基于雷達資料人工增雨潛勢預判方法的研究

潘 多，侯正俊，次 珍

(1．西藏自治區拉薩市氣象局，西藏拉薩850000;2．西藏自治區人工影響天氣中心，西藏拉薩850000)

隨著全球氣候變暖、人口增長、生態環境惡化、經濟發展與水資源短缺的矛盾日益加劇，有效的人工增雨已成為確保西藏自治區水資源安全、經濟社會發展和生態保護的有效措施。人工增雨是開發利用空中云水資源，在適當的條件下，針對具有降水潛力的云在適當的時機和部位用科學方法進行催化，激發或加速降水形成過程，以此提高降水效率，達到增加地面降水的目的。

有效開展人工增雨的基礎條件有具有潛力的云雨條件、適當的部位和時機、科學的作業方法和效果檢驗。針對西藏較為典型的干旱、半干旱季風氣候特征和特殊的地理條件，利用常規氣象資料進行有利于高原人工增雨的大氣環流背景分析、空中云水資源評估是有效地開展人工增雨的基礎;利用各型雷達觀測資料和經驗，積極開展人工增雨作業指標的分析總結，準確地預測和判定是有效開展人工增雨的關鍵，而科學的作業方法和效果檢驗是有效地開展人工增雨、提高增雨效益的技術保障。該研究利用1995～1998年日喀則地區711測雨雷達、1999～2011年江孜CTL-A型雷達和部分日喀則多普勒雷達資料、結合多次指導人工增雨作業所積累的經驗和常規氣象資料，進行適合當地人工增雨基礎條件的分析，探索地面人工增雨雷達的可播性指標，減少無效作業在資金、人工和設備上的損耗，提高人工增雨的科學性、可信性和有效性。

1 可播性天氣系統及天氣條件

1．1 初夏(5～6月)環流特征 東亞大氣環流從南向北季節性推移，高原上空也向雨季特征轉化。雨季前，干旱的主要環流特征是咸海、巴湖冷槽和東亞大槽勢力強盛，高原及其南側盛行西風，印度北部受高壓的控制。干旱結束，雨季開始的環流形勢特征主要為伊朗高壓、西太平洋副高北跳，孟加拉灣風暴暴發或孟加拉灣減弱同時新疆高壓加強。進入雨季后高原降水的主要系統有切變線、高原低渦、高原小高壓單體前后的豎切變、東伸到高原上的伊朗高壓邊緣的橫切變、西伸到高原上的西太平洋副高邊緣的橫切變(圖1)。

1．2 盛夏(7～9月)西藏高原上基本環流特征

1．2．1 雨型。雨型是盛夏的正常環流，在500 hPa的環流場上，高原周圍是南北低、東西高的鞍形場，即西太平洋副高、伊朗高壓、副熱帶西風槽和印度低壓(圖2)。

1．2．2 西太平洋高壓型(T型)。在咸海和巴湖一帶為穩定的長波槽，伊朗高壓勢力偏南、偏西，由于西藏高壓東移和西太平洋副高合并或西太平洋副高西伸，高原上主要以西南氣流為主。在T型下，高原上氣溫高、濕度較大、多局部對流天氣。

1．2．3 西藏高壓型(Q型)。在副熱帶高壓強盛的時候，我國華南、西南的東風波動常沿著東風氣流向西移動并影響到高原上，在這樣的形勢下，當西藏高壓東移和西太平洋副高打通，切斷高原東側的強冷槽時，冷槽南段可轉成東風波動向西移動影響高原。

1．3 冬春季(10月～次年4月)高原上主要環流特征

1．3．1 孟加拉灣風暴。影響高原的孟加拉灣風暴主要發生在每年的5月和10～11月期間，它對高原的影響除少數表現為減弱成低壓直接襲擊以外，大部分是通過與南支槽或副熱帶急流共同結合而產生［1］。如2008年10月孟灣風暴“若西米”登陸轉向東北(圖3)，影響西藏東南部和山南地區南部出現特大暴雪和暴雨天氣。

圖1 夏季高原雨型降水系統(高原低渦切變)

圖2 典型高原雨型環流特征(鞍型場)

圖3 2008年10月27日08:00 500 hPa環流場

1．3．2 西風槽。對于高原地區而言，能造成影響的西風槽有3種，其中2種是大氣環流因為受高原大地形影響而出現的南北各一支繞流槽，即南支槽和北支槽，第3個就是高原上的西風槽(少見，主要在5和9月，過渡季節)。南支槽和北支槽是造成高原冬季降雪的主要系統，特別當兩者配合出現階梯槽形勢(南支槽在東、北支槽在西)，非常有利于冷空氣下高原和暖濕氣流上高原，如果有孟加拉灣風暴云系(主要出現在冬季)被南支槽引導北上，高原上(特別是南部邊緣地區)會出現較強降雪天氣。

2 季節性可播云型

通過對拉薩市近30年降水次數和降水云型統計分析(圖4)，綜合雷達回波特點，在不同季節可能產生降水的云型中，按照層狀云、積雨云、積層混合云三類降水云型劃分［2］。冬、春季節積雨云和積層混合云出現的次數和頻率較高，是冬、春季節人工增雨(雪)的主要目標云型;而夏、秋季節80%以上的降水來自對流云和積層混合云，且對流云降水日數和概率大于積層混合云，按照產生機制和強度，積雨云(對流云)又可分為系統性和局地性2種，其中系統性積雨云的發生、發展與大、中、小天氣系統密切相關，往往在低壓槽、切變線、低渦等系統附近產生發展，其特點主要為云層較為深厚、云中垂直對流活躍、含水量豐富、降水范圍大、時間長［3］，宏觀特征和雷達回波特征明顯，作業效果最佳。受地形及熱力影響產生的局地性積雨云(對流云)，因范圍小、生命時短和強度相對較弱，在小范圍區域可適時開展人工增雨，如森林(草場)滅火、湖泊蓄水城鎮降溫增濕等特定目標區的增雨作業，由爆炸法原理產生的“炮響雨落”和增雨防雹兼顧的效果明顯。

圖4 1981～2010年拉薩降水次數與降水云型次數月變化

3 雷達資料的應用

天氣雷達高精度、直觀和時效性高的特點，決定了其在人工增雨中具有其他探測工具不可替代的作用，主要體現在:①在中短期有利于人工增雨天氣預報產品指導下，可隨時、連續跟蹤、監測影響區域天氣系統的變化，提前發布短時增雨潛勢預報，適時指導增雨作業，特別是在夜雨率較高的高原利用意義更大。②根據回波特征及參數變化，科學判定，選擇最佳作業時機、催化部位和用彈量。③收集科研數據、資料，為增雨效果檢驗提供依據和佐證。④PPI、RHI 2種掃描方式和圖形在人影決策中最為直觀和快捷。依據現有資料，根據相互獨立，并與較強積雨云相關性較好的要求，以Z-R關系為基點，選定回波強度(基本反射率Ze)、0 dBz回波頂高度(H)、強回波高度(H≥25 dBz)、負溫區高度△H、回波形態為基本判別指標。

在平面掃描PPI上，基本反射率Ze值的大小能客觀地反映出所測云體中過冷水滴或冰晶的含量和云體的強度，Ze值越大云的強度越強，降水和增雨的潛力越大，因而可將Ze值的大小作為增雨預判的一項重要指標［4］。在回波特征上，系統性積雨云、強對流云基本特征為云體結構緊密、大面積塊狀型回波，回波水平尺度＞10 km，平均回波強度Ze≥15 dBz，強中心回波強度Ze＞25 dBz。對流云在演變形式上表現為多單體合并回波和單體回波，多單體合并大多為對流單體各自發展，由于各單體的移動方向及移動速度的不同而產生合并，合并后能量的集中促使某一單體迅速增強、水平尺度增大，常配合有利的天氣系統如切變線、低渦等，在形態特征上常呈帶狀、“弓”狀和不對稱狀。對流發展旺盛時，常伴有電閃雷鳴，閃電頻數＞5次/min，以橫閃、云體烏黑、云底翻滾狀為宏觀特征，對人工增雨最為有利。單體回波型強對流云具備以上特征，Ze＞35 dBz，瞬時降水大、時間短，對特定目標區增雨作業貢獻最大，發展旺盛時冰雹云可增雨防雹兼顧。層積混合云回波多呈大面積片狀，平均Ze≤15 dBz，其中包含一個或多個強回波對流云團，Ze≥25 dBz。速度圖上正負速度交界線明顯，近地層存在明顯的風速輻合，對應VIL的變化梯度值，VIL值越大，增雨的潛勢越大。

在垂直掃描RHI上，積云(對流云)表征為柱狀形回波，強回波區(Ze≥25 dBz)常位于回波的中上部，回波緊密、邊緣清晰，回波頂高H≥8 km、強回波(H≥25 dBz)高度≥5 km，平均云底高度≤1．8 km，有效作業后回波高度有明顯的躍增，負溫區高度△H即為無衰減回波高度H與0℃層高度之差。選擇此項作為判別指標是因為云體中的重要部位達到過冷水活躍溫度的所在高度，即△H越厚，越利于有效降水的形成。

綜上所述，當積云(對流云)在PPI顯示器上雷達回波強度Ze≥15 dBz、強中心回波強度 Ze＞35 dBz，在垂直(高度)顯示器上，回波頂高H≥8 km、強回波高度H≥5 km，有利于人工增雨作業。層狀云在PPI上雷達回波強度Ze≥10 dBz、強中心回波強度Ze≥20 dBz，在垂直(高度)顯示器上，回波頂高H＞5 km，強回波高度H＞3 km，可適時開展人工增雨作業。層積混合云在PPI上雷達回波強度Ze≥15 dBz、強中心回波強度Ze≥25 dBz，在垂直(高度)顯示器上，回波頂高H＞6 km、強回波高度H＞4 km，有利于開展人工增雨作業(表1)。如2008年7月11日日喀則西南方多單體對流云團發展，呈帶狀分布，19:13甲措雄、曲布雄、城南炮點陸續開始人工增雨作業(圖5a)，19:32云團合并加強，強中心回波躍增7 dBz(圖5b)，而實況是日喀則本站降水量16．4 mm，可見人工增雨效果顯著。

表1 各種類型云系人工增雨潛勢預判指標

圖5 2008年7月11日19:06帶狀積云發展(a)和19:32合并加強(b)

4 結論

(1)影響高原降水的主要系統有切變線、高原低渦、高原小高壓單體前后的豎切變、東伸到高原上的伊朗高壓邊緣的橫切變、西伸到高原上的西太副高邊緣的橫切變。冬春季主要為孟灣風暴和西方槽。

(2)對降水貢獻率最大的可播云型為積云和層積混合云，占全年可降水云型的80%以上。

(3)當各類型云系平均雷達回波強度Ze≥10dBz，強中心回波強度Ze＞20 dBz，回波頂高H＞5 km，強回波高度H＞3 km，有利于開展人工增雨作業。

(4)因在PPI上只能粗略反映云體的水平面積和強度，RHI上垂直剖面掃描需在PPI上的定位指示下來確定云中垂直剖面掃描位置，所以單一使用PPI或RHI掃面難以完成探測目標云的判定和指揮，需進行組合使用。

(5)使用多功能數字化天氣雷達，可將PPI或RHI掃描設為初始預判模式，將立體掃描等參數作為指揮模式。

(6)作業時機、方式、用彈類型和用彈量的準確把握，對有效進行人工增雨至關重要，在目標云特別是層積混合云的上風方，應采用催化型人雨彈多點均勻作業播撒;在積云(對流云)云體發展旺盛時，當Ze≥35 dBz、H＞8 km時，采用爆炸型人雨彈，短時大劑量作業，可起到增雨防雹兼顧的作用。

［1］楊鑒初，陶詩言，葉篤正，等．西藏高原氣象學［M］．北京:科學出版社，1959:24－32．

［2］趙仕雄，德力格爾，涂多彬．黃河上游降水云層對流特性及降水微結構機制研究［J］．高原氣象，2003，22(4):385．

［3］郭恩銘．西藏高原積雨云的研究［J］．氣象，1982(8):22 －24．

［4］蔡濤，馬麗征，莫愛勰，等．人影作業現場調取新一代天氣雷達圖的實現［J］．氣象與環境科學，2009，32(3):91 －93．