冷渦前部飛機(jī)人工增雨作業(yè)條件數(shù)值模擬研究

張 微，李德泉，劉星光，馬廷淮

（1.黑龍江省人工影響天氣辦公室，黑龍江 哈爾濱150030；2.中國(guó)氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；3.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044）

冷渦作為中、高緯度地區(qū)的冷性閉合低壓環(huán)流系統(tǒng)，是影響我國(guó)北方降水的主要天氣系統(tǒng)之一。陶詩(shī)言等[1]指出東北低壓或冷渦型是我國(guó)暴雨特點(diǎn)之一，常常造成東北地區(qū)、華北北部暴雨或雷陣雨。前人對(duì)冷渦研究發(fā)現(xiàn)：冷渦全年各月均可發(fā)生，但在夏季最容易發(fā)生[2-3]，空間分布的密集區(qū)主要位于大興安嶺背風(fēng)坡東北平原的北端和三江平原（黑龍江、松花江和烏蘇里江）的低洼地上空，其發(fā)展演變與地形有關(guān)[4]。

冷渦在東北地區(qū)的頻發(fā)性、持續(xù)性決定了它對(duì)東北天氣氣候的重要性。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)氣象工作者對(duì)東北冷渦天氣過(guò)程的觀測(cè)和分析研究一直沒(méi)有間斷過(guò)[5-12]，從不同的側(cè)面對(duì)東北冷渦的識(shí)別、發(fā)生及發(fā)展進(jìn)行了探討。但是，在東北冷渦的人工增雨方面目前國(guó)內(nèi)研究相對(duì)還較少。研究發(fā)現(xiàn)，東北冷渦是影響黑龍江省降水的主要天氣系統(tǒng)之一，其云系內(nèi)還有豐富的云水資源，是解除春秋季干旱的主要降水系統(tǒng)。對(duì)近些年黑龍江省飛機(jī)增雨作業(yè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，渦旋云系為增雨作業(yè)主要云系，其次為低槽云系。

飛機(jī)人工增雨作為開(kāi)發(fā)空中云水資源的一種有效手段，在抗旱、森林防火滅火、增加水庫(kù)蓄水、改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。但飛機(jī)增雨作業(yè)具有多種局限性，因此作業(yè)天氣條件、作業(yè)時(shí)段和作業(yè)區(qū)域的選擇就顯得尤為重要[13]。本文利用中尺度數(shù)值模式結(jié)合觀測(cè)資料對(duì)2015 年6 月6 日大興安嶺林區(qū)的飛機(jī)增雨作業(yè)條件進(jìn)行研究，從天氣條件、云的宏微觀條件不同尺度進(jìn)行了分析，對(duì)深入認(rèn)識(shí)冷渦背景下的云系降水和人工增雨作業(yè)等方面提供一定的參考依據(jù)。

1 資料及模擬方案介紹

本文所用觀測(cè)資料有：Micaps 高空、地面資料；FY-2E 衛(wèi)星觀測(cè)資料及其反演產(chǎn)品；L 波段探空資料；加格達(dá)奇站多普勒雷達(dá)（CC-型號(hào)）觀測(cè)資料；飛機(jī)上宏觀觀測(cè)記錄等。模式的初始場(chǎng)采用2015 年6月5—7 日的NCEP 再分析資料（FNL from GFS），空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h。

本文使用WRF-ARW（V3.6）進(jìn)行實(shí)例模擬。模式采用兩層雙向嵌套方案（圖1），分辨率分別為18 km、6 km，內(nèi)層網(wǎng)格中心位于大興安嶺地區(qū)（125.3°E，51.2°N），垂直方向采用σ 坐標(biāo)，共27 層。對(duì)于可分辨尺度降水，云微物理過(guò)程均采用Morrison 雙參數(shù)方案，該方案[14-15]考慮了云水、雨水、冰晶、霰（雹）、雪5 種水物質(zhì)，以及多種液態(tài)、固態(tài)和混合態(tài)過(guò)程，是WRF 模式中較為復(fù)雜的云微物理過(guò)程方案，可以很好地反映云、雨過(guò)程。對(duì)于不可分辨尺度降水，粗網(wǎng)格采用Grell-Devenyi 積云對(duì)流參數(shù)化集合方案。模擬時(shí)段為2015 年6 月5 日08時(shí)—7 日08 時(shí)（BST），共48 h。

圖1 模擬區(qū)域設(shè)置（東北區(qū)域）

2 天氣背景

2.1 天氣形勢(shì)對(duì)比分析

2015 年5 日20 時(shí)—6 日08 時(shí)，貝加爾湖低渦東移至蒙古國(guó)與內(nèi)蒙古東部交界處，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，全省自西向東產(chǎn)生一次降水過(guò)程。

圖2 為6 月5 日20 時(shí)實(shí)測(cè)與模擬的500 hPa高空?qǐng)D。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模擬的低渦中心位于蒙古國(guó)與內(nèi)蒙古東部交界處，低渦中心數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)值也一致。分析溫度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，模擬的溫度曲線分布、數(shù)值與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，模擬分辨率更高。模擬的風(fēng)速、風(fēng)向與實(shí)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向基本一致，模式模擬風(fēng)場(chǎng)更連續(xù)。綜合考慮，模式對(duì)于氣壓（位勢(shì)高度）、溫度及風(fēng)速風(fēng)向的模擬效果較好。

2.2 水汽場(chǎng)分析

圖3 為模擬的6 日08—18 時(shí)水汽通量變化情況，在圖中已用星號(hào)標(biāo)出關(guān)注區(qū)域（大興安嶺林區(qū)）。通過(guò)分析水汽通量變化情況可知，大興安嶺地區(qū)水汽來(lái)源有兩個(gè)，一個(gè)是來(lái)自于南部源源不斷輸送的水汽，一個(gè)源于冷渦系統(tǒng)本身所帶來(lái)的水汽，其中南部水汽輸送是此次降水過(guò)程主要水汽來(lái)源。可以看到6 日08—18 時(shí)關(guān)注區(qū)域水汽通量數(shù)值較大，水汽條件良好。

3 云條件分析

3.1 云系宏觀特征

由6 日08—16 時(shí)衛(wèi)星云圖可知，08 時(shí)渦旋云系已經(jīng)移入黑龍江省，云系分布在黑龍江省偏西部地區(qū)，云層較厚，移動(dòng)速度較慢，約為30 km/h，云系整體向東北向移動(dòng)，位于大興安嶺地區(qū)上空云層分布較厚且均勻，以層狀云為主。13 時(shí)隨著系統(tǒng)的移近，其西南部有干冷空氣進(jìn)入，系統(tǒng)進(jìn)入成熟階段，云帶厚度開(kāi)始減弱，分布相對(duì)零散，局部云頂較高，此時(shí)以混合云為主。

圖2 2015 年6 月5 日20 時(shí)實(shí)測(cè)（a）與模擬（b）的500 hPa 高空形勢(shì)

結(jié)合衛(wèi)星反演云特征參量可知，6 日08—12時(shí)，大興安嶺地區(qū)上云帶主體云頂較高，云頂高度在8～10 km，云頂溫度在-30～-20 ℃，云層較厚，光學(xué)厚度為32～40，過(guò)冷層厚度為5～8 km。13—16 時(shí)云頂高度有所下降，主體云帶云頂高度為7～9 km，云頂溫度在-25～-15 ℃，云層稍變薄，光學(xué)厚度為20～28，過(guò)冷層厚度在4～5 km。分析云系水平分布特征，發(fā)現(xiàn)08—16 時(shí)云宏觀條件較好，適合飛機(jī)增雨作業(yè)，且08—12 時(shí)云條件優(yōu)于13—16 時(shí)。

圖4 為FY-2E 衛(wèi)星反演6 日11 時(shí)光學(xué)厚度與模擬的云帶，云帶為總水成物在垂直方向上累積，在一定程度上可以反映云的密實(shí)程度，與光學(xué)厚度有一定的相關(guān)性。對(duì)比兩者發(fā)現(xiàn)：模擬云帶的形狀、位置與實(shí)測(cè)基本一致，云帶大值區(qū)與光學(xué)厚度高值區(qū)對(duì)應(yīng)也較好。對(duì)比多個(gè)時(shí)次實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)模式對(duì)于云帶的移動(dòng)、發(fā)展模擬效果較好，可以較好地反映此次渦旋云系的發(fā)展演變過(guò)程。

利用探空數(shù)據(jù)分析云結(jié)構(gòu)的方法[16-18]，分析云系垂直結(jié)構(gòu)特征。可以看到云系整體云頂較高，云頂高度在9～10 km，與衛(wèi)星反演云頂高度較為一致（圖5）。同時(shí)可以看到云系存在夾層，為兩層或三層云，低云云頂高度在4～6 km，云底在2～3 km。0 ℃特征層在2 400～2 800 m，-10 ℃特征層在4 200～4 500 m，為作業(yè)高度選取提供一定依據(jù)。

3.2 云系微物理特征

云中過(guò)冷水含量是人工增雨催化作業(yè)關(guān)鍵的微物理量，對(duì)影響冷云，催化劑應(yīng)該播撒到含水量豐富的過(guò)冷區(qū)[19]。通過(guò)模式計(jì)算輸出云中過(guò)冷水的水平分布情況（圖6），過(guò)冷水呈渦旋帶狀分布于黑龍江省西部地區(qū)，6 日08 時(shí)云帶已經(jīng)移入大興安嶺林區(qū)，且過(guò)冷水隨著云帶移動(dòng)向東北方向移動(dòng)，在08—22 時(shí)分布于大興安嶺地區(qū)，覆蓋范圍較廣，且含水量值較大，為0.001～0.5 g/m2，關(guān)注區(qū)最大值達(dá)到0.5 g/m2以上，過(guò)冷水含量豐沛，具備較好的增雨作業(yè)潛力。

圖3 模擬2015 年6 月6 日08—18 時(shí)850 hPa 水汽通量變化（單位：g/（s·hPa·cm））

圖4 2015 年6 月6 日11 時(shí)FY-2E 反演光學(xué)厚度（a，無(wú)量綱）與模擬云帶（b，單位：g/m2）

圖5 2015 年6 月6 日08 時(shí)嫩江、哈爾濱、伊春站探空?qǐng)D

圖6 2015 年6 月6 日08—22 時(shí)垂直累計(jì)過(guò)冷水分布（單位：g/m2）

沿著云帶分布方向進(jìn)行垂直剖面分析，研究云系微物理特征。冰晶粒子主要分布在-10 ℃層以上，比含量在0.01～0.1g/kg。雪粒子的分布較廣，分布在800～200 hPa，比含量在0.01～0.1 g/kg。霰粒子的分布較少，在800～500 hPa。云水主要分布于900～600 hPa，且水平分布也是不均勻的，云水含量存在多個(gè)高值中心。雨水的分布主要集中在低層，含量相對(duì)較少，分布范圍較集中。綜合各微物理的分布可知，在高層主要是冰晶、雪粒子，中層為霰、雪，低層為云水、雨水。各微物理量的分布是不均勻的，尤其是云水的分布在水平方向和垂直方向上分布都是不均勻的，因此對(duì)于作業(yè)部位的選取至關(guān)重要。

3.3 云系降水機(jī)制討論

圖7 為沿著云帶移動(dòng)方向各微物理量的分布，可以看到沿著云帶移動(dòng)方向關(guān)注區(qū)內(nèi)云水分布是較豐富的，含量在0.01～0.7 g/kg，大值區(qū)（>0.1 g/kg）的范圍也較大，過(guò)冷云水主要分布在2 900～4 000 m高度，尤其是關(guān)注區(qū)（大興安嶺林區(qū)）過(guò)冷云水的分布較豐沛。圖7b 為相應(yīng)垂直速度分布，13 時(shí)云中以上升氣流為主，但速度值不大，為0～0.5m/s，且在上升氣流周?chē)嬖谥鲁翚饬鳎苾?nèi)垂直運(yùn)動(dòng)總體較平緩。綜合云中各微物理量（圖7c、7d）分布可知，沿著云帶移動(dòng)方向，霰、雪和比含量很大，并與低層的雨水分布相對(duì)應(yīng)，而云水比含量并不大，尤其是在霰、雪和比含量的大值區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域，存在較典型的冷云降水機(jī)制。

4 人工增雨作業(yè)條件研究

6 月6 日白天為這次冷渦系統(tǒng)的發(fā)展期及成熟期，大興安嶺林區(qū)位于低渦前部，處于偏南氣流中，水汽條件良好，具備很好的作業(yè)天氣條件。分析云系宏微觀特征（表1）可知，云系的宏觀、微觀特征參數(shù)符合黑龍江省層狀云作業(yè)云條件指標(biāo)，具備很好的作業(yè)云條件，適合飛機(jī)人工增雨作業(yè)，可以進(jìn)行多架次飛行。

圖7 模擬2015 年6 月6 日13 時(shí)沿剖線CD 位置各物理量垂直分布

表1 2015 年6 月6 日云系宏微觀特征分析

5 作業(yè)概況及合理性分析

5.1 飛機(jī)作業(yè)情況

6 月6 日在大興安嶺林區(qū)進(jìn)行了2 架次飛機(jī)增雨作業(yè)，作業(yè)飛機(jī)機(jī)型為Y-12，具體飛行作業(yè)情況見(jiàn)表2。08：30—11：10，增雨飛機(jī)對(duì)大興安嶺西南部林區(qū)開(kāi)展了增雨作業(yè)，飛機(jī)選擇水平耕云式穿飛，軌跡如圖8a，機(jī)上宏觀記錄表明：作業(yè)云系為層狀云，云體發(fā)展深厚，水汽含量充足，云內(nèi)飛行較平穩(wěn)，機(jī)體有積冰，表面過(guò)冷水含量較充沛，作業(yè)消耗純AgI共468 g。13：30—15：30，增雨飛機(jī)再次對(duì)大興安嶺西南部林區(qū)進(jìn)行了增雨作業(yè)，飛機(jī)選擇水平耕云式穿飛，軌跡如圖8b，機(jī)上宏觀記錄表明：作業(yè)云系發(fā)展為混合云，云層較厚，水汽條件較好，機(jī)身有少量的結(jié)冰，在作業(yè)過(guò)程中飛機(jī)有顛簸，作業(yè)消耗純AgI共468 g。

5.2 作業(yè)合理性分析

此次飛機(jī)增雨作業(yè)集中在6 月6 日白天，選擇在冷渦前部，水汽條件充沛，且冷渦處在發(fā)展及成熟期，具備良好的作業(yè)天氣條件，作業(yè)時(shí)機(jī)選擇是合理的。08—16 時(shí)渦旋云系自西向東緩慢移動(dòng)，云系前部經(jīng)過(guò)大興安嶺林區(qū)，其中上午為層狀云系，下午發(fā)展為混合云系，但云層均較為深厚，同時(shí)云過(guò)冷層較厚。結(jié)合模式輸出的云中過(guò)冷云水的分布可知，大興安嶺作業(yè)林區(qū)過(guò)冷云水含量是較豐富的，且主要分布在700～600 hPa，與飛機(jī)上宏觀觀測(cè)較為一致。作業(yè)高度為3 500～3 800 m，此高度層過(guò)冷云水分布較豐沛的。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，AgI 成冰閾溫大致為：接觸凍結(jié)為-5～-3 ℃，吸附成核為-9～-8 ℃，浸潤(rùn)凍結(jié)為-16～-13 ℃[19]。我國(guó)研制的AgI 焰劑較高溫度下成核率高，可在-6 ℃以下的水面飽和條件下使用[20]。催化層溫度為-8～-6 ℃，且過(guò)冷云水含量豐富，有利于催化劑的成核，作業(yè)部位選擇是合理的。

表2 2015 年6 月6 日兩架次飛行作業(yè)情況

圖8 2015 年6 月6 日第1（a）、2（b）架次飛機(jī)飛行軌跡

作業(yè)云系降水機(jī)制為冷云降水，選擇的催化劑為碘化銀焰彈、19 管焰彈，催化劑的選擇也是合理的。綜合考慮，此次過(guò)程作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)部位（作業(yè)高度、位置）及作業(yè)催化劑的選擇均是較合理的，是一次比較典型的冷云飛機(jī)增雨作業(yè)。

6 結(jié)論

（1）此次冷渦過(guò)程模式模擬的效果較好，對(duì)于實(shí)況的模擬在時(shí)間上沒(méi)有滯后，落區(qū)也比較準(zhǔn)確，具有一定的參考意義。

（2）受貝加爾湖以東低渦東移影響，6 日08 時(shí)低渦中心位于蒙古國(guó)與內(nèi)蒙古東部交界處，黑龍江省西部處于低渦前部偏南氣流中，水汽條件較好，具備較好的作業(yè)天氣條件。

（3）6 日白天渦旋云系前部分布于黑龍江省西部地區(qū)，且向東北方向緩慢移動(dòng)，云層較厚，云頂溫度在-30～-15 ℃，過(guò)冷層厚度較厚，云中過(guò)冷云水分布較豐沛，具備良好的增雨作業(yè)云條件。

（4）此次過(guò)程作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)部位（作業(yè)高度、位置）及作業(yè)催化劑的選擇均是較合理的，是一次比較典型的冷云飛機(jī)增雨作業(yè)。綜合實(shí)況與模擬結(jié)果提煉驗(yàn)證飛機(jī)增雨作業(yè)云條件指標(biāo)，對(duì)于冷渦型飛機(jī)人工增雨具有一定的參考意義。