秦皇島地區(qū)干旱趨勢(shì)分析及人工增雨條件

曹建新，張寶貴，劉伯華，戴 瑋

（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.秦皇島市人工影響天氣辦公室，河北 秦皇島 066000；3.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000）

1 秦皇島水資源狀況及干旱變化

1.1 水資源基本狀況

秦皇島淡水資源由大氣降水形成的地表水和地下水組成，地表水資源12.54億m3（2010年數(shù)據(jù)），地下水資源為7.45億m3（2010年數(shù)據(jù)），地下水為松散巖層孔隙水，城市和經(jīng)濟(jì)用水主要依賴大氣降水。隨著地球暖化效應(yīng)的加劇，秦皇島人均擁有水資源連年減少，1998年為人均625 m3，2007年為人均603 m3，2012年為人均597 m3，因此在保持地下水資源不被破壞的基礎(chǔ)上，維持和增加水資源迫在眉睫。

秦皇島市陸域面積7812.4 hm2，1981-2010年30年平均降水量為602.3 mm，汛期（6～8月）平均降雨量為411.0 mm，占全年降水量的68%。在2001-2010年10年期間平均降雨量為579.0 mm，汛期降水量為401.0 mm（占全年降水量的69%），而2001年的降雨量更少為347.7 mm（歷史最少為1982年的332.9 mm，最多為1969年的1273.5 mm）。

1.2 旱澇Z指數(shù)分析

旱澇分析的方法和指標(biāo)，很多都是假設(shè)降水量服從正態(tài)分布的，而實(shí)際上降水量大多情況下不服從于正態(tài)分布，因此引入Z指數(shù)[1]是一種解決方案。

設(shè)年降水量服從皮爾遜Ⅲ型分布，對(duì)年降水量序列進(jìn)行Z變換，獲得服從正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)化序列。Z指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中α、β、γ均為參數(shù)（計(jì)算公式省略），X為年降水量。

根據(jù)Z指數(shù)變量的正態(tài)分布曲線，利用累積頻率，劃分7個(gè)旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。表1中Z指數(shù)在-0.542≤Z≤0.542表示正常年景，Z＞0.542趨于澇勢(shì)，Z＜-0.542趨于旱勢(shì)。有了這個(gè)旱澇等級(jí)表，通過(guò)計(jì)算各年度Z指數(shù)的數(shù)值，并對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行比較，就可以獲得本地區(qū)過(guò)往一段時(shí)間旱澇的變化情況。而圖1為過(guò)去42 a秦皇島地區(qū)旱澇的年際變化圖。

表1 旱澇等級(jí)指數(shù)

資料取自1970-2012年，年度跨度為42 a，其中鋸齒狀曲線圖為旱澇指數(shù)Z的走勢(shì)，而黑色線為旱澇演變的趨勢(shì)線。通過(guò)Z指數(shù)的分布以及趨勢(shì)線，可以清楚地看出20世紀(jì)90年代前整體上是偏澇的時(shí)代；而20世紀(jì)90年代后則明顯趨向偏旱，尤其在21世紀(jì)初葉，旱情十分明顯。從氣候?qū)W角度考慮，這種趨勢(shì)還在延續(xù)，因此如何增加有效降水是十分迫切的問(wèn)題。

圖11970-2012年秦皇島地區(qū)旱澇Z指數(shù)變化趨勢(shì)

1.3 根據(jù)氣候變化建立人工影響天氣作業(yè)機(jī)制

表2 人影作業(yè)機(jī)制簡(jiǎn)表

生活方式、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的改變?cè)斐傻牧砍手笖?shù)增長(zhǎng)，地球溫室效應(yīng)直接造成地表水增發(fā)量大幅度上升，盡管各部門采取合理利用水資源的措施，但是水資源不足的狀況愈來(lái)愈嚴(yán)重。氣象部門采取人工干預(yù)天氣演變的措施，增加降水的可能性和降水量，盡管操作起來(lái)非常困難，但是為增加水資源提供了較為可靠的途徑。

秦皇島市自1998年正式開(kāi)始人工增雨作業(yè)，到2013年6月，連續(xù)15 a實(shí)施人工增雨作業(yè)，對(duì)于增加降水的可能性、加大降水量級(jí)、增大局部的降水強(qiáng)度采取了一些措施，這些措施包括飛機(jī)播撒碘化銀，火箭、高炮高空催化以及地面燃燒爐燃燒煙條等方式。通過(guò)建立人影作業(yè)機(jī)制（表2人影作業(yè)機(jī)制簡(jiǎn)表），在預(yù)先判斷、確定好云況（范圍、強(qiáng)度、厚度等）以及確定作業(yè)地點(diǎn)后，可根據(jù)表2采用合適的作業(yè)手段和方式。

2 掌握本地降水特點(diǎn)和天氣系統(tǒng)性質(zhì)實(shí)施人工增雨

2.1 本地天氣、降水特點(diǎn)

降水受日照（太陽(yáng)短波輻射）和下墊面（地形或者下墊面性質(zhì)）影響很明顯，因此降水有明顯的日變化，許多研究[2-4]表明降水有兩個(gè)峰值，參考相關(guān)研究，結(jié)合本地的降水資料，圖2是秦皇島市1970-2012年累積降水量逐小時(shí)分布圖。

圖2 1970-2012年逐小時(shí)累積降水量曲線

圖2中累積降水量較大的時(shí)間段是凌晨1～2時(shí)和傍晚17～18時(shí)，統(tǒng)計(jì)表明降雨量大于50 mm的降水多數(shù)分布在凌晨的時(shí)間段里，而不穩(wěn)定性的對(duì)流降水多出現(xiàn)在午后至傍晚的時(shí)段里；在中午11時(shí)前后降水量累積量最小。由此可以根據(jù)這種特點(diǎn)合理布局人工增雨的時(shí)間，做到在最有利的時(shí)機(jī)實(shí)施人工干預(yù)天氣的作業(yè)。

表3 春夏季影響秦皇島市的主要天氣系統(tǒng)及云的特征

掌握本地降水特點(diǎn)，結(jié)合天氣系統(tǒng)的性質(zhì)和天氣形勢(shì)的演變，對(duì)未來(lái)的作業(yè)方式和手段提前規(guī)劃，爭(zhēng)取得到最好的效果。在天氣尺度背景下，尤其要關(guān)注中尺度天氣系統(tǒng)的變化，對(duì)于回波強(qiáng)度大于50 dBz的回波，以及紅外為云圖上“云頂亮溫”為紅色且云形（渦旋狀、細(xì)胞狀云形）比較致密的區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)這些經(jīng)過(guò)本地區(qū)上空的時(shí)候?qū)嵤┤斯ぴ鲇曜鳂I(yè)。

人工增雨作業(yè)最關(guān)鍵是預(yù)先判斷天氣系統(tǒng)及其降水性質(zhì)，表3是春夏季影響秦皇島市的主要天氣系統(tǒng)及云的特征，正確判斷天氣系統(tǒng)于人工增雨是否成功以及增雨效果極其重要。

2.2 增雨作業(yè)實(shí)例

比較典型的個(gè)例，是在2002年9月27日在石河水庫(kù)上游進(jìn)行的一次水庫(kù)庫(kù)容增量作業(yè)，由于事先有作業(yè)預(yù)案，在正確判斷天氣系統(tǒng)、影響區(qū)域、降水可能持續(xù)時(shí)間的基礎(chǔ)上，提前進(jìn)入水庫(kù)上游作業(yè)點(diǎn)，取得了理想的效果。圖3是作業(yè)影響區(qū)、非影響區(qū)降水量逐小時(shí)變化曲線，其橫坐標(biāo)是9月27日上午9時(shí)到28日0時(shí)時(shí)間，豎坐標(biāo)是降水量（實(shí)線是作業(yè)影響區(qū)平均每小時(shí)降雨量，虛線是非影響區(qū)平均每小時(shí)降雨量），圖中作業(yè)效果一目了然。通過(guò)人影作業(yè)，在影響區(qū)域降水強(qiáng)度明顯大于未影響區(qū)域。

圖3 各時(shí)刻影響區(qū)非影響區(qū)降雨量

3 人工增雨作業(yè)的條件

3.1 增雨的化學(xué)制劑

增雨常用的催化劑有干冰、液氮等致冷劑以及碘化銀焰劑和碘化銀丙酮溶液等凝結(jié)劑（冰核），這些都是用于冷云催化增雨?？紤]降低成本、對(duì)生態(tài)環(huán)境不良影響最小，移運(yùn)保存、方便安全，目前使用碘化銀焰劑或者碘化銀丙酮溶液，它們適用于溫度低于0℃的冷云。

碘化銀催化增雨的理論基礎(chǔ)是碘化銀催化劑在爆炸或燃燒時(shí)，有大量的人工冰核氣溶膠產(chǎn)生，使云中的凝結(jié)核數(shù)量增加，加大水汽“凝結(jié)～凍結(jié)”冰水轉(zhuǎn)化強(qiáng)度，結(jié)合水滴的自然碰并過(guò)程，加大降水的可能性或者降雨量。最關(guān)鍵的是把增雨催化劑送到云中最合適位置，使催化劑在云中最大限度的成核。

3.2 碘化銀成核的環(huán)境

目前，碘化銀丙酮溶液 (或者碘化銀煙劑)是人工增雨 (雪)作業(yè)常用的冷云催化劑，國(guó)外試驗(yàn)[8]證明，碘化銀成核的閾溫為：-3～-4℃，也就是說(shuō)，環(huán)境溫度（云內(nèi)氣溫）必須低于這個(gè)閾值。人工增雨火箭（主要作業(yè)工具）的射程是8 km，火箭彈裝載碘化銀8 g，在-4℃的環(huán)境空氣中每克可產(chǎn)生1012以上個(gè)冰核，如果云內(nèi)溫度小于這個(gè)閾值成核效果會(huì)很差，當(dāng)環(huán)境溫度在-10℃時(shí)成核率為2.14×1015，-15℃時(shí)成核率為2.56×1015，-20 ℃時(shí)成核率為3.91×1015。實(shí)驗(yàn)顯示[9]當(dāng)云頂溫度Ttop:Ttop＞-10℃或Ttop＜-24℃時(shí)，催化播撒無(wú)效；云頂溫度-24℃≤Ttop≤-10℃時(shí)，成核有效果，峰值區(qū)位于-15～-20℃的云層，因此把-10～-24℃云層作為人工增雨的最佳溫度層，一些作業(yè)實(shí)踐[10，11]也證明了這一基本要求的科學(xué)性。

3.3 積云增雨的高度判斷

積狀云水平尺度小于100 km，垂直厚度在1～10 km，云中上升氣流可以達(dá)到幾十米每秒，云中含水量幾克每立方米，積云對(duì)流旺盛，上升氣流在云底較小，到中上部達(dá)到極大，到上部又減小，到云頂最小。因此過(guò)冷水積聚區(qū)在其中上部。積云的發(fā)展一般可分為三個(gè)階段，即形成階段、成熟階段和消散階段。因此從形成到成熟的增長(zhǎng)階段是人工催化的最有利時(shí)機(jī)，作業(yè)時(shí)要把催化劑播撒到上升氣流強(qiáng)、含水量豐沛的區(qū)域。積云中較強(qiáng)的上升氣流速度可達(dá)30～35 m/s，火箭增雨作業(yè)最好選擇在上升氣流最強(qiáng)的空域，這樣可以使凝結(jié)核充分的與水汽結(jié)合。成核的環(huán)境氣溫閾值是-4℃，因此判斷積云云層的溫度是人工增雨（雪）是否成功的關(guān)鍵。

按照人工增雨作業(yè)的要求，當(dāng)云頂溫度處于-10～-24℃[12]，并且過(guò)冷層厚度＞1.5 km，可進(jìn)行增雨作業(yè)。

3.3.1 用雷達(dá)回波指數(shù)求取積云云頂高度、溫度

表4 對(duì)流云云頂高度、溫度與其強(qiáng)度的關(guān)系

一般人工增雨要求，雷達(dá)回波組合反射率因子的強(qiáng)度要大于45 dBz，只有這種強(qiáng)度的回波才能構(gòu)成較強(qiáng)的增雨的可能性。利用雷達(dá)基數(shù)據(jù)產(chǎn)品（回波頂高），可以取得回波頂（云頂高度）高度值，利用表4的對(duì)流云回波強(qiáng)度與云頂溫度、高度的關(guān)系，可得到云頂?shù)臏囟群头e云的性質(zhì)，指導(dǎo)人工干預(yù)天氣性質(zhì)是防雹還是增雨。表4中冰雹云初期，回波和強(qiáng)回波都出現(xiàn)在0～-5℃層之間，位于云體的中上部；雷雨云初期，回波出現(xiàn)高度一般在0℃層以下，強(qiáng)回波區(qū)一般在云的中下部。

3.3.2 -4℃和-10℃溫度層高度的確定

根據(jù)衛(wèi)星遙感資料反演的云參數(shù)，可查出云頂?shù)母叨取⒃祈敎囟燃斑^(guò)冷層的厚度，來(lái)判斷云層是否可以人工影響天氣作業(yè)，也可直接使用探空資料的T-logP圖，或者進(jìn)行區(qū)域、高度插值后確定當(dāng)?shù)?4℃和-10℃溫度層的高度，同時(shí)參考數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果。圖4（反映層結(jié)穩(wěn)定度以及溫度高度等要素）是北京探空站的T-logP圖，圖中可以查到各個(gè)高度層的溫度、對(duì)流不穩(wěn)定高度以及垂直風(fēng)力的參數(shù)。圖4中0℃、-10℃、-20℃、-30℃層有明確的標(biāo)示，紅色區(qū)域是對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)。紅色面積大，表示那個(gè)層結(jié)的對(duì)流旺盛或者上升氣流速度最大，對(duì)水汽的托舉抬升作用最強(qiáng)。因?yàn)?4～-20℃層的高度大概是5～9 km高度（在夏季），而高炮的射程是6 km、火箭是8 km，所以高炮爆炸點(diǎn)的云層溫度應(yīng)該在-4～-9℃（夏季-10℃層已經(jīng)超過(guò)高炮射高）對(duì)應(yīng)高度是5～6 km；火箭是運(yùn)行中噴射碘化銀，所以火箭的作業(yè)層應(yīng)該是-4～-17℃（在夏季）其對(duì)應(yīng)高度是5～8 km。

圖4 北京探空站T-l o g P

4 結(jié)論

（1）秦皇島地區(qū)干旱狀況日趨明顯，人工干預(yù)天氣（增雨）是目前增加降水的主要手段。

（2）選擇合理的增雨方式對(duì)于增加降水非常重要，大面積積云適于飛機(jī)播撒增雨，對(duì)流降水可采用火箭車載增雨。

（3）選擇增雨時(shí)機(jī)必須在有利的天氣背景下，正確判斷催化云層的云頂溫度、積雨云厚度（云底、云頂高度）、移動(dòng)速度和方向。

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