湖南省夏秋季一次典型積層混合云系飛機(jī)人工增雨作業(yè)分析

李 瓊，高 沁，唐 林，丁 莉，汪 玲，黎祖賢

（1.湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，長沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410118）

湖南省每年在前汛期（4—6 月）后，降水減少，容易出現(xiàn)夏秋季干旱，近年來受氣候變化等影響，發(fā)生嚴(yán)重旱災(zāi)的頻率明顯增加。夏秋季正是水稻等農(nóng)作物發(fā)育需水關(guān)鍵期［1］，干旱會(huì)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來嚴(yán)重影響。早在1959 年，湖南省就開展了夏季飛機(jī)人工增雨試驗(yàn)研究工作［2］，是中國應(yīng)用飛機(jī)開展人工增雨抗旱作業(yè)和云物理研究最早的省份之一。近年來由于增雨抗旱、森林防滅火、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、水庫與河流增蓄水、凈化城市空氣質(zhì)量等工作的迫切需求，2010 年湖南省人工影響天氣辦公室將飛機(jī)人工增雨工作重新納入人工影響天氣常規(guī)業(yè)務(wù)任務(wù)之一，每年夏秋季有針對性地開展為期2～3 個(gè)月的飛機(jī)人工增雨抗旱作業(yè)。

湖南省在夏秋季常出現(xiàn)較強(qiáng)的對流性積狀云或積層混合云，具有較大的增雨潛力，但強(qiáng)對流性積狀云會(huì)對飛機(jī)作業(yè)的安全帶來威脅。因此，湖南省夏秋季開展飛機(jī)人工增雨作業(yè)主要對象是積層混合云，該云系是由層狀云和嵌入其中的積云組成，有著穩(wěn)定豐富的云水資源。積層混合云中的積云區(qū)上升速度較大、含水量豐沛，是人工增雨較好的作業(yè)部位，通常為“播撒-供給”催化機(jī)制降水中的供水云［3］。根據(jù)云中不同垂直速度，往往可以增加20%～35% 的降水量［4-6］。1975—1986 年福建省古田水庫進(jìn)行了一系列人工增雨作業(yè)外場試驗(yàn)，效果分析表明，積層混合云、層云、積云這3 種云型，催化效果最好的是積層混合云，對降水過程起著尤其重要且直接的影響［7］。積層混合云中，層狀云對積云發(fā)展和降雨的增大有顯著促進(jìn)作用，其作用的大小依賴于層狀云的厚度和所在高度及逆溫層強(qiáng)度，也依賴于積云本身的強(qiáng)弱［8］。

隨著飛機(jī)增雨作業(yè)的進(jìn)一步規(guī)范化和探測設(shè)備的不斷更新與完善，國內(nèi)外專家學(xué)者在模式模擬、衛(wèi)星、雷達(dá)、效果分析等飛機(jī)增雨業(yè)務(wù)技術(shù)方面也進(jìn)行了很多研究［9-13］。針對每一次飛機(jī)增雨作業(yè)任務(wù)，業(yè)務(wù)人員都要分析大量的氣象資料，結(jié)合當(dāng)?shù)乜沼蚍棚w條件，認(rèn)真從作業(yè)需求、作業(yè)條件、作業(yè)方案的設(shè)計(jì)以及作業(yè)效果多方面進(jìn)行分析。本研究選取2018 年湖南省夏秋季一次典型熱帶低壓外圍積層混合云系影響天氣過程，利用模式及綜合觀測資料分析此次飛機(jī)人工增雨作業(yè)條件、設(shè)計(jì)增雨作業(yè)方案的合理性，并采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和直觀對比物理檢驗(yàn)方法進(jìn)行作業(yè)效果分析。該典型個(gè)例有代表性地應(yīng)用了南方夏秋季積層混合云飛機(jī)增雨作業(yè)指標(biāo)，詳細(xì)介紹了湖南省飛機(jī)增雨作業(yè)業(yè)務(wù)流程。

1 作業(yè)需求分析

2018 年8 月下旬湖南省多個(gè)市、州、縣開始呈現(xiàn)出程度不一的氣象干旱，通過降水量距平分析和氣象干旱的監(jiān)測分析，找出干旱地區(qū)，并對干旱地區(qū)天氣進(jìn)行密切關(guān)注，抓住有利時(shí)機(jī)，開展飛機(jī)人工增雨作業(yè)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年7 月31 日至8 月29 日全省平均降水量136.6 mm，較常年同期偏多8.0%。但降水量分布不均，湘江流域大部分地區(qū)偏多20% 至1倍；其余大部地區(qū)偏少20%～50%，其中湘北的澧縣、慈利、臨澧等17 縣（市）降水量偏少50% 以上。

氣象干旱實(shí)時(shí)監(jiān)測（圖1）顯示，湖南省旱情明顯，有39 個(gè)縣（市）出現(xiàn)了不同程度的氣象干旱，其中，張家界、慈利、石門等5 個(gè)縣（市）為重度氣象干旱，臨澧縣為特旱，干旱主要位于湘北、湘西地區(qū)。

綜上所述，前期旱區(qū)主要集中在湘西和湘北地區(qū)，針對這些地區(qū)旱情，適時(shí)開展飛機(jī)增雨作業(yè)，加強(qiáng)水庫蓄水，以防后期干旱缺水。

圖1 湖南省2018 年8 月29 日氣象干旱等級分布

2 作業(yè)條件分析

2018 年8 月30 日，受熱帶低壓外圍云系影響，湖南省全省有系統(tǒng)性降水，其中，湘南中到大雨，局地暴雨。EC 細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)（圖2）表明，8 月30日，全省大部分地區(qū)相對濕度達(dá)80% 以上，濕度條件較好。

圖2 EC 細(xì)網(wǎng)格模式預(yù)報(bào)

綜合CPEFS 模式預(yù)報(bào)結(jié)果，8 月30 日11：00，湘西、湘中一帶有云帶帶寬在0.01～10.00 mm，最大垂直過冷水含量達(dá)2 mm，有一定的增雨潛力，典型時(shí)刻云系分布特征如圖3 所示。進(jìn)一步沿著懷化-邵陽一帶進(jìn)行垂直剖面（圖4）分析，湖南省西南地區(qū)存在一定過冷水，500 hPa 附近水凝物含量高，0 ℃層位于5 200 m 左右，冰晶數(shù)濃度小于10 個(gè)/L，適宜于飛機(jī)增雨作業(yè)。考慮到干旱情況和水庫增蓄水的需求，計(jì)劃在湘西、湘中一帶開展水庫蓄水飛機(jī)增雨作業(yè)。

3 作業(yè)條件監(jiān)測預(yù)警和作業(yè)方案設(shè)計(jì)

FY2E 衛(wèi)星監(jiān)測反演云產(chǎn)品分析表明，30 日7：00，湘西南、湘北一帶有云系覆蓋，云系自東向西移動(dòng)，移速約為20 km/h。7：00 衛(wèi)星反演的云頂高度在2～12 km，光學(xué)厚度大部分在8～56 km，云系水平分布不均勻。

圖3 CPEFS 模式預(yù)報(bào)

圖4 2018 年8 月30 日8：00 沿懷化-邵陽一帶作垂直剖面

根據(jù)30 日8：00 懷化市探空云分析產(chǎn)品，影響懷化一帶的云系為多層混合云，0 ℃層高度5 503 m，以偏東風(fēng)為主導(dǎo)，風(fēng)速約8 m/s，適宜30 日上午飛機(jī)起飛，建議飛行高度5 500～6 500 m。

根據(jù)30 日7：30 長沙市、常德市、邵陽市、懷化市雷達(dá)回波，湘中、湘西南、湘北一帶有回波覆蓋，雷達(dá)回波介于15～55 dBZ，局部有強(qiáng)對流發(fā)展，適宜30日上午飛機(jī)起飛，繞開強(qiáng)對流發(fā)展區(qū)。

綜合上述分析，預(yù)計(jì)8 月30 日8：00—12：00，除湘西北外，全省大部分地區(qū)有云系覆蓋影響。結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)、探空實(shí)況資料分析，考慮對邵陽市、懷化市、婁底市、益陽市等五強(qiáng)溪水庫流域和湘中干旱地區(qū)進(jìn)行人工催化作業(yè)，設(shè)計(jì)飛機(jī)作業(yè)航線（圖5）如下：①預(yù)計(jì)飛行時(shí)間為2018 年8 月30 日8：30；②預(yù)計(jì)作業(yè)時(shí)間為2018 年8 月30 日9：00；③作業(yè)高度為5 500～6 500 m；④催化劑類型和劑量為AgI煙條，24 根；⑤作業(yè)目的為水庫增蓄水，緩解旱情。

圖5 設(shè)計(jì)飛行航線

4 飛機(jī)作業(yè)合理性分析

8 月30 日上午，增雨作業(yè)飛機(jī)（型號：運(yùn)七）8：20 起飛，飛行時(shí)段為8：20—12：00，飛行區(qū)域位于邵陽-懷化-婁底-益陽一帶，實(shí)際飛行航線如圖6所示。催化作業(yè)時(shí)段介于8：40—11：20，共使用AgI煙條24 根。對比作業(yè)方案和實(shí)際飛行，本次增雨作業(yè)航線基本符合設(shè)計(jì)航線，完成了增雨任務(wù)。

根據(jù)10：50 衛(wèi)星、雷達(dá)、地面降水等觀測資料（圖7），分析實(shí)際飛行區(qū)域云降水垂直結(jié)構(gòu)，該區(qū)域衛(wèi)星反演云頂高度3～10 km，云頂溫度-30～-5 ℃，地面降水范圍不斷擴(kuò)大，雨強(qiáng)增加，說明降水云系正處于發(fā)展階段，有利于開展飛機(jī)人工增雨作業(yè)。

圖6 實(shí)際飛行航線

圖7 2018 年8 月30 日10：50 作業(yè)時(shí)段雷達(dá)回波拼圖、衛(wèi)星反演產(chǎn)品剖面

從催化作業(yè)時(shí)段（8：30—11：00）常德市、邵陽市和懷化市雷達(dá)回波可以看出，邵陽、婁底南部，懷化東部、北部等區(qū)域有大面積較密實(shí)的回波覆蓋，分布范圍與監(jiān)測預(yù)警給出的作業(yè)目標(biāo)區(qū)比較吻合。作業(yè)區(qū)域回波強(qiáng)度主要為10～40 dBZ，適合開展人工增雨作業(yè)，局部強(qiáng)對流達(dá)50 dBZ。作業(yè)方案中給出作業(yè)部位為5 500～6 500 m 冷云區(qū)，從8：00 懷化探空可知，作業(yè)區(qū)域0 ℃層高度位于5.3 km 左右，與作業(yè)方案中給出的作業(yè)高度基本一致，符合冷云催化劑溫度要求。從飛行軌跡雷達(dá)剖面變化（圖8）來看，飛機(jī)基本在降水區(qū)飛行。綜合以上對催化作業(yè)的高度、溫度、水平區(qū)域和時(shí)機(jī)的分析，認(rèn)為此次飛機(jī)人工增雨催化作業(yè)基本合理。

圖8 沿飛行軌跡上雷達(dá)剖面變化

5 作業(yè)效果分析

根據(jù)高空的風(fēng)向風(fēng)速，當(dāng)時(shí)為偏東風(fēng)，風(fēng)速為8 m/s 作業(yè)，飛行作業(yè)影響區(qū)見圖9。利用云降水精細(xì)分析CPAS 平臺(tái)開展作業(yè)擴(kuò)散影響區(qū)分析計(jì)算，累計(jì)作業(yè)影響面積約為2.44 萬km2。在作業(yè)影響區(qū)的上游，垂直系統(tǒng)移向選取對比區(qū)（圖9），對比作業(yè)前后作業(yè)區(qū)與對比區(qū)降水，利用多參數(shù)區(qū)域動(dòng)態(tài)對比分析法（K 值法，K=影響區(qū)和對比區(qū)平均雨量比值），對影響區(qū)與對比區(qū)的雨量進(jìn)行對比，計(jì)算得到如下結(jié)果：作業(yè)前3 h，K=0.04/0.08=0.5；作業(yè)時(shí)，K=1.52/0.30=5.07；作業(yè)后3 h，K=1.89/2.07=0.91。

作業(yè)前3 h，影響區(qū)面雨量為0.04 mm，K 為0.5；作業(yè)開始到作業(yè)結(jié)束，影響區(qū)面雨量明顯增加，3 h 面雨量增加至1.52 mm，K 增大到5.07；作業(yè)后3 h，影響區(qū)面雨量繼續(xù)增加，為1.89 mm，對比區(qū)雨量也明顯增加，為2.07 mm，K 降低為0.91。整個(gè)過程影響區(qū)增雨23.71%，增加水量約1 340 萬t［影響區(qū)總降水量×（1-1/（1+增雨率）］。

圖9 飛行作業(yè)影響區(qū)（紅色框）與對比區(qū)（藍(lán)色框）

采用直觀對比物理檢驗(yàn)方法，對比了作業(yè)前后邵陽市作業(yè)影響區(qū)域雷達(dá)參數(shù)變化（圖10）可以看出，該區(qū)域作業(yè)前雷達(dá)回波分布比較均勻，以5～10 dBZ 回波為主，平均回波強(qiáng)度為7.74 dBZ；作業(yè)時(shí)雷達(dá)回波反射率明顯增強(qiáng)，強(qiáng)回波區(qū)域和數(shù)量均明顯增加，最大值達(dá)60 dBZ，平均回波強(qiáng)度為19.04 dBZ；作業(yè)后1 h，統(tǒng)計(jì)區(qū)域回波減弱，回波分布以5～25 dBZ 為主，平均為11.32 dBZ。

6 小結(jié)

本研究結(jié)合湖南省干旱監(jiān)測情況，選取2018 年湖南省夏秋季一次典型熱帶低壓外圍影響天氣過程，綜合模式、衛(wèi)星、雷達(dá)、探空、自動(dòng)雨量站等資料，結(jié)合湖南省飛機(jī)增雨作業(yè)條件指標(biāo)，認(rèn)真分析此次作業(yè)條件，設(shè)計(jì)增雨作業(yè)方案并進(jìn)行合理性分析及效果檢驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

1）2018 年8 月30 日降水過程受熱帶低壓外圍云系影響，天氣系統(tǒng)配置有利于降水發(fā)生發(fā)展，具備較好的人工增雨作業(yè)條件。

2）利用模式資料對作業(yè)條件、作業(yè)潛勢進(jìn)行分析，模式指標(biāo)預(yù)報(bào)結(jié)果表明，湘西、湘中一帶有云帶帶寬在0.01～10.00 mm，最大垂直過冷水含量達(dá)2 mm，湖南省西南地區(qū)存在一定過冷水，500 hPa 附近水凝物含量高，0 ℃層位于5 200 m 左右，冰晶數(shù)濃度小于10 個(gè)/L，有一定的增雨潛力，適宜于飛機(jī)增雨作業(yè)。

圖10 作業(yè)前后雷達(dá)回波變化

3）綜合衛(wèi)星、雷達(dá)、探空等綜合觀測資料對此次飛機(jī)增雨作業(yè)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行針對性分析，作業(yè)區(qū)域衛(wèi)星反演云頂高度3～10 km，云頂溫度-30～-5 ℃，地面降水范圍不斷擴(kuò)大，雨強(qiáng)增加，說明降水云系正處于發(fā)展階段，有利于開展飛機(jī)人工增雨作業(yè)；作業(yè)區(qū)域有大面積較密實(shí)的回波覆蓋，回波強(qiáng)度主要為10～40 dBZ，局部強(qiáng)對流達(dá)50 dBZ，適合繞開強(qiáng)對流區(qū)開展人工增雨作業(yè)；探空資料顯示，0 ℃層高度位于5.3 km 左右，與作業(yè)方案中給出的作業(yè)高度基本一致，符合冷云催化劑溫度要求；從飛行軌跡雷達(dá)剖面變化來看，飛機(jī)基本在降水區(qū)飛行。因此，此次飛機(jī)人工增雨作業(yè)方案設(shè)計(jì)合理，與實(shí)際飛行航線相符。

4）此次飛機(jī)增雨過程增雨率為23.71%，增加水量約1 340 萬t；作業(yè)前雷達(dá)回波分布比較均勻，作業(yè)時(shí)雷達(dá)回波反射率明顯增強(qiáng)，強(qiáng)回波區(qū)域和數(shù)量均明顯增加，作業(yè)后統(tǒng)計(jì)區(qū)域回波減弱，有明顯的催化效果。