貴州省2018年5月3日飛機(jī)增雨作業(yè)個(gè)例分析

賀 藝，許 弋，文繼芬，李 皓，崔 蕾，饒 蓮

(貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引言

在適當(dāng)?shù)臈l件下開展飛機(jī)人工增雨工作，對(duì)解決各地水資源缺乏，增加水庫蓄水量，改善生態(tài)環(huán)境，減輕和緩解干旱對(duì)國民經(jīng)濟(jì)特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響等具有十分重要的意義。研究表明，貴州省上空長年都有一條豐富的水汽帶，空中云水資源豐富，降水開發(fā)潛力巨大。貴州省自2005年以來，年均開展飛機(jī)人工增雨作業(yè)20多架次，年均增加降水約25億噸，取得明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益。隨著氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)、大氣探測(cè)、微波輻射等探測(cè)資料在貴州的廣泛運(yùn)用，飛機(jī)人工增雨作業(yè)時(shí)間、高度、范圍、效益更具有科學(xué)性、針對(duì)性與成效性。在此，以2018年5月3日一次飛機(jī)增雨作業(yè)過程為例，通過GRAPES模式產(chǎn)品、FY2反演產(chǎn)品、雷達(dá)回波、降水實(shí)況等資料，對(duì)天氣系統(tǒng)的云系特征、作業(yè)潛力、作業(yè)區(qū)域與作業(yè)效果進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)完善飛機(jī)增雨作業(yè)方案，并按照既定方案組織實(shí)施飛機(jī)人工增雨作業(yè)，取得了明顯的增雨作業(yè)效果。

1 天氣背景分析

5月2日08時(shí)的天氣實(shí)況顯示500 hPa南支槽位于90°E附近，有短波東移影響我省，700 hPa切變位于我省東部，我省大部受西北氣流影響，850 hPa切變位于我省東南部邊緣，我省大部受偏北氣流影響，地面受冷空氣影響，冷鋒位于華南沿海。

1.1 天氣形勢(shì)

在500 hPa高空?qǐng)D上，歐亞地區(qū)中高緯度呈現(xiàn)兩槽一脊徑向型環(huán)流，青藏高原東部有一高壓切變，西南至江淮一帶西南急流已經(jīng)建立；700 hPa高空?qǐng)D上，中高緯度環(huán)流與500 hPa相似，貴州西部至湖北東部有準(zhǔn)靜止鋒切變線；850 hPa高空?qǐng)D上，850 hPa與700 hPa形勢(shì)場(chǎng)的區(qū)別在于，切變線已經(jīng)南移到貴州東南部地區(qū)。

圖1 2018年5月2日08時(shí)中尺度天氣形勢(shì)圖(紅色方框?yàn)樽鳂I(yè)影響區(qū)，黑色方框?yàn)閷?duì)比區(qū))Fig.1 The mesoscale weather situation at 00∶08 on May 2, 2018(the red box is the influence area, and the black box is the contrast area)

根據(jù)圖1，可以看出，作業(yè)前，中低空(700 hPa)切變線位于我省東部，且穿過對(duì)比區(qū)，對(duì)比區(qū)和影響區(qū)均受到西北氣流影響；低空(850 hPa)切變線位于我省東南部邊緣，對(duì)比區(qū)和影響區(qū)均受到偏北氣流影響；地面對(duì)比區(qū)和影響區(qū)均受冷空氣影響，濕舌穿過對(duì)比區(qū)，影響區(qū)和對(duì)比區(qū)均落后冷鋒。

1.2 降水預(yù)報(bào)

受高空短波槽和中低層切變影響，2日夜間到3日夜間，全省陰天間多云有分散陣雨，省的南部邊緣有小到中雨。預(yù)計(jì)3日08—20時(shí)影響畢節(jié)西部邊緣、六盤水、黔西南州、黔南州及黔東南州南部邊緣，2018年5月2日20時(shí)—3日20時(shí)降水落區(qū)預(yù)報(bào)見圖2。

圖2 2018年5月2日20時(shí)降水預(yù)報(bào)落區(qū)圖Fig.2 Precipitation forecast area map at 20∶00 on May 2, 2018

2 作業(yè)潛力分析

2.1 云特征及演變分析

通過5月3日08—14時(shí)的云帶與垂直過冷水綜合模式預(yù)報(bào)變化趨勢(shì)(如圖3)可以看出，貴州省有降水性云帶覆蓋且局部有對(duì)流性降水，云帶自西南向東北方向移動(dòng)，平均移速約30 km/h，主要為冷暖混合云結(jié)構(gòu)，最大垂直累積過冷水可達(dá)0.3 mm，具有一定的催化潛力，且在14時(shí)左右開始作業(yè)比較合適。

2.2 云垂直結(jié)構(gòu)分析

潛力區(qū)云體垂直結(jié)構(gòu)分析(如圖4)顯示，5月3日14—17時(shí)黔東南州的云系過冷水主要位于0～-10 ℃層(海拔高度4 500～6 300 m)，過冷水最大含量可達(dá)0.1 g/kg，云水含量豐富，且云中冰晶粒子較少，粒子數(shù)濃度為10個(gè)/L，云頂高度在9 km左右，技術(shù)參考指標(biāo)一般為4 km以上，因此，具有一定的增雨潛力。

3 作業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警分析

通過FY2衛(wèi)星監(jiān)測(cè)反演云產(chǎn)品跟蹤對(duì)比檢驗(yàn)?zāi)Ｊ筋A(yù)報(bào)云帶結(jié)果(圖略)可以看出，5月3日08—11時(shí)，模式預(yù)報(bào)與實(shí)況基本一致，貴州省全省確有降水云系覆蓋，云系自西向東偏北方向移動(dòng)，移速約30 km/h，云中局部具有豐富的液態(tài)水含量，云降水呈垂直結(jié)構(gòu)發(fā)展，云頂高度局部最高約為9 km，過冷層厚度在5 km以上，技術(shù)參考指標(biāo)一般為1 km以上，光學(xué)厚度最大值可達(dá)40，技術(shù)參考指標(biāo)一般為30以上，因此，具有一定增雨條件(如圖5)。

雷達(dá)回波監(jiān)測(cè)顯示(如圖6)，5月3日13時(shí)30分貴州省全省大部有降水回波覆蓋，回波強(qiáng)度在20～40 dBz之間，技術(shù)參考指標(biāo)一般為30 dBz以上，回波自西向東移動(dòng)；回波垂直結(jié)構(gòu)上，回波頂高4 km左右。

4 作業(yè)方案設(shè)計(jì)及作業(yè)情況

4.1 航線設(shè)計(jì)

通過上述分析情況并用監(jiān)測(cè)預(yù)警檢驗(yàn)?zāi)Ｊ胶?判定作業(yè)潛力區(qū)合理，此次過程為適合開展飛機(jī)增雨作業(yè)的天氣過程，決定開展飛機(jī)增雨作業(yè)，設(shè)計(jì)航線為黃平—玉屏—臺(tái)江—天柱—三都—黃平(如圖7)。

4.2 作業(yè)實(shí)況監(jiān)測(cè)

根據(jù)2018年5月3日飛行高度時(shí)間序列圖顯示(如圖8)，飛機(jī)于5月3日14時(shí)25分起飛，機(jī)場(chǎng)是小雨天氣，起飛后14時(shí)54分進(jìn)入高層云，高度在4 111～5 352 m之間，飛機(jī)催化劑作業(yè)時(shí)間是14時(shí)54—15時(shí)34分。此次增雨為冷云催化，在0 ℃層高度以上進(jìn)行作業(yè)催化效果最佳，催化劑為碘化銀，碘化銀用量82.5 g，使用煙條11枚，作業(yè)影響面積達(dá)10 000 km2，飛行航線571 km，飛行時(shí)間近2 h，機(jī)翼兩側(cè)從輕微結(jié)冰到中度結(jié)冰，充分說明空中有較多的過冷卻水，是利于催化的。實(shí)際08時(shí)探空顯示0 ℃層～-5 ℃層高度為4 298～5 319 m。

圖3 預(yù)報(bào)2018年5月3日08—14時(shí)云帶(左圖)和累積過冷水(右圖)分布Fig.3 Forecasts the distribution of cloud belts (left) and accumulated supercooled water (right) from 08am to 14pm on May 3, 2018

圖4 2018年5月3日14時(shí)自黔東南中部自西向東的云垂直結(jié)構(gòu)圖a：云水(填色陰影)，冰晶(紅色等值線)， 等溫線(紫色等值線)圖b：雪+霰(填色陰影)，雨(紅色等值線)， 等高線(紫色等值線)Fig.4 Cloud vertical structure from west to east in central guizhou at 14∶00 on May 3, 2018Left: cloud water (shaded), ice crystals (red contours), isotherms (purple contours)Right figure: snow + graupel (color shadows), rain (red contours), contour line (purple contours)

圖5 2018年5月3日13時(shí)30分衛(wèi)星反演的光學(xué)厚度(a)和過冷層厚度(b)Fig.5 Optical thickness (left) and supercooled layer thickness (right) of satellite inversion on May 3, 2018

圖6 2018年5月3日13時(shí)30分雷達(dá)回波(a)和垂直結(jié)構(gòu)(b)Fig.6 Radar echo (left) and vertical structure (right) at 13∶30 on May 3, 2018

圖7 2018年5月3日作業(yè)航線設(shè)計(jì)圖Fig.7 Route design drawing for operation on May 3, 2018

圖8 2018年5月3日飛行高度時(shí)間序列圖Fig.8 Time series diagram of flight altitude on May 3, 2018

5 作業(yè)效果評(píng)估分析

2018年5月3日，以貴州黃平機(jī)場(chǎng)為起降點(diǎn)，通過作業(yè)條件分析后采用冷云催化劑對(duì)貴州省的東南部實(shí)施了飛機(jī)人工增雨作業(yè)，降水量在作業(yè)后有明顯增大，作業(yè)影響面積達(dá)10 000 km2。目前，國內(nèi)外評(píng)估人工增雨作業(yè)效果的方法主要有序列試驗(yàn)、區(qū)域?qū)Ρ仍囼?yàn)、區(qū)域歷史回歸試驗(yàn)等[1-4]。在此，結(jié)合我省多年業(yè)務(wù)實(shí)際應(yīng)用情況，采用增雨效率法和區(qū)域?qū)Ρ确ňC合分析評(píng)估此次飛機(jī)增雨的作業(yè)效果。

5.1 雨量分析

通常情況下，碘化銀催化作用的時(shí)間在作業(yè)30 min后開始起效，最佳效果時(shí)間在作業(yè)90 min后，本次增雨作業(yè)半小時(shí)后開始逐漸增加雨量，特別是從22時(shí)地面小時(shí)雨量圖(如圖9)可以看出，貴州省東南部、南部、中部等地區(qū)降水效果顯著，全省地面的小時(shí)降水量在作業(yè)后普遍增加，東南部作業(yè)影響區(qū)內(nèi)普降小到中雨，2 mm以上降水中面積不斷增大，最高可達(dá)10 mm?？梢姡呋鳂I(yè)2 h后，地面降水量明顯增多，催化作業(yè)有明顯的增雨效果。

考慮受同一天氣系統(tǒng)與西風(fēng)向的影響因素，所以選擇了1個(gè)面積相同、未實(shí)施增雨作業(yè)的對(duì)比區(qū)與實(shí)施增雨作業(yè)的影響區(qū)的作業(yè)效果來進(jìn)行對(duì)比(圖10)，從增雨作業(yè)結(jié)束后的12 h降水量的情況，可以明顯看到：在作業(yè)結(jié)束5 h內(nèi)，作業(yè)影響區(qū)較對(duì)比區(qū)的平均降水量呈平穩(wěn)增加狀態(tài)，但在21時(shí)以后平均降水量比值顯著增加，22時(shí)比值達(dá)到最高，為7.6倍，5月4日02時(shí)以后作業(yè)影響區(qū)與對(duì)比區(qū)的平均降水增加量逐漸平緩，總體來看，21—次日02時(shí)，影響區(qū)內(nèi)的平均降水量明顯大于對(duì)比區(qū)的降水量，說明作業(yè)有明顯的效果。

圖9 2018年5月3日22時(shí)地面小時(shí)雨量Fig.9 Hourly rainfall on the ground at 22∶00 on May 3, 2018

圖10 作業(yè)影響區(qū)與對(duì)比區(qū)效果分析Fig.10 Effect analysis of operation influence area and contrast area

5.2 雷達(dá)回波分析

從雷達(dá)回波演變情況看，云團(tuán)自西南向東北方向移動(dòng)，沿著云團(tuán)的移動(dòng)方向作垂直剖面，從平面分布圖和剖面圖上(如圖11)可以發(fā)現(xiàn)：增雨作業(yè)進(jìn)入尾聲時(shí)(16時(shí))，作業(yè)區(qū)的雷達(dá)回波強(qiáng)度為0～30 dBz，且回波垂直結(jié)構(gòu)上回波中心強(qiáng)度25～30 dBz，15 dBz以上回波區(qū)域頂高在5 km左右；增雨作業(yè)1 h以后，回波強(qiáng)度增強(qiáng)，回波中心強(qiáng)度達(dá)35 dBz以上，回波中心面積增大，回波中心底高降低，回波高度增加，15 dBz以上回波區(qū)域頂高可達(dá)6 km以上?？梢娫茍F(tuán)催化作業(yè)后，雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

6 結(jié)論

①受高空槽東移冷空氣南下，高空短波槽和中低層切變影響，2018年5月3日貴州省東南部有降水過程，有降水性云帶覆蓋，液態(tài)含水量充沛，具有一定增雨潛力，且14時(shí)過冷水含量最大，故此次飛機(jī)增雨作業(yè)的航線設(shè)計(jì)與時(shí)間安排是合理的。

②綜合天氣形勢(shì)和人工影響天氣模式產(chǎn)品，5月3日14時(shí)25分—16時(shí)20分在貴州省東南部開展了飛機(jī)增雨作業(yè)，此次增雨為冷云催化，催化劑為碘化銀，作業(yè)高度為4 111～5 352 m，實(shí)際08時(shí)探空顯示0 ℃層～-5 ℃層高度為4 298～5 319 m，飛行高度在云內(nèi)-4 ℃層以上，催化劑使用與飛行高度合理，技術(shù)參考指標(biāo)將來還需要通過大量的飛機(jī)增雨個(gè)例分析來進(jìn)行完善精化，形成更適用于貴州本地的技術(shù)指標(biāo)，為將來的飛機(jī)增雨科學(xué)作業(yè)指揮提供更可靠、更有力地支撐。

圖11 2018年5月3日沿催化云團(tuán)移動(dòng)方向的雷達(dá)回波垂直剖面Fig.11 Radar echo vertical profile along the moving direction of the catalytic cloud on May 3, 2018

③從作業(yè)前后雷達(dá)回波變化和作業(yè)區(qū)地面小時(shí)雨量分析可以看出，此次飛機(jī)增雨作業(yè)區(qū)內(nèi)雷達(dá)回波強(qiáng)度和覆蓋面積有所增強(qiáng)，降水量也在作業(yè)后有明顯增大，作業(yè)區(qū)普降小到中雨，2018年5月3日貴州省飛機(jī)增雨作業(yè)效果明顯，對(duì)解決貴州省東南部區(qū)域水資源缺乏，增加降水量，改善生態(tài)環(huán)境等發(fā)揮重要作用。