，SWAN 三維拼 圖雷達(dá)資料時(shí)間間隔為 6 min，為了與拼圖資料時(shí)間一致， 需要將分鐘雨量資料統(tǒng)計(jì)為拼圖資料體掃開(kāi)始時(shí)間至結(jié)束 時(shí)間對(duì)應(yīng)的 6 min 累計(jì)降水量。 回波頂高、18.5 dBZ 云體積、30 dBZ 云體積、冷層厚度、 平均反射率、組合反射率、最大反射率高度、垂直積分液態(tài) 水含量等物量參量與雨強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)分別為 0.292 328、 0.287 931 448、0.058 575 923、0.433 526、0.278 777、0.433 171 12、 0.331 507 765、0.352 42。

　　可以看出，回波頂高、冷層厚度、組合反射率、垂直積分 液態(tài)水含量與降水的相關(guān)性較好�；夭�頂高能代表云中過(guò) 冷水含量;組合反射率表示對(duì)流云發(fā)展強(qiáng)度的狀態(tài)，垂直積 分液體水含量是判別強(qiáng)降水及其降水潛力的有效參量，故 選擇回波頂高、組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量來(lái)表示對(duì) 流云總體發(fā)展情況。為分析出適合作業(yè)的最佳時(shí)段，基于目前的研究和本次 對(duì)流過(guò)程的發(fā)展演變，將整個(gè)對(duì)流過(guò)程細(xì)分為生成、發(fā)展、 成熟、減弱和消散 5 個(gè)階段，不同階段組合反射率、回波頂 高、垂直積分液態(tài)水含量的回波參數(shù)特征。

　　發(fā)展階段，組合反射率、回波頂高、垂直積分液態(tài)水含 量值比較低，組合反射率低于 30 dBZ，回波頂高小于 4 km， 垂直積分液態(tài)水含量小于 1 kg/m2 。當(dāng)對(duì)流快速發(fā)展進(jìn)入發(fā) 展階段時(shí)，回波強(qiáng)度迅速增大到 30 dBZ 以上，回波頂高能 達(dá)到 6 km，液態(tài)含水量也變得豐富�；夭ㄔ黾铀俣群芸欤�進(jìn) 入成熟階段后，組合反射率最大能達(dá)到 55 dBZ，回波頂高最高 能發(fā)展到 14 km，液態(tài)水含量也非常豐富，能達(dá)到 20 kg/m2 。

　　持續(xù) 40 min 后，對(duì)流云開(kāi)始減弱，組合反射率變?nèi)�，回波�?度降低，液態(tài)水含量顯著減少，直至整個(gè)對(duì)流消散結(jié)束。 對(duì)流降水過(guò)程局地性比較強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間短，一般對(duì)流云 降水從生長(zhǎng)—發(fā)展—成熟—減弱—消散整個(gè)過(guò)程生命期在 30～240 min 范圍內(nèi)。對(duì)流云系主要有多單體合并對(duì)流云與 單體對(duì)流云，多單體對(duì)流云在生命史、回波高度、強(qiáng)度、尺度 等方便都超過(guò)單體對(duì)流云，同時(shí)液態(tài)水含量和自然降水效 率都比單體對(duì)流云大。本次對(duì)流過(guò)程為多單體合并對(duì)流云 降水過(guò)程，綜合各參數(shù)在對(duì)流過(guò)程中的演變指標(biāo)，選擇成熟 階段進(jìn)行人工增雨作業(yè)效果較好。

　　5 結(jié)論與討論

　　通過(guò)分析 GPS 大氣可降水量、雷達(dá)參數(shù)與降水的關(guān)系， 初步建立了識(shí)別增雨作業(yè)時(shí)機(jī)的參數(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，降水 開(kāi)始前 PWV 的躍增對(duì)開(kāi)展人工增雨有一定指示作用。雷達(dá)參數(shù)回波頂高、組合反射率、垂直積分液態(tài)水含量與降水的 相關(guān)性好，可表示對(duì)流云總體發(fā)展情況。根據(jù)本次對(duì)流過(guò)程 的發(fā)展演變，將整個(gè)對(duì)流過(guò)程細(xì)分為生成、發(fā)展、成熟、減弱 和消散 5 個(gè)階段，成熟階段是適合開(kāi)展人工增雨作業(yè)時(shí)段。

　　氣象論文投稿刊物：氣象科技是1973年創(chuàng)刊的，以刊發(fā)宣傳大氣科學(xué)和有關(guān)聯(lián)的科學(xué)各領(lǐng)域的新理論、新方法和新技術(shù)為主，也刊載反映大氣科學(xué)各領(lǐng)域發(fā)展水平的綜合評(píng)述。設(shè)置欄目有：動(dòng)力氣象與天氣預(yù)報(bào)、氣候分析與預(yù)測(cè)、遙感與探測(cè)、信息技術(shù)及應(yīng)用、城市與環(huán)境氣象、農(nóng)業(yè)與生態(tài)氣象、人工影響天氣、雷電防護(hù)，應(yīng)用與服務(wù)等。

　　安徽省對(duì)流過(guò)程中實(shí)施人工增雨的雷達(dá)指標(biāo)：組合反射率發(fā) 展到 40 dBZ 以上，回波頂高達(dá)到 6 km，垂直積分液態(tài)水含 量達(dá)到 20 kg/m2 。 本研究嘗試將 GPS 大氣可降水量和雷達(dá)參數(shù)應(yīng)用于安 徽省人工增雨條件和時(shí)段的判別研究中，對(duì)指導(dǎo)外場(chǎng)人工增 雨業(yè)務(wù)更加準(zhǔn)確直接，可有效提高人工增雨的效率，對(duì)安徽 省人工增雨有重要的意義，但本研究結(jié)果僅為一次天氣過(guò)程 的分析結(jié)果，后續(xù)將積累大量安徽省對(duì)流過(guò)程的統(tǒng)計(jì)分析， 以期給出具有統(tǒng)計(jì)意義的判據(jù)指標(biāo)。

　　6 參考文獻(xiàn)

　　[1] 王麗莉，陳真，王麗俊，等.CINRA-CB 產(chǎn)品與自動(dòng)站資料在人工增雨 中的應(yīng)用[J].氣象科技，2003，25(4)：572-576.

　　[2] 趙姝慧，秦鑫，李帥彬，等.新一代天氣雷達(dá)常用產(chǎn)品在我國(guó)人工影響 天氣工作中的應(yīng)用[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2012，27(6)：694-702.

　　[3] 陳彬彬，李丹，林文，等.2017 年 10 月 14—15 日 廈門 市人 工增雨 作 業(yè)效果評(píng)估[C]//中國(guó)氣象學(xué)會(huì).第 35 屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì) S16 人工 影響天氣理論與應(yīng)用技術(shù)研討.合肥：中國(guó)氣象學(xué)會(huì)，2018.

　　[4] 張 存，周 毓 荃.人 工 影 響 天 氣 優(yōu) 化 技 術(shù) 研 究[M].北 京：氣 象 出 版 社， 2000.

　　[5] 王吉宏，張維全，班顯秀，等.積層混合云人工增雨 作業(yè) 條件 分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(10)：4560-4562.

　　[6] 唐林，魏鳴，王治平.湖南人工增雨云型的分析判別與多普勒天氣雷 達(dá)指揮系統(tǒng)的研制應(yīng)用[J].氣象科學(xué)，2007，27(1)：95-100.

　　作者：孫莉娟 1 徐 陽(yáng) 2 魯?shù)陆?1 朱明佳 1

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///nylw/24251.html