廣西人工增雨天氣形勢及水汽分析

詹瑩玉，程 鵬，黃曉輝，韋增岸，李林紅

(廣西壯族自治區人工影響天氣辦公室，廣西 南寧 530022)

0 引言

廣西屬中南亞熱帶季風氣候區，每年10月份副熱帶高壓南撤至次年5月份季風爆發前，各地均會出現不同程度的干旱[1]，干旱阻礙農作物生長，造成農業損失，減少經濟收入，利用飛機增雨作業能有效增加降水量，利于水庫蓄水、農耕播種等。自1959年以來，廣西飛機人工增雨作業在緩解干旱、保障農業發展方面發揮了巨大的作用。在進行飛機人工增雨作業時，為保障安全，需避開強對流天氣發生區域，但人工增雨又必須有合適的云水條件才能達到明顯的效果。過去，氣象工作者們[2-7]針對暴雨、冰雹、臺風等災害性天氣進行了深入的研究，而對于有利于飛機增雨作業的天氣形勢分析較少。黃海洪等[1]分析了西風帶暴雨、熱帶系統暴雨環流特征，將24 h內廣西境內各市縣氣象觀測站中有≥20個站日降雨量≥50 mm,定義為全區性暴雨天氣過程。楊敏等[8]對2004—2013年人工增雨作業期共78例降水過程進行分析，將中部區域春秋季降水過程分為低槽/切變線冷鋒型、低渦(西南渦/西北渦)氣旋型、低槽/切變線冷高壓型，并分析了各類天氣形勢下的水汽分布特征、降雨的移動特征等。王琎等[9]利用甘肅省1991—2002年飛機人工增雨作業資料，對秋季飛機增雨作業情況進行統計分析，建立了天氣系統自動化“判別”模型，指出飛機人工增雨作業的主要天氣類型為西南氣流型和平直多波動型。韋增岸等[10]利用廣西2009—2015年11—12月地面、高空氣象觀測資料及飛機增雨作業宏觀記錄資料進行統計分析，對增雨作業天氣系統進行分型，將影響系統分為冷空氣型、高空槽型、華南靜止鋒型、低層南風急流型、臺風型，但未對整個飛機增雨作業期(每年10—12月及次年1—5月)的人工影響天氣形勢及水汽來源情況進行詳細分析。廣西位于青藏高原以東地區，飛機增雨作業期水汽輸送受青藏高原南支西風帶影響較大，李文韜等[11]利用2001—2016年MODIS、ERA-Interim再分析資料對青藏高原云水氣候特征進行分析，表明高原的動力、熱力作用對云水路徑的分布有影響。周艷等[12]對黔東南一次罕見冬季暴雨天氣過程的水汽分析表明低空急流帶動充沛水汽在暴雨區輻合及低層輻合高層輻散的抽吸效應為暴雨的形成提供了有利條件。本文將2006—2015年飛機增雨作業期有利于開展飛機增雨作業的天氣形勢、水汽來源、典型個例及其垂直累積云液態水含量分布情況進行分析，為今后進一步研究廣西云水資源分布奠定基礎。

1 資料和方法

本文將2006—2015年廣西飛機增雨作業期(1—5月、10—12月)，24 h內≥20個國家氣象觀測站出現0.1～24.9 mm降雨量時，定義為一次明顯的小到中雨天氣過程；由于連續2 d的影響系統不一定相同，為了獲得準確的結果，在出現≥2 d小到中雨天氣時，不將連續幾天出現的小到中雨天氣過程歸類為同一次天氣過程。利用歐洲中心ERA Interim高空、地面再分析資料對每一次小到中雨天氣過程、水汽來源進行統計，并對典型個例的環流形式及垂直累積云液態水含量分布情況進行分析，為今后進行廣西云水資源區劃研究奠定基礎。

2 影響形勢及水汽分析

對全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)數據庫資料進行統計分析，2006—2015年廣西飛機增雨作業期，全區共有288次明顯的小到中雨天氣過程，利用歐洲中心ERA Interim再分析資料對這些過程進行分析，將主要影響天氣類型分為高壓后部回流、切變線、南支槽、西南渦東移、臺風、西南季風影響型。

2.1 大氣環流形勢

當地面冷高壓東移入海，廣西處在高壓后部或其西南部，而近地面、低空為西南風或南風影響時，高壓后部回流將南部豐富的水汽輸入廣西，為降雨提供豐富的水汽條件，本文將此類形勢下出現的降雨天氣過程歸類為高壓后部回流型；當700 hPa或850 hPa廣西區域出現切變線影響產生降水時，歸為切變線型；當500 hPa或700 hPa有南支槽影響出現降雨，且低空無切變線、地面不處于出海高壓后部影響時，歸為南支槽型；當700 hPa或850 hPa出現西南渦自西向東移到華東地區或繼續東移影響廣西產生降水時，歸為西南渦東移型；當臺風影響廣西并產生明顯降雨時，歸為臺風影響型；當越赤道氣流從南半球進入北半球轉向成西南氣流，與東北信風輻合影響廣西產生降雨時，歸為西南季風影響型。

將288次明顯小到中雨天氣過程進行分類統計(表1)，高后回流影響型占41%，切變線影響型占36.5%，南支槽影響型占15.3%，西南渦東移影響型占5.5%，臺風影響型占1%，西南季風影響型占0.7%，其中前3種影響型占92.8%。由于西南渦東移、臺風影響、西南季風影響型出現的次數太少(西南渦東移16次，臺風3次，季風2次)，本文著重分析前3種天氣類型。1月以及10—12月份切變線影響占的次數最多；2—5月份高后回流影響占的次數最多。1—4月出現小到中雨天氣過程204次，占70%，其中2—4月共161次，該時段是廣西春播春種的關鍵時期，農作物需水量大，需要增加人工增雨作業次數。

表1 廣西飛機增雨作業期各月有利于開展作業的天氣形勢分類統計(單位：d)Tab.1 Statistics of effective weather situation type in Guangxi Artificial precipitation enhancement period (unit:d)

2.2 低空急流和水汽來源分析

維持降雨的水汽主要來源于低層，在飛機增雨作業期，廣西低層的主要水汽源地為東海、南海、孟加拉灣，當地面受冷高壓南部控制時，廣西近地面為東北或東北偏東氣流控制，水汽從東海向廣西輸送；廣西處在熱帶氣旋東部、出海高壓后部或南海反氣旋西部時，廣西低層為東南或偏南氣流控制，水汽由南海輸送；當西南渦東移、孟加拉灣風暴發展、南支槽東移或季風槽影響時，廣西受西南風或偏西氣流控制，水汽來源于孟加拉灣。2006—2015年廣西低層的水汽輸送源地統計結果如表2所示，925 hPa的水汽輸送源地為東海、南海，分別占49.7%和45.8%；850 hPa水汽來源為南海、孟加拉灣，分別占35.8%和45.1%；700 hPa水汽來源為孟加拉灣，占94.4%。這是由于廣西處在青藏高原以東、低緯沿海地區，925 hPa受地面冷高壓的影響較大，冷高壓由北至南移動的過程中，水汽從冷高壓底部(高壓中心位于陸地)或高壓后部輸入廣西(高壓中心東移入海)；850 hPa處于接近邊界層上部，同時受地面和高空系統的影響，當地面冷高壓較強時，廣西低層水汽來源主要受冷高壓活動的影響，來源于東海或南海；當南支槽或西南季風較強時，主要受高空西風系統的影響，水汽主要來自孟加拉灣；700 hPa主要受中高空西風帶系統的影響，水汽主要來源于孟加拉灣；當熱帶氣旋發展較強盛時，各層的水汽來源與熱帶氣旋的移動路徑密切相關。

表2 廣西飛機增雨作業期低空水汽來源統計(單位：d)Tab.2 Statistics of Water Vapor Sources at Low layers in Guangxi Artificial Precipitation Enhancement Period (unit:d)

當925 hPa出現風速≥12 m/s的風速帶時，稱為超低空急流影響；當850～700 hPa出現風速≥12 m/s的風速帶時，稱為低空急流影響。低空急流是水汽和能量的集中帶，源源不斷地為降雨區提供水汽和能量，廣西汛期強降雨天氣過程常伴有低空急流。288次過程中，925 hPa出現超低空急流的次數為1次，850 hPa出現24次，700 hPa出現175次，925～850 hPa出現超低空、低空急流的次數不多，低層水汽、能量向降雨區的輸送的強度較小，無對流性強降雨天氣過程，適宜開展人工增雨作業。

3 典型個例分析

3.1 高壓后部回流型

2015年3月11—12日，500 hPa高原小波動東移，700 hPa高原槽、南支槽在青藏高原東部同位相疊加并逐漸東移，地面冷高壓自北向南移動，廣西為冷高壓控制。13日08時，500 hPa為高原槽槽后西北氣流影響，700 hPa處于南支槽前，24 h內，南支槽繼續東移，槽線自西向東移出廣西，850 hPa為西南氣流控制，地面處于出海高壓后部(圖1)。850～700 hPa出現西南低空急流，水汽來源于孟加拉灣，925 hPa為偏南氣流，水汽來源于南海，近地面層水汽自海面向內陸輸送，水汽條件充足，廣西大部出現小到中雨天氣。

圖1 2015年3月13日08時歐洲中心1°×1°海平面氣壓場(單位：hPa)Fig.1 Sea-level Pressure of ERA Interim Reanalysis Data，Resolution of 1°× 1°，at 08∶00 on March 13, 2015(unit:hPa)

歐洲中心0.25×0.25°網格垂直累積云液態水資料顯示，2015年3月13日08時，廣西中部、南部沿海垂直累積云液態水含水量≥0.05 kg/m2,局部≥1.25 kg/m2(圖2)，即廣西中部、南部以層積混合云為主，水汽條件充足，具備一定的飛機增雨作業條件。

圖2 2015年3月13日08時歐洲中心0.25°×0.25°垂直累積云液態水含量分布圖(單位：kg/m2)Fig.2 Vertical Integral of liquid Water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on March 13, 2015(unit:kg/m2)

3.2 切變線影響型

2014年4月1—2日700～500 hPa貝加爾湖橫槽轉豎，引導850 hPa切變線和地面冷鋒南下。3日08時，貝加爾湖槽移至我國東部，500 hPa槽底移至長江口，700 hPa南支小波動東移，廣西境內出現風速≥12 m/s的西南低空急流，850 hPa切變線移至廣西中部(圖3)，925 hPa切變線移至沿海，地面為冷高壓控制，廣西北部、中部海平面氣壓≥1 015 hPa，中低層擾動抬升條件充足，廣西大部為小到中雨天氣。

圖3 2014年4月3日08時歐洲中心1°×1°850 hPa環流形勢圖(單位：hPa)Fig.3 850 hPa Atmospheric Circulation of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 1°× 1°, at 08∶00 on April 3, 2014(unit:hPa)

4月3日08時，廣西南部(切變線南側)出現片狀垂直累積云液態水含量≥0.05 kg/m2區域，局部垂直累積云液態水含量≥1.25 kg/m2(圖4)，云水含量充足，有利于開展飛機增雨作業。

圖4 2014年4月3日08時歐洲中心0.25°×0.25°垂直累積云液態水含量分布圖(單位：kg/m2)Fig.4 Vertical Integral of Liquid water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on April 3, 2014 (unit:kg/m2)

3.3 南支槽影響型

2013年2月2—3日，700～500 hPa南支槽東移，槽底伸至孟加拉灣北部，廣西處于南支槽前，中層受強盛的西南氣流影響，水汽來源于孟加拉灣。850 hPa切變線在廣西沿海一帶擺動，地面冷高壓東移出海。4日08時，南支槽與北支槽同位疊加東移(圖5)，24 h內自東向西移出廣西，925～850 hPa為東北氣流控制，水汽來源于東海，地面弱冷空氣補充南下，開始影響廣西北部，廣西大部出現小雨天氣。

圖5 2013年2月4日08時歐洲中心1°×1°500 hPa形勢場(單位：hPa)Fig.5 500 hPa Atmospheric Circulation of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 1°× 1°, at 08∶00 on February 4, 2013(unit:hPa)

2月4日08時，廣西東南部出現垂直累積云液態水含量≥0.05 kg/m2片狀區域，桂東局部出現帶狀垂直累積云液態水含量大值區(圖6)，云水充足，有利于飛機增雨作業的開展。

圖6 2013年2月4日08時歐洲中心0.25°×0.25°垂直累積云液態水含量分布圖(單位：kg/m2)Fig.6 Vertical integral of Liquid Water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on February 4, 2013 (unit:kg/m2)

4 結論

本研究表明：

①廣西飛機增雨作業期各降水系統不是絕對獨立的，當地面處在高壓后部時，24 h內有可能存在高緯度高空槽引導低空切變線及地面冷空氣南下影響廣西北部；當地面為高壓后部影響時，南支槽有可能東移影響廣西西部，本文以降雨過程發生時，造成廣西降水的主要影響系統來分型，分為高壓后部回流、切變線、南支槽、西南渦東移、臺風、季風槽型，對飛機增雨作業期出現的288次小到中雨天氣過程進行分析統計，發現前3種類型占絕大多數，達92.8%，秋、冬、春季廣西受西南渦東移、臺風、季風槽影響較少，因此后3種類型出現的次數較少。

②廣西處在亞熱帶沿海地區，水汽條件較充足，飛機增雨作業期低層主要水汽來源為孟加拉灣、南海、東海，由于各層受到的影響系統不同，其水汽來源差別較大。925 hPa受地面系統影響較大，水汽主要來源于東海、南海，850 hPa接近邊界層頂，同時受地面和高空系統的影響，水汽主要來源于南海、孟加拉灣，700 hPa主要受高空西風帶系統影響，水汽主要來源于孟加拉灣。

③廣西飛機增雨作業期288次小到中雨天氣過程中，925 hPa超低空急流、850 hPa低空急流發生的次數較少，水汽和能量輸送條件比夏季弱、少，無對流性強降雨天氣過程，有利于開展飛機增雨作業。

④對有利于開展飛機增雨作業的典型個例進行分析發現，廣西境內出現大片垂直累積云液態水含量≥0.05 kg/m2區域，局部出現帶狀垂直累積云液態水含量大值區域，這可能與云層的宏、微物理特征有關，需要今后進一步研究論證。