武汉一次对流云火箭人工增雨作业的综合观测分析

李德俊，唐仁茂，江　鸿，袁正腾，陈英英，熊　洁

(1.湖北省气象服务中心，湖北　武汉　430205；2.湖北省武汉市气象局，湖北　武汉　430040)



武汉一次对流云火箭人工增雨作业的综合观测分析

李德俊1，唐仁茂2，江鸿2，袁正腾1，陈英英1，熊洁1

(1.湖北省气象服务中心，湖北武汉430205；2.湖北省武汉市气象局，湖北武汉430040)

摘要：为了收集整理对流云人工增雨效果的相关证据，利用雨滴谱、GPS/MET水汽、多普勒雷达和地面分钟雨量观测资料，对2014年9月28～29日武汉一次对流云火箭人工增雨作业过程进行效果分析检验。结果表明：(1)对流层中低层上干下湿结构有利于对流发生，作业前水汽向武汉附近集中，雷达回波顶高为10 km左右，且作业目标云处于新生或发展阶段，具有较好的作业条件；(2)通过催化目标云与对比云的对比分析发现，催化后对流单体的最大反射率因子、回波顶高、垂直液态水含量和强回波面积等物理参量均出现不同程度增长，整个生命史延长30 min以上，其中F1对流单体经催化后在00:33～00:51经过武汉观测站，形成的降水粒子在1.85 mm粒径处出现峰值，且粒径和数浓度快速增长至最大；(3)3个目标云此次催化后的增雨率均超过36%。

关键词：雨滴谱；对流单体；催化目标云；对比云；增雨率

引言

对流云降水云系是我国南方地区人工增雨作业的主要对象，受天气系统多尺度动力、热力和微物理过程的共同作用，具有复杂的水平和垂直结构特征[1-2]。研究表明，初生和发展过程中的对流单体作业条件较好，且具有较好的催化潜力[3-5]。人工增雨作业效果分析检验主要有统计检验和物理检验等方法[6-7]，著名的以色列人工降雨随机交叉试验和我国福建省古田人工降雨回归试验等都是运用统计检验方法证明作业的显著效果，而物理检验方法往往通过对比分析催化目标云前后雷达回波参量变化、飞机探测播云前后云微物理参量变化[8]来检验对流云和层积混合云的作业效果。这样就存在2个问题：一是作业对象存在自然变率，只对比分析作业前后作业对象往往存在一定片面性；二是统计检验存在固定的对比区和作业区，而实际业务中很难固定对比区和作业区，如2010～2011年湖北四季连旱事件，荆州位于荆门上风向区域，这2个地区都想作业，因此很难确定对比区。唐仁茂等[9]针对对流云人工增雨作业效果的物理检验，提出了一种依据相似离度原理[10]自动选取对比云进行作业效果检验的方法，该方法简单易用，经多年试验现以推广至安徽、海南和西藏等南方对流云多发地区，在选择催化目标云和作业效果分析中有较好的应用[11]。

2014年9月28～29日受高空槽、中低层切变和地面冷空气共同影响，据当天预报24 h内武汉地区有小雨。为净化武汉市城市空气环境，气象局抓住对流云团过境时机，在武汉地区多个火箭作业点对对流单体实施催化作业。从实测雨量分布资料来看，武汉市南部的咸宁、仙桃为小雨，北部的红安、麻城为中雨，而市区普降中到大雨，部分地区暴雨。可见，此次武汉市区人工增雨效果明显。此次武汉市区对流云火箭人工增雨为什么会取得较好的作业催化效果？雨滴谱表现出哪些特征？增雨率是多少？为此，本文利用GPS/MET水汽、多普勒天气雷达和Thies Clim公司的LNM激光雨滴谱仪资料，对此次武汉对流云火箭人工增雨作业过程中的作业条件、作业前后雨滴谱演变特征进行详细分析，并探讨了利用地面雨量站分钟雨量观测资料计算催化目标云与对比云在催化后至消亡期间的累计降雨量，从而得出各催化目标云的增雨率。

1资料和方法

1.1资料

利用2014年9月28～29日武汉综合观测站探空资料、LNM激光雨滴谱仪(技术参数见表1)1 min一次雨滴谱资料、湖北省68站逐小时GPS/MET水汽资料、每6 min一次武汉多普勒雷达资料和地面雨量站逐分钟雨量资料。

表1　LNM激光雨滴谱仪的技术参数

1.2对比云自动选取方法

采用李开乐[10]提出的相似离度原理，建立一套判定指标，实现对比云的自动选取。天气雷达详细地给出各时刻云的回波参量值(回波强度CR、回波顶高ET、垂直液态水含量VIL和强回波面积A等)，采用SCIT(Storm Cell Identification and Tracking)对流单体跟踪方法[12]跟踪目标云和对比云，通过目标云作业前后上述参量的演变或目标云与对比云回波参量的差异分析人工增雨催化效果。然而，选择对比云需要满足以下条件。

(1)选取指标及阈值

选取对比云的指标有：生成时间之差△T、空间距离D、强回波面积之差△A、组合反射率之差△CR、回波顶高之差△ET、垂直液态水含量之差△VIL和风向。其中，|△T|≤60 min，|△T|值越小，目标云和对比云的相似性越好；通过目标云和对比云的空间位置(X、Y坐标)可得到两者间的距离D，25 km≤D≤100 km，D值不能太小(对比云可能受到催化影响)也不宜太大(相似性不好)；对比云不能处于目标云的下风向；人工增雨效果检验中强回波面积、组合反射率、回波顶高和垂直液态水含量等参数设置[9,11,13]分别为|△A|≤10 km2、|△CR|≤15 dBZ、|△ET|≤4 km、|△VIL|≤2 kg/m2。有时，对流单体的雷达回波参量随时间变化差异很大，在实际应用中，可以根据具体情况对指标进行修订。

(2)回波参量的相似离度计算

对生成时间、位置和方向均符合条件的对流单体，计算其与目标云作业前60 min内的回波参量变化曲线的相似离度。由于目标云与待选单体的生成时间和作业前的生命期长度不尽相同，计算前需考虑2方面：

①以数据时次作为X轴。将目标云和待选单体的生成时间看成数据时次1，各自的后一数据时次作为数据时次2，以此类推，直到作业前的数据时次；

②目标云与待选单体在作业前数据时次少的一方，其作业前最后1个数据时次记为数据时次M。

计算目标云与待选对流单体的强回波面积、组合反射率、回波顶高和垂直液态水含量的相似离度，即Cij(A)、Cij(CR)、Cij(ET)和Cij(VIL)。在计算值系数Dij时，通过判别指标A、CR、ET和VIL等进行筛选，以排除部分待选单体。各参量的Dij须符合指标条件：Dij(A)≤10，Dij(CR)≤5，Dij(ET)≤2，Dij(VIL)≤2。只有符合上述条件的对流单体才可作为选取的对比云集合。

最后，将目标云与待选单体的4个回波参量的相似离度作算术平均，得到综合相似离度Cij：

(1)

其中，Cij值最小的对流单体即为最佳的对比云。

1.3对流单体的累计雨量计算方法

目前，各地雨量站布设范围7～10 km，采样间隔1 min，这为获取对流单体整个生命史期间降水量提供一种可能。一般单个对流单体为中-γ尺度(超级单体除外)，水平尺度范围<25 km，事先假定对流单体核心区域(对流中心5 km覆盖范围内)降水差别不大，可近似取对应雨量站的雨量作为该对流单体过境时的雨量；随着对流中心的移动，每过1个雨量站则取相应时段的雨量，直至单体消亡为止。然后，将所有经过的雨量站的雨量累加起来，从而得到对流单体催化后至消亡期间的累计降水量，即目标云降水量。其计算公式如下：

(2)

其中，Rc为对流单体催化后至消亡期间的雨量，单位：mm；n为该段期间经过的雨量站数量，Rit为对流单体在t分钟间隔内经过的雨量站雨量。

根据上述同样方法求出对比云降水量。利用目标云和对比云的累计降水量可按照下述公式计算催化目标云的增雨率。

(3)

其中，ζ0为催化目标云增雨率，单位:%；Rso为目标云催化后累计降水量，单位：mm；Rco为目标云催化后对比云累计降水量，单位：mm。

2作业条件监测分析

2.1天气形势和催化高度

2014年9月28日20时(北京时，下同)，500 hPa高空槽位于我国云南西北部至山西北部，且自西向东移动，槽前风速为15～20 m/s；中低层700 hPa和850 hPa分别在四川南部至山东西部、贵州西北部至山东西南部有切变，且湖南南部至胶东半岛有12～15 m/s的急流区，受其影响，湖北自西向东有一次明显的降水过程发生(图1a)。从图1b武汉站探空图看到，600 hPa(温度0 ℃)以上较干，低层较湿，上干下湿热力结构有利于对流发生；除低层925 hPa偏北风外，850 hPa以上为一致的西南风；AgI最佳催化窗口温度-10～-4 ℃高度位于550～450 hPa之间，垂直高度为5.5～6.5 km，风速为12～20 m/s。

图1　2014年9月28日20时天气形势(a，细线为500 hPa槽线，双线分别为700、850、

2.2水汽场

从GPS/MET水汽场发现(图2)，增雨作业前2 h(28日23时)，江汉平原东部至鄂东一带为水汽富集区，整层水汽含量达到50.2～59.7 mm，且在仙桃—潜江、大悟、麻城分别存在3个大值中心；29日00时(图2b)，仙桃—潜江大值中心向东移动至武汉及周边地区，并与其他2个大值中心逐渐靠拢，使得水汽更加集中，在适当条件下可以促进丰富的水汽向云水迅速转化，再由云水形成降水，可见武汉及周边地区有较好作业条件。29日00～01时作业后，武汉及周边地区水汽持续下降，下降至3.5 mm以下(图略)。

图2　2014年9月28日23时(a)和29日00时(b)GPS/MET水汽变化(单位：mm)

2.3雷达回波

从雷达组合反射率因子看到，29日00:03(图略)，武汉及周边对流单体有29个，其中新生单体占40%左右；作业后00：12(图3a)，许多对流云单体组成了西南—东北向带状回波，回波带位于洪湖—黄陂—红安一带，强回波中心强度达45～55 dBZ，回波顶高达10 km左右，且对流单体处于发展阶段活跃期；01:17(图3b)对流单体集中在武汉地区境内，达16个。多普勒雷达VWP风廓线显示(图略)，29日00～01时，0.6～1.2 km高度层主要为偏北风，1.5 km顺转为西北风，1.8～2.4 km转为西南风，低层风向随高度逆转有冷平流，冷空气侵入非常明显，2.1 km以上逐渐转为偏西风，中低层有暖平流，且2.1 km以上有明显的西南急流，风速为14～16 m/s。可见，作业对象处于新生或发展阶段，且各作业点离对流单体均较近，有较好的作业条件。

3作业情况

由2.1节分析得知，此次过程AgI催化窗口位于550～450 hPa，为一致的西南风，平均风速为18 m/s，各作业点离目标云对流中心距离为2～3 km，火箭发射2～4 s后可到达对流单体中心位置，对目标云实施催化作业。催化作业方式采用周毓荃等[14]火箭多线瞬时线源扩散计算方法。按照作业时间先后，将武汉蔡甸侏儒、东西湖区府河围堤17号碑、江夏区安山街茅岭村3个地点分别记为1、2和3号作业点。在00:06～00:08、00:11～00:15和01:20～01:23时段分别在1、2和3 号作业点使用江西9394厂BL-1A火箭弹对对流单体F1、T0和N4各作业1次，且沿水平风向垂直发射，分别发射3、5和2枚(图3)。

从图4可见，1号作业点目标云为F1对流单体，29日00:32，F1与B0单体合并，仍记为F1单体；00:33～00:51，催化单体F1经过武汉地面观测站雨滴谱仪所在位置，根据对比云自动选取方法，可选择J0作为对比云。同样，2号作业点目标云T0单体，可选择C1作为对比云，3号作业点目标云N4单体，可选择F3作为对比云。

图3　2014年9月29日00:12(a)和01:17(b)催化时对流单体和作业点分布

图4　各作业目标云(•)与对比云(+)路径跟踪监测

4目标云与对比云的对比分析

从图4发现，对比云均位于目标云上游区域，且移动路径均自西南向东北方向移动，横跨整个武汉市区，因此从以下2个方面进行催化效果分析：(1)目标云作业前后回波参量(最大反射率因子(Zmax)、回波顶高(ET)、垂直液态水含量(VIL)、强回波面积(A))的变化；(2)目标云与对比云回波参量的比较。

4.1各回波参量的对比

图5分别给出催化目标云F1、T0、N4与相应对比云J0、C1和F3的最大反射率因子(Zmax)、回波顶高(ET)、垂直液态水含量(VIL)、强回波面积(A)4个物理参量演变。可以看出，对于目标云F1单体的催化作用明显，主要表现在催化后F1单体4个物理参量均出现不同程度增长，在东移过程中易与其他单体合并且快速增强，生命史较对比云长30 min左右。催化目标云T0较对比单体C1晚出现1个体扫时间间隔，两者Zmax变化趋势较一致，均在40～55 dBZ之间波动，但作业以后ET、VIL和A均明显快速增长至峰值，而后在移动过程中呈波动变化，且对比云C1生命史明显比催化目标云T0短，C1在29日01:09消亡，而T0持续到29日02:41。可见，这次催化作用明显，主要表现在催化后ET、VIL和A快速增长，且生命史大大延长，长于对比云70多min。N4在29日01:17～02:35时段内平缓发展，而后至03:30时段内Zmax、ET、VIL和A呈明显增加趋势，而对比云F3在01:09～01:21时段内ET表现为先增加、随后快速减少的特征，其它3个物理参量变化较平缓。对比来看，目标云N4单体的催化作用很明显，主要体现在催化后各物理量呈持续增加趋势，后劲很足，催化后生命史延长了40多min。

4.2雨滴谱的对比

LNM激光雨滴谱仪安装在武汉综合观测站，距离F1单体生成时中心位置28.3 km，29日00:06开始对F1单体催化作业，F1单体以18 m/s速度向测站方向移动，26.2 min即可到达雨滴谱仪所在位置，因此将开始降水的28日23:33至29日00:33时段作为作业前时段。通过SCIT技术[17]跟踪催化对流单体F1发现，00:33～00:51时间段为催化作业后影响的降水时段，00:51～01:21、01:21～02:21、02:21～03:30为影响结束后的3个时段。从图6可以看到催化前降水粒径最大为3.1 mm，催化以后粒径扩展至5.25 mm，且形成的地面降水粒子在1.85 mm粒径处出现峰值，影响结束后30 min粒径有所下降，降至4.55 mm，1 h后、2 h后粒径进一步下降至3.5 mm左右，且平均数浓度高于催化前2～3个数量级。可见，火箭催化人工增雨后，云中粒子可以在很短的时间里完成从小云滴或冰晶向大云滴或雨滴的转化，粒径和数浓度快速增长至最大，当催化目标云过境以后粒径由5.25 mm下降至3.5 mm左右。

4.3影响雨量的对比

武汉及周边地区自动雨量站较密集，每个雨量站之间平均间隔7～10 km。从前面分析得知，催化目标云与对比云间隔6～10 min左右就可经过一自动雨量站。为了更好地评价这次增雨效果，取分钟雨量，即每过1个雨量站，按过境影响时间进行相应雨量累加，直至单体消亡为止。按照公式(2)分别计算目标云F1、T0和N4及对比云J0、C1和F3降雨量。从表2可以看出，催化后目标云比对比云生存时间长31～72 min，累计雨量大，目标云F1、T0和N4的增雨率分别为43.6%、48.2%和36.1%。对流云降水具有局地性强、有较高的水汽凝结率、含水量大、降水效率低等规律[15]，结合上述研究发现对流云通过人工催化有助于加快降水形成，有很大的增雨潜力。

图5　催化目标云(从左至右F1、T0、N4)与相应的对比云(从左至右J0、C1和F3)

作业点1号2号3号单体目标云F1对比云J0目标云T0对比云C1目标云N4对比云F3催化后生存时间/min82511416912885催化后经过雨量站个数/个96157139累计雨量/mm23.716.529.920.215.511.4增雨率/%43.648.236.1

图6　F1单体催化作业前后武汉站

5小结

(1)对流层中低层的上干下湿结构有利于对流性降水发生，武汉及周边地区为水汽大值中心，催化高度位于5.5～6.5 km，雷达回波顶高为10 km左右，过冷层较厚，且作业目标云处于新生或发展阶段，还没发生明显的云水向冰晶转化，有较多的过冷水，具有较好的作业条件。

(2)通过催化目标云与对比云的对比分析发现，催化后对流单体的最大反射率因子、回波顶高、垂直积分液态水含量和强回波面积等物理参量均出现不同程度增长，整个生命史延长30 min以上，其中F1单体经催化后在00:33～00:51经过武汉观测站，形成的地面降水粒子在1.85 mm粒径处出现峰值，且粒径和数浓度快速增长至最大。

(3)通过对催化后3个目标云和对比云所经雨量站的累计降雨量计算，得出目标云催化后的增雨率均超过36%，说明此次对流云增雨潜力很大。

在对流云增雨过程中，选择最佳催化时机，通过催化不仅影响碰并、混合相和冰相等微物理过程，还可以间接改变热力、动力过程，使目标云在催化后最大反射率因子、回波顶高、垂直液态水含量和强回波面积等参量得到快速增长，从而延长对流单体的生命史，具有很大的增雨潜力，这些还需收集更多的个例来加以分析总结和验证。

参考文献：

[1] 马思敏,刘晓莉,杨侃,等. 宁夏固原市一次对流性天气的数值模拟[J]. 干旱气象,2015,33(2):278-290.

[2] 赵桂香,王思慜,邱贵强,等. 孤立云团造成的一次强对流天气分析[J]. 干旱气象,2015,33(1):98-109.

[3] 李德俊,唐仁茂,熊守权,等. 强冰雹和短时强降水天气雷达特征及临近预警[J]. 气象,2011,37(4):474-480.

[4] 唐仁茂,向玉春,叶建元,等. 多种探测资料在人工增雨作业效果物理检验中的应用[J]. 气象,2009,35(8):70-75.

[5] 翟菁,黄勇,胡雯,等. 一次积层混合云降水过程增雨条件分析[J]. 气象,2010,36(11):59-67.

[6] 郭红艳,李春光,刘强,等. 山东济宁地区人工增雨效果检验[J]. 干旱气象,2014,32(3):454-459.

[7] 庞朝云,张丰伟,张建辉. 西北干旱地区一次降水性层状云的飞机观测分析[J]. 干旱气象,2013,31(2):272-277.

[8] 刘晴,姚展予. 飞机增雨作业物理检验方法探究及个例分析[J]. 气象,2013,39(10):1359-1368.

[9] 唐仁茂,袁正腾,向玉春,等. 依据雷达回波自动选取对比云进行人工增雨效果检验的方法[J]. 气象,2010,36(4):96-100.

[10] 李开乐. 相似离度及其使用技术[J]. 气象学报,1986,44(2):174-183.

[11] 唐仁茂,李德俊,袁正腾,等. 对流云人工增雨雷达效果分析软件的应用[J]. 气候与环境研究,2012,17(6):871-883.

[12] Johnson J T. The storm cell identification and tracking algorithm:an enhanced WSR-88D algorithm[J]. Wea Forecasting,1998,13:263-276.

[13] 俞小鼎,姚秀萍,熊廷南,等. 多普勒天气雷达原理及业务应用[M]. 北京:气象出版社,2006.188-197.

[14] 周毓荃,朱冰. 高炮、火箭和飞机催化扩散规律和作业设计的研究[J]. 气象,2014,40(8):965-980.

[15] 许焕斌. 强对流云物理及其应用[M]. 北京:气象出版社,2012.67-85.

Analysis on Comprehensive Observation of an Artificial Precipitation Enhancement Operation for Convective Clouds in Wuhan

LI Dejun1, TANG Renmao2, JIANG Hong2, YUAN Zhengteng1,CHEN Yingying1, XIONG Jie1

(1.HubeiProvincialMeteorologicalServiceCenter,Wuhan430205,China;2.WuhanMeteorologicalBureauofHubeiProvince,Wuhan430040,China)

Abstract:In order to collect and collate the relevant evidences of artificial precipitation operation for convective clouds, based on the raindrop spectrum of LNM and sounding data in Wuhan station, GPS/MET water vapour data, Doppler radar data and minutely precipitation from atuomatic weather stations, etc, the seeding conditions and developments of convective clouds over Wuhan and surrounding regions from 28 to 29 September 2014 were studied, and then the effect of artificial precipitation operation was analyzed and tested. The results are as follows: (1) The thermodynamic structures with upper dry and lower wet at the middle and low troposphere were conductive to air convection in the atmosphere, and the height of radar echo top was 10 km above with a lot of supercooled water, the seeded clouds were in borning and developing stage, which provided the better seeding conditions. (2) Compared with the contrastive clouds, the physical parameters of the seeding convective cells such as the maximum reflectivity factor, echo top height, vertical integrated liquid water content and strong echo area, etc, appearred an increase in varying degrees after the seeding, and the whole life of the seeding convective cells extended 31 - 72 min, thereinto the seeding F1 cells combined with B0 cells at 00:32 BST 29 September 2014, which passed over Wuhan observatory from 00:33 BST to 00:51 BST 29 September, and the peak of precipitation particles appeared at 1.85 mm of particle sizes, the particle size and number concentration increased rapidly to the maximum. (3) The precipatation of three seeding clouds increased by above 36% compared with the concrastive clouds.

Key words:raindrop spectrum of LNM; convective cells; seeding cloud; contrastive cloud; rate of precipitation enhancement

中图分类号：P481

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-02-0362-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0362

作者简介：李德俊，主要从事大气物理、雷达和卫星资料分析应用研究. E-mail：esldj@163.com

基金项目：公益性行业(气象)科研专项“江淮对流云结构特征及增雨作业指标研究”第五专题(GYHY201306040-05)、湖北省气象局科技发展基金“湖北不同云系增雨概念模型研究(2016Y06)”、“武汉市空气污染物浓度等级下降的降水阈值研究(2016Q02)”、“基于多种遥感反演资料的湖北省空中云水资源评估(2011Y06)”共同资助

收稿日期：2015-05-08；改回日期：2015-07-03

李德俊，唐仁茂，江鸿，等.武汉一次对流云火箭人工增雨作业的综合观测分析[J].干旱气象，2016，34(2)：362-369, [LI Dejun, TANG Renmao, JIANG Hong, et al. Analysis on Comprehensive Observation of an Artificial Precipitation Enhancement Operation for Convective Clouds in Wuhan[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):362-369], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0362