大興安嶺林區一次飛機增雨作業的條件識別和效果分析

鄭 凱，張苗苗

(黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江哈爾濱 150030)

森林在涵養水源、凈化空氣、調節氣候、改善環境、維護生態平衡等方面發揮著重要作用，而森林火災對植被和生態環境造成嚴重破壞、危及人類的生存、造成嚴重的經濟損失。黑龍江省自1987年開展飛機人工增雨作業已有多年歷史，在黑龍江省北部林區森林增雨撲火作業中發揮了重要作用，受到省政府及森防部門的肯定。2013年增雨飛機首次進駐加格達奇機場，飛機增雨作業覆蓋整個大興安嶺地區，為更有效地開展林區防火、撲火作業奠定了基礎，也對如何更科學有效地開發空中水資源、增加林區降水提出更高要求。筆者在此基于云降水精細分析系統，應用GRAPES模式預報資料、衛星云特征參量產品、雷達資料和L波段探空秒數據等，針對2015年6月6日大興安嶺地區一次飛機增雨作業過程，重點討論了增雨作業條件的識別和方案的設計，并對作業效果進行了初步分析。

1 天氣背景

前期，中高緯度為兩槽兩脊的形勢。受鄂霍次克海深厚低渦阻擋，黑龍江省為弱高壓脊控制，貝湖以東地區低渦不斷有冷空氣補充，發展加強。6月6日08:00，貝湖以東低渦移近黑龍江省西部地區，中心位于蒙古國與內蒙東部交界處，黑龍江西部處于低渦前部偏南氣流中，水汽條件較好，隨著低渦的東移，全省自西向東有一次降水過程。

2 增雨潛力預報

2.1 GRAPES模式預報產品分析 根據歐洲中心、T639等模式預報，貝湖以東冷渦發展加強并移近黑龍江省，6日08:00，低渦中心位于內蒙東部與蒙古國交界處，黑龍江省西部處于渦前偏南氣流中，水汽條件較好，隨著系統的移近，降水于6日凌晨自西向東展開，大興安嶺地區位于低渦前部，0℃層位于850～700 hPa，偏南風，風速12～20 m/s。

從GRAPES模擬的云宏觀場看，5日20:00以后，云帶開始進入黑龍江省偏西部地區;6日02:00以后，云帶覆蓋面積逐漸擴展，云區面積增大、云頂高度升高、云頂溫度降低、云層增厚;6日08:00(圖1)，低渦云系密實、緊湊，高值區自大興安嶺西部延伸至吉林中西部地區，云帶0.5～1.0 mm，云中過冷水含量0.01～0.10 mm，云頂高度7～11 km，云頂溫度－30～－50℃;11:00以后，云帶面積進一步向黑龍江省中東部擴展，但云頂高度有所降低、溫度升高、云層變薄變分散，過冷水的分布也變得分散，大興安嶺地區過冷水含量顯著減少。綜合以上分析，6日11:00之前，系統處于發展階段，大興安嶺西部地區具備較好的增雨潛力。

為確定具體的作業方案，對大興安嶺西部地區進行水成物垂直剖面，由圖2可見，大興安嶺西部地區垂直高度上云水含量較充沛，過冷水位于700～600 hPa，具有一定厚度，位于0～20℃、1 800～6 000 m;冰晶粒子高值區位于3 500～4 500 m，含量0 ～10 L－1，3 000 ～4 500 m高度雪晶、霰發展較好，含水量0.05～0.30 g/kg。從模擬結果來看，過冷云水層具有一定厚度，冰相粒子發展較好，大興安嶺西部地區具備較好的增雨潛力。

2.2 作業預案設計 綜合以上分析，6月6日大興安嶺地區受低渦前部云系影響，利于降水的產生，云系中具備一定的過冷水，位于1 800～6 000 m，隨著系統的移近，其西南部有干冷空氣進入，午后易發雷暴和短時強降水，同時考慮到下午系統開始減弱，預計上午開展作業增雨效果較好，作業時段為08:00～11:00，作業高度為3 000～4 000 m。

3 作業條件監測與方案設計

由6月5日20:00和6日08:00高空實況可見，系統的發展與EC和T639模式預報產品基本一致，受暖脊影響，云帶位于大興安嶺與內蒙交界處，其主體北上速度較慢，云帶向東北方向緩慢移動，隨著系統移近，中高層有干空氣夾卷進入內蒙東部地區，黑龍江西部地區水汽條件較好，地面有穩定性降水產生。位于作業區域上風方向的嫩江站5日20:00和6日08:00探空顯示，2個時次均具備一定的不穩定能量，K指數較大，SI指數較低，08:00低層風切變較大，伴隨中高層干空氣的進入，加格達奇本站附近午后易產生雷暴、大風等強對流天氣［1－2］。

3.1 云垂直結構分析 選取嫩江站L波段探空秒數據，利用探空數據分析云垂直結構的方法［3－5］，分析云系垂直結構特征。由圖3可見，5日20:00，本站處于系統前部，無降水產生，云層發展較高，云頂高度約12 km，低層至高層為一致的偏南風，0℃層高度約2.7 km;6日08:00，主體云系進入本站，云頂、云底高度均有所降低，分別為9.2和1.0 km左右，由高、中、低三層云組成，低云云頂高度約5 km，0℃層高度降低至2.4 km左右，云底高度降至1 km以下。

3.2 云場發展演變及模擬云場檢驗 由衛星反演的6日08:30過冷層厚度、云頂高度和云頂溫度(圖4)可見，云系的總體發展趨勢與GRAPES模式預報基本一致，預報云帶主體范圍偏大，大興安嶺地區云帶東移北上的速度較預報場偏慢，而云帶南部位置較預報偏東約2個緯度。降水主體云系過冷層厚度為4.5～8.0 km;云頂高度為8～10 km，與模式預報一致;云頂溫度－40～－30℃，南部云體云頂溫度預報偏高10℃。云系主體自大興安嶺西部延伸至黑龍江省中南部地區，地面有降水產生，與模式模擬云帶0.5 mm以上區域基本一致。由臨近幾個時次的衛星云圖來看，云帶進入大興安嶺地區的速度偏慢，主體剛剛進入大興安嶺地區西南部，仍處于發展階段，經過外推，預計未來3 h將向東緩慢移動，可在云系前沿開展催化作業。

3.3 飛行航線的設計 通過對云系垂直結構的分析和系統云系的監測，并進行外推，考慮到云系尚處于發展階段，將進一步東移北上，沿著主體云系前沿增雨潛力較大，且考慮到下午干空氣侵入后，加格達奇周邊發生雷暴的幾率較大，制定了6日08:30～11:30的作業計劃(圖5a)，對大興安嶺西南部林區進行作業，作業高度為3 000～4 000 m。

4 作業效果分析

4.1 作業情況簡介 6日08:30～11:10，加格達奇的增雨飛機對大興安嶺地區西南部林區開展了增雨作業，播撒時間08:55～10:29，飛行軌跡與預設航線基本一致(圖5b)，作業高度為3 500～3 700 m，作業層溫度為－6～－8℃。機上宏觀記錄表明，作業云系為層狀云，云體發展深厚，水汽含量充足，云內飛行較平穩，機體有積冰，表面過冷水含量較充沛;作業消耗 AgI焰彈200發、19管焰彈19根，純 AgI含量468 g。

4.2 作業后雷達回波強度與垂直累積液態水含量的變化 作業區域距加格達奇雷達站75～175 km，從雷達回波上看，作業云系為層狀云，云頂普遍在4 km以下，當探測距離超過120 km后不能反映出2 km以下的降水信息;600 hPa風向為南東南風，與播撒軌跡基本垂直，風速12～14 m/s，同時系統移動緩慢;綜合以上原因，對約120 km范圍內的影響區域進行了效果的初步檢驗。

根據機上記錄，飛機于8:56～10:29進行了云內播撒(圖5b)。由圖6～7可見，開始作業前，08:56影響區內只有少部分非降水回波，液態水含量較低，且分布較分散;09:27，作業30 min后，隨著云系的東移，影響區內出現降水回波，且強度較圖中框區南部非作業區強，液態水含量也呈增加趨勢;10:04、10:30，分別對應影響區內作業后30 min和1 h，框區內降水回波增強、面積明顯增大、云體增厚，云頂高度4 km，降水回波最大達35 dBz，液態水含量5 kg/m2以上的范圍繼續增加;11:02～12:32，降水回波的范圍進一步向北向東擴展，面積增大、液態水含量增加。

由于作業影響區主要位于林區，雨量點稀少，未能進行雨量的檢驗，從常規站的觀測來看，作業區下風方的呼中站，作業前6 h雨量0.1 mm，作業后14:00的6 h雨量為2 mm，高于周邊站點。綜合以上分析，作業后影響區內雷達回波增強、降水回波面積增大、云層增厚、垂直累積液態水含量有所增加，存在正效果。

5 小結

(1)GRAPES模式對云宏觀場的模擬效果較好，云帶范圍、云頂高度、云頂溫度、發展趨勢與實況基本一致，垂直累積過冷水含量及其水凝物的預報為作業條件的識別提供了重要參考。

(2)此次過程水汽條件一般，以小雨天氣為主。從作業效果看，作業后影響區內降水回波面積增大、回波增強、云層增厚、垂直累積液態水含量有所增加。

［1］廖向花，周毓荃，唐余學，等.重慶一次超級單體風暴的綜合分析［J］.高原氣象，2010，29(6):1556 －1564.

［2］張苗苗，牛忠清.基于CPAS的層狀云飛機增雨作業條件識別和效果分析［J］.黑龍江氣象，2015，32(1):33 －35.

［3］周毓荃，歐建軍.利用探空數據分析云垂直結構的方法及其應用研究［J］.氣象，2010，36(11):50 －58.

［4］歐建軍.利用探空數據分析云垂直結構的方法及其應用研究［D］.南京:南京信息工程大學，2011:11－12.

［5］蔡淼，歐建軍，周毓荃，等.L波段探空判別云區方法的研究［J］.大氣科學，2014，38(2):213－222.