天津及周邊區(qū)域飛機(jī)增雨飛行方案改進(jìn)研究

劉 晴，王兆宇

(1.天津市人工影響天氣辦公室 天津300074；2.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100081)

0 引 言

近幾十年來，云降水物理和人工影響天氣理論技術(shù)方面所取得的成果，與外場(chǎng)試驗(yàn)研究密切相關(guān)，而外場(chǎng)試驗(yàn)又主要以飛機(jī)增雨作業(yè)和探測(cè)為核心。國際上，澳大利亞STEP熱帶試驗(yàn)，利用機(jī)載光散射成像儀，測(cè)量熱帶地區(qū)積雨云云砧與臺(tái)風(fēng)和云團(tuán)系統(tǒng)的關(guān)系[1]；Brown[2]在飛機(jī)探測(cè)試驗(yàn)中利用機(jī)載總水量探頭，改進(jìn)云中冰相水含量的測(cè)量方法；美國NCAR利用逆流粒子取樣器和機(jī)載探空儀器，對(duì)比分析混合相態(tài)云中的凝結(jié)水含量[3]。國內(nèi)，張佃國等[4]開展4架次的飛機(jī)探測(cè)，獲得北京及周邊地區(qū)云中小云粒子最大濃度的變化范圍和平均直徑；秦彥碩等[5]分析飛機(jī)探測(cè)資料，綜合分析河北地區(qū)層狀云的微物理特征，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)反射率相關(guān)性遠(yuǎn)高于云黑體亮溫。

針對(duì)飛機(jī)人工增雨作業(yè)，除必須關(guān)注催化對(duì)象、催化時(shí)機(jī)、催化部位等客觀條件外，還必須主觀上嚴(yán)格科學(xué)地設(shè)計(jì)播云航線[6]，科學(xué)合理的飛行航線對(duì)云的綜合探測(cè)十分重要[7-8]。過去針對(duì)飛機(jī)增雨綜合觀測(cè)分析的研究很多，但專門針對(duì)某一區(qū)域的飛行方案和播云航線的設(shè)計(jì)和改進(jìn)還很少。國際上，Rosenfeld[9-10]對(duì)積云的飛行探測(cè)方案進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)氣溶膠和降水之間的相互影響。國內(nèi)，濮江平[11]對(duì)大尺度鋒面云系、小尺度積云結(jié)構(gòu)、中尺度云帶結(jié)構(gòu)等的飛行方案進(jìn)行分析總結(jié)；劉健等[12]研究吉林省層狀云中的過冷水含量分布，發(fā)現(xiàn)垂直于高空風(fēng)的“U”型水平播撒為最佳飛行方案；蔡兆鑫等[13]分析張家口一次飛機(jī)增雨過程的播撒航線，從微物理角度研究作業(yè)效果；游積平等[14]在佛山、江門地區(qū)，采用特定高度盤旋上升的方案，發(fā)現(xiàn)氣溶膠粒子自下而上存在累積層、遞減層和增加層。

本文統(tǒng)計(jì)歸納天津及周邊地區(qū)2013—2014年兩年中44次飛機(jī)外場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)作業(yè)區(qū)域、作業(yè)高度、播撒方式和飛行方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，結(jié)合多個(gè)典型實(shí)例，找出實(shí)際方案設(shè)計(jì)中亟待解決的問題，提出改進(jìn)方案并進(jìn)行可行性分析，擬為相關(guān)科研業(yè)務(wù)人員提供參考。

1 資料介紹

2013年上半年，天津市人工影響天氣辦公室開始在外場(chǎng)增雨飛機(jī)上搭載PMS粒子測(cè)量系統(tǒng)，嘗試開展對(duì)氣溶膠粒子、云粒子等的飛機(jī)增雨探測(cè)工作。天津及周邊地區(qū)2013—2014年全部44次飛機(jī)外場(chǎng)試驗(yàn)資料見表1。

表1 天津及周邊地區(qū)2013—2014年外場(chǎng)飛行概況Tab.1 Flight survey in 2013 and 2014 in Tianjin Area

2 資料分析

因天津地區(qū)夏季降水量最多，冬季降水量極少，且10月至次年5月底總雨雪量僅占全年的20%，所以飛機(jī)人工增雨作業(yè)只在每年春季和秋季開展。影響春季降水的主要天氣系統(tǒng)是蒙古氣旋、江淮氣旋和東北回流高壓等；影響秋季降水的主要天氣系統(tǒng)是冷切變、東北回流高壓和倒槽等。同時(shí)由于天津降水空間分布很不均勻，東西方向差異小，南北方向差異較大，雨量由北向南呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)[15]，遂以天津?yàn)I海國際機(jī)場(chǎng)所在緯線位置為南北界，設(shè)定兩個(gè)飛機(jī)增雨作業(yè)區(qū)，分別為北部作業(yè)區(qū)和南部作業(yè)區(qū)(圖1)。

圖1 天津及周邊區(qū)域飛機(jī)人工增雨作業(yè)區(qū)布局圖Fig.1 Layout diagram of aircraft precipitation enhancement in Tianjin Area

2.1 作業(yè)區(qū)域分析

整理2013—2014年飛機(jī)增雨試驗(yàn)覆蓋區(qū)域。由圖2可見，飛機(jī)增雨試驗(yàn)主要集中在薊縣、寶坻、寧河，以及河北玉田、遵化，針對(duì)濱海新區(qū)和其他區(qū)縣開展的試驗(yàn)很少，所占比例不到12%，濱海國際機(jī)場(chǎng)位于東麗區(qū)，導(dǎo)致該區(qū)域上空航線分布比較密集，由于空域限制，無法開展針對(duì)東麗區(qū)的飛機(jī)增雨試驗(yàn)。

圖2 2013、2014年飛機(jī)增雨區(qū)域分布餅狀圖Fig.2 Pie chart of regional distribution of aircraft precipitation enhancement in 2013 and 2014

2.2 飛行播撒方式分析

天津飛機(jī)增雨試驗(yàn)在春秋兩季開展，分析影響降水的主要天氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)播云對(duì)象主要是大范圍層狀云系，最常使用的兩種飛行方式是垂直播撒和水平播撒。通過統(tǒng)計(jì)分析2013—2014年飛機(jī)外場(chǎng)試驗(yàn)資料，由表2可見，水平飛行播撒在北部作業(yè)區(qū)應(yīng)用頻次最高；垂直飛行播撒在兩個(gè)作業(yè)區(qū)的應(yīng)用頻率都很低，但也呈現(xiàn)出北部作業(yè)多于南部的現(xiàn)象。

表2 2013—2014年飛行方案的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of flight scheme in 2013 and 2014

2.2.1 垂直飛行播撒方案分析

由表2可知，2年內(nèi)共進(jìn)行6架次垂直方向飛行播撒試驗(yàn)。圖3是典型實(shí)例的三維飛行軌跡。2013年10月13日試驗(yàn)，作業(yè)區(qū)域在寧河上空，15∶55點(diǎn)燃煙條，飛機(jī)在同一區(qū)域3個(gè)不同高度層(3900、4200、4500m)實(shí)施增雨作業(yè)，17∶05結(jié)束催化，隨后下降高度在4200、3900m高度層平飛探測(cè)；2014年5月11日試驗(yàn)，作業(yè)區(qū)域在寧河、寶坻上空，飛機(jī)在同一區(qū)域2個(gè)不同的高度層(4600m和4000m)進(jìn)行平飛催化。

圖3 垂直飛行方案典型個(gè)例軌跡Fig.3 Aircraft path of typical vertical flight cases

以2013年10月13日試驗(yàn)為例，分析方案設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。環(huán)流背景形勢(shì)逐漸向有利于天津出現(xiàn)降水調(diào)整。08∶00700hPa中高緯地區(qū)有高空槽在向偏東方向移動(dòng)，天津?qū)儆谄黠L(fēng)控制；20∶00高空槽東移至天津上空。結(jié)合地面形勢(shì)，08∶00地面為東高西低的形勢(shì)，冷鋒位于內(nèi)蒙古中部-河套西北部-青海東北部一帶，逐漸向東移動(dòng)。分析14∶00北京探空資料，-10℃層高度在5000m左右，降水偏穩(wěn)定性。由圖4可見，在4200m高度層，小云粒子濃度比氣溶膠粒子濃度大2個(gè)量級(jí)；催化后小云粒子的濃度較催化前明顯增加，在整段飛行過程中出現(xiàn)了3個(gè)峰點(diǎn)，最大峰值濃度達(dá)到3×108個(gè)/m3，小云粒子濃度的峰值區(qū)恰好與氣溶膠粒子濃度的谷值區(qū)一致。

圖4 催化前后云中氣溶膠粒子和云粒子的濃度Fig.4 Concentration of aerosol and cloud particles at different phases

2.2.2 水平飛行播撒方案分析

由于溫度低于0 °C后，云中液態(tài)含水量隨著溫度的降低而減少，冷云催化劑AgI成核率會(huì)隨溫度下降而增加，綜合考慮，冷云增雨試驗(yàn)的作業(yè)高度應(yīng)選在-5～-10℃高度層之間。而天津北部作業(yè)區(qū)春秋兩季層狀降水云系0℃層高度一般低于4000～4500m。北部作業(yè)區(qū)水平飛行播撒方式共開展35架次試驗(yàn)，剔除2013年4月28日、2013年10月1日和2014年6月8日3架次不科學(xué)試驗(yàn)(由于機(jī)場(chǎng)空中管制部門對(duì)飛行高度進(jìn)行限制，無法在預(yù)設(shè)高度飛行)，對(duì)剩余32架次試驗(yàn)的作業(yè)高度進(jìn)行研究。由圖5可見，2013—2014年水平播撒方式在天津北部作業(yè)區(qū)的催化高度確實(shí)主要集中在4000～4500m高度層，符合冷云催化基本要求。

圖6是典型實(shí)例的三維飛行軌跡。2014年5月10日試驗(yàn)，作業(yè)區(qū)域在薊縣、寶坻上空，10∶30飛機(jī)起飛，10∶49飛行高度達(dá)到過冷云水層高度(4900m左右)開始向北平飛，至40.5°N轉(zhuǎn)向東平飛，11∶12點(diǎn)燃焰條，保持高度平飛催化，11∶54結(jié)束催化和平飛；2014年5月1日試驗(yàn)，作業(yè)區(qū)域在薊縣、唐山和承德上空，平飛催化高度為4500m；2014年4月26日試驗(yàn)，作業(yè)區(qū)域在寶坻上空，平飛催化高度為4600m；2014年4月25日試驗(yàn)，作業(yè)區(qū)域在寶坻、薊縣和唐山上空，平飛催化高度為5000m。

圖5 2013—2014年水平播撒方式在北部作業(yè)區(qū)的催化高度Fig.5 Seeding height of horizontal route in the northern areas in 2013 and 2014

圖6 水平飛行方案典型個(gè)例軌跡Fig.6 Aircraft path of vertical typical cases

以2014年5月10日試驗(yàn)為例，分析方案設(shè)計(jì)中優(yōu)缺點(diǎn)。由圖7和圖8可見，08∶00 500hPa高度場(chǎng)配合地面實(shí)況資料，受東移高空槽和地面倒槽的共同影響，天津處于有利降水的環(huán)流背景條件。隨著系統(tǒng)整體東移，作業(yè)區(qū)具有較好的動(dòng)力抬升條件，也是產(chǎn)生降水的基本動(dòng)力條件；天津地區(qū)過冷云水位于0～-20℃層(高度4000～5500m)。由圖9可見，平飛催化之前氣溶膠粒子和小云粒子的濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，濃度相差2個(gè)數(shù)量級(jí)；而平飛催化過程中，兩者濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)產(chǎn)生明顯差異，氣溶膠粒子急劇上升，小云粒子持續(xù)走低并趨于穩(wěn)定。由于本個(gè)例只進(jìn)行直線平飛催化，無返回探測(cè)飛行，故很難對(duì)兩者濃度變化的原因進(jìn)行解釋。

圖7 08∶00 500hPa和850hPa高度場(chǎng)Fig.7 Aerographical chart at 500，850 hPa at 08：00(BJT)

2.2.3 小結(jié)

垂直播撒飛行方案典型實(shí)例的航線設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是在垂直方向上對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行逐層播撒，有助于提高催化成效；但也存在較大的缺陷，即雖然對(duì)同一區(qū)域不同高度層進(jìn)行飛行播撒(或探測(cè))，收集到該區(qū)域作業(yè)前后云中微物理參數(shù)資料，但很難保證第二次催化(或探測(cè))的范圍就是第一次催化(或探測(cè))的云區(qū)，這為作業(yè)結(jié)束后的效果分析增加了難度。

水平播撒飛行方案典型實(shí)例的航線設(shè)計(jì)，其缺陷比較明顯。首先，平飛催化前期缺少對(duì)作業(yè)云宏觀結(jié)構(gòu)和云微物理參數(shù)的垂直探空，以至于不能根據(jù)實(shí)時(shí)探測(cè)到的0、-5、-10℃層高度來修改作業(yè)催化高度，可能造成催化位置失準(zhǔn)的不利結(jié)果；其次，平飛催化結(jié)束后，沒有返回催化區(qū)域進(jìn)行回穿探測(cè)，無法利用探測(cè)資料對(duì)比分析作業(yè)效果；最后，沒有充分地利用已布設(shè)的雨滴譜儀等地面探測(cè)設(shè)備。

3 方案改進(jìn)和可行性分析

通過對(duì)現(xiàn)有飛行方案改進(jìn)，設(shè)計(jì)出天津北部作業(yè)區(qū)兼顧探測(cè)和作業(yè)飛行方案。

3.1 北部作業(yè)區(qū)兼顧探測(cè)和作業(yè)飛行方案

首先根據(jù)作業(yè)條件預(yù)報(bào)和臨近預(yù)警制定作業(yè)預(yù)案，即根據(jù)地面、850、700、500hPa天氣形勢(shì)，衛(wèi)星云圖，模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，確定0、-5、-10℃層高度、云系范圍、移向移速等信息，設(shè)計(jì)航線預(yù)案；然后根據(jù)雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料、加密探空資料和垂直盤旋上升探測(cè)結(jié)果修訂作業(yè)航線；最后收集作業(yè)信息(空地基儀器采集的所有數(shù)據(jù)資料)進(jìn)行效果評(píng)估。

航線設(shè)計(jì)要求預(yù)設(shè)3個(gè)區(qū)域，即垂直盤旋上升探測(cè)區(qū)、水平蛇形播撒作業(yè)區(qū)和水平回穿探測(cè)區(qū)。

該方案已在天津北部作業(yè)區(qū)初步應(yīng)用，以2015年11月13日飛機(jī)增雨試驗(yàn)為例，當(dāng)天高空風(fēng)為西南風(fēng)，0℃層高度2950m，-5℃層高度3850m；垂直探測(cè)區(qū)選在寧河北部(上風(fēng)方)；水平作業(yè)區(qū)選在薊縣、寶坻、玉田部分地區(qū)，播撒高度3900m；催化后下降300m高度，返回蛇形播撒區(qū)進(jìn)行回穿探測(cè)。圖10a為航線三維軌跡圖，圖10b中黑色五角星位置為地面雨滴譜位置。

3.2 可行性分析

影響雷達(dá)反射率因子Z與降水強(qiáng)度R之間關(guān)系的因素，除了時(shí)間、空間以及地理位置以外，也包括人工對(duì)云的干涉。如果使用該方案在北部作業(yè)區(qū)目的明確地進(jìn)行多次試驗(yàn)，收集并分析飛機(jī)作業(yè)前和作業(yè)后雨滴譜資料，分析比較催化對(duì)同一區(qū)域?qū)訝钤葡礪-R關(guān)系的影響情況，也是一種對(duì)作業(yè)效果的分析方法。

圖10 2015年11月13日外場(chǎng)增雨作業(yè)軌跡Fig.10 Aircraft path on Nov.13，2015

圖11 北部作業(yè)區(qū)飛行方案在4個(gè)不同風(fēng)向下的應(yīng)用Fig.11 Application of the aircraft scheme in north seeding area in four different wind directions

雖然本方案航線需要根據(jù)云系降水特征和高空風(fēng)分布狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是由于北部作業(yè)區(qū)地面雨滴譜儀布設(shè)位置較密集且均勻(圖10b)，該方案只需根據(jù)高空風(fēng)來向在方向上進(jìn)行整體調(diào)整，即可多次反復(fù)應(yīng)用。圖11為該方案在不同風(fēng)向下的應(yīng)用情況，圖中標(biāo)注出地面雨滴譜儀和垂直盤旋上升探測(cè)區(qū)的位置。綜上，認(rèn)為該方案在天津北部作業(yè)區(qū)具有一定的區(qū)域適用性和可行性。

4 結(jié) 論

①統(tǒng)計(jì)歸納天津及周邊地區(qū)2013—2014年2年中全部44次飛機(jī)增雨試驗(yàn)，試驗(yàn)主要集中在薊縣、寶坻、寧河，以及玉田、遵化上空開展，針對(duì)濱海新區(qū)和其他區(qū)縣開展的試驗(yàn)很少，所占比例不到12%。

②以天津?yàn)I海國際機(jī)場(chǎng)所在的緯線位置為南北界，劃分北部作業(yè)區(qū)和南部作業(yè)區(qū)；飛機(jī)播云對(duì)象主要是大范圍層狀云系，最常使用的飛行方式是垂直播撒和水平播撒；水平播撒在北部作業(yè)區(qū)應(yīng)用頻次最高，垂直播撒在兩個(gè)作業(yè)區(qū)的應(yīng)用頻率都很低，但也呈現(xiàn)出北部作業(yè)多于南部的現(xiàn)象。

③2013—2014年水平播撒方式在北部作業(yè)區(qū)的催化高度主要集中在4000～4500m高度層，符合冷云催化基本要求。

④結(jié)合多個(gè)典型個(gè)例，發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)中的缺陷。首先，很難保證二次催化(或探測(cè))的范圍仍是第一次催化(或探測(cè))的云區(qū)，為效果分析增加難度；其次，平飛催化前期缺少對(duì)作業(yè)云宏觀結(jié)構(gòu)和微物理參數(shù)的垂直探空；再次，平飛催化結(jié)束后沒有返回催化區(qū)域進(jìn)行回穿探測(cè)；最后，沒有充分利用已布設(shè)的雨滴譜儀等地面探測(cè)設(shè)備，很難對(duì)飛機(jī)作業(yè)效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

⑤改進(jìn)設(shè)計(jì)出天津北部作業(yè)區(qū)兼顧探測(cè)和作業(yè)飛行方案，該方案由垂直盤旋上升探測(cè)區(qū)、水平蛇形播撒作業(yè)區(qū)和水平回穿探測(cè)區(qū)構(gòu)成。以2015年11月13日飛機(jī)增雨試驗(yàn)為例，發(fā)現(xiàn)該方案在北部作業(yè)區(qū)具有一定區(qū)域適用性和可行性。