吉林省一次飛機增雨過程方案設計及效果分析

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（1 吉林省人工影響天氣辦公室，長春 130062；2 中國氣象局吉林省人民政府人工影響天氣聯合開放實驗室（省重點實驗室），長春 130062）

0 引言

人工增雨作業方案設計和效果檢驗是人工增雨作業過程中的兩個重要環節。科學合理的作業方案設計是作業效果的基礎，作業是否有效果可以驗證作業方案設計的合理性。對此，國內外氣象工作者做了大量工作。作業方案設計方面：李念童等[1]結合國內人工增雨飛機的性能，著重介紹在催化作業和探測時在特定高度上進行水平觀測的方案設計；張永強[2]針對蘇北地區火箭人工增雨作業方案設計進行研究；劉海群[3]基于火箭的自身性能特點，對火箭增雨作業方案進行了研究；白先達等[4]分別對各季節、各作業云系的作業進行了總結，提出了適合不同季節的人工增雨作業方案。效果檢驗方面：房彬等[5]發展了基于聚類的浮動對比區回歸統計檢驗方法(CA-FCM)；曾光平、吳章云[6]利用雷達資料分析了催化前后宏觀參量的變化；王以琳、雷恒池[7]通過機載PMS粒子探測系統和GPS衛星定位系統觀測，獲得了催化前后云中微物理量變化的證據。

吉林省人影工作者在飛機增雨作業方面做了大量工作。汪學林等[8]利用吉林機載探側儀器，包括：TPM-1云滴譜儀，TPZ-2 含水量儀，鋁箔冰雪晶取樣器，CM-43和MOS單結管飛機氣象計等，在21架次探測中共取得冰雪晶資料469份。冰晶濃度在10-2～102L-1，平均12.3 L-1。雪晶濃度一般集中在10-2～101L-1，平均為4.04 L-1。冰質點濃度隨溫度的分布：其濃度在0～-3 ℃向上增加到-3～-6 ℃達到極大，為32.8 L-1，往上又單調減少。晶形隨高度的分布規律，一般云頂大都由柱狀、薄片板狀組成。中上部大都由薄片板狀、帶核心圓盤板狀和柱狀組成，夾有少量枝星狀。云的中下部大都由板狀、破碎板狀、枝狀、破碎枝狀、針狀等組成。云底大都由針、枝、少量霰及雨滴組成。平均液態含水量的分布：21架次飛行共取得含水量資料582份；平均液態含水量為0.12g·m-3，一般在0～0.77 g·m-3。冰質點濃度在氣旋中心北側比暖鋒面和暖鋒前明顯較高；平均含水量暖鋒面是0.166 g·m-3，比暖鋒前和氣旋中心北側都大。暖鋒面附近層狀云中正溫層含水量最大，負溫層最小；氣旋中心北側負溫層最大；暖鋒前正溫層最小。在飛機觀測方面，游來光等[9]在吉林利用鋁箔取樣技術對吉林地區的降水性層狀冷云中的冰晶雪晶進行了飛機觀測。利用鋁箔取樣技術，沿飛行航線對云中降水質點連續取樣，取樣面積為4×10 cm2，暴露時間1～10 s。取樣體積為0.28～2.8 m3的689份鋁箔樣片。冰晶垂直分布特點：濃度自云頂向下增加，在云的中下部達到最大，是云層中冰晶濃度垂直分布的一個基本特征。高層云中也觀測到在同一高度上冰晶濃度水平分布上有很大差別。冰晶濃度水平向分布的不均勻和上部云層的發展狀況有關。高層云云頂溫度和其上部的卷云狀況是影響云中冰晶形成的兩個基本因子。雪晶濃度值各次飛行間差別也很大，垂直向平均濃度范圍在7.0×102～3.0×10 m-3。平均看來，在云的上層（一般在0 ℃層以上2.5 km），雪晶的平均直徑約為500 μm，至0 ℃層可達1500 μm，估計其增長率約為0.4 mm·km-1。金德鎮等[10-11]總結了吉林省積層混合云引晶試驗中的催化層和催化響應層粒子譜特征、過冷水含量變化特征和雷達回波變化特征，分析了飛機播撒液態CO2增雨作業前后云的宏、微觀物理結構和降水變化。齊彥斌等[12-13]利用人工增雨“Y-12E型”飛機，配備有GPS定位數傳系統、機載宏觀探測設備、King熱線含水量儀和PMS云粒子測量系統，對2003年7月8日一次冷渦對流云雨帶進行了垂直和水平探測，結合雷達、衛星、地面降水及天氣圖分析了冷渦的宏觀特征和微觀物理結構。汪學林等[14]對層狀云中夾著的對流泡進行系統深入的研究，為人工增雨作業提供依據。劉健等[15]利用機載云粒子探測系統（PMS）探測資料，對吉林省的一次切變線降水過程的云微物理結構、降水機制進行綜合分析。杜鵑等[16]篩選吉林省的最佳人工影響天氣樣本集，進行了歷史降水天氣日云場進行分析。張景紅等[17-18]利用空基微波輻射計獲取的探測資料，結合PMS、熱線含水量儀等探測資料，利用衛星、雷達、GPS等探測手段的同步觀測結果，進行了綜合分析，測得吉林省春季各種可實施人工增雨作業的云型的過冷水含量、云體各層微物理結構的變化。

本文選取2016年4月12日吉林省一次飛機增雨作業過程，總結作業方案設計的主要考慮因素，按照一定原則選取對比區，結合雷達資料分析作業影響區和對比區回波變化，根據區域站數據統計作業前后作業影響區和對比區降水變化，對作業效果進行分析。

1 天氣形勢及作業潛力條件分析

根據4月11日地面天氣圖分析，河套地區有一低壓系統生成，隨著系統發展，將逐漸東移北抬影響吉林省（圖1a）。根據ECMWF模式預報，在500 hPa與該系統相對應的為一高空槽，12日08時吉林省中部地區處于槽前位置；根據850 hPa風場分析，吉林省中部處于切變前部的西南氣流中，對應一個西南水汽輸送帶，水氣輸送條件比較好，850 hPa相對濕度達到80%以上（圖1b）。

根據MM5模式預報，4月12日上午，云系覆蓋吉林省中部地區，自西南向東北移動，云中有一定量過冷水主要分布在0～-20 ℃層（高度在1500～5500 m）（圖2a）。云系從吉林省西南部開始進入白城、四平地區，自西南向東北逐漸發展。隨著云系的發展，云層增厚，過冷水含量逐步增大，水汽輸送條件較好。4月12日08～14時，吉林省中部地區有增雨作業潛力（圖2b）。14時之后增雨作業潛力區東移，吉林省中部地區無增雨作業潛力。

根據4月12日07時長春雷達回波圖（圖3）可以看出，回波為西南-東北走向，雷達回波頂高在5 km以上；根據模式預報過冷層厚度在2900 m左右，事后根據長春探空數據，08時零度層高度約為700 m，實際過冷層厚度為4300 m。此次作業的對象為較大范圍的層狀云，具有較厚的過冷層，適宜飛機播撒催化作業。

2 作業方案設計及作業實施

圖1 （a）2016年4月11日08時海平面氣壓場；（b）ECMWF模式預報2016年4月12日08時500 hPa高度、850 hPa風場、850 hPa相對濕度圖Fig. 1 (a) Surface pressure at 08 BT on April 12, 2016; (b) 500 hPa height, 850 hPa wind and 850 hPa relative hu midity at 08 BT on April 12, 2016 predicted by ECMWF model

圖2 （a）2016年4月12日10時過冷水分布；（b）2016年4月12日08～14時增雨潛力區預報圖Fig. 2 (a) Super cooled water at 10 BT on April 12, 2016; (b) Potential areas of rainfall enhancement from 08 to 10 BT on April 12, 2016

圖3 2016年4月12日07時雷達回波圖Fig. 3 Radar reflectivity at 07 BT on April 12, 2016

作業方案設計主要考慮以下幾方面因素：考慮到需求情況，選擇吉林省的需水地區；考慮到作業潛力及作業條件，選擇增雨潛力及作業條件較好地區作為作業影響區；考慮到云系的移動方向為西南-東北向，作業影響區位置選擇為云系進入吉林省的位置，隨著云系移動，可將催化劑擴散到下游地區；考慮到作業高度風向為西南風，作業播撒航線要與作業高度層高空風垂直，保證催化劑擴散范圍；考慮到播撒的充分性，要在作業影響區域內進行往復播撒，以實現充分播撒，盡量保證作業效果。

分析需水情況，吉林省的需水地區主要為中西部地區；根據前面分析，2016年4月12日08～14時作業潛力及作業條件較好地區為長春、四平及以東的遼源地區；云系進入吉林省的位置為四平、遼源地區，在此區域播撒，催化劑可以隨云系移動向省內的下游地區擴散；因此選取的適宜作業地區為吉林省中部的四平、遼源地區，設計了飛行航線（圖4a）。4月12日08時，飛機從長春機場起飛，在長春伊通以南，遼源、四平公主嶺之間區域進行往復播撒，播撒完畢后飛回長春機場，作業結束時間10:50。

圖4 （a）2016年4月12日飛行航線圖；（b）作業影響區、對比區及2016年4月12日07時雷達回波圖Fig. 4 (a) Flight route on April 12, 2016; (b) The influence region, the control region, and radar reflectivity at 07 BT on April 12, 2016

3 作業效果分析

3.1 對比區選取

為了保證播撒作業不會對對比區產生影響，在作業影響區西北方選取相同面積的區域作為對比區。作業層高空風向為西南-東北方向，作業影響區與對比區的排列方向與風向垂直。作業影響區與對比區之間保留出20 km的區域作為隔離區域，可以保證催化不會影響到對比區。對作業前兩區的雷達回波進行對比（圖4b），作業前（07時）兩區回波強度主要分布在10～25 dBz。作業影響區和對比區10～15 dBz強度回波面積均為1600 km2左右；作業影響區15～20 dBz強度回波面積約為2300 km2，對比區15～20 dBz強度回波面積約為2400 km2；作業影響區和對比區20～25 dBz強度回波面積均約為700 km2。可以看出作業前兩區回波強度、面積基本相似，對比區與作業影響區云條件相似，對比區選取較為合理。

3.2 作業后回波變化分析

作業剛開始時（08時），作業影響區回波分布與作業前相比變化不大；對比區10～15 dBz回波面積較作業前減小到1100 km2，5～10 dBz回波面積較作業前增加到700 km2，總體看15 dBz以下回波面積較作業前變化不大；作業影響區和對比區15 dBz以上各強度回波分布類似，與作業前相差不大。

作業期間，對作業影響區雷達回波剖面進行分析（圖5）。在作業開始時（08:18），在飛機播撒位置，作業高度上，有一回波強度大值區，回波強度大值區并未及地。隨著作業的持續進行（08:34、08:44），該回波強度大值區高度逐漸下降，且強度逐漸加強，說明云中大粒子逐漸增多且向下降落。至09:16，該回波強度大值區及地，說明已經出現地面降水。09:00—09:40期間，相對于對比區，影響區垂直累積液態水明顯消耗。但兩區整體回波頂高已經明顯下降，云系處于減弱階段。

作業后，作業影響區和對比區回波差異明顯（圖6）。對比區回波作業后較作業前及作業開始時明顯減弱，云中基本無強回波，只剩15 dBz以下弱回波；作業影響區回波明顯強于對比區，較作業前及作業開始時有所增強，主要體現在20 dBz以上強度回波面積由900 km2增加到1800 km2。

3.3 作業前后雨量變化分析

通過作業前、作業期間、作業后1 h降水量站數對比（圖7）發現，作業開始前（07時），作業影響區主要為5 mm以下降水，只有一個站出現了5 mm以上降水，對比區9個站出現了5 mm以上降水，遠多于作業影響區；作業影響區平均降水量小于對比區。作業期間（09～10時），作業影響區降水有所增加，3個站出現了5 mm以上降水，對比區5 mm以上降水站數逐漸減少；作業影響區平均降水量較作業前增加，對比區平均降水量呈減小趨勢，低于作業影響區。播撒作業2 h后（12:00），兩區雨量都處于減少趨勢，作業影響區雨量一直高于對比區；作業結束后1 h，對比區降水趨于結束，作業影響區仍有降水維持。

圖5 作業期間不同時刻雷達剖面圖（a）08:18；（b）08:34；（c）08:44；（d）09:16Fig. 5 Section of radar reflectivity at 08:18, 08:34, 08:44, and 09:16 BT during the seeding time

圖6 作業后，影響區與對比區雷達回波強度分布圖Fig. 6 Distribution of radar reflectivity in the influence region and control region after seeding

4 結論

此次飛機增雨作業是在河套低壓和高空槽影響下，作業影響區處于槽前的西南水汽輸送帶的天氣背景條件下開展的。考慮吉林省的需水地區主要為中西部地區，根據天氣形勢分析，吉林省中部處于切變前部的西南氣流中，對應一個西南水汽輸送帶，水汽輸送條件比較好。根據模式預報的云微物理結構分析，云系覆蓋吉林省中部地區，自西南向東北移動，云中有一定量過冷水主要分布在0～-20 ℃層（高度為1500～5500 m），隨著云系的發展，過冷水含量逐步增大，有較好的作業潛力。根據云系條件分析，此次作業過程為較大范圍的層狀云，具有較厚的過冷層，適宜飛機播撒催化作業。云系進入吉林省的位置為四平、遼源地區；因此選取的適宜作業地區為吉林省中部的四平、遼源地區。

垂直作業層的高空風向，在作業影響區西北方選取相同面積且回波發展類似區域作為對比區。兩區之間保留出20 km的區域作為隔離區域，保證催化不會影響到對比區。

通過對作業影響區和對比區雷達回波對比，發現作業過程中作業影響區云中大粒子逐漸增多且向下降落，作業影響區垂直累積液態水明顯消耗。作業后，兩區回波均處于減弱階段，但作業影響區回波明顯強于對比區，回波維持時間更長。

作業開始前，作業影響區降水量小于對比區；作業過程中，影響區降水呈增加趨勢，對比區雨量呈減少趨勢；作業結束后，對比區降水趨于結束，作業影響區仍有降水維持。此次催化作業影響了云中微物理過程，消耗云中過冷水，使地面降水增加，同時，增加了降水的維持時間，起到了正效果。

圖7 影響區與對比區1 h降水量的站點數變化圖（a）07時（作業前）；（b）09時（作業期間）；（c）10時（作業期間）；（d）12時（作業后）Fig. 7 Numbers of stations with different amounts of one-hour rainfall in the influence region and control region before seeding (07BT), during seeding (09BT, 10BT), and after seeding (12BT)