祁連山北坡地形云人工增雨（雪）試驗研究

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屏障，是黃河流域重要水源產流地，由于人類活動的干擾和氣候變暖等因素的影響，祁連山地區的各種生態系統日趨惡化，生產力急劇下降，水源涵養等生態系統功能降低，河流徑流減少，已成為嚴重制約該區經濟社會發展的重大問題。

祁連山地區大部分降水偏少，但由于祁連山的地形抬升作用，山區有利于地形云的發展，是祁連山地區水資源的重要補給。大量人工增雨試驗結果表明，地形云是人工增雨效率較高的催化作業云系，祁連山增雨試驗統計分析得出人工增雨雪可增加降水15%左右。在祁連山開展地形云人工增雨（雪）試驗研究，可以為有效開發空中云水資源、提高地形云降水效率和增加地面降水量提供科技支撐，是改善祁連山地區水資源欠缺的有效途徑之一，也是恢復和改善西北生態脆弱地區的重要途徑。

地形云因地形的影響而變得復雜，特別是地形云形成過程中水汽場、氣流場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理，是科學開展祁連山北坡人工增雨（雪）業務必不可少的重要一環。

因祁連山地形云的復雜性、廣泛性、多樣性、以及作業背景的氣候特征差異性等，開展地形云的水汽場、氣流場、云物理特征等的綜合觀測非常必要；同時，開展針對地形云的人工增雨（雪）作業指標的驗證和各類作業裝備催化效果的驗證工作，對提高地形云降水效率也起到關鍵作用。此外，通過研究試驗，掌握地形云作業技術，為準確預測和預報作業條件、作業量、作業時機等方面提供科學的方法和手段。

1 試驗內容

1.1 試驗概況

本研究在祁連山中段北坡開展進行地形云觀測，在試驗區的民樂縣人影作業區開展地形云外場試驗，對祁連山大范圍降水過程進行立體觀測，包括地面云雷達、C波段雙偏振雷達、探空火箭、微波輻射計等綜合觀測，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。

1.2 試驗內容和方法

利用試驗區雷達、降水類天氣現象觀測儀、探空等觀測儀器在祁連山試驗區開展作業天氣背景條件分析、綜合觀測對比、增雨作業技術驗證等開展研究試驗，形成高質量的祁連山區探測數據集，結合數值模式，分析得出試驗區不同降水類型的平均雨滴譜特征，地形云云中大氣水汽含量、液態水含量等，獲得地形云水汽場氣候特征和時空變化特征，得出增雨（雪）條件判別指標及作業技術方案，形成可業務應用的技術指標體系。

2 試驗結果初步分析

2.1 人工增雨（雪）催化試驗及效果檢驗

2019年10月開始開展祁連山區域增雨（雪）試驗，并收集作業效果信息，截至目前，祁連山北坡實施地面人工增雨（雪）117點次，共收集15次作業過程，86條作業信息。聯合西北區域氣候中心對作業區域開展衛星遙感監測的作業效果檢驗評估。2020年2月9日祁連山區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，根據對祁連山冰川積雪的實地監測發現，祁連山腹地海拔近4000 m的寧纏埡口（冰川雪線變化動態監測點）積雪面積和厚度為近7年來最大，雪線明顯下移、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，結合衛星和地面降水觀測資料，分析了祁連山水凝物總量（圖1）和祁連山降水總量（圖2），結果表明2016—2018年祁連山地區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 祁連山地區地形地貌

研究祁連山的地形地貌，揭示不同天氣類型下地形地貌下祁連山云和降水機理，為人工增雨作業提供科學依據。祁連山30°以下坡度占據86.6%（圖3），空間分布格局復雜，溝壑遍布，各個坡向占比例均衡（圖4）；祁連山草地、裸地占據86.7%；其次森林、水體、農地占用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，甘青兩省聯合實施祁連山有人飛機探測，KA-350探測飛機從西寧機場起飛，經門源（南坡）—永昌（北坡）—民樂（北坡）—祁連（南坡），完成跨越祁連山探測后返回西寧；位置信息：門源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尺度段出現斷層，云滴在經過0 ℃層后，由于固態粒子融化變為液態，＜10 μm的粒子碰并增長數濃度減小，＞20 μm的粒子在下落過程中破碎，數濃度明顯減小，10～20 μm的粒子由于碰并和破碎造成數濃度明顯增大。

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

2.5 催化作業雨滴譜變化特征

以2020年8月21日在祁連山開展的人工增雨外場試驗為例，分析了祁連山北坡增雨作業前后雨滴譜特征參量和譜型的變化。作業后雨滴尺度、總數濃度、雨強等均出現增大趨勢。作業后雨滴譜的譜寬逐漸變寬，作業后10 min，峰型由單峰轉變為雙峰，譜寬持續增大。

3 結語

祁連山是我國西部重要生態安全屏障和冰川與水源涵養生態功能區，通過研究可以提高空中水資源的利用率，緩解地區水資源短缺，提升區域生態環境承載能力，提高祁連山地形云人工增雨（雪）作業的科技水平和綜合業務服務能力。本研究未來將繼續在云模式模擬、云催化模擬、降水機理、地形云對比觀測和空中云水資源潛力等方面，開展進一步的研究。