劉平 黃彥彬 王維佳 肖遞祥 范思睿 劉志

(1 四川省人工影響天氣辦公室，成都 610072； 2 中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 3 海南省人工影響天氣中心，?？?570203; 4 四川省氣象臺，成都 610072)

引言

雨滴譜是指單位體積內(nèi)大小不同雨滴的數(shù)量隨其直徑的分布，可直觀反映云降水的微物理過程。早期，Marshall(1948)通過濾紙測量法獲取雨滴譜分布[1]，隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)步，陸續(xù)發(fā)展了光學(xué)式雨滴譜儀，陳寶君、劉俊、Battaglia, A.等國內(nèi)外學(xué)者先后開展了有關(guān)研究并取得成果[2-4]。近些年，國內(nèi)雨滴譜儀的應(yīng)用研究得到了更大發(fā)展，濮江平等[5]利用雨滴譜儀觀測降水粒子譜，發(fā)現(xiàn)與衛(wèi)星計算的云頂有效粒子半徑時間變化趨勢有較好的一致性。房彬等[6]分析遼寧雨滴譜資料，發(fā)現(xiàn)直徑小于1 mm的降水粒子對數(shù)濃度的貢獻(xiàn)最大。王俊等[7]利用激光雨滴譜儀觀測資料檢驗(yàn)作業(yè)效果，認(rèn)為消(減)雨作業(yè)后出現(xiàn)了最大雨滴濃度，且滴譜譜寬減小。潘雯菁等[8]分析了南京青奧會人工減雨作業(yè)前后南京站雨滴譜的變化，發(fā)現(xiàn)作業(yè)影響后譜寬變窄，粒子最大直徑、眾數(shù)直徑明顯變小，粒子總數(shù)濃度與不受催化影響的站負(fù)相關(guān)。郭建等[9]分析了適宜增雨作業(yè)的雨滴譜特征，認(rèn)為雨水含量、雷達(dá)反射率因子等參量與降水強(qiáng)度正相關(guān)。林文等利用雨滴譜資料進(jìn)行增雨個例物理檢驗(yàn)分析，認(rèn)為作業(yè)后小滴數(shù)濃度減小，大滴數(shù)濃度增加。

本文針對2018年3月16—17日四川盆地西北部一次層狀云降水人工增雨作業(yè)天氣過程，利用該地區(qū)2臺Parsivel2激光粒子譜儀(下文簡稱雨滴譜儀)觀測數(shù)據(jù)，分析了人工增雨作業(yè)前后粒子總數(shù)濃度、雨強(qiáng)、雨水含量和有效直徑微物理特征響應(yīng)，研究了粒徑速度時間序列變化分布特征，給出了此次人工增雨作業(yè)效果的物理證據(jù)，進(jìn)一步了解自然降水與人工催化降水粒子宏微觀物理特性，為更好地開展人工增雨作業(yè)和效果分析業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持。

1 資料和方法

針對2018年3月16—17日一次層狀云人工增雨作業(yè)過程，空間上選取距離氣象觀測場10 km以內(nèi)的作業(yè)點(diǎn)，確保催化影響范圍內(nèi)的自動氣象站數(shù)據(jù)可用。在觀測設(shè)備布局上，全省156臺自動氣象站、42臺雨滴譜儀，選取自動氣象站與雨滴譜儀觀測站點(diǎn)位于同一觀測地點(diǎn)，減少兩種設(shè)備由于降水時空不均引起的測量誤差。根據(jù)上述原則，確定江油武都、廣元昭化2個地面作業(yè)點(diǎn)人工增雨降水過程為研究對象，分別對應(yīng)江油、廣元?dú)庀笥^測場雨滴譜儀。雨滴譜儀與作業(yè)站點(diǎn)位置對應(yīng)關(guān)系圖1所示。

圖1 江油、廣元雨滴譜儀與作業(yè)站點(diǎn)位置對應(yīng)關(guān)系

廣元本站降水從3月16日10:00時持續(xù)到3月17日10:00時，累積降水量17 mm，共統(tǒng)計1440個分鐘降水樣本，從作業(yè)時間點(diǎn)0～3 h計算，共計180個催化樣本。江油降水從3月16日06:00持續(xù)到3月17日08:00，累積降水量24 mm，共統(tǒng)計1560個分鐘降水樣本，其中115個催化樣本(剔除值為0的樣本)。

為提高雨滴譜儀觀測數(shù)據(jù)的有效性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制：①依據(jù)趙震等[10]研究陣性毛毛雨數(shù)據(jù)，對長時間降水統(tǒng)計可忽略其貢獻(xiàn)，剔除粒徑小于0.2 mm，或者粒子速度小于0.2 m/s的粒子；②關(guān)于雨滴重疊或變形問題，按照房彬、郭學(xué)良等[6]以及Chen, B.等[11]提出的方法，剔除個別時刻粒徑大于6 mm，或者下落速度大于15 m/s的粒子；③對盆地7臺(含廣元和江油)雨滴譜儀計算雨量值進(jìn)行了統(tǒng)計分析，與自動氣象站雨量實(shí)測值的相關(guān)性都在0.99以上[12]，說明雨滴譜觀測數(shù)據(jù)計算得到的雨量值可用性較好；④將雨滴譜儀雨量與自動氣象站雨量進(jìn)行對比分析，剔除雨滴譜儀觀測失真的個別數(shù)據(jù)。

本文研究的微物理特征參量主要包括總數(shù)濃度NT(m-3)、雨強(qiáng)R(mm·h-1)、雨水含量W(g·m-3)和有效直徑Deff(mm)，各物理量計算公式[13]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，i、j分別為粒徑和速度分檔，Di粒徑、Vj粒速、nij粒子數(shù)、A采樣面積、Δt采樣時間、N(Di)譜分布、ρw水汽密度。

2 作業(yè)條件分析與作業(yè)情況

2.1 天氣系統(tǒng)分析

2018年3月16日夜間到17日白天，500 hPa青藏高原有一低槽東移影響四川盆地(圖2)，與此同時，16日20:00，700 hPa四川盆地為偏南氣流，盆地西部和北部T-Td≤2 ℃，處于顯著高濕狀態(tài)，利于降水的出現(xiàn)，850 hPa貴州至四川盆地東部為8～14 m/s的偏東南氣流，向四川盆地西北部輸送水汽，陜西南部為一支攜帶冷平流的偏東氣流，24 h最強(qiáng)變溫達(dá)-18 ℃，兩支氣流在盆地西北部的廣元、綿陽一帶形成明顯的輻合，且鋒區(qū)較強(qiáng)，利于這一地區(qū)降水的出現(xiàn)。

2.2 作業(yè)云系識別

根據(jù)GRAPES_CAMS云模式預(yù)報分析，3月16日16:00至17日08:00，川西北一帶垂直累積液態(tài)水VIL主要在0.5～1.5 mm，云水混合比Qc含量約0.01～0.3 g/kg，具有使冰晶增長的潛力，冰晶濃度Ni為1～10個/L，具有可播性，過冷水主要位于-20～0 ℃(4～6 km)高度層，該區(qū)域可作為人工增雨作業(yè)潛力區(qū)，具有較好的催化條件。

3月16日20:00溫江探空資料分析，-5 ℃層和-10 ℃層分別位于4.5 km和6 km的高度，云系為單層云，垂直發(fā)展密實(shí)，相對濕度較大，云底較低，500 hPa為西南氣流，風(fēng)速約為8 m/s。16日19:00廣元地區(qū)、以及00:36綿陽地區(qū)雷達(dá)組合反射率回波分布較均勻，回波成片狀，大約5～20 dBz，地面有弱降水形成，與姚志剛等[14]用毫米波雷達(dá)研究的層狀云特征十分一致，是典型的層狀云結(jié)構(gòu)。

FY-4A衛(wèi)星多通道輻射成像儀(AGRI)產(chǎn)品，2018年3月16日10:15 UTC可見光1.1 μm通道(圖3a)，四川盆地大部分地區(qū)有中低云覆蓋，云系比較密實(shí)；圖3d川西北區(qū)域云頂高度大概在3.5～6.0 km；圖3c云頂溫度多在-15～-5 ℃之間。圖3b云中有大片淺黃色的過冷水區(qū)，左下角T-Re廓線窗口顯示有效粒子半徑Re大多小于15 μm，缺乏大滴和冰晶，適宜層狀云人工增雨作業(yè)條件衛(wèi)星判據(jù)[15]。

圖2 2018年3月16日20:00 500 hPa形勢場(a)和850 hPa風(fēng)場、溫度(紅色)及24 h變溫(綠色)(b)

圖3 2018年3月16日10:15UTC FY4-A多通道輻射成像儀(AGRI)反演產(chǎn)品: (a)可見光,(b)T-Re廓線與多通道合成圖,(c)云頂溫度,(d)云頂高度

2.3 增雨作業(yè)情況

3月16—17日降水天氣過程，廣元市和江油縣分別在廣元昭化、江油武都作業(yè)點(diǎn)于北京時間16日19:59至20:00以及17日00:37至00:38開展地面增雨作業(yè)。廣元、江油人工增雨作業(yè)前1 h以及作業(yè)后3 h影響時段期間的小時降水量(圖4)可以看出，廣元在20:00實(shí)施催化，20:30—23:00自動雨量站降水量逐漸增大后減小，江油在00:37實(shí)施催化，01:00—03:00自動雨量站降水也表現(xiàn)出增大后減小。

圖4 2018年3月16—17日增雨作業(yè)影響時段降水量實(shí)況

作業(yè)后6 h自動站與GPS/Met站逐小時可降水量的變化(圖5)，廣元、江油增雨作業(yè)后0～3 h，GPS/Met站觀測到可降水量有所下降，而對應(yīng)的地面自動站小時雨量增大，碘化銀播云催化劑的凝華核化作用使得作業(yè)后大氣中水汽減少，并且大氣中水汽向云水轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了云中過冷水的恢復(fù)。作業(yè)3 h后，GPS/Met站觀測到可降水量有所上升，說明大氣中水汽得到了周邊水汽的迅速補(bǔ)充，隨后可降水量震蕩。

作業(yè)后0.5～3 h地面降水持續(xù)增大，與之相應(yīng)的，雷達(dá)回波也有很好的響應(yīng)。2018年3月16日20:00人工增雨作業(yè)前后廣元雷達(dá)站組合反射率演變過程(圖6a1～d1)，上圖6a1紅圈投影位置為本次地面作業(yè)點(diǎn)廣元昭化，作業(yè)前19:46，回波面積小且有間隙，組合反射率小于10 dBz，20:36，回波開始發(fā)展，回波面積逐漸增大，回波強(qiáng)度逐漸增大，21:00，回波發(fā)展旺盛，15～20 dBz的回波面積明顯增大且連成片，部分區(qū)域達(dá)30 dBz，22:20，昭化上空回波開始減弱。2018年3月17日00:36人工增雨作業(yè)前后綿陽雷達(dá)站組合反射率演變過程(圖6a2～d2)，圖6a2紅圈投影位置為本次地面作業(yè)點(diǎn)綿陽江油，00:36作業(yè)前回波開始發(fā)展，但強(qiáng)度較弱，15 dBz以下回波區(qū)域面積較大，01:10作業(yè)后回波加強(qiáng)，大于30 dBz回波面積增大，受西南氣流影響，層狀云系緩慢向東北方向移動，到02:56江油上空回波逐漸移出該區(qū)域。

3 雨滴譜特征分析

圖7表征了廣元和江油雨滴譜儀在實(shí)施作業(yè)前后總數(shù)濃度NT、雨強(qiáng)R、雨水含量W和有效直徑Deff隨時間的演變。可以看出：增雨作業(yè)前后物理量R、W的峰值、谷值、震蕩態(tài)勢隨時間變化一致較好，式(2)、式(3)也反映出基于粒徑和粒子數(shù)之間的物理聯(lián)系，R和W正相關(guān)；Deff變化幅度較小，總數(shù)濃度NT越大，其對應(yīng)的粒徑相對小，小滴居多，Deff和NT負(fù)相關(guān)。廣元站降水過程持續(xù)時間長但降水量小，NT、R、W波動較大，其間歇性降水概率也更大；江油過程降水量和降水強(qiáng)度比廣元大， 表現(xiàn)出有效直徑也大一些，多在0.5～2 mm區(qū)間、總數(shù)濃度02:04時最高達(dá)1285 m-3，而廣元有效直徑多在0.5～1.5 mm區(qū)間、總數(shù)濃度22:08最高為847 m-3，說明降水強(qiáng)度與粒徑正相關(guān)，主要取決于大粒徑。圖7廣元、江油兩站作業(yè)影響時段，NT、R、W物理參量值均表現(xiàn)出作業(yè)前較小而后逐漸增大，3 h后逐漸減小的變化，R、W物理量隨時間的變化與作業(yè)前表現(xiàn)一致，說明人工增雨作業(yè)沒有改變R和W之間的相關(guān)性。綜合分析：雨強(qiáng)主要來自于小雨滴[16-17]，在總數(shù)濃度最大時，降水強(qiáng)度并非最大，存在總數(shù)濃度較大而降水強(qiáng)度很小的情況，與郭學(xué)良等[18]降水強(qiáng)度與總數(shù)濃度之間沒有明顯關(guān)系的研究一致。

圖5 廣元(a)和江油(b)作業(yè)后6 h自動站逐小時降水量與GPS/Met站逐小時可降水量

圖6 2018年3月16日廣元站(a1～d1)和2018年3月17日綿陽站(a2～d2)雷達(dá)回波演變

圖8是廣元站3月16—17日降水天氣過程增雨作業(yè)前后雨滴譜、粒徑譜、速度譜分布演變特征,其粒徑主要分布在0.312～2.125 mm、粒子速度主要集中在1.1～6.8 m/s，與封秋娟等[19]研究的典型層狀云降水特征一致。圖8a1和b1比較可看出作業(yè)前后粒子濃度綠色區(qū)域明顯增大，粒徑在0.437～1.625 mm的粒子數(shù)濃度由圖8a2的1000～3500/m3明顯增大為圖8b2的1000～7500/m3，粒速在1.5～5.2 m/s的粒子數(shù)濃度由圖8a3的1000～2500/m3明顯增大為圖8b3的1000～6000/m3，反映出雨滴譜變寬，實(shí)際觀測作業(yè)后3 h的降水增大。綜合分析，粒徑D<2.125 mm、粒速V<6.8 m/s時，降水粒子相對集中，符合層狀混合云降水以粒徑小于2 mm 雨滴為主的特征[20]。粒速與粒徑正相關(guān)，隨著粒徑增大，粒速也增大；同時降水量越大，粒徑越大，再一次說明粒徑對降水的正貢獻(xiàn)。最大數(shù)濃度時其粒徑小于1 mm，說明最大數(shù)濃度主要由小雨滴構(gòu)成，與宮福久等[21]研究的“在層狀云降水過程中，直徑小于1 mm的小雨滴所占比例特別大”十分一致。江油站增雨作業(yè)前后雨滴譜分布、粒徑分布、粒速分布演變特征與廣元相似，此文不再贅述。

3月16—17日廣元、江油降水天氣過程粒徑時間譜(圖9)，廣元在16日20:30—23:30、江油在17日00:30—03:30，作業(yè)后0.5～3 h影響時間段，不同大小粒子數(shù)量變化明顯，與周亦凌等[22]研究的“作業(yè)后12 min即開始顯現(xiàn)”一致，且2mm以下粒徑譜變寬明顯。例：廣元站作業(yè)前19:51,0.937 mm粒徑譜寬27.62，作業(yè)后21:51躍增到497.1851，同時粒徑大于1 mm粒子明顯增多。江油作業(yè)前0.937 mm粒徑23:37譜寬188.8812，作業(yè)后01:45躍增到1291.5266，尤其是2 mm以上粒子主要出現(xiàn)在作業(yè)后，粒徑譜變寬明顯，但粒徑大小區(qū)間值沒有明顯的改變，和作業(yè)前一樣主要集中在0.312～2.125 mm。

圖7 2018年3月16—17日廣元 (a～d)和江油(e～h)作業(yè)前后總數(shù)濃度、雨強(qiáng)、雨水含量、有效粒徑演變特征

圖10呈現(xiàn)的是3月16—17日廣元、江油降水天氣過程粒速時間譜，作業(yè)后0.5～3 h影響時間段，1.5～5.2 m/s粒速的粒子顯著增多，速度譜變寬明顯。例：廣元作業(yè)前19:39,2.3 m/s對應(yīng)粒子速度譜39.06，作業(yè)后22:05對應(yīng)粒速譜為111.03；江油作業(yè)前00:03,3.3 m/s對應(yīng)粒子速度譜96.57，作業(yè)后01:56對應(yīng)粒子速度譜413.55。可看出1.5～5.2 m/s速度譜明顯變寬， 有個別時間點(diǎn)粒子速度大于8 m/s，沒有明顯的躍變，總的來說幅度變化不大，依然集中在1.1～6.8 m/s，說明人工增雨對降水粒子速度幅度的影響不明顯。

圖8 廣元增雨作業(yè)前后粒子濃度(a1、b1)、粒徑(a2、b2)、速度(a3、b3)演變特征

4 結(jié)論

(1)人工增雨作業(yè)后，不同粒徑、不同粒速的粒子數(shù)變化明顯，反映出增雨作業(yè)效果。主要表現(xiàn)為：大滴粒子增多，尤其1～2 mm粒子顯著增多，小滴粒子減少；雨滴譜變寬， 0.437～1.625 mm粒徑和1.5～5.2 m/s速度譜明顯變寬，粒速大于6.8 m/s的譜變寬。

(2)人工增雨作業(yè)后，降水粒子有效直徑和粒子速度無明顯躍變，其粒徑和粒子速度區(qū)間值分布特征與自然降水時段分布趨同， 相對集中在粒徑0.312～2.125 mm、粒速1.1～6.8 m/s，人工增雨作業(yè)對降水粒子的粒徑和粒子速度改變有限。

(3)人工增雨作業(yè)影響時段，表現(xiàn)出降水強(qiáng)度與雨水含量正相關(guān)、有效直徑與總數(shù)濃度負(fù)相關(guān)，上述各物理量的峰值、谷值、震蕩態(tài)勢與自然降水時段各物理量的變化具有很好的一致性，人工增雨作業(yè)不改變各物理量之間的相關(guān)性。

圖9 3月16日廣元(a)和3月17日江油(b)粒徑時間譜

圖10 3月16日廣元(a)和3月17日江油(b)粒速時間譜

(4)層狀云降水過程持續(xù)時間長且降水量小，則總數(shù)濃度、雨強(qiáng)、雨水含量等物理量會表現(xiàn)出較大波動，降水出現(xiàn)間歇性的概率更大。粒徑越大，降水強(qiáng)度越大，粒徑對降水量是正貢獻(xiàn)，最大數(shù)濃度主要由小雨滴構(gòu)成。