过冷层状云中飞机播云有效区域的模拟研究

根据飞机人工增雨作业个例 ,利用层状云中催化剂输送扩散的三维时变模式 ,对过冷层状云中播云产生的有效区域、催化剂水平输送和扩散速率等进行了模拟研究。结果表明 :(1)飞机播云 4 5min线长 32 7km ,投影有效面积和有效体积在播云刚结束时 (5 0分 )达到极大 ,其值分别为 70 7km2 和 2 98.0km3 ,有效扩展宽度和厚度为 2 .5 1km和 0 .4 2km ;(2 )有效作用时段为 2 0～ 80min ,其间的投影有效面积平均值为 5 13.3km2 ,平均有效扩展宽度和厚度分别为 2 .4 1km和 0 .4 5km ;(3)在扩散作用下 ,投影有效面积和有效体积先随时间不断增加 ,达到极值后逐渐减小 ,播云结束 (5 5分 )后 ,云中的有效区域消失 ,其间的投影有效面积平均值为 389.7km2 ,平均有效扩展宽度和厚度分别为 2 .34km和 0 .4 4km ;(4)云中催化剂水平输送 1h的平均值达到 6 5km ,仅与风场有关。催化剂扩散速率 1h平均为 0 .82m/s,与风、温、湍流有关 ;(5 )在飞机增雨作业时 ,飞行方案的设计必须是严格科学的 ,以便进一步提高人工增雨的实效     

不同催化剂、核化率、播撒速率的数值试验

以 2 0 0 0 - 0 3 - 1 4的飞机增雨为例 ,设计不同催化剂、播撒率、核化率的播撒试验方案 ,通过数值试验 ,结合个例 ,对比分析表明 :播撒率不变 ,增大核化率 ,投影面积、影响时段增加 ;核化率不变 ,播撒率越大 ,投影面积越大。对于 An- 2 6飞机 Ag I发生器 ,播撒率为 80 0 g/h,核化率在 1 0 1 3及以下时 ,投影面积较小 ,不利于增雨 ;核化率为 1 0 1 4时 ,投影面积的极值为 5 3 2 5 km2 ,影响时段为 1 2 0 min以上 ,1 2 0 min以内面积的平均值为 3 2 45 km2 ,有利于增雨。对于 Y- 1 2飞机 Ag I发生器 ,播撒率为 60 0 g/h,核化率在 5× 1 0 1 3及以下时 ,不利于增雨 ;核化率为 1 0 1 4时 ,面积极值为 45 90 km2 ,影响时段在 1 2 0 min以上 ,1 2 0 min以内面积的平均值为 2 90 5 km2 ,利于增雨。对于液态二氧化碳 ,核化率为 1 0 1 2 ,播撒率达到 1 2 g/s以上时 ,增雨作用较好     

卫星遥感人工增雨作业条件 II:层状云

通过卫星多光谱资料的定标,利用可见光反射率、3.7 μm和11 μm辐射亮温,反演了云顶粒子有效半径、云顶温度等云特征参数.运用图像合成技术,建立了反映云宏、微观特征的RGB合成图.利用发展的多光谱云微物理综合分析方法,通过极轨卫星分析了不同过冷层状云及其降水特征,结合增雨假设,总结出适宜人工增雨作业的卫星判据为:云厚大于1.5 km,云顶温度-5～-15℃时,有效半径小于25 μm;或云顶温度-15～-25℃时,有效半径小于15 μm.利用可见光反射率、云顶温度和有效半径多阈值建立人工增雨播云等级和分级显示.通过静止卫星跟踪云系演变,进一步确定播云部位和作业时机,指导人工增雨作业.     

飞机增雨催化剂水平输送与扩散速率的研究

研究了飞机增雨中催化剂的水平输送与扩散速率，为设计播云间距，估算影响区大小，位置，影响时间提供科学的定量依据。根据飞机人工增雨作业个例，利用层状云中催化剂输送扩散的三维时空变模式，对播云催化剂水平输送和扩散速率进行了模拟研究。结果表明，云中催化剂水平输送仅与风场有关，1h的平均值达到65km，催化剂扩散速率与风、温、湍流有关，1h平均为0.82m/s。     

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。      

冬季层状云实施人工增雨作业可行性探讨

通过对百色市2004年至2007年冬季8次天气过程的22次层状云或层积混合云增雨作业个例分析,推断冬季对层状云或层积混合云进行增雨作业的环流背景、增雨潜力、催化可播高度和作业时机,得出百色市冬季对层状云或层积混合云开展增雨作业,只要存在有利的天气条件和持续长的时间,在降水云系的发展旺盛时期通过火箭将A gI焰剂播撒在-5℃~-10℃可播高度区域内,可收到良好的增雨作业效果结论。     

新型冷云催化剂IS—5经济效益的综合分析

本根据冷云催化剂IS－5的成冰效率高、用量少、速效和其它特点，以及内蒙古1989年3个地区广泛采用实际情况，从3个方面分析其效益。（1）催化剂本身成栈由于节约飞行时间带来的效益。使用IS－5催化剂后，每个作业区所用的AgI量相对减少，由此可节约8．45万元。因IS－5催化剂较Agl水溶胶重量轻，一次飞行可携带多区作业所需的催化剂，这样可节约飞行费27万元。（2）在内蒙古地区人工增雨作业均增加总降水量的21％。过去每年累计收益为2335万元，使用IS－5催化剂后，由于一次多区作业，效益提高到5813万元，增加效益3478万元。中、西、东部3个地区投入总经费每年按165万元计算，则投入与收益比从1：14．15变为1：35．23。（3）用Simpson模式计算了用IS－5催化积云后对可播度的改善和增雨的潜在效益。对于中积云、浓积云和积雨云，催化后云顶高度基本上是随着云泡半径的增大而增大的，使IS－5催化的云顶高度比用AgI催化的去顶高度高。同样，当积云半径较小时，可播度较小；而当积云半径较大时，可播度就比较大。无论半径小的积云还是半径大的积云，用IS－5的可播度一般都比用Agl的可播度大，平均 约相差3、4倍。对于浓积云和积雨云用Holle公式计算得出用IS－5比用Agl多增加雨量的效益分别为9564．1元和7．23万元。呼和浩特地区每年6、7、8月积云的可播日分别为6、8、8天，积状云有较大的增雨潜力，若对夏季浓积云和积雨云都进行催,则使用IS－5比用Agl增加的效益分别为21．1万元和158．9万元。     

海南省大广坝水电站集水区降水特征及人工增雨潜力分析

本文分析了海南省大广坝水电站集水区降水分布特征并研究了人工增雨的潜力。结果表明,大广坝水电站集水区降水年际差异较大,常年无法满负荷发电,影响了水电站效益的正常发挥。4～7月集水区实施人工增雨的潜力和成云致雨的条件较好,通过人工增雨的手段可以有效提高水电站的发电效益。     

利用新一代多普勒雷达产品判别重庆市人工增雨作业指标

本文用统计学的方法,主要利用重庆市S波段新一代多普勒雷达产品按照层状云、对流云、积层混合云三类降水型将2009年8月-2010年8月的有效降水过程进行分类,并分析不同降水类型的雷达回波特征参数,初步得出重庆地区人工增雨雷达回波指标.结论显示,重庆地区人工增雨作业指标为:层状云回波强度≥23 dBz、回波顶高≥5 km、VIL特征值≥3 kg/m2;积层混合云在春秋两季回波强度≥30 dBz、回波顶高≥6 km、VIL特征值≥8 kg/m2,夏季回波强度≥35 dBz、回波顶高≥8 km、VIL特征值≥13 kg/m2;对流云春秋两季回波强度≥40 dBz、回波顶高≥8 km、VIL特征值≥13 kg/m2,夏季回波强度≥43 dBz、回波顶高≥11 km、VIL特征值≥23kg/m2.     

浙江省夏秋季人工增雨作业雷达指标研究

为指导地市更加科学合理地开展人工增雨作业,基于2018—2020年夏秋季浙江人工增雨作业记录、多普勒雷达数据、MICAPS数据、自动站小时雨量及探空数据,在对增雨作业效果分析后利用逆推法对浙江省夏秋季人工增雨作业雷达指标进行研究。浙江有利于开展人工增雨作业的天气系统主要有切变线、高空槽和台风,占比分别为28.6%、21.4%和21.4%。根据雷达回波和降水特征,作业云系可分为层状云、积状云、层状云为主和积状云为主的混合云,其中混合云是最常见的作业云系,占比高达82.5%。在日常增雨作业中,增雨效果明显的作业比例较低,占比仅13.4%。回波强度、回波顶高、负温层厚度、垂直积分液态水含量为增雨作业条件判别的有效指标,不同季节和不同云系对应的雷达指标有所不同。统计发现未能合理开展作业是无法获取正增雨效果的主要原因,占比高达49.2%,其他常见原因还包括作业时机不合适、作业部位不合适和作业对象不合适。本文所建立的雷达指标在临近作业指挥中具有一定的指导意义。     

不同降水天气系统自然降水特征及火箭人工增雨潜力分析

统计分析了1981~2000年20年中15种降水天气系统影响下河北地区自然降水特征,并对火箭人工增雨的潜力进行了初步分析。统计分析表明:西来槽类、高空低涡类、冷锋、切变线和副高后部等天气系统是影响河北地区的主要降水系统,其降雨量和降雨日数占到了90%以上;不同的天气系统在不同季节对降水的贡献有所不同,其中西来槽类的降雨量和降雨日数均居首位,开展人工增雨催化作业机会最多;夏季降水系统最强,云水资源最为丰富,人工增雨潜力很大,是开展火箭人工增雨催化作业的最佳季节,春秋两季增雨潜力明显比夏季小,冬季最小;倒槽、副高后部、台风低压、高空低涡类和气旋类等系统最强,日降雨量和单位面积降雨量明显比其它系统大,尤其对蓄水型火箭增雨作业十分有利。     

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.     

蓄水型人工增雨效果检验

利用1960～2007年古田水库的雨量资料和入库流量资料,采用非随机化试验方案,根据水库流域面雨量、入库流量和径流系数的变化开展蓄水型人工增雨效果检验。结果表明,在水库流域开展科学的蓄水型人工增雨,使1350km2水库流域面雨量增加18.87%,绝对增加22.4mm,总降水量增加3024万m3,径流系数提高9.31%,入库流量增加29.95%,绝对增加5.17m3/s,总入库流量增加1359.395万m3。改善了水库流域生态环境,提高了地表土壤的湿润度,使径流系数增大,使得入库流量相对增值比水库流域面雨量相对增值大。蓄水型人工增雨的经济效益大于"抗旱型"人工增雨。     

甘肃省秋季飞机人工增雨天气系统分型

为了探讨甘肃秋季人工增雨天气系统的影响特征,利用甘肃省1991-2002年飞机人工增雨作业资料,对秋季飞机人工增雨作业情况进行了统计分析;按照甘肃省秋季天气系统特征,利用探空资料,建立了甘肃省秋季天气系统自动化“判别模型”,得出甘肃秋季降水的高空环流可分为三种类型：平直多波动型、西南气流型和西北气流型,其中降水类型以平直多波动型为主。通过“判别模型”对飞机人工增雨天气系统的分型,结果表明飞机人工增雨作业的主要天气类型为西南气流型和平直多波动型。可为人工增雨作业区域选择和航线设计提供天气气候背景。     

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。     

一次对流降水过程增雨催化时机的模拟分析和雷达识别

为加深对对流云增雨催化机制的理解,避免催化指标的随意性,通过三维积云数值模拟和雷达加密探测资料分析相结合的方法,对发生在湖北省西北部多山地区的一次对流降水过程进行了增雨催化时机的分析和识别.首先运用三维积云模式,通过催化模拟敏感试验,得出对流云增雨催化存在时间窗,最佳的催化时机应该为对流云发展的早期,催化后关键是增加雨和冰晶冻结后碰并霰增长这一冰相微物理过程的产量.根据模式分析结果,结合雷达观测资料分析,发现对流回波在生成及发展上表现出一些规律性,可以作为通过雷达观测识别增雨催化的时机和潜力区域的指标.     

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。     

人工增雨效果的数值统计评估方法

利用1995～2001年河南省春季降水资料，采用数值预报与统计相结合的方法，对飞机人工增雨的效果进行检验。该方法的基本思路是根据降水的气候特征设定增雨效果的评估区，在同一评估区内应用数值模式MM5V3对历史降水过程的降水量进行数值预报，从而获得一组预报雨量，对非增雨过程的数值预报雨量与降水实况进行统计分析，建立预报雨量与实况雨量的数理统计关系。对增雨作业过程的降水同样采用相同的数值模式进行预测，并与增雨后的实况雨量比较，从而得到飞机人工增雨效果。评估结果表明：1995～2001年春季飞机人工增雨效果比较明显，豫北区(Ⅰ区)平均为16．7％，豫东区(Ⅱ区)平均为19．3％。