用新一代天气雷达评估火箭人工影响天气作业的一种新方法

徐冬英 张瑞波

摘要通过利用新一代天气雷达不同仰角层的探测资料，结合气象探空资料，提出一种对人工增雨作业效果进行物理评估的新方法，且对广西宾阳县的一个人工增雨作业点进行了作业效果分析。结果表明，根据当地的温度分布特点，选取与雷达站距离适宜的作业点， 采用新一代天气雷达不同仰角层的探测资料，分析其中冷、暖温区中云层的回波变化，可以获取由于催化引起云中物理变化信息。在对冷云催化后， 2.4°、3.4°等较高仰角层的回波变化曲线比0.5°和1.5°低仰角回波增强迅速。在分析的4个个例中，在催化11～30 min后，冷区的回波开始明显增强，而暖区回波的发展相对滞后，可以反映出在冷层催化后，由于消耗过冷水，促使冰雪粒子增长，之后随着冰雪晶降落融化，在暖层与云雨滴碰并，导致低层暖区回波增强。在云系的不同发展阶段实施催化作业，其所产生的效果也不同。在云系的维持阶段早期实施作业，可以使云系维持更长时间，而在消散阶段实施作业，虽然催化可使上层冷区云系维持更长时间，但改变不了云系总体减弱的趋势。

关键词火箭；人工增雨；物理检验；天气雷达

中图分类号S423+.9文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）31-018-04

A New Way to Evaluate the Artificial Precipitation Enhancement by Rockets Using CINRAD Data

XU Dongying1， ZHANG Ruibo2*

（1. Hunan Weather Modification Leading Group Office， Changsha， Hunan 410007； 2. Guangxi Weather Modification Office， Nanning， Guangxi 530022）

Abstract By using the data of CINRAD in various elevation angles， joining with the meteorological data， this paper provides a new physical method to evaluate the artificial precipitation enhancement， and to study the operational cases taken in Binyang County， Guangxi. It shows that the physical changing information of cloud caused by catalyst can be obtained by analyzing the CINRAD data in various elevation angles in the cold and warm region in clouds， combining with the vertical temperature distribution， and the distance selection to the radar cite. After the seeding in the supercooled cloud， the reflection curses in the elevation angles of 2.4 and 3.4 degree may be more rapid in reaching the summit than that of 0.5 and 1.5 degree. In the 4 cases studies， in 11-30 minutes after seeding， echoes in cold region began to enhance obviously， and meanwhile， echoes in warm region developed in somehow delay which reflects that after seeding， the exhaustion of supercooled water promotes the development of ice and snow crystals ， melting as they are falling， and collision with the clouddrops and raindrops in the warm region， which leading to the echoes enhancement in the warm region. Cloud seeding in various stages of development may cause various effects. Seeding in the early stage may lead to the more long lasting of the cloud， while seeding in the dissipating stage， it may not alter the trend of weakening， in a whole， though seeding may expand the cloud life in the cold region.

Key words Rockets； Artificial precipitation enhancement； Physical evaluation； Weather radar

自1946年Schaefer[1]和Vonnegut[2]分別发现干冰和碘化银可以在过冷云中产生冰晶并导致地面降水增加以来，世界上许多国家陆续开展了人工影响天气作业，并开展了大量的外场试验。我国从1958年开始，在抗旱减灾的强烈需求推动下，在吉林省首次开展人工影响天气作业，作业取得初步成功后便开始作为一项科技措施在全国迅速推广，且在抗旱减灾中发挥了积极作用。人工影响天气作为一项科学技术，在发展过程中面临一系列技术难题，效果评估是其中之一。对于其重要性，Silverman等[3]曾指出效果评估在所有播云计划中均应放在首位。人工影响天气效果评估是人工影响天气的重要组成部分。由于云和降水的自然变率大，在评估人工影响天气作业效果时，评估对象具有不确定性，不同的时空条件下各种因子相互制约，复杂多变，因此，进行严格的效果评估在国内外都仍然是一个很困难的问题[4]。

目前人工影响天气效果评估主要有统计检验、物理检验2种方法。为了评估人工影响天气作业效果，世界上许多国家曾开展过一系列外场试验计划。统计检验比较著名的有美国的国家冰雹研究试验（NHRE）、佛罗里达地区积云试验（FACE）、塞拉合作试验（SCPP）、农作物人工增雨试验（PACE）、西班牙的PEP计划等，这些计划虽然取得了一定的结论，但仍然存在许多争议[5]。1975～1986年我国在福建谷田水库开展了持续12年的随机化试验，叶家东等[6]对此开展了一系列的效果评估研究，增雨效果达24%。在物理检验上，国内外也开展了大量的外场试验。从试验效果看，一些试验观测到了人工影响对云产生的明显变化[7-8]，如Fukuta[7]在美国尤他州的Stansbury岛上空1.5 km对过冷层状云播撒液态CO2作业，10～20 min后观测到产生了3 km宽的云洞。但在人工降水效果上则一直存在较大的争议，如有研究认为作业后随着云的发展，降水相应的增加[9]；而有研究发现作业后仅增加了云中冰晶数量，并没有增加地面的降水[10]；也有许多分析认为作业是否增加了降水没有确切的结论[11-13]。近年来，我国许多省市在人工影响天气的效果评估研究上取得了新进展[14-18]，如李宏宇等[14]采用区域历史回归方法对北京地区近年的人工增雨和防雹作业效果进行了评估，发现增加降水20%左右，防雹效益约2.48亿元；吴香华等[19]运用现代统计模拟方法研究自然降水变异对人工增雨效果评估的影响，这些工作进一步推动了效果评估研究的发展。笔者在此利用新一代天气雷达（CINRAD-SB）的探测资料，提出一种人工增雨作业物理检验的新方法，对近年来在广西宾阳县武陵镇六佑水库作业点所实施的4次火箭人工增雨作业进行效果分析，试图寻找出人工影响的物理信号，为物理检验提供依据。

1资料与方法

1.1资料选取

全国气象部门已建成了以新一代天气雷达（CINRAD）为主的天气探测网且投入了业务观测使用。在进行连续观测时，新一代天气雷达有4种体积扫描模式（Volumn Coverage Pattern， VCP），即VCP11、VCP21、VCP31和VCP32，其中前2種体扫模式在降水模式中使用，后2种体扫模式在晴空模式中使用。每一次体扫雷达天线分别采用从低到高的仰角，进行全方位360°的扫描。如采用VCP21时，雷达将在6 min内依次采用0.5°、1.45°、2.4°、3.35°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°和19.5°等仰角进行扫描。南宁新一代天气雷达作为气象部门的组网雷达之一，在业务运行时全天实行无缝隙观测。该研究根据技术分析需要，选取实施人工增雨作业前后各1 h的雷达探测资料，分析其中0.5°、1.5°、2.4°、3.4°仰角探测回波的演变，揭示人工影响所产生的一些物理变化。

1.2评估方法

天气雷达在探测时通过天线发射电磁波，电磁波遇到空中的悬浮粒子（空气分子、气溶胶、云雨滴、冰晶等）时，被悬浮粒子吸收和散射，其中后向散射的电磁波能量由雷达脉冲波束内的粒子数量、大小、组成、相对位置、形状和方位决定[20]。新一代天气雷达在接收后向散射电磁波后，可从其振幅和相位中提取目标物的反射率因子、沿雷达波束径向的平均速度和速度谱宽等3个基本量[21] 。

反射率因子的大小与散射体的后向散射截面成正比。南宁新一代天气雷达（CINRAD-SA）工作频率属于S波段，波长（λ）为10 cm，雨滴直径（D）一般为0.5～3.0 mm，最大不超过6 mm，符合λD的瑞利散射条件，因此后向散射截面σ可定义为：

σ=π5λ4 |K|2D6，式中，λ为电磁波波长，K为与粒子介质复折射指数有关的参数，D为球形粒子的直径。由此可知，对于同一降水粒子，直径越大，其后向散射截面σ也越大，所产生回波强度也越强。σ还与|K|2值有关，水球的|K|2为0.93，冰球的|K|2值为0.197，即瑞利散射情况下冰球的后向散射截面大约只有同样大小水球的1/5[21]。

在催化区域内，随着冰相粒子直径的变化，无论暖区（温度>0 ℃）还是冷区（温度<0 ℃），各种相态粒子的转换和尺度变化，可引起后向散射截面的变化，使雷达反射率因子发生变化[22]。

雷达扫描的电磁波波束中心高度由天线仰角和距离决定。在雷达覆盖区内的某一地点上空，根据波束中心高度随仰角和距离的变化图[21]，可以推知雷达探测层的高度，再结合气象探空资料，可以推知探测层的温度。因此，利用雷达不同仰角层的资料，可以分析某地上空不同温度层的回波情况。

对于实施火箭增雨作业而言，利用雷达探测催化前后在催化区内不同温度层的回波变化，可以了解由于催化而引起的云中粒子的微物理变化。由于催化区的冷层主要经历冷雨过程（或冰晶过程），暖层主要经历暖雨过程（或碰并过程），因此，为便于分析催化区上空云层的微物理变化，作业地点应选择距离雷达站适当的位置上，使雷达不同仰角的探测高度可同时到达暖区和冷区（图1）。

宾阳县武陵镇六佑水库作业点（108°53′21″E，23°07′51″N）与南宁新一代天气雷达站址的直线距离约50 km，处于南宁雷达探测覆盖范围内。当南宁雷达仰角分别为0.5°、15°、2.4°、3.4°时，离雷达站天线距离约50 km的波束中心高度分别为1.5、2.8、4.0和5.8 km。2009年以来在宾阳该作业点共实施过4次火箭人工增雨作业。分析作业当日南宁气象探空站的高空探测资料（图2），可推测出当日这些高度层的温度（表1）。这些高度层均跨越了从暖区（>0 ℃）到冷区（<0 ℃）的高度。因此，不同仰角层的资料包含了催化区上空不同温区云层的回波信息。

WR-98型增雨防雹火箭最大射程约10 km，考虑到作业后催化剂及催化云层随风移动，因此回波取样区域设定为作业区上空半径为15 km的圆形区域（图3），分析其中基本反射率平均值的变化，以探讨催化引起的物理变化。

2结果与分析

2009年以来六佑水库所实施的4次火箭人工增雨作业过程中，对南宁新一代天气雷达19号产品（基本反射率）中催化区进行采样后而得到的各种仰角的平均基本反射率（或平均回波强度）的变化曲线如图4所示，采样时间为作业前1 h至作业后1 h。从云物理角度看，降水云系一般要经历初生、发展、维持和消散4个阶段，各阶段在不同温区的回波均有不同的特点。从各仰角探测回波曲线的配置判断，在作业时刻催化区上空的云层处在不同的发展阶段。

2009年3月29日00：33作业前后雷达回波演变（图4a）显示，作业区上空是一块强度为20～30 dBz的中等偏弱的降水云系；在作业前28日23：32～29日00：02，各仰角的回波强度曲线呈上升趋势，表明云系处在发展阶段；其后至00：32，各仰角回波强度开始缓慢下降，云体开始步入消散阶段，但0.5°仰角的回波强度更慢一些，说明高层冷区的粒子降落维持了低层暖区云雨粒子的数量；在00：33实施火箭作业后，经过11 min，催化区上空的云系再次进入发展阶段，尤其是高仰角所探测的冷区回波强度出现转折性增强，且强于低仰角的暖区回波强度，表明催化云系开始出现显著变化，在高层冷区出现尺度较大的冰雪晶。这一发展阶段持续了约50 min，到01∶33后，催化区的云系再次进入消散阶段。

从2011年8月8日17：10火箭增雨作业前后的回波演变（图4b）可看出，作业区云层的回波强度中等偏强，达45 dBz，在作业前1 h，云系从发展阶段到达维持阶段，作业区各仰角的回波强度从处于发展阶段的增强趋势到达维持阶段的平稳状态；在17：10作业后的14 min里，作业区各仰角回波维持在45 dBz，之后逐渐回落，但到32 min后（17：42），2.4°和3.4°的高仰角回波强度与0.5°和1.5°等低仰角的回波曲线开始出现背离，且前者开始强于后者，表明云中冷区粒子大小尺度发生了变化。在作业大约1 h后（18：12），作业区的各仰角回波再次进入增强阶段，表明由于催化引发的云中上层冷区粒子的变化开始影响到下层暖区粒子的变化，反映了降水粒子从高层向低层降落的过程。

由2011年9月30日18：14作业前后各仰角回波演变（图4c）可见，作业区云层的各仰角回波均为中等强度。在火箭催化时，作业区云层已处在维持阶段，11 min后，2.4°和3.4°仰角回波强度开始缓慢加强，而0.5°和1.5°仰角的回波曲线仍处在维持阶段的平稳状态，此时高层冷区的回波强度比低层暖区的回波约强3 dBz，但作业29 min后（18：43），低层暖区的回波强度也开始加强且超过高层冷区的强度，持续时间超过1 h。

2015年7月3日17：08作业前后的回波曲线演变（图4d）显示，火箭作业时，作业区的云层处于维持阶段的后期，低层暖区回波增强，而高层冷区回波开始减弱，在作业13 min后（17：21），高层冷区回波开始强于低层暖区回波，但作业区的云层总体上仍处于消散减弱阶段，可能是因为高层冷区在催化后，粒子大小仍有所发展，维持了上层回波的状态。

3结论

火箭人工增雨作业从催化剂的释放到云中粒子的变化和发展，最终导致降水的变化需要经历非常复杂的物理过程，作业影响时间、范围受很多因素制约，具有许多不确定性。该研究数據的采样范围也具有一定的主观性。但由于新一代天气雷达具有很高的探测灵敏度，采用其不同仰角的探测资料，分析催化作业区的回波演变，以此途径获取人工催化的物理信号，对于客观评估人工增雨的效果仍具有积极的意义。通过该研究的方法讨论及其对4个个例的分析，可以初步得出以下初步结论：

（1） 结合当地的大气层结特点，选取与新一代天气雷达距离合适的作业点， 采用不同雷达仰角层的探测资料，分析作业区冷、暖温区中云层的回波变化，可以获取冷层由于催化引起的变化信息以及随后暖层由于冷层粒子降落，导致粒子相互碰并而使回波增强的信息，反映了催化后云中微物理效应而导致云中不同高度层粒子的连锁反应。

（2） 在对冷云催化后， 2.4°、3.4°等较高仰角层的回波变化曲线比0.5°和1.5°低仰角回波增强迅速。在分析的4个个例中，在催化11～30 min后，冷区回波开始明显增强，而暖区回波的发展相对滞后，可以反映出在冷层催化后，由于消耗过冷水，促使冰雪粒子增长，之后随着冰雪晶降落融化，在暖层与云雨滴碰并，导致低层暖区回波增强。

（3） 在云系的不同发展阶段实施催化作业，其所产生的效果也不同。在云系的维持阶段早期实施作业，可以使云系维持更长时间，而在消散阶段实施作业，虽然催化可使上层冷区云系维持更长时间，但改变不了云系总体减弱的趋势。

参考文献

[1]

SCHAEFER V J.The production of ice crystals in a cloud of supercooled water droplets[J].Science，1946，104：457-459.

[2] VONNEGUT B.Nucleation of ice formation by silver iodide[J].Journal of applied physics，1947，18：593-595.

[3] SILVERMAN B A.A critical assessment of glaciogenic seeding of convective clouds for rainfall enhancement[J].Bulletin of American meteorological society，2001，82（5）：903-923.

[4] 李大山，章澄昌，许焕斌，等.人工影响天气现状与展望[M].北京：气象出版社，2002：325-355.

[5] 章澄昌.当前国外人工增雨防雹作业的效果评估[J].气象，1998，24（10）：3-8.

[6] 叶家东，程克明.古田水库地区人工降水试验效果统计分析[J].大气

科学，1979（2）：131-140.

[7] FUKUTA N.Project mountain valley sunshine-progress in science and technology[J].Journal of applied meteorology，1996，35：1483-1493.

[8] DANIEL R.Satellite-retrieved microstructure of AgI seeding tracks in supercooled layer clouds [J].Journal of applied meteorology，2004，44：760-762.

[9] NGLISH M，MARWITZ J D.A comparison of AgI and CO2 seeding effects in Alberta cumulus clouds[J].Journal of applied meteorology，1981，20：483-495.

[10] HOBBS P V，POLITOVICH M K.The structure of summer convective clouds in eastern Montana.Ⅱ：Effects of artificial seeding[J].Journal of applied meteorology，1980，19：664-675.

[11] GAGIN A，NEUMANN J.The second israeli randomized cloud seeding experiment：Evaluation of results[J].Journal of applied meteorology，1981，20：1301-1311.

[12] BADDOUR O.Seedability of Moroccan clouds[C]//proceedings of Fifth WMO Scientific Conference on Weather Modification and Applied Cloud Physics.Beijing，China.World Meteorological Organization，1989：77-80.

[13] WESTCOTT.Results of the 1989 exploratory cloud seeding experiment in Illinois based on synoptic weather conditions[J].Journal of weather modification，1993，25：26-49.

[14] 李宏宇，嵇磊，周嵬，等.北京地区人工增雨效果和防雹经济效益评估[J].高原气象，2014，33（4）：1119-1129.

[15] 李书严，李伟，赵习方.北京市人工增雨效果评估方法分析[J].气象科技，2006，34（3）：296-300.

[16] 王婉，石玉恒，李宏宇，等.对流云人工增雨效果检验技术方法及应用[J].气象科技，2014，42（6）：1131-1136.

[17] 陈超，刘黎平，王改利.人工影响天气中雷达回波跟踪方法及其应用[J].气象科技，2012，40（3）：489-496.

[18] 汪玲，刘黎平.人工增雨催化区跟踪方法及效果评估指标研究[J].气象，2015，41（1）：84-91.

[19] 吴香华，牛生杰，金德镇，等.自然降水变异对人工增雨效果评估的影响[J].中国科学：地球科学，2015，45（7）：1011-1019.

[20] COLLIER C G.Application of weather radar systems[M].Chichester：Ellis Horwood Limited，1989：22-24.

[21] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2006：17-35.

[22] 张瑞波，刘丽君，钟小英，等.利用新一代天气雷达资料分析飞机增雨作业效果[J].气象，2010，36（2）：70-75.