胡淑萍 林 文 林长城 李 丹3)4) 江善赐 冯宏芳3)4)

1)(福建省宁德市古田县气象局, 宁德 352000)

2)(福建省气象科学研究所, 福州 350001)

3)(福建省灾害天气重点实验室, 福州 350001)

4)(中国气象局海峡灾害天气重点开放实验室, 福州 350001)

引 言

近年全球气候变暖加速,气象干旱事件频发,森林防火、水库增蓄、生态修复等方面对人工影响天气的需求越来越迫切。现阶段人工影响天气活动主要以人工增雨、防雹为主,由于自然云雨的复杂性,人工增雨效果检验评估成为人工影响天气的重要工作之一,但至今仍是世界难题[1-2]。目前主要采用统计检验、物理检验和模式检验方法评估[3-6],效果包含对云的微观和宏观物理参量变化和地面雨量变化。统计检验方法可定量研究人工增雨作业前后的降水效果,但需要长时间历史资料支撑。物理检验虽然不能定量评估增雨作业的效果,但可提供作业前后云系微观和宏观特征发生变化的物理学证据,因需要使用数理统计方法,故又称为物理效应的统计检验[6-7]。模式检验通过比较定量预报云物理参量、地面降水和实际观测结果,评估作业效果。观测物理效应基础结合统计检验,才能得到合理检验结果,模式检验的可信度更依赖于模式对云与降水过程模拟的准确性。

随着探测技术进步,我国人工影响天气技术和应用得到快速发展[8-11],国内学者主要利用天气雷达、卫星等观测资料进行人工增雨效果检验[12-27]。黄彦彬等[21]对2015—2016年地面烟炉随机暖云人工增雨试验开展统计检验和物理检验,指出暖云增雨平均增雨量相差0.39 mm·(2 h)-1,相对增加为11.4%。贾烁等[22-23]检验2012—2013年江淮对流云作业个例效果,得出相对增雨率为65.18%。查思佳等[24]、何晖等[25]、刘卫国等[26]利用模式结果定量研究催化过程的云微物理结构和降水变化,何晖等[25]得到消减雨模拟的最大减雨率为8%～12%,刘卫国等[26]得到的平均增雨率为1.1%,地面降水出现先减少后增加的变化特征。岳治国等[27]定量估算一次飞机冷云增雨作业的增雨量,得到增雨影响时间约为4 h,影响区内增雨率达53%。

福建省宁德市古田县作为人工增雨随机试验基地,1975—1986年开展地面高炮作业人工增雨随机试验,利用711天气雷达、滤纸色斑测雨滴谱法对随机试验个例开展物理检验[28-31]:催化后云宏观参量明显增加,促进中雨滴和大雨滴发展,地面降水增加,而非催化云呈减弱趋势。为了解新气候背景下人工增雨作业效果,2014年古田县重启开展人工增雨随机试验,以地面火箭为作业方式,截至2022年底共获取77个样本。本文利用S波段单偏振天气雷达、双偏振天气雷达以及地面激光雨滴谱仪对已获取的随机试验样本开展阶段性物理检验。

1 资料与方法

1.1 试验方案

2014—2022年福建古田人工增雨随机试验根据统一雷达指标,随机抽取签码决定催化与非催化。为避免催化剂扩散、残留以及云系合并等因素影响,每次随机试验作业间的时间间隔超过3 h。作业采用BL-1型火箭开展冷云催化,作业对象为3—9月发展至成熟阶段对流云系(包含积云、积层混合云);火箭弹催化起播点均高于-5℃高度(根据当日临近时刻福州和邵武L波段探空资料插值计算得到),方位角为迎着云系来向,催化部位为云系的前部或中部;每次作业量均为4枚火箭弹。随机试验的雷达指标[32]:最大回波强度大于35 dBZ且大于25 dBZ 的回波面积大于100 km2,回波顶高大于5.5 km,负温层厚度大于1.5 km,垂直液态水含量大于1 kg·m-2。

2014—2019年作业地点主要在凤埔乡西溪村,由于西溪作业点作业条件改变,2020—2022年改在凤埔乡石坑村,两个作业点直线距离约为8 km。两个点作业催化后的试验样本云系均移入同一影响区。

1.2 资料及方法

2014—2022年古田人工增雨随机试验样本为77个,其中催化作业样本为38个,非催化样本为39个。本文的物理检验分析基于福州长乐和南平建阳S波段天气雷达资料,从作业前12 min到作业后60 min 跟踪分析催化前后雷达参量的变化,雷达参量选取回波强度、最大回波顶高、负温层厚度等,并计算相关雷达参量的增幅;2020年福州长乐天气雷达新增双偏振参量,可观测差分反射率(ZDR)、差分相位差(KDP)等偏振参量,为分析降水演化过程提供物理基础[33-34]。匹配的随机试验样本为24个(催化样本15个,非催化样本9个),本文选取双偏振参量ZDR和KDP对随机试验样本云内降水微物理特征进行跟踪分析。此外,本文还选取2021年5月4日的随机试验个例,基于福州长乐双偏振天气雷达资料、地面激光雨滴谱资料开展综合性物理检验分析,地面激光雨滴谱(PASIVEL2)资料参照文献[35-37]进行质量控制,同时利用区域站雨量观测资料定量评估试验个例的降水效果,进一步佐证物理检验分析结果。

2 物理检验

2.1 S波段天气雷达参量

2.1.1 回波强度

图1为作业前后试验样本回波强度(组合反射率因子)的平均值变化,横坐标时间0表示作业时刻,负数表示作业前,正数表示作业后(下同)。由图1可见,作业前催化样本和非催化样本的回波强度均存在增强趋势,催化样本的回波强度稍弱于非催化样本。作业后催化样本回波强度逐步增强,至作业后36 min达到最大(37 dBZ),此后逐步减弱,作业后60 min回波强度减弱至35 dBZ,仍高于作业时的32.5 dBZ;由于地形抬升、局地辐合等原因,非催化样本自然发展增强,回波强度在6 min后达到峰值后逐渐减弱,12 min 后已减弱至与作业时的回波强度相当,至作业后60 min减弱至30 dBZ以下。与非催化样本相比,作业后催化样本回波强度增强,且云体生命史延长。

图1 作业前后雷达回波强度变化Fig.1 Change in radar echo intensity before and after operation

为进一步分析催化作业对雷达回波强度的影响程度,表1为作业后60 min催化样本和非催化样本回波强度的变化。由表1可见,作业后催化样本为增强状态(含先增强后减弱、增强后维持、持续增强3种情况)的样本为31个,占催化样本的81.6%,非催化样本出现增强的仅为30.8%(12个);作业后催化样本强度维持不变(维持30 min以上)的占比为13.1%(5个),非催化样本为20.5%(8个),高于催化样本;作业后催化样本呈减弱状态(含持续减弱、先减弱后维持两种情况)的仅占5.3%(2个),非催化样本为48.7%(19个),远高于催化样本。表2为作业后样本回波强度最大变化幅度与作业时刻的比率(r)。由表2可见,催化样本中负增幅的为5.3%(2个),零增幅的为13.1%(5个),最大增幅为0～20%(不含0,下同)的为52.6%(20个),20%～50%(不含20%,下同)增幅的为21.1%(8个),增幅超过50%以上的为7.9%(3个),回波强度的最大增幅可达106%;非催化样本中负增幅的为48.7%(19个),零增幅的为20.5%(8个),一定程度增强的为30.8%(12个),大部分增幅在20%以内。由此可见,除去自然因素使云体强度增强外,与非催化样本相比,大部分催化样本回波强度变化均为显著增强,表明引入人工冰核后云内降水粒子增多增大。

表1 作业后60 min样本雷达回波强度变化Table 1 Change in radar echo intensity within 60 min after operation

表2 作业后60 min样本雷达回波强度增长率Table 2 Radar echo intensity growth rate within 60 min after operation

2.1.2 最大回波顶高和负温层厚度变化

图2为作业前后最大回波顶高和最大负温层厚度变化。由图2作业前后最大回波顶高变化可见,作业前催化样本最大回波顶高较非催化样本略低,作业后催化样本的回波顶高先在12 min后开始小幅升高至6.7 km,30 min出现大幅升高,作业后36～60 min达到最高(6.9～7.2 km之间浮动);非催化样本回波顶高最大值出现在作业前,作业后回波顶高持续降低,虽然存在浮动,但整体为降低趋势。

图2 作业前后最大回波顶高和最大负温层厚度变化Fig.2 Changes in echo top height and negative temperature layer thickness before and after operation

由图2作业前后负温层厚度变化可知,作业前催化样本和非催化样本负温层厚度基本持平,并呈现小幅增加趋势,与回波顶高变化类似,作业后6 min 催化样本负温层增厚,作业后12 min达到2.5 km,随后维持小幅变化,作业后60 min仍高于作业时的负温层厚度;作业后6 min非催化样本负温层厚度逐步减小,作业后12 min已低于作业时。

表3为作业后60 min催化样本和非催化样本最大回波顶高变化。由表3可见,作业后催化样本回波顶高呈增长状态(含先增长后降低、先增长后维持、持续增长3种情况)的为52.6%(20个),非催化样本为33.3%(13个);作业后催化样本回波顶高维持不变(维持30 min以上)的占42.1%(16个),非催化样本为20.5%(8个);作业后催化样本呈减弱状态(含持续降低、先降低后维持两种情况)的仅为5.3%(2个),远低于非催化样本的46.2%(18个)。表4为作业后样本最大回波顶高增长率。由表4可见,催化样本中负增长的仅为5.3%(2个),零增长的为42.1%(16个),增长率不超过20%的为36.8%(14个),20%～50%增长率的为13.2%(5个),有1个催化样本的回波顶高最大增幅达60%;非催化样本中负增长的为46.2%,维持的为20.5%,正增长的为33.3%。作业后负温层厚度变化与回波顶高类似,此处不再赘述。

表3 作业后60 min样本雷达最大回波顶高变化Table 3 Change in radar echo top height within 60 min after operation

表4 作业后60 min样本雷达最大回波顶高增长率Table 4 Radar echo top height growth rate within 60 min after operation

综上所述,作业后部分催化样本维持回波顶高不变,该比例高于回波强度维持的样本,说明该部分样本仅发生静力催化,即云内微物理过程的改变;作业后部分催化样本出现回波顶高明显升高,说明该部分样本出现一定程度的动力催化效应,即云中过冷水转化为冰晶释放的潜热,促进上升气流发展,使回波顶高和负温层厚度升高。

2.1.3 与1975—1986年随机试验对比

由于催化和非催化两组样本在作业前均存在差异,同时为了与1975—1986年随机试验对比,参考文献[29],采用双比分析检验作业前后回波参量的变化,取双比值

(1)

表5 催化样本与非催化样本的雷达回波参量双比值Table 5 Double ratio of radar echo parameters between seeded and non-seeded samples

由表5可见,作业后3个雷达回波参量均为不同程度的增加:作业后18 min 3个参数变化明显;作业后30 min雷达回波强度由12%快速增加至18%,回波顶高在作业后42 min快速增高,负温层厚度在作业后6 min迅速增厚;作业后54 min雷达回波参量的变化程度最大,此时回波强度已增加19%,回波顶高增加20%,负温层厚度增加31%。

1975—1986年古田人工增雨随机作业和效果检验结果表明[29,38-39]:作业后30～40 min回波强度、回波顶高及厚度等参量变化明显,作业后40～50 min回波强度变化仍明显。与之相比,本文样本在作业后的物理响应更早,且变化幅度较大。

2.2 双偏振参量

双偏振参量可以提供降水粒子的形状、大小以及云内动力特征等云内微物理过程信息[40-43],雨滴越大形状越扁平,对应的ZDR越大,KDP也由液态降水大小所决定。图3为作业前后催化样本和非催化样本ZDR最大值以及KDP最大值变化。由图3可见,作业前催化样本ZDR最大值和KDP最大值略低于非催化样本,催化样本ZDR最大值在作业后12 min显著增大,随后出现小幅度的反复,作业后60 min增大至2.4 dB以上;催化样本KDP最大值也在作业后逐步增大,作业后48 min出现小幅下降后再次增大至最大值0.85°·km-1;非催化样本ZDR最大值和KDP最大值在作业后均为持续减小趋势。上述分析表明,催化作业使云内雨滴尺度增大且产生的液相降水增强。

图3 催化样本和非催化样本的ZDR和KDP最大值变化Fig.3 Change in maximum of ZDR and KDP for seeded and non-seeded samples

续图3

3 个例分析

选取2021年5月4日的催化个例进行物理检验。此次作业时段为2021年5月4日17:03—17:05(北京时,下同),在古田县石坑作业点连续向350°发射4枚火箭弹,作业仰角为65°,作业播撒范围为-10～-5℃。此次作业位于高空槽和低层切变东移南压的天气系统内部,作业云自西向东移动,移向为95°～100°,移速为45～55 km·h-1。作业前云体移动速度快,作业后云体发展,移速减慢,因此截取作业前1个体扫至作业后每2个体扫组成的雷达回波强度时序拼图(图4)。由图4可以看到,作业云系在古田试验区东侧生成发展,由西至偏东方向向作业点移动,作业前最大回波强度超过45 dBZ。作业后云系回波强度持续增加,最大回波强度逐步增强至55 dBZ,大于45 dBZ的回波面积也较作业前显著增加。通过双偏振雷达参量剖面图(图5,截取时段同图4)可分析作业前后云内的微物理特征变化:作业后10 min(17:15)作业云回波强度发生第1次增强且回波顶高增高,作业后40 min回波强度和回波顶高仍持续增强且增幅显著。由于双偏振参量ZDR大小对应降水粒子形状进而反映云内上升气流情况[44-45]。当作业云系第1次增强时,融化层(4.3 km高度)以上ZDR最大值由1 dB增强至2 dB,说明此时云内上升气流增强且过冷层的液态水滴较之前有所增大;云系第2次显著增强时(17:58)融化层上的ZDR最大值达3 dB,云内出现ZDR柱结构,表明上升气流持续增强[40-41,45-46]使回波顶高上升,接近15 km高度。同时,双偏振参量KDP与液态降水相关度较好,其强度也在作业后10 min持续增强,形成典型KDP柱结构(融化层上的KDP最大值超过2°·km-1),由于KDP柱内包含大雨滴与融化的冰粒子[47],KDP柱强度增强也表明了该作业云系在作业后的液态降水强度增强。

图4 2021年5月4日作业前后雷达回波强度时序拼图(作业时段为17:03—17:05)Fig.4 Radar echo intensity sequence puzzle before and after operation on 4 May 2021(operation period is 1703-1705 BT)

作业期间作业云系经过作业点布设的雨滴谱观测点,作业后30 min和50 min分别经过位于古田县吉巷乡韦端村和卓洋乡树兜村的2个雨滴谱观测点,作业点与韦端村直线距离约为23 km,与树兜村直线距离约为34 km。通过对比作业云系经过作业点上空与作业后分别经过的两个观测点的雨滴平均尺度谱(图6)可知,作业后30 min作业云系平均雨滴谱较作业时出现一定程度增宽,小中雨滴(直径小于3 mm)数浓度增加较大滴端(直径大于3 mm)更为明显;作业后50 min作业云系的雨滴谱较作业后30 min大雨滴(大于3 mm)数浓度显著增多,雨滴谱增宽明显。

地面雨量资料显示,作业云系经作业点时雨强最大为1.1 mm·min-1,作业后30 min韦端村地面最大雨强为1.5 mm·min-1,作业后50 min树兜村最大雨强为2.7 mm·min-1。云系移出树兜村后,树兜村区域站降水量为14.3 mm,与作业点的9.6 mm 降水量相比,地面降水量增加49%,证明此次作业有效增加了地面降水量。

4 结论与讨论

本文基于2014—2022年福建古田地面火箭人工增雨随机试验,利用雷达回波强度、回波顶高和负温层厚度等雷达宏观参量对试验样本进行阶段性物理检验,并利用部分样本分析双偏振参量演变特征,同时结合雨滴谱对催化个例开展多源资料的物理检验,得到以下主要结论:

1) 大部分催化样本在作业后出现回波强度增强且增幅明显高于非催化样本,作业后24～30 min回波强度增强速率最快,平均值在作业后36 min达到最高值后逐步减弱,但作业后60 min的回波强度仍高于作业时刻,其中有52.6%催化样本最大增幅为0～20%,21.1%样本增幅为20%～50%,7.9%样本增幅超过50%。

2) 半数催化样本在作业后出现回波顶高升高且增幅也高于非催化样本,作业后30 min出现大幅升高后维持相对稳定。作业后60 min,36.8%的样本增长0～20%,13.2%的样本增长20%～50%,2.6% 的样本增长超过50%;催化样本负温层厚度变化与回波顶高类似,但其增厚起始时刻较回波顶高变化更早,作业后12 min负温层厚度出现大幅增加。

3) 雷达回波强度、回波顶高以及负温层厚度等参量变化表明,催化作业有助于云体的增强和维持,不仅云内降水粒子增多增大,云体生命史也相应延长。同时,催化样本的双偏振参量KDP最大值在作业后逐步增大,ZDR最大值在作业后12 min显著增大,印证了催化能促使云内降水粒子尺度增大及液相降水强度增强。

4) 从催化个例的物理响应特征看,作业后回波强度持续增加,云内出现ZDR柱表明云内上升气流增强使回波顶高升高,同时出现KDP柱也表明作业后云内大雨滴或半融化冰粒子增多;与作业时刻相比,作业后30 min和50 min地面获取的雨滴谱出现谱宽增宽、中小雨滴先增加随后大雨滴增加的特征;作业后50 min云系的最大分钟雨强显著提升,降水量较作业时刻增加49%,证明增雨效果明显。