本文摘要：摘要 利用雷達、GPS 大氣可降水量等綜合分析了云物理特征參數在一次對流降水中實施人工增雨的指標，根據對流過程的演變，將 其細分為生成、發展、成熟、減弱、消亡 5 個階段來分析各物理參數的變化特征。結果表明，GPS 大氣可降水量對降水的產生有較好的指示
摘要 利用雷達、GPS 大氣可降水量等綜合分析了云物理特征參數在一次對流降水中實施人工增雨的指標，根據對流過程的演變，將 其細分為生成、發展、成熟、減弱、消亡 5 個階段來分析各物理參數的變化特征。結果表明，GPS 大氣可降水量對降水的產生有較好的指示 作用;組合反射率、回波頂高、垂直積分液體水含量與降水相關性好，能表示對流云總體發展情況;成熟階段是實施人工增雨的最佳時段。
關鍵詞 人工增雨;雷達;GPS 大氣可降水量
安徽省為農業大省，夏季對降水的需求旺盛，開展人工 增雨是開發大氣水資源、改善當地水資源狀況的一項重要 措施。 近年來，各省在人工增雨外場作業中不斷探索，試圖構 建適合各省的作業條件和作業時機的判斷指標。雷達可探測 對流云回波變化的高時空分辨率特性，對外場人工增雨作 業有指導性[1-2]。
20 世紀 90 年代河南、河北兩省就開始探索 層狀云的人工催化條件[3-4];王吉宏等[5]用沈陽棋盤山新一代 天氣雷達探測分析了 2004—2006 年在遼寧中西部地區進 行的人工增雨作業及降水的雷達回波特征，初步總結出對 積層混合云實施人工增雨作業的雷達判別指標。唐 林等[6]以 湖南主要人工增雨積云和積層混合云為研究對象，得出湖 南的人工增雨指標和評分規則，并建立地面人工增雨多普 勒天氣雷達指揮系統。伍志方等[7]利用廣東省新一代天氣雷 達產品分析了春季廣東中北部有利于降水的天氣條件，并舉 例說明新一代天氣雷達各種產品在人工增雨作業中的綜合 應用。
郭 艷等[8]總結了江西 2007—2008 年人工增雨作業條 件的多普勒天氣雷達參數指標，并在此基礎上建立了人工增 雨作業條件判別方程。安徽省在人工影響天氣作業條件分 析判斷方面也進行了初步探索，蔣年沖等[9]探討了安徽省夏 季不同類型降水系統中對流性降水云的結構、降水形成機 制，旨在為進一步研究安徽省人工影響天氣提供技術途徑。 有研究指出，GPS 信號的分析可直接得到大氣 水 汽 含 量 的 變 化，對判斷增雨作業時機有很好的指導性 。
袁 野 等[10]、王明明等[11]研究發現，地面降水與云液態水含量隨時 間的分布對應較好，在地面降水出現前，云液態水含量有躍 增現象，利用這種現象可判斷此時段云系正處于發展階段， 由此可應用于人工增雨作業條件的判別。 基于目前研究的現狀，本文綜合雷達、GPS 大氣可降水 量和地面降水觀測資料，針對 2018 年的一次對流降水過程， 分析雷達參數、GPS 大氣可降水量與降水的關系，嘗試建立 識別增雨作業時機的參數指標。
1 資料選取
選用的資料有合肥市地面觀測站降水資料、安慶探空站 資料、合肥站地基 GPS 大氣可降水量(PWV)。選用 2018 年8 月 7 日安徽省內安慶、蚌埠、阜陽、合肥、黃山共 5 市的 S 波 段雷達資料，SWAN 系統能集合多部雷達數據，反演生成多種 基本產品，包括三維拼圖雷達產品、組合反射率、回波頂高、 垂直積分液態水含量等。天氣形勢分析資料取自 MICAPS 系統生成的相關產品。
2 天氣形勢
2018 年 8 月 7 日合肥市及周邊地區出現一次短時對流 降 水 過 程，降 水 從 8 月 7 日 11：58 開 始，于 17：00 左 右 結 束，強降水中心主要集中在合肥市東北部長豐縣和肥東縣 一帶，6 h 累計雨量有 10 個站超過 5 mm，最大降水量達到 51.5 mm，出現在白龍鎮。此次降水過程具有歷時短、 降水強度大、局地性強等特征。7 日 8：00 500 hPa上安 徽省處于副高控制下，周圍多短波槽，安徽區域水汽含量豐 富。 安慶探空顯示大氣層結不穩定，CAPE 為 2 564 J/kg，底 層風切變強，700 hPa 低層為西南風，高層為東南風。對流云 11：00 生成于合肥東部，對流回波迅速 發展壯大，并在移動過程中逐漸形成東南—西北走 向的對流回波。
在移動過程中逐漸增強，在 14：50 對 流強度達到最強，基本反射率最大達到 55 dBZ。在移動過程 中有對流單體的生成和合并發展，14：00 左右在巢湖市有新 的對流單體產生，與原減弱的對流云合并后，持續發 展一段時間，15：53 在巢湖市消亡。
3 基于 PGS/PWV 的判別指標
GPS 大氣可降水量(PWV)與天氣系統的演變存在密切 關系，其引發的降水等天氣過程一般都對應著水汽總量的顯著變化。由圖 4 可以看出，降水發生前，大氣可降水量 PWV 呈遞增的趨勢，大氣中水汽含量不斷增加，有利于水汽的積累，為降水提供有利的水汽條件。
8 月 7 日 7：00 PWV 值達 到 52.5 mm。合肥 12：00 左右開始出現降水，降水期間 PWV 保持減少趨勢，但減少幅度比較小，PWV 值在 50 mm 左右， 降水在 17：00 左右結束，18：00 PWV 值急速下降到 46 mm。 降水往往隨即出現在大氣可降水量的急速增加之后，降水 發生后，水汽含量呈緩慢下降趨勢，降水過程結束后，水汽 含量迅速下降。PWV 的減小預示降水過程的結束，降 水 過 程與 PWV 峰值區對應較好，PWV 的 躍 增 對開 展 人 工 增 雨 時機有一定指示作用。
4 基于雷達資料的判別指標
雷達可探測對流云回波變化的高時空分辨率特性，分 析 2018 年 8 月 7 日雷達產品與降水的關系。雷達參數包括回波頂高、18.5 dBZ 云體積、30 dBZ 云體積、冷層厚度、平均 反射率、最大反射率、最大反射率高度和垂直積分液態水含 量。各參數定義如下。
①回波頂高：每個庫上回波強度大于 18.5 dBZ 的最大高度。②面積：SWAN 拼圖數據格點大小為 0.01 經度×0.01 緯度，其面積隨緯度的變化有所變化，33°N 的格點面積大小約為 1.03 km2 ，所以計算段的面積時，將每 個格點的面積近似為 1 km2 ，所以段的長度即為面積。③冷層厚度：由風暴的二維分量計算風暴覆蓋下的最大回波頂 高，與零度層的高度差即為冷層厚度。④最大反射率：每個 庫上對所有垂直高度層的反射率進行比較，選擇最大的反射 率值，即組合反射率。
⑤垂直積分液態含水量：降水云體在某 一確定底面積垂直柱體內降水粒子總量折合成水的分布。 此外，雨量站為合自動雨量站分鐘降水，SWAN 三維拼 圖雷達資料時間間隔為 6 min，為了與拼圖資料時間一致， 需要將分鐘雨量資料統計為拼圖資料體掃開始時間至結束 時間對應的 6 min 累計降水量。 回波頂高、18.5 dBZ 云體積、30 dBZ 云體積、冷層厚度、 平均反射率、組合反射率、最大反射率高度、垂直積分液態 水含量等物量參量與雨強的相關系數分別為 0.292 328、 0.287 931 448、0.058 575 923、0.433 526、0.278 777、0.433 171 12、 0.331 507 765、0.352 42。
可以看出，回波頂高、冷層厚度、組合反射率、垂直積分 液態水含量與降水的相關性較好。回波頂高能代表云中過 冷水含量;組合反射率表示對流云發展強度的狀態，垂直積 分液體水含量是判別強降水及其降水潛力的有效參量，故 選擇回波頂高、組合反射率、垂直積分液態水含量來表示對 流云總體發展情況。為分析出適合作業的最佳時段，基于目前的研究和本次 對流過程的發展演變，將整個對流過程細分為生成、發展、 成熟、減弱和消散 5 個階段，不同階段組合反射率、回波頂 高、垂直積分液態水含量的回波參數特征。
發展階段，組合反射率、回波頂高、垂直積分液態水含 量值比較低，組合反射率低于 30 dBZ，回波頂高小于 4 km， 垂直積分液態水含量小于 1 kg/m2 。當對流快速發展進入發 展階段時，回波強度迅速增大到 30 dBZ 以上，回波頂高能 達到 6 km，液態含水量也變得豐富。回波增加速度很快，進 入成熟階段后，組合反射率最大能達到 55 dBZ，回波頂高最高 能發展到 14 km，液態水含量也非常豐富，能達到 20 kg/m2 。
持續 40 min 后，對流云開始減弱，組合反射率變弱，回波高 度降低，液態水含量顯著減少，直至整個對流消散結束。 對流降水過程局地性比較強，持續時間短，一般對流云 降水從生長—發展—成熟—減弱—消散整個過程生命期在 30～240 min 范圍內。對流云系主要有多單體合并對流云與 單體對流云，多單體對流云在生命史、回波高度、強度、尺度 等方便都超過單體對流云，同時液態水含量和自然降水效 率都比單體對流云大。本次對流過程為多單體合并對流云 降水過程，綜合各參數在對流過程中的演變指標，選擇成熟 階段進行人工增雨作業效果較好。
5 結論與討論
通過分析 GPS 大氣可降水量、雷達參數與降水的關系， 初步建立了識別增雨作業時機的參數指標。結果表明，降水 開始前 PWV 的躍增對開展人工增雨有一定指示作用。雷達參數回波頂高、組合反射率、垂直積分液態水含量與降水的 相關性好，可表示對流云總體發展情況。根據本次對流過程 的發展演變，將整個對流過程細分為生成、發展、成熟、減弱 和消散 5 個階段，成熟階段是適合開展人工增雨作業時段。
氣象論文投稿刊物：氣象科技是1973年創刊的，以刊發宣傳大氣科學和有關聯的科學各領域的新理論、新方法和新技術為主，也刊載反映大氣科學各領域發展水平的綜合評述。設置欄目有：動力氣象與天氣預報、氣候分析與預測、遙感與探測、信息技術及應用、城市與環境氣象、農業與生態氣象、人工影響天氣、雷電防護，應用與服務等。
安徽省對流過程中實施人工增雨的雷達指標：組合反射率發 展到 40 dBZ 以上，回波頂高達到 6 km，垂直積分液態水含 量達到 20 kg/m2 。 本研究嘗試將 GPS 大氣可降水量和雷達參數應用于安 徽省人工增雨條件和時段的判別研究中，對指導外場人工增 雨業務更加準確直接，可有效提高人工增雨的效率，對安徽 省人工增雨有重要的意義，但本研究結果僅為一次天氣過程 的分析結果，后續將積累大量安徽省對流過程的統計分析， 以期給出具有統計意義的判據指標。
6 參考文獻
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作者：孫莉娟 1 徐 陽 2 魯德金 1 朱明佳 1
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