喻乙耽，許 弋，李枚曼，唐辟如

(貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

人工增雨檢驗，指的是通過向目標云體播撒催化劑后看云體是否產生變化，這種變化直接表現(xiàn)為云的宏微觀物理量，如云的厚度、持續(xù)時間、上升氣流速度、云體溫度和冰晶濃度等是否產生改變，間接表現(xiàn)為地面雨量是否增加。一般來說，效果檢驗按照試驗性質可以分為隨機化試驗和非隨機化試驗[1-2],對于隨機化試驗，需要嚴格遵守統(tǒng)計學理論，符合隨機抽樣規(guī)則，科學設計來實施作業(yè)，比如美國的白頂計劃、climax試驗、以色列-I,II, III 計劃、古田增雨計劃等[3-6],但是因隨機化試驗需要放棄一半的作業(yè)機會來作試驗對比，鑒于貴州省抗旱增雨的迫切需求[7]，隨機化試驗并不可行。而非隨機化試驗并不需要大量的樣本，僅針對單次或有限數(shù)量的作業(yè)進行分析，能很好的應用于貴州省人工增雨效果的評估，常用方法有物理檢驗、序列分析、區(qū)域對比分析、區(qū)域歷史回歸試驗等[8]。

目前，貴州省飛機人工增雨主要的檢驗評估方法為用作業(yè)前后云系物理量變化及固定增雨率法來評估作業(yè)檢驗[9],但是前一種方法以主觀性為主且不易量化效果，后一種方法沒有根據一次作業(yè)的實際天氣、作業(yè)情況來調整增雨率，因此需要引進一種既可科學客觀地描述作業(yè)前后物理量的變化，又可以量化人工增雨效果的方法。

1 資料和方法

1.1 資料選取

本文使用的資料包括2018年5月3日FY2衛(wèi)星反演資料(云頂高度、云頂溫度、過冷層厚度等)、多普勒天氣雷達資料(組合反射率、回波剖面等)、探空資料(含水量、0 ℃層高度、-10 ℃層高度、風速、風向等)以及飛機作業(yè)信息(飛行高度、飛行時間、飛行軌跡、催化劑含量等)。

1.2 研究方法

區(qū)域對比分析法是以同作業(yè)期的對比區(qū)實測降水量作為自然降水量與作業(yè)影響區(qū)實際降水量作比較，得出人工增雨效果，但因作業(yè)云系受到風場的影響及不同作業(yè)工具催化劑擴散方式的差異，作業(yè)影響區(qū)的劃定成為應用此方法的一個難點。

按照周毓荃等[10]的研究，飛機播撒催化劑擴散方式為移動點源擴散，每時段飛機播撒催化劑擴散用以下方程式表示：

因此，把上述飛機增雨催化劑擴散計算方案應用于區(qū)域對比分析法的作業(yè)影響區(qū)劃定，根據區(qū)域對比分析法建立對比區(qū)，生成作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)雷達、降水量等參數(shù)的對比值(以下簡稱k值),能很好地表征作業(yè)后大氣物理特征參量及降水的響應情況，該方法被稱為多參量動態(tài)對比方法，目前，該種方法已在CPAS云降水精細分析系統(tǒng)中實現(xiàn)。本文選取2018年5月3日一次飛機增雨作業(yè)過程為例，闡述多參量動態(tài)對比方法在貴州飛機人工增雨中的應用。

2 作業(yè)合理性分析

2018年5月3日，針對黔東南州開展抗旱為主的飛機增雨服務，14時25分起飛，14時54分開始播撒催化劑，15時44分結束播撒，16時45分著陸，共使用11枚催化劑，飛行航線如下圖：

圖1 2018年5月3日飛行航線Fig.1 The flight route on May 3, 2018

針對此次作業(yè)個例，對作業(yè)高度、作業(yè)催化劑類型及作業(yè)時機和部位3個方面進行合理性分析。

2018年5月3日08時探空資料(圖2)表明，0～-10 ℃海拔高度為4 298～8 111 m，云系深厚，含水量高，增雨條件較好。增雨飛機于海拔高度4 111 m入云開始播撒催化劑，5 312 m結束播撒，飛機實際作業(yè)大部分處于0 ℃層以上，作業(yè)高度較合理。此外，機翼兩側出現(xiàn)從輕微結冰到中度結冰現(xiàn)象，說明云中過冷水充沛且缺少凝結核，有利于播撒成核類催化劑，本次作業(yè)播撒AgI冷云焰條，形成人工冰核，加速貝吉龍過程，作業(yè)催化劑類型合理。

圖2 2018年5月3日08時貴陽探空Fig.2 Guiyang sounding at 08:00 on May 3, 2018

從作業(yè)時15時30分時衛(wèi)星云圖反演產品平面分布圖(圖3)及剖面圖(圖4)來看，作業(yè)區(qū)域云頂高度達7～8 km、云頂溫度-30～-40 ℃、過冷層厚度4～7 km；從15時04分、15時30分雷達回波(圖4)來看，黔東南地區(qū)有降水回波覆蓋，回波強度在20～40 dBz之間，回波自西向東移動，為層積云降水，且從飛行高度與雷達回波剖面疊加圖(圖6)看出，整個作業(yè)時段(14時54分—15時44分)內增雨飛機處于云中。綜上所述，該次作業(yè)屬于在層積冷云中播撒，達到了適合飛機人工增雨的條件，作業(yè)時機和部位合理。

圖3 2018年5月3日15時30分作業(yè)區(qū)域衛(wèi)星反演產品平面分布圖(a.云頂高度,b.云頂溫度,c.過冷層厚度)Fig.3 At 15:30 on May 3, 2018, the plane distribution map of satellite inversion products in the operation area (a.cloud top height, b.cloud top temperature,c.supercooled layer thickness)

圖4 2018年5月3日15時30分作業(yè)區(qū)域衛(wèi)星反演產品剖面圖Fig.4 Profile of satellite inversion products in operation area at 15:30 on May 3,2018

圖5 2018年5月3日黔東南雷達回波(a.15時04分,b.15時30分)Fig.5 Radar echoes of Qiandongnan on May 3,2018(a.15:04,b.15:30)

圖6 2018年5月3日飛行高度與雷達回波剖面疊加圖Fig.6 Superimposition of flight altitude and radar echo profile on May 3,2018

3 催化劑在云中的擴散

圖2顯示，2018年5月3日08時貴陽探空0 ℃層水平風速為12 m·s-1，風向為270°，此次增雨作業(yè)是針對層積混合云開展，且水平方向上的湍流系數(shù)往往比垂直方向上大，在計算中，取kH=70 m2·s-1，kv=35 m2·s-1。催化擴散計算具體參數(shù)設置如圖7。

圖7 催化擴散計算參數(shù)設置Fig.7 Parameter setting of catalytic diffusion calculation

圖8為開始催化時及催化后1 h、2 h、3 h催化劑擴散傳輸與相應時刻雷達回波(平面、剖面)，可以看見開始催化后1～3 h催化劑擴散區(qū)均有回波覆蓋且均勻分布，開始催化后1～2 h作業(yè)區(qū)域平面、剖面雷達回波組合反射率最大值均超過30 dBz，3 h后回波減弱。因此，把催化劑擴散采樣時長設置為3 h，每隔30 min顯示，得到該次作業(yè)的影響區(qū)(圖9)。

圖8 開始催化時(a,b)及催化后1 h(c,d)、2 h(e,f)、3 h(g,h)催化劑擴散傳輸與相應時刻雷達回波(平面、剖面)(網格表示催化劑影響區(qū))Fig.8 Radar wave (plane and section) of diffusion and transmission of catalyst at the beginning of catalysis(a,b) and 1 hour(c,d), 2 hours (e,f)and 3 hours (g,h)after catalysis(The grid represents the catalyst affected area)

圖9 飛機增雨作業(yè)影響區(qū)(a.分時段,b.整個時段)Fig.9 Impact area of aircraft rain increase operation (a.divided period,b.whole period)

4 對比區(qū)選擇及增雨效果檢驗

4.1 對比區(qū)選擇

針對飛機增雨對比區(qū)的選擇，傳統(tǒng)方法基本遵循對比區(qū)要位于作業(yè)影響區(qū)的上風方或垂直風向橫側且受同一降水天氣系統(tǒng)的影響，因此，此例中對比區(qū)本應位于影響區(qū)北面、南面或東面，但是多參量動態(tài)對比法生成影響區(qū)是根據催化劑擴散分段生成確定的，只要對比區(qū)選擇不與影響區(qū)太接近(距離不超過一個時段)，對比區(qū)并不會對影響區(qū)產生影響，具有可比性。

從生成的飛機增雨作業(yè)影響區(qū)(圖9)可以看出作業(yè)范圍較大且垂直風向左右兩側回波稀少，不利于對比，選取故選取垂直風向前后做對比區(qū)，即垂直風向上方為對比1區(qū)，下方為對比2區(qū)，且可保證作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)皆處于同一過程中(圖10)。

圖10 飛機增雨作業(yè)對比區(qū)劃定(紅色框：影響區(qū);藍色框：對比1區(qū);橙色框：對比2區(qū))Fig.10 Delimitation of contrast area for aircraft precipitation enhancement(Red box:influence area; Blue box:contrast 1 area;Orange box:contrast area 2)

4.2 增雨效果檢驗

通過多參量動態(tài)對比方法對此次增雨作業(yè)后雷達、小時雨量進行物理檢驗，可以從圖11a看出，雷達回波K值變化趨勢為先增后減，開始作業(yè)后30 min到2 hK值逐步增加，2 h達到最大值1.89，2 h后降低，2 h 30 min后K值低于1，3～4 h作業(yè)區(qū)和對比區(qū)雷達回波平均值明顯降低，可能是超出雷達探測范圍，因此把催化劑擴散采樣時長設置為3 h較合理。地面小時雨量K值變化趨勢(圖11b)亦為先增后減，作業(yè)后1～2 hK值逐步增加，2 h達到最大值5.8，2～3 h有一個波動，因超出監(jiān)測范圍，擴散3 h后，作業(yè)區(qū)雨量平均值為0。作業(yè)后作業(yè)區(qū)與對比區(qū)雷達回波和小時雨量動態(tài)K值呈先增加后減少的態(tài)勢，物理響應明顯。

圖11 動態(tài)K比值(a.雷達,b.雨量)Fig.11 Dynamic K ratio (a.radar,b.rainfall)

5 結論

本文引進多參量動態(tài)對比法來檢驗2018年5月3日的一次飛機人工增雨作業(yè)效果，結論如下:

①針對2018年5月3日飛機增雨個例，開展作業(yè)合理性分析，經過分析可知此次作業(yè)高度較合理，作業(yè)時機和部位合理，作業(yè)催化劑類型合理，因此可將此次個例用于多參量動態(tài)對比法來檢驗飛機增雨效果。

②通過探空資料及宏觀記錄，分析此次增雨作業(yè)目標云類型、移速、移向及催化作業(yè)后雷達回波(平面、剖面)的變化，可以得出催化劑的最佳催化時間是在作業(yè)后1～3 h，并把催化劑擴散采樣時長設置為3 h，通過催化擴散傳輸方案計算得到該次作業(yè)的影響區(qū)，

③根據催化擴散傳輸方案得到作業(yè)影響區(qū)，選取影響區(qū)垂直風向前后做對比區(qū)，通過多參量動態(tài)對比法分析，該個例雷達回波K值、地面小時雨量變化趨勢均為先增后減，作業(yè)后有一定的效果，但因作業(yè)范圍較大，雷達、自動站測量范圍有限，雷達回波K值和此次個例地面小時雨量平均量在擴散3 h后降低明顯直到0。

通過上述分析研究，多參量動態(tài)對比方法可成功應用于貴州飛機增雨效果檢驗，但該效果檢驗方法還需要通過大量的個例來進行驗證完善，形成更適用于貴州本地的飛機增雨效果檢驗方法，為科學開展飛機增雨效果檢驗分析提供更可靠、更有力地支撐。