层状云催化宏微观物理响应的数值模拟研究

层状云系是进行人工增雨开发利用空中云水资源的重要对象,增雨作业需要有科学可行的技术指标来指导实际作业的科学实施,而合理准确评估人工增雨作业的效果也是需要解决的重要课题,通过数值模式合理地仿真模拟实际催化作业的过程,进而研究增雨作业后云和降水的一系列宏微观特征的变化及其机理,是建立和改进催化作业技术的必要途径,也是评估实际人工增雨作业效果的有效手段。本文使用三维中尺度冷云催化模式对2014年4月15日河北省一次层状云降水的飞机催化作业过程进行了仿真模拟,力图对实际作业过程进行合理再现,通过对模拟结果的分析,研究飞机播撒的AgI（Silver iodide）催化剂在空中的扩散传输特征,分析催化对云和降水宏微观特性的影响,并对此次飞机催化作业的增雨效果进行评估。研究结果表明,播撒的AgI催化剂烟羽扩展的水平尺度可达数十公里以上,垂直方向上,大部分AgI粒子则主要集中在作业层上下约1 km的厚度范围内,AgI粒子的向上输送明显强于向下的输送;催化后云中的冰晶和雪粒子明显增加,导致催化模拟前期的霰增长受到抑制,之后随着霰碰并雪过程及零度层附近冰相粒子淞附过程的增强,云中霰的总量逐渐增加;催化作业后,催化云的雷达回波强度有明显增强,且随时间变化表现出不同的结构特征;催化导致地面降水出现先减少后增加的时间变化特征,催化后3小时,作业影响区向作业区下游扩展100 km以上,总体呈现减雨—增雨的区域分布特征;数值模拟评估表明,整个评估区内的净增雨量达到3.6×107 kg,平均增雨率为1.1%,暖层霰粒浓度和尺度的增加是降水增加的主要原因。由于作业目标云系的催化条件一般,而播撒的AgI剂量偏大,造成增雨作业效果偏低。     

层状云系人工增雨潜力评估研究

层状云系是中国人工增雨催化作业的主要对象.云系人工增雨潜力的大小是判断是否作业的最为重要的科学依据.但是,目前中国还没有一套比较完整的综合判断云系人工增雨潜力的评估方法.自然降水形成过程是个复杂的科学问题,因此判断人工增雨潜力也是一个非常复杂的科学问题.作者利用中尺度MM5数值模式模拟的层状云系研究与人工增雨潜力有关的要素,从理论上研究了不同要素与降水的关系.在分析云体的垂直结构、降水机制、水汽厚度、冰面过饱和水汽量、云水厚度、过冷水含量、冰晶浓度、降水效率(凝结水降水效率和凝华水降水效率)等潜力要素基础上,获得了新的潜力要素,例如 "催化-供给" 云结构、降水机制、冰面过饱和水汽量,并提出了定性综合判断云系人工增雨潜力思路.     

夏季对流云人工增雨效果评价方法初探

由于对流云尺度小、生消快,降水时空分布不均匀等特点,对其进行人工增雨效果评价是十分困难的事.本文利用2003年在"江淮地区对流云人工增雨外场试验"试验区获取的对流云人工增雨监测资料,采用成对对流云试验方案,开展对对流云人工增雨效果进行评估.通过对催化云催化前后雷达特征量和地面雨量变化分析,以及催化云与非催化云自身对比分析和双比分析,初步得出:人工催化后10～20 min增雨效果不明显,人工催化30 min后才能产生明显的增雨效果,其效果在100%以上.     

对流云人工增雨效果检验技术方法及应用

对流云降水时空变差较大,利用WoodleyRosenfeld提出的建立在雷达资料基础上的移动目标单元法对对流云增雨作业进行效果评估。利用塘沽、北京及秦皇岛3部雷达资料,对其进行插值处理,确定移动目标单元识别和跟踪方法,然后在移动目标单元中确定催化单元和对比单元,记录每个单元的物理参量,利用Z-R关系反演降水量,对物理参量和反演降水量做统计分析,定量计算增雨效果的同时提供人工增雨的物理证据。应用该方法对2011年7月24日对流云人工增雨作业效果进行评估,结果表明:催化剂进入云中后使得最大回波强度增强,回波顶高增加,从物理角度证明了催化对增加降水起到了一定作用。利用降雨率对增雨作业进行定量效果分析,结果表明该次作业相对增雨7.69%,显著度检验值0.043,增雨效果较为显著。     

青海省一次人工增雨作业数值模拟分析

利用基于ARPS的中尺度云系人工增雨数值模式系统,对2012年5月23日发生在青海省东部地区的一次飞机人工增雨过程进行了催化效果数值模拟试验,给出了人工播云后作业区和影响区的增雨量、平均增雨率、催化影响范围等结果。结果表明:基于ARPS的中尺度云系人工增雨数值模式对该降水天气过程具有较好的预测能力,模式所模拟的人工播云后作业区和影响区的增雨量与实际情况较为吻合,同时,对于此次增雨作业,催化作业产生的增雨效应主要出现在催化之后的5h内,在此之外,催化效果逐步消失。     

人工增雨农业减灾技术研究

该项目在河南、山东、吉林3省建立了层状云人工增雨外场观测作业试验区，研制了层状云数值模式，结合分析得出了层状云人工增雨新的概念模型、相应的催化条件判据和作业指标；研制了催化条件的飞机实时识别技术和地面综合集成识别技术；建立了中尺度层状云系数值模拟预报的实时业务和省级的人工增雨综合技术系统（催化条件综合识别判据、实时监测识别技术、催化指标和作业决策系统等），提出了相应的作业流程。 在鄂西北（十堰市）对流云人工增雨作业试验区进行了大量外场观测和作业试验，用研制的三维对流云催化模式进行实时预报和催化数值试验，初步提出了催化的最佳部位、时机和剂量；开发应用了高成核率火箭；用雷达识别作业条件并建立了指挥作业的技术流程，因而大大减少了作业的盲目性，提高了对流云人工增雨作业的科学性。     

X波段移动天气雷达产品在人工增雨中的应用

2020年5月19日四川省绵阳地区实施了一次人工增雨作业,利用X波段移动天气雷达产品,对作业前后雷达回波和地面降水资料进行了对比分析。结果表明：反射率因子大于20dBz、垂直累计液态水含量（VIL）达到 0.3kg/m² 以上时,云层具备较好的降水条件,有利于实施人工增雨作业;增雨作业后,反射率因子最大强度、平均强度和降水回波面积都明显增大,回波中心 VIL 显著上升;利用对比区和影响区降水资料分析得到相对增雨率为 18.9%,绝对增雨量达 6.2mm,作业催化取得较好效果。     

一次火箭人工增雨作业雷达回波响应探讨

2014年9月28日山东地面人工增雨试验区使用WR-98火箭成功进行一次增雨作业。采用新一代多普勒雷达、探空和自动站10min雨量资料,利用选取对比云和雷达跟踪目标云的方法,探讨了这次人工增雨作业后的雷达响应和地面雨量的关系。结果表明:火箭催化13min后目标云顶开始升高,19min后目标云回波增强了3dBz,25min后目标云VIL从2.5kg/m~2增加到3kg/m~2。目标云所经过的3个雨量站10min雨量具有同样的增大趋势,从时间和地理位置分析这些变化与火箭人工增雨有关。     

湖南秋季积层混合云系飞机人工增雨作业方法

统计分析2007—2016年秋季湖南省长沙市地面气象观测资料、湖南省飞机人工增雨作业资料, 得到湖南省秋季积层混合云系的降水分布情况、一般结构特征和相应的飞机增雨作业方法。使用多普勒天气雷达、GRAPES_CAMS数值模式和中小尺度气象站网等资料对典型作业天气过程进行云降水物理和数值模拟分析, 采用成对对流云和基于TREC算法的回波跟踪等方法进行作业效果评估。归纳得到湖南省秋季积层混合云系人工增雨作业条件判别的12个宏微观指标, 探讨在使用运7飞机、碘化银烟条作业装备条件下, 开展飞机增雨作业的最佳催化时机、部位和剂量。针对积层混合云系中的降水性层状云系、积云对流泡, 飞机增雨适宜作业的区域、播撒高度和催化剂量:在过冷高层云的-15~-5℃层, 播撒达到30 L-1的人工冰晶浓度; 在过冷积云的-15~-7℃层, 静力催化使冰晶浓度达到30 L-1或动力催化达到100 L-1。这些方法在实践中取得了较好的人工增雨作业效果。     

包头中部地区一次人工增雨作业的效果分析

通过2004年6月5日人工增雨作业实况和711数字雷达回波以及地面雨量自记资料的对比分析,发现在深厚的层状云系中,适时进行人工增雨作业,可以加快混态云的冰—水转化效率,增强降水能力。分析结果为指导火箭人工增雨作业提供了科学的方法和可靠的数据。     

抗旱型火箭人工增雨效果检验方法初步研究

为了在人工增雨作业中及时进行效果评估，利用2005年江淮地区人工增雨试验基地的资料，采用区域雨量对比分析、地面增雨效果的回归分析和增雨效果的物理检验方法，对2005年6月9日、8月3日两次人工增雨的效果进行了分析。结果表明：两次增雨作业都取得了较好的正效果；相对增雨在120％～140％。     

基于区域历史回归法的雷州半岛火箭增雨作业效果检验

利用ERA5再分析资料,区域自动站雨量资料以及双偏振雷达基数据,采用区域历史回归方法,对2020年7月4日雷州半岛火箭人工增雨作业进行物理检验和统计检验。结果表明:作业后作业区域云系云冰含量大幅增加,强回波区面积增大,回波顶高度升高,平均回波强度显著增加。选取1971—2000年作业影响区和对比区逐年7月的平均日降水量资料作为历史样本建立回归公式,结合作业当天区域自动站的雨量资料,计算得出日降水量和作业后3 h累积降水量的绝对增雨量分别为11.07 mm和2.32 mm,相对增雨率分别为51.08%和38.73%,均通过了置信水平为α=0.05显著性检验。因此,雷州半岛开展人工增雨作业对缓解气象干旱,满足水库蓄水等有重要意义。     

一次飞机冷云增雨作业效果检验

最近60多年,全球范围内广泛开展了人工增雨作业,但人工增雨效果检验一直是个难题。传统上,利用雨量计和目标/对比区统计数据评估人工增雨效果,结果大多不确定。对一次人工增雨作业而言,从科学上给出令人信服的效果检验更是没有好的解决方案。2017年3月19日,陕西省实施业务飞机冷云增雨作业播撒含有750 g碘化银（AgI）的催化剂,播撒线长125 km。作业后卫星、雷达观测到一条与播云线对应的清晰的云迹线,地面雨滴谱仪观测到相应的雨强、雨滴数浓度、雨滴直径增大,表明播云使云体产生了增雨响应。针对这次增雨过程,从连片雷达回波中分离增雨作用造成的回波增强带（增雨影响回波）和确定了自然降水回波强度,建立增雨影响回波强度（Z）与地面雨强（I）的拟合关系（Z-I关系）,定量研究人工增雨的时、空演变。结果表明:（1）增雨影响时间约4 h,增雨影响回波区域（增雨影响区）面积为5448 km2。该区累计降雨总量和增雨总量分别为1.518×106 m3和8.04×105 m3,增雨影响区内增雨率达53%。（2）总降雨量、增雨量、自然降雨量随时间先增后减,总降雨量与增雨量的峰值同步,两者峰值都早于自然降雨峰值;催化后146 min （04时47分,世界时,下同）,每6 min增雨量达到最大,为4.9×104 m3;催化后174 min （05时15分）,增雨雷达回波面积达到最大（1711 km2）,面积峰值滞后增雨量峰值出现。（3）增雨影响区位于播撒线下游,呈条带状;区域内总降雨量空间分布为中间大边缘小,与增雨量空间分布一致。（4）此次增雨作业改变了降雨时、空分布,促进降雨形成,增加了地面降雨量。      

火箭人工增雨作业中应注意的一些技术问题

根据火箭增雨作业的原理对催化剂播撒量、成核率与火箭飞行速度和高度的关系进行分析;确定作业目标、时机和部位、作业火箭用量;对增雨效果、火箭播云对环境的影响进行评估。     

山东济宁地区人工增雨效果检验

利用国内外普遍应用的区域雨量对比和历史区域回归试验2种增雨效果统计检验方法,分析适用于山东济宁地区人工增雨效果检验的评估方法。运用区域雨量对比试验计算出2次稳定性降水过程增加的降水量,运用历史区域回归试验法计算了2006~2009年济宁地区人工增雨作业的平均增雨量,对2月和4月的增雨效果进行了对比分析。结果表明:效果检验方法的不同导致人工增雨的降水量增加效果差别较大,利用区域雨量对比方法对济宁地区人工增雨效果评估非常实用。     

随机森林算法在人工增雨效果统计检验中的应用研究

评估人工影响天气的效果通常需通过一定的方法近似求出未作业时的降水量,传统的人工影响天气效果的统计检验方法以线性回归为主,这种方法能够较好地建立目标区和对比区的历史回归方程。但实际上,降水量受多种因素影响,通过历史回归方法无法解决降水量非线性的问题。为解决降水估算中存在的非线性问题,提高降水量估算精度,引入了当下流行的机器学习算法——随机森林算法。使用优选出的多个与降水量相关的预报因子,分别构建了月、日降水估算模型,然后利用江西省南昌市1961-2010年降水数据及环流指数数据,并结合2012-2014年南昌市地面增雨作业信息,验证所建模型估算降水的可行性和人工增雨作业效果统计检验的适用性。结果表明,随机森林模型估算精度较高、泛化能力强,能较准确地估算月、日降水量,对于稳定性降水的估算准确率达90%;但随机森林模型对汛期的月降水量和强对流天气影响下的日降水量估算结果较观测值偏低,有待进一步订正和研究。总体来说,随机森林模型具有精度高、稳定性好、收敛快、不用进行数据预处理、参数少、操作便捷等特性,在综合性能上具有一定优势和可推广性。     

对流云人工增雨雷达效果分析软件的应用

根据雷达回波参量自动选取对比云并进行效果分析的方法,研制了对流云人工增雨雷达效果分析软件.在此基础上,对2008年湖北省12次对流云增雨试验进行了效果检验:发现其中10个个例催化效果良好,具体表现为增雨作业催化后,目标云的物理参数发生了比较明显的变化,回波强度、回波顶高、液态含水量、强回波面积等均增大,约半小时内达到峰值,而相应的对比云回波参量增长幅度比目标云小,或者没有继续发展,大部分对比云的生命史比目标云短.最后,通过综合分析,提出基层作业站点适宜开展人工增雨的催化指标,在实际应用中取得了良好的效果.     

江西省人工增雨统计检验系统设计与实现

介绍了基于VB6．0数据库编程技术的江西省人工增雨统计检验系统的设计思路、实现方法及具备的功能,阐述了区域历史回归和双比分析两种统计分析方法在人工增雨效果检验中的应用。选取2008年贵溪市开展的2次人工增雨作业进行效果检验及系统应用检验,利用系统提供的区域历史回归分析方法,计算得到人工增雨作业相对增雨率约31．9％,增雨效果显著。