柘溪水庫流域不同云型VIL特征與地面催化作業方式的探討

摘要 利用常德CINRAD S/B多普勒天氣雷達獲取的雷達資料中的垂直累積液態含水量（VIL）產品分析了柘溪水庫庫區不同季節降雨云的垂直累積液態含水量和面積值，并將VIL值與降雨關系進行了對比分析。結果表明，積層混合云液態含水量各個量級的覆蓋范圍均比較廣，且最大液態含水量可達30 kg/m²，對應降水區域廣、降水總量大，降水效率為20%左右，增雨潛力大，是開展人工增雨的首選云型;多普勒天氣雷達作業臨界判據為組合反射率因子>25 dBz、強中心強度>30 dBz、回波頂高>4.5 km、水平尺度>5 km、VIL>8 kg/m²、持續時間>10 min。

關鍵詞 多普勒天氣雷達;VIL;地面催化作業方式 ;云型;柘溪水庫流域

中圖分類號 S163 ?文獻標識碼

A ?文章編號 0517-6611（2015）03-233-03

The VIL Characteristics of Different Cloud Patterns and Discussion of Ground CloudSeeding Operation Means in Zhexi Reservoir Drainage Area

ZOU Yanzi¹，2

（1. School of Public Administration of Central South University， Changsha， Hunan 410000; 2. Hunan Meteorological Bureau， Changsha， Hunan 410007）

Abstract ?This article used VIL products obtained by Changde CINRAD S/B Doppler radar to analyze the VIL and area value of rainfall cloud in different seasons in Zhexi reservoir drainage area， and compared VIL value to rainfall relation. The results suggested that the various level ?VIL in lamination mixed cloud involved abroad， the greatest amount is up to 30 kg/m². The chief cloud suitable to catalyzed should be hold broad precipitation area， large rainfall and potential， about 20% precipitation efficiency. The operation criterion based on Doppler radar products included that the value of combinedreflectivity is more than 25 dBz， and its echotop is more than 4.5 km， and the maximum reflectivity is more than 30 dBz， and its horizontalscale is more than 5 km， the value of VIL is more than 8 kg/m² and its persistence time is more than 10 min.

Key words ?Doppler radar; VIL; Ground cloudseeding operation means; Cloud patterns; Zhexi reservoir drainage area

作者簡介 鄒燕姿（1977- ），女，湖南平江人，工程師，碩士，從事氣象防災減災業務與管理工作。

收稿日期 20141205

我國是水資源缺乏的國家，而空中云水資源是可再生氣象資源，如何攔截過境空中過境云水資源，促進云的降水效率以增加地面水資源是值得研究的內容。湖南省的水電在全省供電系統中占有很大的份額，柘溪水庫是湖南省的四大水庫之一，在水庫供水期合理利用和開發空中云水資源以增加水庫蓄水以及增加發電量，必須對其流域空中云水資源進行分析，并研究水庫人工增雨的潛力和可能性^[1]。筆者利用常德CINRAD S/B多普勒天氣雷達獲取的雷達資料中的垂直累積液態含水量（VIL）產品，分析了柘溪水庫庫區不同季節降雨云的垂直累積液態含水量和面積值，并將VIL值與降雨關系進行了對比分析。

1 資料與方法

1.1 分析區間及資料選取

常德CINRAD S/B多普勒天氣雷達于2002年3月29日交付使用，大大提升了氣象防災減災能力。多普勒天氣雷達能提供垂直累積液態含水量（VIL）產品，可為湖南省柘溪水庫庫區云水資源分析^[2]提供基礎資料。柘溪水庫庫區分析區域面積約為19 200 km²，其中庫區流域在常德雷達平顯上位于210°，距離在100～200 km范圍內。資料選取2003年的2月26日、4月28日、4月30日、5月3日、5月12日和7月5日6次降雨過程的多普勒天氣雷達VIL值，并將6次降水過程分為層狀云降水、積云降水和積層混合云降水。

1.2 資料處理方法

在2003年各月份中選取降雨個例資料，其個例資料選用原則是：既要有層云、積層混合云又要有對流云。分析資料為多普勒天氣雷達產品中的VIL和1 h累積降雨量^[3]。在處理降水云回波垂直累積液態水資料（每6 min一組樣本）時，以不同垂直累積液態含水量等級（1、5、10、15、20、25、30、35 ?kg/m²）計算垂直累積液態水面積、不同等級含水量、總水量。進行數據處理計算時采取公式Sj=（Ai×4）/N，式中，Sj表示庫區降雨云回波VIL標準（1、5、10、15、20、25、30、35 ?kg/m²）平均面積;Ai表示不同等級面積網格個數（km²）;N表示樣本數。 SS=∑Sj、Vj=Sj×VIL，式中，SS表示庫區降雨云回波平均面積（km²）;Vj表示某塊云回波對應于VIL標準的垂直累積液態含水量平均值;VIL分級分別為1、5、10、15、20、25、30、35 ?kg/m²。

2 垂直累積液態含水量（VIL）特征分析

2.1 層狀云回波垂直累積液態含水量特征

從2次層狀云個例（表1）分析看，其VIL值一般不大，VIL為0～1 ?kg/m²的區域占層狀云覆蓋范圍的90%以上，部分地區VIL值出現1～5 ?kg/m²，但范圍很小，僅占層狀云覆蓋范圍的10%左右或更少;1 h平均變幅<1.0 kg/m²，最大變幅為5 ?kg/m²;單位面積平均含水量為1 kg/km²左右，總含水量不高;有降水的覆蓋面累積別為316.73 km²和1 336.5 km²，其中只有0 mm降水的范圍分別占100%和90.43%。這種云降水多為0 mm，雨滴小，幾乎在降落過程中就蒸發了，落到地面的水量很小。

2003年4月28日降水過程具有不同的物理參量，層狀云的液態含水量并不大，一般在1～5 kg/m²，且降雨也不大，一般為小雨在5 mm以下，16：51～17：52庫區范圍內的云的覆蓋面積平均為1 336.5 km²，其中0≤VIL≤1的平均面積為1 208.6 km²，VIL≥1的平均面積為127.9 km²;空中垂直液態水總量為0.210 億t，而1 h降水總量為0.022 億t，降水效率為10.48%。

表1 層狀云液態含水量特征

時段0≤VIL≤1的

平均面積∥km²VIL≥1的

平均面積∥km²VIL極大值

kg/km²液態水總量

億t

1 h雨量=0 mm

的面積∥km²1 h雨量>0 mm

的面積∥km²1 h降水總量

億t

2月26日15：52～16：54316.73010.03576100

4月28日16：51～17：521 208.60127.9100.21020118650.022

2.2 對流云回波垂直累積液態含水量特征

積云降水變率很大，局地對流產生的積云和西風帶系統下的積云有很明顯的差異。一般來說，積云的VIL值大，高值可達30～35 kg/m²;變化劇烈，6 min變幅達15 ?kg/m²;2次積云降水過程覆蓋面累積別為1 467.8和284.31 km²。個例主要為7月5日和5月12日降水過程，各物理參量如表2所示。

表2 積云液態含水量特征

時段0≤VIL≤1的

平均面積∥km²VIL≥1的

平均面積∥km²VIL極大值

kg/km²液態水總量

億t

1 h雨量=0 mm

的面積∥km²1 h雨量>0 mm

的面積∥km²1 h降水總量

億t

7月5日06：55～07：44966.80501.10350.6522 01714310.078

5月12日13：07～14：08247.5836.73150.06117500

在7月5日降水過程中（表2），VIL值較大，達30～35 ?kg/m²;云區有明顯的VIL高值區，且對應降水很明顯，1 h降水甚至可達38.1 mm;VIL >1 ?kg/m²的云區面積為501.1 km²，占整個云區面積的34.12%;VIL >5 ?kg/m²的云區面積為275.7 km²，占整個云區面積的18.8%。說明積云的液態含水量很大。1 h內VIL變幅大，極大值從20 ?kg/m²可變到35 kg/m²。

積云對應的降水時空分布嚴重不均勻，1 h降水大的可達38.1 mm，對應VIL高值區;1 h降水總量為0.078億t，占云區液態水總量的12.02%，其增雨潛力也很大。

而5月12日的個例中，由于是非降水性積云，含水量在0～15 kg/m²，沒有形成明顯降水，僅有微量降水，降水范圍也較小。

2.3 積層混合云回波垂直累積液態含水量特征

從積層混合云液態含水量特征觀測值（表3）可以看出，積層混合云的覆蓋范圍廣，VIL值各個級別的覆蓋范圍均比較大，尤其是VIL>1 ?kg/m²的面積分別為3 091.00 km²和1104.36 km²;VIL極大值高達25～30 ?kg/m²，2次過程極大值分別為30和25 ?kg/m²，1 h平均變幅6.5 ?kg/m²，最大變幅為15 ?kg/m²;其降水量也大，降水范圍廣，1 h降水>0 mm的面積分別為5 381和2 162 km²，1 h降水總量分別為0.704和0.162億t;降水效率分別為20.00%和18.78%，其降水效率是3種云型中最高的。積層混合云含水豐富，能形成較大的降水量，且覆蓋范圍廣，是湖南省人工增雨的首選云型。

表3 積層混合云液態含水量特征

時段0≤VIL≤1的

平均面積∥km²VIL≥1的

平均面積∥km²VIL極大值

kg/km²液態水總量

億t

1 h雨量=0 mm

的面積∥km²1 h雨量>0 mm

的面積∥km²1 h降水總量

億t

4月30日00：42～01：442 4923 091.00303.5412 2015 3810.704

5月3日18：49～19：501 3851 104.36250.8632 3642 1620.162

3 運用雷達探測信息得出作業條件及判據

一次好的作業過程應該是針對局地（作業點）云的特征，運用常規觀測資料、衛星云圖、雷達以及云的相關探測資料，作出相應的增雨作業判斷等級，即一級為無作業條件、二級為條件一般、三級為作業條件較好、四級為作業條件極佳。經分析，云層的多普勒天氣雷達回波強度>30 dBz、回波頂高>10 km、云中液態含水量（VIL）>15 ?kg/m²、持續時間>20 min以上是三級以上極好的作業機會。對移動到庫區上空的云體，根據水庫作業實踐總結出的經驗得到了具體作業臨界判據為組合反射率>25 dBz、回波頂高>4.5 km、水平尺度>5 km、VIL值>8 ?kg/m²、持續時間>10 min、強中心強度>30 dBz、強天氣概率>10。當云體面積<50 km²時，宜發射人雨彈25～35發或火箭1枚;當云體面積>50 km²時，宜發射人雨彈35～45發或火箭2枚。

當云向作業點移動時，其作業方式宜采用前傾梯度結合扇面組合射擊方式;當云移至作業點天頂時，或正處在云前部上升氣流控制區，則以同心圓組合方式設計。

實際上，射角扇面40°～60°即云體1/2～1/3垂直范圍內最多，單塊積云的降雨面積占回波面積的2/3，回波面積與云體也約為1/2的關系，因此，當作業扇面為云體的1/2～1/3，其彈炸點大部分落區在回波區內，因此這種射擊選擇是可行的。

當作業點作業指揮員接收到雷達觀測回波移向移速、強度等信息，待空域批準后，一般采用從下至上梯度應用長、中、短秒人雨彈配合催化，使彈著點落入云體上升氣流內，達到人工催化目的。

就作業方式而言，在柘溪水庫流域的南、北部催化起著降水啟動的作用，其特點是云本身降水頻率高。當降水啟動后，不需要繼續跟蹤催化，即云移至炮點，用30～40發炮彈發射輸送碘化銀至云的過冷水聚集區域，啟動或加快冰晶效應，最終達到增加地面降水量的目的。而其中部因降水頻率低，總云量和低云量相對南、北部又是高值區，其催化方式可采用連續跟蹤作業的方式，即不僅要啟動冷云降水機制，用彈量（即催化劑量）和作業次數應多于南、北部，目的是使云中有足夠的冰核，加大云凝結釋放潛熱的能量，使云的對流加強，促使更多云體進行合并形成降雨云體，并在庫區中部一帶迅速形成降水，增加降水頻率，加大降水量，達到充分利用云水資源的目的。

4 結論

（1）分析多普勒天氣雷達資料垂直累積液態含水量（VIL）和1 h降水量可知，層狀云液態含水量少，一般在0～1 ?kg/m²，降水量級小，降水總量不多;積云含水量最高可達35 ?kg/m²，其變率大;積層混合云液態含水量各個量級的覆蓋范圍均比較大，且最大液態含水量可達30 ?kg/m²，對應降水區域廣，降水總量大，降水效率為20%左右，增雨潛力大，是開展人工增雨的首選云型。

（2）多普勒天氣雷達作業臨界判據為組合反射率因子

>25 dBz、回波頂高>4.5 km、水平尺度>5 km、VIL>8 ?kg/m²、持續時間>10 min、強中心強度>30 dBz、強天氣概率>10。作業用彈量：當云體面積<50 km²時，宜發射人雨彈25～35發或火箭1枚;當云體面積>50 km²時，宜發射人雨彈35～45發或火箭2枚。

參考文獻

[1]

唐林，王治平，丁岳強，等. 湖南省柘溪水庫流域空中水汽資源特征及人工增雨潛力[J].氣象，2006，32（5）：29-34.

[2] 王治平，唐林，周祖俊，等. 湖南省柘溪水庫空中過境云水資源研究[R].長沙，2005.

[3] 胡明寶，高太長，湯達章. 多普勒天氣雷達資料分析與應用[M]. 北京：解放軍出版社，2000：146-150.