引言

人工增雨催化效果的评估是世界性的科学难题。国外人工增雨作业效果评估从依赖统计检验、强调随机化试验重新转向注重经验证据、正确设计作业方案、探索物理因子同统计检验结合为一体的试验研究和业务性作业。我国增雨效果评估实践中，主要采用统计方法，通过催化云和不催化云的对比，以及催化时段催化影响区域和不催化影响区域的对比，得出人工增雨作业总体平均效果^[1]。随机试验虽能提供科学可靠的统计检验资料，但研究周期长，且其要求放弃一半的作业机会，国内在防灾应急作业中一般不采用。结合业务作业服务工作，国内学者针对人工增雨的效果检验做了许多工作，也取得了一些研究成果^[2-5]。尤其是近些年，随着卫星气象学、雷达气象学及以各种高新探测设备的不断发展，效果评估的物理检验发展很快，这在一定程度上弥补了统计检验方法的不足。如青海、河北等北方省份开始应用机载探测系统^[6-8]用于观测层状云催化前后过冷水、冰晶、雨滴等云中物理量变化，为效果检验提供物理证据。气象卫星资料也开始在人工增雨效果评估中得到应用^[9]。而在南方省份针对对流云的催化作业，主要开展应用新一代天气雷达进行效果检验的研究与实践^[10-11]。

本文针对2007年湖北省在鄂东地区组织的4次外场试验作业，应用对流云人工增雨雷达效果分析软件选择对比云的方法，对催化目标云和对比云的多普勒天气雷达参数的变化特征进行了对比分析，并应用FY-2C卫星资料、X波段双偏振雷达资料、闪电定位仪、加密雨量站等资料，对催化效果进行了初步分析。

1 资料与说明

对2007年在湖北省东部地区组织的人工增雨效果检验外场试验选取了4次试验个例进行了分析，包括三次对流云催化和一次层状云催化，见表 1。分析所用的资料包括武汉雷达站S波段多普勒雷达6min一次的体扫资料及二次产品，国家气象中心下发的每30min一次的卫星反演云参数产品，中国气象局武汉暴雨研究所黄石雷达站X波段双偏振多普勒雷达体扫资料及RHI资料，湖北省闪电定位监测网闪电资料，试验区内自动雨量站网分钟雨量资料。9月14日的层状云试验，仅应用卫星资料进行分析。仅8月31日的试验作业有双偏振雷达资料。

2 雷达资料分析 2.1 自动选择对比云

应用S波段多普勒雷达二次产品，在作业时存在的所有对流单体中，通过比较它们与目标云的生成时间和距离，以及从其初始生成到作业时的回波参量及其变化特征，自动找出对比云，最后给出在整个生命期内目标云的回波参量随时间的变化情况，以及目标云和对比云回波参量在同一时刻和同一发展时期的比较结果。依据此方法，研制对流云人工增雨雷达效果分析软件。图 1为应用此软件分析的3次对流云作业过程的目标云和对比云雷达回波参数(最大回波强度、回波顶高、垂直积分液态水含量)演变，可以看出，目标云和对比云变化规律比较接近。

2.2 目标云回波参数变化特征

表 2为目标云与应用上述对流云效果分析软件选择的对比云的回波参数变化表，回波参数数据分析基于多普勒雷达的风暴属性产品。分析3次试验目标云回波参数变化特征发现，催化后，回波强度在9～13min内达到最大，增大了5～7dBz，增大率为9%～13%，强回波面积在27 min内达到最大，增大率在30%～110%之间；回波顶高15min内达到最高，最大增高4km，增大率在32%～40%之间；液态水含量在9～25min内达到最大，最大增大了21kg·m^-2，增大率在40%～117%之间。上述统计的四个特征量在催化后约27min内都能达到最强。

三次试验作业目标云特征在催化作业时有一定的相似性，可以进行统计平均分析。图 2 (见彩页)中蓝色图柱表示目标云的各回波参数的统计平均值，图中数据点为用雷达每6min一次体扫数据反演的二次产品数据，如果恰好是所取的时间上的，数据可直接获得，如果在两个体扫之间则用线性内插得到该数据。由于其中一次催化前只有2个数据点，所以只统计作业前2个时间点的数据，第3个数据点为催化时的回波参数。可以看出，催化前回波强度增加了3dBz，催化后，回波强度平均值随时间先是快速增大，在12min左右达最大，增加了5dBz，之后又缓慢减小；回波顶高在催化前呈逐渐增高的趋势，12min内增高了1.5km，催化后12min增高1.8km，最大值维持6min后开始缓慢下降；液态水含量在催化前先减小后增加，变化幅度较小，而催化后迅速上升，到第24min达到最大，增加了11kg·m^-2，之后6min内迅速减小。说明作业云体催化后变化比较明显，催化有一定的效果。

2.3 目标云、对比云回波参数变化比较

分析表 2发现，催化(对于对比云，是指与目标云催化时同一发展阶段)后，目标云的各回波参量增大率均比对比云要大，其中，对比云2液态水含量和对比云3的强回波面积和回波顶高是迅速减小的。需要指出的是，试验1中催化云的最大强度和强回波面积达到最大值的时间比对比云要长，但是增大率要大很多，还是能说明催化产生了正效果。统计对比3次目标云和对比云发现，目标云回波强度平均约大5%，强回波面积(将减小值算为0，下同)平均大46%，回波顶高平均大12%，液态水含量平均大61%，单体生命期平均比对比云长44min。从图 2(见彩页)可看出，对比云回波强度和回波顶高在催化前与目标云相似，有小幅上升，催化后也有小幅上升，幅度比目标云要小；液态水含量催化后没有增大的过程，而是迅速减小。说明人工催化取得较好的效果。

2.4 双偏振因子变化特征

试验应用了武汉暴雨研究所新建设的X波段双线偏振全相参多普勒雷达。对8月31日试验3的双偏振雷达资料进行分析，图 3(见彩页)为各时间点的线性退极化比(L_DR)，线性退极化比L_DR定义为发射水平脉冲时接收到的垂直回波功率与水平回波功率的比值，其主要与水凝物形状、不规则程度、热力学相态、介电常数、在偏振平面的倾斜角以及水凝物空间取向等有关。可以看出，15：49作业时目标云(据雷达站约37km)的L_DR最小值约为-25dB；到15:54，最小L_DR约为-31dB，并且极小值区域的面积变大；到16:12，最小L_DR继续变小约为-34dB，极小值区域的面积继续变大；随后L_DR低值区的面积开始减小, 极小值变化不大；16:48开始, L_DR低值区的面积开始减小，极小值变大。即催化后极小值区域面积变大，在23min达到最低，持续一段时间后，极小值开始变大，面积开始减小，说明作业后降水粒子粒子直径变大。另一个双偏振因子零延迟交叉信号相关系数反映水平、垂直偏振波的后向散射特性的相关性，粒子的形状、空间取向以及降水粒子的数量是影响其值的主要原因。催化后，较大零延迟相关系数(图略)的面积也有所增大，相关系数值均在0.97以上，说明是单一相态的降水粒子，其值变化不明显，但是较大值面积在作业后也先增大后减小，说明降水粒子数量有所增多。

3 卫星反演资料分析

应用国家气象中心下发的卫星反演云参数产品:云顶黑体亮温、云顶温度、云顶高度、过冷层厚度和云粒子有效半径对4次试验进行检验，发现前3次作业均为较强对流云，对于此类云体，因受到反演方法的限制，无法准确反应真实云参数值，只能体现它们的最大阈值。如8月3日阳新作业，发现作业前后四个时次云顶黑体亮温一致维持在较低的水平(-50℃左右)，说明作业选择的对象是发展很旺盛的对流云。相应的云顶温度图像显示一直在-30 ℃以下，云顶高度在9km以上。作业点附近大范围区域都处于旺盛发展的云体中。有效粒子半径产品显示有大量的大粒子，经检验发现，由于云顶过高，云顶出现冰晶，冰晶的实际大小已超出反演的阈值，因此，作业前后，粒子一致处于较大水平，无明显变化。过冷层一直处于较厚的水平，在5km以上，说明过冷水含量十分丰富。另外两次的作业情况都与之类似，都是针对于发展十分旺盛的强对流云。故对于强对流云，卫星反演云参数产品不能有效地检验催化效果。

而对于9月14日鄂州作业，作业对象为发展稳定的层状云，云顶温度处于-25～-20℃，云顶高度在8～9km，过冷层厚度在3.5～4.5km，有效粒子半径在27～30μm，因此可以考虑用卫星反演产品检验此次催化作业的效果。经检验发现，作业后较之作业前，云顶高度上升，由8.25km上升至8.65km，云顶温度降低，由-21.7752℃下降至-24.094℃，过冷层厚度增大，由3.757km增加至4.157km，有效粒子半径维持大粒子水平，在27μm左右(研究显示，有效粒子半径达到14μm是产生明显降水的阈值), 云顶黑体亮温也由-23.028℃下降至-25.101℃, 在一定程度上说明，此次人工影响天气作业使得作业区的云系得到了进一步发展，产生了比较明显的正效果。

4 闪电定位资料分析

已有研究^[12]表明，地闪与对流性天气中的降水有较好的相关性。因此，应用闪电定位网监测资料也可以对催化效果进行分析。分析催化后1小时内目标云周围400km²范围内闪电定位数据有关数据(表略)，可以看出，催化后1小时内3次试验除试验3有2次正闪外，其他均是负闪。3次试验的分钟最大频数分别出现在催化后第26、第18、第18min。对3次试验的分钟闪电频数进行平均，分钟闪电最大频数出现2个峰值(图略)，分别出现在第5min和第20min，均为9.7次，催化后28min内分钟闪电频次均较高。说明催化后分钟频数变化也有一定规律性。

5 自动站雨量分析

自动雨量站可提供每分钟的降水量，不仅可以检验上述其他探测资料对人工增雨催化的效果分析，还可以直接检验催化效果。分析3次试验的雨量值，小时雨量分别为13.7mm、7.4mm、10mm，最大分钟雨强分别出现在第27、第18和第21min，分别为1.9、0.5、1.2mm/min。3次试验平均雨强第25min最大，为0.8mm/min，主要降水时段在第11min到第28min之间，雨强基本上都在0.3mm/min以上。

从试验1的目标云与对比云强回波中心对应的雨量站雨强分布可以看出(图略)，对比云小时降雨量为3.3mm，在前7min内对比云雨强基本上大于目标云，此后几分钟内两块云降雨强度相当，而从第18min开始，目标云雨强迅速增大，而对比云在几分钟内即减小至零。

6 结语

(1) 催化后，目标云体回波强度、强回波面积、回波顶高、液态含水量、强回波高度等均增大，约半小时内都能达到最强，而对比云增大率比目标云小，或者没有增大，说明催化促进了强回波的发展，双偏振因子线性退极化比极小值变小(在第23min达到最小且持续一段时间)，极小值区域面积变大，说明作业后降水粒子变大，较大零延迟相关系数的面积也有所增大，说明降水粒子数量增多；FY2C卫星反演云参数产品显示催化后较之作业前云顶高度上升，云顶温度降低，过冷层厚度增大，有效粒子半径维持大粒子水平，云顶黑体亮温下降；目标云体闪电频数在催化后也有所增多。所有这些变化均主要发生在催化后约半小时内。

(2) 强回波中心对应的雨量站分钟雨强在催化后半小时内达到最高，降雨主要集中在从约第10min开始的20min内，分钟最大雨强与强回波面积和线性退极化比对应关系最好，三者出现最大值的时间接近，而总雨量跟雷达回波参数及面积、双偏振因子、闪电定位等综合信息相对应，而不是与某一个测量参数的极值相对应。与对比云相比，目标云降水时间长，降水强度大。

(3) 本文可为人工增雨效果的分析提供初步的物理检验证据，随着卫星资料、双偏振雷达资料不断深入的应用，以及新的探测资料的引入如地基微波辐射计等，将在今后的外场试验中进一步进行人工催化物理效果的验证。