安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估.pdf
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1、书书书杨慧玲,孙跃,肖辉,等安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估应用气象学报,():安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估杨慧玲)孙跃)肖辉)曹亚楠)冯亮)冯强)舒未希)朱明佳)(中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室,北京 )(中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 )(安徽省人工影响天气办公室,合肥 )(中国科学院空天信息创新研究院,北京 )摘要选取 年安徽省 次燃气炮作业的双偏振天气雷达、雨量计等多源观测数据,综合评估燃气炮作业增雨效果并分析可能机理。结果显示:在降水开始前作业个例增雨效果较好,并伴有水平反射率因子犣、差分反射率犣 的增加和共极化相关系数 的减少;降水开始后作
2、业增雨效果欠佳。使用携带暖云催化剂的燃气炮作业后云体变化主要在零度层以下,且维持时间较短;使用携带冷云催化剂的燃气炮作业后暖云区和冷云区均有明显变化,且作业影响持续时间更长。燃气炮作业过程中雷达速度谱宽增大,可能是作业引起气流涡旋的增加所导致。统计结果显示:增雨的显著性与作业时长呈负相关,作业时长与犣 增量呈负相关,过量播撒会导致减雨;增雨的显著性与作业前影响区雨量呈负相关;增雨量与犣、中低层风速、风切变呈正相关,与高层风速呈负相关。关键词:燃气炮;人工增雨;双偏振天气雷达;多源观测引言目前,我国人工影响天气主要包括人工增(减)雨、人工增雪、人工防雹和人工消雾等,以火箭、高炮和飞机为主要作业工
3、具 。然而,由于空域管制、人工影响天气炮弹火箭储运、作业安全防范等多方面影响,传统作业方法的作业时机和作用范围均受到很大制约。新型燃气炮是一种综合运用冲击波、声波和催化剂对局部天气干扰和催化影响的新型作业装备。燃气炮将燃气和压缩空气按照一定比例充入爆燃罐内,罐内混合气体被点燃后爆炸过程产生的强烈冲击波和声波引起燃气炮上空气流的扰动,影响大气动力和云雨粒子运动和碰并等物理过程,同时,燃气炮发射产生的强烈气流携带燃烧中的暖云催化剂或者冷云催化剂进入空中,影响上空水汽凝结、核化等云微物理过程,最终达到人工增(减)雨、人工增雪、人工消雾和人工防雹等目的。鉴于燃气炮作业不会对航空器飞行安全造成影响,不需
4、要申请作业空域,因此近年在我国安徽省寿县、内蒙古自治区兴安盟、山西省临汾市、贵州省贵阳市等地已经相继开展了燃气炮人工影响天气作业应用。然而,作为一种人工增雨作业的新技术设备,燃气炮还处于应用探索阶段,需要更多的野外试验以评估其增雨效果。燃气炮作业产生的强烈冲击波和强声波可能激发云内水凝物的运动、碰并和增长,影响水凝物粒子的浓度、粒径和形态等参数变化,诱发云中雨滴或冰晶短时间内急剧增多,促进降水发生 。但燃气炮发射时产生具有强大冲击力的热气流也可能导致云 收到,收到再改稿。资助项目:国家重点研发计划课题(,),中部区域人工影响天气能力建设项目研究试验(),河南省科技厅科技攻关项目()通信作者,邮
5、箱:第 卷 第期 年月 应 用 气 象 学 报 ,雾消散,具体效果取决于燃气炮发射时目标云体高度、流场和微物理场等因素。因此,需要对燃气炮作业的人工增雨效果进行客观、科学的定量评估 。目前,人工增雨效果的检验方法主要包括数值模拟检验、统计检验和物理检验 。数值模拟检验根据云和降水的宏微观物理过程,模拟自然云和催化云的云和降水形成物理过程,分析人工影响天气的作业效果。统计检验以数理统计为基础,在一定显著性水平上得到定量的人工影响天气作业效果,评价作业有效性。国内外学者利用统计检验方法开展了大量的工作,如区域对比试验、历史回归试验、区域控制法、协变量统计分析方法和聚类分析方法等 。物理检验包括云体
6、宏微观结构观测和催化剂示踪观测等,其中雷达、卫星等遥感探测技术以及飞机穿云观测技术在物理检验中有重要的应用潜力 。近 年多普勒天气雷达技术水平不断发展,可以更多地了解云和降水的宏观特征,但仍然缺乏云微物理特征的探测手段 。随着双偏振多普勒天气雷达的发展和应用,偏振参量对探测云微物理变化特征和分析 降 水 形成 过 程具 有 重 要 的 应 用 潜力 。在人工影响天气作业过程中,分析双偏振多普勒天气雷达参数(水平反射率因子(犣)、差分反射率(犣)、共极化相关系数()、多普勒径向速度(犞)及速度谱宽(犛)等),有助于分析人工影响天气的作业效果。目前,国内利用燃气炮开展人工影响天气作业尚处于探索阶段
7、,利用双偏振多普勒天气雷达、地面雨量和 再分析数据综合评估燃气炮人工作业效果的研究鲜见报道。鉴于此,本文以安徽省 次燃气炮作业个例为基础,利用多源观测数据,从多角度综合研究和评估燃气炮开展人工增雨作业的效果,研究结果有望为进步分析燃气炮对云微物理过程和降水人工影响的作业效应提供重要参考。数据与分析 燃气炮简介 年安徽省人工增雨作业中使用了种类型燃气炮:第种是中国华云气象科技集团公司生产的 型燃气炮,第种为北京厚力德仪器设备有限公司生产的 型聚能燃气炮,第种是华云普达(北京)科技有限公司生产的 移动旋转型增雨防雹燃气炮(第代)。种燃气炮均以液化气和空气为能源,依靠冲击波向高空播撒 冷云催化剂或者
8、暖云催化剂进行作业,具有安全性高、环保、不需要申请空域、作业成本极低、操作简易的特点。其中,中国华云气象科技集团公司生产的 型燃气炮遥控距离为 ,炮口流速为 ,炮轰间隔 可调,可连续工作。华云普达(北京)科技有限公司生产的 移动旋转型增雨防雹燃气炮(第代)是第代燃气炮的升级产品,采用移动旋转设计,具备定向(偏离天顶 )发射及转动发射功能,水平作用范围更大。北京厚力德仪器设备有限公司生产的 型聚能燃气炮遥控距离为 ,炮口流速为 ,定向发射角范围(偏离天顶)为 ,炮轰间隔 可调,可连续工作以上。与 型燃气炮相比,型聚能燃气炮炮口流速更大,冲击力更强,预期作用距离更远。不同类型燃气炮性能对于作业效果
9、评估的影响目前尚不清楚。数据及研究区域本研究使用欧洲中期天气预报中心 再分析数据、波段双偏振多普勒天气雷达数据以及地面小时降水数据等多源观测数据。研究使用位于安徽省合肥、阜阳和铜陵的 型双偏振多普勒业务天气雷达数据。雷达采用机械扫描控制,每 完成次个仰角的体扫。使用的雷达记录变量包括水平反射率因子(犣,单位:)、差分反射率(犣,单位:)、共极化相关系数(,量纲为)、多普勒径向速度(犞,单位:)和速度谱宽(犛,单位:)。选取作业区域附近个经(纬)度范围内共 个自动雨量站的小时降水量,并利用 再分析数据(水平分辨率为 )的风场数据建立作业影响区及对比区。分析 年 月 日 年月 日 次 燃 气 炮
10、作 业 个 例,其 中,作 业 时 间 最 短 为 ,最长为。燃气炮作业涉及安徽省亳州、阜阳、合肥和马鞍山。作业站点分别为亳州市谯城区亳芜园区、亳州市利辛县气象局、亳州市利辛县马店孜镇湿地公园、亳州市利辛县永兴镇空气炮点、阜阳市颍泉区茨河铺、阜阳市临泉县邢塘街道、阜阳市颍上县慎城镇、阜阳市颍上县十八里铺乡、合肥市肥西县花岗镇、马鞍山市和县夹山关水库作业点、马鞍山市含山县昭关水库和马鞍山市博望区野风港空气 应用气象学报 第 卷炮点。马鞍山市含山县昭关水库作业点使用华云普达(北京)科技有限公司生产的 移动旋转型增雨防雹燃气炮(第代);马鞍山市和县夹山关水库作业点、马鞍山市博望区野风港空气炮点和亳州
11、市利辛县永兴镇空气炮点个站点使用北京厚力德仪器设备有限公司生产的 型聚能燃气炮;其他站点均使用中国华云气象科技集团公司生产的 型燃气炮。燃气炮作业点(个)及雷达(部)和自动雨量站(个)位置如图所示。图燃气炮作业点、波段双偏振天气雷达和自动雨量站位置示意图(红色圆圈为以雷达为原点的半径 探测范围),()作业条件目前在具备作业条件的情况下,燃气炮人工增雨是传统火箭作业手段的补充。将满足安徽省人工影响天气办公室建议的增雨作业指标(式()和实时雷达回波强度(至少大于 )的云系作为目标区,考虑当日温度和使用的催化剂种类确定作业云系。以暖云催化、天顶发射为主。作业时长由天气过程影响时间和厂家推荐的安全作业
12、时间综合确定,一般定为、。安徽省人工影响天气办公室建议增雨作业指标采用以下判别方法:利用雷达进行作业条件判别,将云体反射率因子极大值(犚 ,单位:)、垂直积分液态水含量(犞,单位:)、负温层厚度(犛,单位:)、云体质量(犕,单位:)进行加权得到人工增雨作业条件指标:犐 犐(犚 )犐(犞)犐(犛)犐(犕)。()当犐,无作业条件;犐,作业条件较差;犐,作业条件一般;犐,作业条件较好;犐,作业条件很好。分析方法雷达垂直剖面分析方法:燃气炮作业前至作业结束后,以 层水平风为参考风向,对站点上游 至站点下游 范围进行插值垂直剖面。插值由雷达的径向距离、方位角、仰角为原始坐标进行三线性插值。这组雷达垂直剖
13、面图主要用于考察燃气炮作业前后降水云的垂直结构变化。为了分析人工增雨燃气炮作业对作业云体双偏振特征参量的影响,对 个作业个例进行统计分析。每个个例选取与当前炮点最近的雷达观测数据,统计分析影响区和对比区内雷达最低层仰角内各变量的平均值随时间的变化,得到作业前后影响区和对比区的物理参量差异。研究结果 影响区和对比区选择燃气炮的催化剂播撒特点近似介于地面烟炉和高炮之间,可能引起的效果包括瞬时动力效应和数十分钟内催化剂引发的微物理效应。然而,通过对 个作业个例雷达数据逐帧、逐层仔细观察,并未发现以往相控阵雷达观测高炮防雹作业研究中发现的瞬 时 动 力 结 构 改 变 和 疑 似 高 炮 炸 点 的
14、信号。这既可能由于机械扫描业务雷达时空分辨率低,也可能由于燃气炮在高空引发瞬时的动力效应不够强,具体原因有待研究,本文不对此深入分析。下面将划定影响区和对比区,以便对播撒催化剂在作业点下游可能引发的效应进行讨论。在作业影响范围方面,尽管目前对燃气炮直接输送催化剂的最大高度仍然缺乏充分评估,但考虑到炮口向上发射的催化剂可能被云下环境的上升气流带入对流云中,进而由对流云输送至对流层中上层。同时,在确定催化剂水平输送和扩散范围时,对第期 杨慧玲等:安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估流层低层和中层的水平风也应予以考虑。本文利用与燃气炮作业时刻最临近的 再分析数据,分别计算每个个例的影响区和对比区范围
15、。影响区的定义规则:考虑内,从地面到 高度的水平风对催化剂的输送作用和扩散作用,最终构成的不规则边界区域如图棕红色区域所示。对比区具体定义:按燃气炮作业平均时刻 高度的水平风向及相邻 方向,取地面到 高度的最大风速,取与影响区计算时长相同的,构建左右各 的扇形区域,剔除影响区所占的区域,作为燃气炮作业下风侧向对比区。构建下风侧向对比区的原因在于统计增雨时拟用作业后的雨量减去作业前的雨量。如果在一个降水云向燃气炮点移动时进行作业,那么作业后云系将恰好在下风方向形成降水,而上风方向可能已经下完雨,这时用作业后的雨量减去作业前的雨量,可能导致影响区的雨量差为正值,上风方向的对比区雨量差为负值,这在理
16、论上会干扰统计结果的客观性。图影响区与下风侧向对比区构建 典型个例作业前后观测小时降水量图为部分代表性作业个例的观测小时降水量。选取个不同类型个例:个例,年月 日,作业时段为:(北京时,下同),降水开始一段时间进行携带冷云催化剂的燃气炮作业;个例,年 月 日,作业时段为:,刚开始降水进行携带暖云催化剂的燃气炮作业;个例,年月 日,作业时段为:,降水未开始进行携带冷云催化剂的燃气炮作业。图燃气炮(位于图中倒三角符号位置)作业前后典型个例观测小时降水量(填色圆圈为台站观测的小时累积降水量,填色场为距离平方反比插值结果;风羽为 风场)()(,)应用气象学报 第 卷续图由图可见,个例为在降水发生一段时
17、间后开始燃气炮作业,沿下风方向降水无明显变化,说明作业效果欠佳。个例为降水刚开始进行燃气炮作业,作业时段内降水有一定增加,说明作业效果较好。个例为降水开始前进行燃气炮作业,作业后沿下风方向降水明显增加,说明增雨效果显著。因此,降水开始前进行燃气炮作业,增雨效果较好,降水开始后作业,增雨效果不理想。这主要是因为降水开始后作业,由于降水的冲刷作用,燃气炮作业向空中释放的催化剂不容易被输送至高空,因而对云中水凝物的微物理过程影响较弱。在降水开始前作业,云中上升气流比较旺盛,燃气炮作业向空中释放的催化剂容易随上升气流输送至云中,引起云中核化作用增强,形成大量小液滴,通过凝结和碰并作用,大雨滴增多,地面
18、降水增加。典型个例作业前后雷达双偏振参数探空图(图略)为典型个例分析提供天气背景。个例的 年月 日:合肥站探空显示,地面温度约为,自由抬升凝结高度气压为 ,自由抬升凝结高度温度为 ,即云底高度约为 ,零度层高度约为,对流有效位能为 ,容易产生对流抬升,催化剂易由上升气流携带至零度层以上,使用冷云催化剂作业。个例的 年 月 日:铜陵站探空显示,地面温度约为,自由抬升凝结高度气压为 ,自由抬升凝结高度温度为 ,即云底高度约 ,零度层高度约 ,对流有效位能为零,产生对流抬升的可能性较小,使用暖云催化剂作业。个例的 年月 日:合肥站探空显示,地面温度约,自由抬升凝结高度气 压 为 ,自 由 抬 升 凝
19、 结 高 度 温 度 为,即云底高 度约 为 ,零 度层 高 度约为,对流有效位能为 ,容易产生对流抬升,催化剂易由上升气流携带至零度层以上,使用冷云催化剂作业。图图分别为上述个典型个例在燃气炮作业前后双偏振雷达参量(水平反射率因子犣、差分反射率犣 和共极化相关系数)的雷达垂直剖第期 杨慧玲等:安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估面。个例(图)为 年月 日降水过程作业个例。降水已经开始一段时间使用带有冷云催化剂的燃气炮进行作业,作业后犣、犣 和 相对于作业前均无明显变化,表明作业效果欠佳。图个例(作业时段为 年月 日:)作业前后双偏振雷达参量(垂直剖面为沿 水平风方向、过作业站点的上游 下游
20、的插值剖面,下同)()(,)个例(图)为 年 月 日降水过程作业个例。在降水开始初期,使用带有暖云催化剂的燃气炮进行作业,作业进行 (:)后犣明显增强,强回波()顶高升高,犣 大值区范围增 大,距 离 燃 气 炮 作 业 点 (上 游)和 (下游)处的 减少,这表明云中大雨滴增多,暖云催化剂被对流云上升气流输送至云中,云中大云滴核化加快,液滴直接碰并作用增强,液滴增大。随着大液滴增多,犣增强,犣 增大。同时,由于云中大滴增多,滴谱变宽,液滴种类增多,减少。随着作业时间增加,作业进行 (:)后,作业效果减弱,犣、犣 相对于作业 时均减小,而 增大,这说明随着大液滴的降落,云中水滴变小。因此,在降
21、水发生初期进行带有暖云催化剂的燃气炮作业,刚开始作业效果较好,降水增强,但随着作业时间增加,作业效果逐步减弱。雷达参数进一步显示,利用暖云催化剂的燃气炮作业后,云内的变化主要发生在 高度以下范围,尤其发生在零度层()高度以下范围,这也说明暖云催化剂主要对暖云微物理过程产生明显影响。个例(图)为 年月 日降水过程作业个例。降水开始前进行带有冷云催化剂的燃气炮作业,作业进行 (:)后,对流云强回波中心的犣、犣 明显增大,强回波顶高增加(可到达 高度 附近),犣 大 值区 范围 明 显 增 大。犣 柱出现在 高度以下,说明在过冷层 高度范围存在大量过冷水,这有利于对流云中的冰相粒子通过凇附等微物理过
22、程生成。强回波中心的 从云底到 高度范围均出现较小值区域,这可能说明云中水凝物种类明显增加,高层 减小与冰晶粒子数浓度增大有密切相关,而低层由于冰晶融化,液滴大小不均引起。这些结果表明:冷云催化剂随对流云上升气流进入云体,导致云中冰晶核化和凇附过程增强,同时,由于固态降水粒子的 应用气象学报 第 卷图个例(作业时段为 年 月 日:)作业前后双偏振雷达参量 ()图个例(作业时段为 年月 日:)作业前后双偏振雷达参量 ()融化等过程又引起融化层(高度)以下大液滴增大,犣增大,犣 减小。随着作业持续,作业 第期 杨慧玲等:安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估(:)后犣减弱,且大值中心高度下降,犣 最
23、大值减少,且 大值 中 心高 度 明 显 降 低(下 降 到 高度以下),低值中心高度也降低,这说明云中粒子由冰相向液相降水的转化过程增强,云中低层大液滴增多,降水增强。因此,该个例与个例类似,在降水开始前作业,作业效果好,降水增强,随着作业时间延长,作业效果减弱。但值得指出的是,带有冷云催化剂的燃气炮作业后对流云内各雷达参量变化范围扩大,高度以下范围变化明显,这可能说明带有冷云催化剂的燃气炮作业对对流云中冷云、暖云微物理过程均有明显的影响作用。综上所述,在降水开始前进行带有暖云催化剂或者冷云催化剂的燃气炮进行对流云增雨作业可以取得较好作业效果,使得降水增强,随着降水增大,作业效果减弱。使用带
24、有暖云催化剂的燃气炮作业后对流云体变化主要发生在零度层以下,对暖云微物理过程影响明显,这说明燃气炮作业的暖云催化剂起主要作用。使用带有冷云催化剂的燃气炮作业后冷云和暖云区均发生明显变化,同时影响对流云中的冷云和暖云微物理过程,影响范围更大,可达到 高度,零度层以上出现犣 柱,云中出现过冷水区,这说明冷云催化剂对对流云中的冷云和暖云微物理过程均产生明显影响。由双偏振雷达探测的偏振参量分析可知,燃气炮作业可使对流云中的冰相水凝物向液相水凝物的转化过程明显增强。典型个例影响区与作业区双偏振特征参量取最低仰角()的平面位置显示图()对上述个典型个例作业前后双偏振雷达参量(犣、犣、犛)进行统计分析(图图
25、)。由图可以看到,影响区犣和犣 在作业时段内相对于作业前有少量减小,而对比区的犣和犣 则为少量增大。这说明作业效果欠佳,甚至产生减雨效果。同时,影响区的 有少量减小,说明作业对液滴尺度有一定影响,液滴尺度分布范围更广,而对比区的 基本无变化。影响区的犛明显增宽,这可能与燃气炮作业产生的冲击波影响作用一致。燃气炮冲击波作用下空气受到强烈扰动,不同尺度的液滴可能以不同的惯性速度运动,增强不同大小水滴之间的碰并作用,使大滴增多,因此,云中速度谱宽犛明显增大。相比之下,对比区的速度谱宽则变化不大。图个例作业前后最低仰角()双偏振特征参量(黑色竖线为作业起止时间,下同)()(,)由图可知,作业后影响区和
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