机器学习在人工增雨效果统计检验中的应用

利用福建省古田人工增雨试验基地2014年1月—2023年1月小时自然降水数据,结合线性拟合、多项式回归和样条回归等多种数学统计方法,开展决策树、支持向量机(SVM)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法在估测目标区自然降水中的应用研究。目标区和对比区自然雨量关系模型对比结果表明:以区域平均面雨量为统计变量时,CNN和四项式回归效果相对较好,其中CNN的确定系数为0.516,均方根误差为1.097 mm;对平均面雨量进行六次方根变换后,各模型的精准度大幅提升,CNN表现最优,确定系数为0.658,其次为SVM;为克服目标区和对比区雨量时间序列效应及空间分布不均等问题,以面雨量空间格点数据作为研究对象,采用CNN 3种优化器(自适应矩估计、均方根传递和梯度随机下降)算法进行对比,发现基于自适应矩估计优化器建立目标区和对比区雨量关系模型最优,其降水估测值与实测值更接近,均方根误差最小,为0.61 mm。因此,利用CNN方法能够进一步优化目标区和对比区雨量关系模型,可为定量评估人工增雨效果提供参考。

安徽省燃气炮人工增雨作业效果综合评估

选取2021—2023年安徽省81次燃气炮作业的双偏振天气雷达、雨量计等多源观测数据,综合评估燃气炮作业增雨效果并分析可能机理。结果显示:在降水开始前作业个例增雨效果较好,并伴有水平反射率因子Z_(H)、差分反射率Z_(DR)的增加和共极化相关系数ρ_(hv)的减少;降水开始后作业增雨效果欠佳。使用携带暖云催化剂的燃气炮作业后云体变化主要在零度层以下,且维持时间较短;使用携带冷云催化剂的燃气炮作业后暖云区和冷云区均有明显变化,且作业影响持续时间更长。燃气炮作业过程中雷达速度谱宽增大,可能是作业引起气流涡旋的增加所导致。统计结果显示:增雨的显著性与作业时长呈负相关,作业时长与Z_(DR)增量呈负相关,过量播撒会导致减雨;增雨的显著性与作业前影响区雨量呈负相关;增雨量与Z_(H)、中低层风速、风切变呈正相关,与高层风速呈负相关。

祁连山无人机增雨(雪)作业积冰条件分析及防除冰技术路线

无人机作为新型人工增雨(雪)作业技术手段,研究其防冰和除冰对业务化具有重要意义。基于飞行积冰报告及外场探测资料、探空及再分析资料,对祁连山地区大型无人机积冰分布气象条件进行统计分析,结合电加热法防除冰试验,形成适用于祁连山地区的无人机防除冰技术路线。研究表明,大型无人机开展人工增雨(雪)作业的强烈积冰区为-8~-2℃,且当云粒子浓度大于0.93 cm^(-3)、云水含量大于0.0043 g·m^(-3)时更容易出现积冰。祁连山地区春、秋、冬三季容易出现积冰的高度在4000—5500 m,夏季在5000—5500 m,积冰中心高度在5000 m上下。搭载电加热防除冰系统可有效解决大型无人机的积冰问题。

六盘山区地面碘化银发生器催化作业条件分析

利用数值模式模拟的1 km×1 km六盘山区2009年6月至2010年5月的垂直速度资料、宁夏173个加密自动气象站数据、云高观测资料等开展了六盘山区碘化银发生器催化作业条件研究。结果表明:有降水过程时,六盘山区2.0 km、2.5 km、3.0 km、3.5 km高度层均有明显上升气流;地面发生器释放的碘化银催化剂的有效扩散高度可达3000 m;降雪开始前6 h至降雪开始后12 h内,发生器作业点有明显上升气流,80%以上时间内上升气流速度分钟平均值大于0.3 m·s~(-1)。结合六盘山区云底、0℃层等特征层高度,综合分析得出了六盘山东西两侧及六盘山顶一年中不同时期开展碘化银发生器催化作业的适宜程度。

基于飞机观测的华北降水云系上升气流区微结构研究

上升气流是成云致雨的基本条件之一。本文利用河北省2017年5月一次层积混合云的机载云物理探测系统测量资料,研究了云中上升气流速度分布,云微结构特征以及二者的相关性。结果表明:云中上升气流速度随高度呈抛物线型分布,云底部较小(0.75±0.52 m s^(−1)),云中部最大(3.64±2 m s^(−1)),云顶部最小(0.32±0.29 m s^(−1));发现随高度增加,云中上升气流区内冰粒子形状依次以片状、针状、柱状为主;暖云上升气流区中,上升气流速度与液态含水量正相关,相关系数为0.61;强垂直气流条件下云滴数浓度、最大云滴尺度大于弱垂直气流相应的数值,强垂直气流云粒子谱更符合Г函数分布。

基于集合预报的浙江省积层混合云人工增雨数值模拟研究

目前人工增雨催化数值模拟研究较少考虑环境场误差对模拟效果的影响,结论往往具有很大的不确定性。有鉴于此,本文将初始场扰动集合预报技术与包含催化模块的柱状云模式进行单向耦合(One Way Coupling),利用中尺度模式所提供包含环境场扰动误差的多组热力、微物理量廓线实时驱动柱状云模式,对2022年1月23日浙江省积层混合云降水过程进行多成员、单/多格点AgI催化数值试验,尝试从概率的角度探讨最佳播撒方案以及对应的增雨潜力。从单站(杭州站)的模拟效果来看,23日15:00(协调世界时)在3.6 km高度(−5.2℃)处使用AgI(碘化银催化剂量为1.2×10^(−7)~1.2×10^(−4)g kg^(−1))播撒时所有集合成员均能够取得正增雨效果,其中采用1.2×10^(−5)g kg^(−1)剂量时增雨率最大,所有成员的均值为4.67%,99%分位数为7.77%。在单点模拟中,初始场扰动对于过量播撒是否导致减雨的判断有很大影响,例如,播撒剂量增加至1.2×10^(−2)g kg^(−1)后,超过50%的集合成员表现为减雨效果,但仍然有部分成员表现为增雨。针对这次过程,多格点催化试验表明增雨效果发生概率最优的区域位于浙西北和浙北北部区域,尤其在嘉兴东北部和临安附近,从概率预报的角度来说也往往对应着相对较高的平均过冷水含量和较低的冰晶数浓度均值。

基于多源观测数据的华北冬季冷云催化物理响应分析

本文利用高性能增雨飞机、地面S波段双偏振雷达和卫星观测数据,分析了2022年1月20日河北中南部地区一次过冷云微物理特征及飞机增雨作业后的物理响应。研究结果表明,受西南暖湿气流和东风回流共同影响,河北中南部地区形成大范围层状云,云底高1400 m,云顶高2100 m,主要由过冷云滴组成,受地形抬升作用影响,从云底到云顶,云滴谱宽逐渐增加。雷达显示,2100 m高度催化作业后,受碘化银核化影响,过冷云滴迅速形成冰晶、雪和少量霰粒子,粒子尺度的增大致使雷达上出现与飞机催化轨迹形状相一致的回波带。FY-4A卫星观测显示晶化作用在播云17~19 min后逐渐显现,云迹可维持约55 min。催化作业后过冷云滴形成冰晶粒子,冰晶粒子逐渐长大并下落,造成云顶下沉,在云顶形成了一条云沟。与周围过冷云相比,云沟内0.65μm通道光谱反射率和10.8μm黑体亮温增加,而3.72μm通道反射率降低。

广东省一次飞机暖云催化响应的双偏振雷达观测分析

为研究飞机暖云焰剂催化后云系发生的物理响应,利用汕尾市双偏振雷达观测量及反演的云微物理特征参量,结合大气环境场探测数据,对2020年8月30日在广东省汕尾市北部区域实施的催化过程进行了分析,结果显示:这次过程是盛夏季节副高边缘的一次以暖云降水为主的对流性降水过程,天气尺度系统强迫较弱,大气层结不稳定,但水汽不充沛。在积云发展的暖云阶段引入吸湿性催化剂,16 min之后,暖云云系体积开始增加,差分反射率因子、差分相移率、雨水含量及降水强度的平均值都有明显增长,雨滴尺度增大、浓度明显增加,雨滴质量平均直径(D_(m))和表征雨滴数浓度的标准化参数(lgNW)增长幅度分别达到10.3%和39.5%,云系维持了大约1.5 h。吸湿性核先在催化层附近吸收水汽增长为数量众多的小云滴,与自然对流发展伴随的上升气流加强相互叠加,增强了云滴的碰并过程。众多小雨滴被上升气流带入0℃层之上使过冷雨滴短暂增多,促进了霰粒子的生成。

六盘山地区大气水汽的时空差异与驱动因子分析

为有效开发六盘山地区空中云水资源,提高人工增雨的科学性,需掌握该区域大气水汽的时空分布特征及其原因。利用1989—2018年六盘山地区国家基本站降水观测资料和同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5),分析该区域大气可降水量、比湿、相对湿度、水汽通量等大气水汽要素的时空变化,并从水汽输送、地形作用、浮力频率的影响等方面分析六盘山不同地区水汽条件及降水差异的原因。结果表明:一年中绝大多数时间六盘山山顶及东坡大气水汽条件均优于西坡,大值区主要集中在六盘山系主峰附近,并具有明显的季节变化特征。六盘山东坡,受地形抬升作用引起500 hPa辐散、700 hPa辐合的动力场,在夏季最明显,冬季最弱;浮力频率冬季最高,夏季最低;东坡更高的浮力频率及更陡峭的地形,使重力波效应更为明显,具备更有利的垂直上升扩散条件及更大的降水潜力。

陕西飞机增雨作业航线优化技术研究

为使陕西飞机增雨作业实现充分播撒,分析满足充分播撒要求的飞机航线设计需考虑的因素(包括作业区、作业层温度和风向风速),结合充分播撒的要求,对陕西以往的航线设计进行了优化,提出了“8字型”和“几字型”航线设计;针对“8字型”和“几字型”航线,分析了从相同航线的不同起点播撒催化剂后影响区域的异同,结果表明两种航线设计均可实现充分均匀播撒,可用于固定目标区增雨作业或对作业对象的追踪播撒;利用两种航线设计的实际业务个例也证实了两种航线设计均能使作业影响区内催化剂浓度在一定时段内保持稳定,实现充分播撒。

人工降雨促进北疆干旱地区农业生产的应用策略

北疆干旱地区的农业生产受到当地气候条件和土壤质量的严重制约。为有效提升北疆干旱地区的农业生产力,保障粮食安全,并为农民增收提供支持,探讨人工降雨技术在改善当地农业生产中的应用潜力,通过分析人工降雨技术的原理、优势及北疆干旱地区的气候和土壤特点,提出利用人工降雨技术调节气候波动减轻作物生长压力、提高土壤湿度和肥力改善土壤条件、发展基于人工降雨技术的智能抗旱农业新模式等策略。

贵州西部春季飞机增雨天气分析研究及应用

利用天气分析相关技术方法,采用多普勒天气雷达、FY-2风云卫星、Micaps及地面降水资料,对贵州西部春季近10年适合飞机增雨作业的稳定性降水天气过程进行统计分析,并结合不同类型的天气降水分布特点设计飞行方案。研究结果表明,贵州西部春季稳定性降水天气类型共有高原低槽型、西南气流型、副高外围型3类,高原低槽型主要受到高原低槽后部西北冷空气南下的影响,降水区域主要分布在贵州省西北部,飞机作业应在贵州省西北部采用西南—东北向作业;西南气流型主要受南支槽前西南暖湿气流影响,降水区域主要分布在贵州省西南部,飞机作业应在贵州省西南部采用西北—东南向作业;副高外围型主要受副高外围偏南暖湿气流影响,降水区域主要分布在贵州省南部区域,飞机作业应在贵州省西南部偏南区域采用西—东向作业。

泰山碘化银烟炉增雨作业的影响分析

为揭示泰安地区碘化银地面燃烧烟炉增雨作业的作业条件和效果评估,选取2018—2019年泰山站地面烟炉人工增雨过程,利用泰安市地面观测、雷达以及NCEP/NCAR提供的FNL资料,对地面烟炉人工增雨作业过程中的天气形势和雷达参数进行分析,采用高斯模式对AgI扩散过程进行数值模拟。结果表明:在进行人工增雨的过程中,当燃烧烟炉时,700~850 hPa平均垂直上升速度为0.6 Pa/s,最低平均上升速度为0.3 Pa/s;在燃烧烟炉后,较高浓度AgI颗粒能够垂直向上扩散至2.9km左右,有效将催化剂输送至0℃层高度以上。此外,通过具体案例分析表明,燃烧烟炉后雷达回波和大反射率均显著增强。

冲击与回应:内蒙古边疆牧民对人工增雨的认知研究——以包头市满都拉镇为例

抗旱减灾不仅是应对生态环境的实践,也是社会文化干预的行动。本文以包头市满都拉镇为例,考察蒙古族民众对人工增雨的认知态度,揭示该地区普遍存在抗灾认知滞后于减灾行动的问题,进而分析满都拉镇牧民的集体观念如何与现代措施有机融入于经验图景中,促成应对自然灾害的地方性实践行动,以期减少旱情对人、自然、牲畜的伤害,最终维持草原生态系统平衡。

普洱市烟炉增雨作业效果统计分析

【目的】烟炉(也称地面燃烧发生器)作为一种新型人工增雨技术,因其高安全性、操作便利得到广泛推广应用,但在云贵高原山地区域布设相对较少,其适用性和增雨效果的相关研究不多。【方法】通过高斯扩散模型和区域历史回归分析等方法,统计研究普洱市域内烟炉站点的增雨适用性以及2019-2021年烟炉增雨作业效果。【结果】(1)普洱市烟炉点布设满足适用性要求,烟炉增雨作业具有可行性;(2)雷达回波特征参量对增雨作业效果有明显正反馈,且回波生命期长于历史对比回波;就层积混合云而言,其作业后雷达回波最大组合反射率(CR_(max))、强中心高度(Hc)、回波顶高(ET)等较历史值都有显著增长,尤其平均垂直累积液态水类增长50%左右,其效果明显优于层云和积云增雨;(3)烟炉作业点的海拔高度和云底高度是影响烟炉增雨作业成功与否的关键因素,当作业点海拔较低或云底高度较高时,增雨作业失败率高;此外,有利的降水天气系统背景和大气物理环境也是作业成功的重要影响因素;(4)层积混合云成功案例的相对增雨率为20.5%,通过95%的双边T检验,总体样本相对增雨率15.8%,显著性较低。【结论】此次统计分析成果为烟炉增雨作业站点布设和增雨效果检验评估提供一定的科学参考依据。

环境湿度影响人工催化消减雨效果的数值模拟研究

利用耦合了碘化银催化过程的WRF(Weather Research and Forecast)模式,对2014年8月16日南京青奥会开幕式当天实施的人工催化作业开展数值模拟,评估催化效果并通过敏感性数值试验调查低空环境干层对催化效果的影响。结果表明,催化作业产生了减雨效果,低空干区的存在是影响催化效果的关键。当低空存在深厚的相对湿度很小的干层时,催化导致减雨效果;当增加低层的相对湿度即弱化低空干层,催化减雨效果减弱甚至出现增雨效果。催化增强了雪的形成过程但减弱了雪的增长过程尤其是凝华增长,导致雪粒子浓度增加但粒径减小,融化产生更多的小雨滴增强了蒸发过程,最终导致地面降水减少。

青藏高原东南缘洱海流域人工增雨效果评估

采用区域回归数值模拟评价方案对2005—2020年洱海流域火箭人工增雨效果进行统计检验,得出洱海流域层云、混合云增雨效率分别为16.57%和20.09%。利用新一代天气雷达和激光雨滴谱仪对2020年1月31日层云降水和8月13日混合云降水进行增雨效果物理检验发现:作业后试验区层云目标云体雷达最大回波强度和平均垂直积分液态水含量(VIL)略有降低,回波顶高变化不大,混合云目标云体最大回波强度、平均VIL和回波顶高均出现跃增,两种类型增雨作业后地面降雨强度均显著增强。雨滴谱特征表明,试验区层云和混合云雨强和雨滴数浓度在作业后10~15 min开始增加,最大数浓度所在直径由0.437 mm增加到0.562 mm,雨滴谱的谱宽增加,峰型由单峰变为双峰结构。

巴音布鲁克山区暖季人工增水作业区域的合理性分析

基于2017—2022年5—9月巴音布鲁克山区18个观测站点的逐日气象资料,利用协同克里金插值法,K-Means聚类分组法,基于降水特征的空间分布,从宏观层面上对人工增水作业布局的合理性开展分析。结果表明:(1)在空间插值中,小雨的相对误差最小,插值精度最高,大到暴雨相反,导致“平滑效应”明显,不确定性较大。(2)暖季月均降水量自西向东呈减少趋势,高值区多位于中部和东北部沿山区域,发生的降水事件以小雨为主,大到暴雨虽然频率低,次数少,但和小雨一样是影响降水量变化的主要量级。(3)现用人工增水作业点的适宜性大多一般,受小雨和中雨月均频率的空间分布影响较大,而在宏观地理上,西部作业点布设的适宜性比东部高。(4)降水空间分布受西风环流和地势影响较大,在作业布局合理性上,西部区域和北部区域最好。(5)根据地理及风向特点,北部地势复杂,适宜选择西低东高的山面建立地面烟炉,西部地势平坦,适宜建立作业方向为NNW或ENE的流动火箭。

山东无棣人工增雨效果的统计检验

为客观评估无棣增雨作业效果,使用1964—2023年滨州、无棣国家级基本气象站及区域气象观测站4—7月降水资料,采用序列分析、区域回归分析、区域对比分析3种统计检验方法对2014—2023年的人工增雨作业效果进行分析研究。结果表明:(1)4—7月序列分析、区域回归分析的旬平均绝对增雨量分别为7.24 mm、7.89 mm;4、5、7月序列分析通过α=0.05的显著性水平检验,4、7月区域回归分析通过α=0.05的显著性水平检验。(2)区域对比分析的作业日平均绝对增雨量为3.75 mm、平均相对增雨率为21.93%;4、6、7月通过α=0.05的显著性水平检验,5月通过α=0.10的显著性水平检验。

飞机增雨防灭火,要满足哪些条件

3月26日,牵动人心的四川雅江“3·15”森林火灾终于告一段落:雅江县森林火灾现场已无明火,经指挥部联合会商研判,火场全面进入清理看守阶段,部分扑火队伍正根据安排有序撤离归建。其间,气象部门实施有人机—无人机地面、“空—地”协同增雨(雪)扑灭火服务策略,为林火扑救提供了支撑。