多普勒天氣雷達(dá)資料在人工增雨中的應(yīng)用

李成鵬 田云平

摘 要：氣象雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)在人工影響天氣過程中運(yùn)用非常廣泛，通過對(duì)云南多普勒雷達(dá)資料的分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)回波強(qiáng)度達(dá)到30～50dBz，伸展高度達(dá)到8km，入流速度和出流速度中心值達(dá)到15m/s，垂直累積液態(tài)含水量在15kg/m2以上時(shí)，是開展人工增雨的最佳時(shí)機(jī)。作業(yè)所需要的彈藥數(shù)可以通過雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量其區(qū)域的體積、水含量，再根據(jù)云層的發(fā)展來計(jì)算催化劑濃度，這樣可以利用最好的自然撒播環(huán)境，減少用彈量，是提高增雨效率性價(jià)比的重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：多普勒雷達(dá)；氣象探測(cè)資料；人工增雨

中圖分類號(hào)：S164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515055

引言

昆明棋盤山多普勒天氣雷達(dá)站，海拔2515m，為CINRAD/CC多普勒天氣雷達(dá)，最大可測(cè)速度為24.86m/s，最大可測(cè)距離為150km，其所探測(cè)范圍基本覆蓋滇中（昆明、玉溪、楚雄）地區(qū)。多普勒天氣雷達(dá)是以多普勒效應(yīng)為其基本的工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在對(duì)降水的監(jiān)測(cè)作用和降水量的定量估算等方面具有與其它氣象雷達(dá)不同的優(yōu)勢(shì)，不僅可以探測(cè)出關(guān)于降水方面的豐富信息，同時(shí)還能較為清晰的識(shí)別出即將到來的降水的結(jié)構(gòu)和類型，并且具有很高的時(shí)間和空間分辨率，是探測(cè)中尺度降水云系非常有效的工具，國(guó)內(nèi)很多專家對(duì)多普勒雷達(dá)資料在人工增雨中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和總結(jié)，對(duì)提高人工增雨的效率起到了很大作用。

利用多普勒雷達(dá)研發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品的有很多，如回波頂高度產(chǎn)品，是利用回波來了解云層中對(duì)流的情況；其次是垂直累積液態(tài)含水量產(chǎn)品，是利用多普勒天氣雷達(dá)對(duì)對(duì)流垂直面的含水量進(jìn)行探測(cè)，分析由于對(duì)流帶來的暴雨、冰雹等的可能性。本文主要通過對(duì)多普勒雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行分析，介紹如何利用其資料更好地開展人工增雨作業(yè)。

1 多普勒雷達(dá)資料分析

1.1 雷達(dá)回波強(qiáng)度演變分析

利用云南省昆明、昭通、文山、思茅、德宏、麗江的多普勒天氣雷達(dá)拼圖資料，對(duì)即將到來的降水云系的回波特征進(jìn)行分析。如2013年6月9日午后，在云南北部不斷有分散的對(duì)流回波生成，以40km/h速度向東偏南方向移動(dòng)，其中鑲嵌有多個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體，回波強(qiáng)度達(dá)到35～45dBz，最強(qiáng)可達(dá)50dBz，回波發(fā)展高度不高，回波結(jié)構(gòu)低質(zhì)心，不存在強(qiáng)回波懸垂，45dBz以上強(qiáng)回波伸展高度在3～5km，最高達(dá)6km，大部分強(qiáng)回波處于0℃層高度以下，可見主要是以液態(tài)水為主，此種云系若采取人工作業(yè)降水效率很高。生成后的回波沿著風(fēng)暴承載層平均風(fēng)——偏西風(fēng)向著偏東方向移動(dòng)，在向下風(fēng)方向移動(dòng)過程中有所加強(qiáng)，不斷代替前面減弱的對(duì)流回波，形成明顯的后向傳播。9日20：00—10日02：00時(shí)段內(nèi)，大片40～50 dBz回波不斷生成、發(fā)展（圖1），此時(shí)是開展人工增雨作業(yè)最好的時(shí)機(jī)。

1.2 徑向速度特征分析

通過雷達(dá)徑向速度可以大致分析水平風(fēng)場(chǎng)情況。從昆明雷達(dá)徑向速度圖上可以看到一個(gè)邊界層急流的建立與維持過程，以2013年6月9日為例，20：00后昆明雷達(dá)徑向速度圖上雷達(dá)上空200～400m之間的偏東風(fēng)風(fēng)速逐漸增強(qiáng)，形成明顯的對(duì)稱“牛眼對(duì)”結(jié)構(gòu)，至20：30入流速度和出流速度中心值已由5m/s增強(qiáng)至15m/s，邊界層偏東風(fēng)急流建立之后逐漸向高層擴(kuò)展，23：12急流高度達(dá)800m附近，急流核高度達(dá)到350～450m/s（圖2），邊界層急流的建立與維持為中尺度對(duì)流系統(tǒng)的產(chǎn)生持續(xù)提供強(qiáng)動(dòng)力觸發(fā)作用和水汽的強(qiáng)烈輻合作用。同時(shí)還可以看到雷達(dá)上空800m以內(nèi)，風(fēng)隨高度呈現(xiàn)弱的“S”形，說明近地層有很弱的暖平流，有利于觸發(fā)對(duì)流。此外，近地層除有偏東風(fēng)急流和弱暖平流以外，近地層以上風(fēng)向?yàn)槲髌巷L(fēng)，垂直方向存在明顯的風(fēng)切變，還有多個(gè)逆風(fēng)區(qū)生成，逆風(fēng)區(qū)最高發(fā)展到4.3°仰角，說明回波內(nèi)存在著明顯的垂直風(fēng)切變和逆風(fēng)區(qū)（圖2），可以使中尺度垂直環(huán)流加強(qiáng)，回波將強(qiáng)烈發(fā)展，逆風(fēng)區(qū)內(nèi)均有強(qiáng)度超過40dBz的回波發(fā)展，此時(shí)的回波強(qiáng)度最有利于開展人工增雨作業(yè)。

1.3 回波頂高度分析

根據(jù)回波的強(qiáng)度、速度等值來計(jì)算云層中的含水量，根據(jù)測(cè)量物的頂層數(shù)值作為依據(jù)，同時(shí)利用體積掃描的方法將計(jì)算出來的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，了解所測(cè)物的回波強(qiáng)度閥值，根據(jù)閥值判斷出云層中對(duì)流發(fā)展的強(qiáng)弱情況。經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在一般情況下，回波強(qiáng)度在5dBz以內(nèi)為正常天氣狀況，在5～18dBz就有可能產(chǎn)生不定量的降水，在18～30dBz這一個(gè)階段就會(huì)有強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生。通過回波頂高度能測(cè)量出對(duì)流的強(qiáng)弱，它主要是與回波的伸展高度有關(guān)，對(duì)流產(chǎn)生的可能性與回波頂高度成正比，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回波頂?shù)纳煺垢叨冗_(dá)到8km以上就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴，超過10km就會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的天氣狀況，比如說雷暴、大風(fēng)、冰雹等。因此利用回波頂高度對(duì)測(cè)量對(duì)流發(fā)揮了很大的作用。

1.4 垂直累積液態(tài)含水量分析

對(duì)降水云體的垂直方向的含水量進(jìn)行的測(cè)量，從而了解到在強(qiáng)對(duì)流天氣中這些水會(huì)以什么樣的形態(tài)出現(xiàn)。根據(jù)研究，當(dāng)反射回來的數(shù)據(jù)較少時(shí)則表示這個(gè)層面的垂直累積液態(tài)水含量較少，則在強(qiáng)對(duì)流天氣中水就以原形態(tài)出現(xiàn)，反之則出現(xiàn)固體降水。垂直累積液態(tài)含水量的數(shù)值大小與強(qiáng)對(duì)流天氣中降水形態(tài)有著很大的關(guān)系。這個(gè)在不同的地區(qū)有不同的值，就以云南來說，當(dāng)垂直累積液態(tài)含水量在15kg/以上，或者是等于這個(gè)值的時(shí)候，這個(gè)區(qū)域非常容易形成對(duì)流式的降水。

2 人工降雨作業(yè)中催化劑的計(jì)算方法

2.1 理論依據(jù)

人工增雨是通過在云層中播撒冰核，使得云層中的冰晶數(shù)量增多，同時(shí)在形成冰晶的過程中釋放大量的熱量，使得云層內(nèi)外的熱量不均，從而產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致云層產(chǎn)生降雨或者增大降雨的效果。在進(jìn)行人工降雨作業(yè)時(shí)對(duì)于催化劑播撒量的計(jì)算，要根據(jù)作業(yè)區(qū)域的體積、水含量以及催化劑的濃度（一般在300～500個(gè)/L）進(jìn)行計(jì)算，而前2項(xiàng)都是利用多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量，再通過多普勒天氣雷達(dá)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算的。根據(jù)多年觀測(cè)分析，云層要達(dá)到降雨的效果，多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度應(yīng)在20～30dBz之間，因此在進(jìn)行催化劑量的計(jì)算的時(shí)候就可以直接利用這2個(gè)數(shù)值作為一個(gè)閥值進(jìn)行計(jì)算，這樣就可以計(jì)算出彈量的使用區(qū)間了。

2.2 催化劑量計(jì)算方法

多普勒雷達(dá)在進(jìn)行云層觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分強(qiáng)風(fēng)暴體是以紡錘體的形狀出現(xiàn)在云層中，這個(gè)是利用回波頂高度產(chǎn)品的反射率因子進(jìn)行測(cè)量的。紡錘體是不同于圓柱體和圓錐體的存在，因此如果利用圓柱體的公式進(jìn)行體積的計(jì)算明顯偏大，如果利用圓錐體的公式計(jì)算則偏小。通過反復(fù)研究后發(fā)現(xiàn)，以下的這個(gè)公式是最接近實(shí)體回波體體積的一個(gè)。

V=SVIL2×htop

式中：V為面體積，單位為km3，htop表示所測(cè)量地區(qū)內(nèi)的回波頂值大于閥值的面積內(nèi)的云層的平均回波高度，單位為km；SVIL表示一個(gè)區(qū)域內(nèi)在垂直方向上面的總水量在某一閥值之外的總面積，單位為km3，云南是以15kg/m2為計(jì)算閥值。通過多普勒天氣雷達(dá)傳輸回來的數(shù)據(jù)圖像可以測(cè)出超過這個(gè)閥值的區(qū)域內(nèi)的象素?cái)?shù)Num的數(shù)值是多少，以4km×4km作為象素的平均底面積，則SVIL可以通過這樣的公式進(jìn)行計(jì)算。

SVIL=4km×4km×Num

假設(shè)降雨催化劑原料為AgI，以每個(gè)火箭彈可以裝催化劑10g，這個(gè)劑量在-10℃時(shí)可以擁有1.8×1016個(gè)冰核，并以M來代替每升中所擁有的冰核數(shù)，以N表示所需要的火箭彈，因此在-10℃時(shí)N的計(jì)算公式如下。

N=VM1.8×1016=SVILhtopM3.6×1016=16NumhtopM3.6×1016

假設(shè)Num=3，則SVIL就等于48km2，取htop=10km，M=400個(gè)/L，則可以計(jì)算出紡錘體的體積為240km3，因此將所有數(shù)值帶入上式中，則得出在這個(gè)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行人工降雨所需要的彈藥數(shù)為5.3枚，也就是說最多需要6枚彈藥進(jìn)行發(fā)射，就可以達(dá)到較佳的降雨效果。但在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)時(shí)間段的不同，來判斷云層內(nèi)的含水量和云層的高度，因此在進(jìn)行人工降雨的時(shí)候要根據(jù)云層的發(fā)展來進(jìn)行作業(yè)，這樣可以借助自然的力量使冰核進(jìn)入最好的撒播環(huán)境，減少用彈量，使增雨效率達(dá)到最佳的性價(jià)比。

3 結(jié)語

加強(qiáng)多普勒雷達(dá)資料的分析和總結(jié)，對(duì)提高人工增雨的效率起到了很大作用。當(dāng)回波強(qiáng)度達(dá)到30～50dBz，伸展高度達(dá)到8km，入流速度和出流速度中心值達(dá)到15m/s，垂直累積液態(tài)含水量在15kg/m2以上，是開展人工增雨的最佳時(shí)機(jī)；氣象雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)在人工影響天氣過程中運(yùn)用非常廣泛，所需要的彈藥數(shù)要通過雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)區(qū)域的體積、水含量，再根據(jù)云層的發(fā)展來計(jì)算催化劑濃度，這樣可以利用最好的自然撒播環(huán)境，減少用彈量，是提高增雨效率性價(jià)比的重要環(huán)節(jié)。

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