六盤山地形云人工增雨技術(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

翟昱明 李向棟 孔晨晨 李進(jìn)玉 范曉華 李化泉 高國(guó)清 石云林 濮江平 桑建人 舒志亮 田磊 穆建華 周積強(qiáng) 黃諶愷 楊志蓮

0 引言

人工增雨是建立在云物理學(xué)研究基礎(chǔ)之上的應(yīng)用工程技術(shù)。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)、將適當(dāng)劑量的催化劑播撒到云中適當(dāng)部位（即“三適當(dāng)”原則）是人工增雨的核心要素，也是人工增雨科學(xué)作業(yè)、精準(zhǔn)作業(yè)的關(guān)鍵所在。六盤山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)就是要獲取這“三適當(dāng)”相關(guān)的天氣動(dòng)力學(xué)和云物理學(xué)相關(guān)的物理因子，在西北地形云研究基礎(chǔ)上，采用地面高炮、火箭和焰爐發(fā)生器施放人工冰核催化劑，改變地形云云滴－雨滴轉(zhuǎn)化的微物理過(guò)程，提高云滴－雨滴的轉(zhuǎn)化效率，增加地形云降水量。

六盤山脈地處青藏高原地區(qū)東部延伸地帶，南北逶迤為200 km，平均海拔為2500 m，主峰米缸山海拔為2942 m。既是關(guān)中平原的天然屏障，又是北方重要的分水嶺，六盤山南部重疊峽谷是涇河的主要發(fā)源地，另外還有清水河、葫蘆河等均發(fā)源于此。因而，在西北人工影響天氣能力建設(shè)工程中增加研究試驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)展地形云自然降水研究和人工增雨試驗(yàn)，發(fā)揮工程建設(shè)的最佳效益。

六盤山山脈形成的“南北走向山墻”對(duì)于不同類型的天氣過(guò)程而變得復(fù)雜，特別是地形云形成過(guò)程中水汽場(chǎng)、氣流場(chǎng)受山墻地形的影響形成了不同于祁連山地形云的特征。2018—2020年開(kāi)展六盤山地形云生消規(guī)律研究，計(jì)劃用3年的時(shí)間完成六盤山地形云自然降水概念模型和六盤山地形云人工增雨概念模型的建立。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是為寧夏六盤山區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)地面作業(yè)能力、人影作業(yè)指揮系統(tǒng)、試驗(yàn)示范基地提供或驗(yàn)證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、資料，解決各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)在實(shí)施和運(yùn)行中存在的技術(shù)難點(diǎn)和有關(guān)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工程所建各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施的科學(xué)應(yīng)用、各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)的有效落實(shí)和工程整體效益的切實(shí)發(fā)揮。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)展研究試驗(yàn)總結(jié)得到的人工影響天氣技術(shù)、指標(biāo)和方法也將對(duì)后續(xù)其他相關(guān)人工影響天氣能力建設(shè)工程提供有益借鑒，減少后續(xù)相關(guān)工程建設(shè)中重復(fù)性問(wèn)題。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

“西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目六盤山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)”作為“西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目”建設(shè)的前期研究試驗(yàn)，試驗(yàn)思路和試驗(yàn)方法不偏離人工影響天氣基本知識(shí)基本原理，目的是利用當(dāng)前云物理學(xué)認(rèn)知開(kāi)展地形云研究，指導(dǎo)西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目，建設(shè)的人工影響天氣專業(yè)探測(cè)設(shè)備及六盤山試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)有和未來(lái)建設(shè)的氣象探測(cè)設(shè)備，開(kāi)展六盤山核心地區(qū)的地形云研究試驗(yàn)，提高六盤山地形云人工增雨作業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則是地形云試驗(yàn)研究與人工增雨技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，研究試驗(yàn)與西北人影工程建設(shè)目標(biāo)高度一致，試驗(yàn)研究與工程建設(shè)緊密結(jié)合，同步設(shè)計(jì)同步實(shí)施，研究試驗(yàn)技術(shù)方法與技術(shù)路線的可行性與先進(jìn)性并重。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)組根據(jù)寧夏回族自治區(qū)氣象局總體布局，在專家組的協(xié)助下寧夏人影中心完成了“六盤山地形云試驗(yàn)基地構(gòu)架規(guī)劃和項(xiàng)目設(shè)計(jì)”。依據(jù)規(guī)劃，2020年該項(xiàng)目建設(shè)已經(jīng)初具規(guī)模，為打造“國(guó)家級(jí)地形云試驗(yàn)基地”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)合六盤山地區(qū)常規(guī)氣象觀測(cè)體系，充分發(fā)揮人工影響天氣特種觀測(cè)設(shè)備作用，特別是采用地面降水粒子譜觀測(cè)方法，摸清六盤山區(qū)云水資源的現(xiàn)狀及地形云的分布及其結(jié)構(gòu)特征，提高六盤山區(qū)人工增雨實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的科技含量，制定六盤山地形云人工增雨作業(yè)效果評(píng)估方法，提高當(dāng)?shù)貧庀蟛块T人影作業(yè)指揮技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平和業(yè)務(wù)素質(zhì)，開(kāi)展人影科學(xué)作業(yè)和精準(zhǔn)作業(yè)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)體系為：

1）制定六盤山地區(qū)人工影響天氣特種觀測(cè)資料的質(zhì)量控制方法，在外場(chǎng)綜合觀測(cè)期間開(kāi)展云水資源分析和云宏微觀物理量分析，收集人影特種觀測(cè)資料，建立觀測(cè)數(shù)據(jù)集；分析地形動(dòng)力抬升及重力波形成與降水分布的規(guī)律；結(jié)合國(guó)家氣候中心研究的六盤山地區(qū)格點(diǎn)化降水資料，與實(shí)際觀測(cè)降水量對(duì)比分析，檢驗(yàn)格點(diǎn)化資料。

2）在云水資源背景方面，分析六盤山區(qū)水汽、流場(chǎng)、地形云宏微觀等方面的特征；地形對(duì)云降水過(guò)程起到至關(guān)重要作用，尋找六盤山區(qū)穩(wěn)定的水汽來(lái)源與水汽通道，水汽輸送、氣流輻合、各類環(huán)流天氣系統(tǒng)匯集區(qū)。結(jié)合人工影響天氣數(shù)值模式方法，通過(guò)外場(chǎng)綜合觀測(cè)試驗(yàn)，研究地形云的形成機(jī)制和開(kāi)發(fā)潛力；分析六盤山區(qū)地形云形成、發(fā)展、消亡的規(guī)律，建立六盤山區(qū)地形云降水的概念模型。

3）在地形云人工增雨作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)方面，給出不同天氣條件下不同作業(yè)手段的衛(wèi)星、雷達(dá)及人工影響天氣特種觀測(cè)的云宏微觀物理量相關(guān)的人工增雨作業(yè)指標(biāo)，地形云人工增雨作業(yè)技術(shù)，作業(yè)條件、作業(yè)量、作業(yè)時(shí)機(jī)，各類作業(yè)裝備催化效果的驗(yàn)證，建立六盤山地形云人工增雨作業(yè)概念模型，以及概念模型中各特征參量計(jì)算的方法，提高六盤山區(qū)地形云增雨作業(yè)科學(xué)性。

4）在作業(yè)效果評(píng)估方面，借鑒自然降水變化規(guī)律及人工影響天氣效果方法，研究六盤山區(qū)多年來(lái)開(kāi)展的人工增雨作業(yè)的統(tǒng)計(jì)效果檢驗(yàn)及物理效果檢驗(yàn)的方法，尋找能夠佐證地面增雨效果的云的宏微觀物理量變化的物理證據(jù)。構(gòu)架六盤山地形云人工催化作業(yè)條件探測(cè)體系和作業(yè)效果檢驗(yàn)方案。

2 試驗(yàn)方案

六盤山地區(qū)人工增雨的目的主要是生態(tài)保護(hù)，既要人工增雨，也要開(kāi)展山地水資源保護(hù)利用。在前期水分子結(jié)構(gòu)理論研究基礎(chǔ)上開(kāi)展人工增雨技術(shù)研究。六盤山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)六盤山地形云開(kāi)展背景研究和人工增雨試驗(yàn)，在項(xiàng)目專家組指導(dǎo)下聯(lián)合寧夏回族自治區(qū)人工影響天氣中心（以下簡(jiǎn)稱寧夏人影中心）和固原市涇源縣、隆德縣氣象局完成六盤山地區(qū)天氣背景分析、六盤山地形云綜合觀測(cè)試驗(yàn)和六盤山地形云人工增雨作業(yè)技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)，計(jì)劃收集不少于8個(gè)降水過(guò)程的外場(chǎng)綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)集，分析研究降水過(guò)程規(guī)律、人工增雨作業(yè)指標(biāo)和物理響應(yīng)，建立六盤山地區(qū)降水概念模型和人工增雨概念模型，修訂人工增雨作業(yè)指標(biāo)，制定人工增雨作業(yè)效果評(píng)估方案。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)內(nèi)容

六盤山試驗(yàn)區(qū)包含固原市的涇源、隆德、西吉、彭陽(yáng)等縣地域，核心試驗(yàn)區(qū)以六盤山氣象站、隆德縣氣象局、涇源縣氣象局和涇源縣大灣作業(yè)點(diǎn)范圍內(nèi)的，主要是東西橫穿六盤山脈的梯度觀測(cè)站網(wǎng)（圖1）。其中固原市天氣雷達(dá)位于六盤山頂2840 m海拔高度的六盤山氣象站，2020年中國(guó)氣象科學(xué)研究院新購(gòu)置的X波段雙偏振雷達(dá)安裝在彭陽(yáng)縣孟原鄉(xiāng)，2021年計(jì)劃再購(gòu)置一部X波段雙偏振雷達(dá)建于西吉縣境內(nèi)，距離六盤山氣象站約90 km。

圖1 六盤山核心試驗(yàn)區(qū)（a）和梯度觀測(cè)站高度（b）分布Fig. 1 Distribution of height (a) and gradient station height (b) at Liupan Mountains core test area

總體設(shè)計(jì)分為三大類別、六個(gè)分項(xiàng)和16個(gè)子項(xiàng)目，研究?jī)?nèi)容分解到寧夏人影中心、固原市氣象局公服中心、涇源縣氣象局、隆德縣氣象局和六盤山氣象站（表1）。

表1 研究試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容Table 1 Research and experiment contents

2.2 觀測(cè)設(shè)備和人影裝備

六盤山試驗(yàn)區(qū)包含常規(guī)和人影專用探測(cè)設(shè)備，布設(shè)主要集中在四個(gè)綜合觀測(cè)站、兩個(gè)雷達(dá)站和一個(gè)探空站（表2）。另外還有區(qū)域加密自動(dòng)氣象站301個(gè)，其中六盤山西側(cè)147個(gè)，東側(cè)154個(gè)，自動(dòng)站間平均距離為7～8 km。寧夏回族自治區(qū)支持六盤山生態(tài)環(huán)境改善項(xiàng)目購(gòu)置了數(shù)十套地面自動(dòng)站進(jìn)行補(bǔ)充。

表2 研究試驗(yàn)的特種觀測(cè)探測(cè)設(shè)備Table 2 Cloud observation equipment

觀測(cè)儀器的布設(shè)按照地形云研究的常規(guī)分布，在六盤山西側(cè)梯度站和隆德縣氣象局觀測(cè)場(chǎng)、六盤山東側(cè)梯度站、涇源縣氣象局觀測(cè)場(chǎng)、大灣作業(yè)炮點(diǎn)和六盤山山頂氣象站等3個(gè)超級(jí)站和7個(gè)梯度站，初步分析了其中的微雨雷達(dá)數(shù)據(jù)。觀測(cè)站分布參見(jiàn)圖2a。

在隆德縣氣象局新觀測(cè)場(chǎng)、大灣作業(yè)點(diǎn)、六盤山氣象站觀測(cè)場(chǎng)建設(shè)了3個(gè)超級(jí)云物理觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)站都配備有Ka波段測(cè)云儀、微雨雷達(dá)、微波輻射計(jì)、激光云高儀等云物理專用垂直遙感探測(cè)裝備和雨滴譜儀。為的是比較六盤山西側(cè)、東側(cè)和六盤山頂?shù)南到y(tǒng)性云的微物理結(jié)構(gòu)分析。六盤山氣象雷達(dá)2019年改造為C波段雙偏振多普勒雷達(dá)，為地形云人工增雨作業(yè)條件識(shí)別提供了大范圍掃描信息。中國(guó)氣象科學(xué)研究院提供了4臺(tái)激光云高儀布設(shè)在各個(gè)超級(jí)云物理探測(cè)站，另外工程項(xiàng)目辦支援六盤山試驗(yàn)的1部X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)安裝在孟原，距離六盤山雷達(dá)站約98 km，加上寧夏回族自治區(qū)支持六盤山生態(tài)環(huán)境改善項(xiàng)目支持六盤山試驗(yàn)區(qū)的X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，能夠解決六盤山天氣雷達(dá)站自身“燈下黑”的探測(cè)難題。

六盤山地區(qū)人工影響天氣作業(yè)體系隸屬于固原市氣象局人工影響天氣中心，包括涇源、隆德縣地面作業(yè)點(diǎn)，涉及六盤山核心試驗(yàn)區(qū)作業(yè)點(diǎn)有11個(gè)，分布在六盤山西側(cè)的隆德縣的城關(guān)、觀莊、陳靳、大莊、奠安、好水6個(gè)點(diǎn)，六盤山東麓的涇源縣的大灣、什字、惠臺(tái)、黃花、興盛5個(gè)點(diǎn)，總共火箭發(fā)射架27部。另有12部地面焰爐布設(shè)在隆德縣的城關(guān)、大莊、陳靳和涇源縣的大灣、什字、惠臺(tái)等作業(yè)點(diǎn)，六盤山頂氣象站還有一部未曾使用過(guò)的焰爐。各儀器作業(yè)設(shè)備分布參見(jiàn)圖2。固原市人影狀況分析參見(jiàn)文獻(xiàn)。

圖2 （a）綜合觀測(cè)站（白色方塊）、區(qū)域自動(dòng)站（綠圓點(diǎn)）和11個(gè)火箭作業(yè)點(diǎn)（藍(lán)圓點(diǎn)）分布；（b）12部地面焰爐作業(yè)點(diǎn)（藍(lán)色心形）Fig. 2 Distribution map of Integrated observation stations(the white square), automatic surface observations (greendot), 11 rocket sites(blue dot) (a), 12 operation points ofground seeding generators (b)

2.3 觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

自然云降水過(guò)程觀測(cè)主要依賴天氣雷達(dá)和特種雷達(dá)。固原市六盤山頂C波段多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)方案是中國(guó)氣象局規(guī)定的VCP21體掃觀測(cè)模式，無(wú)法更改也不允許隨意變動(dòng)為RHI掃描體制，為此，試驗(yàn)組專門定制的X波段多普勒雙偏振雷達(dá)設(shè)計(jì)了觀測(cè)方案，主要體現(xiàn)在六盤山方位上的RHI掃描觀測(cè)模式。每天定時(shí)開(kāi)機(jī)觀測(cè)：每天08時(shí)開(kāi)始到20時(shí)為止，每個(gè)小時(shí)整點(diǎn)和半點(diǎn)時(shí)刻，對(duì)六盤山雷達(dá)站方位和相反正南方向進(jìn)行兩個(gè)方位的RHI垂直體掃，完成后進(jìn)行規(guī)定16個(gè)角度模式的體掃，然后停機(jī)休息。如果發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的對(duì)流云，應(yīng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流中心位置各偏離±3°方位角進(jìn)行RHI垂直體掃。根據(jù)天氣狀況和試驗(yàn)指揮部指令臨時(shí)開(kāi)機(jī)加密觀測(cè)。

激光降水粒子譜儀、三維超聲波氣流儀、Ka波段測(cè)云儀、多通道微波輻射計(jì)WMR、連續(xù)波微雨雷達(dá)MRR、激光云高儀、霧滴譜儀和地面多要素地面自動(dòng)氣象站等全自動(dòng)測(cè)量?jī)x器要求24 h連續(xù)觀測(cè)。為保障試驗(yàn)區(qū)所有使用特種專用技術(shù)裝備的有效運(yùn)行，建立定期標(biāo)定檢定制度。每年外場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始、結(jié)束均應(yīng)標(biāo)定檢定一次，微波輻射計(jì)每三個(gè)月標(biāo)定一次，標(biāo)定檢定由設(shè)備生產(chǎn)廠家負(fù)責(zé)完成并提交標(biāo)定檢定報(bào)告和探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制報(bào)告。試驗(yàn)期間常駐六盤山試驗(yàn)區(qū)技術(shù)人員，每天將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)分析繪圖進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常及時(shí)巡檢觀測(cè)儀器。

GPS/GNSS/Met掩星觀測(cè)系統(tǒng)水汽反演需要特殊方法實(shí)現(xiàn)大氣整層水汽濃度及水平分布，平?jīng)鰺o(wú)線電探空資料每天定時(shí)傳輸?shù)皆囼?yàn)組，供飛機(jī)人工增雨作業(yè)條件判定依據(jù)。地形云宏觀觀測(cè)方案主要建議隆德涇源和六盤山氣象站恢復(fù)地面人工云能天的觀測(cè)記錄，培訓(xùn)開(kāi)展手機(jī)視頻拍攝記錄地形云宏觀演變狀況。

2.4 試驗(yàn)進(jìn)度報(bào)告制度

外場(chǎng)試驗(yàn)整體進(jìn)度控制包括在項(xiàng)目生命周期中協(xié)調(diào)所有其他項(xiàng)目管理領(lǐng)域所涉及的過(guò)程。它確保項(xiàng)目所有的組成要素在正確的時(shí)間結(jié)合在一起，以成功地完成項(xiàng)目。項(xiàng)目整體管理主要包括項(xiàng)目計(jì)劃的制定、項(xiàng)目計(jì)劃執(zhí)行、整體變更控制以及首席科學(xué)家對(duì)項(xiàng)目的支持。外場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目組定期（每個(gè)月25日）向六盤山項(xiàng)目辦提交“工作進(jìn)展報(bào)告”，每月底前由六盤山項(xiàng)目辦匯總“工作進(jìn)展報(bào)告”提交給西北區(qū)域項(xiàng)目管理辦公室。

2.5 培訓(xùn)機(jī)制及學(xué)術(shù)交流

六盤山試驗(yàn)組建立了培訓(xùn)機(jī)制，邀請(qǐng)人工影響天氣行業(yè)專家對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各單位和有關(guān)試驗(yàn)人員開(kāi)展多種形式的觀測(cè)技術(shù)培訓(xùn)，也邀請(qǐng)了各種設(shè)備生產(chǎn)廠家技術(shù)人員開(kāi)展設(shè)備保障維護(hù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技術(shù)培訓(xùn)。東北人影工程效果檢驗(yàn)培訓(xùn)班免費(fèi)為寧夏人影技術(shù)培訓(xùn)。外場(chǎng)試驗(yàn)期間首席科學(xué)家負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)培訓(xùn)，取得了很好的示范效果。

試驗(yàn)啟動(dòng)前期系統(tǒng)性培訓(xùn)了固原市氣象局、隆德縣氣象局、涇源縣氣象局和六盤山氣象站基層氣象觀測(cè)員和預(yù)報(bào)員，充分了解了地形云的概念特點(diǎn)及科學(xué)問(wèn)題，以及云物理特種觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理方法。利用各個(gè)臺(tái)站的老觀測(cè)員技術(shù)儲(chǔ)備，要求各臺(tái)站恢復(fù)人工觀測(cè)云能天觀測(cè)，制定了觀測(cè)規(guī)范和觀測(cè)紀(jì)錄簿；試驗(yàn)期間在外場(chǎng)駐地培訓(xùn)寧夏人影中心參與外場(chǎng)試驗(yàn)的技術(shù)人員，使參試技術(shù)人員充分了解各種人影特種觀測(cè)儀器的原理以及云物理特種觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理方法。指導(dǎo)學(xué)術(shù)技術(shù)論文選題方向和寫作方法，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析水平；試驗(yàn)后期指導(dǎo)中國(guó)氣象局人工影響天氣中心青年科學(xué)家參與外場(chǎng)試驗(yàn)并適時(shí)講解親身體驗(yàn)的天氣過(guò)程地形云影響相關(guān)性，從理論分析到實(shí)際數(shù)據(jù)分析能力有了大幅度提升。各方面普遍反映參與外場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程效果很好。

3 試驗(yàn)過(guò)程

2019年7月18日，在寧夏人影中心進(jìn)行了“六盤山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)項(xiàng)目推進(jìn)會(huì)”。隨后，寧夏人影中心和云水工程南京有限公司全部參試人員進(jìn)入六盤山氣象站開(kāi)展六盤山試驗(yàn)區(qū)儀器檢查調(diào)校標(biāo)定，標(biāo)志著六盤山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)項(xiàng)目外場(chǎng)試驗(yàn)正式實(shí)施。

寧夏人影中心技術(shù)人員分為5個(gè)小組輪流進(jìn)駐六盤山外場(chǎng)試驗(yàn)基地，駐場(chǎng)觀測(cè)維護(hù)云物理特種觀測(cè)儀器，適時(shí)分析觀測(cè)數(shù)據(jù)。2019年外場(chǎng)試驗(yàn)期間共獲得了8個(gè)比較完成的降水過(guò)程配套資料，主要以系統(tǒng)性降水為主，僅有一個(gè)對(duì)流行降水個(gè)例，單純地形云降水個(gè)例沒(méi)有遇到，為此計(jì)劃在2020年外場(chǎng)試驗(yàn)集中針對(duì)地形相關(guān)人影降水個(gè)例的獲取，數(shù)據(jù)分析有待進(jìn)一步系統(tǒng)性綜合分析。

試驗(yàn)組在六盤山外場(chǎng)試驗(yàn)基地開(kāi)展自然降水過(guò)程綜合觀測(cè)試驗(yàn)，直到10月底大雪封山之前試驗(yàn)人員全部撤場(chǎng)。

配合寧夏人影中心試驗(yàn)工作計(jì)劃，2020年6月9日云水工程公司派出專車赴寧夏六盤山外場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)開(kāi)展2020年度外場(chǎng)試驗(yàn)。

由于第二年度試驗(yàn)主要目標(biāo)是結(jié)合人影作業(yè)開(kāi)展作業(yè)前后地形云相關(guān)降水過(guò)程的云物理學(xué)結(jié)構(gòu)變化探測(cè)，云水工程公司協(xié)助寧夏人影中心考察選點(diǎn)并確定在彭陽(yáng)縣孟原鄉(xiāng)安裝X波段雙偏振雷達(dá)，為2020年人工增雨試驗(yàn)奠定了很好的對(duì)流云垂直精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的基礎(chǔ)。

4 試驗(yàn)成果

4.1 初步結(jié)論

根據(jù)2019年六盤山地形云外場(chǎng)試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)分析初步得到地形對(duì)降水影響的結(jié)論：

1）從地面降水量分布的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，六盤山脈東側(cè)降水量無(wú)論季節(jié)性降水量還是年度降水量都要比西側(cè)的降水量要大。采用雨滴譜分析方法，天氣動(dòng)力學(xué)分析，可能的原因是六盤山脈地形能夠有限阻擋深厚西風(fēng)槽系統(tǒng)底部移動(dòng)速率，延緩降水在六盤山地區(qū)的停留，同時(shí)六盤山脈南部雙山脈結(jié)構(gòu)使得六盤山東側(cè)降水持續(xù)性加強(qiáng)，造成單次系統(tǒng)性降水累積量的顯著差異。分析結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。

2）對(duì)于近地面大氣底層西來(lái)強(qiáng)風(fēng)且六盤山脈分水嶺處于云內(nèi)（云底高度低于分水嶺），六盤山強(qiáng)迫地形抬升造成云系的加強(qiáng)，形成含水量較大地形云，此類地形云易于產(chǎn)生降水，適合于采用地面碘化銀發(fā)生器人工增雨作業(yè)（冬季更適合人工增雪作業(yè)），建議遷移地面焰爐到六盤山西坡合適位置可以驗(yàn)證增雪效果。

對(duì)于近地面大氣底層西來(lái)弱上升氣流且六盤山脈分水嶺處于云內(nèi)（云底高度低于分水嶺），六盤山強(qiáng)迫地形抬升并不能加強(qiáng)地形云發(fā)展。相反還會(huì)誘發(fā)東坡產(chǎn)生上升氣流，在六盤山東坡形成地形云，且東坡地形云滴濃度顯著大于西坡云滴濃度，使得東坡地形云更易于產(chǎn)生降水條件。在六盤山東坡合適位置安裝地面碘化銀發(fā)生器能夠產(chǎn)生人工增雨之效果。但六盤山東、西坡均沒(méi)有安裝地面焰爐。

3）弱的高空小槽天氣降水過(guò)程屬于淺薄系統(tǒng)，六盤山脈地形幾乎對(duì)此類降水系統(tǒng)沒(méi)有顯著影響。如果云底高度大于六盤山脈以上，六盤山東側(cè)云底更低小雨淅瀝而西側(cè)降水稀稀拉拉，地面能見(jiàn)度卻較好，山脈兩側(cè)降水量的分布相差無(wú)幾。

4）夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈的晴空，從上午開(kāi)始六盤山脈分水嶺經(jīng)常性產(chǎn)生弱對(duì)流泡排列成淡積云墻，午后對(duì)流加強(qiáng)局地形成濃積云甚至積雨云。在突起的山峰上經(jīng)常性有強(qiáng)對(duì)流性云環(huán)繞（雷達(dá)圖上強(qiáng)回波亮點(diǎn)），一旦強(qiáng)對(duì)流云離開(kāi)山峰向東移動(dòng)便是雷暴云的主體，在向東偏南移動(dòng)的過(guò)程中吸收地表太陽(yáng)輻射不穩(wěn)定能量進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)流成為冰雹云，此類對(duì)流行天氣系統(tǒng)適合于地面火箭高炮人工防雹增雨作業(yè)，人工增雨做適量播撒，人工防雹作過(guò)量播撒。

5）由于六盤山地形云試驗(yàn)區(qū)上方是西北航空大航路，白天申請(qǐng)空域幾乎沒(méi)有可能被批準(zhǔn)，加之六盤山南部天水機(jī)場(chǎng)經(jīng)常訓(xùn)練飛行北部固原機(jī)場(chǎng)下滑道限制等因素，使得該地區(qū)不適合做火箭高炮人工增雨防雹試驗(yàn)，僅適合于地面碘化銀發(fā)生器做人工增雨作業(yè)試驗(yàn)。但由于六盤山林業(yè)管理生態(tài)保護(hù)限制林區(qū)作業(yè)點(diǎn)設(shè)置，需要?dú)庀蟛块T與林業(yè)管理部門協(xié)調(diào)才能進(jìn)行冬季人工增雪試驗(yàn)。

6）六盤山夏季山頂小對(duì)流團(tuán)生消規(guī)律的認(rèn)識(shí)。北半球夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，西北黃土高原大范圍地區(qū)地表特性較為均一，太陽(yáng)加熱地表難以直接誘發(fā)局地對(duì)流泡。但在午后地面氣溫急劇上升，大氣密度降低，高層大氣冷平流導(dǎo)致大氣蓄積了大量的不穩(wěn)定能量，六盤山地區(qū)的山脈地形為促發(fā)局地對(duì)流提供了動(dòng)力條件。常見(jiàn)的一種宏觀現(xiàn)象是獨(dú)立的山頭上午后繚繞著云團(tuán)久久不離山頭，且對(duì)流特性越來(lái)越強(qiáng)。表現(xiàn)在雷達(dá)探測(cè)圖上就是沿著六盤山南北走向的山脈上的山峰位置始終存在一些強(qiáng)回波亮點(diǎn)，回波強(qiáng)度有時(shí)高達(dá)40～50 dBz但卻很少移動(dòng)，六盤山雷達(dá)站宏觀觀測(cè)也能發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象。根據(jù)形成的強(qiáng)風(fēng)暴對(duì)流單體反向追蹤發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)風(fēng)暴的發(fā)源地都是這些孤立山峰上的對(duì)流云團(tuán)。由此可以推斷，夏季在六盤山山脈山峰午后形成的對(duì)流云依附于地形存在，當(dāng)對(duì)流不穩(wěn)定能量達(dá)到一定強(qiáng)度后，強(qiáng)對(duì)流單體離開(kāi)山峰向下游方向移動(dòng)并繼續(xù)吸收大氣不穩(wěn)定能量而加強(qiáng)為冰雹云。

4.2 降水概念模型

根據(jù)外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，初步歸納六盤山地形云自然降水概念模型，大致可分為以下4類。

1）六盤山西風(fēng)槽冷鋒降水模型

大尺度天氣北京以西來(lái)鋒面與南來(lái)水汽輸送系統(tǒng)性降水為主的動(dòng)力配置，六盤山地形對(duì)于鋒面移速有一定的阻擋作用但不顯著，但鋒面翻山遇到的強(qiáng)迫抬升增強(qiáng)的垂直氣流，更容易在山北面形成較強(qiáng)降水，使得六盤山東側(cè)的總降水量大于西側(cè)，而且六盤山南部、中間都有兩道山峰阻擋形成的山窩二次抬升。六盤山?jīng)芎又髟从袃蓚€(gè)凹陷地形流域，猜測(cè)山窩中的降水量大于東西兩側(cè)，也可能是持續(xù)性降水機(jī)制。該模型典型過(guò)程的動(dòng)力配置和降水分布參見(jiàn)圖3。由于此類降水尺度很大，地形僅僅會(huì)短時(shí)阻礙天氣系統(tǒng)移動(dòng)速率，但在六盤山第二道山脈前又會(huì)延長(zhǎng)停留時(shí)間造成降水分配上的宏觀差異。涇源縣各條河流的流域性水文特征有待水文數(shù)據(jù)考證。

圖3 六盤山西風(fēng)槽冷鋒降水模型（a）及典型過(guò)程的降水分布（b）Fig. 3 Precipitation model for normal cold-front ofwesterly trough (a) and it’s precipitation distribution (a) ofin Liupan Mountains area

2）六盤山西向東急行氣流地形云模型

近地面偏西暖濕氣流遇六盤山抬升成云－翻山后下沉－云霧消散（西風(fēng)云起東側(cè)晴空），這是六盤山經(jīng)常遇見(jiàn)的地形云霧的動(dòng)力配置。但該類地形云移速較快不宜形成有效降水，西側(cè)山坡針葉林植被表面濕潤(rùn)而土壤墑情較差也是這類降水的特征之一（圖4）。冬季地面催化劑播撒器人工增雪作業(yè)應(yīng)該能夠產(chǎn)生較好的作業(yè)效果。建議固原市氣象局調(diào)整作業(yè)點(diǎn)到六盤山西坡強(qiáng)上升氣流區(qū)。

圖4 六盤山西向東急行氣流地形云（a）和氣流（b）示意圖Fig. 4 Precipitation model of west to east turbulenceterrain cloud (a) and airflow (b) in Liupan Mountains

3）六盤山東向西緩慢地形云模型

東側(cè)近地面暖濕弱氣流遇六盤山抬升對(duì)流云起（與第2類動(dòng)力場(chǎng)類似，但氣流強(qiáng)度明顯偏弱，形成穩(wěn)定垂直對(duì)流），但形成的云霧被西側(cè)較強(qiáng)氣流吹散返回形成對(duì)流環(huán)流；或西風(fēng)+東風(fēng)形成對(duì)頭風(fēng)垂直抬升，此類動(dòng)力場(chǎng)能夠形成有效降水，近地層也容易形成霧，造成六盤山東坡土壤濕潤(rùn)墑情較好，植被的闊葉林較多（圖5）。

圖5 六盤山東向西緩慢地形云（a）和氣流（b）示意圖Fig. 5 Precipitation model of east to west slow flow terraincloud (a) and airflow (b) in Liupan Mountains

4）六盤山谷地云霧降水模型

在高空槽形勢(shì)下六盤山地形對(duì)高層云系影響較弱，降水量東西側(cè)差異不顯著但東側(cè)更容易形成低云接地成霧；近地層西風(fēng)氣流翻六盤山下沉，在東側(cè)六盤山谷地遇暖濕氣團(tuán)容易形成霧；整體大氣近地面靜穩(wěn)，六盤山東側(cè)地面暖濕，在西來(lái)冷空氣作用下暖濕上層更容易形成逆溫，整層氣溫降低后形成霧。造成六盤山東側(cè)涇源縣濕度環(huán)境明顯高于西側(cè)地區(qū)，霧日顯著多于六盤山西側(cè)隆德縣，土壤墑情普遍較好，山區(qū)植被以闊葉林居多（圖6）。

圖6 六盤山東側(cè)谷地云霧（a）和降水流場(chǎng)（b）示意圖Fig. 6 Cloud/fog (a) and precipitation model (b) at theeastern valley of Liupan Mountauins

致謝：本項(xiàng)試驗(yàn)由云水工程南京有限公司和寧夏回族自治區(qū)氣象局災(zāi)害防御中心共同組織實(shí)施，得到固原市氣象局及各縣氣象局及人影作業(yè)點(diǎn)的大力支持，在此向各參試單位表示感謝！

在本試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中許煥斌、毛節(jié)泰、張培昌、董希泉、襲百克、鄧毅、許小峰、王守榮、張薔、段英、姚展予等專家教授給予了悉心的指導(dǎo)。西北試驗(yàn)項(xiàng)目首席科學(xué)家雷恒池、銀燕、張文煜、蘇德斌、陳寶君等同仁相互交流技術(shù)方法受益匪淺，并特別向參加本文試驗(yàn)工作的紀(jì)曉玲、肖云清、劉建軍、黃峰、常卓琳、翟濤、曹寧、孫艷橋、馬思敏、戴言博、林彤、楊勇、黨張利、鄧佩云、柳佳俊、厚軍學(xué)、包亮、賈樂(lè)、寧欣婷、杜鑫、饒彤華、賈永輝、張宏元、楊文海、景博、王博、武軍軍、雷學(xué)鋒、龔曉麗、裴小龍、于冬梅、馬霞、馬興明、溫蕓蕓、田惠、祁菲、馬興武、羅進(jìn)云、楊晨、儲(chǔ)永偉等同志一并致謝！