几种人工增雨效果评估方法的应用与研究

邓战满　张中波

摘要综合介绍了近年来全国及湖南省人影工作中包括大面积抗旱、日常人工增雨、水库人工增雨试验以及云物理外场试验研究工作中几种常用的人工增雨效果评估的方法及应用。但目前湖南省能进入对流云中对微物理过程及变化的实际探测不够，在种种条件的限制下，所介绍的这几种方法在目前日常工作中的可操作性和合理性就显得比较重要。

关键词人工增雨；效果评估；统计检验；方法应用

中图分类号S161.6文献标识码A文章编号0517-6611（2014）09-02675-02

作者简介邓战满（1980- ），男，湖南长沙人，工程师，从事防雷工程技术研究。

目前，人工增雨效果评估的方法很多，但均受到多种条件如统计样本数、观测数据、外场试验条件等的制约[1-3]。因为成云致雨过程的复杂性，特别是降水过程的多样性和局地性，加之自然降水过程的长、中、短期预报的准确性还有待提高，所以，在自然降水的定量估算还没有很大突破的前提下，要弄清经人工催化后降雨“增量”的研究也不可能有实质性的进展。但效果评估的最终目的是剔除自然降水成分，留下因催化经云中微物理过程产生变化后其增加（或减少）雨量的百分比。多年来，湖南省人工增雨、云物理工作者对增雨效果的评价研究一直在进行努力的探索，如1970年以前的序列试验，1970～1980年初期怀化芷江、湘西凤凰的区域回归试验，1980～1989年安化、浏阳单块积云的随机催化试验，以及近年来湖南省四大水库的人工增雨蓄水发电试验等[4-7]。随着这些试验的开展及经验的不断积累，人们对效果评估工作有了进一步的认识与了解，但目前在理论上还没有深层次的突破与进展，一种理论可靠、实际操作性强的高可信度的评估方法还需要在长期的实践中不断摸索发现，不断积累探索。笔者在此综合介绍了近年来全国及湖南省人影工作中几种常用的人工增雨效果评估的方法及应用。

1科研运用的常见人工增雨效果评估方法

1.1物理评价主要包括雷达参量催化前后变化特征的评价；用雷达参数做出ZR、ZI关系，对自然降水进行估算；云中冰晶浓度以及凝结核、气溶胶催化前后变化特征（包括飞机探测）的评估；云体催化前后的宏观特征（水平尺度、云顶高、云底高是否合并，生消的状态变化）评价；降雨过程中云滴谱、地面雨滴谱尺度特征统计差异分析；气象要素因子与协变量（层结稳定度、模式计算可播度等）分析。

1.2统计检验法包括时间、空间序列法的统计差异分析，区域回归法（对比、影响区）、历史资料估算法，双比分析及常规统计（T检验、正态检验、对数正态分析、秩和检验、方差分析）评估方法，数值模拟评估法（云中微物理参数催化前与催化后的差异分析，地面降雨实测值与计算值对比分析，模拟催化结果与实测差异信度分析等）、随机试验评估法、浮动对比区效果检验法（即用聚类方法划分不同的降水类型区域，再利用雷达观测资料对已建立的降水回归方程进行补充后进行效果的计算与检验）、数据序列的模糊数学分析法。

综上所述，虽然方法很多，但在运用这些方法的过程中有较高的前期资料摄取要求，特别是要求观测资料的准确性、连续性与样本的数量（一般n ≥ 30）和质量要有保障，且要求影响区、对比区的历史资料没有受到催化“污染”，即真正的自然降水。加之观测的时间要长，密度要高，一般要求一次降水过程总降雨量的80%都要在两区内观测到。而目前实际工作中连区域内的3 h或6 h及日雨量的面雨量等值线图都无法绘出，当然会给效果评价的可信度打折扣。这样，就不是一次真正有意义的、科学客观的效果评价了。

2实际工作中几种常见的人工增雨效果评估方法及应用

2.1运用雷达回波进行催化后的效果评估根据湖南省冷云催化原理，催化后云中微物理参量可能会发生一些变化，如云体的分裂与合并，合并之后是否加强云体的发展，这些变化可能导致雷达回波形状产生一些变化，即回波的水平尺度有所增强。催化后5～10 min，因贝吉龙效应，当冰晶浓度增加与冰晶增长时会产生凝结，凝结过程释放潜热可使云顶有上升的跳跃；催化后25～45 min后，因冰晶效应而产生的云中降水粒子增多，云中上升气流托不住时会随云体中后部的下沉气流降至地面，形成降水的跳跃，造成回波顶高有下降的跳跃现象。这些回波明显的跳跃现象需在观测与分析中细心捕捉，不断积累和量化后，都是催化后效果评估的较有说服力的物理效果的佐证。建立雷达ZR、ZI关系，结合地面雨滴谱的观测，对自然积云降水过程进行估算，再用计算值与催化后的观测值进行比较，得到效果结果。

2.2区域回归法实际应用中，选取影响区（又称目标区）和对比区（又称控制区）2个区域。湖南地区一般选40 km×40 km，根据两区的历史雨量资料建立雨量回归方程（R影响区=b+a·R对比区），然后用这一历史回归方程中的对比区的雨量值来估算影响区的自然雨量。将催化后影响区内实际观测得到的雨量值减去影响区估算出的自然雨量值，其差值即为效果值。这个方法的操作中应注意的是，对比区雨量不受影响区催化的影响，地形、面积与目标区大体相仿，试验期两区的天气影响相同且两区均应合理布设雨量观测点。

2.3作业影响面积估算法根据催化剂扩散理论，瞬时点源爆炸近似为一定球形空间范围，即催化剂分布浓度在水平方向表现为同心圆的分布曲线。又因催化剂在云中持续影响与云在炮点上空的持续时间有关，随着云的移动，其催化过程所发生的变化也随云移动，同时改变其时空分布，具体可用公式S=L·V·T来计算，式中，S为催化影响面积；L为高炮射程半径3.5 km，含下游取7 km；T为云过境移动时间，可由回波或作业时间推算；V为云移速，可由高空风（700～500 hPa）风速或雷达回波移速推算。影响面积S计算出后，将区域的平均雨量作为总雨量R，将R·S·f=R增（万t）作为增雨效果，其中f为有效增雨系数，根据湖南单块积云随机试验结果取0.24。

2.4水库蓄水型人工增雨效果评估方法及应用以湖南省柘溪水库流域人工增雨蓄水为例，流域位于资水中游安化县境内，流域长约430 km，控制集雨面积为22 640 km2，库区流域还包括新化县、冷水江市、新邵县和邵阳县（图1）。水库流域的增雨作业拟采用固定目标区和对比区的非随机试验方案。目标区和对比区在地形地貌、气候背景、水文特征等方面均较为相似或接近，2个区自然降水量存在线性关系R1=a+bR2，式中，R1、R2分别为目标区和对比区的逐日自然降水量，a、b为回归系数。若作业后目标区的实测雨量为R0，则作业后增加的雨量为△R=R0-R1，所以增雨率α=△R/R1。

2.4.1作業后增雨量计算。根据近年来（2000～2008年）湖南省水库区域在不同时期开展人工增雨作业的统计资料计算了a、b值的大小，得出相应的回归结果（表1）。个例选取2008年8月的人工增雨作业资料，作业地点为柘溪水库上游的新邵县、邵阳县，作业装备为WR1B火箭，每次发射火箭2～3枚，共开展作业3次。根据公式R1=a+bR2、△R=R0-R1，计算出作业后增雨结果（表2）。由表2可见，3次作业平均增加降雨26.7 mm，平均增雨率为24.7%。注：A为目标区；B为对比区。