海南島人工增雨作業(yè)潛力的評估研究

敖 杰，邢峰華，李光偉，毛志遠(yuǎn)

(海南省人工影響天氣中心，海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570203)

干旱是海南島主要自然災(zāi)害之一，通過人工增雨作業(yè)來緩解旱情是一種有效的抗旱手段.在開展增雨作業(yè)前，該區(qū)域云水資源的增雨作業(yè)潛力的準(zhǔn)確識別非常有必要，對作業(yè)指揮人員確定該區(qū)域的可播性、科學(xué)指導(dǎo)開展人工增雨作業(yè)非常重要，有利于提高人工增雨作業(yè)的針對性和催化效果.

冷云人工增雨作業(yè)主要是尋找適合開展作業(yè)的潛力區(qū)域所在位置.國內(nèi)已有許多人工影響天氣工作者在確定增雨作業(yè)潛力區(qū)方面開展了研究工作.在催化指標(biāo)方面，以往的播云判據(jù)和指標(biāo)大多建立在對云的微物理結(jié)構(gòu)觀測基礎(chǔ)上，如周毓荃[1]和李照榮[2]等分別建立了基于微物理結(jié)構(gòu)觀測資料的播云判據(jù)和催化指標(biāo).為了解決增雨催化作業(yè)前沒有微物理觀測資料用于確定增雨作業(yè)潛力區(qū)的問題.王以琳[3]等提出了冷云人工催化的宏觀判據(jù)，即根據(jù)可播區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間確定作業(yè)開始時(shí)間，根據(jù)增雨潛力系數(shù)大小確定作業(yè)部位，用準(zhǔn)飽和區(qū)確定的云頂高度和可播區(qū)消失的時(shí)間確定作業(yè)結(jié)束時(shí)間.連志鸞[4]等提出了層狀云人工增雨宏觀判據(jù)，即根據(jù)不同高度的冰面過飽和度和準(zhǔn)飽和濕層頂部高度綜合確定播撒高度，根據(jù)增雨潛力系數(shù)和等級確定作業(yè)時(shí)機(jī).文獻(xiàn)[1-4]使用各種單項(xiàng)分析診斷指標(biāo)可以確定作業(yè)潛力區(qū)，但有一定的片面性和局限性.葉建元[5]等在各項(xiàng)分指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了一種綜合性判據(jù)，為指揮人員提供了操作性比較強(qiáng)的作業(yè)指標(biāo).李永振[6]等根據(jù)雷達(dá)資料和飛機(jī)觀測資料并結(jié)合逐步判別法，計(jì)算出增雨作業(yè)潛力并顯示在業(yè)務(wù)平臺上.

中尺度數(shù)值模式模擬可以詳細(xì)反映云體發(fā)展和降水過程，是研究云降水系統(tǒng)的重要手段之一，已經(jīng)成為越來越多的從事云降水物理方面工作者的選擇.中尺度數(shù)值模式具有較高的時(shí)空分辨率和較多的預(yù)報(bào)信息產(chǎn)品，利用模式產(chǎn)品得出綜合指標(biāo)來預(yù)報(bào)增雨潛力區(qū)分布并用于指揮增雨作業(yè)，比使用各種單項(xiàng)分析診斷指標(biāo)確定作業(yè)潛力區(qū)的方法[1-4]更有優(yōu)勢.洪延超[7]等利用中尺度MM5數(shù)值模式模擬開展了層狀云系人工增雨潛力的理論研究，并提出了定性綜合判斷云系人工增雨潛力的思路.翟菁[8]等用中尺度MM5模式產(chǎn)品并結(jié)合逐步判斷法分析安徽省人工增雨作業(yè)潛力，并對增雨潛力分布進(jìn)行了分級預(yù)報(bào).陳小敏[9]等利用中尺度模式GRAPES，選取重慶地區(qū)一次降水個例進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了重慶地區(qū)降水天氣過程的增雨潛力等特征.石愛麗[10]等利用常規(guī)天氣、加密探空、地基微波輻射計(jì)及衛(wèi)星資料，結(jié)合模式MMSV3對河南省層狀云降水個例進(jìn)行了人工增雨潛力分析，得到了一些初步結(jié)果.

筆者利用中國氣象局人工影響天氣中心GRAPES-CAMS模式產(chǎn)品結(jié)合探空資料，選取模式預(yù)報(bào)的微觀、宏觀物理量參數(shù)，使用逐步判斷法對人工增雨潛力進(jìn)行分級預(yù)報(bào)，從而對海南島人工增雨潛力進(jìn)行評估.

本文所用模式產(chǎn)品為中國氣象局人工影響天氣中心建立的GRAPES-CAMS模式的云降水物理場預(yù)報(bào)系統(tǒng)產(chǎn)品.該模式水平分辨率為25 km，無嵌套，預(yù)報(bào)范圍為15 °N～60 °N，65 °E～140 °E，模式每日8和20時(shí)預(yù)報(bào)2次，預(yù)報(bào)時(shí)效48 h，每3 h輸出1次預(yù)報(bào)產(chǎn)品.預(yù)報(bào)產(chǎn)品包括云宏觀場、云微觀場、垂直結(jié)構(gòu)和降水場4大類共20種.選取模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品區(qū)域范圍主要包括海南島及周邊海域區(qū)域的格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，GRAPES-CAMS模式輸出結(jié)果包括緯向風(fēng)速、徑向風(fēng)速、溫度、水汽比含水量、冰晶數(shù)濃度和積分云水含量等產(chǎn)品.

人工增雨潛力是一個復(fù)雜的科學(xué)問題，與云系的結(jié)構(gòu)和降水形成物理過程有密切關(guān)系，與水汽含量、冰晶濃度和降水效率、云水厚度、過冷水含量等有關(guān).利用GRAPES-CAMS模式產(chǎn)品，結(jié)合實(shí)時(shí)探空資料，計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)的冰晶粒子數(shù)濃度等微觀物理參量以及積分云水含量、溫露溫度差、散度差和K指數(shù)等宏觀物理參量，再使用逐步判別法對人工增雨潛力進(jìn)行分級預(yù)報(bào)(詳見文獻(xiàn)[11])，并利用B/S技術(shù)實(shí)現(xiàn)了增雨作業(yè)潛力分布評估產(chǎn)品實(shí)時(shí)在海南省人工影響天氣業(yè)務(wù)指揮平臺上發(fā)布顯示.

1 模式檢驗(yàn)

對于增雨潛力計(jì)算，GRAPES-CAMS模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性至關(guān)重要，筆者利用衛(wèi)星監(jiān)測資料對GRAPES-CAMS模式預(yù)報(bào)云系發(fā)展演變趨勢、移向等宏觀特征開展了定性檢驗(yàn).

2016年第3號臺風(fēng)“銀河”于7月26日22時(shí)20分在海南島萬寧市東澳鎮(zhèn)沿海登陸，先后穿過萬寧、瓊中、白沙、昌江和儋州等市縣，7月27日早晨移入北部灣海面，于7月28日凌晨00時(shí)20分在越南南定省登陸.7月28日白天，“銀河”登陸后強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，對海南省影響結(jié)束.

針對海南島臺風(fēng)云系的不同發(fā)展階段，選取3個時(shí)刻的預(yù)報(bào)產(chǎn)品與實(shí)況進(jìn)行對比：臺風(fēng)登陸前(11時(shí))、臺風(fēng)臨近(17時(shí))、臺風(fēng)登陸后(23時(shí)).針對云系的位置、覆蓋范圍、移動方向及移動速度、云系性質(zhì)等，對比3個時(shí)刻的GRAPES-CAMS預(yù)報(bào)云帶產(chǎn)品和衛(wèi)星云黑體亮溫(圖1)，定性檢驗(yàn)預(yù)報(bào)的云系宏觀發(fā)展演變特征.

實(shí)況：26日11時(shí)，臺風(fēng)云系自東南向西北移至海南島東南部沿海，移速約20 km·h-1；17時(shí)，隨著云系西移，臺風(fēng)外圍云系開始影響海南島南部、中部，云系發(fā)展旺盛，區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大；23時(shí)，臺風(fēng)在海南島萬寧沿海地區(qū)登陸后，繼續(xù)向西北移動，云系持續(xù)加強(qiáng).

預(yù)報(bào)：26日11時(shí)，海南島東南海面有大片云系，云系強(qiáng)回波區(qū)與實(shí)況相比，位置偏南，云系覆蓋范圍及移向與實(shí)況較為一致；17時(shí)，云系繼續(xù)西移，主體在海南島東部海面，較實(shí)況的云帶位置偏東，外圍云系主要覆蓋海南島南部、中部，覆蓋范圍偏小，云帶移向與實(shí)況較為一致；23時(shí)，臺風(fēng)登陸后，外圍云系開始影響海南島東部，覆蓋范圍較實(shí)況偏小，移動速度偏慢.

檢驗(yàn)：模式預(yù)報(bào)海南島范圍內(nèi)云系的發(fā)展演變趨勢、移向與實(shí)況相比，云系均自東向西方向移動，但預(yù)報(bào)云系的整體移動速度比實(shí)況慢，導(dǎo)致預(yù)報(bào)云系的位置比實(shí)況偏東，預(yù)報(bào)云系覆蓋范圍也較實(shí)況偏小.

綜合分析，本次過程模式預(yù)報(bào)的臺風(fēng)云系發(fā)展演變特征與衛(wèi)星實(shí)況比較接近，說明模式具有一定的模擬能力.

2 實(shí)例分析

2018年4月份，海南島北部即海口、臨高及澄邁等地出現(xiàn)階段性氣象干旱，不同程度上影響當(dāng)?shù)匕傩照Ｉ睢⑸a(chǎn)，急需結(jié)合有利天氣形勢開展人工增雨作業(yè)以緩解旱情.選取4月份2次降水天氣過程，對人工增雨作業(yè)潛力預(yù)報(bào)的區(qū)域和等級準(zhǔn)確性進(jìn)行定性分析評估.

2.1 2018年4月26日過程根據(jù)天氣形勢分析(如圖2所示)，海南島2018年4月26日受弱冷空氣和低層切變線影響，受此形勢影響，五指山以南地區(qū)有小陣雨，局地中到大雨；五指山以北地區(qū)有中到大雨，局地暴雨，伴有雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣.

圖1 2016年7月26日不同時(shí)刻衛(wèi)星反演的黑體亮溫與GRAPES-CAMS預(yù)報(bào)的云帶

圖2 海南島2018年4月26日14時(shí)流場圖

圖3 2018年4月26日?？谡?8時(shí)探空資料

圖3為4月26日?？谡?8時(shí)探空資料，從圖中可以看出低層以偏南風(fēng)為主，水汽比較充足；對流不穩(wěn)定能量較強(qiáng)，當(dāng)時(shí)的CAPE為409.06 J·kg-1，SI指數(shù)-3.37，熱力條件有利于對流性降水天氣過程發(fā)生；0 ℃層、-10 ℃層、-20 ℃層、-40 ℃層高度分別在4.66、6.48、8.27、10.89 km.

a 云水比含水量 b 冰晶數(shù)濃度圖4 2018年4月26日14時(shí)～17時(shí)海南島云水比含水量及冰晶數(shù)濃度

從圖4a可以看出，4月26日14時(shí)～17時(shí)云水比含量主要集中在海南島北部(海口、文昌、臨高一帶)，其中海口地區(qū)云水比含水量相對較大，部分區(qū)域超過0.05 g·kg-1，達(dá)到0.06g·kg-1，說明云水比較豐富，有利于供應(yīng)降雨過程中所需要的云水.從圖4b可以看出，4月26日14時(shí)～17時(shí)海南島冰晶數(shù)濃度主要集中在中部區(qū)域(儋州、白沙、瓊中等地)，最大僅為3.89個·L-1，與冰水完全轉(zhuǎn)化的最佳冰晶濃度100個·L-1相差較大，云中自然冰晶濃度不足，說明云中缺乏自然降水過程所需的冰晶即存在較大的人工增雨潛力.

a 垂直累積過冷水圖 b 垂直剖面結(jié)構(gòu)圖圖5 2018年4月26日14時(shí)～17時(shí)海南島垂直累積過冷水及垂直剖面結(jié)構(gòu)

從圖5a可以看出，垂直累積過冷水含量主要集中在海南島北部及西部區(qū)域，局地超過0.05 mm，達(dá)到0.07 mm，說明云中過冷水含量充足，有利于供應(yīng)降雨過程中所需要的過冷水；從圖5b來看，云微觀粒子主要集中在109 °E～111 °E范圍內(nèi)-10 ℃層附近，即主要位于冷區(qū)，有利于人工播撒催化劑生成的冰晶等云微觀粒子在此區(qū)域吸收過冷水增長.

a 全島K指數(shù)分布圖 b 全島CAPE值分布圖圖6 2018年4月26日14時(shí)海南島K指數(shù)分布及CAPE值分布

從圖6a可知，全島K指數(shù)普遍超過25，尤以西北部儋州地區(qū)最大，超過36，可知當(dāng)天海南島普遍存在較強(qiáng)大氣不穩(wěn)定能量，易發(fā)生強(qiáng)對流降水天氣過程；從圖6b可知，海南島南部及東部沿海區(qū)域CAPE值較高，超過2 000，說明大氣對流有效位能較高，發(fā)生強(qiáng)對流性天氣可能性較大.

a 增雨潛力圖 b 降水實(shí)況圖圖7 2018年4月26日14時(shí)～17時(shí)海南島增雨潛力及降水實(shí)況

從圖7a可以看出，4月26日14時(shí)～17時(shí)海南島北部(海口、澄邁)地區(qū)及中部區(qū)域(白沙)增雨潛力較大，達(dá)到4級以上.綜合分析天氣形勢、探空資料等宏微觀過程及云水含量、冰晶數(shù)濃度等微物理參量，結(jié)合增雨潛力預(yù)報(bào)結(jié)果可知，海南島北部(?？?、澄邁)地區(qū)及中部區(qū)域(白沙)具備開展人工增雨作業(yè)的有利條件，適合開展人工增雨作業(yè).根據(jù)上述分析結(jié)果及當(dāng)天空域情況，省級指揮中心指揮?？谑杏?月26日15∶14和15∶16分別開展了1次火箭增雨作業(yè)；降水實(shí)況(圖7b)顯示，當(dāng)天全島均有不同程度降水，降水量大值區(qū)落在海南島北部的?？凇⒍ò布俺芜~，而當(dāng)天預(yù)報(bào)的海南島增雨潛力分布(圖7a)顯示有2個較大的增雨潛力區(qū)，分別位于海南島北部(?？?、澄邁及定安一帶)和海南島中西部(昌江、五指山一帶),對比圖7a和圖7b可以發(fā)現(xiàn)，模式基本預(yù)報(bào)出了北部區(qū)域增雨條件較好，但是空報(bào)了海南島中西部的增雨潛力區(qū).因此，本次增雨潛力預(yù)報(bào)的范圍與等級基本與海南島北部的降水實(shí)況比較一致，為人工影響天氣作業(yè)人員提供了較為準(zhǔn)確的作業(yè)指導(dǎo).

2.2 2018年4月27日過程根據(jù)天氣形勢分析(如圖8所示)，海南島2018年4月27日受弱冷空氣和低層切變線影響，受此形勢影響：五指山以南地區(qū)有小陣雨，局地中到大雨；五指山以北地區(qū)有中到大雨，局地暴雨，伴有雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣.

圖8 海南島2018年4月27日925 hPa流場和850 hPa流場圖

圖9 2018年4月27日?？谡?時(shí)探空資料

圖9為4月27日海口站8時(shí)探空資料.從圖中可以看出低層以偏西風(fēng)為主，水汽比較充足，對流不穩(wěn)定能量較強(qiáng)，當(dāng)時(shí)的CAPE為1 062.75 J·kg-1，SI指數(shù)0.89，熱力條件有利于對流性降水天氣過程發(fā)生；0 ℃層、-10 ℃層、-20 ℃層、-40 ℃層高度分別在4.7、6.51、8.14、10.77 km.

a 云水比含水量 b 垂直累積液態(tài)水圖10 2018年4月27日14時(shí)～17時(shí)海南島云水比含水量及垂直累積液態(tài)水圖

從圖10a可以看出，4月27日14時(shí)～17時(shí)海南島云水比含量主要集中在海南島東北部(海口、文昌一帶)及西北部(臨高、澄邁一帶)，其中東北部云水比含水量相對較大，部分區(qū)域超過0.2 g·kg-1，為0.25 g·kg-1，說明云水比較豐富，有利于供應(yīng)降水過程中所需要的云水資源；從圖10b可以看出，4月27日14時(shí)～17時(shí)海南島垂直累積液態(tài)水主要集中在北部及東南部區(qū)域，局地超過1 mm，為1.03 mm，說明云中液態(tài)水比較豐富，有利于供應(yīng)降水過程中所需要的云中液態(tài)水；

從圖11a可以看出，海南島垂直累積過冷水主要集中在北部?？凇⑽牟粠?，局地超過0.2 mm，為0.24 mm，說明云中過冷水含量充足，有利于供給降水過程中所需要的過冷水；從圖11b來看，云微觀粒子主要集中在108 °E～112 °E范圍內(nèi)-5 ℃層附近，即主要位于冷區(qū)，有利于人工播撒催化劑生成的冰晶等云微觀粒子在此區(qū)域吸收過冷水增長.

a 垂直累積過冷水 b 垂直剖面結(jié)構(gòu)圖11 2018年4月27日14時(shí)～17時(shí)海南島垂直累積過冷水及垂直剖面結(jié)構(gòu)圖

a 全島K指數(shù)分布圖 b 全島K指數(shù)CAPE值分布圖圖12 2018年4月27日17時(shí)海南島K指數(shù)分布及CAPE值分布圖

從圖12a結(jié)果來看，全島K指數(shù)普遍超過26，尤以中部地區(qū)稍大，普遍超過34，可知當(dāng)天海南島普遍存在較強(qiáng)大氣不穩(wěn)定能量，易發(fā)生強(qiáng)對流降水天氣過程；從圖12b來看，海南島西北部及東南部沿海區(qū)域CAPE值較高，局地超過1 400，說明大氣對流有效位能較高，發(fā)生強(qiáng)對流性天氣可能性較大.

a 增雨潛力圖 b 降水實(shí)況圖圖13 2018年4月27日14時(shí)～17時(shí)海南島增雨潛力及降水實(shí)況圖

從圖13a可以看到，4月27日14時(shí)～17時(shí)海南島北半部地區(qū)增雨潛力較大，達(dá)到4級以上.

綜合分析天氣形勢、探空資料等宏微觀過程及云水含量、垂直累積液態(tài)水等微物理參量，結(jié)合增雨潛力預(yù)報(bào)結(jié)果可知，海南島北半部地區(qū)具備開展人工增雨作業(yè)的有利條件，適合開展人工增雨作業(yè).根據(jù)上述分析結(jié)果及當(dāng)天空域情況，省級指揮中心指揮?？谑杏?月27日16∶47開展了1次火箭人工增雨作業(yè)，降水實(shí)況(圖13b)顯示，當(dāng)天全島均有不同程度降水，降水量大值區(qū)域集中在海南島西北部(儋州、臨高一帶)，對比增雨潛力預(yù)報(bào)(圖13a)，當(dāng)天增雨潛力地區(qū)(?？?、文昌一帶)與實(shí)況相比位置偏東北，而實(shí)際降水較多的儋州、臨高地區(qū)預(yù)測增雨潛力相對較小.

綜上所述，本次增雨潛力預(yù)報(bào)基本模擬出了海南島北部的降水形勢，此外，雖然海南島中部及南部區(qū)域也有不同程度降水，但是由于降水量小，增雨潛力并不大，實(shí)況降水也很好的印證了這一點(diǎn).

3 小 結(jié)

1) 利用中國氣象局人工影響天氣中心GRAPES-CAMS模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品結(jié)合當(dāng)天的探空資料，使用逐步判斷法對人工增雨潛力進(jìn)行分級預(yù)報(bào)，評估出海南島人工增雨作業(yè)潛力分布，并將評估結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在海南省人工影響天氣業(yè)務(wù)指揮平臺上.

2) 通過2個實(shí)例分析表明，該方法可以較為準(zhǔn)確地評估海南島人工增雨潛力，從而幫助作業(yè)指揮人員確定該區(qū)域的可播性，科學(xué)指導(dǎo)市縣開展人工增雨作業(yè)，提高人工增雨作業(yè)的針對性.