2013年四川省飛機增雨作業典型個例分析

張 元，劉建西，劉曉璐，王維佳

(四川省人工影響天氣辦公室，四川成都610072)

0 引言

受全球氣候變暖的影響，四川省季節性和區域性干旱日趨嚴重，近幾年均發生了不同程度的干旱，嚴重影響了生態環境、工農業生產和人民生活等。此外，隨著經濟發展社會的快速發展，人們生活質量的不斷提高，退耕還林還草工程、草原牧區生態環境建設、南水北調工程等重大項目的開展，導致水資源需求量的大幅度增加，人工增雨則是緩解水資源短缺與需求增加這一矛盾的有效方式。尤其近年來隨著大氣科學整體水平的長足進展，新一代天氣雷達、氣象衛星、地理信息技術、中小尺度氣象監測網、新型的催化劑和播撒工具的綜合利用等，人工增雨技術也有了整體提高[1－3]，人工增雨作業在保障人民生產、生活、生態用水以及防災減災方面發揮了積極的作用。

自2012年冬季以來，川西高原南部及攀西地區降水比往年偏少6～9成，四川盆地大部地區偏少2～5成，冬干分布范圍為近20年來最廣，加之氣溫普遍偏高，耕層土壤相對濕度下降至70%左右。2013年入春后干旱持續，旱情由攀西、川南局部地區向四川盆地西北、盆地中部及盆地西南等地區迅速蔓延，截至3月中旬，已有15個市州受到干旱天氣影響，608.9萬人不同程度受災。為了有效緩解旱情，四川省人工影響天氣辦公室密切監視天氣，及時抓住有利時機，制訂了高密度、大范圍的增雨作業計劃。其中2013年4月4日晚，在四川東部、重慶西部等地開展的飛機增雨作業效果明顯，作業影響區普降小到中雨，部分地方大雨，個別站點出現暴雨，作業影響面積2.92萬km2，增加降水量11972萬m3。文中利用常規氣象資料、雷達資料以及人影模式預報產品分析了該次增雨過程，并對其效果進行初步檢驗。

1 作業條件監測

1.1 干旱監測

根據2013年4月4日的全國氣象干旱綜合監測圖可以看出，全國的干旱分布較廣(圖1a)，北方的覆蓋面積廣，包括內蒙古、山西、河南、陜西、甘肅、寧夏、青海東部、新疆西部，其中甘肅旱情較重。南方地區的干旱主要分布在四川東部、重慶西部、云南北部等，其中四川東部的特旱與重旱范圍是全國之最。

從四川省4月4日氣象干旱分布圖(圖1b)可以看到，四川盆地中部、北部以及涼山攀枝花等地都處于不同程度的干旱，其中四川盆地中部及盆地南部旱情嚴重，其中眉山、遂寧、資陽、內江、自貢、宜賓、瀘州等市都達到重旱，資陽、內江、自貢、瀘州等市與重慶交界處為特旱。

圖1 2013年4月4日全國氣象干旱綜合監測圖和四川省氣象干旱分布圖

1.2 天氣形勢

圖2 2013年4月4日08時高空形勢圖

圖2為4月4日08時高空形勢圖，500 hPa(圖2a)上，明勤—漢中—達州有一低槽，青藏高原東部到四川盆地西部為西北氣流，另外在高原中部還有一低值系統，預計前48小時四川受東移的低值系統影響，后24小時轉為西北氣流控制;700 hPa(圖2b)上，陜西南部有一切變，云貴到四川盆地為西南氣流;850 hPa(圖2c)上，盆地為一輻合區。根據數值預報(圖略)，中低層盆地將迅速轉為東北氣流，引導冷空氣南下，給四川省帶來一次明顯的降溫、降雨天氣過程，為開展人工增雨作業提供了基本條件。

1.3 人影模式預報產品分析

1.3.1 作業條件監測

圖3 衛星反演的2013年4月3日15:00西南旱區云頂溫度和光學厚度

根據中國局人影中心云反演產品分析顯示(圖3)，四川西部、云南西北部有云系覆蓋，局部液水含量較為充沛，云頂溫度最低約為－45℃，光學厚度最大可達24;四川東部、貴州中東部、局部液水含量較為充沛，云頂溫度約為0℃，光學厚度最大可達33。

1.3.2 作業潛勢預報

從模式預報累積過冷水分布圖(圖4)可以看出4月4日08時～5日08時，四川、云南大部、貴州、重慶、廣西有云系覆蓋，其中旱區四川東部、云南西北部、重慶西部云系有一定的過冷水，午后過冷水含量逐漸增多，累積過冷水約有0.3～0.5 mm，具有一定的催化潛力。

圖4 2013年4月4日08時～5日08時模式預報累積過冷水和增雨催化潛力區分布圖

1.3.3 潛力區云結構預報

圖5 2013年4月4日20時沿30°N東西向水成物垂直剖面

潛力區云體垂直結構分析顯示(圖5)，4月4日08時～5日08時，四川東部、重慶西南部過冷水主要位于0℃～－10℃層(海拔高度3300～5500 m)，暖區云水含量豐沛，具有一定的增雨潛力(圖5)。

1.4 探空分析

根據4月4日20時四川省探空資料顯示(圖6)，四川盆地中部及盆地南部0℃層高度為3500～3800 m，－10℃層高度為5400 m～5500 m。結合國家人影中心下發的人影模式產品分析結果，確定作業飛行高度3300～5500 m。

圖6 四川省2013年4月4日20時0℃層和－10℃層高度等值線(10 m)

2 作業方案設計及作業情況

根據天氣形勢分析以及人影模式產品結果，4月4日受低槽影響，四川省有一次明顯的降溫、降雨天氣過程;4月4日08時到4月5日08時四川中部、東部地區，重慶西部云系有一定的過冷水累積，且過冷水主要位于具0℃～－10℃層(海拔高度3300～5500 m)，有一定的催化潛力;四川盆地中部及盆地南部0℃層高度為3500～3800 m。綜合以上分析，四川省人影辦計劃在4月4日20時～24時在四川東部、重慶西部等地0℃層上進行飛機人工增雨作業。

2.1 航線設計

4月4日晚作業具體航線設計如圖7所示，飛機從廣漢出發，途徑成都、遂寧、重慶的潼南、江津以及貴州習水縣，再經瀘州、內江、資陽等市返回，設計總航程為862.027 km。

圖7 2013年4月4日晚飛機作業航線設計圖

2.2 作業情況

圖8 2013年4月4日晚飛機作業實際航線圖

圖8為4月4日晚飛機增雨作業實際航線圖，此次作業選擇在降雨過程前期進行，主要對有增雨潛力的目標區或其上風方云區用液氮進行人工催化，當日20:46～23:38，作業飛機從廣漢起飛，在四川的郫縣、邛崍、成都、瀘州、內江、資陽，重慶的潼南、江津等地實施催化作業，作業最低高度3000 m，最高高度3900 m，作業溫度在－1℃～－5℃，航行2小時52分，航程862.027 km，作業后6 h作業區普降小到中雨，部分地方大雨，個別點出現暴雨，作業影響面積2.92萬km2，增加降水11972萬m3。

3 作業前后雷達回波、雨量變化

3.1 作業前后雷達回波變化

雷達基本反射率能夠直觀地反映出探測范圍內降水云團的位置和強度。實施增雨作業后，隨著冰粒子尺度的增大，雷達對電磁波的散射能力也增大，雷達回波可以反映出來[9]。圖9為2013年4月4日晚增雨作業前后宜賓站新一代天氣雷達基本反射率變化情況。當晚作業催化開始時間為21:19，選取作業前1 h，作業后1 h、2 h、3 h宜賓站雷達基本反射率變化特征進行比較分析。從圖9可以看出，降水回波主體作業前1 h分布在涼山州及樂山一帶，回波強度在10～40 dBz，為降水云系的發展階段，圖中橢圓形實線區域內為作業區，催化劑主要播撒在瀘州、內江等地區，作業前作業區幾乎沒有雷達回波，作業期間宜賓高空500～700 hPa均為西南風(圖略)，催化劑隨著引導氣流向東北方向擴散。

圖9 作業前后雷達基本反射率圖

回波在作業后保持穩定發展，并從西南向東北方向移動發展，作業后3 h，回波面積明顯增大，其中心強度已達到50 dBz。由此可見，飛機增雨作業后，作業區域降水回波明顯增強，回波面積增大。

3.2 作業后雨量分析

圖10 2013年4月4日20時～24時作業區自動站分鐘雨量圖

選取4月4日20時～24時作業范圍四川省內6個自動雨量站分鐘雨量分布進行分析(圖10)，21:19開始在成都邛崍等地播撒催化劑，從圖中可看到，邛崍、丹棱、貢井、威遠4個測站作業前20時到21時就有小雨，1 h累積雨量分別為2.3 mm、2.5 mm、1.2 mm和0.2 mm(見表1)，簡陽和古藺在這一時段沒有降水;丹棱、古藺、貢井3個測站在21～22時雨量明顯增大，其他3個測站在22時后明顯增大，其中丹棱武廟鄉站作業后3 h累積雨量達26.2 mm。由此可見，飛機增雨過后，雨量有明顯的增大過程，且從圖10可看出，測站出現降雨的時間也基本與飛行路線一致，先作業的地區降雨時間較早。

表1 2013年4月4日晚作業區域自動雨量站雨量/mm

3.3 作業后干旱監測

從圖11可以看到，4月5日與4日相比，四川及重慶旱情明顯減弱，基本轉為輕旱或重旱，說明4月4日晚增雨效果比較明顯，為減輕2013年四川西南部分地區春旱發揮重要的作用。

圖11 2013年4月5日全國氣象干旱綜合監測圖和四川省氣象干旱分布圖

4 效果評估

由于云和自然降水變率大，評估對象的不確定性，不同時空條件下的各種因子相互影響制約，探測儀器設備缺乏、技術的局限等原因，人工增雨的量值經常在自然降水變化中被掩蓋[4]，因此科學、客觀、準確地評估人工增雨作業效果是非常困難的，也是目前人影業務亟待解決的難點。

結合業務作業服務工作，國內學者針對人工增雨的效果檢驗做了許多工作，也取得一些研究成果。目前常用的評價人工增雨效果的方法有統計檢驗、物理檢驗和數值檢驗3種基本方法[5－7]，這3種方法有共同之處，也有其側重點。物理檢驗可以直觀地看到人工增雨作業的效果，而統計檢驗的優勢是可以給出在一定置信水平下效果大小的具體數值，從長遠看，用數值模式作精確、定量的降水預報是解決人工影響天氣效果檢驗問題的重要途徑。

文中采用區域對比檢驗方法對此次增雨效果進行評估。

4.1 區域對比檢驗

近年來，很多學者對人工增雨的效果評估也開展了一系列的研究，取得一些重要的作業經驗和研究成果，在為政府和公眾服務過程中，需要對每次作業增加降水有定量客觀的計算，因此四川省人影辦經過多年實踐，采用區域雨量對比的方法，簡明、實用地評估增雨效果[11]，下文通過區域對比檢驗對4月4日晚增雨作業效果進行評估。

對比區的選擇。對比區的選擇基本遵循以下3個原則:(I)位于目標區的上風方或橫側，地形和面積與作業影響區大致相近，不受作業催化劑污染;(II)與目標區受同一降水天氣系統的影響;(III)歷史降水情況與目標區有好的相關。

其中R、r分別為影響區、對比區的平均雨量。選取作業開始時間起之后3小時累積雨量，分別計算響區和對比區內各雨量站的算術算術平均值，得到R和r值，兩者的差值即為增雨量。

上式中S為作業影響面積，根據催化劑播撒路徑確定作業起止點的經緯度，根據作業層風速風向確定催化劑的擴散范圍，給出一個比較規則的幾何區域，計算出該區域的面積，即為S值。

圖12 4月4日晚飛機作業效果評估圖

4.2 評估結果

根據作業起止點，遵循影響區選擇的原則選取影響區(圖12，虛線矩形區域)，利用四川省人工影響天氣業務系統計算出影響區面積，根據4月4日晚21時到24時四川省自動站降水資料以及重慶部分站點的雨量值，計算得到影響區雨量R，由于作業當晚作業高度為西南風，選取與風向垂直的位于影響區東南側為對比區(實線矩形區域)，計算出同時段對比區雨量值r，最后得到此次增雨作業的增加降水量P。

此次作業影響面積2.9萬km2，影響區3 h平均降雨量為4.9 mm，對比區3 h平均降雨量為0.8 mm，3 h增加降水量11972萬m3。

5 結論

通過對四川省2013年4月4日晚飛機人工增雨作業過程進行分析，結論如下:

(1)由于受高空低槽影響，4月4日四川有降水過程，旱區四川東部及重慶西部液水含量充沛，4月4日08時～5日08時，四川東部、重慶西部云系有一定的過冷水，午后過冷水含量逐漸增多，具有一定的催化潛力。

(2)綜合天氣形勢及人影模式產品結果，4日20:46～23:38，四川省人影辦在四川盆地中部、盆地南部以及重慶西部等地實施跨區增雨作業，作業高度為3000～3900 m，作業溫度為－1℃～－5℃，航時2小時52分，航程862.027 km。

(3)從作業前后雷達基本反射率和作業區自動雨量站雨量分析可以看到，此次飛機增雨作業區降水回波強度、面積明顯增強，降水量也在作業后有增大的過程，作業區普降小到中雨，部分地方大雨。利用四川省人工影響業務平臺，根據區域雨量對比的方法計算得出此次增雨作業影響面積2.9萬km2，3 h增加降水量11972萬m3。4月4日晚飛機增雨效果比較明顯，為減輕2013年四川及西南部分地區春旱發揮重要作用。

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