阜新地區(qū)一次人工增雨作業(yè)過程分析

孫寶利 孫可 楊曉彤 張旭

摘要 利用地面、高空常規(guī)氣象資料和CPAS平臺提供的衛(wèi)星反演產品，雷達數據產品，探空數據產品，降水量等氣象資料，結合GRAPES、EC等數值模式和云模式預報產品，從作業(yè)需求、天氣形勢、云系結構、增雨潛力分析、作業(yè)方案設計、作業(yè)實施跟蹤指揮、作業(yè)效果評估等方面，總結與分析了阜新地區(qū)2019年5月26日降水天氣過程人工增雨作業(yè)。結果表明，CPAS平臺提供的各種功能及業(yè)務產品為市、縣級人工增雨作業(yè)科學規(guī)范和有效的實施提供了技術支持。

關鍵詞 人工增雨;CPAS平臺;雷達產品;云模式產品;阜新地區(qū)

中圖分類號：P481 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）05–0088–05

東北區(qū)域人工影響天氣（以下簡稱人影）工程項目建設的完成，大大提升了東北區(qū)域飛機作業(yè)、作業(yè)指揮、效果檢驗等技術能力，在增加水資源、保障糧食安全、抗旱減災和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了不可替代的作用[1-3]。其中東北區(qū)域人工影響天氣作業(yè)指揮系統(tǒng)綜合處理分析平臺（CPAS-NE 1.0市縣版，以下簡稱CPAS平臺），是基于云物理精細分析開發(fā)建設的人影業(yè)務系統(tǒng)核心技術平臺，為市、縣級人影作業(yè)單位開展云降水精細化分析、人影作業(yè)方案設計、人影作業(yè)實時跟蹤指揮和作業(yè)效果評估檢驗提供了技術支持。阜新位于遼寧西北部淺山丘陵區(qū)，是國家重要商品糧生產基地和畜牧業(yè)養(yǎng)殖基地，水資源天然匱乏，干旱頻發(fā)，地表水資源總量主要來源于大氣自然降水[4]。科學、有效地開發(fā)空中云水資源，實施人工增雨是緩解阜新地區(qū)干旱的主要手段之一。

2019年5月26日06：00～27日06：00，受高空槽和低層切變的影響，阜新地區(qū)出現區(qū)域性暴雨天氣，緩解了前期持續(xù)干旱的狀態(tài)。在降水的過程中，阜新市、縣人工影響天氣辦公室（以下簡稱人影辦）組織開展了飛機、火箭人工增雨作業(yè)，取得了較好效果。利用地面、高空常規(guī)氣象資料和CPAS平臺提供的雷達數據產品、衛(wèi)星云圖和衛(wèi)星反演產品、探空數據產品、降水量等氣象資料，結合GRAPES、EC、CPEFS數值模式和云模式等預報產品，參考遼寧省人影辦研發(fā)的人影作業(yè)指導產品，按照人影五段業(yè)務流程和人影作業(yè)三適當技術要求，從作業(yè)需求、天氣形勢、云系結構、增雨潛力分析、作業(yè)方案設計、作業(yè)實施跟蹤指揮、作業(yè)效果評估等方面總結和分析了此次降水過程中人工增雨作業(yè)及CPAS平臺在增雨作業(yè)中的應用情況，旨在為今后科學、有效地實施人工增雨作業(yè)提供參考。

1 作業(yè)需求分析

2019年5月8日全市土壤墑情（即土壤重量含水率）觀測、計算結果分析表明，10～20 cm耕作層平均土壤墑情為6.3%（圖1），全市83.6%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為重旱（土壤墑情<8%），其余16.4%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)也都達到中旱（土壤墑情在8%～10%之間）程度。雖然5月12日、19日出現了兩次降水天氣，使部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)干旱得到緩解，但是由于雨量不大，隨著氣溫持續(xù)攀升、蒸發(fā)速度加快，土壤失墑嚴重，全市旱情卷土重來，導致春播無法進行，亟需全力開展人工增雨作業(yè)，助力農耕生產。

2 人工增雨過程分析

2.1 作業(yè)過程預報及制訂作業(yè)計劃

中央氣象臺降水預報（圖2）等綜合數值預報模式產品分析結果，2019年5月26日白天到夜間，阜新地區(qū)將有一次明顯的降水天氣過程，降水時間為5月26日08：00～27日08：00，過程雨量50～100 mm，主要降水時段為26日11：00～23：00。從作業(yè)需求、天氣形勢、大氣層結穩(wěn)定條件、降水過程時間、作業(yè)性質、作業(yè)時間等方面著手，制訂、發(fā)布作業(yè)過程預報和作業(yè)計劃，通知有關單位和人員做好增雨作業(yè)準備。

2.2 作業(yè)條件潛力分析及制定作業(yè)預案

2.2.1 作業(yè)條件分析 分析5月25日歐洲中心數值預報模式相對濕度、垂直速度、水平風場剖面（圖3）表明，26日08：00～27日02：00，水汽高值區(qū)從地面至200 hPa分布在阜新地區(qū)上空，表明水汽含量充沛、影響深厚;配合上下層濕區(qū)，925～500 hPa均有明顯風切變，偏南風速925 hPa為22 m/s，500 hPa達到38 m/s，表明存在較強的中低空急流，西南水汽通道暢通;從近地面到200 hPa存在垂直速度負值區(qū)，最大負值中心-36×10-2 Pa/s，出現在850～700 hPa間偏向700 hpa一側，表明中低空有強烈的上升運動將底層豐沛的水汽不斷地向高層輸送;850、700 hPa上，始終維持著自南海-江蘇沿海-山東東部及沿海-渤海灣西側-吉林中部較強的水汽通道，將南海暖濕氣流源源不斷向阜新地區(qū)輸送與補充，使降水能夠維持較長時間。

雷達回波可以反映空中水汽、水滴、冰晶等水成物分布情況，空中水成物含量越多，對雷達電磁波的反射率越大，說明回波越強（dBz值越大）[5]。分析5月25日GRAPES_MESO雷達組合反射率預報產品表明，26日08：00～27日02：00阜新上空始終維持在30 dBz以上的較強回波（圖3），表明此次降水過程水汽含量始終較為充沛。

云帶分布特征。分析CPEFS_MESO預報產品可知，5月26日08：00～27日08：00，帶狀降水云系自西南向東北逐漸影響阜新地區(qū)，影響時間較長。27日08：00后，云系逐漸移出阜新，降水結束，典型時刻云帶、過冷水分布（圖4）。

云垂直結構分析。人工增雨潛力是判斷是否作業(yè)的最重要的科學依據，通過分析云體垂直結構來判斷空中0℃等溫度指示層所在高度和水汽、過冷水、冰晶含量及所處位置，從而確定增雨潛力的強度和部位[6]。分析CPEFS_MESO云體垂直結構預報產品表明，5月26日08：00～27日02：00，覆蓋阜新地區(qū)的降水云系具有冷暖混合結構。過冷水主要位于0℃～-20℃層，最大含量可達2 g/kg，冰晶數濃度大部分區(qū)域小于50個/L，0℃層、-7℃層和-15℃層高度分別位于4 000 m、5 000 m和6 300 m，典型云系垂直結構（圖5）。綜合分析判定，此次降水過程具有較強的人工增雨作業(yè)潛力，并制定人工增雨潛力分布預報。另外，26日白天850 hPa與500 hPa溫差預報小于26℃（T850-500≥26℃為阜新產生冰雹指標）表明，大氣上下層結相對穩(wěn)定，適合飛機增雨作業(yè)。

2.2.2 作業(yè)預案制定 針對此次降水天氣過程，阜新市人影辦于5月25日11：00制作、發(fā)布《阜新地區(qū)人工影響天氣作業(yè)潛勢預報和作業(yè)預案》，內容包括云系特征預報、云垂直結構和作業(yè)條件分析預報、增雨潛力強度和分布預報及作業(yè)預案等。作業(yè)預案提出了作業(yè)工具、作業(yè)彈藥類型、作業(yè)時段、作業(yè)區(qū)域、作業(yè)部位、催化劑用量等具體增雨作業(yè)的建議。

2.3 作業(yè)條件監(jiān)測預警與設計作業(yè)方案

2.3.1 云模式產品分析 云模式預報產品分析結果表明，26日08：00～18：00降水云系自西南向東北方向移動，移動速度約為58 km/h，云頂高度為5～11 km，云頂溫度為-15℃～-50℃，光學厚度為24～52 km，過冷層厚度為2～8 km，適宜飛機、火箭增雨作業(yè)。

2.3.2 衛(wèi)星、探空產品分析 探空垂直剖面產品分析表明，此次天氣過程為層狀云降水，具有冷暖云混合結構，云垂直發(fā)展強盛、密實，大氣上下云層相對濕度較大，云頂高度均在9 km以上，0℃層、-5℃層、-7℃和-10℃層分別位于3 655、4 707、5 445、7 145 m高度。850 hPa至200 hPa層間以西南風為主，底層風速為18 m/s（約65 km/h）），提供了較好的增雨作業(yè)條件。

2.3.3 雷達資料分析 雷達產品是人工增雨作業(yè)臨近指揮的重要手段之一?？蛇x擇強度在25 dBz以上、頂高在8 km 以上的對流回波，或強度在15 dBz以上、頂高在4～8 km的層狀云（積層混合云）降雨回波為準作業(yè)對象[7]。雷達預報外推產品分析顯示，26日07：00降水回波從北票市進入阜新西北部，強度在15～30 dbz之間，隨系統(tǒng)自西南偏西向東北偏東方向移動，強度逐漸增強，影響范圍逐漸擴大，但多為分散的塊頭比達的片狀回波，主要分布在阜新西部、西北部一帶。隨著系統(tǒng)東移加強，13：00分散的回波不斷合并加強，較強回波（30～40 dBz）面積不斷擴大，表明云中水成物含量明顯增多，云層發(fā)展增厚，具有較好增雨潛力。16：00～18：00，回波進一步加強，出現了45～55 dBz強回波（雷雨云），表明7：00～14：00，適合飛機和火箭增雨作業(yè)，15：00后只能實施火箭作業(yè)。19：00～23：00，回波維持在阜新除西北區(qū)以外的大部分地區(qū)，強度在20～35dBz不等。23：00后，回波逐漸減弱，27日06：00后移出阜新。15：00～23：00適合全市火箭作業(yè)。

2.3.4 作業(yè)方案制定 綜上分析結果，制作人工增雨作業(yè)方案。方案建議：26日7：00～9：00，西部、西北部作業(yè)點實施火箭作業(yè)，作業(yè)仰角60°～65°，用彈量1～3枚;10：00～14：00，開展飛機增雨作業(yè)，空域申請飛行高度3 600～4 500 m，作業(yè)催化高度4 500 m（云內-4℃層以上冷云區(qū)），使用冷云催化焰條10根，作業(yè)預設航線（圖6）（催化作業(yè)層的風向為230°，風速約16 m/s）。26日15：00 ～23：00，適合開展火箭作業(yè)，作業(yè)仰角60°～65°，用彈量2～4枚。

2.4 作業(yè)實施

2.4.1 作業(yè)實施情況 在降水天氣過程中，按照人影作業(yè)三適當技術要求，阜新市、縣人影作業(yè)單位開展了飛機和火箭人工增雨作業(yè)。26日12：00～15：00開展飛機作業(yè)1架次，飛行2小時48分鐘，燃燒催化AgI冷云焰條10根，分三段時間進行催化，每段點燃焰條數量為3根、3根、4根，飛機作業(yè)實際飛行軌跡線（圖7）;利用飛機作業(yè)以外的其他時間先后開展地面火箭增雨作業(yè)18輪次，發(fā)射火箭彈72枚。

2.4.2 作業(yè)合理性分析 飛機作業(yè)。阜新增雨飛機（B3751）26日12：10從錦州灣機場起飛，按照預設航線飛往阜新區(qū)域。催化作業(yè)時間為12：40～14：00，14：58飛機落地。催化作業(yè)始終在強度15～30 dBz雷達回波覆蓋范圍內進行，空域批準高度為3 900～4 200 m，實際飛行高度大部分時間保持在4 200 m，處于預設的約-4℃冷云區(qū)內，使用催化劑（冷云焰條）類型、數量符合預案要求，作業(yè)航線設計合理。

火箭作業(yè)。一是選擇作業(yè)時機。雷達實況監(jiān)測產品分析表明，26日18：00前全市范圍開展火箭催化作業(yè)，重點考慮在西北部-北部（降水系統(tǒng)上游地區(qū)，也是阜新干旱嚴重地區(qū)）作業(yè)，19：00～23：00火箭作業(yè)主要在阜新地區(qū)東部、東北部進行，決策是準確的，作業(yè)時機掌握得準確有效。二是確定作業(yè)方位角和仰角。在符合制定的安全射界要求的前提下，穩(wěn)定性降水（層狀云為主）作業(yè)方位角選擇沿云的移動方向左右兩側 45°～90°間發(fā)射，達到增大播撒有效面積和有效時段的目的[7]。實時分析25日20：00、26日08：00和20：00探空產品的云垂直結構，0℃、-5℃、-10℃所在云層高度等要素指標，依據火箭發(fā)射仰角與高度對應關系曲線，確定作業(yè)仰角為60°～65°，該仰角對應的催化層的溫度為-7℃～-10℃（高度為4 800～

5 300 m），為過冷水含量最多與AgI催化劑冰核成核率最高的交集區(qū)，即冷云增雨潛力最大區(qū)）。三是作業(yè)劑量。利用公式（a×V為有效擴散體積內催化需增冰晶數，b×U為每枚火箭彈的成核數）計算發(fā)射用彈量，考慮火箭作業(yè)大多時間段降水云系存在一定的積狀不穩(wěn)定成分，綜合考慮層狀云、積層混合云催化劑用量計算結果，確定用彈量為2～4枚。

2.5 作業(yè)效果分析、評估

2.5.1 降水實況 2019年5月26日白天到夜間，阜新地區(qū)出現區(qū)域性暴雨天氣，全市平均降水量為88.9 mm，最大降水量出現在阜蒙縣蒼土鄉(xiāng)為128.5 mm。06：00降水開始時雨強不大，直到13：00全市小時平均雨量均未超過2 mm，13：00后隨著天氣系統(tǒng)加強和人工增雨催化作業(yè)共同的影響下，降水強度不斷增大，14：00、15：00、16：00和17：00小時雨量分別為6.3、8.7、103、8.4 mm（圖7）。

2.5.2 作業(yè)效果分析、評價 采用區(qū)域對比法總結和評估此次人工增雨作業(yè)，由于采用現代人影增雨作業(yè)技術方法開展作業(yè)，增雨效果明顯，達到預期效果。

（1）降水量預報與實況比較。5月25日，市氣象臺制作發(fā)布未來天氣預報，預計26日全市有中雨東南部雨量偏大。在自然降水和人工增雨作業(yè)共同作用下，本次降水過程實際降水量比預報量增加1～2個量級，特別是阜新北部區(qū)域（人工增雨作業(yè)重點區(qū)域）增加明顯，均超過預報的中雨達到暴雨量級。飛機作業(yè)范圍為全區(qū)，作業(yè)時段內，云物理產品指標、雷達產品等指標均滿足飛機人工增雨作業(yè)條件，效果良好;火箭作業(yè)重點選擇在北部的于寺、福興地、阜新鎮(zhèn)、平安地、大冷、章古臺等鄉(xiāng)鎮(zhèn)作業(yè)點進行，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)過程雨量均超過70 mm，達到暴雨量級（50～100 mm），最大為章古臺，達到86.7 mm。

（2）雷達回波強度變化。無論是分析人工增雨的直接效果，還是間接效果，天氣雷達都是非常有效的工具[8]。利用降水過程中的雷達反射率回波強度變化對人工增雨作業(yè)催化效果進行分析、評估。

作業(yè)區(qū)作業(yè)前后對比。分析飛機作業(yè)前、后雷達回波變化情況可以看出，作業(yè)前僅在阜新市西北部分布一些強度為15～20 dBz的零散回波，作業(yè)后，全市絕大部分區(qū)域被20～40 dBz降水回波覆蓋，且以30 dBz以上回波居多，東部多于西部且密實。隨著回波強度增加，全市范圍的降水強度明顯加強。以彰武縣平安鎮(zhèn)為例，12：40催化作業(yè)前，回波較弱，11：00、12：00分別只有0.3、0.7 mm。作業(yè)后上空回波明顯增強，持續(xù)受大范圍30～35 dBz的較強回波影響，使降水得到加強、持續(xù)，13：00、14：00、15：00和16：00雨量分別增加到2.2、4.1、11.4和18.5 mm（圖8）?；鸺鳂I(yè)分別在26日7：22～12：10、26日15：55～23：00等時間段內進行。從作業(yè)后雷達回波強度有所增強和降水量不同程度增加表明，作業(yè)對雨量增加具有一定的促進作用。

作業(yè)區(qū)與非作業(yè)區(qū)對比。本次天氣過程以層狀云降水為主，云帶自西向東略偏北方向移動?？紤]所處地理位置、與系統(tǒng)移動方向的關系等因素，選取作業(yè)站附近、歷史上相同時間段內穩(wěn)定降水量比較接近的非作業(yè)區(qū)作為對比區(qū)分析和評估作業(yè)效果，結果表明催化作業(yè)增加了作業(yè)區(qū)降水量。現以于寺作業(yè)點為例，選取位于于寺作業(yè)點東北方向距離約7 km的太平鎮(zhèn)作為于寺作業(yè)區(qū)的對比區(qū)。在降水的過程中，于寺作業(yè)點共實施5次增雨作業(yè)，發(fā)射火箭彈12枚。除26日07：32發(fā)射的兩枚火箭彈作業(yè)效果不好（07：00～08：00小時降水量9.5 mm低于對比區(qū)太平鎮(zhèn)的9.8 mm）以外，其余4次（09：18～09：20、15：35～15：36、20：22 ～20：23、22：21～22：23）作業(yè)效果都比較好，作業(yè)后雷達回波強度增強，作業(yè)區(qū)小時雨量明顯多于對比區(qū)（圖8）。分析其中一次作業(yè)效果差的原因，是由于附近機場起降飛機航路因有雷電繞飛到阜新上空，作業(yè)空域多次申請未批而錯過最佳作業(yè)時機所致。

3 結論

（1）人影五段業(yè)務和人影作業(yè)三適當技術，規(guī)范了市、縣級人工增雨業(yè)務工作，提升了市、縣級人影現代化能力和水平，對提高人工增雨作業(yè)實效具有促進作用;CPAS系統(tǒng)平臺提供的衛(wèi)星反演產品、雷達產品、探空產品、降水量等數據產品，對市、縣級開展人工增雨作業(yè)時間、云區(qū)催化部位（作業(yè)潛力大值區(qū)）、催化劑用量的確定及作業(yè)過程預報制作、作業(yè)預案制作、作業(yè)條件預警報制作、作業(yè)實施跟蹤指揮、作業(yè)效果評估等具有指導作用，為科學、有效實施人工增雨作業(yè)提供了技術支撐。

（2）提高網絡通信傳輸能力，確保市、縣級人影單位接收到更多實用的云模式預報產品和雷達模式外推預報產品，不斷提高市、縣級人影單位對人工增雨天氣條件、作業(yè)時機、作業(yè)部位、作業(yè)潛力等的分析能力和判斷能力。

（3）加快對無人機人工增雨技術的研究，提高無人機制作工藝和在復雜天氣下安全、有效實施增雨催化作業(yè)，推進無人機人工增雨業(yè)務化進程，不斷提高人工增雨作業(yè)實效。

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責任編輯：黃艷飛

Analysis of an Artificial Precipitation Operation Process in Fuxin area

SUN Bao-li et al（Fuxin Meteorological Bureau， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract Based on the ground and high altitude conventional meteorological data， the satellite inversion products， radar data products， sounding data products， precipitation and other meteorological data provided by the CPAS platform， combinied with GRAPES， EC and other numerical models and cloud model forecast products， from the operational demand， weather situation， cloud system structure， precipitation enhancement potential analysis and operational scheme design， operational implementation tracking command， operational effectiveness evalua-tion， etc， to summarize and analyze the precipitation enhancement operation in Fuxin area on May 26， 2019. The results show that the various functions and business products provided by CPAS platform provide technical support for the standardized， scientific and effective implementation of artificial precipitation at city and county levels.

Key words Artificial precipitation; CPAS platform; Radar products; Cloud model products; Fuxin area

基金項目 阜新市科委科研項目“人工增雨作業(yè)區(qū)識別技術研究”（20142501）;阜新市氣象局科研項目“CPAS人影業(yè)務平臺技術阜新本地化”（FQK-2018-04）。

作者簡介 孫寶利（1962-），男，遼寧阜新人，高級工程師，主要研究方向：人工影響天氣。*通信作者：張旭（1984-），女，遼寧阜新人，高級工程師，研究方向：氣象服務，E-mail：：zxu521@126.com。。

收稿日期 2021-01-12