張振秀，朱淳源，陳 燾

(大理州氣象局，云南 大理 671000)

洱海是大理人民賴以生存的母親湖，對流域地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量提高起著舉足輕重的作用.近年來隨著氣候環(huán)境的改變，洱海流域干旱災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[1-2]，人工增雨作業(yè)是在有利的天氣條件下向正在發(fā)展的降水云中播撒催化劑，爭取更大的降水效率，是開發(fā)利用空中云水資源的主要途徑[3-4].目前國內(nèi)很多地方均開展了人工增雨作業(yè)，在作業(yè)前分析作業(yè)條件有利于科學(xué)開展人工增雨作業(yè)，唐林等[5]分析得出湖南夏秋干旱期人工增雨作業(yè)的4 類有利天氣形勢，并且給出了當(dāng)?shù)刂饕鳂I(yè)對象云的宏觀和微觀判別指標(biāo).唐熠等[6]分析桂林秋季適合人工增雨作業(yè)的大氣環(huán)流背景和雷達(dá)回波，總結(jié)得出主要增雨作業(yè)云為系統(tǒng)性對流云帶.孫晶等[7]利用人工影響天氣數(shù)值模式分析中國南方高溫旱區(qū)三類云系降水過程的云結(jié)構(gòu)和冷云催化增雨作業(yè)條件.張騰飛等[8]分析云南多年有效飛機(jī)增雨作業(yè)典型過程，得到有利的環(huán)流背景氣象條件和作業(yè)云系宏微觀參量特征.

人工增雨作業(yè)后進(jìn)行效果檢驗(yàn)有利于積累經(jīng)驗(yàn)，目前主要有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)和數(shù)值模擬檢驗(yàn)[9].統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)是利用雨量資料客觀評價(jià)試驗(yàn)效果.王婉等[10]在對非隨機(jī)化試驗(yàn)進(jìn)行功效數(shù)值分析后，選擇區(qū)域?qū)Ρ?、雙比分析和區(qū)域歷史回歸試驗(yàn)對北京市2002—2007 年人工增雨作業(yè)進(jìn)行了效果總評價(jià)，結(jié)果表明人工增雨效果較為顯著.翟晴飛等[11]利用區(qū)域歷史回歸統(tǒng)計(jì)分析方法，對遼寧一次人工增雨作業(yè)過程進(jìn)行效果檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)變量的選取是人工增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)的關(guān)鍵.物理檢驗(yàn)是從物理機(jī)制出發(fā)比較作業(yè)前后相應(yīng)物理量指標(biāo)變化.張瑞波等[12]利用GPS 儀和新一代天氣雷達(dá)資料，對廣西一次人工增雨作業(yè)效果進(jìn)行物理檢驗(yàn)，表明催化作業(yè)使雷達(dá)回波增強(qiáng).崔丹等[13]對一次人工增雨作業(yè)過程的多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示目標(biāo)區(qū)最大強(qiáng)度、強(qiáng)回波面積、液態(tài)水含量和回波頂高的增大率大于對比區(qū).數(shù)值模擬檢驗(yàn)是宏微觀耦合的全過程理論分析方法.高茜等[14]利用中國氣象局科學(xué)研究院（Chinese Academy of Meteorological Sciences，CAMS）中尺度云分辨模式進(jìn)行人工催化數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果表明在過冷水含量高且冰晶含量低的區(qū)域引入人工冰晶可使地面降水增加.劉香娥等[15]利用加入碘化銀冷云催化模塊的中尺度數(shù)值模式WRF 對一次增雨作業(yè)過程進(jìn)行了催化數(shù)值模擬研究，探討了增雨的效果和機(jī)理.2019 年4 月中旬至5 月底大理州多日無有效降雨，持續(xù)晴熱高溫少雨，氣象干旱發(fā)展迅速，特別是入夏之后，大部分地區(qū)處于重度氣象干旱，洱海流域也出現(xiàn)不同程度旱情，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和群眾生活造成重大影響.6 月大理州人工影響天氣中心根據(jù)天氣形勢，抓住有利時(shí)機(jī)積極開展人工增雨作業(yè).本文利用NCEP 1°×1°再分析資料、大理新一代多普勒天氣雷達(dá)資料和激光雨滴譜儀資料分析了2019年6 月1 日（簡稱“06.01”過程，下同）和14 日（簡稱“06.14”過程，下同）增雨作業(yè)過程，并對增雨效果進(jìn)行了簡要分析檢驗(yàn).

1 資料與方法

本文雷達(dá)數(shù)據(jù)使用大理新一代多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD/CC）數(shù)據(jù)，雷達(dá)位于大理市文筆山（100.397 8°E、25.608 3°N），海拔2 915 m，探測半徑150 km，時(shí)間分辨率6 min.地圖底圖為雷達(dá)廠商安徽四創(chuàng)電子股份有限公司VectorMap2.0 軟件生成，采用的地圖數(shù)據(jù)為中國行政區(qū)域電子地圖（http://www.oogps.com/xingzheng/）.洱海流域受蒼山大地形影響，地物回波明顯，分析時(shí)篩除在蒼山位置有較高反射率因子并且徑向速度接近零速度值的回波.

本文雨滴譜儀數(shù)據(jù)為安裝在蒼山東坡陽和站（100.162 5°E，25.667 5°N，海拔2 162 m）與雙陽站（100.121 9°E、25.723 9°N，海拔2 176 m）的Parsivel2雨滴譜探測儀觀測資料，數(shù)據(jù)分辨率為1 min.分析的降水強(qiáng)度為探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄，然后參考陳子健等[16]的方法求得雨滴譜儀每分鐘第i檔的雨滴尺度譜分布：

式中，N(Di)是雨滴數(shù)濃度（單位：個(gè)·m?3·mm?1）；nij是第i尺度檔和第j速度檔的雨滴個(gè)數(shù)；S為有效采樣面積（單位：m2）；Δt是采樣時(shí)間（單位：s），ΔDi是對應(yīng)的雨滴平均直徑間隔（單位：mm）；Vj是第j檔雨滴的平均下落速度（單位：m·s?1）.

2 作業(yè)條件分析

2.1 “06.01”過程天氣背景2019 年6 月1 日08:00 500 hPa（圖略）中緯度大槽東移至華北平原、四川盆地一線，青藏高原東南部為槽后偏北氣流.700 hPa（圖略）中緯度高空槽槽后西北氣流到達(dá)青藏高原東南部時(shí)轉(zhuǎn)向?yàn)闁|北氣流與偏西氣流在云南東北地區(qū)形成切變，東北風(fēng)強(qiáng)盛.20:00 時(shí)500 hPa 中緯度槽東移，云南北部為槽后西北氣流，冷空氣侵入洱海流域（圖1（a））.700 hPa 上東北風(fēng)與偏西風(fēng)的切變線向西南方向移動至云南中部，洱海流域位于切變線前沿（圖1（b））.

洱海流域21:39 開始增雨作業(yè)，20:00 時(shí)700 hPa 上云南相對濕度（圖略）以切變線為界呈東北低西南高的形勢，洱海流域?yàn)?5%以上的高濕區(qū)，并且在切變線附近水汽通量散度為負(fù)值輻合，洱海流域處于水汽輻合中心.從相對濕度剖面圖上看（圖1（c）），洱海流域（100°E）附近地面至400 hPa相對濕度基本為60%以上的濕區(qū)，700～600 hPa之間為80%以上的高濕區(qū)，人工增雨作業(yè)具備有利的水汽條件.假相當(dāng)位溫垂直剖面上洱海流域700 hPa 以下和400 hPa 以上為345 K 的高區(qū)，而中間為340 K 以下的低區(qū)，大氣層結(jié)位勢不穩(wěn)定.垂直速度剖面圖上（圖1（d））洱海流域附近自地面到高空基本為負(fù)值上升運(yùn)動，101°E 上空650 hPa 有負(fù)值中心.散度在101°E 上空700 hPa 以下為負(fù)值輻合中心、700～500 hPa 為正值輻散中心，洱海流域處于低層輻合高層輻散的結(jié)構(gòu)，有助于上升運(yùn)動發(fā)展.20:00 洱海流域0 ℃線約在550 hPa，上升運(yùn)動到達(dá)零線以上，有利于水汽和催化劑向上運(yùn)動碰并凝結(jié)增長.

圖1 2019 年6 月1 日20:00 高空環(huán)流形勢和四要素沿25°N 垂直剖面Fig.1 The circulation pattern and four elements are vertically profited along 25°N at 20:00 on 1 June,2019

2.2 “06.14”過程天氣背景2019 年6 月13 日20:00 高空500 hPa（圖2（a））中緯度大槽在華東沿海，華中為高壓脊控制，副熱帶高壓位于中南半島，洱海流域?yàn)槠黠L(fēng)，同時(shí)印度半島有高壓，兩高壓之間形成孟加拉灣低壓，低壓外圍西南氣流影響緬甸地區(qū).700 hPa（圖略）孟加拉灣東部為明顯低壓槽，自孟加拉灣東岸到云南西南邊緣為西南風(fēng)控制.14 日08:00 時(shí)500 hPa（圖2（b））孟加拉灣低壓槽東移，副熱帶高壓南移，洱海流域?yàn)槊霞永瓰车蛪翰矍拔髂蠚饬饔绊?700 hPa 孟加拉灣低壓槽東移，洱海流域?yàn)槲髂巷L(fēng)控制.

09:54 洱海流域開始增雨作業(yè)，08:00 時(shí)700 hPa上云南相對濕度較大基本在80%以上，大值中心在滇西南，洱海流域?yàn)?0%以上，相對濕度垂直剖面（圖2（c））也可以看到100°E 以西從地面到高空基本為85%以上的高濕區(qū)，孟加拉灣低壓槽槽前氣流濕度較高.同時(shí)700 hPa 水汽通量散度上（圖略）滇西南為負(fù)值輻合中心，西南氣流引導(dǎo)水汽自孟加拉灣輸送到云南，洱海流域開展人工增雨有良好的水汽條件，并且水汽比“06.01”過程充沛.但是假相當(dāng)位溫洱海流域300 hPa 以下基本為350～355 K 之間，隨高度變化不明顯，不穩(wěn)定條件沒有“06.01”過程好.垂直速度上（圖2（d））也可以看到洱海流域730 hPa 以下為負(fù)值上升運(yùn)動，高空大部分地區(qū)為正值下沉運(yùn)動，0 ℃線在520 hPa 左右，故“06.14”過程作業(yè)前洱海流域上升運(yùn)動條件沒有“06.01”過程好.

圖2 2019 年6 月13—14 日500 hPa 高空環(huán)流形勢和四要素沿25°N 垂直剖面Fig.2 The circulation pattern of 500 hPa and four elements are vertically profited along 25°N on 13?14 June,2019

2.3 作業(yè)前雷達(dá)回波特征分析“06.01”過程作業(yè)前雷達(dá)回波特征（圖略），19:00 起蒼山以西漾濞地區(qū)有降水回波生成，在東移的過程中不斷發(fā)展，至19:28 洱海流域南部有塊狀降水回波自西向東移動，位置偏南.至19:46 在陽和作業(yè)點(diǎn)以西約20 km 的地方有降水回波生成，20:15 回波到達(dá)蒼山，陽和作業(yè)點(diǎn)20:39 開始開展增雨作業(yè)，目標(biāo)云為混合云，至20:38 作業(yè)點(diǎn)附近組合反射率強(qiáng)度為37.8 dBz，回波頂高為5.5 km，垂直積分液態(tài)水含量（Vertical Integrated Liquid water，VIL）達(dá)0.4 kg·m?2，0.5°仰角速度為輻合結(jié)構(gòu).

分析“06.14”過程作業(yè)前雷達(dá)回波特征（圖略），08:02 在漾濞西部有混合云降水回波生成，中心回波強(qiáng)度達(dá)39.5 dBz，回波頂高達(dá)7.4 km，VIL 為0.9 kg·m?2，回波向東北方向移動的過程中南部回波減弱、北部回波穩(wěn)定，降水區(qū)域向北移.09:01 回波越過蒼山后強(qiáng)度減弱，洱海流域南部回波基本消散，北部回波減弱至30 dBz，但是回波面積較大.永興作業(yè)點(diǎn)于09:54 開展增雨作業(yè)，目標(biāo)云也為混合云，至09:48 作業(yè)點(diǎn)附近的回波強(qiáng)度為32.6 dBz，回波頂高6.6 km，VIL 達(dá)0.4 kg·m?2.

3 增雨效果檢驗(yàn)

3.1 雷達(dá)產(chǎn)品分析“06.01”過程中，洱海流域20:39 開始增雨作業(yè)，選定影響區(qū)和對比區(qū)（圖3）.20:38 影響區(qū)中心強(qiáng)度為37.8 dBz、高度為3.1 km，回波頂高為5.5 km，VIL 為0.4 kg·m?2，大于30 dBz的回波面積約有15 km2；對比區(qū)中心強(qiáng)度為39.2 dBz、高度為4.0 km，回波頂高為6.6 km，VIL 達(dá)0.8 kg·m?2，大于30 dBz 的回波面積約有20 km2，兩者相比對比區(qū)回波略強(qiáng).增雨作業(yè)12 min 后（20:50）影響區(qū)大于30 dBz 的回波面積明顯增大，回波中心強(qiáng)度為38.3 dBz、高度為3.1 km，回波頂高為5.2 km，VIL 為0.4 kg·m?2，回波強(qiáng)度基本維持.而對比區(qū)中心強(qiáng)度為38.6 dBz、高度為3.5 km，回波頂高為4.4 km，VIL 為0.4 kg·m?2，大于30 dBz 的回波面積減少至10 km2，回波處于減弱趨勢.21:08 影響區(qū)回波中心強(qiáng)度為37.7 dBz、高度為3.1 km，回波頂高5.6 km，VIL 為0.6 kg·m?2，大于30 dBz 的回波面積略減小，而對比區(qū)中心強(qiáng)度為34.5 dBz，回波頂高為5.4 km，VIL 降至0.2 kg·m?2，大于30 dBz 的回波明顯潰散.之后影響區(qū)回波開始減弱，至21:37影響區(qū)和對比區(qū)回波均減弱至30 dBz 以下，并且逐漸消散.如表1 所示，對比區(qū)的回波為持續(xù)減弱趨勢，而影響區(qū)作業(yè)后回波強(qiáng)度維持約30 min 后才減弱，并且大于30 dBz 的回波面積明顯增大，雷達(dá)回波變化表明此次增雨作業(yè)效果明顯.

圖3 2019 年6 月1 日作業(yè)后雷達(dá)組合反射率Fig.3 The composite reflectivity of radar after operation on 1 June,2019

表1 2019 年6 月1 日作業(yè)后雷達(dá)參數(shù)對比Tab.1 The comparison of radar parameters after operations on 1 June,2019

“06.14”過程中，09:54 洱海流域開展增雨作業(yè)，選定影響區(qū)和對比區(qū)（圖4）.09:54 影響區(qū)中心強(qiáng)度為36.7 dBz、高度為4.8 km，回波頂高為7 km，VIL 為0.6 kg·m?2，大于30 dBz 的回波面積約25 km2；對比區(qū)中心強(qiáng)度為34 dBz、高度為4.7 km，回波頂高為6.6 km，VIL 為0.5 kg·m?2，大于30 dBz 的回波面積約22 km2.12 min 后（10:06）影響區(qū)回波中心強(qiáng)度升至38.8 dBz、高度為4.8 km，回波頂高為7.5 km，VIL 達(dá)0.8 kg·m?2，大于30 dBz 的回波面積增至50 km2.而對比區(qū)中心強(qiáng)度下降為32.2 dBz、高度為4.8 km，回波頂高為7.7 km，VIL 為0.4 kg·m?2，大于30 dBz 的回波面積明顯減少.至10:17 影響區(qū)回波減弱，回波中心強(qiáng)度為34.8 dBz、高度為4.9 km，回波頂高為6.5 km，VIL 為0.5 kg·m?2，大于30 dBz的回波面積明顯減少.對比區(qū)中心強(qiáng)度為32.4 dBz、高度為4.9 km，回波頂高為6.8 km，VIL 為0.4 kg·m?2，相較10:06 回波強(qiáng)度維持，大于30 dBz 的回波面積相差不大.10:55 回波基本降低至30 dBz 以下，兩塊回波穩(wěn)定向東北方向移動.如表2 所示，作業(yè)后影響區(qū)回波明顯增強(qiáng)、強(qiáng)回波面積增大，而對比區(qū)的回波強(qiáng)度、強(qiáng)回波面積均減弱，雷達(dá)回波變化說明人工增雨效果明顯.

表2 2019 年6 月14 日作業(yè)后雷達(dá)參數(shù)對比Tab.2 The comparison of radar parameters after operations on 14 June,2019

圖4 2019 年6 月14 日作業(yè)后雷達(dá)組合反射率Fig.4 The composite reflectivity of radar after operation on 14 June,2019

總之，2 次初夏抗旱人工增雨作業(yè)目標(biāo)云均為混合云，中心強(qiáng)度在35～40 dBz 之間，回波頂高約為5～7 km，VIL 大于0.4 kg·m?2，低層速度輻合，回波移動速度較快.從雷達(dá)回波變化分析，2 次人工增雨作業(yè)均有效果，作業(yè)12 min 后雷達(dá)回波有明顯變化，強(qiáng)度增強(qiáng)，VIL 增大，大于30 dBz 的回波面積明顯增大，30 min 后回波開始減弱，1 h 后回波減弱至30 dBz 以下.

3.2 區(qū)域站降水分析“06.01”過程洱海流域自20:00 起出現(xiàn)降水，降水區(qū)域主要在南部.20:39—20:58 開展增雨作業(yè)，作業(yè)后21:00—22:00 降水量（圖5（a））影響區(qū)（圓圈內(nèi)）最大為大理站5.5 mm，3 mm 以上有5 站，而非作業(yè)區(qū)降水相對較小，增雨作業(yè)有明顯效果.

“06.14”過程作業(yè)后10:00—11:00 降水量（圖5（b））相比較少，但是影響區(qū)（圓圈內(nèi)）3 個(gè)站點(diǎn)降水量在1 mm 以上，洱海流域其余地區(qū)基本在1 mm 以下，增雨作業(yè)也有效果.

3.3 雨滴譜儀資料分析從“06.01”過程增雨作業(yè)前后降水強(qiáng)度變化（圖6）可以看到，陽和站20:21起開始出現(xiàn)降水，降水強(qiáng)度逐漸增大，至20:31 達(dá)到2.5 mm·h?1后處于較穩(wěn)定狀態(tài)，20:39 開展增雨作業(yè)后降水強(qiáng)度上升至5.3 mm·h?1，之后下降但基本維持在3 mm·h?1以上，期間20:54 出現(xiàn)極大值6.05 mm·h?1，21:03 下降至3 mm·h?1以下.雙陽站20:43 起有明顯降水，20:47 開展增雨作業(yè)后降雨強(qiáng)度明顯上升，至20:51 降水強(qiáng)度上升至最大8.3 mm·h?1，21:04 降低至3 mm·h?1以下.

圖6 2019 年6 月1 日20:00 至21:40 降水強(qiáng)度變化Fig.6 Changes of rainfall intensity during 20:00—21:40 on 1 June,2019

圖7 為雨滴數(shù)濃度隨雨滴直徑的時(shí)間演變，陽和站在作業(yè)之前雨滴譜數(shù)濃度較低，均在200個(gè)·m?3·min?1以下，在20:39 作業(yè)后雨滴譜數(shù)濃度出現(xiàn)了較明顯的躍增，雨滴數(shù)濃度最大值達(dá)到了490 個(gè)·m?3·min?1，但譜寬增加不明顯，主要是雨滴直徑1 mm 以下的小粒子，且呈現(xiàn)單峰特征，峰值在0.44 mm.雙陽站作業(yè)前有零星陣雨，20:47 作業(yè)后，雨滴譜數(shù)濃度出現(xiàn)躍增，最大值達(dá)到230個(gè)·m?3·min?1，但譜寬依然較小，同樣也呈現(xiàn)單峰型特征，峰值在0.44 mm.所以增雨作業(yè)雖有效果，但是降水量小.

圖7 2019 年6 月1 日20:00 至22:00 雨滴數(shù)濃度隨直徑的時(shí)間演變Fig.7 Temporal distribution of number concentration of raindrops varies with diameter during 20:00—22:00 on 1 June,2019

4 結(jié)論

（1）“06.01”過程受高空槽和切變線的影響，“06.14”過程受孟加拉灣低壓槽影響.水汽條件和上升運(yùn)動是開展人工增雨作業(yè)的必要條件，開展增雨作業(yè)前洱海流域?yàn)楦邼駞^(qū)，并且處于水汽輻合區(qū).作業(yè)時(shí)洱海流域上升運(yùn)動明顯，有利的環(huán)流形勢促進(jìn)水汽和催化劑向上運(yùn)動碰并凝結(jié)增長從而增加降水.

（2）洱海流域初夏人工增雨作業(yè)目標(biāo)云為混合云，中心強(qiáng)度在35～40 dBz，回波頂高為5～7 km，VIL 大于0.4 kg·m?2，低層速度輻合.

（3）開展增雨作業(yè)后雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)，VIL增大，大于30 dBz 的回波面積明顯增大.雨滴譜儀降水強(qiáng)度在開展增雨作業(yè)之后有明顯增大，作業(yè)后雨滴譜數(shù)濃度出現(xiàn)了躍增.區(qū)域站降水量作業(yè)影響區(qū)比非作業(yè)區(qū)大，2 次增雨作業(yè)均有明顯的效果.

近年來洱海流域初夏干旱明顯，本文只選擇了2 次增雨作業(yè)過程進(jìn)行分析，初步對洱海流域初夏抗旱增雨作業(yè)條件和作業(yè)效果進(jìn)行了總結(jié)分析，在今后的工作中將選取更多個(gè)例進(jìn)行更深入的分析.