祁連山北坡地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)研究

尹憲志 王研峰* 李照榮 程鵬 李寶梓 王毅榮 張豐偉 楊瑞鴻 龐朝云

（1 甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730020；2 甘肅省氣象局，蘭州 730020）

0 引言

祁連山是青藏高原東北部重要的生態(tài)屏障，是黃河流域重要水源產(chǎn)流地，由于人類(lèi)活動(dòng)的干擾和氣候變暖等因素的影響，祁連山地區(qū)的各種生態(tài)系統(tǒng)日趨惡化，生產(chǎn)力急劇下降，水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)功能降低，河流徑流減少，已成為嚴(yán)重制約該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大問(wèn)題。

祁連山地區(qū)大部分降水偏少，但由于祁連山的地形抬升作用，山區(qū)有利于地形云的發(fā)展，是祁連山地區(qū)水資源的重要補(bǔ)給。大量人工增雨試驗(yàn)結(jié)果表明，地形云是人工增雨效率較高的催化作業(yè)云系，祁連山增雨試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析得出人工增雨雪可增加降水15%左右。在祁連山開(kāi)展地形云人工增雨（雪）試驗(yàn)研究，可以為有效開(kāi)發(fā)空中云水資源、提高地形云降水效率和增加地面降水量提供科技支撐，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。

地形云因地形的影響而變得復(fù)雜，特別是地形云形成過(guò)程中水汽場(chǎng)、氣流場(chǎng)受地形影響形成不同特征的地形云，其宏觀和微觀云物理特征也變化多端，了解和掌握這些特征和機(jī)理，是科學(xué)開(kāi)展祁連山北坡人工增雨（雪）業(yè)務(wù)必不可少的重要一環(huán)。

因祁連山地形云的復(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，開(kāi)展地形云的水汽場(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(kāi)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(lèi)作業(yè)裝備催化效果的驗(yàn)證工作，對(duì)提高地形云降水效率也起到關(guān)鍵作用。此外，通過(guò)研究試驗(yàn)，掌握地形云作業(yè)技術(shù)，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。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)概況

本研究在祁連山中段北坡開(kāi)展進(jìn)行地形云觀測(cè)，在試驗(yàn)區(qū)的民樂(lè)縣人影作業(yè)區(qū)開(kāi)展地形云外場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)祁連山大范圍降水過(guò)程進(jìn)行立體觀測(cè)，包括地面云雷達(dá)、C波段雙偏振雷達(dá)、探空火箭、微波輻射計(jì)等綜合觀測(cè)，為全面了解祁連山地形云成云致雨條件和增雨潛力奠定了基礎(chǔ)。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

利用試驗(yàn)區(qū)雷達(dá)、降水類(lèi)天氣現(xiàn)象觀測(cè)儀、探空等觀測(cè)儀器在祁連山試驗(yàn)區(qū)開(kāi)展作業(yè)天氣背景條件分析、綜合觀測(cè)對(duì)比、增雨作業(yè)技術(shù)驗(yàn)證等開(kāi)展研究試驗(yàn)，形成高質(zhì)量的祁連山區(qū)探測(cè)數(shù)據(jù)集，結(jié)合數(shù)值模式，分析得出試驗(yàn)區(qū)不同降水類(lèi)型的平均雨滴譜特征，地形云云中大氣水汽含量、液態(tài)水含量等，獲得地形云水汽場(chǎng)氣候特征和時(shí)空變化特征，得出增雨（雪）條件判別指標(biāo)及作業(yè)技術(shù)方案，形成可業(yè)務(wù)應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)體系。

2 試驗(yàn)結(jié)果初步分析

2.1 人工增雨（雪）催化試驗(yàn)及效果檢驗(yàn)

2019年10月開(kāi)始開(kāi)展祁連山區(qū)域增雨（雪）試驗(yàn)，并收集作業(yè)效果信息，截至目前，祁連山北坡實(shí)施地面人工增雨（雪）117點(diǎn)次，共收集15次作業(yè)過(guò)程，86條作業(yè)信息。聯(lián)合西北區(qū)域氣候中心對(duì)作業(yè)區(qū)域開(kāi)展衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的作業(yè)效果檢驗(yàn)評(píng)估。2020年2月9日祁連山區(qū)積雪總面積比歷年同期增加了25.77%，其中東段、中段和西段的積雪面積分別比歷年同期增加了38.45%、17.81%和25.99%。2020年3月下旬，根據(jù)對(duì)祁連山冰川積雪的實(shí)地監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，祁連山腹地海拔近4000 m的寧纏埡口（冰川雪線(xiàn)變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）積雪面積和厚度為近7年來(lái)最大，雪線(xiàn)明顯下移、雪深加厚。

2.2 祁連山云水資源分析

利用歐洲中心0.5°×0.5°高分辨率再分析資料，結(jié)合衛(wèi)星和地面降水觀測(cè)資料，分析了祁連山水凝物總量（圖1）和祁連山降水總量（圖2），結(jié)果表明2016—2018年祁連山地區(qū)年平均水汽總量約為38053.7億 t，水凝物為2293.9億 t；總降水量為1771.7億 t；水汽更新周期平均為11.3 d，水凝物更新周期為2.4 h；水汽降水效率約為4.7%，水凝物降水效率約為77.2%；空中云水資源總量約為522.2億 t。

圖1 2016—2018年祁連山水凝物總量（單位：mm）Fig. 1 Total amount of hydrometeor in Qilian Mountains during 2016 to 2018 (unit: mm)

圖2 2016—2018年祁連山降水量（單位：mm）Fig. 2 Total amount of precipitation in Qilian Mountains during 2016 to 2018 (unit: mm)

2.3 祁連山地區(qū)地形地貌

研究祁連山的地形地貌，揭示不同天氣類(lèi)型下地形地貌下祁連山云和降水機(jī)理，為人工增雨作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。祁連山30°以下坡度占據(jù)86.6%（圖3），空間分布格局復(fù)雜，溝壑遍布，各個(gè)坡向占比例均衡（圖4）；祁連山草地、裸地占據(jù)86.7%；其次森林、水體、農(nóng)地占用10.5%，具有明顯的空間分布格局（圖5）。

圖3 祁連山坡向分布（a）和比例（b） Fig. 3 The distribution (a) and propotion (b) of slopeaspect in Qilian Mountains

圖4 祁連山坡度角分布（a）和比例（b）Fig. 4 The distribution (a) and propotion (b) of slope anglein Qilian Mountains

圖5 祁連山植被分布（a）和占比（b）Fig. 5 The distribution (a) and propotion (b) of vegetationin Qilian Mountains

2.4 云滴譜特征

2020年8月29日，甘青兩省聯(lián)合實(shí)施祁連山有人飛機(jī)探測(cè)，KA-350探測(cè)飛機(jī)從西寧機(jī)場(chǎng)起飛，經(jīng)門(mén)源（南坡）—永昌（北坡）—民樂(lè)（北坡）—祁連（南坡），完成跨越祁連山探測(cè)后返回西寧；位置信息：門(mén)源10：14—永昌12：06；云頂高：6800 m；云頂溫度：-8.1 ℃；云厚度：2.3 km。分析云滴譜特征（圖6），得出云層下部粒子主要集中在10～20 μm左右，0 ℃層及以下各尺度粒子均有分布，其以上在7～9 μm尺度段出現(xiàn)斷層，云滴在經(jīng)過(guò)0 ℃層后，由于固態(tài)粒子融化變?yōu)橐簯B(tài)，＜10 μm的粒子碰并增長(zhǎng)數(shù)濃度減小，＞20 μm的粒子在下落過(guò)程中破碎，數(shù)濃度明顯減小，10～20 μm的粒子由于碰并和破碎造成數(shù)濃度明顯增大。

圖6 云滴譜特征Fig. 6 The characteristics of cloud droplet spectral

2.5 催化作業(yè)雨滴譜變化特征

以2020年8月21日在祁連山開(kāi)展的人工增雨外場(chǎng)試驗(yàn)為例，分析了祁連山北坡增雨作業(yè)前后雨滴譜特征參量和譜型的變化。作業(yè)后雨滴尺度、總數(shù)濃度、雨強(qiáng)等均出現(xiàn)增大趨勢(shì)。作業(yè)后雨滴譜的譜寬逐漸變寬，作業(yè)后10 min，峰型由單峰轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰，譜寬持續(xù)增大。

3 結(jié)語(yǔ)

祁連山是我國(guó)西部重要生態(tài)安全屏障和冰川與水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)，通過(guò)研究可以提高空中水資源的利用率，緩解地區(qū)水資源短缺，提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境承載能力，提高祁連山地形云人工增雨（雪）作業(yè)的科技水平和綜合業(yè)務(wù)服務(wù)能力。本研究未來(lái)將繼續(xù)在云模式模擬、云催化模擬、降水機(jī)理、地形云對(duì)比觀測(cè)和空中云水資源潛力等方面，開(kāi)展進(jìn)一步的研究。