大興安嶺林區(qū)一次飛機(jī)增雨作業(yè)的條件識別和效果分析

鄭 凱，張苗苗

(黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江哈爾濱 150030)

森林在涵養(yǎng)水源、凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候、改善環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用，而森林火災(zāi)對植被和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞、危及人類的生存、造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。黑龍江省自1987年開展飛機(jī)人工增雨作業(yè)已有多年歷史，在黑龍江省北部林區(qū)森林增雨撲火作業(yè)中發(fā)揮了重要作用，受到省政府及森防部門的肯定。2013年增雨飛機(jī)首次進(jìn)駐加格達(dá)奇機(jī)場，飛機(jī)增雨作業(yè)覆蓋整個大興安嶺地區(qū)，為更有效地開展林區(qū)防火、撲火作業(yè)奠定了基礎(chǔ)，也對如何更科學(xué)有效地開發(fā)空中水資源、增加林區(qū)降水提出更高要求。筆者在此基于云降水精細(xì)分析系統(tǒng)，應(yīng)用GRAPES模式預(yù)報資料、衛(wèi)星云特征參量產(chǎn)品、雷達(dá)資料和L波段探空秒數(shù)據(jù)等，針對2015年6月6日大興安嶺地區(qū)一次飛機(jī)增雨作業(yè)過程，重點討論了增雨作業(yè)條件的識別和方案的設(shè)計，并對作業(yè)效果進(jìn)行了初步分析。

1 天氣背景

前期，中高緯度為兩槽兩脊的形勢。受鄂霍次克海深厚低渦阻擋，黑龍江省為弱高壓脊控制，貝湖以東地區(qū)低渦不斷有冷空氣補(bǔ)充，發(fā)展加強(qiáng)。6月6日08:00，貝湖以東低渦移近黑龍江省西部地區(qū)，中心位于蒙古國與內(nèi)蒙東部交界處，黑龍江西部處于低渦前部偏南氣流中，水汽條件較好，隨著低渦的東移，全省自西向東有一次降水過程。

2 增雨潛力預(yù)報

2.1 GRAPES模式預(yù)報產(chǎn)品分析 根據(jù)歐洲中心、T639等模式預(yù)報，貝湖以東冷渦發(fā)展加強(qiáng)并移近黑龍江省，6日08:00，低渦中心位于內(nèi)蒙東部與蒙古國交界處，黑龍江省西部處于渦前偏南氣流中，水汽條件較好，隨著系統(tǒng)的移近，降水于6日凌晨自西向東展開，大興安嶺地區(qū)位于低渦前部，0℃層位于850～700 hPa，偏南風(fēng)，風(fēng)速12～20 m/s。

從GRAPES模擬的云宏觀場看，5日20:00以后，云帶開始進(jìn)入黑龍江省偏西部地區(qū);6日02:00以后，云帶覆蓋面積逐漸擴(kuò)展，云區(qū)面積增大、云頂高度升高、云頂溫度降低、云層增厚;6日08:00(圖1)，低渦云系密實、緊湊，高值區(qū)自大興安嶺西部延伸至吉林中西部地區(qū)，云帶0.5～1.0 mm，云中過冷水含量0.01～0.10 mm，云頂高度7～11 km，云頂溫度－30～－50℃;11:00以后，云帶面積進(jìn)一步向黑龍江省中東部擴(kuò)展，但云頂高度有所降低、溫度升高、云層變薄變分散，過冷水的分布也變得分散，大興安嶺地區(qū)過冷水含量顯著減少。綜合以上分析，6日11:00之前，系統(tǒng)處于發(fā)展階段，大興安嶺西部地區(qū)具備較好的增雨潛力。

為確定具體的作業(yè)方案，對大興安嶺西部地區(qū)進(jìn)行水成物垂直剖面，由圖2可見，大興安嶺西部地區(qū)垂直高度上云水含量較充沛，過冷水位于700～600 hPa，具有一定厚度，位于0～20℃、1 800～6 000 m;冰晶粒子高值區(qū)位于3 500～4 500 m，含量0 ～10 L－1，3 000 ～4 500 m高度雪晶、霰發(fā)展較好，含水量0.05～0.30 g/kg。從模擬結(jié)果來看，過冷云水層具有一定厚度，冰相粒子發(fā)展較好，大興安嶺西部地區(qū)具備較好的增雨潛力。

2.2 作業(yè)預(yù)案設(shè)計 綜合以上分析，6月6日大興安嶺地區(qū)受低渦前部云系影響，利于降水的產(chǎn)生，云系中具備一定的過冷水，位于1 800～6 000 m，隨著系統(tǒng)的移近，其西南部有干冷空氣進(jìn)入，午后易發(fā)雷暴和短時強(qiáng)降水，同時考慮到下午系統(tǒng)開始減弱，預(yù)計上午開展作業(yè)增雨效果較好，作業(yè)時段為08:00～11:00，作業(yè)高度為3 000～4 000 m。

3 作業(yè)條件監(jiān)測與方案設(shè)計

由6月5日20:00和6日08:00高空實況可見，系統(tǒng)的發(fā)展與EC和T639模式預(yù)報產(chǎn)品基本一致，受暖脊影響，云帶位于大興安嶺與內(nèi)蒙交界處，其主體北上速度較慢，云帶向東北方向緩慢移動，隨著系統(tǒng)移近，中高層有干空氣夾卷進(jìn)入內(nèi)蒙東部地區(qū)，黑龍江西部地區(qū)水汽條件較好，地面有穩(wěn)定性降水產(chǎn)生。位于作業(yè)區(qū)域上風(fēng)方向的嫩江站5日20:00和6日08:00探空顯示，2個時次均具備一定的不穩(wěn)定能量，K指數(shù)較大，SI指數(shù)較低，08:00低層風(fēng)切變較大，伴隨中高層干空氣的進(jìn)入，加格達(dá)奇本站附近午后易產(chǎn)生雷暴、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣［1－2］。

3.1 云垂直結(jié)構(gòu)分析 選取嫩江站L波段探空秒數(shù)據(jù)，利用探空數(shù)據(jù)分析云垂直結(jié)構(gòu)的方法［3－5］，分析云系垂直結(jié)構(gòu)特征。由圖3可見，5日20:00，本站處于系統(tǒng)前部，無降水產(chǎn)生，云層發(fā)展較高，云頂高度約12 km，低層至高層為一致的偏南風(fēng)，0℃層高度約2.7 km;6日08:00，主體云系進(jìn)入本站，云頂、云底高度均有所降低，分別為9.2和1.0 km左右，由高、中、低三層云組成，低云云頂高度約5 km，0℃層高度降低至2.4 km左右，云底高度降至1 km以下。

3.2 云場發(fā)展演變及模擬云場檢驗 由衛(wèi)星反演的6日08:30過冷層厚度、云頂高度和云頂溫度(圖4)可見，云系的總體發(fā)展趨勢與GRAPES模式預(yù)報基本一致，預(yù)報云帶主體范圍偏大，大興安嶺地區(qū)云帶東移北上的速度較預(yù)報場偏慢，而云帶南部位置較預(yù)報偏東約2個緯度。降水主體云系過冷層厚度為4.5～8.0 km;云頂高度為8～10 km，與模式預(yù)報一致;云頂溫度－40～－30℃，南部云體云頂溫度預(yù)報偏高10℃。云系主體自大興安嶺西部延伸至黑龍江省中南部地區(qū)，地面有降水產(chǎn)生，與模式模擬云帶0.5 mm以上區(qū)域基本一致。由臨近幾個時次的衛(wèi)星云圖來看，云帶進(jìn)入大興安嶺地區(qū)的速度偏慢，主體剛剛進(jìn)入大興安嶺地區(qū)西南部，仍處于發(fā)展階段，經(jīng)過外推，預(yù)計未來3 h將向東緩慢移動，可在云系前沿開展催化作業(yè)。

3.3 飛行航線的設(shè)計 通過對云系垂直結(jié)構(gòu)的分析和系統(tǒng)云系的監(jiān)測，并進(jìn)行外推，考慮到云系尚處于發(fā)展階段，將進(jìn)一步東移北上，沿著主體云系前沿增雨潛力較大，且考慮到下午干空氣侵入后，加格達(dá)奇周邊發(fā)生雷暴的幾率較大，制定了6日08:30～11:30的作業(yè)計劃(圖5a)，對大興安嶺西南部林區(qū)進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)高度為3 000～4 000 m。

4 作業(yè)效果分析

4.1 作業(yè)情況簡介 6日08:30～11:10，加格達(dá)奇的增雨飛機(jī)對大興安嶺地區(qū)西南部林區(qū)開展了增雨作業(yè)，播撒時間08:55～10:29，飛行軌跡與預(yù)設(shè)航線基本一致(圖5b)，作業(yè)高度為3 500～3 700 m，作業(yè)層溫度為－6～－8℃。機(jī)上宏觀記錄表明，作業(yè)云系為層狀云，云體發(fā)展深厚，水汽含量充足，云內(nèi)飛行較平穩(wěn)，機(jī)體有積冰，表面過冷水含量較充沛;作業(yè)消耗 AgI焰彈200發(fā)、19管焰彈19根，純 AgI含量468 g。

4.2 作業(yè)后雷達(dá)回波強(qiáng)度與垂直累積液態(tài)水含量的變化 作業(yè)區(qū)域距加格達(dá)奇雷達(dá)站75～175 km，從雷達(dá)回波上看，作業(yè)云系為層狀云，云頂普遍在4 km以下，當(dāng)探測距離超過120 km后不能反映出2 km以下的降水信息;600 hPa風(fēng)向為南東南風(fēng)，與播撒軌跡基本垂直，風(fēng)速12～14 m/s，同時系統(tǒng)移動緩慢;綜合以上原因，對約120 km范圍內(nèi)的影響區(qū)域進(jìn)行了效果的初步檢驗。

根據(jù)機(jī)上記錄，飛機(jī)于8:56～10:29進(jìn)行了云內(nèi)播撒(圖5b)。由圖6～7可見，開始作業(yè)前，08:56影響區(qū)內(nèi)只有少部分非降水回波，液態(tài)水含量較低，且分布較分散;09:27，作業(yè)30 min后，隨著云系的東移，影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)降水回波，且強(qiáng)度較圖中框區(qū)南部非作業(yè)區(qū)強(qiáng)，液態(tài)水含量也呈增加趨勢;10:04、10:30，分別對應(yīng)影響區(qū)內(nèi)作業(yè)后30 min和1 h，框區(qū)內(nèi)降水回波增強(qiáng)、面積明顯增大、云體增厚，云頂高度4 km，降水回波最大達(dá)35 dBz，液態(tài)水含量5 kg/m2以上的范圍繼續(xù)增加;11:02～12:32，降水回波的范圍進(jìn)一步向北向東擴(kuò)展，面積增大、液態(tài)水含量增加。

由于作業(yè)影響區(qū)主要位于林區(qū)，雨量點稀少，未能進(jìn)行雨量的檢驗，從常規(guī)站的觀測來看，作業(yè)區(qū)下風(fēng)方的呼中站，作業(yè)前6 h雨量0.1 mm，作業(yè)后14:00的6 h雨量為2 mm，高于周邊站點。綜合以上分析，作業(yè)后影響區(qū)內(nèi)雷達(dá)回波增強(qiáng)、降水回波面積增大、云層增厚、垂直累積液態(tài)水含量有所增加，存在正效果。

5 小結(jié)

(1)GRAPES模式對云宏觀場的模擬效果較好，云帶范圍、云頂高度、云頂溫度、發(fā)展趨勢與實況基本一致，垂直累積過冷水含量及其水凝物的預(yù)報為作業(yè)條件的識別提供了重要參考。

(2)此次過程水汽條件一般，以小雨天氣為主。從作業(yè)效果看，作業(yè)后影響區(qū)內(nèi)降水回波面積增大、回波增強(qiáng)、云層增厚、垂直累積液態(tài)水含量有所增加。

［1］廖向花，周毓荃，唐余學(xué)，等.重慶一次超級單體風(fēng)暴的綜合分析［J］.高原氣象，2010，29(6):1556 －1564.

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［3］周毓荃，歐建軍.利用探空數(shù)據(jù)分析云垂直結(jié)構(gòu)的方法及其應(yīng)用研究［J］.氣象，2010，36(11):50 －58.

［4］歐建軍.利用探空數(shù)據(jù)分析云垂直結(jié)構(gòu)的方法及其應(yīng)用研究［D］.南京:南京信息工程大學(xué)，2011:11－12.

［5］蔡淼，歐建軍，周毓荃，等.L波段探空判別云區(qū)方法的研究［J］.大氣科學(xué)，2014，38(2):213－222.