廣西11—12月人工增雨天氣研究

韋增岸 張正國(guó) 程鵬 黃曉輝 王冀 李林紅

摘要 利用2009—2015年廣西11—12月地面、高空氣象觀測(cè)資料及飛機(jī)人工增雨作業(yè)宏觀記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)增雨作業(yè)天氣系統(tǒng)進(jìn)行分型，并分析相應(yīng)作業(yè)云系，建立增雨作業(yè)天氣概念模型，利用模型分析一次增雨作業(yè)個(gè)例。結(jié)果表明，廣西11—12月增雨作業(yè)天氣系統(tǒng)主要有5類，包括冷空氣型、高空槽型、華南靜止鋒型、低層南風(fēng)急流型、臺(tái)風(fēng)型；其中冷空氣型是最典型的降水天氣形勢(shì)。作業(yè)云系以層狀云為主，有少量層積混合云，主要包括層積云、層云、積云、高層云，基本為暖云結(jié)構(gòu)。層狀云中下部可開(kāi)展飛機(jī)作業(yè)或利用地面煙爐進(jìn)行暖云催化作業(yè)，層積混合云中積狀云部分可開(kāi)展地面火箭作業(yè)。

關(guān)鍵詞 人工增雨；天氣系統(tǒng)；云系；廣西

Study on Artificial Precipitation Enhancement Weather in Guangxi from November to December

WEI Zeng-an，ZHANG Zheng-guo，CHENG Peng et al （Guangxi Zhuang Autonomous Region Weather Modification Office，Nanning，Guangxi 530022）

Abstract Using the surface meteorological observation data，sounding data and the operation information of aircraft artificial precipitation enhancement in November and December from 2009 to 2015 in Guangxi，we classified these precipitation weather systems，took an analysis of relative cloud systems，and developed conceptual synoptic models of precipitation enhancement operation based on which an aircraft artificial enhancement process was studied.The results indicated that these precipitation weather systems could be summarized into five types of cold air，upper trough，stationary front of southern China，southerly stream，typhoon.Among these patterns，the cold air pattern was the most typical precipitation weather situation.The relative cloud systems （including Sc，St，Cu，As） gave priority to the stratiform warm cloud，while including less stratocumulus mix cloud.The middle and lower part of stratiform cloud was suitable for aircraft and surface furnace artificial precipitation enhancement.The cumulative cloud be used to carry out ground rocket operations.

Key words Artificial precipitation enhancement；Weather system；Cloud system；Guangxi

廣西屬中、南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地處兩廣丘陵西部，山地多、平原少，巖溶廣布，降水時(shí)空分布不均。新中國(guó)成立以來(lái)，廣西幾乎年年有干旱，全區(qū)多年平均受旱面積58萬(wàn)km2[1]，干旱缺水嚴(yán)重制約著廣西經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。因此，開(kāi)展人工增雨作業(yè)，充分利用空中云水資源、增加自然降水，對(duì)緩解干旱、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著直接的現(xiàn)實(shí)意義[2-4]。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)人工增雨作業(yè)天氣開(kāi)展研究[5-10]，得到了當(dāng)?shù)厝斯ぴ鲇曜鳂I(yè)天氣概念模型。孫鴻娉等[5]研究山西省人工增雨天氣條件，建立了4種有利于山西省人工增雨作業(yè)的天氣概念模型， 并分別給出了未來(lái)12～24 h影響山西省的警戒區(qū)及最佳人工增雨作業(yè)區(qū)。王琎等[11]對(duì)甘肅省秋季飛機(jī)人工增雨天氣系統(tǒng)進(jìn)行分型，建立了甘肅省秋季天氣系統(tǒng)自動(dòng)化“判別模型”，得出甘肅省飛機(jī)人工增雨作業(yè)的主要天氣類型為西南氣流型和平直多波動(dòng)型。胡志晉[12]對(duì)層狀云的人工增雨機(jī)制、條件和方法進(jìn)行探討，提出了適合層狀云人工增雨的云層條件、監(jiān)測(cè)識(shí)別方法。王吉宏等[13]分析了積層混合云的人工增雨作業(yè)條件，并總結(jié)出對(duì)積層混合云實(shí)施人工增雨作業(yè)的條件、部位、時(shí)機(jī)和方法等新一代天氣雷達(dá)判別指標(biāo)。這些研究結(jié)果對(duì)人工增雨作業(yè)有重要意義。

廣西每年都開(kāi)展人工增雨作業(yè)，尤其在秋冬季干旱頻發(fā)時(shí)期。廣西秋冬季降水云系以適合飛機(jī)人工增雨作業(yè)的層狀云系為主。 因此，為了避免盲目性，提高作業(yè)效果，筆者通過(guò)對(duì)廣西秋冬季11—12月自然降水天氣系統(tǒng)類型的研究，結(jié)合飛機(jī)人工增雨作業(yè)的情況，歸納總結(jié)出不同類型的作業(yè)天氣形勢(shì)特征及云系特征，建立增雨作業(yè)天氣概念模型，為實(shí)施飛機(jī)人工增雨作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

利用廣西94個(gè)地面觀測(cè)站日降水資料來(lái)作為增雨作業(yè)天氣條件判別依據(jù)：①日降水量≥0.1 mm的站點(diǎn)達(dá)到30個(gè)；②

日降水量≥0.1 mm的站點(diǎn)達(dá)到20個(gè)，其中日降水量≥1.0 mm的大于1個(gè)站；③

日降水量≥0.1 mm的站點(diǎn)達(dá)到15個(gè)，其中日降水量≥10.0 mm的大于1個(gè)站。以上3個(gè)條件符合其中之一即認(rèn)為該天氣過(guò)程具備一定的人工增雨作業(yè)天氣條件。

根據(jù)以上人工增雨作業(yè)條件判別依據(jù)，對(duì)廣西2009—2015年11—12月具備人工增雨條件的天氣過(guò)程進(jìn)行普查，對(duì)同一天氣系統(tǒng)影響過(guò)程中日降水量達(dá)到條件的視為一次具備人工增雨作業(yè)條件的天氣過(guò)程。按照如上的規(guī)定，利用2009—2015年廣西11—12月地面、高空氣象觀測(cè)資料以及期間廣西飛機(jī)人工增雨作業(yè)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共確定出具備增雨條件的天氣過(guò)程40個(gè)作為研究對(duì)象；分別對(duì)這些個(gè)例過(guò)程進(jìn)行分析并確定其影響天氣類型。 云類、云底、云頂和大氣0 ℃層高度資料來(lái)自地面觀測(cè)、飛機(jī)作業(yè)宏觀記錄、探空資料反演[14]。

2 天氣系統(tǒng)分型及云系分析

普查40個(gè)過(guò)程個(gè)例的天氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)廣西11—12月適合開(kāi)展人工增雨作業(yè)的天氣類型有5大類，詳見(jiàn)表1。冷空氣型和高空槽型的過(guò)程個(gè)例分別有23、10個(gè)，可見(jiàn)，冷空氣型與高空槽型的天氣形勢(shì)是廣西11—12月飛機(jī)增雨作業(yè)的主要天氣形勢(shì)。冷空氣型的天氣形勢(shì)中以冷空氣為主導(dǎo)系統(tǒng)或伴隨有其他系統(tǒng)，如切變線、南支槽等。在高空槽型、華南靜止鋒型、低層南風(fēng)急流型的天氣形勢(shì)中也出現(xiàn)了冷空氣，但冷空氣在這些類型的天氣形勢(shì)中不是主導(dǎo)系統(tǒng)。切變線、南支槽也出現(xiàn)在多種天氣形勢(shì)中。在40個(gè)過(guò)程個(gè)例中，冷空氣累計(jì)出現(xiàn)了33次，其次是切變線、南支槽，分別出現(xiàn)了21、18次?？梢?jiàn)，冷空氣是影響廣西11—12月增雨作業(yè)天氣的主要系統(tǒng)。

在40個(gè)作業(yè)天氣過(guò)程中，根據(jù)當(dāng)天開(kāi)展飛機(jī)作業(yè)的地面觀測(cè)資料及飛機(jī)宏觀記錄統(tǒng)計(jì)，作業(yè)云系主要有層積云、層云、積云、高層云，其出現(xiàn)次數(shù)分別為67、32、13、17次，云型組合出現(xiàn)次數(shù)如表2。可見(jiàn)，層積云+層云是主要的作業(yè)云系，這一組合型云系出現(xiàn)了29次，占比36.25%；其次是層積云、層積云+積云，分別出現(xiàn)了21、13次。

分析廣西11—12月探空資料發(fā)現(xiàn)，廣西大氣0 ℃層高度各地變化較大，其中桂北在3 600～4 500 m，桂南在3 900～4 900 m。

2.1 冷空氣型

入侵廣西的冷空氣根據(jù)路徑不同，可以劃分為西路、中路、東路3條路徑。西路冷空氣是指冷空氣主力從105°E以西地區(qū)南下，通常移動(dòng)快、強(qiáng)度較強(qiáng)、全區(qū)各地降溫明顯，冷空氣越過(guò)高原下沉進(jìn)入廣西，不利于降水產(chǎn)生，人工影響天氣作業(yè)條件較差。中路冷空氣是指冷空氣主力從110°E附近南下，桂東、桂中降溫大于桂西。東路冷空氣是指冷空氣主力從115°E附近南下，以后東移出海，再以“東灌”形式沿兩湖盆地和湘桂鐵路沿線走廊影響廣西，對(duì)桂東北和桂東影響較明顯，對(duì)桂西和桂南影響較小[1，3]，東路冷空氣對(duì)降水比較有利。

冷空氣型天氣主要產(chǎn)生層狀云，包括層積云、層云、高層云獨(dú)立存在或其中的任意2種或3種云并存。層狀云常均勻布滿天空，產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)性降水，云中溫度層結(jié)常是穩(wěn)定的，在云頂部常存在逆溫層，有時(shí)云內(nèi)層結(jié)溫度接近濕絕熱梯度，但最大值不超過(guò)0.8 ℃/100 m[4]。從衛(wèi)星云圖上看，層狀云系范圍較大，常有103 km的尺度[15-17]，云系的形態(tài)與形成層狀云系的天氣系統(tǒng)有關(guān)。

冷空氣型的天氣系統(tǒng)又可分為2種類型。

2.1.1 冷空氣+切變線型。

這一類型有18個(gè)個(gè)例，這一類型多數(shù)是從東路下來(lái)的冷空氣，一般在貝湖有大槽引導(dǎo)冷空氣從新疆經(jīng)華北、長(zhǎng)江南下影響廣西，850 hPa切變線在長(zhǎng)江中下游一帶，或在桂北與貴州、湖南交界一帶徘徊影響廣西，或已經(jīng)進(jìn)入廣西南壓至沿海。850 hPa切變線一般在23°～27°N，對(duì)廣西有影響，700 hPa切變線在27°～35°N。切變線的北側(cè)若為偏東風(fēng)，條件較好，若為西北風(fēng)，條件較差；切變線南側(cè)吹SSW-S-SE風(fēng)最為有利，吹W-WSW風(fēng)較差[1，3]。若850、700 hPa有相應(yīng)的切變線，500 hPa有相應(yīng)的高空槽配合，地面有鋒面相對(duì)應(yīng)，這時(shí)空氣抬升，輻合作用較強(qiáng)烈，水汽飽和層深厚，對(duì)降水產(chǎn)生就非常有利。

由于低層冷暖空氣交匯，暖空氣沿鋒面抬升在廣西形成的大范圍層積云或?qū)釉?，為穩(wěn)定的層狀云降水，這也是廣西11—12月最典型的降水天氣形勢(shì)。由此產(chǎn)生的層積云或?qū)釉茷榧兣平Y(jié)構(gòu)，宏觀特征為云底高度較低（500～1 000 m），云頂在2 000～3 000 m，多數(shù)集中在2 700 m左右，云體厚度在1 700～2 500 m，云底高度與鋒面的相對(duì)位置有關(guān)，云頂高度則與逆溫層高度密切相關(guān)。在無(wú)其他系統(tǒng)和云系配合的情況下，此類層積云或?qū)釉圃企w厚度與降水密切相關(guān)，云厚>2 100 m才能產(chǎn)生降水。降水的特點(diǎn)為降水量和降水強(qiáng)度小，僅為小雨，空間分布較為均勻。

2.1.2 冷空氣+其他系統(tǒng)。這一類型有5個(gè)個(gè)例，這一類型是冷空氣配合其他系統(tǒng)，如南支槽、高原槽、偏南氣流，一般冷空氣入桂前，廣西低層為偏南氣流，500 hPa在高原東部或云南一帶有小波動(dòng)?xùn)|移影響廣西。此類型仍以冷空氣為主導(dǎo)系統(tǒng)，由此產(chǎn)生的云系多為層積云或伴有高層云，云底高度在600～1 500 m，云頂在2 500～4 000 m，多數(shù)集中在3 500 m 左右，云體厚度在2 000～3 000 m，為暖云結(jié)構(gòu)，降水的特點(diǎn)為降水量和降水強(qiáng)度小，大多為小雨，局部會(huì)有中雨，空間分布相對(duì)均勻。

2.2 高空槽型

影響廣西的高空槽主要由南支槽和高原槽，這一類型有10個(gè)個(gè)例。

2.2.1 南支槽型。

南支槽型有6個(gè)個(gè)例。南支槽是產(chǎn)生在低緯度南支西風(fēng)急流中的短波天氣系統(tǒng)，主要活動(dòng)于20°～30°N、70°～120°E的西來(lái)槽和這一區(qū)域新生的低槽。11—12月南支槽通常會(huì)伴隨著冷空氣、切變線共同影響廣西，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，11—12月南支槽影響廣西的起始位置大約在昆明東部，而南支槽槽線一旦過(guò)了貴陽(yáng)，對(duì)廣西的影響便開(kāi)始減弱趨于消退。南支槽逐步東移影響廣西，槽前形成大范圍高層云，或?qū)臃e混合云。此類云系云底高度變化較?。? 000～3 600 m），云頂高度變化則較大（4 500～6 500 m），有純暖云結(jié)構(gòu)和冷暖混合云結(jié)構(gòu)，云體厚度平均在2 500 m。該類天氣系統(tǒng)和云系多與低層切變線和鋒面系統(tǒng)形成高低層配置產(chǎn)生降水，降水特點(diǎn)為降水強(qiáng)度小，降水量略大，多為小到中雨，偶有大到暴雨，降水量主要受南支槽的強(qiáng)度、移速以及與低層切變線和鋒面配合等因素的影響，偶有局地對(duì)流性降水產(chǎn)生。

2.2.2 高原槽型。

高原槽型有4個(gè)個(gè)例。高原槽是指位于青藏高原的西風(fēng)槽，在500 hPa位于27°～40°N、95°～105°E區(qū)域內(nèi)的高原槽對(duì)廣西的影響比較明顯。11—12月高原槽一般是配合其他系統(tǒng)進(jìn)而影響廣西，其主要特征為[18]：500 hPa在青藏高原中東部有明顯的高原槽，蒙古至華北地區(qū)有明顯的華北槽，冷空氣從華北槽后南下侵入廣西；孟加拉灣為低槽區(qū)，其槽前有西南暖濕氣流向廣西區(qū)域輸送。冷暖氣流在廣西交匯，帶來(lái)降水天氣，高原槽位置偏北，云系多產(chǎn)生在桂北、桂東一帶，降水部位也在這一帶。此類云多為高層云或伴有層積云，有純暖云結(jié)構(gòu)和冷暖混合云結(jié)構(gòu)，云底高度在1 200～1 800 m，云頂在3 500～6 000 m，云體厚度在2 000～3 000 m，降水的特點(diǎn)為降水量和降水強(qiáng)度小，大多為小雨到中雨，局部大雨，空間分布相對(duì)均勻。

2.3 華南靜止鋒型

華南靜止鋒型有3個(gè)個(gè)例。華南靜止鋒主要活動(dòng)在南嶺山脈或南海地區(qū)，鋒面坡度很小，一般為1/200～1/300。11—12月影響廣西的華南靜止鋒為冷空氣進(jìn)入華南而逐漸靜止所形成，常與空中切變線相配合出現(xiàn)，雨區(qū)分布在地面鋒線與700 hPa切變線之間，鋒上云系較寬廣，達(dá)400～500 km，覆蓋整個(gè)廣西。鋒上為層狀云系，主要為層云、層積云，云系為暖云結(jié)構(gòu)，云底高度較低（300～800 m），云頂在2 000～3 000 m，云體厚度在1 700～2 500 m，產(chǎn)生穩(wěn)定性降水，降水不強(qiáng)，以毛毛雨為主，空間分布很均勻。

2.4 低層南風(fēng)急流型

低層南風(fēng)急流型有3個(gè)個(gè)例。地面高壓從江浙一帶入海，廣西處于高壓后部受偏南氣流控制，偏南氣流帶來(lái)海上暖濕水汽，在桂北、桂東輻合產(chǎn)生降水天氣，又叫“回流天氣”。若高層有南支槽配合，地面有倒槽發(fā)展，偏南氣流加大發(fā)展成急流，則“回流天氣”明顯，雨區(qū)擴(kuò)大。偏南氣流主要產(chǎn)生層云和層積云，云底高度在600～1 200 m，云頂在2 200～3 200 m，云體厚度在1 800～2 600 m，多產(chǎn)生小雨的天氣，局部會(huì)有中雨，空間分布比較零散。

2.5 臺(tái)風(fēng)型

臺(tái)風(fēng)過(guò)境前，其外圍云系會(huì)帶來(lái)豐富的水汽，云系以積云為主，加上廣西當(dāng)?shù)鼐值卮髿鉄崃λ麠l件和不穩(wěn)定能量觸發(fā)產(chǎn)生以積云為主的層積混合云，此類云系云底高度在1 000 m左右，云頂高度在4 000～6 000 m，發(fā)展成熟的積云頂在7 000 m以上，為純暖云結(jié)構(gòu)和冷暖混合云結(jié)構(gòu)。該類天氣系統(tǒng)和云系降水強(qiáng)度和降水量變化大，小雨至暴雨量級(jí)，空間分布極不均勻。臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)常伴隨著大風(fēng)和暴雨或特大暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短不一。

3 人工增雨作業(yè)天氣概念模型和作業(yè)技術(shù)

3.1 冷空氣型

在冷空氣為主導(dǎo)系統(tǒng)的天氣中，由于產(chǎn)生云系主要為層狀云，降水比較穩(wěn)定，適合開(kāi)展增雨作業(yè)，作業(yè)位置宜在地面冷空氣前鋒后部，主要在鋒后至700 hPa切變線之間，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在鋒后與850 hPa切變線之間位置最佳（圖1）。由于層狀云中的上升氣流速度小，所以云形成發(fā)展過(guò)程很慢，含水量也較低，含水量的極大值一般在云的中下部，這也是增雨作業(yè)優(yōu)先考慮的部位[12，19-21]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷空氣型形成的暖云結(jié)構(gòu)的大范圍層積云或?qū)釉圃频赘叨仍?00～1 000 m，可選擇飛機(jī)或地面煙爐，在距離云底100 m至云層中下部播撒吸濕性暖云催化劑形成大滴，擴(kuò)寬云滴譜，促進(jìn)暖云中碰并過(guò)程的發(fā)生發(fā)展，從而提高降水效率，增加降水。

3.2 高空槽型

3.2.1 南支槽型。

在南支槽為主導(dǎo)系統(tǒng)的天氣過(guò)程中，有利于增雨作業(yè)的位置在槽前西南氣流上升部位（圖2），槽前形成大范圍高層云或?qū)臃e混合云。在此類云系云底高度變化較小，云頂高度變化則較大，有純暖云結(jié)構(gòu)和冷暖混合云結(jié)構(gòu)，云體厚度平均在2 500 m，根據(jù)情況選擇飛機(jī)和火箭針對(duì)冷暖云分別采取冷云和暖云催化作業(yè)?？紤]到南支槽前西南上升氣流可能會(huì)帶來(lái)局地強(qiáng)對(duì)流天氣，從安全角度出發(fā)，飛機(jī)增雨作業(yè)主要是針對(duì)較穩(wěn)定的層狀云或?qū)臃e云部位進(jìn)行播撒催化，在雷達(dá)降水回波PPI上表現(xiàn)為大范圍、長(zhǎng)時(shí)間維持的均勻片狀回波，邊緣模糊不清，強(qiáng)度一般小于35 dBz[12，19-21]；同樣，對(duì)層狀暖云或冷暖混合云暖區(qū)采取在云層中下部播撒吸濕性暖云催化劑進(jìn)行暖云催化；針對(duì)0 ℃層以上冷云部分，在云體內(nèi)-4～-15 ℃高度層過(guò)冷云水區(qū)播撒碘化銀催化劑進(jìn)行冷云催化。對(duì)于層積混合云中不穩(wěn)定的積狀云，可采取地面火箭作業(yè)進(jìn)行冷云播撒催化，根據(jù)雷達(dá)探測(cè)選擇云層的中上部播撒催化劑，將形成最佳效果[13，22]。

廣西目前主要使用的是WR-98系列火箭作業(yè)系統(tǒng)，其發(fā)射角度為45°～85°，方向角為0～360°，火箭彈道曲線如圖3所示[23]。根據(jù)高空資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，11—12月廣西0 ℃層在3 600～4 900 m，而積云頂高在6 500 m以上，為使火箭播撒催化劑階段處于云中過(guò)冷云水區(qū)內(nèi)（4 000～7 000 m），火箭發(fā)射仰角應(yīng)在55°～75°，具體仰角和方位角結(jié)合雷達(dá)PPI和RHI產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)算。

3.2.2 高原槽型。

高原槽位置相對(duì)廣西較偏北，降水部位多在桂北、桂東一帶，增雨作業(yè)適宜在這一帶開(kāi)展（圖4）。高原槽天氣系統(tǒng)多產(chǎn)生高層云或?qū)臃e云，有純暖云結(jié)構(gòu)和冷暖混合云結(jié)構(gòu)，一般4 000 m以下采用暖云催化，4 000 m以上可根據(jù)實(shí)際情況采用冷云（或暖云）催化，作業(yè)方式與南支槽型相同。

3.3 華南靜止鋒型

華南靜止鋒云系較寬廣，雨區(qū)覆蓋整個(gè)廣西，廣西全區(qū)都有開(kāi)展作業(yè)的條件。云系基本處于0 ℃層以下，主要在云系中下部開(kāi)展飛機(jī)作業(yè)或利用地面煙爐作業(yè)進(jìn)行暖云催化作業(yè)。

3.4 低層南風(fēng)急流型

廣西地面位于高壓后部，低層南風(fēng)加強(qiáng)，形成“天南地北”的形勢(shì)，形成降水的強(qiáng)度范圍主要受地面高壓強(qiáng)弱、位置和南風(fēng)急流強(qiáng)弱等因素決定，以及是否有其他系統(tǒng)配合。該類型形成的云系為暖云結(jié)構(gòu)的層云或?qū)臃e云，同樣在云系中下部開(kāi)展飛機(jī)作業(yè)或利用地面煙爐進(jìn)行暖云催化作業(yè)。