阜新市典型人工增雨過程精細(xì)化分析

孫可　孫寶利　張旭　李凝　劉曉娜

云降水精細(xì)分析系統(tǒng)（CPAS系統(tǒng)）集成衛(wèi)星、雷達(dá)、高空、地面等多尺度觀測和反演信息，以云降水精細(xì)分析為核心，實(shí)現(xiàn)對多種云降水遙感監(jiān)測及反演信息的實(shí)時(shí)精細(xì)處理分析，為短時(shí)臨近云降水精細(xì)預(yù)報(bào)及人影播云條件和播云效果的實(shí)時(shí)分析等提供幫助。以CPAS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)阜新本地化應(yīng)用，對阜新地區(qū)2019年典型的4種類型的降水過程，進(jìn)行人工增雨潛力分析，對人工增雨作業(yè)前模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品和地面雨量進(jìn)行對比研究分析。

遼寧省云降水精細(xì)分析系統(tǒng)（CPAS）是依托東北區(qū)域人工影響天氣工程而開發(fā)建立的，是基于云物理分析技術(shù)并以云降水精細(xì)分析為核心的分析平臺，綜合了衛(wèi)星、雷達(dá)、高空、地面等多尺度觀測和反演信息，可實(shí)現(xiàn)對多種云降水遙感監(jiān)測及反演信息的實(shí)時(shí)精細(xì)處理分析，為短時(shí)臨近云降水精細(xì)預(yù)報(bào)及人影播云條件和播云效果的實(shí)時(shí)分析等提供幫助。該系統(tǒng)在遼寧省各市縣人影辦進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了良好效果。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品集成顯示、交互分析、作業(yè)需求分析、作業(yè)潛力預(yù)報(bào)分析、作業(yè)條件預(yù)警、地面作業(yè)指揮、作業(yè)效果物理檢驗(yàn)、綜合服務(wù)產(chǎn)品制作等功能。

一、系統(tǒng)主要功能

根據(jù)遼寧省人工影響天氣作業(yè)情況和作業(yè)條件分析的需要，系統(tǒng)能夠顯示很多種氣象實(shí)況資料，包括模式預(yù)報(bào)資料、衛(wèi)星云圖相關(guān)產(chǎn)品、衛(wèi)星反演相關(guān)產(chǎn)品、雷達(dá)基數(shù)據(jù)產(chǎn)品、地基探測資料、空基探測資料。提供了多種監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品的顯示功能：包括衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品、衛(wèi)星反演產(chǎn)品、雷達(dá)基數(shù)據(jù)產(chǎn)品（PPI＼CAPPI）、探空數(shù)據(jù)產(chǎn)品、實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)、作業(yè)點(diǎn)數(shù)據(jù)等綜合集成顯示，并實(shí)現(xiàn)與基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)交互功能，有利于直觀地、多視角地客觀綜合分析作業(yè)條件，進(jìn)而做出科學(xué)的人工影響天氣作業(yè)決策。

利用MM5-CAMS模式、GRAPES-CAMS模式和CPEFS模式計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)從起報(bào)時(shí)間到外推48小時(shí)的逐小時(shí)物理量產(chǎn)品輸出顯示，潛力區(qū)降水能力分析及潛力區(qū)交互判定。利用風(fēng)云2D/2E/2G衛(wèi)星數(shù)據(jù)、衛(wèi)星反演產(chǎn)品（云有效粒子半徑、云粒子、降水粒子及冰晶、過冷水含量等）、融合雷達(dá)數(shù)據(jù)及產(chǎn)品、地基產(chǎn)品（L波段探空資料、自動(dòng)雨量）的分析，結(jié)合模式結(jié)果得到的針對云和降水的微物理多種參數(shù)產(chǎn)品。這些參數(shù)不僅可為人工影響天氣作業(yè)提供指導(dǎo)，也可為云系的變化監(jiān)測和短時(shí)臨近精細(xì)天氣預(yù)報(bào)提供決策支持，能綜合識別降水發(fā)生、發(fā)展趨勢。對衛(wèi)星反演、探空、雷達(dá)、雨量等物理參數(shù)可以提供時(shí)間序列分析和空間垂直剖面分析，對衛(wèi)星反演產(chǎn)品可以提供區(qū)域空間T-Re圖分析，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域統(tǒng)計(jì)信息和測距等功能，可提供單一資料及多數(shù)據(jù)資料時(shí)間序列和空間序列分析的快速動(dòng)畫顯示。

二、作業(yè)條件預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)

利用本系統(tǒng)對2019年典型的高空渦、高空槽低空切變、副熱帶高壓后部云系和臺風(fēng)外圍云系降水的歷史資料進(jìn)行了再分析，通過云帶、過冷水、云垂直結(jié)構(gòu)、降水等產(chǎn)品分析阜新地區(qū)增雨作業(yè)潛力。

1、高空渦降水云系作業(yè)條件預(yù)報(bào)

①作業(yè)潛力區(qū)預(yù)報(bào)

2019年5月12日～13日受高空渦影響，阜新地區(qū)有降水過程，從12日08時(shí)起報(bào)的渦度場可知，23時(shí)阜新地區(qū)200hpa以下均為正渦度區(qū)，且渦度均大于20（單位：10-5·s-1），500hpa渦度在60～100之間。CPEFS模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品顯示，主云系呈南北走向分布于渤海至呼倫貝爾一線，云帶、雷達(dá)回波和過冷水預(yù)報(bào)結(jié)果比較一致，預(yù)計(jì)降水云系12日17時(shí)開始影響阜新地區(qū)（紅色圓圈），其中0～-15℃層過冷水最大含量可達(dá)0.1g/kg，12日20～13日08時(shí)最大雷達(dá)反射率高達(dá)45～50dBZ，阜新地區(qū)有非常好的人工增雨潛勢。

②潛力區(qū)云結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)

5月12日17時(shí)～13日08時(shí)，阜新地區(qū)將有降水云系覆蓋，云系具有冷暖混合結(jié)構(gòu)。過冷水主要位于0～-20°C層（3000～6200m），0～-15℃層間過冷水最大含量可達(dá)0.1g/kg，冰晶數(shù)濃度小于50個(gè)/L;暖區(qū)液態(tài)水豐沛，液態(tài)水含量可達(dá)0.3g/kg;0℃層、-5℃層、-10℃層和-20℃層高度分別位于3000m、4000m、4800m和6200m。

2、高空槽和低空切變云系作業(yè)條件預(yù)報(bào)

①作業(yè)潛力區(qū)預(yù)報(bào)

2019年5月26日白天到夜間，阜新市受高空槽和低空切變影響，有比較明顯的降水過程，為穩(wěn)定降水云系，具有較好的人工增雨潛力。26日20時(shí)阜新地區(qū)500hpa以下均為正渦度，在20～80（單位：10-5·s-1）間，850hpa的渦度在40～60之間。阜新地區(qū)850hpa以下水汽通量散度均為負(fù)值區(qū)，在-20至-30（單位：g·cm-2hpa-1s-1）之間.從CPEFS模式的云帶產(chǎn)品和雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品來看，降水云系呈東北至西南走向，26日15時(shí)降水云系主要分布在天津-沈陽-哈爾濱一線，低空切變特征非常明顯，典型時(shí)刻云系分布特征和最佳增雨潛力區(qū)。

②潛力區(qū)云結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)

2019年5月26日04時(shí)～27日02時(shí)，受高空槽和低空切變影響，阜新地區(qū)有降水云系覆蓋，過冷水主要位于0～-20°C層（3800～7000m），過冷水最大含量可達(dá)0.5g/kg，冰晶數(shù)濃度小于100個(gè)/L，0℃層、-5℃層、-10℃層和-20℃層高度分別位于3800m、4800m、5700m和7000m。

3、副熱帶高壓后部云系作業(yè)條件預(yù)報(bào)

①作業(yè)潛力區(qū)預(yù)報(bào)

2019年進(jìn)入7月份以來，阜新市受冷渦系統(tǒng)影響，出現(xiàn)過幾次降雨過程，都屬于陣性降水，雨量時(shí)空分布不均，而且7月份氣溫高、日照足，土壤水分蒸發(fā)量大，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)已出現(xiàn)旱象。根據(jù)7月28日預(yù)報(bào)系統(tǒng)顯示：受副熱帶高壓和高空渦共同影響，7月29日有一次中到大雨降水過程。位于蒙古地區(qū)和河套地區(qū)的500hPa兩支槽逐漸合并加深，阜新地區(qū)位于寬廣的槽區(qū)，上空有一條明顯的西南風(fēng)向的中空急流，槽前的負(fù)渦度平流有利于降水天氣的發(fā)生發(fā)展，同時(shí)引導(dǎo)著低層的切變線和急流逐漸東移影響阜新地區(qū)。南部的低壓系統(tǒng)帶來充沛的水汽，北部的低壓系統(tǒng)帶來弱冷空氣，上下層的系統(tǒng)配置利于大范圍的降水，為降水較長時(shí)間的維持提供了良好的抬升條件;副熱帶高壓位置位于阜新地區(qū)南部約5個(gè)緯距，穩(wěn)定少動(dòng)，引導(dǎo)底層西南氣流持續(xù)輸送水汽，使得降水系統(tǒng)得以較長時(shí)間維持。

②潛力區(qū)云結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)

2019年7月29日傍晚到夜間，阜新地區(qū)將有混合性降水云系覆蓋，過冷水主要位于0～-20°C層，過冷水最大含量可達(dá)0.5g/kg，冰晶數(shù)濃度小于200個(gè)/L，0℃層、-5℃層、-10℃層和-20℃層高度分別位于5200m、6000m、7000m和8300m。

4、臺風(fēng)外圍云系降水作業(yè)條件預(yù)報(bào)

①作業(yè)潛力區(qū)預(yù)報(bào)

臺風(fēng)“利奇馬”于2019年8月4日生成，11日20時(shí)，臺風(fēng)“利奇馬”與西風(fēng)帶系統(tǒng)相遇并結(jié)合成低渦系統(tǒng)，繼續(xù)北上，13日開始影響阜新，強(qiáng)度減弱為熱帶低壓到熱帶風(fēng)暴級別，13日08時(shí)500hpa，低渦系統(tǒng)已減弱為高空槽，阜新處于高空槽前，受高空槽和副高580線共同影響，槽前偏南氣流明顯，有較強(qiáng)冷空氣侵入，冷暖空氣交匯;700hpa位于渤海上空有一低渦系統(tǒng)，阜新處于低渦頂部，受東南氣流影響，切變明顯;850hpa阜新處于氣旋性環(huán)流頂部，切變明顯，副高外圍的偏南急流不斷地向阜新上空輸送暖濕氣流，同時(shí)急流入口區(qū)右側(cè)的強(qiáng)輻射產(chǎn)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng);地面圖上，阜新位于臺風(fēng)倒槽頂部等壓線彎曲處西側(cè)，氣旋性切變輻合區(qū)（圖略）。

②潛力區(qū)云結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)

2019年8月10日～11日，阜新地區(qū)有混合性降水云系覆蓋，過冷水主要位于0°C～-20°C層，過冷水最大含量可達(dá)0.4g/kg，冰晶數(shù)濃度小于100個(gè)/L，0℃層、-5℃層、-10℃層和-20℃層高度分別位于5300m、6200m、7100m和8000m（圖略）。

5、模式預(yù)報(bào)與實(shí)況對比

將代表了四種天氣類型的四次過程的模式預(yù)報(bào)降水與實(shí)況進(jìn)行對比，如圖3所示。5月12日20時(shí)～13日02時(shí)為高空渦云系降水，模式預(yù)報(bào)的遼寧省降水主要分布于阜新、錦州、盤錦、營口、鞍山及朝陽東部、葫蘆島東部一帶，降水量為3～25mm之間，預(yù)報(bào)的降水區(qū)范圍比實(shí)況偏大，降水量級與實(shí)況基本吻合，但降水中心略偏北，實(shí)況降水中心位于阜新市。5月26日14時(shí)～20時(shí)為高空槽與低空切變云系降水，模式預(yù)報(bào)的遼寧省降水區(qū)主要分布于大連西部-鞍山-沈陽-鐵嶺一線以西，降水量為5～40mm之間，與實(shí)況相比，比較好的預(yù)報(bào)出了切變線降水特征。但實(shí)況降水區(qū)較預(yù)報(bào)降水區(qū)偏西北，強(qiáng)降水的范圍和量級均比模式預(yù)報(bào)的大，阜新市預(yù)報(bào)值20mm以下，實(shí)況值約40mm。7月29日08時(shí)～30日08時(shí)為副熱帶高壓外部云系降水，模式預(yù)報(bào)的遼寧省降水主要分布于遼西和遼北地區(qū)，降水量在30～90mm之間，降水中心位于阜新市，落區(qū)和量級與實(shí)況基本吻合，阜新市最大降水量為90.7mm。遼寧中部和東部預(yù)報(bào)的降水量在5～25mm之間，降水區(qū)域與實(shí)況基本吻合，但實(shí)況降水量級偏大，最大降水在40mm以上。8月10日08時(shí)～11日08時(shí)為臺風(fēng)外圍云系降水，模式預(yù)報(bào)降水（圖a）主要分布于遼寧的中北部和西北部，降水量為20～75mm之間，遼寧東部和南部的降水偏小，均在10mm以下。與實(shí)況（圖b）的降水落區(qū)和量級的擬合率很好。

綜合上面的分析，CPAS系統(tǒng)模式可以對云帶產(chǎn)品、雷達(dá)產(chǎn)品、衛(wèi)星產(chǎn)品等進(jìn)行分析，并通過云帶、過冷水、云垂直結(jié)構(gòu)、降水等產(chǎn)品分析阜新地區(qū)增雨作業(yè)潛力，有效的指導(dǎo)人工增雨作業(yè)。副熱帶高壓外圍云系預(yù)報(bào)產(chǎn)品和臺風(fēng)外圍云系預(yù)報(bào)產(chǎn)品的范圍與強(qiáng)度預(yù)報(bào)基本正確，高空渦云系降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品與實(shí)況基本吻合，但高空槽與低空切變云系降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品與實(shí)況符合度不高。5月12日20時(shí)～13日02時(shí)高空渦云系，模式預(yù)報(bào)降水量級與實(shí)況基本吻合，但降水中心略偏北，實(shí)況降水中心位于阜新市。5月26日14時(shí)～20時(shí)高空槽與低空切變云系，模式預(yù)報(bào)的切變線降水特征明顯，但實(shí)況降水區(qū)較預(yù)報(bào)降水區(qū)偏西北，實(shí)況降水的范圍和量級均比模式預(yù)報(bào)的大。7月29日08時(shí)～30日08時(shí)副熱帶高壓外部云系，模式預(yù)報(bào)的降水區(qū)和量級與實(shí)況基本吻合。8月10日08時(shí)～11日08時(shí)臺風(fēng)外圍云系，模式預(yù)報(bào)降水區(qū)和量級與實(shí)況的擬合率很好。

（作者單位：1.123000遼寧省阜新市氣象局;2.110166中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院）