秦皇島地區(qū)氣候干旱與人工增雨的探索

曹建新,陳連友

(1.河北省生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊050021;2.秦皇島氣象局,河北秦皇島066000)

秦皇島地區(qū)氣候干旱與人工增雨的探索

曹建新1,2,陳連友2

(1.河北省生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊050021;2.秦皇島氣象局,河北秦皇島066000)

氣候分析表明:隨著氣候變化及環(huán)境城市化,秦皇島市區(qū)域年平均氣溫指數(shù)呈上升趨勢(shì),特別是近10年出現(xiàn)了連續(xù)偏高的異常變化;年降水指數(shù)呈明顯減小趨勢(shì),出現(xiàn)了連年干旱,高溫少雨不僅使生態(tài)環(huán)境不斷惡化,而且使農(nóng)田干旱、水庫(kù)蓄水嚴(yán)重不足,因此人工增雨變得更加迫切。目前,秦皇島市人工增雨工作已進(jìn)入常態(tài)化、業(yè)務(wù)化軌道?？偨Y(jié)1999—2008年火箭人工增雨經(jīng)驗(yàn),人工增雨操作的技術(shù)關(guān)鍵:一是分析局地降水氣候規(guī)律;二是利用碘化銀進(jìn)行人工增雨需要適當(dāng)?shù)臏囟葪l件,即所謂進(jìn)行冷云催化。在增雨時(shí)應(yīng)充分考慮這一物理機(jī)制,選擇好合適的發(fā)射高度,把催化劑送到可催化的溫度環(huán)境中,以保證作業(yè)成功率。

氣候干旱;人工增雨;冷云催化;水資源短缺

秦皇島南臨渤海,北依燕山,地勢(shì)西北高,東南低。水資源主要由大氣降水形成的地表水、地下水組成。人均占有水資源量646 m3,每公頃耕地平均占有量8 175 m3,是全國(guó)平均水平的1/4,屬缺水地區(qū)。由于受降水年變化影響與制約,各季降水時(shí)空分布極不均勻。根據(jù)氣候資料統(tǒng)計(jì):6～8月降水量約占全年總量的70%,冬、春季降水稀少,年際變化也非常大。降水量最少的年份,年降水量?jī)H332.9 mm(1982年),最多的年份達(dá)1 070.7 mm(1977年),大旱大澇時(shí)有發(fā)生。根據(jù)Z指數(shù)變換曲線分析[1],干旱年份在逐漸增加,近10年表現(xiàn)格外突出,前30年旱年平均為5年1旱,近 10年沒(méi)有出現(xiàn)澇年,幾乎為2年 1旱(圖 1)。

圖1 秦皇島市旱澇指數(shù)分布

大旱的年份是上世紀(jì)80年代后出現(xiàn)的,各縣的情況基本一致。1999年以來(lái)全市平均降水量已經(jīng)連續(xù)10年低于氣候平均值。

為緩解地區(qū)旱情,秦皇島從1998年開(kāi)始進(jìn)行人工增雨作業(yè)。截止到2008年底,人工增雨作業(yè)取得了顯著成效,為緩解旱情、增加地下水、降低環(huán)境污染起到了重要作用?？偨Y(jié)人工增雨作業(yè)工作中的一些成功做法,以期把人工增雨工作做得更好。

1 分析氣候規(guī)律,伴隨天氣變化進(jìn)行人工增雨作業(yè)

研究表明,一次較大的天氣過(guò)程,往往是由若干個(gè)中小尺度天氣系統(tǒng)構(gòu)成的,降水云團(tuán)間隔幾個(gè)小時(shí)或幾分鐘不等,而且降水規(guī)律還受日變化影響。

根據(jù)降水日變化統(tǒng)計(jì)分析[2],主要降水一般集中在傍晚前后,即16～21時(shí)之間,其次是集中在午夜,而黎明以前又有一次小的高峰期,在上午則明顯是一個(gè)降水較少的時(shí)段。

但是每小時(shí)降水量大于50 mm的強(qiáng)降水,則明顯集中在黎明前4時(shí)左右。因此,若想取得增雨作業(yè)的最佳效果,不但要注意大型有利的天氣形勢(shì),而且還必須密切關(guān)注中尺度天氣變化(云系演變、雨強(qiáng)變化、發(fā)展趨勢(shì)、移動(dòng)速度等)和日變化規(guī)律。跟蹤中尺度活動(dòng)間歇,尋找火箭增雨作業(yè)的時(shí)機(jī)與大氣擾動(dòng)的共振點(diǎn),伴隨天氣活動(dòng)規(guī)律,采用持續(xù)、反復(fù)、跟蹤的作業(yè)方案,才能取得事半功倍的成效。

2002年9月27.進(jìn)行的一次水庫(kù)庫(kù)區(qū)火箭增雨作業(yè),就是采取了上述方案,提前進(jìn)入作業(yè)點(diǎn),緊緊抓住天氣過(guò)程不放,持續(xù)、反復(fù)跟蹤作業(yè),取得了效果顯著?；厩闆r分析如下:

增雨作業(yè)點(diǎn)設(shè)在石門(mén)寨(北緯40度06分 ,東經(jīng)119度36分),作業(yè)從9月27日08時(shí)40分開(kāi)始,到23時(shí)10分結(jié)束。根據(jù)云層厚度和云底高度的變化,火箭發(fā)射高度角取48°～55°,每次用彈量為4～7枚,作業(yè)方向?yàn)楸北蔽鳌⒈?、北北東、北東、東,每發(fā)射一枚移動(dòng)一個(gè)方位。在雷達(dá)指揮下,分別在08時(shí) 40分、10時(shí) 10分、11時(shí) 10分、22時(shí)15分、23時(shí)00分作業(yè)5次,每次作業(yè)時(shí)間為5～10 m in,共發(fā)射火箭彈25枚。作業(yè)時(shí)云頂高度為10～12 km。

作業(yè)后作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常有雷電出現(xiàn),根據(jù)雨量自記分析作業(yè)結(jié)束大約10min后,雨量明顯增加。作業(yè)影響區(qū)位于平房峪、駐操營(yíng)、城子峪、山神廟、石門(mén)寨五個(gè)雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi),非作業(yè)區(qū)為秦皇島、石河水庫(kù)兩個(gè)雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各雨量點(diǎn)過(guò)程總雨量、與作業(yè)點(diǎn)的距離、方位見(jiàn)圖2。

圖2 2002年9月27日作業(yè)區(qū)與非作業(yè)區(qū)雨量

統(tǒng)計(jì)作業(yè)影響區(qū)(水庫(kù)上游)5個(gè)水文站的逐時(shí)雨量和非影響區(qū)觀測(cè)站雨量,圖3可以明顯見(jiàn)到,影響區(qū)逐時(shí)降雨量明顯多于非影響區(qū),影響區(qū)平均雨量比非影響區(qū)增加近3成,遠(yuǎn)大于理論評(píng)估[3]。統(tǒng)計(jì)表明:主要降水出現(xiàn)在作業(yè)后的1 h內(nèi)。其中駐操營(yíng)1 h最大降水量達(dá)50 mm,而非影響區(qū)最大僅15.4 mm。實(shí)踐證明,只要抓住適宜天氣系統(tǒng),跟蹤天氣變化,準(zhǔn)確判斷云層的物理結(jié)構(gòu),在適當(dāng)?shù)募夹g(shù)條件支持下,適時(shí)作業(yè)就可能取得較好效果。

圖3 該影響區(qū)非影響區(qū)各時(shí)雨量

據(jù)歷年氣象資料分析:秦皇島市暴雨最晚出現(xiàn)在9月16日,9月下旬未出現(xiàn)過(guò)暴雨天氣。9月下旬平均降水量?jī)H10.6 mm,最多41.2 mm。9月27日的火箭增雨作業(yè)有效地影響了自然降水過(guò)程,使石河流域五個(gè)雨量點(diǎn)平均雨量達(dá)108.4 mm。其中最大達(dá)160.2 mm,而未受影響的市區(qū)降水量?jī)H為33 mm。受自然降水和人工增雨的共同影響,10月8日石河水庫(kù)入庫(kù)流量最高達(dá)到每秒52.51 m3,總?cè)霂?kù)量803萬(wàn)m3,直接經(jīng)濟(jì)效益260萬(wàn)元以上。

類(lèi)似的作業(yè)還有2000年7月16日,作業(yè)從凌晨1時(shí)40分開(kāi)始持續(xù)到19時(shí)50分。先后進(jìn)行了5次不同時(shí)間間隔的作業(yè)。而且在作業(yè)過(guò)程中密切注意雨勢(shì)變化,加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)指揮,根據(jù)云圖、雷達(dá)資料,適時(shí)調(diào)整發(fā)射的時(shí)間、方向、角度、用彈量,共發(fā)射火箭彈18枚。在作業(yè)點(diǎn)附近地區(qū)形成一個(gè)暴雨中心,在作業(yè)影響區(qū)域內(nèi)過(guò)程總雨量均在100 mm以上,最大達(dá)150～200 mm,非影響區(qū)均在100 mm以下。

這兩次非常成功的人工增雨作業(yè),石河水庫(kù)入庫(kù)量達(dá)2 700 m3,在自然降水連續(xù)兩年偏少的氣候條件下,通過(guò)局部火箭人工增雨,實(shí)現(xiàn)了流域水位接近歷史最高點(diǎn)蓄水量為5 140萬(wàn)m3,達(dá)到近年來(lái)最大庫(kù)容。

抓住一次重要天氣過(guò)程,伴隨天氣變化,采用持續(xù)、反復(fù)作業(yè)的技術(shù)線路:一是注意捕捉中尺度天氣活動(dòng)的一般規(guī)律,二是注意降水天氣的日變化特征,三是符合人工增雨火箭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能[4],選擇有利時(shí)機(jī)進(jìn)行人工晶核的催化,激發(fā)云層降水,促進(jìn)雨勢(shì)增強(qiáng),在下一個(gè)雨強(qiáng)開(kāi)始時(shí),再重復(fù)進(jìn)行催化,這種類(lèi)似抽陀螺的作業(yè)方式可以使局地降水越來(lái)越大,直到全過(guò)程結(jié)束。

火箭人工增雨作業(yè)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程,要想增大降水量決不是簡(jiǎn)單的施放幾枚火箭就可以做到的,既需要一定的用彈量,也需要一定的時(shí)間保證,還要遵循天氣變化規(guī)律,只有這樣才有可能取得較好的效果。

2 確定發(fā)射高度是增雨成功的關(guān)鍵

一次成功的人工增雨作業(yè),最關(guān)鍵的技術(shù)之一就是準(zhǔn)確地把播云增雨催化劑送到云中最合適的部位,使催化劑在適宜的條件下達(dá)到最大效率。

由于大氣變化具有復(fù)雜性和多變性的特點(diǎn),如何把催化物精確定位于一個(gè)適當(dāng)?shù)沫h(huán)境,是一個(gè)極其復(fù)雜而困難的系統(tǒng)工程。在此,下文僅就在人工增雨作業(yè)中如何確定播撒高度進(jìn)行一些粗略探討。

實(shí)踐證明,在進(jìn)行人工增雨作業(yè)前需要對(duì)天氣形勢(shì)的演變、云的類(lèi)型、液態(tài)水的含量、氣溫、氣流及輸送機(jī)制有所了解,但是,一般情況下作業(yè)人員或指揮作業(yè)人員很難及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得上述全部信息。目前,雖然在人工增雨的物理機(jī)制上已經(jīng)有許多共識(shí),但每一次天氣過(guò)程都是千變?nèi)f化的,受到目前技術(shù)、設(shè)備等諸多因素的限制,對(duì)于地市級(jí)人影作業(yè)單位,只能利用現(xiàn)有設(shè)備、技術(shù)力量進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)、計(jì)算,并結(jié)合多年實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)作業(yè)云體的發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷,在確定作業(yè)高度時(shí)力爭(zhēng)有一個(gè)比較清晰的思路和依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)表明,催化劑只有到達(dá)一定溫度的高度層,才會(huì)產(chǎn)生較好的核化效應(yīng)。因此,人工增雨作業(yè)時(shí)正確確定發(fā)射高度,是保證播撒增雨催化劑達(dá)到云中適當(dāng)部位的關(guān)鍵。

2.1 碘化銀成核對(duì)溫度的要求

目前我市進(jìn)行人工增雨使用的催化劑絕大多數(shù)是碘化銀,碘化銀的作用是在適當(dāng)?shù)臍鉁貤l件下產(chǎn)生大量凝華核,促進(jìn)雨滴增大。碘化銀催化增雨主要適合于冷云。

有試驗(yàn)表明[5],碘化銀產(chǎn)生凝華核的閥溫為-3℃～-4℃之間。

根據(jù)增雨火箭設(shè)計(jì)性能、試驗(yàn)報(bào)告,效率較好的環(huán)境溫度為-9.5℃～-20℃,不同高度攜帶催化劑播撒的高度層,(從起播點(diǎn)到最高點(diǎn))可以為1.2～3.7 km。如果按標(biāo)準(zhǔn)大氣每上升1 km下降6℃計(jì)算,播撒層內(nèi)氣溫變化幅度最小為7.2℃,最大為21.6℃。由于對(duì)流層氣溫呈垂直遞減的變化規(guī)律,在考慮環(huán)境溫度時(shí),首先要注意起播點(diǎn)和最高點(diǎn)的氣溫,應(yīng)盡可能使碘化銀在適合凝華的氣溫范圍內(nèi)。假定碘化銀適宜凝華核的氣溫為-3℃～-20℃,溫度垂直遞減率等于-6℃/km,從作業(yè)安全和作業(yè)效果兩方面考慮,增雨火箭發(fā)射角度應(yīng)該在45°～75°之間。多年作業(yè)經(jīng)驗(yàn)也證明這個(gè)高度角區(qū)域是適合的,并且用高炮防雹、增雨作業(yè)時(shí)也應(yīng)該掌握在這個(gè)區(qū)域內(nèi)。

有資料分析發(fā)現(xiàn),催化云的溫度在-20℃以下時(shí),隨著溫度的降低,催化效果減少并可能會(huì)使降水量減少,所以對(duì)催化劑的施放高度應(yīng)該予以科學(xué)的確定。

2.2 關(guān)于對(duì)流云增雨的高度判斷

對(duì)流云是在大氣層結(jié)不穩(wěn)定的條件下由對(duì)流運(yùn)動(dòng)形成的,雷雨云中上升速度很大,平均可達(dá)10 m/s或更大[6]。雖然不同的天氣系統(tǒng)大氣的熱量、動(dòng)量及水分交換有較大的差別,但是主要考慮氣溫隨高度遞減和上升氣流的作用。

在實(shí)施對(duì)流云增雨作業(yè)時(shí)可以采用如下方法估算火箭彈的發(fā)射角度:

第1步利用凝結(jié)高度公式估算云底高度,公式采用:

h=124 m(t-τ)

式中h:為凝結(jié)高度

t:為地面氣溫

τ:為地面露點(diǎn)溫度

由此公式就可以比較容易地求得云底高度,同時(shí),把τ近似地看成是云底溫度。

第2步據(jù)大氣直減率公式,估算擬發(fā)射高度角的起播點(diǎn)和最高點(diǎn)的氣溫 T(z),計(jì)算公式為:

T(z)=T-rz式中T:為地面溫度(云底溫度);

r:為氣溫垂直變化直減率。直減率可參照表1。

表1 濕絕熱直減率 ℃/100 m

例如:某地氣溫15℃,取濕絕熱直減率r=0.49℃,由增雨火箭彈道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),求出起播點(diǎn)的溫度為:T(z)=0.8℃。

如果考慮上升氣流的作用取ω=10 m/s,那么大約2 m in左右即可達(dá)到碘化銀需要的凝華核環(huán)境溫度要求。

根據(jù)大氣直減率計(jì)算公式,能夠比較客觀地估算出火箭的適宜發(fā)射高度角,這樣就可以使增雨作業(yè)可靠性更大些。當(dāng)然,用大氣直減率計(jì)算的高度角,還應(yīng)該結(jié)合天氣實(shí)況,有條件時(shí)應(yīng)注意與各標(biāo)準(zhǔn)高度層(例如:5 000 m、3 000 m、1 500 m等)的溫度值進(jìn)行對(duì)比分析,選擇適當(dāng)?shù)慕^熱直減率,這樣就會(huì)使火箭發(fā)射高度角更科學(xué)、合理,大大減少作業(yè)的盲目性,增雨作業(yè)的效果也一定會(huì)更好。

上述辦法的綜合利用,可以減少人工增雨作業(yè)的盲目性,不僅可以提高人工增雨效益,同時(shí)也能減少盲目作業(yè)帶來(lái)的不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

降水現(xiàn)象是復(fù)雜的物理過(guò)程,但人工催化增雨技術(shù)的物理機(jī)制已經(jīng)得到很多專(zhuān)家學(xué)者的認(rèn)同,火箭、高炮增雨是冷云催化機(jī)制,碘化銀形成凝結(jié)核要求適當(dāng)?shù)臏囟拳h(huán)境,所以應(yīng)該在已知的物理機(jī)制條件下去進(jìn)行工作,才能促進(jìn)大氣物理過(guò)程的改變,達(dá)到增加降水的目的。

把碘化銀撒播到適當(dāng)?shù)臍鉁丨h(huán)境是增雨成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié),所以在實(shí)施增雨時(shí),對(duì)催化劑施放的高度一定要做好估算,只有這樣才能達(dá)到有效增雨的目的。對(duì)流云的增雨作業(yè),對(duì)起播點(diǎn)高度上的溫度環(huán)境應(yīng)該考慮上升氣流的作用,對(duì)流云增雨起播點(diǎn)可適當(dāng)?shù)鸵恍?。由于?duì)流層內(nèi)氣溫的垂直變化較大,火箭發(fā)射高度角的選擇不應(yīng)該太大。

3 結(jié)語(yǔ)

人工增雨是在有利的環(huán)流形勢(shì)下對(duì)中、小尺度天氣影響的結(jié)果。這種影響與中小尺度天氣的活動(dòng)相偶合是增雨成功的關(guān)鍵條件之一,所以作業(yè)時(shí)應(yīng)該充分考慮中小尺度的間歇性,伴隨天氣變化同步進(jìn)行。

把碘化銀撒播到適當(dāng)氣溫環(huán)境是增雨成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié),所以在實(shí)施增雨時(shí),對(duì)催化劑施放的高度一定要作好估算,只有這樣才能達(dá)到有效增雨的目的。

秦皇島氣溫變化呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),降水呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì),氣溫上升、蒸發(fā)量增大、干旱少雨矛盾日漸突出。隨著人口的增加,人民生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他領(lǐng)域?qū)Φ枨蟮目涨霸鲩L(zhǎng),無(wú)論從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)或環(huán)境哪個(gè)角度來(lái)看,這一增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)都是可持續(xù)的。污染對(duì)氣候變化的潛在影響將成為21世紀(jì)的主要問(wèn)題之一。

氣象部門(mén)要認(rèn)真抓實(shí)人工影響天氣工作,開(kāi)發(fā)空中水資源,做到“一年四季不放松,一次過(guò)程不放過(guò)”。春季增雨以抗旱為主要目標(biāo),夏秋季增雨以蓄水為主要目標(biāo),冬季積極進(jìn)行增雪作業(yè)。實(shí)踐證明:人工增雨能夠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益,且投入產(chǎn)出成倍增長(zhǎng)。有統(tǒng)計(jì)表明:投入產(chǎn)出比一般在1∶60左右。而這只是可見(jiàn)的短期利益,一次有效的人工增雨作業(yè),通過(guò)增加水資源將會(huì)給未來(lái)帶來(lái)巨大的利益。

Water Resources Publication,Colorado.1988.

[2]陳連友.人工增雨氣候時(shí)段的選擇[J].河北氣象,1987,77(3):68.

[3]氣象科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所.云物理與人工影響天氣[M].北京:中央氣象局,1977.96.

[4]陳光學(xué).增雨火箭防雹作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)[M].北京:航天工業(yè)總公司四院四所,1997.75.

[5]牟海省,鐘志武譯.播云增雨指南[M].北京:中國(guó)氣象局科技教育司,1997.80.

[6]揚(yáng)大升.動(dòng)力氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社,1982.409.

Exploration on Arid Climate and Artificial Precipitation in Qinhuangdao Area

Cao Jianxin1,2,Chen Lianyou2
(1.Ecological Environment Key Laboratory of Hebei Province,Shijiazhuang Hebei 050021;2.Meteorological Bureau of Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066000)

Climatic analysis shows that with the urbanization environment in Qinhuangdao the annual average temperature tends to rise,especially in the past ten years,there was an abnormal change that led to the annual average temperature going up.The annual precipitation p resents decreasing trend,owing to successive years of drought,the lack of rain,high air temperature,serious shortage of water in reservoir,the deterioration of ecological environment.So there is a pressing demand to artificial precipitation.Now,the artificial weather modification has entered normal operational status.By summing up the experience of artificial precipitation made by rocket from 1999 to 2008,the key skills of artificial precipitation are analyzing the climatic law s of the local precipitation,in the meantime,artificial precipitation using silver iodide needs p roper temperature conditions,namely the catalysis of cold cloud.In order to achieve better results,angle of rocket launcher must be suitable,so the catalyst can be sent the environment of catalysis with suitable temperature,and that will ensure success rate.

arid climate;artificial precipitation;catalysis of cold cloud;water shortage

P48

A

1008-813(2010)02-0018-05

10.3969/j.issn.1008-813X.2010.02.006

2009-11-17

曹建新(1959—),男,秦皇島市撫寧人,畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象專(zhuān)業(yè),高級(jí)工程師,主要從事農(nóng)業(yè)氣象的研究。

[1]Kite,G.W.Frequency and Risk Analysis in Hydrology.