多普勒天气雷达资料在人工增雨中的应用
来源:用户上传
作者:
摘 要：气象雷达探测系统在人工影响天气过程中运用非常广泛，通过对云南多普勒雷达资料的分析发现：当回波强度达到30～50dBz，伸展高度达到8km，入流速度和出流速度中心值达到15m/s，垂直累积液态含水量在15kg/m2以上时，是开展人工增雨的最佳时机。作业所需要的弹药数可以通过雷达进行测量其区域的体积、水含量，再根据云层的发展来计算催化剂浓度，这样可以利用最好的自然撒播环境，减少用弹量，是提高增雨效率性价比的重要环节。
关键词：多普勒雷达；气象探测资料；人工增雨
中图分类号：S164 文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515055
引言
昆明棋盘山多普勒天气雷达站，海拔2515m，为CINRAD/CC多普勒天气雷达，最大可测速度为24.86m/s，最大可测距离为150km，其所探测范围基本覆盖滇中（昆明、玉溪、楚雄）地区。多普勒天气雷达是以多普勒效应为其基本的工作原理进行设计的，在对降水的监测作用和降水量的定量估算等方面具有与其它气象雷达不同的优势，不仅可以探测出关于降水方面的丰富信息，同时还能较为清晰的识别出即将到来的降水的结构和类型，并且具有很高的时间和空间分辨率，是探测中尺度降水云系非常有效的工具，国内很多专家对多普勒雷达资料在人工增雨中的应用进行了分析和总结，对提高人工增雨的效率起到了很大作用。
利用多普勒雷达研发出相关产品的有很多，如回波顶高度产品，是利用回波来了解云层中对流的情况；其次是垂直累积液态含水量产品，是利用多普勒天气雷达对对流垂直面的含水量进行探测，分析由于对流带来的暴雨、冰雹等的可能性。本文主要通过对多普勒雷达产品进行分析，介绍如何利用其资料更好地开展人工增雨作业。
1 多普勒雷达资料分析
1.1 雷达回波强度演变分析
利用云南省昆明、昭通、文山、思茅、德宏、丽江的多普勒天气雷达拼图资料，对即将到来的降水云系的回波特征进行分析。如2013年6月9日午后，在云南北部不断有分散的对流回波生成，以40km/h速度向东偏南方向移动，其中镶嵌有多个强对流单体，回波强度达到35～45dBz，最强可达50dBz，回波发展高度不高，回波結构低质心，不存在强回波悬垂，45dBz以上强回波伸展高度在3～5km，最高达6km，大部分强回波处于0℃层高度以下，可见主要是以液态水为主，此种云系若采取人工作业降水效率很高。生成后的回波沿着风暴承载层平均风——偏西风向着偏东方向移动，在向下风方向移动过程中有所加强，不断代替前面减弱的对流回波，形成明显的后向传播。9日20：00—10日02：00时段内，大片40～50 dBz回波不断生成、发展（图1），此时是开展人工增雨作业最好的时机。
1.2 径向速度特征分析
通过雷达径向速度可以大致分析水平风场情况。从昆明雷达径向速度图上可以看到一个边界层急流的建立与维持过程，以2013年6月9日为例，20：00后昆明雷达径向速度图上雷达上空200～400m之间的偏东风风速逐渐增强，形成明显的对称“牛眼对”结构，至20：30入流速度和出流速度中心值已由5m/s增强至15m/s，边界层偏东风急流建立之后逐渐向高层扩展，23：12急流高度达800m附近，急流核高度达到350～450m/s（图2），边界层急流的建立与维持为中尺度对流系统的产生持续提供强动力触发作用和水汽的强烈辐合作用。同时还可以看到雷达上空800m以内，风随高度呈现弱的“S”形，说明近地层有很弱的暖平流，有利于触发对流。此外，近地层除有偏东风急流和弱暖平流以外，近地层以上风向为西偏南风，垂直方向存在明显的风切变，还有多个逆风区生成，逆风区最高发展到4.3°仰角，说明回波内存在着明显的垂直风切变和逆风区（图2），可以使中尺度垂直环流加强，回波将强烈发展，逆风区内均有强度超过40dBz的回波发展，此时的回波强度最有利于开展人工增雨作业。
1.3 回波顶高度分析
根据回波的强度、速度等值来计算云层中的含水量，根据测量物的顶层数值作为依据，同时利用体积扫描的方法将计算出来的三维数据进行分析，了解所测物的回波强度阀值，根据阀值判断出云层中对流发展的强弱情况。经过长期的实验发现：在一般情况下，回波强度在5dBz以内为正常天气状况，在5～18dBz就有可能产生不定量的降水，在18～30dBz这一个阶段就会有强对流风暴产生。通过回波顶高度能测量出对流的强弱，它主要是与回波的伸展高度有关，对流产生的可能性与回波顶高度成正比，分析发现，当回波顶的伸展高度达到8km以上就会产生强对流风暴，超过10km就会产生更严重的天气状况，比如说雷暴、大风、冰雹等。因此利用回波顶高度对测量对流发挥了很大的作用。
1.4 垂直累积液态含水量分析
对降水云体的垂直方向的含水量进行的测量，从而了解到在强对流天气中这些水会以什么样的形态出现。根据研究，当反射回来的数据较少时则表示这个层面的垂直累积液态水含量较少，则在强对流天气中水就以原形态出现，反之则出现固体降水。垂直累积液态含水量的数值大小与强对流天气中降水形态有着很大的关系。这个在不同的地区有不同的值，就以云南来说，当垂直累积液态含水量在15kg/以上，或者是等于这个值的时候，这个区域非常容易形成对流式的降水。
2 人工降雨作业中催化剂的计算方法
2.1 理论依据
人工增雨是通过在云层中播撒冰核，使得云层中的冰晶数量增多，同时在形成冰晶的过程中释放大量的热量，使得云层内外的热量不均，从而产生不稳定的状态，导致云层产生降雨或者增大降雨的效果。在进行人工降雨作业时对于催化剂播撒量的计算，要根据作业区域的体积、水含量以及催化剂的浓度（一般在300～500个/L）进行计算，而前2项都是利用多普勒天气雷达进行测量，再通过多普勒天气雷达相关产品进行计算的。根据多年观测分析，云层要达到降雨的效果，多普勒雷达回波强度应在20～30dBz之间，因此在进行催化剂量的计算的时候就可以直接利用这2个数值作为一个阀值进行计算，这样就可以计算出弹量的使用区间了。 2.2 催化剂量计算方法
多普勒雷达在进行云层观测时发现，部分强风暴体是以纺锤体的形状出现在云层中，这个是利用回波顶高度产品的反射率因子进行测量的。纺锤体是不同于圆柱体和圆锥体的存在，因此如果利用圆柱体的公式进行体积的计算明显偏大，如果利用圆锥体的公式计算则偏小。通过反复研究后发现，以下的这个公式是最接近实体回波体体积的一个。
V=SVIL2×htop
式中：V为面体积，单位为km3，htop表示所测量地区内的回波顶值大于阀值的面积内的云层的平均回波高度，单位为km；SVIL表示一个区域内在垂直方向上面的总水量在某一阀值之外的总面积，单位为km3，云南是以15kg/m2为计算阀值。通过多普勒天气雷达传输回来的数据图像可以测出超过这个阀值的区域内的象素数Num的数值是多少，以4km×4km作为象素的平均底面积，则SVIL可以通过这样的公式进行计算。
SVIL=4km×4km×Num
假设降雨催化剂原料为AgI，以每个火箭弹可以装催化剂10g，这个剂量在-10℃时可以拥有1.8×1016个冰核，并以M来代替每升中所拥有的冰核数，以N表示所需要的火箭弹，因此在-10℃时N的计算公式如下。
N=VM1.8×1016=SVILhtopM3.6×1016=16NumhtopM3.6×1016
假设Num=3，则SVIL就等于48km2，取htop=10km，M=400个/L，则可以计算出纺锤体的体积为240km3，因此将所有数值带入上式中，则得出在这个的区域内进行人工降雨所需要的弹药数为5.3枚，也就是说最多需要6枚弹药进行发射，就可以达到较佳的降雨效果。但在实际操作中，应根据时间段的不同，来判断云层内的含水量和云层的高度，因此在进行人工降雨的时候要根据云层的发展来进行作业，这样可以借助自然的力量使冰核进入最好的撒播环境，减少用弹量，使增雨效率达到最佳的性价比。
3 结语
加强多普勒雷达资料的分析和总结，对提高人工增雨的效率起到了很大作用。当回波强度达到30～50dBz，伸展高度达到8km，入流速度和出流速度中心值达到15m/s，垂直累积液态含水量在15kg/m2以上，是开展人工增雨的最佳時机；气象雷达探测系统在人工影响天气过程中运用非常广泛，所需要的弹药数要通过雷达进行测量作业区域的体积、水含量，再根据云层的发展来计算催化剂浓度，这样可以利用最好的自然撒播环境，减少用弹量，是提高增雨效率性价比的重要环节。
参考文献
[1] 李薇，管丽丽 ，王久凤，崔红.用多普勒天气雷达资料估算人工增雨效果[J].气象灾害防御.2015，22（3）：26-27.
[2] 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.
[3] 张中波. 多普勒天气雷达产品在人工增雨效果检验中的应用[J]. 气象科技， 2011， 39（6）：703-708.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14704296.htm
