冷云人工增雨效果统计评估方法的改进与应用研究

发布时间：2020-06-15 08:54

【摘要】：水不仅是地球系统中的重要组成部分,更是人类赖以生存的重要资源,而我国的水资源短缺形势却比较严峻,因此,人工增雨是解决这一问题的重要手段。但目前云和降水的宏微观过程尚未被人类所完全而准确地掌握并得到准确的预报,因而使用何种手段与方法来科学而又准确地评估人工增雨的效果并对催化作业,以提高作业效果进行科学指导仍然是一个亟待解决的问题。因此,人工增雨的效果检验,不仅是气象业务工作的一项重要业务内容,更是大气科学的一个重要的学术问题。目前,我国绝大多数采用非随机化人工增雨催化作业方法进行人工增雨作业,而如何对其效果进行评估至今仍然存在很大困难,且由于我国增雨作业的背景条件和实际需求均与其他国家存在较大不同,我们并不能直接套用其他国家的评估技术方法。因此,进一步开展适合我国的人工增雨效果评估技术方法及应用研究是非常必要。我国的冷云催化多以AgI催化为主,因此,本文以冷云催化特别是AgI催化的效果评估为主线,结合国内多个省份的历史雨量数据、雷达数据及作业信息,研究了冷云人工增雨效果统计评估方法的改进及应用问题。其中针对飞机大范围层状冷云催化主要研究催化影响区的计算以及雨量网格插值对效果评估统计模型及结果的影响,并据此开发实用性强的桌面级效果评估软件。同时,针对对流云的地面作业催化,主要通过对催化作业单体的雷达回波特征参数的统计分析,并结合微物理检验、数值模拟技术,综合地研究对流云催化作业效果,并试图发现并论证可能存在的对流云催化物理响应证据和统计特征。首先,为了在实际应用中得到更合理的人工增雨影响区,建立了一个理想情况下的三维层状冷云催化数值模式,并进行了自然冷云及其催化的多组数值模拟实验,论证了催化对自然冷云的地面增雨范围和高空水平风速的正相关关系。然后,通过VB+MO地理信息系统二次开发技术,结合飞机作业路线及高空风速和有效扩散时间等信息,实现了不规则影响区域的范围确定、面积计算以及区域内外站点判断等功能,提高了增雨范围计算的合理性。其次,通过原始雨量站数据和两种分辨率均匀网格插值方法分别飞机播云增雨效果进行评估和对比分析,发现采用高分辨率的均匀网格插值方法可以获得更加精细的聚类分区,可为逐步回归分析提供更多的对比站点,增强了回归建模与预测的可靠性,提高了播云效果评估结果的合理性。在此基础上,建立了多普勒雷达回波强度分析与飞机播云路径融合显示系统,为验证统计评估结论的合理性提供了基于多普勒雷达回波强度的物理检验手段。此外,基于本文研究并结合CA-FCM方法(基于聚类的浮动对比区历史回归方法)开发了飞机增雨效果统计评估的新软件。通过对吉林、山东、青海等省的飞机增雨个例效果统计评估应用,初步表明了该软件具有很强的实用性,并有推广应用价值。同时,通过对一次传播单体群“消云减雨”的催化过程的对流单体物理特征的统计、降水粒子相态识别以及数值模拟三方面综合研究,发现受过量催化后对流云衰减阶段反射率最大值的衰减速率加快,这一物理响应特征具有统计意义,并论证了这个变化的微物理机制,是由于催化后高层冰相粒子增多,导致过冷水消耗而使降雨减少,从而达到减少对流云降水的目的。
【学位授予单位】：成都信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P481
【图文】：

模拟区域,水平风速,水平风,催化增雨

第 9 页共 57 页图 2-2 模拟区域中心格点的累计降水量变化范围与高空风速关系的数值实验研究作业自模拟到 130 分钟时开始，在 4km 高度（-7.41℃）， 15km，飞机航速 100m/s（即 360km/h），共耗时 150s，AgI 些数据与实况是吻合的。我们将在 2.2.2 节自然云模拟的基平风速大小的催化实验（0 倍、0.5 倍、1 倍、1.5 倍水平风自然云）相减得到不同水平风速条件下催化增雨结果。为将水平风 U（东西风）分量去掉，只考虑 V（南北风）分量P-CSM3D 模式中的湍流交换（扩散）系数 Kmh与 Kmv的计风速（湍流脉动相关量），如果单纯地去掉水平风速必然会算性能不一致。因此，在模拟中仅在计算湍流扩散系数时保得到的计算结果如图 2-3 所示，可以看到，各组数值实验状和位置均不一样。通过分析累计增雨 0.05mm、0.1mm 以及

雷达回波图,雷达回波,探空数据,白城

（b）10:50 白城雷达垂直剖面（c）10:50 模拟结果图 2-1 探空及自然云与模拟云雷达回波对比（图 2-1a 中探空图引自美国怀俄明大学整理的探空数据集）图 2-2 模拟区域中心格点的累计降水量变化

【参考文献】