云南省飛機(jī)增雨作業(yè)條件指標(biāo)及初步應(yīng)用

孫 玲，張騰飛，尹麗云，成佳麗，金文杰，趙建萍

(1.云南省人工影響天氣中心，云南 昆明 650034;2.云南省曲靖市氣象局，云南 曲靖 655000； 3.云南省機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限責(zé)任公司滄源佤山機(jī)場(chǎng)航務(wù)部氣象臺(tái)，云南 滄源 677400)

0 引言

云南地理環(huán)境特殊，地勢(shì)地形復(fù)雜，氣候類型多樣。云南氣候存在明顯的季節(jié)性、地區(qū)性差異，歷年氣候變化顯著。自2009年起，云南出現(xiàn)了多年連年干旱。干旱已經(jīng)成為制約云南經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重不利因素之一。面對(duì)嚴(yán)峻的干旱形勢(shì)，各州、市人工影響天氣機(jī)構(gòu)常年利用高炮、火箭等進(jìn)行人工增雨、防雹作業(yè)。云南省人工影響天氣中心在2013年3月正式啟動(dòng)了飛機(jī)增雨常態(tài)化業(yè)務(wù)，適時(shí)開(kāi)展飛機(jī)增雨作業(yè)，但是飛機(jī)增雨作業(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的科學(xué)工程，在適當(dāng)?shù)臈l件下開(kāi)展飛機(jī)人工增雨工作,對(duì)解決各地水資源缺乏,增加水庫(kù)蓄水量,改善生態(tài)環(huán)境,減輕和緩解干旱對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響等具有十分重要的意義[1]。人工增雨的關(guān)鍵技術(shù)是選擇何種云，在云中什么樣的部位，播撒多少適量的催化劑才能達(dá)到播撒增雨效果。

國(guó)際上主要是從云的溫度、含水量、動(dòng)力條件和水汽分布來(lái)分析地形云的可播性，將-25 ℃作為判斷地形云是否是有增雪潛力的分界線[2]，Vardiman and Moore提出了適用于各種氣象和地形條件的可播性判據(jù)[3]。我國(guó)開(kāi)展人工增雨作業(yè)已有幾十年，建立本地化人工影響天氣作業(yè)指標(biāo)體系,構(gòu)建科學(xué)合理的人影作業(yè)指揮模式是目前亟需解決的問(wèn)題[4],各省市根據(jù)本地情況也總結(jié)了大量的播云指標(biāo)。李念童等研究得出河南層狀云的增雨指標(biāo)，包括了宏、微觀和雷達(dá)的指標(biāo)[5]。唐林根據(jù)湖南省飛機(jī)和地面的個(gè)例研究結(jié)果，總結(jié)了夏秋季開(kāi)展人工增雨作業(yè)條件判別的宏觀、微觀指標(biāo)[6]。孫晶等[7]重點(diǎn)對(duì)2013年8月南方三類云系的云結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)結(jié)果和增雨作業(yè)條件進(jìn)行了分析。張騰飛等[8]利用NCEP再分析氣象資料和GRAPESCAMS人工影響天氣模式結(jié)合降水資料對(duì)飛機(jī)增雨作業(yè)條件進(jìn)行分析。

云南省天氣氣候復(fù)雜多變，加之開(kāi)展飛機(jī)增雨時(shí)間尚短，在指標(biāo)的研究上還未取得進(jìn)展。本文將根據(jù)多普勒天氣雷達(dá)和MICAPS等資料，選取云南省2014年的飛機(jī)增雨的所有個(gè)例，分析有利于飛機(jī)增雨作業(yè)條件的雷達(dá)回波特征和天氣學(xué)特征，提煉適合云南飛機(jī)增雨作業(yè)條件的指標(biāo)。搭建預(yù)警指揮系統(tǒng)完成不同強(qiáng)度雷達(dá)回波的回波塊識(shí)別、回波跟蹤、指標(biāo)的修改和判別以及預(yù)警顯示。最后選擇了兩個(gè)個(gè)例進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證，均取得較好效果。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

使用的數(shù)據(jù)包括：2014年云南春秋季62次飛機(jī)穿云飛行的增雨個(gè)例以及相關(guān)的多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)資料、衛(wèi)星云圖、MICAPS資料和氣象站的雨量資料等。

2 影響云南飛機(jī)作業(yè)的主要天氣系統(tǒng)

2.1 昆明準(zhǔn)靜止鋒

昆明準(zhǔn)靜止鋒是中國(guó)西南地區(qū)東部云貴高原上一個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的重要天氣系統(tǒng)，通常位于四川宜賓、貴州興仁和云南廣南一帶，可造成云南降溫、降水和局地強(qiáng)對(duì)流天氣；如果有西南暖濕氣流配合，還可造成大范圍大—暴雨(雪)天氣過(guò)程。昆明準(zhǔn)靜止鋒全年都可出現(xiàn)，最多出現(xiàn)在1月和12月。

2014年飛機(jī)增雨作業(yè)中出現(xiàn)準(zhǔn)靜止鋒天氣10次。對(duì)過(guò)程分析表明，單獨(dú)的靜止鋒天氣適合開(kāi)展飛機(jī)增雨作業(yè)的概率偏小。這主要是靜止鋒天氣系統(tǒng)水汽含量偏低，但是靜止鋒天氣系統(tǒng)主要影響滇中及以東地區(qū)，在有西南暖濕氣流配合的條件下，易出現(xiàn)較大范圍和較大強(qiáng)度的降水過(guò)程，有增雨的潛力。

2.2 南支槽

南支槽也稱副熱帶南支西風(fēng)槽，是冬春季影響南亞和東亞的主要天氣系統(tǒng)。考慮到對(duì)云南的影響，定義冬半年在500 hPa高空?qǐng)D上，地理坐標(biāo)為(70°～100°E，18°～28°N)區(qū)域出現(xiàn)的西風(fēng)帶低槽為南支槽。

2014年飛機(jī)增雨作業(yè)中出現(xiàn)南支槽天氣12次。南支槽槽前為西南到偏西氣流，東移過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生降水過(guò)程。如果在南支槽東移過(guò)程中，靜止鋒加強(qiáng)或云貴高原東側(cè)有明顯的冷鋒切變南下西移，則會(huì)造成明顯的大范圍降水或降雪過(guò)程，有利于飛機(jī)增雨作業(yè)過(guò)程的開(kāi)展。靜止鋒和南支槽的配合系統(tǒng)共出現(xiàn)了4次。

2.3 切變線(低槽切變或冷鋒切變型)

切變線是造成云南大到暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一。與其它天氣系統(tǒng)相比較，切變線系統(tǒng)出現(xiàn)的頻率高，尺度小，活動(dòng)規(guī)律雜亂，還常常與臺(tái)風(fēng)低壓、西南渦、地面鋒面等天氣系統(tǒng)聯(lián)合在一起。切變線系統(tǒng)月平均出現(xiàn)次數(shù)與月平均降水量分布極為相似，說(shuō)明云南降水量與切變線系統(tǒng)的關(guān)系極為密切。

2014年飛機(jī)增雨作業(yè)中出現(xiàn)切變線天氣23次。此類天氣過(guò)程降水強(qiáng)度大、范圍廣，比較適宜開(kāi)展飛機(jī)增雨作業(yè)；但由于伴隨有明顯的雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣，飛機(jī)無(wú)法進(jìn)入強(qiáng)中心進(jìn)行穿云飛行，常以外圍穿云的方式，在雷達(dá)回波強(qiáng)度<35 dBz的云團(tuán)區(qū)域進(jìn)行催化劑的播撒，或者是云系的前方播撒，通過(guò)抬升氣流以達(dá)到催化的目的。

2.4 孟灣低壓(孟灣低槽)

在孟加拉灣地區(qū)形成的低壓或低壓槽偏東移動(dòng)，攜帶充足條件和能量，其前側(cè)偏南氣流源源不斷向云南輸送，是云南主要降水系統(tǒng)之一。雖然近幾年影響次數(shù)少，但確實(shí)是云南初夏和秋季最為有利的增雨作業(yè)天氣系統(tǒng)，往往形成范圍較廣的層積混合云，具有較好降水潛力和增雨潛力。

3 云南飛機(jī)增雨作業(yè)潛力的評(píng)判指標(biāo)

在開(kāi)展飛機(jī)增雨作業(yè)時(shí)，利用適合本地的增雨方式可提高云南作業(yè)指揮的目標(biāo)性和有效性。根據(jù)云南2014年飛機(jī)增雨作業(yè)的結(jié)果，初步總結(jié)出了干旱期云南開(kāi)展人工增雨的雷達(dá)監(jiān)測(cè)指標(biāo)(表2)。同時(shí)根據(jù)MICAPS資料，得到宏觀的天氣學(xué)條件判據(jù)(表3)。

表2 云南飛機(jī)增雨作業(yè)的監(jiān)測(cè)評(píng)判指標(biāo)Tab.2 Monitoring and Evaluation Indicators of Yunnan Aircraft Artificial Precipitation Enhancement

表3 云南飛機(jī)增雨作業(yè)潛力的天氣學(xué)評(píng)判指標(biāo)Tab.3 Synoptic Evaluation Indexes of Yunnan Aircraft Artificial Precipitation Enhancement

4 增雨作業(yè)條件預(yù)警系統(tǒng)

飛機(jī)增雨作業(yè)條件預(yù)警系統(tǒng)嵌套在云南省三維人影作業(yè)指揮業(yè)務(wù)管理平臺(tái)中，屬于實(shí)時(shí)指揮下面的一個(gè)小模塊。預(yù)警系統(tǒng)采集歷史和實(shí)時(shí)的雷達(dá)，將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。有回波塊劃分、回波跟蹤及標(biāo)記、預(yù)警指標(biāo)設(shè)置，指標(biāo)判別顯示以及預(yù)警開(kāi)關(guān)等功能。

系統(tǒng)可采集標(biāo)準(zhǔn)格式多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)。采集后將數(shù)據(jù)通過(guò)FTP協(xié)議傳送到文件數(shù)據(jù)服務(wù)器，供其他功能模塊調(diào)用。數(shù)據(jù)采集處理模塊運(yùn)行界面如圖1。

對(duì)采集的資料，系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)類型進(jìn)行樹(shù)狀結(jié)構(gòu)顯示。用戶可以在數(shù)據(jù)資料選擇窗口中調(diào)取不同時(shí)次、不同角度、不同地區(qū)的雷達(dá)資料。

利用自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，根據(jù)回波塊劃分參數(shù)的設(shè)置，包括最小強(qiáng)度閾值、最小面積、最小強(qiáng)度大于等于等指標(biāo)參數(shù)，完成對(duì)回波塊的劃分(圖2)。

根據(jù)回波跟蹤識(shí)別參數(shù)的設(shè)置(最大間隔、最大移速、面積強(qiáng)度變化以及中心矩變化比等參數(shù))，完成對(duì)回波塊的識(shí)別跟蹤。系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)出目前跟蹤的文件列表以及在地圖上顯示該回波的編號(hào)(圖3)。

圖1 FTP雷達(dá)資料傳輸界面Fig.1 FTP Radar Data Rransmission Interface

圖2 回波塊劃分參數(shù)以及回波跟蹤識(shí)別的參數(shù)Fig.2 Parameters of Echo Block Partition and Echo Tracking Identification

在指標(biāo)選擇框中，設(shè)計(jì)有具體的月份選擇，可以根據(jù)當(dāng)月情況進(jìn)行指標(biāo)的修改(圖4)?，F(xiàn)階段指標(biāo)里面包括：回波面積，回波頂高，強(qiáng)回波頂高，強(qiáng)回波的閾值設(shè)定，回波強(qiáng)中心的強(qiáng)度和高度，垂直液態(tài)水含量，還有回波寬度等選擇。指標(biāo)范圍比較廣，也是符合之前分析的，預(yù)警指標(biāo)并不具有唯一性，它的開(kāi)放性為今后的科研提供了更廣闊的基礎(chǔ)。這些判據(jù)指標(biāo)需要在實(shí)踐中不斷總結(jié)和完善，加深認(rèn)識(shí)，才能真正建設(shè)好人工影響天氣業(yè)務(wù)技術(shù)系統(tǒng)，才能提高其科學(xué)性。

圖3 跟蹤文件列表(a)以及回波跟蹤標(biāo)記(b)Fig.3 List of Tracking Files (left) and Echo Tracking Marks (right)

圖4 增雨預(yù)警指標(biāo)框Fig.4 Indicator Box of Artificial Precipitation Enhancement Warning

根據(jù)作業(yè)指標(biāo)，判別當(dāng)前雷達(dá)下的每一塊回波，每當(dāng)有適合增雨作業(yè)的回波時(shí)，在該回波上出現(xiàn)地球標(biāo)示，鼠標(biāo)移動(dòng)到該標(biāo)識(shí)時(shí)，立馬顯示該塊回波的最大強(qiáng)度、強(qiáng)中心高度等相關(guān)雷達(dá)信息，并顯示增雨?duì)顟B(tài)，是否適合滿足增雨預(yù)警，方便指揮人員準(zhǔn)確進(jìn)行作業(yè)指揮(見(jiàn)圖5)。

4.1 應(yīng)用個(gè)例1

2014年6月6日08時(shí)，500 hPa上云南省主要受高壓脊前西北氣流控制，冷鋒切變位于四川北部一帶。至20時(shí)冷空氣迅速南下，云南中部、南部已轉(zhuǎn)變?yōu)槠焙推珫|氣流。700 hPa上08—00時(shí)切變線基本維持在昆明北部、曲靖中南部一線，在該地區(qū)形成較強(qiáng)的輻合切變，提供了較好的動(dòng)力條件(圖略)。

6月6日14時(shí)根據(jù)雷達(dá)實(shí)況及指標(biāo)確定飛行航線，預(yù)定飛機(jī)于15時(shí)30分起飛，于15時(shí)30分—18時(shí)期間在昆明中部、楚雄中北部和大理西部實(shí)施飛機(jī)增雨作業(yè)。作業(yè)航線為長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)—富民—南澗—賓川—永仁—富民—長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)。作業(yè)飛機(jī)于15時(shí)35分起飛，于16時(shí)08分—17時(shí)54分期間在祿豐、楚雄、南華、南澗、彌渡、大姚、元謀、祿勸(圖略)實(shí)施人工增雨作業(yè)。

圖5 目標(biāo)區(qū)域的判別和提示Fig.5 Discrimination and Hint of Target Region

6月6日上午雷達(dá)回波主要分布于云南省東北部的昭通、曲靖北部一帶。隨著切變線在08—20時(shí)期間逐漸自東北向西南移動(dòng)，昆明、楚雄中北部、玉溪一線逐漸有單體對(duì)流回波逐漸發(fā)展。圖6為飛機(jī)在祿豐縣境內(nèi)作業(yè)前后雷達(dá)回波的演變圖。飛機(jī)于16時(shí)12分在祿豐縣勤豐鎮(zhèn)北部開(kāi)始實(shí)施作業(yè)。選取與作業(yè)回波A上方、與回波A作業(yè)前的生命史最接近的回波B作為對(duì)比回波。作業(yè)回波A于15時(shí)37分在祿勸縣東北方向生成并迅速發(fā)展，在15時(shí)48分其強(qiáng)中心強(qiáng)度已超過(guò)50 dBz，30 dBz以上回波面積達(dá)到17.59 km2;之后作業(yè)回波A強(qiáng)度基本維持，面積逐漸增大，于16時(shí)06—12分期間達(dá)到最盛，其強(qiáng)中心達(dá)到54 dBz，回波頂高達(dá)到15.02 km，其30 dBz以上回波面積達(dá)到28.23 km2。飛機(jī)于16時(shí)14—17分期間穿越作業(yè)回波A實(shí)施播撒，播撒作業(yè)后回波A強(qiáng)度緩慢減弱，其回波頂高和30 dBz以上回波面積則大體維持。直至16時(shí)30分后作業(yè)回波A才開(kāi)始明顯減弱，16時(shí)42分降至30 dBz以下，于17時(shí)17分后完全減弱消散。

對(duì)比回波B則15時(shí)19分于祿豐縣城南部生成，作業(yè)前其生命史與作業(yè)回波A相似?；夭˙于15時(shí)31分快速發(fā)展至30 dBz以上，15時(shí)37分時(shí)強(qiáng)度達(dá)到50 dBz以上,此后其最強(qiáng)回波逐漸增強(qiáng)，至15時(shí)48分回波頂高則由8.9 km增長(zhǎng)至14.7 km。15時(shí)48—54分對(duì)比回波B達(dá)到最盛，其最強(qiáng)回波達(dá)到55.7 dBz，回波頂高達(dá)到16.9 km，30 dBz以上回波面積達(dá)到33.42 km2。之后的16時(shí)00—24分期間逐步減弱至30 dBz以下，16時(shí)42分后基本消亡。對(duì)比當(dāng)日雨量資料，作業(yè)回波A所處位置的區(qū)域自動(dòng)站和平(T9258)在作業(yè)期間及作業(yè)后的16—18時(shí)降雨量為6.2 mm，而對(duì)比回波B所途經(jīng)的土官站(T9267)降雨量?jī)H0.6 mm。

4.2 應(yīng)用個(gè)例2

2017年6月25日云南受切變線影響，根據(jù)MICAPS分析，提取了當(dāng)天08時(shí)的天氣學(xué)因子，K指數(shù)為36～40 ℃，SI指數(shù)為-2～0 ℃，相對(duì)濕度>90%，水汽通量散度<0 g/(hPa·cm2·s)，溫度露點(diǎn)差為1 ℃，完全符合增雨潛力預(yù)報(bào)指標(biāo)。飛機(jī)起飛時(shí)間為12時(shí)23分，于13時(shí)23分降落，起降機(jī)場(chǎng)均為保山機(jī)場(chǎng)，具體航線如圖7。

12時(shí)36分飛機(jī)起飛后，正北方有塊雷達(dá)回波(圖8紅框內(nèi))，該回波最大強(qiáng)度49 dBz,回波頂高9 km，強(qiáng)中心高度4.5 km，面積>100 m2，垂直累積液態(tài)水含量最大值接近3 kg/m2,符合增雨預(yù)警條件。但由于回波內(nèi)對(duì)流強(qiáng)，飛機(jī)未能進(jìn)行穿云作業(yè)，僅在外圍進(jìn)行作業(yè)。

13時(shí)20分飛機(jī)航線的正北方有塊雷達(dá)回波(圖9紅框內(nèi))，該回波最大強(qiáng)度47 dBz,回波頂高5.9 km，強(qiáng)中心高度5.1 km，面積>100 km2，垂直累積液態(tài)水含量最大值接近0.2 kg/m2,符合增雨預(yù)警條件，飛機(jī)根據(jù)預(yù)警提示對(duì)該云團(tuán)進(jìn)行作業(yè)。

作業(yè)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)當(dāng)日12—19時(shí)(含作業(yè)時(shí)以及作業(yè)后6 h)作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)的雨量，通過(guò)計(jì)算，得到作業(yè)區(qū)平均雨量為4.3 mm，而對(duì)比區(qū)平均雨量為2.8 mm。

5 小結(jié)

①統(tǒng)計(jì)分析云南省2014年飛機(jī)增雨的所有個(gè)例，初步得到有利于飛機(jī)增雨作業(yè)的天氣條件的概括分型，是昆明準(zhǔn)靜止鋒(有一定的西南暖濕氣流配合時(shí))、南支槽和切變線。

圖6 2014年6月6日15時(shí)31分—16時(shí)36分作業(yè)回波A和作業(yè)回波B的演變Fig.6 Evolution of Operation Echo A and Operation Echo B 15∶31—16∶36 on June 6,2014

圖7 2017年6月25日實(shí)際飛行航線疊加 作業(yè)區(qū)(紅框)和對(duì)比區(qū)(黃框)Fig.7 Operation Area (red box) and Contrast Area (yellow box) Superimposed Actual Flight Route on June 25, 2017

圖8 2017年6月25日12時(shí)36分雷達(dá) 回波預(yù)警提示(白色為航線)Fig.8 Warning Hint of Radar Echo at 12∶36 on June 25, 2017 (White is the Route)

圖9 2017年6月25日13:20雷達(dá)回波 預(yù)警提示(白色為航線)Fig.9 Warning Hint of Radar Echo (White is the Route)

②提出了判斷飛機(jī)增雨作業(yè)潛力的雷達(dá)回波指標(biāo)和天氣學(xué)指標(biāo)，包括雷達(dá)回波強(qiáng)度、回波頂高、垂直液態(tài)含水量、回波強(qiáng)度>10 dBz的面積，以及700 hPa相對(duì)濕度、水汽通量散度、K指數(shù)、SI指數(shù)和溫度露點(diǎn)差。

③預(yù)警指揮系統(tǒng)采集歷史和實(shí)時(shí)的雷達(dá)資料，將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，可以調(diào)用歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，可以直觀地展現(xiàn)1～7部多普勒雷達(dá)回波等信息。利用雷達(dá)回波自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，完成不同強(qiáng)度雷達(dá)回波的回波塊識(shí)別、回波跟蹤、指標(biāo)的修改判別以及預(yù)警顯示。在指標(biāo)選擇框中，設(shè)計(jì)了多種指標(biāo)的選擇，為今后的研究奠定了開(kāi)放的基礎(chǔ)。通過(guò)雷達(dá)回波預(yù)警系統(tǒng)，業(yè)務(wù)人員可以對(duì)雷達(dá)回波的現(xiàn)狀和發(fā)展做出全面立體的了解和判斷。

④通過(guò)2014年6月6日和2017年6月25日兩個(gè)增雨作業(yè)個(gè)例，初步檢驗(yàn)了云南有飛機(jī)增雨作業(yè)潛力的雷達(dá)回波和天氣學(xué)預(yù)警指標(biāo)，增雨效果顯著。表明這些指標(biāo)的總結(jié)提煉有助于提高云南飛機(jī)增雨作業(yè)指揮的科學(xué)性和有效性。