貴州省2018年5月3日飛機增雨作業(yè)個例分析

賀 藝，許 弋，文繼芬，李 皓，崔 蕾，饒 蓮

(貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081)

0 引言

在適當(dāng)?shù)臈l件下開展飛機人工增雨工作，對解決各地水資源缺乏，增加水庫蓄水量，改善生態(tài)環(huán)境，減輕和緩解干旱對國民經(jīng)濟特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響等具有十分重要的意義。研究表明，貴州省上空長年都有一條豐富的水汽帶，空中云水資源豐富，降水開發(fā)潛力巨大。貴州省自2005年以來，年均開展飛機人工增雨作業(yè)20多架次，年均增加降水約25億噸，取得明顯的社會經(jīng)濟生態(tài)效益。隨著氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)、大氣探測、微波輻射等探測資料在貴州的廣泛運用，飛機人工增雨作業(yè)時間、高度、范圍、效益更具有科學(xué)性、針對性與成效性。在此，以2018年5月3日一次飛機增雨作業(yè)過程為例，通過GRAPES模式產(chǎn)品、FY2反演產(chǎn)品、雷達(dá)回波、降水實況等資料，對天氣系統(tǒng)的云系特征、作業(yè)潛力、作業(yè)區(qū)域與作業(yè)效果進(jìn)行分析，設(shè)計完善飛機增雨作業(yè)方案，并按照既定方案組織實施飛機人工增雨作業(yè)，取得了明顯的增雨作業(yè)效果。

1 天氣背景分析

5月2日08時的天氣實況顯示500 hPa南支槽位于90°E附近，有短波東移影響我省，700 hPa切變位于我省東部，我省大部受西北氣流影響，850 hPa切變位于我省東南部邊緣，我省大部受偏北氣流影響，地面受冷空氣影響，冷鋒位于華南沿海。

1.1 天氣形勢

在500 hPa高空圖上，歐亞地區(qū)中高緯度呈現(xiàn)兩槽一脊徑向型環(huán)流，青藏高原東部有一高壓切變，西南至江淮一帶西南急流已經(jīng)建立；700 hPa高空圖上，中高緯度環(huán)流與500 hPa相似，貴州西部至湖北東部有準(zhǔn)靜止鋒切變線；850 hPa高空圖上，850 hPa與700 hPa形勢場的區(qū)別在于，切變線已經(jīng)南移到貴州東南部地區(qū)。

圖1 2018年5月2日08時中尺度天氣形勢圖(紅色方框為作業(yè)影響區(qū)，黑色方框為對比區(qū))Fig.1 The mesoscale weather situation at 00∶08 on May 2, 2018(the red box is the influence area, and the black box is the contrast area)

根據(jù)圖1，可以看出，作業(yè)前，中低空(700 hPa)切變線位于我省東部，且穿過對比區(qū)，對比區(qū)和影響區(qū)均受到西北氣流影響；低空(850 hPa)切變線位于我省東南部邊緣，對比區(qū)和影響區(qū)均受到偏北氣流影響；地面對比區(qū)和影響區(qū)均受冷空氣影響，濕舌穿過對比區(qū)，影響區(qū)和對比區(qū)均落后冷鋒。

1.2 降水預(yù)報

受高空短波槽和中低層切變影響，2日夜間到3日夜間，全省陰天間多云有分散陣雨，省的南部邊緣有小到中雨。預(yù)計3日08—20時影響畢節(jié)西部邊緣、六盤水、黔西南州、黔南州及黔東南州南部邊緣，2018年5月2日20時—3日20時降水落區(qū)預(yù)報見圖2。

圖2 2018年5月2日20時降水預(yù)報落區(qū)圖Fig.2 Precipitation forecast area map at 20∶00 on May 2, 2018

2 作業(yè)潛力分析

2.1 云特征及演變分析

通過5月3日08—14時的云帶與垂直過冷水綜合模式預(yù)報變化趨勢(如圖3)可以看出，貴州省有降水性云帶覆蓋且局部有對流性降水，云帶自西南向東北方向移動，平均移速約30 km/h，主要為冷暖混合云結(jié)構(gòu)，最大垂直累積過冷水可達(dá)0.3 mm，具有一定的催化潛力，且在14時左右開始作業(yè)比較合適。

2.2 云垂直結(jié)構(gòu)分析

潛力區(qū)云體垂直結(jié)構(gòu)分析(如圖4)顯示，5月3日14—17時黔東南州的云系過冷水主要位于0～-10 ℃層(海拔高度4 500～6 300 m)，過冷水最大含量可達(dá)0.1 g/kg，云水含量豐富，且云中冰晶粒子較少，粒子數(shù)濃度為10個/L，云頂高度在9 km左右，技術(shù)參考指標(biāo)一般為4 km以上，因此，具有一定的增雨潛力。

3 作業(yè)監(jiān)測預(yù)警分析

通過FY2衛(wèi)星監(jiān)測反演云產(chǎn)品跟蹤對比檢驗?zāi)Ｊ筋A(yù)報云帶結(jié)果(圖略)可以看出，5月3日08—11時，模式預(yù)報與實況基本一致，貴州省全省確有降水云系覆蓋，云系自西向東偏北方向移動，移速約30 km/h，云中局部具有豐富的液態(tài)水含量，云降水呈垂直結(jié)構(gòu)發(fā)展，云頂高度局部最高約為9 km，過冷層厚度在5 km以上，技術(shù)參考指標(biāo)一般為1 km以上，光學(xué)厚度最大值可達(dá)40，技術(shù)參考指標(biāo)一般為30以上，因此，具有一定增雨條件(如圖5)。

雷達(dá)回波監(jiān)測顯示(如圖6)，5月3日13時30分貴州省全省大部有降水回波覆蓋，回波強度在20～40 dBz之間，技術(shù)參考指標(biāo)一般為30 dBz以上，回波自西向東移動；回波垂直結(jié)構(gòu)上，回波頂高4 km左右。

4 作業(yè)方案設(shè)計及作業(yè)情況

4.1 航線設(shè)計

通過上述分析情況并用監(jiān)測預(yù)警檢驗?zāi)Ｊ胶?判定作業(yè)潛力區(qū)合理，此次過程為適合開展飛機增雨作業(yè)的天氣過程，決定開展飛機增雨作業(yè)，設(shè)計航線為黃平—玉屏—臺江—天柱—三都—黃平(如圖7)。

4.2 作業(yè)實況監(jiān)測

根據(jù)2018年5月3日飛行高度時間序列圖顯示(如圖8)，飛機于5月3日14時25分起飛，機場是小雨天氣，起飛后14時54分進(jìn)入高層云，高度在4 111～5 352 m之間，飛機催化劑作業(yè)時間是14時54—15時34分。此次增雨為冷云催化，在0 ℃層高度以上進(jìn)行作業(yè)催化效果最佳，催化劑為碘化銀，碘化銀用量82.5 g，使用煙條11枚，作業(yè)影響面積達(dá)10 000 km2，飛行航線571 km，飛行時間近2 h，機翼兩側(cè)從輕微結(jié)冰到中度結(jié)冰，充分說明空中有較多的過冷卻水，是利于催化的。實際08時探空顯示0 ℃層～-5 ℃層高度為4 298～5 319 m。

圖3 預(yù)報2018年5月3日08—14時云帶(左圖)和累積過冷水(右圖)分布Fig.3 Forecasts the distribution of cloud belts (left) and accumulated supercooled water (right) from 08am to 14pm on May 3, 2018

圖4 2018年5月3日14時自黔東南中部自西向東的云垂直結(jié)構(gòu)圖a：云水(填色陰影)，冰晶(紅色等值線)， 等溫線(紫色等值線)圖b：雪+霰(填色陰影)，雨(紅色等值線)， 等高線(紫色等值線)Fig.4 Cloud vertical structure from west to east in central guizhou at 14∶00 on May 3, 2018Left: cloud water (shaded), ice crystals (red contours), isotherms (purple contours)Right figure: snow + graupel (color shadows), rain (red contours), contour line (purple contours)

圖5 2018年5月3日13時30分衛(wèi)星反演的光學(xué)厚度(a)和過冷層厚度(b)Fig.5 Optical thickness (left) and supercooled layer thickness (right) of satellite inversion on May 3, 2018

圖6 2018年5月3日13時30分雷達(dá)回波(a)和垂直結(jié)構(gòu)(b)Fig.6 Radar echo (left) and vertical structure (right) at 13∶30 on May 3, 2018

圖7 2018年5月3日作業(yè)航線設(shè)計圖Fig.7 Route design drawing for operation on May 3, 2018

圖8 2018年5月3日飛行高度時間序列圖Fig.8 Time series diagram of flight altitude on May 3, 2018

5 作業(yè)效果評估分析

2018年5月3日，以貴州黃平機場為起降點，通過作業(yè)條件分析后采用冷云催化劑對貴州省的東南部實施了飛機人工增雨作業(yè)，降水量在作業(yè)后有明顯增大，作業(yè)影響面積達(dá)10 000 km2。目前，國內(nèi)外評估人工增雨作業(yè)效果的方法主要有序列試驗、區(qū)域?qū)Ρ仍囼灐^(qū)域歷史回歸試驗等[1-4]。在此，結(jié)合我省多年業(yè)務(wù)實際應(yīng)用情況，采用增雨效率法和區(qū)域?qū)Ρ确ňC合分析評估此次飛機增雨的作業(yè)效果。

5.1 雨量分析

通常情況下，碘化銀催化作用的時間在作業(yè)30 min后開始起效，最佳效果時間在作業(yè)90 min后，本次增雨作業(yè)半小時后開始逐漸增加雨量，特別是從22時地面小時雨量圖(如圖9)可以看出，貴州省東南部、南部、中部等地區(qū)降水效果顯著，全省地面的小時降水量在作業(yè)后普遍增加，東南部作業(yè)影響區(qū)內(nèi)普降小到中雨，2 mm以上降水中面積不斷增大，最高可達(dá)10 mm。可見，催化作業(yè)2 h后，地面降水量明顯增多，催化作業(yè)有明顯的增雨效果。

考慮受同一天氣系統(tǒng)與西風(fēng)向的影響因素，所以選擇了1個面積相同、未實施增雨作業(yè)的對比區(qū)與實施增雨作業(yè)的影響區(qū)的作業(yè)效果來進(jìn)行對比(圖10)，從增雨作業(yè)結(jié)束后的12 h降水量的情況，可以明顯看到：在作業(yè)結(jié)束5 h內(nèi)，作業(yè)影響區(qū)較對比區(qū)的平均降水量呈平穩(wěn)增加狀態(tài)，但在21時以后平均降水量比值顯著增加，22時比值達(dá)到最高，為7.6倍，5月4日02時以后作業(yè)影響區(qū)與對比區(qū)的平均降水增加量逐漸平緩，總體來看，21—次日02時，影響區(qū)內(nèi)的平均降水量明顯大于對比區(qū)的降水量，說明作業(yè)有明顯的效果。

圖9 2018年5月3日22時地面小時雨量Fig.9 Hourly rainfall on the ground at 22∶00 on May 3, 2018

圖10 作業(yè)影響區(qū)與對比區(qū)效果分析Fig.10 Effect analysis of operation influence area and contrast area

5.2 雷達(dá)回波分析

從雷達(dá)回波演變情況看，云團自西南向東北方向移動，沿著云團的移動方向作垂直剖面，從平面分布圖和剖面圖上(如圖11)可以發(fā)現(xiàn)：增雨作業(yè)進(jìn)入尾聲時(16時)，作業(yè)區(qū)的雷達(dá)回波強度為0～30 dBz，且回波垂直結(jié)構(gòu)上回波中心強度25～30 dBz，15 dBz以上回波區(qū)域頂高在5 km左右；增雨作業(yè)1 h以后，回波強度增強，回波中心強度達(dá)35 dBz以上，回波中心面積增大，回波中心底高降低，回波高度增加，15 dBz以上回波區(qū)域頂高可達(dá)6 km以上。可見云團催化作業(yè)后，雷達(dá)回波強度明顯增強。

6 結(jié)論

①受高空槽東移冷空氣南下，高空短波槽和中低層切變影響，2018年5月3日貴州省東南部有降水過程，有降水性云帶覆蓋，液態(tài)含水量充沛，具有一定增雨潛力，且14時過冷水含量最大，故此次飛機增雨作業(yè)的航線設(shè)計與時間安排是合理的。

②綜合天氣形勢和人工影響天氣模式產(chǎn)品，5月3日14時25分—16時20分在貴州省東南部開展了飛機增雨作業(yè)，此次增雨為冷云催化，催化劑為碘化銀，作業(yè)高度為4 111～5 352 m，實際08時探空顯示0 ℃層～-5 ℃層高度為4 298～5 319 m，飛行高度在云內(nèi)-4 ℃層以上，催化劑使用與飛行高度合理，技術(shù)參考指標(biāo)將來還需要通過大量的飛機增雨個例分析來進(jìn)行完善精化，形成更適用于貴州本地的技術(shù)指標(biāo)，為將來的飛機增雨科學(xué)作業(yè)指揮提供更可靠、更有力地支撐。

圖11 2018年5月3日沿催化云團移動方向的雷達(dá)回波垂直剖面Fig.11 Radar echo vertical profile along the moving direction of the catalytic cloud on May 3, 2018

③從作業(yè)前后雷達(dá)回波變化和作業(yè)區(qū)地面小時雨量分析可以看出，此次飛機增雨作業(yè)區(qū)內(nèi)雷達(dá)回波強度和覆蓋面積有所增強，降水量也在作業(yè)后有明顯增大，作業(yè)區(qū)普降小到中雨，2018年5月3日貴州省飛機增雨作業(yè)效果明顯，對解決貴州省東南部區(qū)域水資源缺乏，增加降水量，改善生態(tài)環(huán)境等發(fā)揮重要作用。