一次飛機人工增雨作業(yè)中云宏微觀特征分析

李枚曼，喻乙耽，許 弋，羅 雄，田紅玲

(貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引言

貴州省位于西南地區(qū)云貴高原東斜坡地帶，處于西南印度洋、東部太平洋兩大水汽通道上，降水充沛，年降雨量可達(dá)1100 mm，屬于亞熱帶潤濕型季風(fēng)氣候。但受季風(fēng)活動制約，降水時空分布不均，存在嚴(yán)重的季節(jié)性缺水，素有“十年九旱”之稱，且廣泛分布的喀斯特地貌使蓄水保水能力差，臨時性干旱頻繁[1-4]。飛機人工增雨是抵御干旱、開發(fā)空中云水資源、增加水庫蓄水、修復(fù)生態(tài)環(huán)境、凈化城市空氣的重要科技手段。自2005年以來貴州省常年組織開展飛機人工增雨作業(yè)，每年飛機增雨覆蓋面積15.2萬km2，年均作業(yè)35個架次、飛行96 h，平均效益比為1∶40以上，取得了良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益[5-6]。

貴州省地形地貌復(fù)雜，積層混合云降水較為頻繁。歷史觀測統(tǒng)計分析表明，貴州的降水云分為層狀云、對流云和層積混合云3類，空中的云系條件對人工增雨的效果影響很大，對云的降水過程宏微觀結(jié)構(gòu)的觀測分析可進(jìn)一步了解云降水形成機制，繼而為飛機人工增雨作業(yè)方案的優(yōu)化提供有力科學(xué)支撐。近年來，隨著氣象衛(wèi)星、機載云物理探測等觀測手段的不斷發(fā)展，利用多元化觀測手段，分析云降水的宏觀結(jié)構(gòu)特征、微物理特征等開展了大量研究。蔡兆鑫等[7]利用搭載了美國DMT云物理探測系統(tǒng)的增雨飛機，對大陸性積云不同發(fā)展階段的宏微觀物理特性觀測資料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)初生發(fā)展階段的積云以小粒子為主，粒子濃度隨高度增加而減少。成熟階段云內(nèi)可觀測到積冰和雨線，粒子濃度隨高度增加起伏變化。在消散階段積云云下有降水粒子。王磊等[8]對FY-2E衛(wèi)星反演產(chǎn)品與地面小時降水關(guān)系進(jìn)行了分析，得出4類云結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的增減與降水強度變化的相關(guān)性結(jié)果。孫玉穩(wěn)等[9]通過對河北省中南部1次天氣過程開展飛機云物理探測和增雨作業(yè)，得出此次降水過程的云系宏微觀特點。本文選取2020年5月28日貴州省西北部的1次飛機云物理探測和衛(wèi)星資料及反演產(chǎn)品，重點針對作業(yè)影響區(qū)在作業(yè)過程中及作業(yè)后3 h內(nèi)的云系宏微觀物理參數(shù)進(jìn)行了分析，為貴州飛機人工增雨作業(yè)方案優(yōu)化提供例證。

1 觀測資料

1.1 資料來源

利用2020年5月28日在貴州省西北部開展的一次飛機人工增雨作業(yè)過程中機載粒子探測系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù)、FY-2系列衛(wèi)星觀測及云反演產(chǎn)品、探空資料、上機宏觀記錄資料對作業(yè)中云的宏微觀物理參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

FY-2系列靜止衛(wèi)星是由我國自主研制并投入使用的1組業(yè)務(wù)型靜止軌道氣象衛(wèi)星，具有較高的觀測頻次，可獲得連續(xù)變化資料，便于大范圍氣象監(jiān)測并指導(dǎo)人工影響天氣業(yè)務(wù)工作。本文使用的云反演產(chǎn)品為中國氣象局人影中心研發(fā)的CPAS系統(tǒng)的云物理特征參數(shù)產(chǎn)品[10]，目前已推廣至全國各級人影部門。

本次飛行作業(yè)探測所使用的探測儀器為四川西物激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的機載激光云降水粒子探測系統(tǒng)。該探測系統(tǒng)主要由云粒子譜儀、云粒子成像譜儀和降水粒子成像譜儀3個探頭組成，其中云粒子譜儀完成對2～50 μm云粒子的實時在線測量，云粒子成像譜儀對25～1500 μm的云粒子進(jìn)行測量，降水粒子成像譜儀完成對100～6200 μm的降水粒子進(jìn)行測量。3套裝置可獨立工作，也可同時工作。云粒子譜儀顯示實時譜分布圖，包含粒子有效直徑、平均直徑、數(shù)濃度、體濃度、含水量，其中數(shù)濃度、體濃度、含水量數(shù)據(jù)可繪制時間變化曲線。云粒子成像儀分為粒子統(tǒng)計結(jié)果和粒子圖像2部分。粒子統(tǒng)計結(jié)果數(shù)據(jù)依次為25、50、……、1550 μm通道，各通道在采集時間內(nèi)的粒子數(shù)圖像界面顯示(譜分布圖)。降水粒子成像譜儀分為粒子統(tǒng)計結(jié)果和粒子圖像2部分。粒子統(tǒng)計結(jié)果數(shù)據(jù)依次為100、200、……、6200 μm通道，各通道在采集時間內(nèi)的粒子數(shù)圖像界面顯示(譜分布圖)。

1.2 飛行作業(yè)、探測概述

1.2.1 作業(yè)前期天氣背景 2020年西太平洋副熱帶高壓階段性增強，呈現(xiàn)強度較強、面積較大、西伸脊點偏西的特點[11]。4月下旬東亞大氣環(huán)流進(jìn)行調(diào)整，中高緯地區(qū)呈現(xiàn)緯向環(huán)流特征，東亞大槽偏弱，冷空氣難以南下，貴州省大部地區(qū)受異常強烈的熱低壓的影響，導(dǎo)致全省出現(xiàn)輕到中旱并逐漸加重。5月初東北部出現(xiàn)輕到重度干旱并逐漸加重，西部、北部、南部地區(qū)旱情發(fā)展迅速，全省各級人影部門抓住有利天氣過程積極開展空地結(jié)合的人工增雨作業(yè)，5月下旬中部、東部的旱情緩解，西部旱情仍然嚴(yán)峻(圖1)。

圖1 2020年5月10日(a)及5月27日(b)旱澇監(jiān)測圖

1.2.2 云模式產(chǎn)品 由5月27日08時CPEFS云模式產(chǎn)品可見，5月28日09—18時貴州省西部有降水性云系覆蓋，云系自西北向東南移動，具有冷暖混合云結(jié)構(gòu)，過冷水含量達(dá)到0.4 mm。云體垂直結(jié)構(gòu)分析顯示：5月28日09—18時，貴州省西部地區(qū)有降水云系覆蓋。云系過冷水主要位于0～-10 ℃層(5 km左右)，云系具有冷暖混合云結(jié)構(gòu)，過冷水最大含量可達(dá)0.8 g·kg-1，云頂高度達(dá)8.0 km以上，有一定的增雨潛力。

圖2 2020年5月28日12時云帶(a)和垂直累積過冷水(b)分布

圖3 2020年5月28日12時云系垂直結(jié)構(gòu)，(a)：云水(填色陰影)，冰晶(紅色等值線)，等溫線(紫色等值線);(b)：雪+霰(填色陰影)，雨(紅色等值線)，等高線(紫色等值線)

1.2.3 降水預(yù)報及云垂直結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)貴州省氣象臺27日12時發(fā)布的預(yù)報(圖略)，靜止鋒和云南省境內(nèi)切變系統(tǒng)東移影響貴州省西部地區(qū)，27日20時—28日20時，預(yù)計貴州西部地區(qū)夜間陰天有零星小雨，白天陰轉(zhuǎn)陣雨或雷雨，局地中到大雨。根據(jù)5月28日08時威寧探空站(經(jīng)緯度)探空數(shù)據(jù)，采用冰面相對濕度和水面相對濕度計算的云閾值法[12]，分析貴陽附近云層垂直結(jié)構(gòu)，可得知貴陽附近0℃高度約為4608 m，-5 ℃高度約為5551 m，-10 ℃高度約為6352 m，云層較厚，云頂高度發(fā)展到近8000 m，500 hPa左右為西風(fēng)，濕層(相對濕度>80%)主要分布在1300～7988 m。威寧附近0℃高度約為4091 m，-5℃高度約為5571 m，-10℃高度約為6445 m，云系整體為3層云結(jié)構(gòu)，500 hPa左右為西南偏西風(fēng)，700 hPa左右為西南風(fēng)，SI為5.11，濕層(相對濕度>80%)主要分布在2500～4500 m。研究表明[13-16]在高于0℃的溫度范圍內(nèi)，云內(nèi)粒子以液態(tài)為主，溫度低于0℃時，云內(nèi)存在冰晶的概率隨溫度下降而升高，過冷水和冰晶常同時存在。因此可以推斷該云層屬于冷暖混合云，含有一定量過冷水，但由于云中缺少冰晶，可以通過播撒碘化銀催化劑，彌補冰晶數(shù)濃度不足。碘化銀是黃色的六方晶體，通過異核化過程起成冰核作用，不同的作用方式形成冰晶成核，加速貝吉龍過程，碘化銀成冰閾值大概-3～-16℃。

圖4 2020年5月28日08時貴陽和威寧探空站T-lnp圖

1.2.4 增雨飛機作業(yè)情況 飛機09時31分從黃果樹機場起飛，10時20分開始爬升，向北飛行，10時27分飛行高度達(dá)5600 m，開始水平飛行，到達(dá)大方縣羊場鎮(zhèn)后開始向赫章方向飛行，10時55分轉(zhuǎn)為向南飛行，11時20分飛至普安縣北部，隨后開始返回黃果樹機場，11時55分安全降落。作業(yè)時段為10時33分—11時20分，作業(yè)方法為在作業(yè)區(qū)域燃燒24枚碘化銀焰條。該焰條為陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)，型號為YF-4(一枚焰條的AgI含量為40g)。AgI成核率≥1013/g(-10℃)。飛機播撒催化是線源，線源的擴散煙團呈拋物線型。圖5為此次飛機增雨飛行航線。

圖5 2020年5月28日增雨飛機飛行航線

2 結(jié)果分析

2.1 作業(yè)影響區(qū)域云反演產(chǎn)品特征分析

云頂高度指云頂相對地面的距離，可了解云系的發(fā)展程度和演變趨勢。作業(yè)前，云頂高度約在3～4 km，上機作業(yè)宏觀記錄中同樣記載云頂高度為4 km左右，云系自西向東偏北方向移動，作業(yè)后作業(yè)區(qū)云頂高度開始上升，作業(yè)后3 h云頂高度升高到5～7 km，作業(yè)區(qū)5 km的范圍有所擴大，表明作業(yè)區(qū)作業(yè)后云體發(fā)展，云頂抬高。云頂溫度為云頂所在高度的溫度，可用于了解冷暖云和冰相降水作用。由圖6可見，作業(yè)區(qū)域作業(yè)前的云頂溫度在0～-10 ℃之間，符合碘化銀催化劑播撒的要求，作業(yè)中作業(yè)區(qū)的云頂溫度開始下降，14時作業(yè)區(qū)的云頂溫度在-10～-25 ℃，局地達(dá)-30 ℃以下。

圖6 2020年5月28日FY-2G衛(wèi)星反演云頂高度(a、b)和云頂溫度(c、d)

考慮云系隨系統(tǒng)移動情況，按云團以27 m·s-1的速度向253°方向移動推算，結(jié)合周毓荃等[17]飛機增雨催化劑擴散計算方案，使用CPAS云降水精細(xì)分析系統(tǒng)根據(jù)催化劑量、播撒時間、擴散時間、擴散系數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)向等生成作業(yè)影響區(qū)，對作業(yè)影響區(qū)的衛(wèi)星云特征參量產(chǎn)品加以分析，討論作業(yè)前后各項云宏微觀參量的變化特征。

選擇作業(yè)影響區(qū)域內(nèi)的11—14時的云光學(xué)厚度(OPTN)、黑體亮溫(TBB)、液水路徑(LWP)、云粒子有效半徑(REF)時間演變圖(圖7)。光學(xué)厚度是在整個路徑上云消光的總和，可以了解云系的密實程度，11時作業(yè)影響區(qū)的光學(xué)厚度在11左右，13時開始出現(xiàn)明顯增長，15時增長到22，云體變得更加密實。有效粒子半徑在作業(yè)后的2.5 h左右基本維持在4 μm，隨后開始迅速變大，15時有效粒子半徑均值達(dá)12 μm；液水路徑隨時間的變化趨勢與有效粒子半徑相似，11時作業(yè)影響區(qū)液水路徑在100g·m-2，作業(yè)后2 h左右，作業(yè)影響區(qū)液水路徑增加到了256 g·m-2，隨后的2 h內(nèi)均維持在240 g·m-2以上，約是剛作業(yè)結(jié)束時的2倍，推斷在11—13時，云體中的液態(tài)水滴較為豐富，云頂溫度約在-10 ℃左右，到了14時左右，各項衛(wèi)星云參數(shù)快速升高，達(dá)到11時的2倍以上，云中冰晶迅速增多，冰晶數(shù)較為豐富(圖7)。為更好的印證上述分析，對作業(yè)區(qū)的單點云參數(shù)加以分析，將作業(yè)區(qū)域內(nèi)的單點(105.41°E，26.84°N)繪制云頂溫度、云頂高度、云粒子有效半徑、液水路徑的單點時間演變情況,可以看出11—14時，作業(yè)區(qū)域單點的云頂高度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，14時云頂高度最高可達(dá)近6 km；作業(yè)區(qū)域的云頂溫度在作業(yè)后3 h內(nèi)則出現(xiàn)明顯下降趨勢；作業(yè)區(qū)域的光學(xué)厚度在作業(yè)后2 h后開始出現(xiàn)明顯的上升趨勢，云粒子有效半徑在作業(yè)后3 h內(nèi)開始有所增長。

圖7 2020年5月28日作業(yè)影響區(qū)衛(wèi)星反演產(chǎn)品隨時間變化圖

2.2 機載激光云降水粒子測量數(shù)據(jù)

為深入分析飛行過程中云中粒子具體情況，上機作業(yè)人員在飛機起飛時打開機載激光云降水粒子探測系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，飛機落地后停止數(shù)據(jù)采集，所采集到的數(shù)據(jù)為飛機在飛行過程中機翼下方的云和降水粒子實際值。根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)，對此次飛行航線上的云粒子和降水粒子隨時間和高度的變化以及粒子形態(tài)進(jìn)行分析，云粒子數(shù)濃度在10時—10時17分和10時48分—11時45分2個時間段內(nèi)出現(xiàn)峰值，降水粒子數(shù)濃度出現(xiàn)峰值的時段與云粒子相同(10時48分—11時45分)，降水粒子的數(shù)濃度與云粒子數(shù)濃度相比少了1個量級以上。

2.2.1 云和降水粒子譜儀探測粒子分析 由云和降水粒子譜儀探測到的云粒子譜如圖8。云粒子數(shù)濃度在10時—10時17分和10時48分—11時45分2個時間段內(nèi)出現(xiàn)峰值，云粒子數(shù)濃度最大可達(dá)0.2 cm-3以上，云粒子體濃度和含水量的峰值區(qū)出現(xiàn)在10時48分—11時45分，三者數(shù)值同時出現(xiàn)高值的時間段均在10時48分—11時02分之間。而降水粒子數(shù)濃度在10時48分—11時45分時間段內(nèi)出現(xiàn)峰值，降水粒子數(shù)濃度最大可達(dá)0.045 cm-3以上，降水粒子的數(shù)濃度與云粒子數(shù)濃度相比少了1個量級以上，而體濃度和含水量同時刻均表現(xiàn)為比云粒子的體濃度和含水量大。

圖8 2020年5月28日云粒子(左)和降水粒子(右)譜分布圖

由云和降水粒子譜數(shù)濃度、體濃度和含水量隨高度的變化圖(圖9)分析得，此次飛行中5～6.3 km之間的云粒子較多，數(shù)濃度最高可達(dá)0.15 cm-3，體濃度超過了4500 um3·mm-3，含水量超過4 g·m-3，此次飛行中的作業(yè)高度在5.5～6 km之間，可見此次作業(yè)高度上的云粒子較為豐富。從降水粒子譜數(shù)濃度、體濃度和含水量隨高度的變化圖可以看出，與云粒子各項指標(biāo)表現(xiàn)有所不同的是，此次飛行中降水粒子不多，數(shù)濃度大多集中在達(dá)0.01 cm-3左右，體濃度和含水量主要集中在4～4.5 km，5～6 km這2個高度層之間。

圖9 2020年5月28日云和降水粒子譜隨高度的變化分布圖

2.2.2 云和降水粒子在不同溫度層測得粒子圖像簡析 在使用機載激光云降水粒子測量軟件分析此次飛行過程中云和降水粒子圖像中發(fā)現(xiàn)，2類粒子并沒有連續(xù)采集到圖像，而是斷斷續(xù)續(xù)的采集到粒子圖像。對比該時刻的粒子數(shù)濃度，含水量等參量時發(fā)現(xiàn)：云粒子的數(shù)濃度大多大于0.06 cm-3，體濃度超過了600 um3·mm-3，含水量大于0.05 g·m-3；降水粒子的數(shù)濃度則是大于0.005 cm-3，體濃度超過了700 um3·mm-3，含水量大于1 g·m-3。云和降水粒子譜成像儀中觀測到的粒子根據(jù)其高度、溫度和氣壓等基本要素大致可分為2類，詳見表1,不同時刻云粒子圖像見圖10～11。

圖10 2020年5月28日不同時刻云粒子圖像(從左至右：探測時溫度逐漸降低)

表1 飛行過程中云和降水粒子譜成像儀觀測粒子分類

由粒子探頭采集到的粒子圖像(云粒子和降水粒子)，本次過程采集到的冰雪晶有明顯的板狀、寬枝狀、玫瑰狀等形態(tài)，0～ 9 ℃主要為板狀為主，0～ -4.7 ℃主要以柱狀冰雪晶為主，-6.5～-7.2 ℃主要以寬枝狀，針狀聚合體冰雪晶為主。與以往研究結(jié)果較為一致。黃敏松等[18]在分析機載云降水粒子成像儀所測數(shù)據(jù)中偽粒子的識別中指出，下降階段偽粒子出現(xiàn)的概率是最高的，本次過程中9～ 0 ℃出現(xiàn)板狀粒子圖像時多數(shù)為飛行下降階段，因此此次探測中出現(xiàn)0～ 9 ℃的粒子形狀真實性有待進(jìn)一步分析。

圖11 2020年5月28日不同時刻降水粒子圖像(從左至右：探測時溫度逐漸降低)

3 結(jié)論

①此次過程是受靜止鋒影響和云南省境內(nèi)切變系統(tǒng)東移影響貴州省，實況分析發(fā)現(xiàn)此次切變東移過程略向南些，因此此次作業(yè)潛力區(qū)的判定與天氣系統(tǒng)實際移動走向略有偏差。

②由FY-2G衛(wèi)星云圖及衛(wèi)星反演產(chǎn)品分析可得，作業(yè)影響區(qū)域在作業(yè)后3 h內(nèi)云體亮溫、云頂亮溫、云頂高度都有所增長，表明作業(yè)后云體發(fā)展，云頂抬高，作業(yè)影響區(qū)域11—13時，云體中的液態(tài)水滴較為豐富，云頂溫度約在-10 ℃左右，到了14時左右，各項衛(wèi)星云參數(shù)快速升高，達(dá)到11時的2倍以上，云中冰晶迅速增多，冰晶數(shù)較為豐富。

③機載探測設(shè)備在對云層中的云降水粒子測量過程中發(fā)現(xiàn)，云粒子主要出現(xiàn)在5～6.3 km之間的云粒子較多，數(shù)濃度最高可達(dá)0.15 cm-3，體濃度超過了4500 um3·mm-3，含水量超過4 g·m-3；降水粒子則主要存在于4～4.5 km范圍內(nèi)，且相同時刻所測量到的降水粒子的數(shù)濃度比云粒子數(shù)濃度略少1個量級。由粒子探頭采集到的粒子圖像看出，本次過程采集到的冰雪晶有明顯的板狀、寬枝狀、玫瑰狀等形態(tài)，0～-4.7 ℃主要以柱狀冰雪晶為主，-6.5～-7.2 ℃主要以寬枝狀、針狀聚合體冰雪晶為主。