廣西人工增雨天氣形勢(shì)及水汽分析

詹瑩玉，程 鵬，黃曉輝，韋增岸，李林紅

(廣西壯族自治區(qū)人工影響天氣辦公室，廣西 南寧 530022)

0 引言

廣西屬中南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，每年10月份副熱帶高壓南撤至次年5月份季風(fēng)爆發(fā)前，各地均會(huì)出現(xiàn)不同程度的干旱[1]，干旱阻礙農(nóng)作物生長(zhǎng)，造成農(nóng)業(yè)損失，減少經(jīng)濟(jì)收入，利用飛機(jī)增雨作業(yè)能有效增加降水量，利于水庫(kù)蓄水、農(nóng)耕播種等。自1959年以來，廣西飛機(jī)人工增雨作業(yè)在緩解干旱、保障農(nóng)業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮了巨大的作用。在進(jìn)行飛機(jī)人工增雨作業(yè)時(shí)，為保障安全，需避開強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生區(qū)域，但人工增雨又必須有合適的云水條件才能達(dá)到明顯的效果。過去，氣象工作者們[2-7]針對(duì)暴雨、冰雹、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣進(jìn)行了深入的研究，而對(duì)于有利于飛機(jī)增雨作業(yè)的天氣形勢(shì)分析較少。黃海洪等[1]分析了西風(fēng)帶暴雨、熱帶系統(tǒng)暴雨環(huán)流特征，將24 h內(nèi)廣西境內(nèi)各市縣氣象觀測(cè)站中有≥20個(gè)站日降雨量≥50 mm,定義為全區(qū)性暴雨天氣過程。楊敏等[8]對(duì)2004—2013年人工增雨作業(yè)期共78例降水過程進(jìn)行分析，將中部區(qū)域春秋季降水過程分為低槽/切變線冷鋒型、低渦(西南渦/西北渦)氣旋型、低槽/切變線冷高壓型，并分析了各類天氣形勢(shì)下的水汽分布特征、降雨的移動(dòng)特征等。王琎等[9]利用甘肅省1991—2002年飛機(jī)人工增雨作業(yè)資料，對(duì)秋季飛機(jī)增雨作業(yè)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了天氣系統(tǒng)自動(dòng)化“判別”模型，指出飛機(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。韋增岸等[10]利用廣西2009—2015年11—12月地面、高空氣象觀測(cè)資料及飛機(jī)增雨作業(yè)宏觀記錄資料進(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，將影響系統(tǒng)分為冷空氣型、高空槽型、華南靜止鋒型、低層南風(fēng)急流型、臺(tái)風(fēng)型，但未對(duì)整個(gè)飛機(jī)增雨作業(yè)期(每年10—12月及次年1—5月)的人工影響天氣形勢(shì)及水汽來源情況進(jìn)行詳細(xì)分析。廣西位于青藏高原以東地區(qū)，飛機(jī)增雨作業(yè)期水汽輸送受青藏高原南支西風(fēng)帶影響較大，李文韜等[11]利用2001—2016年MODIS、ERA-Interim再分析資料對(duì)青藏高原云水氣候特征進(jìn)行分析，表明高原的動(dòng)力、熱力作用對(duì)云水路徑的分布有影響。周艷等[12]對(duì)黔東南一次罕見冬季暴雨天氣過程的水汽分析表明低空急流帶動(dòng)充沛水汽在暴雨區(qū)輻合及低層輻合高層輻散的抽吸效應(yīng)為暴雨的形成提供了有利條件。本文將2006—2015年飛機(jī)增雨作業(yè)期有利于開展飛機(jī)增雨作業(yè)的天氣形勢(shì)、水汽來源、典型個(gè)例及其垂直累積云液態(tài)水含量分布情況進(jìn)行分析，為今后進(jìn)一步研究廣西云水資源分布奠定基礎(chǔ)。

1 資料和方法

本文將2006—2015年廣西飛機(jī)增雨作業(yè)期(1—5月、10—12月)，24 h內(nèi)≥20個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站出現(xiàn)0.1～24.9 mm降雨量時(shí)，定義為一次明顯的小到中雨天氣過程；由于連續(xù)2 d的影響系統(tǒng)不一定相同，為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，在出現(xiàn)≥2 d小到中雨天氣時(shí)，不將連續(xù)幾天出現(xiàn)的小到中雨天氣過程歸類為同一次天氣過程。利用歐洲中心ERA Interim高空、地面再分析資料對(duì)每一次小到中雨天氣過程、水汽來源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)典型個(gè)例的環(huán)流形式及垂直累積云液態(tài)水含量分布情況進(jìn)行分析，為今后進(jìn)行廣西云水資源區(qū)劃研究奠定基礎(chǔ)。

2 影響形勢(shì)及水汽分析

對(duì)全國(guó)綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)數(shù)據(jù)庫(kù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，2006—2015年廣西飛機(jī)增雨作業(yè)期，全區(qū)共有288次明顯的小到中雨天氣過程，利用歐洲中心ERA Interim再分析資料對(duì)這些過程進(jìn)行分析，將主要影響天氣類型分為高壓后部回流、切變線、南支槽、西南渦東移、臺(tái)風(fēng)、西南季風(fēng)影響型。

2.1 大氣環(huán)流形勢(shì)

當(dāng)?shù)孛胬涓邏簴|移入海，廣西處在高壓后部或其西南部，而近地面、低空為西南風(fēng)或南風(fēng)影響時(shí)，高壓后部回流將南部豐富的水汽輸入廣西，為降雨提供豐富的水汽條件，本文將此類形勢(shì)下出現(xiàn)的降雨天氣過程歸類為高壓后部回流型；當(dāng)700 hPa或850 hPa廣西區(qū)域出現(xiàn)切變線影響產(chǎn)生降水時(shí)，歸為切變線型；當(dāng)500 hPa或700 hPa有南支槽影響出現(xiàn)降雨，且低空無切變線、地面不處于出海高壓后部影響時(shí)，歸為南支槽型；當(dāng)700 hPa或850 hPa出現(xiàn)西南渦自西向東移到華東地區(qū)或繼續(xù)東移影響廣西產(chǎn)生降水時(shí)，歸為西南渦東移型；當(dāng)臺(tái)風(fēng)影響廣西并產(chǎn)生明顯降雨時(shí)，歸為臺(tái)風(fēng)影響型；當(dāng)越赤道氣流從南半球進(jìn)入北半球轉(zhuǎn)向成西南氣流，與東北信風(fēng)輻合影響廣西產(chǎn)生降雨時(shí)，歸為西南季風(fēng)影響型。

將288次明顯小到中雨天氣過程進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(表1)，高后回流影響型占41%，切變線影響型占36.5%，南支槽影響型占15.3%，西南渦東移影響型占5.5%，臺(tái)風(fēng)影響型占1%，西南季風(fēng)影響型占0.7%，其中前3種影響型占92.8%。由于西南渦東移、臺(tái)風(fēng)影響、西南季風(fēng)影響型出現(xiàn)的次數(shù)太少(西南渦東移16次，臺(tái)風(fēng)3次，季風(fēng)2次)，本文著重分析前3種天氣類型。1月以及10—12月份切變線影響占的次數(shù)最多；2—5月份高后回流影響占的次數(shù)最多。1—4月出現(xiàn)小到中雨天氣過程204次，占70%，其中2—4月共161次，該時(shí)段是廣西春播春種的關(guān)鍵時(shí)期，農(nóng)作物需水量大，需要增加人工增雨作業(yè)次數(shù)。

表1 廣西飛機(jī)增雨作業(yè)期各月有利于開展作業(yè)的天氣形勢(shì)分類統(tǒng)計(jì)(單位：d)Tab.1 Statistics of effective weather situation type in Guangxi Artificial precipitation enhancement period (unit:d)

2.2 低空急流和水汽來源分析

維持降雨的水汽主要來源于低層，在飛機(jī)增雨作業(yè)期，廣西低層的主要水汽源地為東海、南海、孟加拉灣，當(dāng)?shù)孛媸芾涓邏耗喜靠刂茣r(shí)，廣西近地面為東北或東北偏東氣流控制，水汽從東海向廣西輸送；廣西處在熱帶氣旋東部、出海高壓后部或南海反氣旋西部時(shí)，廣西低層為東南或偏南氣流控制，水汽由南海輸送；當(dāng)西南渦東移、孟加拉灣風(fēng)暴發(fā)展、南支槽東移或季風(fēng)槽影響時(shí)，廣西受西南風(fēng)或偏西氣流控制，水汽來源于孟加拉灣。2006—2015年廣西低層的水汽輸送源地統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，925 hPa的水汽輸送源地為東海、南海，分別占49.7%和45.8%；850 hPa水汽來源為南海、孟加拉灣，分別占35.8%和45.1%；700 hPa水汽來源為孟加拉灣，占94.4%。這是由于廣西處在青藏高原以東、低緯沿海地區(qū)，925 hPa受地面冷高壓的影響較大，冷高壓由北至南移動(dòng)的過程中，水汽從冷高壓底部(高壓中心位于陸地)或高壓后部輸入廣西(高壓中心東移入海)；850 hPa處于接近邊界層上部，同時(shí)受地面和高空系統(tǒng)的影響，當(dāng)?shù)孛胬涓邏狠^強(qiáng)時(shí)，廣西低層水汽來源主要受冷高壓活動(dòng)的影響，來源于東?；蚰虾?；當(dāng)南支槽或西南季風(fēng)較強(qiáng)時(shí)，主要受高空西風(fēng)系統(tǒng)的影響，水汽主要來自孟加拉灣；700 hPa主要受中高空西風(fēng)帶系統(tǒng)的影響，水汽主要來源于孟加拉灣；當(dāng)熱帶氣旋發(fā)展較強(qiáng)盛時(shí)，各層的水汽來源與熱帶氣旋的移動(dòng)路徑密切相關(guān)。

表2 廣西飛機(jī)增雨作業(yè)期低空水汽來源統(tǒng)計(jì)(單位：d)Tab.2 Statistics of Water Vapor Sources at Low layers in Guangxi Artificial Precipitation Enhancement Period (unit:d)

當(dāng)925 hPa出現(xiàn)風(fēng)速≥12 m/s的風(fēng)速帶時(shí)，稱為超低空急流影響；當(dāng)850～700 hPa出現(xiàn)風(fēng)速≥12 m/s的風(fēng)速帶時(shí)，稱為低空急流影響。低空急流是水汽和能量的集中帶，源源不斷地為降雨區(qū)提供水汽和能量，廣西汛期強(qiáng)降雨天氣過程常伴有低空急流。288次過程中，925 hPa出現(xiàn)超低空急流的次數(shù)為1次，850 hPa出現(xiàn)24次，700 hPa出現(xiàn)175次，925～850 hPa出現(xiàn)超低空、低空急流的次數(shù)不多，低層水汽、能量向降雨區(qū)的輸送的強(qiáng)度較小，無對(duì)流性強(qiáng)降雨天氣過程，適宜開展人工增雨作業(yè)。

3 典型個(gè)例分析

3.1 高壓后部回流型

2015年3月11—12日，500 hPa高原小波動(dòng)?xùn)|移，700 hPa高原槽、南支槽在青藏高原東部同位相疊加并逐漸東移，地面冷高壓自北向南移動(dòng)，廣西為冷高壓控制。13日08時(shí)，500 hPa為高原槽槽后西北氣流影響，700 hPa處于南支槽前，24 h內(nèi)，南支槽繼續(xù)東移，槽線自西向東移出廣西，850 hPa為西南氣流控制，地面處于出海高壓后部(圖1)。850～700 hPa出現(xiàn)西南低空急流，水汽來源于孟加拉灣，925 hPa為偏南氣流，水汽來源于南海，近地面層水汽自海面向內(nèi)陸輸送，水汽條件充足，廣西大部出現(xiàn)小到中雨天氣。

圖1 2015年3月13日08時(shí)歐洲中心1°×1°海平面氣壓場(chǎng)(單位：hPa)Fig.1 Sea-level Pressure of ERA Interim Reanalysis Data，Resolution of 1°× 1°，at 08∶00 on March 13, 2015(unit:hPa)

歐洲中心0.25×0.25°網(wǎng)格垂直累積云液態(tài)水資料顯示，2015年3月13日08時(shí)，廣西中部、南部沿海垂直累積云液態(tài)水含水量≥0.05 kg/m2,局部≥1.25 kg/m2(圖2)，即廣西中部、南部以層積混合云為主，水汽條件充足，具備一定的飛機(jī)增雨作業(yè)條件。

圖2 2015年3月13日08時(shí)歐洲中心0.25°×0.25°垂直累積云液態(tài)水含量分布圖(單位：kg/m2)Fig.2 Vertical Integral of liquid Water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on March 13, 2015(unit:kg/m2)

3.2 切變線影響型

2014年4月1—2日700～500 hPa貝加爾湖橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)850 hPa切變線和地面冷鋒南下。3日08時(shí)，貝加爾湖槽移至我國(guó)東部，500 hPa槽底移至長(zhǎng)江口，700 hPa南支小波動(dòng)?xùn)|移，廣西境內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)速≥12 m/s的西南低空急流，850 hPa切變線移至廣西中部(圖3)，925 hPa切變線移至沿海，地面為冷高壓控制，廣西北部、中部海平面氣壓≥1 015 hPa，中低層擾動(dòng)抬升條件充足，廣西大部為小到中雨天氣。

圖3 2014年4月3日08時(shí)歐洲中心1°×1°850 hPa環(huán)流形勢(shì)圖(單位：hPa)Fig.3 850 hPa Atmospheric Circulation of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 1°× 1°, at 08∶00 on April 3, 2014(unit:hPa)

4月3日08時(shí)，廣西南部(切變線南側(cè))出現(xiàn)片狀垂直累積云液態(tài)水含量≥0.05 kg/m2區(qū)域，局部垂直累積云液態(tài)水含量≥1.25 kg/m2(圖4)，云水含量充足，有利于開展飛機(jī)增雨作業(yè)。

圖4 2014年4月3日08時(shí)歐洲中心0.25°×0.25°垂直累積云液態(tài)水含量分布圖(單位：kg/m2)Fig.4 Vertical Integral of Liquid water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on April 3, 2014 (unit:kg/m2)

3.3 南支槽影響型

2013年2月2—3日，700～500 hPa南支槽東移，槽底伸至孟加拉灣北部，廣西處于南支槽前，中層受強(qiáng)盛的西南氣流影響，水汽來源于孟加拉灣。850 hPa切變線在廣西沿海一帶擺動(dòng)，地面冷高壓東移出海。4日08時(shí)，南支槽與北支槽同位疊加?xùn)|移(圖5)，24 h內(nèi)自東向西移出廣西，925～850 hPa為東北氣流控制，水汽來源于東海，地面弱冷空氣補(bǔ)充南下，開始影響廣西北部，廣西大部出現(xiàn)小雨天氣。

圖5 2013年2月4日08時(shí)歐洲中心1°×1°500 hPa形勢(shì)場(chǎng)(單位：hPa)Fig.5 500 hPa Atmospheric Circulation of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 1°× 1°, at 08∶00 on February 4, 2013(unit:hPa)

2月4日08時(shí)，廣西東南部出現(xiàn)垂直累積云液態(tài)水含量≥0.05 kg/m2片狀區(qū)域，桂東局部出現(xiàn)帶狀垂直累積云液態(tài)水含量大值區(qū)(圖6)，云水充足，有利于飛機(jī)增雨作業(yè)的開展。

圖6 2013年2月4日08時(shí)歐洲中心0.25°×0.25°垂直累積云液態(tài)水含量分布圖(單位：kg/m2)Fig.6 Vertical integral of Liquid Water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on February 4, 2013 (unit:kg/m2)

4 結(jié)論

本研究表明：

①?gòu)V西飛機(jī)增雨作業(yè)期各降水系統(tǒng)不是絕對(duì)獨(dú)立的，當(dāng)?shù)孛嫣幵诟邏汉蟛繒r(shí)，24 h內(nèi)有可能存在高緯度高空槽引導(dǎo)低空切變線及地面冷空氣南下影響廣西北部；當(dāng)?shù)孛鏋楦邏汉蟛坑绊憰r(shí)，南支槽有可能東移影響廣西西部，本文以降雨過程發(fā)生時(shí)，造成廣西降水的主要影響系統(tǒng)來分型，分為高壓后部回流、切變線、南支槽、西南渦東移、臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)槽型，對(duì)飛機(jī)增雨作業(yè)期出現(xiàn)的288次小到中雨天氣過程進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)前3種類型占絕大多數(shù)，達(dá)92.8%，秋、冬、春季廣西受西南渦東移、臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)槽影響較少，因此后3種類型出現(xiàn)的次數(shù)較少。

②廣西處在亞熱帶沿海地區(qū)，水汽條件較充足，飛機(jī)增雨作業(yè)期低層主要水汽來源為孟加拉灣、南海、東海，由于各層受到的影響系統(tǒng)不同，其水汽來源差別較大。925 hPa受地面系統(tǒng)影響較大，水汽主要來源于東海、南海，850 hPa接近邊界層頂，同時(shí)受地面和高空系統(tǒng)的影響，水汽主要來源于南海、孟加拉灣，700 hPa主要受高空西風(fēng)帶系統(tǒng)影響，水汽主要來源于孟加拉灣。

③廣西飛機(jī)增雨作業(yè)期288次小到中雨天氣過程中，925 hPa超低空急流、850 hPa低空急流發(fā)生的次數(shù)較少，水汽和能量輸送條件比夏季弱、少，無對(duì)流性強(qiáng)降雨天氣過程，有利于開展飛機(jī)增雨作業(yè)。

④對(duì)有利于開展飛機(jī)增雨作業(yè)的典型個(gè)例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，廣西境內(nèi)出現(xiàn)大片垂直累積云液態(tài)水含量≥0.05 kg/m2區(qū)域，局部出現(xiàn)帶狀垂直累積云液態(tài)水含量大值區(qū)域，這可能與云層的宏、微物理特征有關(guān)，需要今后進(jìn)一步研究論證。