基于雨滴谱的增雨作业微物理特征分析

刘平 黄彦彬 王维佳 肖递祥 范思睿 刘志

(1 四川省人工影响天气办公室，成都 610072； 2 中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京 100081； 3 海南省人工影响天气中心，海口 570203; 4 四川省气象台，成都 610072)

引言

雨滴谱是指单位体积内大小不同雨滴的数量随其直径的分布，可直观反映云降水的微物理过程。早期，Marshall(1948)通过滤纸测量法获取雨滴谱分布[1]，随着电子信息技术的进步，陆续发展了光学式雨滴谱仪，陈宝君、刘俊、Battaglia, A.等国内外学者先后开展了有关研究并取得成果[2-4]。近些年，国内雨滴谱仪的应用研究得到了更大发展，濮江平等[5]利用雨滴谱仪观测降水粒子谱，发现与卫星计算的云顶有效粒子半径时间变化趋势有较好的一致性。房彬等[6]分析辽宁雨滴谱资料，发现直径小于1 mm的降水粒子对数浓度的贡献最大。王俊等[7]利用激光雨滴谱仪观测资料检验作业效果，认为消(减)雨作业后出现了最大雨滴浓度，且滴谱谱宽减小。潘雯菁等[8]分析了南京青奥会人工减雨作业前后南京站雨滴谱的变化，发现作业影响后谱宽变窄，粒子最大直径、众数直径明显变小，粒子总数浓度与不受催化影响的站负相关。郭建等[9]分析了适宜增雨作业的雨滴谱特征，认为雨水含量、雷达反射率因子等参量与降水强度正相关。林文等利用雨滴谱资料进行增雨个例物理检验分析，认为作业后小滴数浓度减小，大滴数浓度增加。

本文针对2018年3月16—17日四川盆地西北部一次层状云降水人工增雨作业天气过程，利用该地区2台Parsivel2激光粒子谱仪(下文简称雨滴谱仪)观测数据，分析了人工增雨作业前后粒子总数浓度、雨强、雨水含量和有效直径微物理特征响应，研究了粒径速度时间序列变化分布特征，给出了此次人工增雨作业效果的物理证据，进一步了解自然降水与人工催化降水粒子宏微观物理特性，为更好地开展人工增雨作业和效果分析业务提供技术支持。

1 资料和方法

针对2018年3月16—17日一次层状云人工增雨作业过程，空间上选取距离气象观测场10 km以内的作业点，确保催化影响范围内的自动气象站数据可用。在观测设备布局上，全省156台自动气象站、42台雨滴谱仪，选取自动气象站与雨滴谱仪观测站点位于同一观测地点，减少两种设备由于降水时空不均引起的测量误差。根据上述原则，确定江油武都、广元昭化2个地面作业点人工增雨降水过程为研究对象，分别对应江油、广元气象观测场雨滴谱仪。雨滴谱仪与作业站点位置对应关系图1所示。

图1 江油、广元雨滴谱仪与作业站点位置对应关系

广元本站降水从3月16日10:00时持续到3月17日10:00时，累积降水量17 mm，共统计1440个分钟降水样本，从作业时间点0～3 h计算，共计180个催化样本。江油降水从3月16日06:00持续到3月17日08:00，累积降水量24 mm，共统计1560个分钟降水样本，其中115个催化样本(剔除值为0的样本)。

为提高雨滴谱仪观测数据的有效性，对数据进行质量控制：①依据赵震等[10]研究阵性毛毛雨数据，对长时间降水统计可忽略其贡献，剔除粒径小于0.2 mm，或者粒子速度小于0.2 m/s的粒子；②关于雨滴重叠或变形问题，按照房彬、郭学良等[6]以及Chen, B.等[11]提出的方法，剔除个别时刻粒径大于6 mm，或者下落速度大于15 m/s的粒子；③对盆地7台(含广元和江油)雨滴谱仪计算雨量值进行了统计分析，与自动气象站雨量实测值的相关性都在0.99以上[12]，说明雨滴谱观测数据计算得到的雨量值可用性较好；④将雨滴谱仪雨量与自动气象站雨量进行对比分析，剔除雨滴谱仪观测失真的个别数据。

本文研究的微物理特征参量主要包括总数浓度NT(m-3)、雨强R(mm·h-1)、雨水含量W(g·m-3)和有效直径Deff(mm)，各物理量计算公式[13]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，i、j分别为粒径和速度分档，Di粒径、Vj粒速、nij粒子数、A采样面积、Δt采样时间、N(Di)谱分布、ρw水汽密度。

2 作业条件分析与作业情况

2.1 天气系统分析

2018年3月16日夜间到17日白天，500 hPa青藏高原有一低槽东移影响四川盆地(图2)，与此同时，16日20:00，700 hPa四川盆地为偏南气流，盆地西部和北部T-Td≤2 ℃，处于显著高湿状态，利于降水的出现，850 hPa贵州至四川盆地东部为8～14 m/s的偏东南气流，向四川盆地西北部输送水汽，陕西南部为一支携带冷平流的偏东气流，24 h最强变温达-18 ℃，两支气流在盆地西北部的广元、绵阳一带形成明显的辐合，且锋区较强，利于这一地区降水的出现。

2.2 作业云系识别

根据GRAPES_CAMS云模式预报分析，3月16日16:00至17日08:00，川西北一带垂直累积液态水VIL主要在0.5～1.5 mm，云水混合比Qc含量约0.01～0.3 g/kg，具有使冰晶增长的潜力，冰晶浓度Ni为1～10个/L，具有可播性，过冷水主要位于-20～0 ℃(4～6 km)高度层，该区域可作为人工增雨作业潜力区，具有较好的催化条件。

3月16日20:00温江探空资料分析，-5 ℃层和-10 ℃层分别位于4.5 km和6 km的高度，云系为单层云，垂直发展密实，相对湿度较大，云底较低，500 hPa为西南气流，风速约为8 m/s。16日19:00广元地区、以及00:36绵阳地区雷达组合反射率回波分布较均匀，回波成片状，大约5～20 dBz，地面有弱降水形成，与姚志刚等[14]用毫米波雷达研究的层状云特征十分一致，是典型的层状云结构。

FY-4A卫星多通道辐射成像仪(AGRI)产品，2018年3月16日10:15 UTC可见光1.1 μm通道(图3a)，四川盆地大部分地区有中低云覆盖，云系比较密实；图3d川西北区域云顶高度大概在3.5～6.0 km；图3c云顶温度多在-15～-5 ℃之间。图3b云中有大片浅黄色的过冷水区，左下角T-Re廓线窗口显示有效粒子半径Re大多小于15 μm，缺乏大滴和冰晶，适宜层状云人工增雨作业条件卫星判据[15]。

图2 2018年3月16日20:00 500 hPa形势场(a)和850 hPa风场、温度(红色)及24 h变温(绿色)(b)

图3 2018年3月16日10:15UTC FY4-A多通道辐射成像仪(AGRI)反演产品: (a)可见光,(b)T-Re廓线与多通道合成图,(c)云顶温度,(d)云顶高度

2.3 增雨作业情况

3月16—17日降水天气过程，广元市和江油县分别在广元昭化、江油武都作业点于北京时间16日19:59至20:00以及17日00:37至00:38开展地面增雨作业。广元、江油人工增雨作业前1 h以及作业后3 h影响时段期间的小时降水量(图4)可以看出，广元在20:00实施催化，20:30—23:00自动雨量站降水量逐渐增大后减小，江油在00:37实施催化，01:00—03:00自动雨量站降水也表现出增大后减小。

图4 2018年3月16—17日增雨作业影响时段降水量实况

作业后6 h自动站与GPS/Met站逐小时可降水量的变化(图5)，广元、江油增雨作业后0～3 h，GPS/Met站观测到可降水量有所下降，而对应的地面自动站小时雨量增大，碘化银播云催化剂的凝华核化作用使得作业后大气中水汽减少，并且大气中水汽向云水转化，促进了云中过冷水的恢复。作业3 h后，GPS/Met站观测到可降水量有所上升，说明大气中水汽得到了周边水汽的迅速补充，随后可降水量震荡。

作业后0.5～3 h地面降水持续增大，与之相应的，雷达回波也有很好的响应。2018年3月16日20:00人工增雨作业前后广元雷达站组合反射率演变过程(图6a1～d1)，上图6a1红圈投影位置为本次地面作业点广元昭化，作业前19:46，回波面积小且有间隙，组合反射率小于10 dBz，20:36，回波开始发展，回波面积逐渐增大，回波强度逐渐增大，21:00，回波发展旺盛，15～20 dBz的回波面积明显增大且连成片，部分区域达30 dBz，22:20，昭化上空回波开始减弱。2018年3月17日00:36人工增雨作业前后绵阳雷达站组合反射率演变过程(图6a2～d2)，图6a2红圈投影位置为本次地面作业点绵阳江油，00:36作业前回波开始发展，但强度较弱，15 dBz以下回波区域面积较大，01:10作业后回波加强，大于30 dBz回波面积增大，受西南气流影响，层状云系缓慢向东北方向移动，到02:56江油上空回波逐渐移出该区域。

3 雨滴谱特征分析

图7表征了广元和江油雨滴谱仪在实施作业前后总数浓度NT、雨强R、雨水含量W和有效直径Deff随时间的演变。可以看出：增雨作业前后物理量R、W的峰值、谷值、震荡态势随时间变化一致较好，式(2)、式(3)也反映出基于粒径和粒子数之间的物理联系，R和W正相关；Deff变化幅度较小，总数浓度NT越大，其对应的粒径相对小，小滴居多，Deff和NT负相关。广元站降水过程持续时间长但降水量小，NT、R、W波动较大，其间歇性降水概率也更大；江油过程降水量和降水强度比广元大， 表现出有效直径也大一些，多在0.5～2 mm区间、总数浓度02:04时最高达1285 m-3，而广元有效直径多在0.5～1.5 mm区间、总数浓度22:08最高为847 m-3，说明降水强度与粒径正相关，主要取决于大粒径。图7广元、江油两站作业影响时段，NT、R、W物理参量值均表现出作业前较小而后逐渐增大，3 h后逐渐减小的变化，R、W物理量随时间的变化与作业前表现一致，说明人工增雨作业没有改变R和W之间的相关性。综合分析：雨强主要来自于小雨滴[16-17]，在总数浓度最大时，降水强度并非最大，存在总数浓度较大而降水强度很小的情况，与郭学良等[18]降水强度与总数浓度之间没有明显关系的研究一致。

图5 广元(a)和江油(b)作业后6 h自动站逐小时降水量与GPS/Met站逐小时可降水量

图6 2018年3月16日广元站(a1～d1)和2018年3月17日绵阳站(a2～d2)雷达回波演变

图8是广元站3月16—17日降水天气过程增雨作业前后雨滴谱、粒径谱、速度谱分布演变特征,其粒径主要分布在0.312～2.125 mm、粒子速度主要集中在1.1～6.8 m/s，与封秋娟等[19]研究的典型层状云降水特征一致。图8a1和b1比较可看出作业前后粒子浓度绿色区域明显增大，粒径在0.437～1.625 mm的粒子数浓度由图8a2的1000～3500/m3明显增大为图8b2的1000～7500/m3，粒速在1.5～5.2 m/s的粒子数浓度由图8a3的1000～2500/m3明显增大为图8b3的1000～6000/m3，反映出雨滴谱变宽，实际观测作业后3 h的降水增大。综合分析，粒径D<2.125 mm、粒速V<6.8 m/s时，降水粒子相对集中，符合层状混合云降水以粒径小于2 mm 雨滴为主的特征[20]。粒速与粒径正相关，随着粒径增大，粒速也增大；同时降水量越大，粒径越大，再一次说明粒径对降水的正贡献。最大数浓度时其粒径小于1 mm，说明最大数浓度主要由小雨滴构成，与宫福久等[21]研究的“在层状云降水过程中，直径小于1 mm的小雨滴所占比例特别大”十分一致。江油站增雨作业前后雨滴谱分布、粒径分布、粒速分布演变特征与广元相似，此文不再赘述。

3月16—17日广元、江油降水天气过程粒径时间谱(图9)，广元在16日20:30—23:30、江油在17日00:30—03:30，作业后0.5～3 h影响时间段，不同大小粒子数量变化明显，与周亦凌等[22]研究的“作业后12 min即开始显现”一致，且2mm以下粒径谱变宽明显。例：广元站作业前19:51,0.937 mm粒径谱宽27.62，作业后21:51跃增到497.1851，同时粒径大于1 mm粒子明显增多。江油作业前0.937 mm粒径23:37谱宽188.8812，作业后01:45跃增到1291.5266，尤其是2 mm以上粒子主要出现在作业后，粒径谱变宽明显，但粒径大小区间值没有明显的改变，和作业前一样主要集中在0.312～2.125 mm。

图7 2018年3月16—17日广元 (a～d)和江油(e～h)作业前后总数浓度、雨强、雨水含量、有效粒径演变特征

图10呈现的是3月16—17日广元、江油降水天气过程粒速时间谱，作业后0.5～3 h影响时间段，1.5～5.2 m/s粒速的粒子显著增多，速度谱变宽明显。例：广元作业前19:39,2.3 m/s对应粒子速度谱39.06，作业后22:05对应粒速谱为111.03；江油作业前00:03,3.3 m/s对应粒子速度谱96.57，作业后01:56对应粒子速度谱413.55。可看出1.5～5.2 m/s速度谱明显变宽， 有个别时间点粒子速度大于8 m/s，没有明显的跃变，总的来说幅度变化不大，依然集中在1.1～6.8 m/s，说明人工增雨对降水粒子速度幅度的影响不明显。

图8 广元增雨作业前后粒子浓度(a1、b1)、粒径(a2、b2)、速度(a3、b3)演变特征

4 结论

(1)人工增雨作业后，不同粒径、不同粒速的粒子数变化明显，反映出增雨作业效果。主要表现为：大滴粒子增多，尤其1～2 mm粒子显著增多，小滴粒子减少；雨滴谱变宽， 0.437～1.625 mm粒径和1.5～5.2 m/s速度谱明显变宽，粒速大于6.8 m/s的谱变宽。

(2)人工增雨作业后，降水粒子有效直径和粒子速度无明显跃变，其粒径和粒子速度区间值分布特征与自然降水时段分布趋同， 相对集中在粒径0.312～2.125 mm、粒速1.1～6.8 m/s，人工增雨作业对降水粒子的粒径和粒子速度改变有限。

(3)人工增雨作业影响时段，表现出降水强度与雨水含量正相关、有效直径与总数浓度负相关，上述各物理量的峰值、谷值、震荡态势与自然降水时段各物理量的变化具有很好的一致性，人工增雨作业不改变各物理量之间的相关性。

图9 3月16日广元(a)和3月17日江油(b)粒径时间谱

图10 3月16日广元(a)和3月17日江油(b)粒速时间谱

(4)层状云降水过程持续时间长且降水量小，则总数浓度、雨强、雨水含量等物理量会表现出较大波动，降水出现间歇性的概率更大。粒径越大，降水强度越大，粒径对降水量是正贡献，最大数浓度主要由小雨滴构成。