人工增雨催化響應(yīng)試驗分析

張景紅,孟 輝，于翠紅，崔 紅，孫海燕

(1.吉林省人工影響天氣辦公室,吉林 長春 130062；2.中國氣象局吉林省人民政府人工影響天氣聯(lián)合開放實驗室,吉林 長春 130062；3.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 石家莊 050021；4.天津市人工影響天氣辦公室，天津 300074)

引 言

人工增雨作業(yè)的手段之一是向過冷云中播撒人工冰核。向過冷云中播撒人工冰核對降水云進(jìn)行人工干預(yù)，改變云中微物理過程，達(dá)到增加降水的目的。根據(jù)云降水物理學(xué)理論和人工影響降水原理，人工增雨效果是指人工催化后云體發(fā)生的變化。這種變化包含兩個方面：一是人工催化的直接效果或物理響應(yīng)，即人工催化是否改變了云內(nèi)微物理過程和云中宏觀、微觀物理量(如云體高度、持續(xù)時間、上升氣流速度、云體溫度以及冰晶濃度、大云滴濃度等)；另一個是播云的間接效果，即是否使降水發(fā)生變化，這也是云的一系列物理變化的最終結(jié)果。

隨機(jī)化試驗是檢驗物理響應(yīng)和增雨效果較好的手段，國內(nèi)外眾多研究表明隨機(jī)化增雨作業(yè)能提供令人信服的統(tǒng)計檢驗結(jié)果[1-3]，但要求有足夠的試驗樣本及足夠長的試驗周期，而且隨機(jī)化試驗與抗旱增雨作業(yè)存在難以解決的矛盾，實施起來難度很大。1970年代HOBBS等[4]在人工增雨試驗設(shè)計和實施中，以裝備有云物理探測儀器的飛機(jī)為測試平臺，配以地面天氣雷達(dá)等觀測設(shè)備，對播云效果進(jìn)行直接的物理測定以研究增雨前后物理響應(yīng)。隨后，國際上出現(xiàn)了一系列注重物理響應(yīng)檢測的人工催化試驗[5-7]。如泰國在1995—1998年進(jìn)行的暖云催化隨機(jī)試驗中，用兩架飛機(jī)播云，探測云中引入氯化鈣后云粒子數(shù)濃度的變化，并用雷達(dá)對云體進(jìn)行跟蹤探測[8-9]。國內(nèi)將統(tǒng)計檢驗、物理檢驗和數(shù)值模式檢驗相結(jié)合，開展了人工增雨催化試驗物理驗證的觀測研究，以提供播云有效的物理證據(jù)[10-15]。比如有研究探討了目標(biāo)云作業(yè)前后較對比云雷達(dá)回波有關(guān)參數(shù)的顯著變化，并結(jié)合地面雨量點觀測資料對地面人工增雨作業(yè)效果進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為目標(biāo)云作業(yè)前后的降水、生命期特征、回波垂直特征參數(shù)變化較對比云存在明顯差異[16]。還有研究利用區(qū)域雨量對比和歷史區(qū)域回歸試驗2種增雨效果統(tǒng)計檢驗方法，評估山東濟(jì)寧地區(qū)人工增雨效果，得出效果檢驗方法的不同導(dǎo)致人工增雨的降水量增加效果差別較大[17]。但國內(nèi)以裝備有云物理探測儀器的飛機(jī)為測試平臺，從微物理角度對人工增雨進(jìn)行催化分析的研究相對較少。研究表明[18-21]，層狀云系與積層混合云系是國內(nèi)飛機(jī)進(jìn)行人工增雨催化作業(yè)的主要對象。本文以吉林省2003年7月初一次積層混合云進(jìn)行飛機(jī)人工增雨催化試驗，利用飛機(jī)入云觀測，研究云系內(nèi)對流云體發(fā)生發(fā)展規(guī)律以及相應(yīng)云微物理特征等。以期通過對比作業(yè)區(qū)與背景區(qū)微物理結(jié)構(gòu)變化和云宏觀變化，探索人工增雨作業(yè)引起的微物理響應(yīng)，從而進(jìn)一步研究人工增雨催化作業(yè)效果，指導(dǎo)后續(xù)人工增雨作業(yè)，使其更加科學(xué)、精準(zhǔn)、有效。

1 天氣背景

2003年7月8日，吉林省部分地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水，其中08:00—14:00(北京時，下同)平均降水量35 mm，降雨的云層條件為積層混合云，影響系統(tǒng)主要是副熱帶高壓(簡稱“副高”)后部高空槽和地面切變線。隨著副高穩(wěn)定加強(qiáng)，西南急流建立并加強(qiáng)，水汽輸送量達(dá)10 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽條件較好；飛行區(qū)域大氣呈上冷下暖的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，存在中尺度對流云團(tuán)的發(fā)展，有利于降水產(chǎn)生。圖1為2003年7月8日08:00 700、850 hPa天氣形勢?？梢钥闯觯?8:00 700、850 hPa有閉合的低壓中心，低壓北部風(fēng)場輻合，云帶主要分布在輻合區(qū)，磐石縣是云帶的中軸點，在磐石以北對云帶進(jìn)行了探測和催化作業(yè)。

圖1 2003年7月8日08:00 700 (a)、850 hPa (b)天氣形勢Fig.1 The synoptic situation on 700 hPa (a) and 850 hPa (b) at 08:00 BST on 8 July 2003

2 試驗概況

2.1 作業(yè)和探測概況

作業(yè)和探測試驗飛機(jī)為運-12型國產(chǎn)飛機(jī)，巡航速度約260 km·h-1。機(jī)上裝備有云降水物理探測儀器，包括機(jī)載粒子測量系統(tǒng)(PMS)的FSSP-100、2D-C、2D-P，KLWC-5型熱線含水量儀，機(jī)載微波輻射計，溫度和濕度測量儀，GPS全球定位儀，數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等。催化劑為高純度液態(tài)CO2，使用自制噴灑設(shè)備播撒。地面有5 cm天氣雷達(dá)和雨量計等。

本次探測過程FSSP-100采用自動循環(huán)取樣方式，取樣速率為1次·s-1，即每秒獲取1組數(shù)濃度數(shù)據(jù)。5 s為一個循環(huán)周期，可以獲取5組數(shù)濃度數(shù)據(jù)，包括2組2～47 μm云粒子、1組2～32 μm云粒子、1組1～16 μm云粒子、1組0.5～8 μm云粒子數(shù)濃度等4檔數(shù)據(jù)，F(xiàn)SSP-100探頭取樣時間間隔由取樣速率決定。2D-C探頭測量25～800 μm的粒子數(shù)濃度，其取樣時間間隔與所測粒子數(shù)濃度成反比，即所測粒子數(shù)濃度低則取樣時間間隔長，反之間隔短。為便于比較FSSP-100和2D-C探頭測量數(shù)據(jù)，同時兼顧粒子譜空間分布的均勻性和代表性，將背景區(qū)和催化響應(yīng)區(qū)進(jìn)行時段劃分，每段時長為20～90 s不等，記為t。背景區(qū)分成21個時段，對應(yīng)21組FSSP-100云粒子數(shù)濃度，且每組又包含m1組云粒子數(shù)濃度測量數(shù)據(jù)，對應(yīng)直徑d的云粒子數(shù)濃度記為n(d)；對應(yīng)21組2D-C冰粒子數(shù)濃度，且每組又包含M1組冰粒子數(shù)濃度測量數(shù)據(jù)，對應(yīng)直徑d的冰粒子數(shù)濃度記為N(d)。催化響應(yīng)區(qū)分成13個時段，對應(yīng)13組FSSP-100云粒子數(shù)濃度，且每組又包含m2組云粒子數(shù)濃度測量數(shù)據(jù)，對應(yīng)直徑d的云粒子數(shù)濃度記為nR(d)；對應(yīng)13組2D-C冰粒子數(shù)濃度，且每組又包含M2組冰粒子數(shù)濃度測量數(shù)據(jù)，對應(yīng)直徑d的冰粒子數(shù)濃度記為NR(d)。背景區(qū)、響應(yīng)區(qū)每組粒子數(shù)濃度計算公式如下：

(1)

式中：d(μm)為粒子直徑；nk(個·cm-3)、Nk(個·L-1)分別為背景區(qū)FSSP-100、2D-C的粒子數(shù)濃度測量數(shù)據(jù)。nRk(個·cm-3)、NRk(個·L-1)分別為響應(yīng)區(qū)FSSP-100、2D-C的粒子數(shù)濃度測量數(shù)據(jù)。

背景區(qū)、響應(yīng)區(qū)FSSP-100、2D-C粒子數(shù)濃度計算公式如下：

(2)

2D-C是二維粒子圖像探頭，圖2為07:56:12和08:52:26 2D-C探測的粒子譜、含水量及粒子圖像?？梢钥闯?，冰粒子形狀不呈圓形(針狀、柱狀、板狀、枝狀等)且尺度較大；水滴為圓形，尺度較小。2D-C探測數(shù)據(jù)尺度較大，在負(fù)溫云層，2D-C探頭數(shù)據(jù)常與探測的圖像相結(jié)合分析云中冰粒子。云中霰近似球狀或圓錐形，且尺度也較大，因此判斷云中霰是否存在采用2D-C探測的數(shù)據(jù)。FSSP是一維粒子探頭，F(xiàn)SSP探頭數(shù)據(jù)無法區(qū)分過冷水和小冰晶粒子，因此，F(xiàn)SSP探頭數(shù)據(jù)用于分析云粒子，在負(fù)溫層不使用FSSP探頭數(shù)據(jù)分析過冷水。過冷水分析采用機(jī)載KLWC-5型熱線含水量儀數(shù)據(jù)。

2.2 試驗區(qū)飛行航線設(shè)計

圖3為飛行航線以及試驗區(qū)航線示意圖。飛機(jī)于2003年7月8日06:58在長春起飛，09:48長春降落。飛行航線為長春—伊通—磐石—煙筒山—樺甸—長春[圖3(a)]。07:54—08:55飛機(jī)在磐石以北20 km至樺甸以西10 km的試驗區(qū)內(nèi)進(jìn)行了作業(yè)背景條件探測、增雨作業(yè)及探測、作業(yè)響應(yīng)探測。07:54—08:05(A—B)飛機(jī)爬升；08:05—08:15(C—D)飛機(jī)在較低層作業(yè)，作業(yè)高度為3870～4125 m，對應(yīng)溫度為-3.1～-1.4 ℃；08:15—08:24(E—F)飛機(jī)在較高層作業(yè)，最大作業(yè)高度4600 m，此層溫度為-5.7～-3.1 ℃；08:05—08:24作業(yè)時段中在云中共播撒液態(tài)二氧化碳(CO2)12 kg；08:24—08:44(F—G)橫穿云系，尋找催化響應(yīng)位置，作業(yè)探測云的0 ℃層高度為3600 m；08:44—08:55(G—H)催化響應(yīng)[圖3(b)]。

圖2 2003年7月8日07:56:12(a)和08:52:26(b)2D-C探測的粒子譜、含水量及粒子圖像Fig.2 Particle spectrum, water content and particle image measured with 2D-C at 07:56:12 BST (a) and 08:52:26 BST (b) on 8 July 2003

圖3 飛行航線(a)以及試驗區(qū)航線示意圖(b)Fig.3 Flight path (a) and chart of the fight courses in test region (b)

本次過程實測高空風(fēng)向230°，云帶自西南西向東北東方向移動，根據(jù)作業(yè)高度高空風(fēng)速12～13 m·s-1，考慮作業(yè)有效影響時段為20～80 min，有效擴(kuò)展寬度2510 m，有效擴(kuò)展厚度420 m[22]。綜上所述，為保證探測航線與作業(yè)航線在同一云帶相同位置，在試驗區(qū)飛行過程中，作業(yè)航線應(yīng)與風(fēng)向呈垂直狀態(tài)，保證催化擴(kuò)散影響面積達(dá)到最理想狀態(tài)；由于背景探測、作業(yè)探測、作業(yè)都需在云系同一位置進(jìn)行，因此飛行航線呈鏈條形。

2.3 背景區(qū)和催化響應(yīng)區(qū)的確定

在試驗區(qū)飛行航線圖中，A—B段作為背景區(qū)1。由于C—D段一邊作業(yè)一邊探測，航線經(jīng)過處沒有受催化影響，所測值可視為背景值，因此C—D段作為背景區(qū)2。表1列出飛機(jī)探測基本情況，可以看出，A—B段和C—D段的平均冰晶數(shù)濃度和平均過冷水含量值十分接近。同時，考慮高空風(fēng)向風(fēng)速、背景探測與作業(yè)探測的時間間隔，2個時段探測的位置基本是同一云帶相同位置，說明背景區(qū)與作業(yè)響應(yīng)區(qū)測量結(jié)果做比較的做法可取。航線C—F為催化作業(yè)航線，對應(yīng)時間為08:05—08:24。航線F—G為尋找催化響應(yīng)位置，對應(yīng)時間為08:24—08:44，催化有效作用時間一般為20～80 min[23]，尋找催化響應(yīng)位置時應(yīng)考慮高空風(fēng)向、風(fēng)速、催化云移動及催化劑擴(kuò)散等。航線G—H為催化響應(yīng)探測，對催化作業(yè)響應(yīng)區(qū)采取“W”形航線做回穿探測，與最后一條作業(yè)航線近乎垂直，走向與高空風(fēng)向垂直[圖3(b)]。

表1 2003年7月8日飛機(jī)探測基本情況Tab.1 The basic situation of aircraft detection on 8 July 2003

3 人工增雨催化響應(yīng)分析

3.1 云系可播性分析

本次探測云頂高度5300 m，0 ℃層高度3600 m，云底高度3000 m，催化作業(yè)高度為3800 m。在進(jìn)行飛機(jī)播云前要考慮所選云體是否具有降水潛力，即人工增雨的可播性。云系增雨作業(yè)條件中，豐富的過冷水是最基本的物理量，是衡量云系可播性的最主要條件。探測結(jié)果(表1)表明，所選背景區(qū)中，直徑小于50、100 μm的冰晶數(shù)濃度平均值分別為9.1、15.5個·L-1，熱線含水量儀測得過冷水含量平均值為0.83 g·m-3，符合人工增雨可播性要求。

3.2 背景區(qū)、催化響應(yīng)區(qū)粒子數(shù)濃度比較

表2 2003年7月8日背景區(qū)和響應(yīng)區(qū)FSSP-100及2D-C測得各譜段粒子數(shù)濃度Tab.2 Particle number concentration in background region and response region from FSSP-100 and 2D-C on 8 July 2003

計算2D-C測量的不同直徑冰粒子的冰水含量和雨強(qiáng)，公式如下[25]：

(3)

式中：d(μm)為粒子直徑；Q(g·m-3)為冰水含量；I(mm·h-1)為雨強(qiáng)；N′(d)(個·m-3·μm-1)表征單位體積、單位直徑間隔的冰粒子數(shù)；P1、P2為無量綱因子，P1=1，P2=3.6×10-2；m(d)(g)為冰粒子質(zhì)量；△d(μm)為2D-C尺度分辨率；V(d)(cm·s-1)為冰粒子落速；ρ(g·cm-3)為冰粒子密度。分析不同大小冰粒子對降水的貢獻(xiàn)，表3列出2D-C測得不同直徑范圍的冰粒子數(shù)、冰水含量和雨強(qiáng)結(jié)果?？梢钥闯觯憫?yīng)區(qū)的冰粒子數(shù)、冰水含量、雨強(qiáng)均明顯高于背景區(qū)對應(yīng)值。其中，d≤187.5 μm的冰粒子數(shù)變化最大，但小粒子的變化對冰水含量和雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)均不到總量的20%。而d>537.5 μm的冰粒子對冰水含量和雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)更大。說明小冰粒子濃度增加，并不一定能增加降水，大冰粒子濃度增加才能有效增加降水。因此，在增雨作業(yè)播撒的人工冰晶中，應(yīng)注重可增長成為大冰晶的部分，同時研究催化環(huán)境、催化劑用量的影響。

3.3 背景區(qū)與催化響應(yīng)區(qū)粒子譜比較

圖4為背景區(qū)與催化響應(yīng)區(qū)(作業(yè)前后)FSSP-100測得云粒子譜與2D-C測得冰粒子譜?？梢钥闯?，云粒子譜、冰粒子譜在背景區(qū)和催化響應(yīng)區(qū)的表現(xiàn)有較大不同。背景區(qū)與催化響應(yīng)區(qū)FSSP-100測得云粒子數(shù)濃度隨著云粒子直徑增加均呈下降趨勢。

表3 2003年7月8日背景區(qū)和響應(yīng)區(qū)2D-C測得冰粒子數(shù)、冰水含量及雨強(qiáng)Tab.3 The number of ice particles, ice water content and rain intensity in background region and response region from 2D-C on 8 July 2003

圖4 2003年7月8日背景區(qū)與響應(yīng)區(qū)FSSP-100測得云粒子譜(a)及2D-C測得冰粒子譜(b)比較Fig.4 The comparison of cloud particle spectrum detected by FSSP-100 (a) and ice particle spectrum detected by 2D-C (b) in background region and response region on 8 July 2003

2D-C測得各尺度冰粒子對應(yīng)的數(shù)濃度在響應(yīng)區(qū)高于背景區(qū)，而且譜型也不同。響應(yīng)區(qū)冰粒子數(shù)濃度隨直徑增加先上升后下降，背景區(qū)冰粒子數(shù)濃度隨直徑增加呈下降趨勢。說明在催化劑作用下，催化響應(yīng)區(qū)正經(jīng)歷凝華和碰并兩種過程。凝華使小尺度冰粒子數(shù)濃度增大，碰并使較大尺度冰粒子數(shù)濃度減小。

3.4 云中過冷水含量變化

由機(jī)載KLWC-5型熱線含水量儀測得的云中過冷水含量變化(圖5)可以看出，背景區(qū)和催化響應(yīng)區(qū)過冷水含量有較大差異。背景探測時段(07:54:10—08:05:05)，過冷水含量較高，而在催化響應(yīng)探測時段(08:44:45—08:55:22)過冷水含量較低。背景區(qū)過冷水含量為0.1～2.8 g·m-3，平均值為0.83 g·m-3；催化響應(yīng)區(qū)過冷水含量為0～1.6 g·m-3，平均值為0.48 g·m-3。表明人工催化一方面凍結(jié)過冷云滴使其成為冰粒子，冰粒子通過各種途徑消耗過冷云滴長大，結(jié)果過冷水含量減少，冰粒子數(shù)濃度增加且長大。

圖5 2003年7月8日07:05:00—09:45:30熱線含水量儀所測云體過冷水含量變化Fig.5 The variation of super cooled water content measured by hot-wire water content equipment from 07:05:00 BST to 09:45:30 BST on 8 July 2003

3.5 雷達(dá)回波強(qiáng)度變化

圖6為人工催化前后雷達(dá)回波強(qiáng)度的變化?？梢钥闯觯呋?，0.1°仰角圖上，試驗區(qū)低層有兩條平行的強(qiáng)雷達(dá)回波帶，強(qiáng)中心回波強(qiáng)度達(dá)30 dBZ；背景探測、播撒作業(yè)區(qū)域回波強(qiáng)度在20 dBZ以內(nèi)。0.9°仰角圖上，試驗區(qū)高層回波強(qiáng)度為15 dBZ。催化作業(yè)結(jié)束后，0.1°仰角圖上，試驗區(qū)正處在雷達(dá)回波閉合段，兩條達(dá)30 dBZ的強(qiáng)回波帶東北端已經(jīng)閉合。0.9°仰角圖上，試驗區(qū)高層回波強(qiáng)度增強(qiáng)到25 dBZ。由于云中過冷水層中小云滴減少，使過冷水含量減少，大的冰晶、雪晶等大粒子有所增加，而雷達(dá)反射率因子與粒子直徑的6次方成正比。因此，可以認(rèn)為催化作用促進(jìn)云中產(chǎn)生大粒子，造成云中雷達(dá)強(qiáng)回波區(qū)面積加大，回波強(qiáng)度增大，使靠近試驗區(qū)兩條近似平行回波帶的一端合并，成為30 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)。

圖6 2003年7月8日人工催化前(a、c)、后(b、d)0.1°仰角(a、b)、0.9°仰角(c、d)雷達(dá)反射率因子(單位：dBZ)(a)07:26，(b)08:30，(c)07:27，(d)08:30(藍(lán)色方框是飛機(jī)進(jìn)行背景探測、播撒作業(yè)的范圍，紅色方框為飛機(jī)進(jìn)行響應(yīng)探測的飛行范圍)Fig.6 Radar reflectivity factor on 0.1° elevation (a, b), 0.9°elevation (c, d) before (a, c) and after (b, d) seeding on 8 July 2003 (Unit: dBZ) (a) 07:26 BST, (b) 08:30 BST, (c) 07:27 BST, (d) 08:30 BST(The blue square is the scope of background detection and seeding by aircraft, the red square is the scope of response detection by aircraft)

4 結(jié)論與討論

(1)人工催化后，催化響應(yīng)區(qū)的冰粒子數(shù)濃度、冰水含量、雨強(qiáng)均較背景區(qū)顯著增加。其中，直徑大于187.5 μm冰粒子對冰水含量、雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)最大，占80%以上。

(2)催化響應(yīng)區(qū)與背景區(qū)的冰粒子譜不同，隨著直徑增加，背景區(qū)冰粒子數(shù)濃度呈下降趨勢，催化響應(yīng)區(qū)冰粒子數(shù)濃度呈先上升后下降趨勢，且催化響應(yīng)區(qū)冰粒子數(shù)濃度遠(yuǎn)高于背景區(qū)冰粒子數(shù)濃度。

(3)人工催化后，催化響應(yīng)區(qū)過冷水含量明顯小于背景區(qū)過冷水含量，雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)、強(qiáng)回波區(qū)范圍擴(kuò)大，此次積層混合云人工催化試驗有效。

此次作業(yè)探測表明，利用液態(tài)CO2作為人工冷云催化劑進(jìn)行增雨作業(yè)，作業(yè)云體產(chǎn)生有效的物理響應(yīng)，促進(jìn)了作業(yè)云播種-供水效應(yīng)以及動力效應(yīng)，這兩種過程的相互作用對作業(yè)云體也產(chǎn)生了有效的影響，發(fā)揮催化作用。