吉林省一次飛機(jī)增雨過程方案設(shè)計(jì)及效果分析

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（1 吉林省人工影響天氣辦公室，長春 130062；2 中國氣象局吉林省人民政府人工影響天氣聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室（省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），長春 130062）

0 引言

人工增雨作業(yè)方案設(shè)計(jì)和效果檢驗(yàn)是人工增雨作業(yè)過程中的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)?？茖W(xué)合理的作業(yè)方案設(shè)計(jì)是作業(yè)效果的基礎(chǔ)，作業(yè)是否有效果可以驗(yàn)證作業(yè)方案設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)此，國內(nèi)外氣象工作者做了大量工作。作業(yè)方案設(shè)計(jì)方面：李念童等[1]結(jié)合國內(nèi)人工增雨飛機(jī)的性能，著重介紹在催化作業(yè)和探測時(shí)在特定高度上進(jìn)行水平觀測的方案設(shè)計(jì)；張永強(qiáng)[2]針對(duì)蘇北地區(qū)火箭人工增雨作業(yè)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究；劉海群[3]基于火箭的自身性能特點(diǎn)，對(duì)火箭增雨作業(yè)方案進(jìn)行了研究；白先達(dá)等[4]分別對(duì)各季節(jié)、各作業(yè)云系的作業(yè)進(jìn)行了總結(jié)，提出了適合不同季節(jié)的人工增雨作業(yè)方案。效果檢驗(yàn)方面：房彬等[5]發(fā)展了基于聚類的浮動(dòng)對(duì)比區(qū)回歸統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法(CA-FCM)；曾光平、吳章云[6]利用雷達(dá)資料分析了催化前后宏觀參量的變化；王以琳、雷恒池[7]通過機(jī)載PMS粒子探測系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測，獲得了催化前后云中微物理量變化的證據(jù)。

吉林省人影工作者在飛機(jī)增雨作業(yè)方面做了大量工作。汪學(xué)林等[8]利用吉林機(jī)載探側(cè)儀器，包括：TPM-1云滴譜儀，TPZ-2 含水量儀，鋁箔冰雪晶取樣器，CM-43和MOS單結(jié)管飛機(jī)氣象計(jì)等，在21架次探測中共取得冰雪晶資料469份。冰晶濃度在10-2～102L-1，平均12.3 L-1。雪晶濃度一般集中在10-2～101L-1，平均為4.04 L-1。冰質(zhì)點(diǎn)濃度隨溫度的分布：其濃度在0～-3 ℃向上增加到-3～-6 ℃達(dá)到極大，為32.8 L-1，往上又單調(diào)減少。晶形隨高度的分布規(guī)律，一般云頂大都由柱狀、薄片板狀組成。中上部大都由薄片板狀、帶核心圓盤板狀和柱狀組成，夾有少量枝星狀。云的中下部大都由板狀、破碎板狀、枝狀、破碎枝狀、針狀等組成。云底大都由針、枝、少量霰及雨滴組成。平均液態(tài)含水量的分布：21架次飛行共取得含水量資料582份；平均液態(tài)含水量為0.12g·m-3，一般在0～0.77 g·m-3。冰質(zhì)點(diǎn)濃度在氣旋中心北側(cè)比暖鋒面和暖鋒前明顯較高；平均含水量暖鋒面是0.166 g·m-3，比暖鋒前和氣旋中心北側(cè)都大。暖鋒面附近層狀云中正溫層含水量最大，負(fù)溫層最?。粴庑行谋眰?cè)負(fù)溫層最大；暖鋒前正溫層最小。在飛機(jī)觀測方面，游來光等[9]在吉林利用鋁箔取樣技術(shù)對(duì)吉林地區(qū)的降水性層狀冷云中的冰晶雪晶進(jìn)行了飛機(jī)觀測。利用鋁箔取樣技術(shù)，沿飛行航線對(duì)云中降水質(zhì)點(diǎn)連續(xù)取樣，取樣面積為4×10 cm2，暴露時(shí)間1～10 s。取樣體積為0.28～2.8 m3的689份鋁箔樣片。冰晶垂直分布特點(diǎn)：濃度自云頂向下增加，在云的中下部達(dá)到最大，是云層中冰晶濃度垂直分布的一個(gè)基本特征。高層云中也觀測到在同一高度上冰晶濃度水平分布上有很大差別。冰晶濃度水平向分布的不均勻和上部云層的發(fā)展?fàn)顩r有關(guān)。高層云云頂溫度和其上部的卷云狀況是影響云中冰晶形成的兩個(gè)基本因子。雪晶濃度值各次飛行間差別也很大，垂直向平均濃度范圍在7.0×102～3.0×10 m-3。平均看來，在云的上層（一般在0 ℃層以上2.5 km），雪晶的平均直徑約為500 μm，至0 ℃層可達(dá)1500 μm，估計(jì)其增長率約為0.4 mm·km-1。金德鎮(zhèn)等[10-11]總結(jié)了吉林省積層混合云引晶試驗(yàn)中的催化層和催化響應(yīng)層粒子譜特征、過冷水含量變化特征和雷達(dá)回波變化特征，分析了飛機(jī)播撒液態(tài)CO2增雨作業(yè)前后云的宏、微觀物理結(jié)構(gòu)和降水變化。齊彥斌等[12-13]利用人工增雨“Y-12E型”飛機(jī)，配備有GPS定位數(shù)傳系統(tǒng)、機(jī)載宏觀探測設(shè)備、King熱線含水量儀和PMS云粒子測量系統(tǒng)，對(duì)2003年7月8日一次冷渦對(duì)流云雨帶進(jìn)行了垂直和水平探測，結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星、地面降水及天氣圖分析了冷渦的宏觀特征和微觀物理結(jié)構(gòu)。汪學(xué)林等[14]對(duì)層狀云中夾著的對(duì)流泡進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，為人工增雨作業(yè)提供依據(jù)。劉健等[15]利用機(jī)載云粒子探測系統(tǒng)（PMS）探測資料，對(duì)吉林省的一次切變線降水過程的云微物理結(jié)構(gòu)、降水機(jī)制進(jìn)行綜合分析。杜鵑等[16]篩選吉林省的最佳人工影響天氣樣本集，進(jìn)行了歷史降水天氣日云場進(jìn)行分析。張景紅等[17-18]利用空基微波輻射計(jì)獲取的探測資料，結(jié)合PMS、熱線含水量儀等探測資料，利用衛(wèi)星、雷達(dá)、GPS等探測手段的同步觀測結(jié)果，進(jìn)行了綜合分析，測得吉林省春季各種可實(shí)施人工增雨作業(yè)的云型的過冷水含量、云體各層微物理結(jié)構(gòu)的變化。

本文選取2016年4月12日吉林省一次飛機(jī)增雨作業(yè)過程，總結(jié)作業(yè)方案設(shè)計(jì)的主要考慮因素，按照一定原則選取對(duì)比區(qū)，結(jié)合雷達(dá)資料分析作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)回波變化，根據(jù)區(qū)域站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)作業(yè)前后作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)降水變化，對(duì)作業(yè)效果進(jìn)行分析。

1 天氣形勢及作業(yè)潛力條件分析

根據(jù)4月11日地面天氣圖分析，河套地區(qū)有一低壓系統(tǒng)生成，隨著系統(tǒng)發(fā)展，將逐漸東移北抬影響吉林?。▓D1a）。根據(jù)ECMWF模式預(yù)報(bào)，在500 hPa與該系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的為一高空槽，12日08時(shí)吉林省中部地區(qū)處于槽前位置；根據(jù)850 hPa風(fēng)場分析，吉林省中部處于切變前部的西南氣流中，對(duì)應(yīng)一個(gè)西南水汽輸送帶，水氣輸送條件比較好，850 hPa相對(duì)濕度達(dá)到80%以上（圖1b）。

根據(jù)MM5模式預(yù)報(bào)，4月12日上午，云系覆蓋吉林省中部地區(qū)，自西南向東北移動(dòng)，云中有一定量過冷水主要分布在0～-20 ℃層（高度在1500～5500 m）（圖2a）。云系從吉林省西南部開始進(jìn)入白城、四平地區(qū)，自西南向東北逐漸發(fā)展。隨著云系的發(fā)展，云層增厚，過冷水含量逐步增大，水汽輸送條件較好。4月12日08～14時(shí)，吉林省中部地區(qū)有增雨作業(yè)潛力（圖2b）。14時(shí)之后增雨作業(yè)潛力區(qū)東移，吉林省中部地區(qū)無增雨作業(yè)潛力。

根據(jù)4月12日07時(shí)長春雷達(dá)回波圖（圖3）可以看出，回波為西南-東北走向，雷達(dá)回波頂高在5 km以上；根據(jù)模式預(yù)報(bào)過冷層厚度在2900 m左右，事后根據(jù)長春探空數(shù)據(jù)，08時(shí)零度層高度約為700 m，實(shí)際過冷層厚度為4300 m。此次作業(yè)的對(duì)象為較大范圍的層狀云，具有較厚的過冷層，適宜飛機(jī)播撒催化作業(yè)。

2 作業(yè)方案設(shè)計(jì)及作業(yè)實(shí)施

圖1 （a）2016年4月11日08時(shí)海平面氣壓場；（b）ECMWF模式預(yù)報(bào)2016年4月12日08時(shí)500 hPa高度、850 hPa風(fēng)場、850 hPa相對(duì)濕度圖Fig. 1 (a) Surface pressure at 08 BT on April 12, 2016; (b) 500 hPa height, 850 hPa wind and 850 hPa relative hu midity at 08 BT on April 12, 2016 predicted by ECMWF model

圖2 （a）2016年4月12日10時(shí)過冷水分布；（b）2016年4月12日08～14時(shí)增雨潛力區(qū)預(yù)報(bào)圖Fig. 2 (a) Super cooled water at 10 BT on April 12, 2016; (b) Potential areas of rainfall enhancement from 08 to 10 BT on April 12, 2016

圖3 2016年4月12日07時(shí)雷達(dá)回波圖Fig. 3 Radar reflectivity at 07 BT on April 12, 2016

作業(yè)方案設(shè)計(jì)主要考慮以下幾方面因素：考慮到需求情況，選擇吉林省的需水地區(qū)；考慮到作業(yè)潛力及作業(yè)條件，選擇增雨潛力及作業(yè)條件較好地區(qū)作為作業(yè)影響區(qū)；考慮到云系的移動(dòng)方向?yàn)槲髂?東北向，作業(yè)影響區(qū)位置選擇為云系進(jìn)入吉林省的位置，隨著云系移動(dòng)，可將催化劑擴(kuò)散到下游地區(qū)；考慮到作業(yè)高度風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，作業(yè)播撒航線要與作業(yè)高度層高空風(fēng)垂直，保證催化劑擴(kuò)散范圍；考慮到播撒的充分性，要在作業(yè)影響區(qū)域內(nèi)進(jìn)行往復(fù)播撒，以實(shí)現(xiàn)充分播撒，盡量保證作業(yè)效果。

分析需水情況，吉林省的需水地區(qū)主要為中西部地區(qū)；根據(jù)前面分析，2016年4月12日08～14時(shí)作業(yè)潛力及作業(yè)條件較好地區(qū)為長春、四平及以東的遼源地區(qū)；云系進(jìn)入吉林省的位置為四平、遼源地區(qū)，在此區(qū)域播撒，催化劑可以隨云系移動(dòng)向省內(nèi)的下游地區(qū)擴(kuò)散；因此選取的適宜作業(yè)地區(qū)為吉林省中部的四平、遼源地區(qū)，設(shè)計(jì)了飛行航線（圖4a）。4月12日08時(shí)，飛機(jī)從長春機(jī)場起飛，在長春伊通以南，遼源、四平公主嶺之間區(qū)域進(jìn)行往復(fù)播撒，播撒完畢后飛回長春機(jī)場，作業(yè)結(jié)束時(shí)間10:50。

圖4 （a）2016年4月12日飛行航線圖；（b）作業(yè)影響區(qū)、對(duì)比區(qū)及2016年4月12日07時(shí)雷達(dá)回波圖Fig. 4 (a) Flight route on April 12, 2016; (b) The influence region, the control region, and radar reflectivity at 07 BT on April 12, 2016

3 作業(yè)效果分析

3.1 對(duì)比區(qū)選取

為了保證播撒作業(yè)不會(huì)對(duì)對(duì)比區(qū)產(chǎn)生影響，在作業(yè)影響區(qū)西北方選取相同面積的區(qū)域作為對(duì)比區(qū)。作業(yè)層高空風(fēng)向?yàn)槲髂?東北方向，作業(yè)影響區(qū)與對(duì)比區(qū)的排列方向與風(fēng)向垂直。作業(yè)影響區(qū)與對(duì)比區(qū)之間保留出20 km的區(qū)域作為隔離區(qū)域，可以保證催化不會(huì)影響到對(duì)比區(qū)。對(duì)作業(yè)前兩區(qū)的雷達(dá)回波進(jìn)行對(duì)比（圖4b），作業(yè)前（07時(shí)）兩區(qū)回波強(qiáng)度主要分布在10～25 dBz。作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)10～15 dBz強(qiáng)度回波面積均為1600 km2左右；作業(yè)影響區(qū)15～20 dBz強(qiáng)度回波面積約為2300 km2，對(duì)比區(qū)15～20 dBz強(qiáng)度回波面積約為2400 km2；作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)20～25 dBz強(qiáng)度回波面積均約為700 km2?？梢钥闯鲎鳂I(yè)前兩區(qū)回波強(qiáng)度、面積基本相似，對(duì)比區(qū)與作業(yè)影響區(qū)云條件相似，對(duì)比區(qū)選取較為合理。

3.2 作業(yè)后回波變化分析

作業(yè)剛開始時(shí)（08時(shí)），作業(yè)影響區(qū)回波分布與作業(yè)前相比變化不大；對(duì)比區(qū)10～15 dBz回波面積較作業(yè)前減小到1100 km2，5～10 dBz回波面積較作業(yè)前增加到700 km2，總體看15 dBz以下回波面積較作業(yè)前變化不大；作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)15 dBz以上各強(qiáng)度回波分布類似，與作業(yè)前相差不大。

作業(yè)期間，對(duì)作業(yè)影響區(qū)雷達(dá)回波剖面進(jìn)行分析（圖5）。在作業(yè)開始時(shí)（08:18），在飛機(jī)播撒位置，作業(yè)高度上，有一回波強(qiáng)度大值區(qū)，回波強(qiáng)度大值區(qū)并未及地。隨著作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行（08:34、08:44），該回波強(qiáng)度大值區(qū)高度逐漸下降，且強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，說明云中大粒子逐漸增多且向下降落。至09:16，該回波強(qiáng)度大值區(qū)及地，說明已經(jīng)出現(xiàn)地面降水。09:00—09:40期間，相對(duì)于對(duì)比區(qū)，影響區(qū)垂直累積液態(tài)水明顯消耗。但兩區(qū)整體回波頂高已經(jīng)明顯下降，云系處于減弱階段。

作業(yè)后，作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)回波差異明顯（圖6）。對(duì)比區(qū)回波作業(yè)后較作業(yè)前及作業(yè)開始時(shí)明顯減弱，云中基本無強(qiáng)回波，只剩15 dBz以下弱回波；作業(yè)影響區(qū)回波明顯強(qiáng)于對(duì)比區(qū)，較作業(yè)前及作業(yè)開始時(shí)有所增強(qiáng)，主要體現(xiàn)在20 dBz以上強(qiáng)度回波面積由900 km2增加到1800 km2。

3.3 作業(yè)前后雨量變化分析

通過作業(yè)前、作業(yè)期間、作業(yè)后1 h降水量站數(shù)對(duì)比（圖7）發(fā)現(xiàn)，作業(yè)開始前（07時(shí)），作業(yè)影響區(qū)主要為5 mm以下降水，只有一個(gè)站出現(xiàn)了5 mm以上降水，對(duì)比區(qū)9個(gè)站出現(xiàn)了5 mm以上降水，遠(yuǎn)多于作業(yè)影響區(qū)；作業(yè)影響區(qū)平均降水量小于對(duì)比區(qū)。作業(yè)期間（09～10時(shí)），作業(yè)影響區(qū)降水有所增加，3個(gè)站出現(xiàn)了5 mm以上降水，對(duì)比區(qū)5 mm以上降水站數(shù)逐漸減少；作業(yè)影響區(qū)平均降水量較作業(yè)前增加，對(duì)比區(qū)平均降水量呈減小趨勢，低于作業(yè)影響區(qū)。播撒作業(yè)2 h后（12:00），兩區(qū)雨量都處于減少趨勢，作業(yè)影響區(qū)雨量一直高于對(duì)比區(qū)；作業(yè)結(jié)束后1 h，對(duì)比區(qū)降水趨于結(jié)束，作業(yè)影響區(qū)仍有降水維持。

圖5 作業(yè)期間不同時(shí)刻雷達(dá)剖面圖（a）08:18；（b）08:34；（c）08:44；（d）09:16Fig. 5 Section of radar reflectivity at 08:18, 08:34, 08:44, and 09:16 BT during the seeding time

圖6 作業(yè)后，影響區(qū)與對(duì)比區(qū)雷達(dá)回波強(qiáng)度分布圖Fig. 6 Distribution of radar reflectivity in the influence region and control region after seeding

4 結(jié)論

此次飛機(jī)增雨作業(yè)是在河套低壓和高空槽影響下，作業(yè)影響區(qū)處于槽前的西南水汽輸送帶的天氣背景條件下開展的?？紤]吉林省的需水地區(qū)主要為中西部地區(qū)，根據(jù)天氣形勢分析，吉林省中部處于切變前部的西南氣流中，對(duì)應(yīng)一個(gè)西南水汽輸送帶，水汽輸送條件比較好。根據(jù)模式預(yù)報(bào)的云微物理結(jié)構(gòu)分析，云系覆蓋吉林省中部地區(qū)，自西南向東北移動(dòng)，云中有一定量過冷水主要分布在0～-20 ℃層（高度為1500～5500 m），隨著云系的發(fā)展，過冷水含量逐步增大，有較好的作業(yè)潛力。根據(jù)云系條件分析，此次作業(yè)過程為較大范圍的層狀云，具有較厚的過冷層，適宜飛機(jī)播撒催化作業(yè)。云系進(jìn)入吉林省的位置為四平、遼源地區(qū)；因此選取的適宜作業(yè)地區(qū)為吉林省中部的四平、遼源地區(qū)。

垂直作業(yè)層的高空風(fēng)向，在作業(yè)影響區(qū)西北方選取相同面積且回波發(fā)展類似區(qū)域作為對(duì)比區(qū)。兩區(qū)之間保留出20 km的區(qū)域作為隔離區(qū)域，保證催化不會(huì)影響到對(duì)比區(qū)。

通過對(duì)作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)雷達(dá)回波對(duì)比，發(fā)現(xiàn)作業(yè)過程中作業(yè)影響區(qū)云中大粒子逐漸增多且向下降落，作業(yè)影響區(qū)垂直累積液態(tài)水明顯消耗。作業(yè)后，兩區(qū)回波均處于減弱階段，但作業(yè)影響區(qū)回波明顯強(qiáng)于對(duì)比區(qū)，回波維持時(shí)間更長。

作業(yè)開始前，作業(yè)影響區(qū)降水量小于對(duì)比區(qū)；作業(yè)過程中，影響區(qū)降水呈增加趨勢，對(duì)比區(qū)雨量呈減少趨勢；作業(yè)結(jié)束后，對(duì)比區(qū)降水趨于結(jié)束，作業(yè)影響區(qū)仍有降水維持。此次催化作業(yè)影響了云中微物理過程，消耗云中過冷水，使地面降水增加，同時(shí)，增加了降水的維持時(shí)間，起到了正效果。

圖7 影響區(qū)與對(duì)比區(qū)1 h降水量的站點(diǎn)數(shù)變化圖（a）07時(shí)（作業(yè)前）；（b）09時(shí)（作業(yè)期間）；（c）10時(shí)（作業(yè)期間）；（d）12時(shí)（作業(yè)后）Fig. 7 Numbers of stations with different amounts of one-hour rainfall in the influence region and control region before seeding (07BT), during seeding (09BT, 10BT), and after seeding (12BT)