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摘要 利用2013—2014年青海省东部农业区人工增雨作业期间雷达资料，根据层状云和对流云2种类型云的地面增雨作业，分析了作业云体（或对比云体）催化前后的组合反射率、回波顶高和垂直积分液态水含量等雷达参数的变化规律。结果表明，层状云地面增雨作业后各雷达参量在一定时间内处于上升趋势，第5～7个体扫时达到最大，之后才出现下降趋势。因此，可考虑对此类降水云系的重复作业时机应选择在作业后第5～7个体扫，即作业后30～40 min。在对流云增雨过程中，通过对照对比云，增雨作业有助于延长对流单体的生命史，具有较大的增雨潜力。
关键词 雷达资料；人工增雨；效果检验；应用；青海省东部
中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）12-0214-04
Abstract According to two types of clouds（stratiform cloud and convective cloud），the change regulation of radar parameters（composite reflectivity，echo top height and vertical integrated liquid water content）of seeding clouds（no-seeding clouds）were analyzed before and after weather modification operations，based on the radar data in the agricultural region of eastern of Qinghai Province during the artificial precipitation period from 2013 to 2014. The results showed that the radar echo parameters of stratiform cloud became greater gradually in a certain time after seeding，and the maximum values appeared in the 5th to 7th scan body after seeding，then decreased. It is suggested that duplication timing of such rain clouds should be 5-7 individual sweep（30-40 mintus）after operation. In the process of convective clouds seeding，artificial precipitation enhancement are helpful to prolong the life of the convective cells by comparing seeded clouds and no-seeding clouds.
Key words radar data；artificial precipitation enhancement；effect evaluation；application；eastern of Qinghai Province
干旱是我國乃至全球常见和最大的自然灾害之一，其发生频率高、持续时间长、影响范围广，对农业生产、生态环境和人民生活均有重要影响，是制约我国社会进步和经济发展的重要因素之一[1]。青海省地处高原气候的典型区域，其东部农业区属暖凉温半干旱气候区，也是青海省主要的粮食产区，而干旱一直是制约当地产量水平的主要气象灾害[2]。人工增雨是在一定条件下通过人工途径对云施加影响，从而增大降水量、缓解旱情的科学技术[3]。青海省东部农业区从1992年开始开展有组织的人工影响天气工作，近年来随着人工增雨作业范围的不断扩大，投入的资金不断增加，如何客观、科学、定量地评价人工增雨效果成为人工影响天气研究和作业的关键性问题，但同时也是人工影响天气研究中最困难的科学问题之一[4-7]。相比于统计学检验，人工影响天气效果的物理检验可以为效果评估提供物理依据[8]。因为通过对雷达扫描图像产品的分析，研究作业的目标云催化前后的变化或目标云与对比云的异同等特征，可以较直观地判断作业的效果，为人工增雨效果检验提供直接的证据[9-11]。近几年，采用雷达进行物理检验在我国许多省市已进行了一些探索，如李红斌等[12]在2007年应用多普勒雷达数值产品对火箭增雨效果进行了分析，总结出利用雷达实时指挥作业其雷达回波几个主要参数随时间的变化规律；张中波等[13]利用湖南省境内的多普勒天气雷达探测资料，结合湖南省中小尺度地面降雨量资料，对催化作业前后目标云与对比云的多普勒天气雷达参数（回波顶高、最大反射率因子、垂直积分液态水含量等）的变化特征进行对比分析；崔 丹等[14]采用地面降水资料、多普勒雷达数据、探空资料等，通过目标区作业前后雷达参量的演变或目标区与对比区的回波参量的差异，完整地分析2010年8月11日海南西部多点作业情况的催化效果。目前，对青海省东部农业区雷达资料的分析研究主要集中在冰雹监测与预警等方面，在应用雷达进行增雨效果分析方面则相对比较薄弱。因此，笔者利用2013—2014年青海省东部农业区人工增雨作业期间雷达资料，根据层状云和对流云2种类型云的地面增雨作业，分析了作业云体（或对比云体）催化前后的组合反射率、回波顶高和垂直积分液态水含量等雷达参数，从而直观、客观地判断作业效果，为进一步完善青海省人工增雨作业雷达指标、充分开发空中云水资源提供科学依据。
1 层状云地面增雨作业效果分析
1.1 个例分析
2013年5月7日20：00，在500 hPa高空图上，亚洲中高纬度维持两槽一脊，一个位于贝尔加湖到青海东部，另一个位于日本海以东，具体见图1（a）；地面图上，青海东南部倒槽继续发展，将水汽源源不断输送到青海东部，具体见图1（b）。充足的水汽输送和高空切变线有利于人工影响天气作业的开展。 根据天气条件，青海省人工影响天气办公室在西宁、海东、海北、海南以及黄南等地区进行地面大规模人工增雨作业。其中，湟中于21：39作业3次，耗用火箭弹6枚。由图2、3可以看出，作业前作业区内云体已出现减弱趋势，随着作业的进行，目标云明显出现增强趋势。
从图4可以看出，作业前云体已出现减弱现象，作业后组合反射率在较长时间保持在35 dBZ，之后才缓慢减弱。回波顶高在作业后一直保持升高趋势。由图5可以看出，作业前垂直积分液态水含量呈现起伏现象，作业后迅速增大，并在很长时间内保持平稳。同时，结合自动站10 min降水资料（图5）也可以看出，随着地面增雨作业的进行，湟中县降水强度明显增大，说明此次作业效果较好。
此外，2013年5月7日层状云人工增雨雷达参量在作业前后的独立样本t检验结果表明，层状云地面人工增雨作业后回波顶高、垂直积分液态水含量显著大于作业前，分别通过0.05和0.1显著性检验。
1.2 平均值统计
对层状云地面增雨作业的20个个例的雷达组合反射率、回波顶高及垂直积分液态水含量进行统计和分析，得到了其平均值作业前后的变化规律（图6）：作业前组合反射率趋于上升，之后又呈现下降趋势，随着地面增雨作业，又趋于上升，并在作业后第7个体扫，即作业后42 min，达到最大。回波顶高作业后较作业前有上升趋势，且在作业后第6个体扫达到最大，为7.7 km。垂直积分液态水含量的变化趋势与回波顶高变化相似，在作业后第5、6个体扫达到最大。根据上述几个特征值在第5～7个体扫时达到最大，之后出现下降的变化趋势，可考虑对层状云重复作业时机应选择在作业后第5～7个体扫，即作业后30～40 min，这一结论与李红斌等[12]应用雷达数据分析火箭增雨效果的结论一致。
此外，层状云20个地面人工增雨个例雷达参量在作业前后的独立样本t检验结果表明，层状云地面人工增雨作业后仅回波顶高显著大于作业前，并通过0.1显著性检验。由此说明，在对层状云地面人工增雨作业中，回波顶高是比较敏感的一个参量，可作为评判人工增雨效果的一个重要参数。
2 2014年4月15日对流云增雨作业效果个例分析
2014年4月15日，受蒙古槽分裂冷空气和局部气流抬升影响，青海省东部农业区出现了1次強对流降水天气过程。针对上述情况，海东地区平安县洪水乡（102.06°E，36.6°N）于22：46—22：48开展了人工增雨作业，作业耗用火箭弹6枚。
对流云地面增雨作业时，作业范围较小，可在作业云上风方向选取相似云体特征及云体发展演变类似的对比云进行作业前后雷达产品的分析[15]。从此次作业前选取的目标云和对比云雷达特征看，其发展和变化趋势相似。
2.1 作业前后垂直剖面
作业前后，比较目标云与对比云整个生命期的回波参数变化情况。图7为作业过程选定的目标云与对比云作业前后雷达垂直剖面演变情况。从图8可以看出，作业前目标云和对比云在稳定发展中，作业后近1 h目标云仍有持续发展或增强的趋势，而对比云在此时已经明显减弱或消散。为更清晰地掌握目标云和对比云雷达回波参数的发展演变，图9给出目标云和对比云每隔6 min的发展变化情况。
2.2 回波参数变化特征
从图9可以看出，作业过程目标云和对比云变化规律比较接近，但目标云持续发展的时间明显比对比云要长。分析作业回波参数特征发现，目标云的组合反射率在催化后10个体扫，即1 h，仍有增强趋势，而对比云已经趋于减弱。回波顶高在作业前已趋于下降趋势，但随着催化作业的进行，目标云的回波顶高又出现上升趋势。各回波面积所占比例中，目标云主要增加的是30 dBZ回波面积，其他回波增加幅度不明显，而对比云增加的是较小回波面积，说明作业催化主要提高了较强回波区的强度，这一结论与崔 丹等[14]应用海南雷达数据分析增雨效果的结论一致。此外，2014年4月15日对流云人工增雨雷达参量目标云和对比云配对t检验结果表明，目标云地面人工增雨作业后垂直积分液态水含量显著大于对比云，且通过0.01显著性检验。
2.3 地面降水量分析
取靠近作业点下风方向的自动雨量站的10 min降水资料与对比区降水资料进行对比（图10），作业前作业区和对比区降水均不明显，但催化后作业区内降水明显增大，最大达到1.1 mm/10min，且持续到作业后1 h仍有降水。而对比区降水一直保持较小水平。由此可见，本次地面人工增雨作业效果明显。
3 结论与讨论
通过对层状云地面增雨作业的20个个例的雷达组合反射率、回波顶高及垂直积分液态水含量进行统计和分析，得到了其平均值作业前后的变化规律。发现对此类云系进行地面增雨作业，雷达几个特征参量在作业后第5～7个体扫时达到最大，之后出现下降的变化趋势，可考虑对此类降水云系的重复作业时机应选择在作业后第5～7个体扫，即作业后30～40 min。此外，通过层状云人工增雨作业前后雷达平均参量独立样本t检验，回波顶高显著增高，可作为效果判识的参量之一，用以评判人工增雨效果。
在对流云增雨过程中，通过分析2014年4月15日催化影响目标云微物理过程，发现其催化后反射率因子、回波顶高、垂直液态水含量和回波面积等参量得到快速增长，从而延长对流单体的生命史，具有较大的增雨潜力。并通过配对t检验发现目标云地面人工增雨作业后垂直积分液态水含量显著大于对比云。
青海省东部农业区人工增雨主要在春季开展，层状云地面增雨作业一般进行大规模、大范围的抗旱增雨作业，在对比区的选择上有一定的困难，导致效果检验缺乏说服力；而针对对流云增雨作业的个例较少，不能很好地归纳其变化规律。因此，在以后的作业过程中可以尝试开展一些试验性、有选择性的增雨作业。
4 参考文献
[1] 权文婷，李红梅，周辉，等.FY-3C/MERSI数据应用于陕西省干旱时空动态监测研究[J].干旱地区农业研究，2016，34（3）：193-197. [2] 姚瑶，张鑫，马全，等.青海省东部农业区作物生长期不同气象干旱指标应用研究[J].自然灾害学报，2014，23（4）：177-184.
[3] 郭红艳，李春光，刘强，等.山东济宁地区人工增雨效果检验[J].干旱气象，2014，32（3）：454-459.
[4] 周德平，王吉宏，曾光平，等.辽宁1992—1997年飞机人工增雨效果评价[J].气象与环境学报，1999，15（1）：39-41.
[5] 郑国光，陈跃，王鹏飞，等.人工增雨天气研究中的关键问题[M].北京：气象出版社，2005：27-31.
[6] 蒋年冲，曾光平，袁野，等.夏季对流云人工增雨效果评价方法初探[J].气象科学，2008，28（1）：100-104.
[7] 王扬锋，陆忠艳，马雁军.冷云中飞机播撒液态CO2的催化效应研究[J].气象与环境学报，2005，21（4）：29-31.
[8] 刘晴，姚展予.飞机增雨作业物理检验方法探究及个例分析[J].气象，2013，39（10）：1359-1368.
[9] 袁健，宫福久，郭恩铭.应用雷达回波检验人工增雨效果的个例分析[J].气象与环境学报，2003，19（4）：22-23.
[10] 王吉宏，班显秀，袁健，等.人工增雨效果检验方法概述[J].气象与环境学报，2003，19（1）：31-32.
[11] 李红斌，张殿刚，张靖萱，等.大连市火箭人工增雨流动作业技术与业务流程[J].气象，2014，40（10）：1271-1278.
[12] 李红斌，何玉科，周德平，等.多普勒雷达数值产品在火箭增雨效果分析中的應用[J].气象科技，2007，40（10）：697-702.
[13] 张中波，仇财兴，唐林.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.
[14] 崔丹，黄彦彬，肖辉，等.多普勒雷达数据在海南省人工增雨效果评估中的应用[J].大气科学学报，2012，35（1）：87-94.
[15] 李德俊，唐茂，江鸿，等.武汉一次对流云火箭人工增雨作业的综合观测分析[J].干旱气象，2016，34（2）：362-369.
关键词 雷达资料；人工增雨；效果检验；应用；青海省东部
中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）12-0214-04
Abstract According to two types of clouds（stratiform cloud and convective cloud），the change regulation of radar parameters（composite reflectivity，echo top height and vertical integrated liquid water content）of seeding clouds（no-seeding clouds）were analyzed before and after weather modification operations，based on the radar data in the agricultural region of eastern of Qinghai Province during the artificial precipitation period from 2013 to 2014. The results showed that the radar echo parameters of stratiform cloud became greater gradually in a certain time after seeding，and the maximum values appeared in the 5th to 7th scan body after seeding，then decreased. It is suggested that duplication timing of such rain clouds should be 5-7 individual sweep（30-40 mintus）after operation. In the process of convective clouds seeding，artificial precipitation enhancement are helpful to prolong the life of the convective cells by comparing seeded clouds and no-seeding clouds.
Key words radar data；artificial precipitation enhancement；effect evaluation；application；eastern of Qinghai Province
干旱是我國乃至全球常见和最大的自然灾害之一，其发生频率高、持续时间长、影响范围广，对农业生产、生态环境和人民生活均有重要影响，是制约我国社会进步和经济发展的重要因素之一[1]。青海省地处高原气候的典型区域，其东部农业区属暖凉温半干旱气候区，也是青海省主要的粮食产区，而干旱一直是制约当地产量水平的主要气象灾害[2]。人工增雨是在一定条件下通过人工途径对云施加影响，从而增大降水量、缓解旱情的科学技术[3]。青海省东部农业区从1992年开始开展有组织的人工影响天气工作，近年来随着人工增雨作业范围的不断扩大，投入的资金不断增加，如何客观、科学、定量地评价人工增雨效果成为人工影响天气研究和作业的关键性问题，但同时也是人工影响天气研究中最困难的科学问题之一[4-7]。相比于统计学检验，人工影响天气效果的物理检验可以为效果评估提供物理依据[8]。因为通过对雷达扫描图像产品的分析，研究作业的目标云催化前后的变化或目标云与对比云的异同等特征，可以较直观地判断作业的效果，为人工增雨效果检验提供直接的证据[9-11]。近几年，采用雷达进行物理检验在我国许多省市已进行了一些探索，如李红斌等[12]在2007年应用多普勒雷达数值产品对火箭增雨效果进行了分析，总结出利用雷达实时指挥作业其雷达回波几个主要参数随时间的变化规律；张中波等[13]利用湖南省境内的多普勒天气雷达探测资料，结合湖南省中小尺度地面降雨量资料，对催化作业前后目标云与对比云的多普勒天气雷达参数（回波顶高、最大反射率因子、垂直积分液态水含量等）的变化特征进行对比分析；崔 丹等[14]采用地面降水资料、多普勒雷达数据、探空资料等，通过目标区作业前后雷达参量的演变或目标区与对比区的回波参量的差异，完整地分析2010年8月11日海南西部多点作业情况的催化效果。目前，对青海省东部农业区雷达资料的分析研究主要集中在冰雹监测与预警等方面，在应用雷达进行增雨效果分析方面则相对比较薄弱。因此，笔者利用2013—2014年青海省东部农业区人工增雨作业期间雷达资料，根据层状云和对流云2种类型云的地面增雨作业，分析了作业云体（或对比云体）催化前后的组合反射率、回波顶高和垂直积分液态水含量等雷达参数，从而直观、客观地判断作业效果，为进一步完善青海省人工增雨作业雷达指标、充分开发空中云水资源提供科学依据。
1 层状云地面增雨作业效果分析
1.1 个例分析
2013年5月7日20：00，在500 hPa高空图上，亚洲中高纬度维持两槽一脊，一个位于贝尔加湖到青海东部，另一个位于日本海以东，具体见图1（a）；地面图上，青海东南部倒槽继续发展，将水汽源源不断输送到青海东部，具体见图1（b）。充足的水汽输送和高空切变线有利于人工影响天气作业的开展。 根据天气条件，青海省人工影响天气办公室在西宁、海东、海北、海南以及黄南等地区进行地面大规模人工增雨作业。其中，湟中于21：39作业3次，耗用火箭弹6枚。由图2、3可以看出，作业前作业区内云体已出现减弱趋势，随着作业的进行，目标云明显出现增强趋势。
从图4可以看出，作业前云体已出现减弱现象，作业后组合反射率在较长时间保持在35 dBZ，之后才缓慢减弱。回波顶高在作业后一直保持升高趋势。由图5可以看出，作业前垂直积分液态水含量呈现起伏现象，作业后迅速增大，并在很长时间内保持平稳。同时，结合自动站10 min降水资料（图5）也可以看出，随着地面增雨作业的进行，湟中县降水强度明显增大，说明此次作业效果较好。
此外，2013年5月7日层状云人工增雨雷达参量在作业前后的独立样本t检验结果表明，层状云地面人工增雨作业后回波顶高、垂直积分液态水含量显著大于作业前，分别通过0.05和0.1显著性检验。
1.2 平均值统计
对层状云地面增雨作业的20个个例的雷达组合反射率、回波顶高及垂直积分液态水含量进行统计和分析，得到了其平均值作业前后的变化规律（图6）：作业前组合反射率趋于上升，之后又呈现下降趋势，随着地面增雨作业，又趋于上升，并在作业后第7个体扫，即作业后42 min，达到最大。回波顶高作业后较作业前有上升趋势，且在作业后第6个体扫达到最大，为7.7 km。垂直积分液态水含量的变化趋势与回波顶高变化相似，在作业后第5、6个体扫达到最大。根据上述几个特征值在第5～7个体扫时达到最大，之后出现下降的变化趋势，可考虑对层状云重复作业时机应选择在作业后第5～7个体扫，即作业后30～40 min，这一结论与李红斌等[12]应用雷达数据分析火箭增雨效果的结论一致。
此外，层状云20个地面人工增雨个例雷达参量在作业前后的独立样本t检验结果表明，层状云地面人工增雨作业后仅回波顶高显著大于作业前，并通过0.1显著性检验。由此说明，在对层状云地面人工增雨作业中，回波顶高是比较敏感的一个参量，可作为评判人工增雨效果的一个重要参数。
2 2014年4月15日对流云增雨作业效果个例分析
2014年4月15日，受蒙古槽分裂冷空气和局部气流抬升影响，青海省东部农业区出现了1次強对流降水天气过程。针对上述情况，海东地区平安县洪水乡（102.06°E，36.6°N）于22：46—22：48开展了人工增雨作业，作业耗用火箭弹6枚。
对流云地面增雨作业时，作业范围较小，可在作业云上风方向选取相似云体特征及云体发展演变类似的对比云进行作业前后雷达产品的分析[15]。从此次作业前选取的目标云和对比云雷达特征看，其发展和变化趋势相似。
2.1 作业前后垂直剖面
作业前后，比较目标云与对比云整个生命期的回波参数变化情况。图7为作业过程选定的目标云与对比云作业前后雷达垂直剖面演变情况。从图8可以看出，作业前目标云和对比云在稳定发展中，作业后近1 h目标云仍有持续发展或增强的趋势，而对比云在此时已经明显减弱或消散。为更清晰地掌握目标云和对比云雷达回波参数的发展演变，图9给出目标云和对比云每隔6 min的发展变化情况。
2.2 回波参数变化特征
从图9可以看出，作业过程目标云和对比云变化规律比较接近，但目标云持续发展的时间明显比对比云要长。分析作业回波参数特征发现，目标云的组合反射率在催化后10个体扫，即1 h，仍有增强趋势，而对比云已经趋于减弱。回波顶高在作业前已趋于下降趋势，但随着催化作业的进行，目标云的回波顶高又出现上升趋势。各回波面积所占比例中，目标云主要增加的是30 dBZ回波面积，其他回波增加幅度不明显，而对比云增加的是较小回波面积，说明作业催化主要提高了较强回波区的强度，这一结论与崔 丹等[14]应用海南雷达数据分析增雨效果的结论一致。此外，2014年4月15日对流云人工增雨雷达参量目标云和对比云配对t检验结果表明，目标云地面人工增雨作业后垂直积分液态水含量显著大于对比云，且通过0.01显著性检验。
2.3 地面降水量分析
取靠近作业点下风方向的自动雨量站的10 min降水资料与对比区降水资料进行对比（图10），作业前作业区和对比区降水均不明显，但催化后作业区内降水明显增大，最大达到1.1 mm/10min，且持续到作业后1 h仍有降水。而对比区降水一直保持较小水平。由此可见，本次地面人工增雨作业效果明显。
3 结论与讨论
通过对层状云地面增雨作业的20个个例的雷达组合反射率、回波顶高及垂直积分液态水含量进行统计和分析，得到了其平均值作业前后的变化规律。发现对此类云系进行地面增雨作业，雷达几个特征参量在作业后第5～7个体扫时达到最大，之后出现下降的变化趋势，可考虑对此类降水云系的重复作业时机应选择在作业后第5～7个体扫，即作业后30～40 min。此外，通过层状云人工增雨作业前后雷达平均参量独立样本t检验，回波顶高显著增高，可作为效果判识的参量之一，用以评判人工增雨效果。
在对流云增雨过程中，通过分析2014年4月15日催化影响目标云微物理过程，发现其催化后反射率因子、回波顶高、垂直液态水含量和回波面积等参量得到快速增长，从而延长对流单体的生命史，具有较大的增雨潜力。并通过配对t检验发现目标云地面人工增雨作业后垂直积分液态水含量显著大于对比云。
青海省东部农业区人工增雨主要在春季开展，层状云地面增雨作业一般进行大规模、大范围的抗旱增雨作业，在对比区的选择上有一定的困难，导致效果检验缺乏说服力；而针对对流云增雨作业的个例较少，不能很好地归纳其变化规律。因此，在以后的作业过程中可以尝试开展一些试验性、有选择性的增雨作业。
4 参考文献
[1] 权文婷，李红梅，周辉，等.FY-3C/MERSI数据应用于陕西省干旱时空动态监测研究[J].干旱地区农业研究，2016，34（3）：193-197. [2] 姚瑶，张鑫，马全，等.青海省东部农业区作物生长期不同气象干旱指标应用研究[J].自然灾害学报，2014，23（4）：177-184.
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[15] 李德俊，唐茂，江鸿，等.武汉一次对流云火箭人工增雨作业的综合观测分析[J].干旱气象，2016，34（2）：362-369.