摘要 利用常德CINRAD S/B多普勒天气雷达获取的雷达资料中的垂直累积液态含水量（VIL）产品分析了柘溪水库库区不同季节降雨云的垂直累积液态含水量和面积值，并将VIL值与降雨关系进行了对比分析。结果表明，积层混合云液态含水量各个量级的覆盖范围均比较广，且最大液态含水量可达30 kg/m²，对应降水区域广、降水总量大，降水效率为20%左右，增雨潜力大，是开展人工增雨的首选云型;多普勒天气雷达作业临界判据为组合反射率因子>25 dBz、强中心强度>30 dBz、回波顶高>4.5 km、水平尺度>5 km、VIL>8 kg/m²、持续时间>10 min。

关键词 多普勒天气雷达;VIL;地面催化作业方式 ;云型;柘溪水库流域

中图分类号 S163  文献标识码

A  文章编号 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

作者简介 邹燕姿（1977- ），女，湖南平江人，工程师，硕士，从事气象防灾减灾业务与管理工作。

收稿日期 20141205

我國是水资源缺乏的国家，而空中云水资源是可再生气象资源，如何拦截过境空中过境云水资源，促进云的降水效率以增加地面水资源是值得研究的内容。湖南省的水电在全省供电系统中占有很大的份额，柘溪水库是湖南省的四大水库之一，在水库供水期合理利用和开发空中云水资源以增加水库蓄水以及增加发电量，必须对其流域空中云水资源进行分析，并研究水库人工增雨的潜力和可能性^[1]。笔者利用常德CINRAD S/B多普勒天气雷达获取的雷达资料中的垂直累积液态含水量（VIL）产品，分析了柘溪水库库区不同季节降雨云的垂直累积液态含水量和面积值，并将VIL值与降雨关系进行了对比分析。

1 资料与方法

1.1 分析区间及资料选取

常德CINRAD S/B多普勒天气雷达于2002年3月29日交付使用，大大提升了气象防灾减灾能力。多普勒天气雷达能提供垂直累积液态含水量（VIL）产品，可为湖南省柘溪水库库区云水资源分析^[2]提供基础资料。柘溪水库库区分析区域面积约为19 200 km²，其中库区流域在常德雷达平显上位于210°，距离在100～200 km范围内。资料选取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次降雨过程的多普勒天气雷达VIL值，并将6次降水过程分为层状云降水、积云降水和积层混合云降水。

1.2 资料处理方法

在2003年各月份中选取降雨个例资料，其个例资料选用原则是：既要有层云、积层混合云又要有对流云。分析资料为多普勒天气雷达产品中的VIL和1 h累积降雨量^[3]。在处理降水云回波垂直累积液态水资料（每6 min一组样本）时，以不同垂直累积液态含水量等级（1、5、10、15、20、25、30、35  kg/m²）计算垂直累积液态水面积、不同等级含水量、总水量。进行数据处理计算时采取公式Sj=（Ai×4）/N，式中，Sj表示库区降雨云回波VIL标准（1、5、10、15、20、25、30、35  kg/m²）平均面积;Ai表示不同等级面积网格个数（km²）;N表示样本数。 SS=∑Sj、Vj=Sj×VIL，式中，SS表示库区降雨云回波平均面积（km²）;Vj表示某块云回波对应于VIL标准的垂直累积液态含水量平均值;VIL分级分别为1、5、10、15、20、25、30、35  kg/m²。

2 垂直累积液态含水量（VIL）特征分析

2.1 层状云回波垂直累积液态含水量特征

从2次层状云个例（表1）分析看，其VIL值一般不大，VIL为0～1  kg/m²的区域占层状云覆盖范围的90%以上，部分地区VIL值出现1～5  kg/m²，但范围很小，仅占层状云覆盖范围的10%左右或更少;1 h平均变幅<1.0 kg/m²，最大变幅为5  kg/m²;单位面积平均含水量为1 kg/km²左右，总含水量不高;有降水的覆盖面累积别为316.73 km²和1 336.5 km²，其中只有0 mm降水的范围分别占100%和90.43%。这种云降水多为0 mm，雨滴小，几乎在降落过程中就蒸发了，落到地面的水量很小。

2003年4月28日降水过程具有不同的物理参量，层状云的液态含水量并不大，一般在1～5 kg/m²，且降雨也不大，一般为小雨在5 mm以下，16：51～17：52库区范围内的云的覆盖面积平均为1 336.5 km²，其中0≤VIL≤1的平均面积为1 208.6 km²，VIL≥1的平均面积为127.9 km²;空中垂直液态水总量为0.210 亿t，而1 h降水总量为0.022 亿t，降水效率为10.48%。

表1 层状云液态含水量特征

时段0≤VIL≤1的

平均面积∥km²VIL≥1的

平均面积∥km²VIL极大值

kg/km²液态水总量

亿t

1 h雨量=0 mm

的面积∥km²1 h雨量>0 mm

的面积∥km²1 h降水总量

亿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 对流云回波垂直累积液态含水量特征

积云降水变率很大，局地对流产生的积云和西风带系统下的积云有很明显的差异。一般来说，积云的VIL值大，高值可达30～35 kg/m²;变化剧烈，6 min变幅达15  kg/m²;2次积云降水过程覆盖面累积别为1 467.8和284.31 km²。个例主要为7月5日和5月12日降水过程，各物理参量如表2所示。

表2 积云液态含水量特征

时段0≤VIL≤1的

平均面积∥km²VIL≥1的

平均面積∥km²VIL极大值

kg/km²液态水总量

亿t

1 h雨量=0 mm

的面积∥km²1 h雨量>0 mm

的面积∥km²1 h降水总量

亿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日降水过程中（表2），VIL值较大，达30～35  kg/m²;云区有明显的VIL高值区，且对应降水很明显，1 h降水甚至可达38.1 mm;VIL >1  kg/m²的云区面积为501.1 km²，占整个云区面积的34.12%;VIL >5  kg/m²的云区面积为275.7 km²，占整个云区面积的18.8%。说明积云的液态含水量很大。1 h内VIL变幅大，极大值从20  kg/m²可变到35 kg/m²。

积云对应的降水时空分布严重不均匀，1 h降水大的可达38.1 mm，对应VIL高值区;1 h降水总量为0.078亿t，占云区液态水总量的12.02%，其增雨潜力也很大。

而5月12日的个例中，由于是非降水性积云，含水量在0～15 kg/m²，没有形成明显降水，仅有微量降水，降水范围也较小。

2.3 积层混合云回波垂直累积液态含水量特征

从积层混合云液态含水量特征观测值（表3）可以看出，积层混合云的覆盖范围广，VIL值各个级别的覆盖范围均比较大，尤其是VIL>1  kg/m²的面积分别为3 091.00 km²和1104.36 km²;VIL極大值高达25～30  kg/m²，2次过程极大值分别为30和25  kg/m²，1 h平均变幅6.5  kg/m²，最大变幅为15  kg/m²;其降水量也大，降水范围广，1 h降水>0 mm的面积分别为5 381和2 162 km²，1 h降水总量分别为0.704和0.162亿t;降水效率分别为20.00%和18.78%，其降水效率是3种云型中最高的。积层混合云含水丰富，能形成较大的降水量，且覆盖范围广，是湖南省人工增雨的首选云型。

表3 积层混合云液态含水量特征

时段0≤VIL≤1的

平均面积∥km²VIL≥1的

平均面积∥km²VIL极大值

kg/km²液态水总量

亿t

1 h雨量=0 mm

的面积∥km²1 h雨量>0 mm

的面积∥km²1 h降水总量

亿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 运用雷达探测信息得出作业条件及判据

一次好的作业过程应该是针对局地（作业点）云的特征，运用常规观测资料、卫星云图、雷达以及云的相关探测资料，作出相应的增雨作业判断等级，即一级为无作业条件、二级为条件一般、三级为作业条件较好、四级为作业条件极佳。经分析，云层的多普勒天气雷达回波强度>30 dBz、回波顶高>10 km、云中液态含水量（VIL）>15  kg/m²、持续时间>20 min以上是三级以上极好的作业机会。对移动到库区上空的云体，根据水库作业实践总结出的经验得到了具体作业临界判据为组合反射率>25 dBz、回波顶高>4.5 km、水平尺度>5 km、VIL值>8  kg/m²、持续时间>10 min、强中心强度>30 dBz、强天气概率>10。当云体面积<50 km²时，宜发射人雨弹25～35发或火箭1枚;当云体面积>50 km²时，宜发射人雨弹35～45发或火箭2枚。

当云向作业点移动时，其作业方式宜采用前倾梯度结合扇面组合射击方式;当云移至作业点天顶时，或正处在云前部上升气流控制区，则以同心圆组合方式设计。

实际上，射角扇面40°～60°即云体1/2～1/3垂直范围内最多，单块积云的降雨面积占回波面积的2/3，回波面积与云体也约为1/2的关系，因此，当作业扇面为云体的1/2～1/3，其弹炸点大部分落区在回波区内，因此这种射击选择是可行的。

当作业点作业指挥员接收到雷达观测回波移向移速、强度等信息，待空域批准后，一般采用从下至上梯度应用长、中、短秒人雨弹配合催化，使弹着点落入云体上升气流内，达到人工催化目的。

就作业方式而言，在柘溪水库流域的南、北部催化起着降水启动的作用，其特点是云本身降水频率高。当降水启动后，不需要继续跟踪催化，即云移至炮点，用30～40发炮弹发射输送碘化银至云的过冷水聚集区域，启动或加快冰晶效应，最终达到增加地面降水量的目的。而其中部因降水频率低，总云量和低云量相对南、北部又是高值区，其催化方式可采用连续跟踪作业的方式，即不仅要启动冷云降水机制，用弹量（即催化剂量）和作业次数应多于南、北部，目的是使云中有足够的冰核，加大云凝结释放潜热的能量，使云的对流加强，促使更多云体进行合并形成降雨云体，并在库区中部一带迅速形成降水，增加降水频率，加大降水量，达到充分利用云水资源的目的。

4 结论

（1）分析多普勒天气雷达资料垂直累积液态含水量（VIL）和1 h降水量可知，层状云液态含水量少，一般在0～1  kg/m²，降水量级小，降水总量不多;积云含水量最高可达35  kg/m²，其变率大;积层混合云液态含水量各个量级的覆盖范围均比较大，且最大液态含水量可达30  kg/m²，对应降水区域广，降水总量大，降水效率为20%左右，增雨潜力大，是开展人工增雨的首选云型。

（2）多普勒天气雷达作业临界判据为组合反射率因子

>25 dBz、回波顶高>4.5 km、水平尺度>5 km、VIL>8  kg/m²、持续时间>10 min、强中心强度>30 dBz、强天气概率>10。作业用弹量：当云体面积<50 km²时，宜发射人雨弹25～35发或火箭1枚;当云体面积>50 km²时，宜发射人雨弹35～45发或火箭2枚。

参考文献

[1]

唐林，王治平，丁岳强，等. 湖南省柘溪水库流域空中水汽资源特征及人工增雨潜力[J].气象，2006，32（5）：29-34.

[2] 王治平，唐林，周祖俊，等. 湖南省柘溪水库空中过境云水资源研究[R].长沙，2005.

[3] 胡明宝，高太长，汤达章. 多普勒天气雷达资料分析与应用[M]. 北京：解放军出版社，2000：146-150.