祁連山地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)觀測(cè)與研究進(jìn)展

張文煜 黃穎 尹憲志 李林 程鵬,6 王黎俊 羅漢 張豐偉 林春英 韓輝邦 隆霄 張武 毛文茜，2 王瀟雅，2 把黎

（1 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2 中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，鄭州 450001；4 甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730020；5 青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810001；6 甘肅省蘭州市氣象局，蘭州 730020）

0 引言

祁連山位于甘肅省和青海省的交界處，是青藏高原、內(nèi)蒙古高原和黃土高原的分界線，在氣候分區(qū)上，處于我國(guó)西北干旱區(qū)、東部濕潤(rùn)區(qū)、青藏高原寒區(qū)的過渡帶，是氣候變化的敏感地區(qū)。祁連山地區(qū)降水情況復(fù)雜，降水量地區(qū)差異大、年內(nèi)分配不均、年際變化大，降水量變化對(duì)于毗鄰區(qū)域尤其是河西走廊水資源具有重要影響。河西走廊冬春季農(nóng)業(yè)干旱頻繁發(fā)生，水資源短缺不僅嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且使城市居民生活用水和生態(tài)用水也受到威脅。河西地區(qū)陸地水資源總量不足且地域分布不均，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)建設(shè)、水資源開發(fā)和可持續(xù)利用、防災(zāi)減災(zāi)等提出了越來越高的要求，人工影響天氣作為大氣水資源利用、氣象防災(zāi)減災(zāi)的重要手段，在新的形勢(shì)和需求下，越來越顯示出其重要性，祁連山地區(qū)的空中水資源備受關(guān)注。

許多學(xué)者從不同角度對(duì)祁連山地區(qū)的空中水資源進(jìn)行了探討。祁連山大氣水汽受西風(fēng)帶、偏南季風(fēng)帶和東亞季風(fēng)的影響，過境水汽量較周圍地區(qū)豐沛，常年有水汽的輻合。但水汽總輸送量中只有15%左右形成降水，其余的水汽越界而過。這些豐富的山區(qū)空中水汽在地形抬升、迎風(fēng)坡較多、氣溫較低等條件的共同作用下，容易形成有效的增雨云系。祁連山的地形云是該地區(qū)產(chǎn)生降水最主要的云系之一，具有很好的增雨潛力，對(duì)其進(jìn)行催化作業(yè)可增加其降水量。但是，祁連山地形云的復(fù)雜性、廣泛性、多樣性、以及作業(yè)背景的氣候特征差異性等，使得地形云的水汽場(chǎng)、氣流場(chǎng)、云物理特征等的綜合觀測(cè)非常必要；同時(shí)，開展針對(duì)地形云的人工增雨（雪）作業(yè)指標(biāo)的驗(yàn)證和各類作業(yè)裝備催化效果的驗(yàn)證工作，對(duì)進(jìn)一步提高地形云降水效率也起到關(guān)鍵作用。此外，通過研究試驗(yàn)，掌握地形云作業(yè)技術(shù)方法和指標(biāo)體系，可以為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)作業(yè)條件、作業(yè)量、作業(yè)時(shí)機(jī)等方面提供科學(xué)的方法和手段。

通過本研究試驗(yàn)的實(shí)施，有效開發(fā)空中云水資源，提高地形云降水效率、增加地面降水量，是改善祁連山地區(qū)水資源欠缺的有效途徑之一，也是恢復(fù)和改善西北生態(tài)脆弱地區(qū)的重要途徑。

1 觀測(cè)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 觀測(cè)方案

祁連山區(qū)域面積為5.02萬(wàn)km。根據(jù)試驗(yàn)示范區(qū)設(shè)計(jì)原則和依據(jù)，試驗(yàn)區(qū)設(shè)有一區(qū)和二區(qū)：當(dāng)盛行西北氣流時(shí)，二區(qū)為作業(yè)區(qū)，一區(qū)為對(duì)比區(qū)；當(dāng)盛行西南氣流時(shí)，一二區(qū)可互為作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)（圖1）。試驗(yàn)一區(qū)面積為2.31萬(wàn)km，其中自然保護(hù)區(qū)面積有0.67萬(wàn)km，約占一區(qū)面積的32%；試驗(yàn)二區(qū)面積為2.34萬(wàn)km，其中自然保護(hù)區(qū)面積有0.48萬(wàn)km，約占二區(qū)面積的23%。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)有自動(dòng)氣象站208套、雨滴譜儀32部、探空站7個(gè)、天氣雷達(dá)站5臺(tái)等常規(guī)觀測(cè)儀器，云雷達(dá)1部、微波輻射計(jì)4部、地形云影像觀測(cè)設(shè)備2臺(tái)、GNSS/MET站13個(gè)、車載多普勒天氣雷達(dá)2部等特種觀測(cè)儀器，人影作業(yè)火箭69臺(tái)、高炮22臺(tái)、地面煙爐40個(gè)，同時(shí)配合有飛機(jī)、火箭和衛(wèi)星探測(cè)。地面觀測(cè)儀器形成了“三橫六縱”的網(wǎng)格布局，其中三個(gè)橫向剖面主要是沿著祁連山的山體走向（北坡（橫A）、山脊（橫B）、南坡（橫C））布設(shè)；6個(gè)縱向剖面分別在一區(qū)和二區(qū)各設(shè)有3個(gè)剖面（縱A、縱B、縱C；縱D、縱E、縱F），且一區(qū)和二區(qū)各布設(shè)一個(gè)加密觀測(cè)剖面（縱C、縱E）。

圖1 試驗(yàn)區(qū)范圍及儀器布局Fig. 1 Test area and instrument layout

1.2 加密觀測(cè)帶

一區(qū)的加密觀測(cè)帶（縱C）為祁連至民樂一線（圖2a），其上增加布設(shè)了六要素自動(dòng)氣象站9部、雨滴譜儀5部、移動(dòng)車載云雷達(dá)1部、微波輻射計(jì)2部、C波段天氣雷達(dá)1部。青海、甘肅省內(nèi)各有4部和5部自動(dòng)氣象站，皆按照海拔高度梯度布設(shè)，位于2700～3600 m高度范圍內(nèi)，越靠近祁連山腹地的氣象站海拔高度越高；車載云雷達(dá)位于緊鄰祁連山的張掖市民樂縣卜里溝村，其采用sPPI、RHI和天頂模式結(jié)合的方式進(jìn)行觀測(cè)，可提供包括雷達(dá)反射率因子、徑向速度、退偏振比等參數(shù)的基數(shù)據(jù)和譜數(shù)據(jù)；兩部微波輻射計(jì)分別位于民樂縣海潮音寺和祁連縣人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)，均采用天頂模式進(jìn)行觀測(cè)。

圖2 一區(qū)（a）和二區(qū)（b）加密觀測(cè)帶Fig. 2 The encrypted observation bands in region 1 (a) and region 2 (b)

二區(qū)的加密觀測(cè)帶（縱E）為門源至武威一線（圖2b），其上增加布設(shè)了六要素自動(dòng)氣象站8部、雨滴譜儀1部、微波輻射計(jì)2部。青海、甘肅省內(nèi)各有3部和5部自動(dòng)氣象站，與一區(qū)加密觀測(cè)帶相同，也為海拔高度梯度站，位于2600～3600 m高度范圍內(nèi)；兩部微波輻射計(jì)分別位于肅南裕固族自治縣皇城鎮(zhèn)水關(guān)村和海北藏族自治州門源縣老龍灣管護(hù)站，均采用天頂模式進(jìn)行觀測(cè)。

2 課題研究進(jìn)展

2.1 背景場(chǎng)分析

2.1.1 降水量場(chǎng)分析

為了解祁連山地區(qū)降水量場(chǎng)的氣候分布特征，利用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)集的降水資料，對(duì)祁連山及其周邊地區(qū)降水量時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析（圖3）。發(fā)現(xiàn)祁連山地區(qū)平均年降水量為232.4 mm，降水量的空間分布極不均勻，山區(qū)降水量遠(yuǎn)大于周圍的平原，降水量分布與海拔高度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，海拔越高處降水量越大，降水量最大值出現(xiàn)在祁連山中部的高海拔地區(qū)，年降水量值最大超過550 mm；年降水量場(chǎng)常呈西北—東南向分布，中部和東部地區(qū)降水量較大。年降水量總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其氣候傾向率達(dá)到24.7 mm/10 a。使用MK方法對(duì)年降水量進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)降水量于1996—1997年發(fā)生突變，1996年前降水量偏少，多為負(fù)距平，1997年后降水增多。祁連山地區(qū)降水量的季節(jié)變化明顯，降水主要發(fā)生在夏季，其降水量占全年總降水的54.08%；各季節(jié)降水量都呈增加的趨勢(shì)，但秋季降水增加最明顯，秋季降水氣候傾向率高達(dá)9.8 mm/10 a。因我國(guó)西部山區(qū)降雪觀測(cè)較為缺乏，冬春季降水量的分析可能存在不確定性。祁連山地區(qū)的降水也有顯著的日變化特征，3小時(shí)累計(jì)降水量在14：00—20：00最大。研究區(qū)白天降水的增加方向由東向西，入夜后降水量的減少方向由西向東。

圖3 1979—2017年祁連山地區(qū)平均年降水量空間分布（單位：mm）Fig. 3 The spatial distribution of average annualprecipitation from ERA-Interim data in Qilian Mountainsduring 1979-2017 (Unit: mm)

2.1.2 氣流場(chǎng)分析

山區(qū)風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)直接影響著動(dòng)量、熱量和水汽的輸送，從而影響著山區(qū)氣象要素的分布，利用2018年ERA-Interim再分析資料，統(tǒng)計(jì)分析了祁連山區(qū)的地面風(fēng)場(chǎng)分布特征發(fā)現(xiàn)，受大氣環(huán)流及地形的影響，祁連山區(qū)存在一些定常性的風(fēng)場(chǎng)環(huán)流特征。對(duì)祁連山西段（圖4）、中段（圖5）和東段（圖6）分別進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)祁連山區(qū)盛行氣流主要有西北氣流型、西北轉(zhuǎn)東北氣流型、東南或偏南氣流型、東南轉(zhuǎn)東北氣流型、西北—東南氣流輻合型、東北—西南氣流輻合型、偏西或西南氣流型等7種類型。

圖4 祁連山西段地形（a）及地面風(fēng)場(chǎng)類型（b）Fig. 4 Terrain (a) and surface wind field types (b) in the western of Qilian Mountains

圖5 祁連山中段地形（a）及地面風(fēng)場(chǎng)類型（b～d）Fig. 5 Terrain (a) and surface wind field types (b-d) in the middle part of Qilian Mountains

圖6 祁連山東段地形（a）及地面風(fēng)場(chǎng)類型（b～f）Fig. 6 Terrain (a) and surface wind field types (b-f) in the eastern of Qilian Mountains

祁連山西段主要包括大雪山、托勒南山、野馬南山、疏勒南山、黨河南山、土爾根達(dá)坂山、宗務(wù)隆山。祁連山西段常見的風(fēng)場(chǎng)類型為以山體為中心，氣流向外輻散，但輻散中心的位置并不確定，可能出現(xiàn)在山體的很多地方，由于輻散中心位置的變化，祁連山區(qū)西段山系不同區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)存在差異。

祁連山中段主要包括走廊南山、冷龍嶺的西段、托來山、大通山以及青海南山。祁連山中段主體受偏西氣流影響，整體氣流呈現(xiàn)輻散形勢(shì)，在北坡走廊南山、托來山及冷龍嶺處轉(zhuǎn)為西南氣流，大通山處為偏西氣流，在南坡青海南山處轉(zhuǎn)為西北、偏北甚至是東北氣流，并且在青海南山的最南部邊坡受青藏高原而來的偏南風(fēng)影響，在此處形成氣流的匯合，有時(shí)南坡輻散形勢(shì)表現(xiàn)的不太明顯時(shí)，青海南山受偏西氣流影響，不會(huì)在邊坡形成氣流的匯合。當(dāng)高原南風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)，青海南山轉(zhuǎn)為偏南氣流。當(dāng)高原南風(fēng)強(qiáng)盛且南坡輻散形勢(shì)較弱時(shí)，祁連山區(qū)中段為一致的西南氣流。

祁連山東段包括冷龍嶺的中東段、烏鞘嶺、達(dá)坂山以及拉脊山。祁連山東段最常見的地面風(fēng)場(chǎng)受偏西氣流影響，氣流在北部山區(qū)冷龍嶺中東段、烏鞘嶺、達(dá)坂山和南部山區(qū)拉脊山呈現(xiàn)出不同的態(tài)勢(shì)，在北部山區(qū)氣流呈輻散形勢(shì)，偏西氣流在冷龍嶺山脈段轉(zhuǎn)為西南氣流，在達(dá)坂山脈段轉(zhuǎn)為西北氣流，冷龍嶺和達(dá)坂山之間的谷地以及烏鞘嶺為偏西氣流，而南部山區(qū)拉脊山受青藏高原輻散氣流影響，為西南氣流，有時(shí)青藏高原的影響不明顯，且北部山區(qū)的輻散形勢(shì)強(qiáng)烈時(shí)，拉脊山受輻散氣流邊緣的西北或東北氣流影響。當(dāng)北部山區(qū)的輻散形勢(shì)不明顯并且青藏高原的輻散氣流強(qiáng)烈時(shí)，整個(gè)祁連山東部都轉(zhuǎn)為西南或偏南氣流，當(dāng)北部山區(qū)輻散形勢(shì)明顯且青藏高原的南風(fēng)強(qiáng)烈時(shí)，易在拉脊山形成輻合。

為了解祁連山地面風(fēng)場(chǎng)的整體情況，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)2018和2019年祁連山區(qū)的地面氣流場(chǎng)進(jìn)行了分型及統(tǒng)計(jì)，根據(jù)祁連山區(qū)氣流的來向把流場(chǎng)分為五種類型，分別為：西南及偏西氣流型，出現(xiàn)次數(shù)占48.88%；輻合輻散氣流型，出現(xiàn)次數(shù)占23.88%；東北及偏東氣流型，出現(xiàn)次數(shù)占7.91%；西北及偏北氣流型，出現(xiàn)次數(shù)占14.39%；偏南氣流型，出現(xiàn)次數(shù)占4.94%。從中可以得到祁連山區(qū)全年出現(xiàn)最多頻率的流場(chǎng)為西南及偏西氣流型。從表1中可以看出，四個(gè)季節(jié)的盛行氣流均為西南及偏西氣流，春夏秋冬出現(xiàn)的頻率分別為63.01%、44.20%、34.24%和54.44%。春季出現(xiàn)頻率第二的是輻合輻散氣流，出現(xiàn)頻率為24.35%；夏季西北及偏北氣流出現(xiàn)頻率僅次西南及偏西氣流，占比為22.12%；秋季和冬季出現(xiàn)頻率次于西南及偏西氣流的為輻合輻散氣流，出現(xiàn)頻率分別為28.26%和23.42%。

表1 祁連山區(qū)地面流場(chǎng)分型統(tǒng)計(jì)Table 1 Classification statistics of surface flow field inQilian Mountain area

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)定分析

2.2.1 FY3A/MERSI大氣可降水產(chǎn)品的精度驗(yàn)證

風(fēng)云三號(hào)A星（FY-3A）是中國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星的第一顆科學(xué)研發(fā)衛(wèi)星，由國(guó)家衛(wèi)星氣象中心針對(duì)中分辨率光譜成像儀MERSI近紅外通道開發(fā)了水汽產(chǎn)品，為了更好地應(yīng)用該產(chǎn)品數(shù)據(jù)，需要對(duì)其精度驗(yàn)證。分別采用地基GPS水汽、AERONET水汽和探空水汽數(shù)據(jù)對(duì)FY-3A/MERSI 5分鐘段水汽產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證，在剔除一些異常值后繪制了MERSI水汽的對(duì)比散點(diǎn)圖（圖7）。盡管與3個(gè)參考數(shù)據(jù)匹配的樣本數(shù)不同，但它們的相關(guān)系數(shù)都在0.867以上，說明MERSI水汽量與3個(gè)參考數(shù)據(jù)都有很好的相關(guān)性。當(dāng)水汽量較低（＜7.5 mm）時(shí)，MERSI水汽產(chǎn)品與3個(gè)參考數(shù)據(jù)值都比較接近，樣本均分布在散點(diǎn)圖1∶1直線附近；當(dāng)水汽量大較高（＞7.5 mm）時(shí)，所有樣本都分布在散點(diǎn)圖1∶1直線的下方，平均偏差均小于0，說明MERSI水汽產(chǎn)品值比參考數(shù)據(jù)值低。圖7a是MERSI水汽與地基GPS水汽的散點(diǎn)圖，兩者的相關(guān)系數(shù)最高，為0.944；平均絕對(duì)百分誤差

MAPE

為22.83%、均方根誤差

RMSE

為1.62 mm、平均偏差

MB

為-0.93 mm，在3個(gè)參考數(shù)據(jù)中誤差最小的，主要是搭載MERSI傳感器的FY-3A衛(wèi)星過境時(shí)間與GPS觀測(cè)水汽的時(shí)間差最小，低于5 min。圖7b是MERSI水汽與AERONET水汽的散點(diǎn)圖，相關(guān)系數(shù)為0.867，盡管稍低，但仍達(dá)到極顯著水平；

MAPE

、

RMSE

和

MB

分別為27.42%、2.33 mm和-1.12 mm，在3個(gè)參考數(shù)據(jù)中誤差居中；由于MERSI與AERONET水汽的時(shí)間差異在30 min內(nèi)，兩者的同步性較好，相對(duì)誤差相對(duì)較小。從

MAPE

值來看，MERSI水汽與地基GPS和AERONET水汽的相對(duì)精度，與同類衛(wèi)星MODIS近紅外通道反演水汽產(chǎn)品的絕對(duì)精度±13%相似。圖7c是MERSI水汽與Radiosonde水汽的散點(diǎn)圖，由于MERSI與Radiosonde觀測(cè)水汽的時(shí)間不同步，兩者至少相差2.5 h以上，對(duì)于晴朗的天氣，對(duì)流層的水汽受太陽(yáng)照射后，水汽量變化較大，因此MERSI相對(duì)于探空水汽的

MAPE

、

RMSE

和

MB

分別為35.12%、5.40 mm和-3.35 mm，兩者的相對(duì)誤差在3個(gè)參考數(shù)據(jù)中最高?？傮w而言，MERSI數(shù)據(jù)反演的水汽產(chǎn)品精度較好。

圖7 MERSI水汽與GPS水汽（a）、太陽(yáng)光度計(jì)水汽（b）、探空水汽（c）的散點(diǎn)圖Fig. 7 Scatter diagrams of MERSI water vapor andGPS water vapor (a), solar photometer water vapor (b),andsounding water vapor (c)

2.2.2 微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演方法研究

地基微波輻射計(jì)是一種通過接收大氣輻射信號(hào)來遙感大氣的被動(dòng)遙感設(shè)備，能夠通過反演算法獲取高時(shí)間分辨率的大氣溫度、相對(duì)濕度和水汽密度廓線，具有全天候自動(dòng)觀測(cè)的能力。研究地基微波輻射計(jì)反演算法，對(duì)提高其反演精度具有極其重要的意義，故項(xiàng)目對(duì)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)的反演方法進(jìn)行了研究。

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是Moody和Darken在1998年提出的，基本思想是利用徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）作為隱層神經(jīng)元的基，構(gòu)成隱含層空間，隱含層對(duì)輸入矢量進(jìn)行變換，將低維的模式輸入數(shù)據(jù)帶入高維空間，訓(xùn)練過程主要為徑向基中心的確定和隱含層到輸入層之間權(quán)重系數(shù)的計(jì)算，訓(xùn)練較為便捷，得到廣泛應(yīng)用，為了解RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在反演微波輻射計(jì)資料方面的應(yīng)用效果，研究利用地基微波輻射計(jì)亮溫資料和同期探空資料，建立了應(yīng)用于地基微波輻射計(jì)溫度、相對(duì)濕度和水汽密度反演的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并將反演結(jié)果與地基微波輻射計(jì)自帶反演產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比，探究了徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地基微波輻射計(jì)氣象要素反演算法本地化的應(yīng)用效果。結(jié)果表明: 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演的溫度、相對(duì)濕度和水汽密度的均方根誤差最大值分別為2.72 K、22.32%和0.73 g·m，在所有高度層上徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反演結(jié)果均優(yōu)于微波輻射計(jì)，反演產(chǎn)品對(duì)2～10 km、1～7 km、0～3 km的大氣溫度、相對(duì)濕度和水汽密度廓線的反演均有明顯改善，徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用于地基微波輻射計(jì)氣象要素的反演算法的本地化。

為提高地基微波輻射計(jì)反演大氣溫/濕度廓線的精度，研究提出了一種直接利用高垂直分辨率探空資料與地基微波輻射計(jì)觀測(cè)亮溫訓(xùn)練反演溫、濕度廓線BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案?；诘鼗⒉ㄝ椛溆?jì)的觀測(cè)特點(diǎn)，提出了一種基于微波輻射計(jì)地面觀測(cè)資料和探空資料的觀測(cè)亮溫綜合質(zhì)量控制方案，利用質(zhì)量控制后的觀測(cè)亮溫訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（OBS-BP），并與基于MonoRTM輻射傳輸模式模擬亮溫訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SIM-BP）的方法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，OBS-BP反演溫度廓線的均方根誤差隨高度逐漸增大，范圍為0.62～2.81 K，偏差范圍為-0.67～0.43 K，相關(guān)系數(shù)隨高度的升高逐漸減小，變化范圍為0.92～0.99；相對(duì)濕度廓線的均方根誤差在0～4.75 km隨高度升高而增，在4.75 km以上隨高度升高而減小，范圍為8.21%～24.37%，偏差范圍為-3.87%～4.54%，相關(guān)系數(shù)隨高度升高逐漸減小，變化范圍為 0.13～0.94。將OBS-BP和SIM-BP反演高時(shí)間頻次的溫/濕度廓線的效果進(jìn)行了對(duì)比，得出 OBS-BP 的反演結(jié)果能更好地反映對(duì)流層內(nèi)大氣溫、濕度演變過程，相對(duì)于利用SIM-BP 的反演結(jié)果，OBS-BP 反演溫/濕廓線在各個(gè)高度層上均優(yōu)于 SIM-BP，與探空資料具有更好的一致性，更適用于實(shí)際觀測(cè)中地基微波輻射計(jì)溫、濕度廓線的反演。

2.2.3 人影探空火箭數(shù)據(jù)的精確度驗(yàn)證

隨著人影探測(cè)火箭系統(tǒng)在人影作業(yè)中的廣泛使用，人影探測(cè)火箭采集的數(shù)據(jù)可靠性及誤差將會(huì)是實(shí)際業(yè)務(wù)中關(guān)注的問題。利用TK-2GPS人影探空火箭和L波段探空資料，采用平均偏差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)等分析方法，對(duì)兩種探空數(shù)據(jù)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向及風(fēng)速等要素的差異性和變化特征進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)可能造成差異的原因進(jìn)行了探討。兩種探空數(shù)據(jù)的對(duì)比分析結(jié)果表明：TK-2GPS探空火箭與L波段探空同要素相互間均呈顯著的正相關(guān)，并通過了0.05顯著性水平的檢驗(yàn)；溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度的相關(guān)性較好，分別達(dá)到了1.0、0.91和0.67；風(fēng)向相關(guān)性略差，相關(guān)系數(shù)為0.18。溫度、風(fēng)速平均偏差和離散度較小，探測(cè)效果最好；相對(duì)濕度的平均偏差雖大，但相關(guān)性較好；風(fēng)向的離散度最大，相關(guān)性相對(duì)較差。從同要素不同高度的分析來看，溫度和風(fēng)速在各高度層相關(guān)性較好，差異性較小，TK-2GPS人影探測(cè)火箭溫度數(shù)值較探空氣球偏小，風(fēng)速較探空氣球偏大；風(fēng)向在各高度層的離散度較大，相關(guān)性也較差；相對(duì)濕度在不同的高度層均呈正相關(guān)，平均偏差相對(duì)較大。從各要素的垂直廓線對(duì)比分析來看，溫度和風(fēng)速廓線的變化趨勢(shì)一致性很高，且兩種數(shù)據(jù)差異較小，對(duì)大氣溫度和風(fēng)速的測(cè)量均比較準(zhǔn)確。相對(duì)濕度廓線的變化趨勢(shì)存在一定差異，TK-2GPS人影探測(cè)火箭數(shù)據(jù)偏小，相對(duì)濕度最大相差達(dá)45%左右。風(fēng)向廓線一致性在700 hPa以上較高，數(shù)據(jù)差異較小，在700 hPa以下一致性較低，數(shù)據(jù)差異較大。

兩種不同的探測(cè)儀器間勢(shì)必會(huì)存在一定差異，究其原因，主要有：一是探測(cè)原理的不同。L波段探空雷達(dá)隨氣球的上升開始探測(cè)，是自下而上的探測(cè)；而TK-2GPS人影探測(cè)火箭正好相反，當(dāng)火箭上升到最大高度后開始下落時(shí)探測(cè)，是從上而下的探測(cè)。二是探測(cè)時(shí)間的差異。兩種探測(cè)方式最接近的個(gè)例在時(shí)間也相差在15 min左右，大部分個(gè)例相差近2 h以上，大氣的溫、濕各要素隨時(shí)間變化明顯，不同的時(shí)間氣象要素必然存在差異。三是探測(cè)距離造成的差異。兩種儀器雖布設(shè)在同一區(qū)域，但直線距離達(dá)30 km，探測(cè)距離上的差異也會(huì)產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)差異。四是儀器自身造成的差異。TK-2GPS人影探測(cè)火箭和探空氣球所攜帶的是不同廠家型號(hào)的溫、濕傳感器，不同廠家的儀器之間，在探測(cè)精度方面也會(huì)存在一定差異。

2.3 云結(jié)構(gòu)和水汽場(chǎng)分析

2.3.1 祁連山北坡云垂直結(jié)構(gòu)特征分析

利用敦煌、酒泉、張掖、民勤探空站2014—2019年的探空數(shù)據(jù)，對(duì)祁連山北坡云的發(fā)生頻率及云垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析（圖8）。結(jié)果表明，就祁連山北坡全不同層數(shù)年云的發(fā)生頻率而言，云的發(fā)生頻率較低，僅為20%～40%；單層云的發(fā)生頻率高于多層云，且多層云以2層云和3層云為主。在全年平均云層厚度上，祁連山北坡2層云的下層云厚度為1.4～1.8 km，上層云厚度為0.9～1.0 km，下層云厚度明顯大于上層云；3層云中頂層云的厚度最大，為0.9～1.0 km，且底層云與中層云之間的晴空夾層厚度大于中層云與頂層云之間的晴空厚度。在季節(jié)變化上，祁連山北坡所有云的發(fā)生頻率呈現(xiàn)夏高冬低的規(guī)律，單層、2層和3層云在夏季出現(xiàn)頻率皆大于其他季節(jié)；夏季單層云和2層云出現(xiàn)的頻率較為接近，春秋冬三季單層云出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)高于2層云和3層云。祁連山北坡云層高度也有顯著的季節(jié)變化，各層數(shù)云的云底高度、云頂高度都表現(xiàn)為夏高冬低。單層云的云層厚度在春季最厚為1.3 km、夏季最薄為0.9 km；雙層云上下云層之間的晴空夾層厚度冬季最大，為0.7 km；3層云的中層與下層云之間晴空厚度大于中層與上層云之間的晴空厚度。

圖8 祁連山北坡云高度的季節(jié)變化（a）敦煌，（b）酒泉，（c）張掖，（d）民勤Fig. 8 Seasonal variation of cloud height on the north slope of Qilian Mountains(a) Dunhuang, (b) Jiuquan, (c) Zhangye, (d) Minqin

2.3.2 微波輻射計(jì)反演水汽

目前應(yīng)用于水汽和液態(tài)水觀測(cè)的遙感設(shè)備包括地基微波輻射計(jì)、地基GPS遙感、衛(wèi)星紅外遙感等，其中地基微波輻射計(jì)受云、霧的影響較小，穿透能力強(qiáng)，垂直分辨率高，可通過觀測(cè)所得的亮溫反演得到大氣溫度、相對(duì)濕度、水汽密度廓線和云液態(tài)水總量，被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流天氣和降水預(yù)報(bào)、天氣過程分析和人工影響天氣等多個(gè)領(lǐng)域，尤其在水汽和液態(tài)水變化特征研究中的應(yīng)用更為廣泛。

信號(hào)發(fā)生模塊電路如圖5所示，可由1個(gè)外部參考時(shí)鐘、1個(gè)退耦電容電路、1個(gè)低精度數(shù)字電位器組成[6]。外部參考時(shí)鐘采用的是25M的有源晶振；低精度電阻器采用的是MCP41010數(shù)字電位器[7]，用來調(diào)節(jié)幅度的大?。ㄒ?yàn)锳D9833產(chǎn)生正的弦波只有5V，采用數(shù)字電位器可以調(diào)節(jié)其幅度的大小，便于按鍵調(diào)節(jié)幅度的輸出）。

使用張掖觀象臺(tái)WVP 3000微波輻射計(jì)2017年全年的水汽、液態(tài)水觀測(cè)資料，對(duì)張掖地區(qū)水汽和液態(tài)水含量的變化特征進(jìn)行了初步研究（圖9），分析表明：張掖地區(qū)大氣水汽和液態(tài)水含量的最大值分別出現(xiàn)于8月和4月，分別為2.34 cm和0.84 mm。全年大氣水汽含量的日變化特征水汽日變化呈現(xiàn)出雙峰分布，峰值分別位于03時(shí)和17時(shí)，峰值水汽含量分別為1.081 cm和1.127 cm，水汽含量的日變化與溫度日變化趨勢(shì)具有較好的一致性，降水量高值時(shí)段滯后于水汽含量高值時(shí)段約3個(gè)小時(shí)；張掖地區(qū)四季水汽變化具有明顯的差異，季節(jié)平均值夏季＞春季＞秋季＞冬季，水汽含量的高值區(qū)均出現(xiàn)在正午到傍晚時(shí)段，夜間均存在水汽含量逐漸下降的趨勢(shì)，春、夏、秋三季日出前后水汽含量下降趨勢(shì)尤為明顯，日間水汽含量變化較之夜間更為劇烈；晴空條件下，張掖市觀象臺(tái)水汽來源以太陽(yáng)加熱地表導(dǎo)致的局地蒸發(fā)為主。四季水汽日變化差異明顯，季節(jié)平均值夏季＞春季＞秋季＞冬季，高值區(qū)均出現(xiàn)在正午到傍晚時(shí)段；晴空條件下，張掖市觀象臺(tái)水汽來源以太陽(yáng)加熱地表導(dǎo)致的局地蒸發(fā)為主；春、夏、秋三季的液態(tài)水日變化具有較大差異，春季波動(dòng)變化明顯存在5個(gè)峰值、夏季呈現(xiàn)出單峰變化、秋季為雙峰變化，春、夏、秋三季的液態(tài)水變化與水汽變化沒有明顯相關(guān)性。

圖9 （a）張掖地區(qū)大氣月平均大氣水汽、液態(tài)水含量和月總降水量變化特征；（b）春、夏、秋季張掖地區(qū)云液態(tài)水含量平均日變化Fig. 9 (a) Variation characteristics of atmospheric average monthly water vapor, liquid water content and total monthlyprecipitation in Zhangye Area. (b)The average daily variation of liquid water content in Zhangye Area in spring, summerand autumn

2.3.3 空中水汽的時(shí)空分布特征及水汽的收支

使用歐洲中心ERA-5數(shù)據(jù)集的比濕、氣壓、氣壓層上的風(fēng)速資料，對(duì)1996—2016年祁連山地區(qū)的空中水汽分布特征及水汽的收支進(jìn)行了研究。

計(jì)算多年平均各月大氣含水量（圖10）分布發(fā)現(xiàn)，大氣含水量夏季＞秋季＞春季＞冬季，其中7月大氣含水可達(dá)到95.6 mm，8月次之，最高為91.1 mm，6月最高大氣含水量為67.8 mm；冬季大氣含水量最低，其中1月最低僅為14 mm，2月次之，最高為16.1 mm，12月大氣含水量最高為16.2 mm。大氣含水量高值主要集中在6、7、8 月，且各月大氣含水量的總體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一致狀態(tài)，即有水汽輸送多的季節(jié)大氣含水量普遍增多，而水汽輸送少的季節(jié)大氣含水量則變少，說明祁連山地區(qū)的水汽來源主要靠大尺度天氣系統(tǒng)的輸送。

圖10 1996—2016年多年平均月大氣含水量變化折線圖（單位：mm）Fig. 10 Broken line diagram of changes in averagemonthly atmospheric water content over the years from1996 to 2016 (unit: mm)

研究區(qū)各個(gè)季節(jié)的大氣含水量（圖11）的空間分布非常相似，水汽高值區(qū)位于研究區(qū)東北角、西南角和西邊，其中夏季較多，冬季較少，大氣含水量低值區(qū)位于祁連山中部，因?yàn)槠钸B山地區(qū)海拔高，山脈阻擋，水汽很難到達(dá)，故而水汽含量偏少。結(jié)合季節(jié)降水分布圖來看，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的大氣含水量和降水量的多少在季節(jié)上是一一對(duì)應(yīng)的，即兩者隨時(shí)間變化同增同減，而在空間上兩者的差異是明顯的，大氣含水量高值區(qū)與降水區(qū)并不是一一對(duì)應(yīng)，這也說明了降水的條件并不單靠水汽，降水較多處除了要有水汽來源外，還需要有上升氣流、凝結(jié)核的作用，這也是進(jìn)行人工增雨時(shí)需要關(guān)注的部分。

圖11 1996—2016年各季節(jié)多年平均大氣含水量空間分布圖（單位：mm）Fig. 11 Spatial distribution diagram of multi-year average atmospheric water content in each season from 1996 to 2016(unit: mm)

水汽收支可以反映流經(jīng)某一地區(qū)的水汽凈收支情況。在計(jì)算中，經(jīng)向水汽收支用西邊界水汽收支減去東邊界水汽收支，數(shù)值為正表示在研究區(qū)內(nèi)東、西方向上總體呈現(xiàn)水汽輸入大于輸出，即研究區(qū)水汽增多，數(shù)值為負(fù)則相反；緯向水汽收支用北邊界減去南邊界水汽收支，為正表示在研究區(qū)南、北方向上總體呈現(xiàn)水汽輸入大于輸出，即研究區(qū)水汽增加，為負(fù)則相反；總水汽收支等于經(jīng)向水汽收支和緯向水汽收支的和，為正表示水汽增加，為負(fù)表示水汽減少。由表2可見，祁連山地區(qū)各月凈水汽收支基本為負(fù)，其中夏季的凈水汽收支數(shù)值的絕對(duì)值比較小。結(jié)合圖12和表2可知，從研究區(qū)的各季節(jié)水汽總收支看，夏季水汽為凈輸入，輸入值為4.2×100 kg/(m·s)，說明夏季祁連山地區(qū)空中有水汽堆積，只需合理開發(fā)，有利于人工降水，其余季節(jié)水汽收支均為水汽輸出，秋季輸出值最大為3.9×100 kg/(m·s)，其次為春季，輸出水汽2.6×100 kg/(m·s)，冬季最小，為-1.2×100 kg/(m·s)。從各邊界的水汽收支情況看，夏秋兩季的水汽輸送量大，春冬的邊界水汽輸送量小，同時(shí)我們可以看出，在研究區(qū)內(nèi)，水汽輸送以經(jīng)向輸送為主，即西邊界為主要水汽輸入方向，這也符合之前學(xué)者得到的結(jié)論，西北地區(qū)高原切變線以北的水汽輸送以西風(fēng)帶為主。

表2 1996—2016年月整層水汽通量在各邊界的水汽收支情況表（單位：107噸）Table 2 Water vapor balance of the entire layer at allboundaries from 1996 to 2016 (unit: 107t)

圖12 2006—2015年季節(jié)整層水汽通量在個(gè)邊界的水汽收支情況表（單位：100kg/(m·s)）（其中正負(fù)僅代表方向，箭頭也指示水汽流動(dòng)方向）Fig. 12 Water vapor budget and expenditure of the wholelayer of water vapor flux at various boundaries in theseason from 2006 to 2015 (unit: 100kg/(m·s))(The positive and negative represent the direction, andthe arrow indicates the direction of water vapor flow)

2.4 氣候變化及其徑流響應(yīng)研究

近年來隨著祁連山山區(qū)及黑河流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，使得內(nèi)陸河流域氣候－水資源－生態(tài)體系的有機(jī)性和自組織優(yōu)勢(shì)受到破壞，水資源短缺和生態(tài)環(huán)境問題日益突出。因此，在全球氣候變暖背景下，研究祁連山高山寒區(qū)氣候變化特征以及對(duì)徑流的影響，為流域內(nèi)水資源的可持續(xù)利用發(fā)展提供參考依據(jù)具有現(xiàn)實(shí)意義。研究利用1960—2017年水文、氣象資料，采用相關(guān)分析、Mann-Kendall和小波分析等方法，研究了祁連山中部氣候和徑流量變化特征。結(jié)果表明，近60年祁連山中部氣溫呈明顯升高的趨勢(shì)，年平均、最高和最低氣溫的升溫幅度分別為 0.39 ℃/10 a、0.32 ℃/10 a和0.46 ℃/10 a，氣溫上升的速率高于西北其他地區(qū)，最低氣溫的升幅最大；四季的氣溫均呈升高趨勢(shì)，冬季升溫最為明顯。就空間變化而言，祁連山中部降水呈明顯增加趨勢(shì)，降水增加了約19.2%，增加的幅度高于西北地區(qū)。就季節(jié)變化而言，夏季降水的增加速率高于其他季節(jié)，降水的增加主要是因?yàn)橄募窘邓脑龆唷Ｆ钸B山中部氣候暖濕化趨勢(shì)較西北區(qū)域其他地方更為突出，四季暖濕化中冬季變暖、夏季趨濕特征明顯。周期變化分析結(jié)果表明，年平均溫度和降水分別存有8 a和30 a的主周期，徑流量由30 a的主周期和8 a的次周期；在徑流量周期響應(yīng)中，短周期（8 a）與平均氣溫振蕩非常一致，長(zhǎng)周期（30 a）與年平均降水變化較為一致。氣溫和降水的突變結(jié)果顯示，祁連山中部降水的突變時(shí)間不明顯，年平均、最低和最高氣溫的突變時(shí)間分別為1993、1991和1994年，氣溫突變時(shí)間領(lǐng)先于中國(guó)西北其他地區(qū)。降水和氣溫都是影響徑流的因素，受降水增加和溫度升高影響，黑河上游徑流量增加趨勢(shì)明顯。通過相關(guān)分析建立的模型能很好的分析徑流量影響因子，并能應(yīng)用于徑流量預(yù)測(cè)。模型結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，降水的增多和氣溫的升高使得年徑流量增加了5.33×10m3，降水和氣溫分別使徑流量增加了21.1%和10.9%，并且降水對(duì)徑流的影響更大；在氣溫突變之后，降水和氣溫對(duì)徑流量的影響都明顯增大。

2.5 人工增雨效果檢驗(yàn)評(píng)估

為改善甘肅河西走廊石羊河流域生態(tài)環(huán)境，2010年開始?xì)庀蟛块T在該流域的人工增雨作業(yè)點(diǎn)從22個(gè)增加到71個(gè)，并大幅度增加了作業(yè)量。因此，一個(gè)普遍關(guān)心的問題是，人工增雨作業(yè)規(guī)模大幅度增加后的效果如何？為回答這個(gè)問題，以作業(yè)規(guī)模增加后近10年（2010—2019年）石羊河流域的降水量資料，采用作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)的區(qū)域歷史回歸統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)石羊河流域2010—2019年期間的人工增雨效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，并分析了徑流量和植被狀況變化情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，2010年以來，4—10月人工增雨絕對(duì)增雨量為33.7 mm，平均相對(duì)增雨率為17.5%，4月、9—10月結(jié)果通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，5—8月結(jié)果通過了0.1的顯著性水平檢驗(yàn)。就不同季節(jié)而言，春季（4—5月）和秋季（9—10月）人工增雨效果要好于夏季，相對(duì)增雨率達(dá)到了13.3%以上。石羊河流域作業(yè)區(qū)內(nèi)徑流量增加趨勢(shì)明顯，人工增雨作業(yè)期間徑流量增加了3.7%，徑流量增加速率為0.067×10m/a，而對(duì)比區(qū)徑流量則呈下降趨勢(shì)。人工增雨有效增加了石羊河流域降水，增加了生態(tài)需水量，對(duì)石羊河流域生態(tài)治理恢復(fù)起到了積極的作用。石羊河流域年平均歸一化植被指數(shù)（NDVI）在0.15～0.18，2010年以后平均植被指數(shù)和平均植被覆蓋百分比增加趨勢(shì)較為明顯，平均植被覆蓋百分比達(dá)到了46%以上并保持穩(wěn)定，植被恢復(fù)效果顯著。生態(tài)效應(yīng)的證據(jù)表明，近10年在自然降水和人工增雨作業(yè)的共同影響下，植被指數(shù)0.3以下面積明顯減少，0.3以上面積明顯增加；植被改善的面積占總流域面積的20.1%，石羊河流域上游的東南部是植被改善最好的區(qū)域。石羊河流域開展人工增雨效果比較顯著，研究結(jié)果初步表明，人工增雨可成為河流流域生態(tài)恢復(fù)治理的有效補(bǔ)充措施。

2.6 數(shù)值模擬

選取2018年發(fā)生在祁連山區(qū)的兩次典型的降水個(gè)例，8月28日為一次典型的地形云降水，隨后8月30—31日在山區(qū)發(fā)生了范圍更廣，降水量更大的過程，利用WRF中尺度數(shù)值模擬，對(duì)夏季祁連山區(qū)地形云降水和過程降水中云和降水的宏觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對(duì)比分析，研究探索祁連山地形云和降水的發(fā)生發(fā)展機(jī)制。模擬方案采用三重嵌套網(wǎng)格，母域和子域中心均定位于張掖雷達(dá)站（100.25°E，39.09°N），粗、細(xì)網(wǎng)格的格距分別為27、9和3 km，格點(diǎn)數(shù)分別為121×91、121×91、151×151。垂直高度分30層，格距為500 m。粗網(wǎng)格讀入的初邊界資料是NCEP的分辨率為1°×1°的全球6 h間隔的再分析資料，粗網(wǎng)格模擬生成的逐1 h預(yù)報(bào)結(jié)果插值到細(xì)網(wǎng)格上，為細(xì)網(wǎng)格模擬提供初始條件和邊界條件。模擬過程中選用的主要物理參數(shù)化方案包括WSM3類冰雹方案、YSU邊界層方案、Noah陸面參數(shù)化方案等。

圖13 2018年8月28日08時(shí)—29日08時(shí)的總降水量實(shí)況（a）和模擬（b）；2018年8月30日08時(shí)—9月1日08時(shí)的總降水量實(shí)況（c）和模擬（d）（單位：mm）Fig. 13 Reality (a) and simulation (b) of total precipitation at 8:00 am, 28 to 8:00 am, 29 in August 2018; Reality (c) andsimulation (d) of total precipitation at 08:00 BT 30 August to 08:00 BT 1 September in 2018 (unit: mm)

圖14 為兩個(gè)降水過程發(fā)生時(shí)前后的天氣環(huán)流形勢(shì)以及高低空配置。200 hPa層面上，兩次過程都是由于高空急流和南亞高壓的加強(qiáng)造成的，31日巴爾喀什湖北部低槽快速發(fā)展導(dǎo)致槽前西北氣流增強(qiáng)；30日500 hPa副熱帶高壓西進(jìn)北抬，西南風(fēng)為山區(qū)為降水提供水汽；30日700 hPa層面上有較強(qiáng)的低空急流，降水區(qū)域在低空急流的左側(cè)，低空切變的右側(cè)同時(shí)東南風(fēng)向山區(qū)輸送水汽，為降水創(chuàng)造了有利的條件。

圖14 2018年8月30日08時(shí)（a）、14時(shí)（b）及31日00時(shí)（c）、08時(shí)（d）200hPa高度和風(fēng)速圖；2018年8月30日14時(shí)（e），31日02時(shí)（f）、08時(shí)（g）、14時(shí)（h）500hPa天氣圖；2018年8月31日20時(shí)（i），9月1日02時(shí)（j）、08時(shí)（k）、14時(shí)（l）700hPa天氣圖Fig. 14 Height and wind speed of 200 hPa at 08 BT (a), 14 BT (b), 00 BT (c), 08 BT (d) on 30 August 2018; Weathercharts for 14 BT on 30 August 2018 (e), 02 BT on 31 August 2018 (f), 08 BT on 31 August 2018 (g) and 14 BT on31 August 2018 (h) on 500 hPa; Weather charts for 20 BT on 31 August 2018 (i), 02 BT on 1 September 2018 (j), 08 BTon 1 September 2018 (k) and 14 BT on 1 September 2018 (l) on 700 hPa

從TBB云圖上可看出過程降水發(fā)生時(shí)對(duì)流強(qiáng)，云頂亮溫低，而地形云降水范圍小，降水少，云頂亮溫主要分布在-32 ℃以下，主要由中低云組成。對(duì)比分析云系構(gòu)演變特征（圖15），28日8時(shí)低渦前緣云系首先接近祁連山西北部，受地形的強(qiáng)迫抬升作用，開始影響祁連山區(qū)中西部，沿著祁連山脈形成一條西北—東南走向的云帶。28日16時(shí)（圖15b）祁連山西北段的云系開始快速發(fā)展，云頂亮溫降低。隨后對(duì)流云團(tuán)沿著祁連山脈向東南部移動(dòng)，截止29日云團(tuán)到達(dá)祁連山東段，在背風(fēng)坡下沉氣流的作用下減弱。過程降水的云系的云頂亮溫高，30—31日降水由兩個(gè)不同云團(tuán)引起，30日在山區(qū)中段的西側(cè)有對(duì)流云團(tuán)快速發(fā)展并向東移從而影響山區(qū)東段，隨后繼續(xù)向東移動(dòng)，緩慢減弱消散。31日的降水則是由兩個(gè)云團(tuán)不斷伸展合并，從而影響祁連山區(qū)，該云系范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地形云降水的云系。

圖15 2018年8月28日08時(shí)—9月1日05時(shí)（a～l）FY-2ETBB云圖Fig. 15 Fy-2E TBB cloud chart from 08 BT 28 August 2018 to 05 BT 1 September 2018 (a-l)

沿著門源（101.61°E，37.38°N）至皇城水關(guān)（102.56°E，37.88°N）截取剖面，對(duì)比分析不同個(gè)例降水最強(qiáng)時(shí)刻的雨水含量剖面圖（圖16），典型地形云降水比大范圍過程降水的雨水含量小。地形云降水最大區(qū)域有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，與其他區(qū)域相比，海拔高的區(qū)域雨水含量較大，由此可見地形抬升局地性強(qiáng)，地形抬升作用對(duì)降水影響很大；過程降水一般都包含著地形云降水，但雨水含量與海拔高度相關(guān)性小，這一點(diǎn)與地形云降水明顯不同。

圖16 2018年8月28—31日不同時(shí)刻雨水混合比剖面圖（單位：kg/kg），矢量箭頭為風(fēng)場(chǎng)（W×20），灰色陰影為地形Fig. 16 Profile of rainwater mixing ratio from 28 to 31 August 2018 (unit: kg/kg), vector arrows are wind field (W×20),gray shadows are terrain

與雨水含量剖面相比，云水含量大值區(qū)高度低于雨水含量大值區(qū)（圖17）。在地形云降水過程中，強(qiáng)垂直上升區(qū)域的底層云水含量大，與地形抬升作用相關(guān)；過程降水發(fā)生時(shí)，云水含量大小與地形云降水差別不大，但大值區(qū)與海拔高度依舊相關(guān)性小。

圖17 2018年8月28—31日不同時(shí)刻云水混合比剖面（單位：kg/kg），矢量箭頭為風(fēng)場(chǎng)（W×20），灰色陰影為地形Fig. 17 Cloud water mixing ratio section from 28 to 31 August 2018 (unit: kg/kg), vector arrow is wind field (W×20),gray shadow is terrain

3 結(jié)論

通過“西北區(qū)域人工影響天氣工程祁連山地形云人工增雨（雪）技術(shù)研究試驗(yàn)”的開展，在祁連山試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了作業(yè)天氣背景條件分析、綜合觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)、增雨作業(yè)技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)以及觀測(cè)資料融合應(yīng)用等研究試驗(yàn)工作。

1）收集了各要素探測(cè)數(shù)據(jù)及作業(yè)相關(guān)信息，為開展各種作業(yè)方法的效果檢驗(yàn)和評(píng)估提供了數(shù)據(jù)支撐。通過開展祁連山試驗(yàn)區(qū)降水量場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜地形條件下降水的特征進(jìn)行了觀測(cè)，通過觀測(cè)試驗(yàn)得到祁連山地形條件下降水量場(chǎng)的觀測(cè)方法，初步形成了降水量場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)集。

2）利用試驗(yàn)區(qū)探空、再分析等多年歷史觀測(cè)資料，分析了祁連山地區(qū)降水量和天氣形勢(shì)的特征，揭示了祁連山區(qū)降水量場(chǎng)和氣流場(chǎng)的特征。祁連山地區(qū)平均年降水量為232.4 mm，降水量最大值出現(xiàn)在祁連山中部的高海拔地區(qū)，年降水量值最大超過550 mm；根據(jù)祁連山區(qū)氣流的來向把流場(chǎng)分為五種類型：西南及偏西氣流型，輻合輻散氣流型，東北及偏東氣流型，西北及偏北氣流型，偏南氣流型。

3）利用試驗(yàn)區(qū)的特種觀測(cè)資料和常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)儀器以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精確性進(jìn)行了研究。分別采用地基GPS水汽、AERONET水汽和探空水汽數(shù)據(jù)對(duì)FY-3A/MERSI水汽產(chǎn)品進(jìn)行了精度驗(yàn)證；探究了徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地基微波輻射計(jì)氣象要素反演算法本地化的應(yīng)用效果，并提出基于微波輻射計(jì)地面觀測(cè)資料和探空資料的觀測(cè)亮溫綜合質(zhì)量控制方案；對(duì)TK-2GPS人影探測(cè)火箭和L波段探空數(shù)據(jù)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)等要素的差異性和變化特征進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)可能造成差異的原因進(jìn)行了探討。

4）對(duì)祁連山地區(qū)云、水資源的變化特征進(jìn)行了研究。利用探空站歷史數(shù)據(jù)探討了云垂直結(jié)構(gòu)的反演方法，并對(duì)祁連山地區(qū)云的發(fā)生頻率及云垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)祁連山北坡云的發(fā)生頻率較低，僅為20%～40%。利用微波輻射計(jì)的水汽、液態(tài)水觀測(cè)資料，對(duì)張掖地區(qū)水汽和液態(tài)水含量的變化特征進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)張掖地區(qū)大氣水汽和液態(tài)水含量的最大值分別出現(xiàn)于8月和4月，分別為2.34 cm和0.84 mm，全年大氣水汽含量的日變化特征水汽日變化呈現(xiàn)雙峰分布，峰值分別位于03時(shí)和17時(shí)。利用水文、氣象資料，研究了祁連山中部氣候和徑流量變化特征，發(fā)現(xiàn)降水和氣溫分別使徑流量增加了21.1%和10.9%，并且降水對(duì)徑流的影響更大。

5）對(duì)石羊河流域2010—2019年期間的人工增雨效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果表明，2010年以來，4—10月人工增雨絕對(duì)增雨量為33.7 mm，平均相對(duì)增雨率為17.5%。且石羊河流域作業(yè)區(qū)內(nèi)徑流量增加趨勢(shì)明顯，人工增雨作業(yè)期間徑流量增加了3.7%，平均植被指數(shù)和平均植被覆蓋百分比增加趨勢(shì)較為明顯，平均植被覆蓋百分比達(dá)到了46%以上并保持穩(wěn)定，植被恢復(fù)效果顯著。

6）利用WRF中尺度數(shù)值模擬，對(duì)夏季祁連山區(qū)地形云降水和過程降水中云和降水的宏觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)地形抬升局地性強(qiáng)，地形抬升作用對(duì)降水影響很大，過程降水一般都包含著地形云降水。