吉林省農(nóng)業(yè)抗旱飛機(jī)增雨作業(yè)過(guò)程分析
——以2021年6月1日為例

汪曉梅李茂侖

(1.吉林省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.吉林省人工影響天氣辦公室，吉林 長(zhǎng)春 130062)

引言

用人為手段使天氣現(xiàn)象朝著人們預(yù)定的方向轉(zhuǎn)化稱為人工影響天氣，主要包括人工降水、人工降雹、人工消云、人工消霧等人類對(duì)天氣有意識(shí)的影響活動(dòng)[1]。人工影響天氣在吉林省開展由來(lái)已久，最著名的就是1958年8月吉林省在全國(guó)率先開展了抗旱飛機(jī)人工增雨作業(yè)，并一直延續(xù)至今。原因在于吉林省是國(guó)家重要商品糧生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量和人均占有量均居國(guó)內(nèi)前列，但由于吉林省地處北半球中高緯度帶，干旱和冰雹災(zāi)害一直是吉林省糧食生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸，特別是水資源安全對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活和生態(tài)安全影響巨大。為此，吉林省農(nóng)業(yè)、水利和氣象等部門強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，通過(guò)水情、旱情等信息共享，科學(xué)調(diào)度吉林省防汛抗旱資源，如飛機(jī)和地面火箭人工增雨或消減雨作業(yè)等，為吉林省糧食生產(chǎn)提供保障。飛機(jī)和地面人工增雨作業(yè)已經(jīng)成為吉林省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、森林防滅火和生態(tài)保護(hù)的有效科技手段，并常年業(yè)務(wù)化開展，為氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

1 旱情

根據(jù)2021年5月31日實(shí)測(cè)10cm農(nóng)田土壤濕度資料分析，吉林省東部大部縣(市)土壤相對(duì)濕度為60%～90%，墑情較好。中西部大部縣(市)及東部個(gè)別縣(市)土壤相對(duì)濕度<60%，土壤缺墑；其中，鎮(zhèn)賚、松原、長(zhǎng)嶺、雙遼土壤相對(duì)濕度<40%，嚴(yán)重缺墑，如圖1所示。

2 天氣實(shí)況

如圖2所示，2021年5月31日02∶00 500hPa對(duì)流形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)圖，05月31日夜間開始，吉林省受冷渦及高空槽影響，6月1日夜間開始吉林省大部出現(xiàn)雷雨天氣，地面火箭增雨作業(yè)條件不受影響，但是飛機(jī)增雨作業(yè)可能受到雷電和強(qiáng)對(duì)流天氣影響，如何在確保安全的情況下，及時(shí)捕捉作業(yè)條件適時(shí)開展飛機(jī)增雨作業(yè)是問(wèn)題的關(guān)鍵。

3 增雨作業(yè)

3.1 作業(yè)條件

根據(jù)吉林省人影作業(yè)指揮中心發(fā)布的《72小時(shí)人影作業(yè)條件預(yù)報(bào)》第53期，2021年5月31日白天到夜間，全省多云有時(shí)陰，通化、白山有中雨，其它地方有陣雨或雷陣雨。主要降水出現(xiàn)在夜間，白天無(wú)飛機(jī)增雨作業(yè)條件。2021年6月1日白天到夜間，全省多云有時(shí)陰，有陣雨或雷陣雨。西部水汽條件弱，中部到東部上午有飛機(jī)增雨作業(yè)潛力，降水可能伴有雷暴天氣，不利于開展飛機(jī)增雨作業(yè)。2021年6月2日白天到夜間，全省多云，通化、白山、延邊西部有中雨，長(zhǎng)春、四平、遼源、吉林、延邊東部、長(zhǎng)白山保護(hù)區(qū)有陣雨或雷陣雨。中部到東部有飛機(jī)增雨作業(yè)潛力，降水可能伴有雷暴天氣，不利于開展飛機(jī)增雨作業(yè)。

3.2 作業(yè)預(yù)案與實(shí)施

3.2.1 飛行預(yù)案

飛行總航程589km，飛行預(yù)計(jì)時(shí)間3h，飛行時(shí)速200km·h-1，預(yù)計(jì)飛行時(shí)間為2021年6月1日08∶30，預(yù)計(jì)作業(yè)時(shí)間為2021年6月1日09∶00，作業(yè)高度3900m以下(云內(nèi)-5℃層以上)，起降機(jī)場(chǎng)為長(zhǎng)春龍嘉機(jī)場(chǎng)，備降機(jī)場(chǎng)為長(zhǎng)白山機(jī)場(chǎng)。

3.2.2 作業(yè)實(shí)施

2021年6月1日08∶53—10∶28，吉林省人工影響天氣辦公室組織實(shí)施了飛機(jī)增雨探測(cè)作業(yè)，航線A-B-C-D-E-A,如圖3所示。其中，BCD軌跡段為實(shí)施催化作業(yè)段；AB軌跡段和DEA軌跡段為非催化作業(yè)段；飛機(jī)沿航線ABCDEA全程開展了大氣探測(cè)，機(jī)載主要探測(cè)設(shè)備和探測(cè)參數(shù)如表1所示。雷達(dá)監(jiān)測(cè)遼源區(qū)域有云團(tuán)發(fā)展，云系移動(dòng)方向?yàn)槲髂?東北向。

圖1 吉林省2021年5月31日10cm土壤相對(duì)濕度分布 圖2 2021年5月31日02∶00 500hPa對(duì)流形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)

圖3 Y12-B3836增雨探測(cè)飛機(jī)軌跡圖 圖4 2021年6月1日Y12(B3836)飛機(jī)探測(cè)作業(yè)剖面圖

表1 飛機(jī)機(jī)載設(shè)備性能一覽表

從圖4可以知道，停泊于龍嘉機(jī)場(chǎng)跑道上的Y12-B3836飛機(jī)(A點(diǎn))09∶13開始起飛(B點(diǎn))，09∶14入云，云底高度560m,09∶20，飛機(jī)高度達(dá)到2281m，溫度7℃。09∶27，飛機(jī)高度3439m，溫度0℃。09∶28，飛機(jī)高度3448m，0℃(C點(diǎn))，作業(yè)人員開始催化作業(yè)，催化劑為液態(tài)二氧化碳(LCO2)，10∶03，飛機(jī)停止作業(yè)(EF/2處)，飛機(jī)高度2046m，溫度16℃，10∶20，飛機(jī)飛出云底，云底高度784m，溫度13℃，10∶24，飛機(jī)著陸，10∶28，飛機(jī)關(guān)機(jī)(H點(diǎn))。

3.2.3 作業(yè)效果

截至6月2日14∶00，全省平均降雨量7.7mm，地區(qū)分布為四平14.8mm，遼源13.9mm，長(zhǎng)春12.6mm，吉林10.3mm，白山5.2mm，延邊5.0mm，通化4.9mm，長(zhǎng)白山保護(hù)區(qū)4.9mm，松原2.2mm，白城1.5mm。共出現(xiàn)暴雨6站，大雨62站，中雨322站，降雨量前5位分別為公主嶺團(tuán)結(jié)村59.4mm，公主嶺新河口村55.7mm，長(zhǎng)春長(zhǎng)嶺子村54.4mm，公主嶺黑林子鎮(zhèn)53.2mm，遼河墾區(qū)孤家子53.1mm。作業(yè)有效緩解了吉林省中西部旱情。

4 探測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 機(jī)載云粒子觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

從理論上講，在一定條件下，于適當(dāng)時(shí)機(jī)在云體適當(dāng)部位進(jìn)行催化作業(yè)，可以促使云中水分更多地轉(zhuǎn)化為降水，從而達(dá)到增雨的目的，這也得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。但是由于云體的復(fù)雜多變等因素，單憑地面上的一些觀測(cè)手段所得到的信息很難準(zhǔn)確確定云中的可播區(qū)，只能確定可能的可播區(qū)，這對(duì)催化決策的準(zhǔn)確性造成很大影響。新一代機(jī)載云粒子測(cè)量系統(tǒng)DMT可以在飛行探測(cè)時(shí)自動(dòng)、實(shí)時(shí)地將所測(cè)得云中微物理參量、溫度、高度、經(jīng)緯度等重要數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，最大限度提高了飛機(jī)增雨作業(yè)可播區(qū)決策的準(zhǔn)確性、及時(shí)性，意義重大[2]。云粒子的分布使用CDP(Cloud Droplet Probe)探頭數(shù)據(jù)(2～50um)、CIP(Cloud Imaging Probe)(25～1550um)和PIP(Precipitation Imaging Probe)(100～6200um)探頭分別給出冰雪晶粒子的數(shù)濃度、圖像和譜分布[3]。Y12飛機(jī)增雨探測(cè)結(jié)果見圖3～5，飛機(jī)從長(zhǎng)春龍嘉機(jī)場(chǎng)A點(diǎn)起飛至B點(diǎn)開始催化作業(yè)，先后經(jīng)歷了起飛、入云、達(dá)到0℃層至負(fù)溫層，開始催化作業(yè)，至作業(yè)結(jié)束，特別是在負(fù)溫層催化作業(yè)期間，云粒子成像譜儀CIP并未觀測(cè)到諸如冰晶、霰、雨滴及其凇附粘合物，濕度僅在45%左右，說(shuō)明長(zhǎng)春地區(qū)南部、東部無(wú)明顯云系發(fā)展；待飛機(jī)催化作業(yè)結(jié)束后，飛機(jī)已飛至雙陽(yáng)區(qū)境內(nèi)，飛機(jī)開始降低高度，期間DEA軌跡段CIP先后觀測(cè)到了破碎冰晶、霰、雨滴，且隨著飛機(jī)高度降低到1500m左右時(shí)，觀測(cè)到的雨滴數(shù)濃度和雨滴尺度均在加大，說(shuō)明先前遼源區(qū)域內(nèi)的云系向東北方向快速移動(dòng)到長(zhǎng)春雙陽(yáng)區(qū)、九臺(tái)區(qū)內(nèi)，并經(jīng)過(guò)空中催化區(qū)，與空中播撒的催化劑結(jié)合發(fā)生變化，負(fù)溫層過(guò)冷水汽在液態(tài)二氧化碳(LCO2)作用下，迅速形成冰晶、霰等凍滴并不斷長(zhǎng)大，成熟后迅速下落，到達(dá)正溫區(qū)開始逐步融化，直至地面，經(jīng)歷冰晶、霰、雨滴等相態(tài)變化過(guò)程，這種結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相吻合，如圖5所示。

圖5 10∶10∶28—10∶22∶53時(shí)段觀測(cè)到破碎冰晶、霰、

4.2 微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

地基微波輻射計(jì)可以反演云體液態(tài)水、濕度和云底高度等參量[4]，觀測(cè)目標(biāo)云，及時(shí)掌握云底高度、云中水汽層高度、云中液態(tài)水分布高度等重要數(shù)據(jù)，結(jié)合飛機(jī)實(shí)測(cè)目標(biāo)云液態(tài)水含量、高度分布等，可以更好地把握目標(biāo)云結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

如圖6所示，根據(jù)2021年5月31日—6月3日長(zhǎng)春市氣象探測(cè)中心布設(shè)的地基微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，5月31日18∶00—6月1日11∶50，長(zhǎng)春地區(qū)上空水汽密度逐步加大，云底高度逐漸降低，作業(yè)最佳時(shí)段6月1日00∶00—06∶00，大氣水汽密度最大、云底高度最低，期間地面出現(xiàn)降雨現(xiàn)象，該時(shí)段由于處于夜航、雷雨和對(duì)流較強(qiáng)時(shí)段，飛機(jī)無(wú)法起飛探測(cè)作業(yè)(不符合飛行標(biāo)準(zhǔn))；6月1日06∶00—12∶00，飛機(jī)增雨作業(yè)條件逐漸減弱，但大氣仍處于高濕狀態(tài)，飛機(jī)于08∶53—10∶28，沿圖3所示航線實(shí)施了增雨探測(cè)作業(yè)，與微波輻射計(jì)觀測(cè)到的6月1日00∶00—12∶00大氣水汽密度較佳、云底高度較低(較適合人工增雨作業(yè))的時(shí)段相對(duì)應(yīng)。

圖6 5月31日—6月3日觀測(cè)到的云水汽廓線高度、云底高度和降雨實(shí)況分布

5 小結(jié)

綜合分析飛機(jī)云粒子探測(cè)設(shè)備和地基微波輻射計(jì)等觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論。

10∶10∶28飛機(jī)飛行高度1581.6m，云層溫度8.6℃，相對(duì)濕度86%，云粒子圖像a主要以霰、破碎冰晶為主；10∶11∶10飛機(jī)飛行高度1451.7m，云層溫度8.7℃，相對(duì)濕度94%，云粒子圖像b主要以霰和細(xì)小破碎冰晶為主；10∶19∶13飛機(jī)飛行高度846.3m，云層溫度12℃，相對(duì)濕度99%，云粒子圖像c以雨滴為主和少量霰以及細(xì)小破碎的冰晶組成；10∶21∶29飛機(jī)飛行高度584.3m，云層溫度13.9℃，相對(duì)濕度99%，云粒子圖像d主要以雨滴為主和細(xì)小破碎冰晶組成；10∶22∶53飛機(jī)飛行高度375.4m,大氣溫度16℃，相對(duì)濕度99%，云粒子圖像e以雨滴為主、細(xì)小破碎冰晶和個(gè)別松散破碎的水凝物(冰晶、霰、雪花黏附物)組成。

此次飛行探測(cè)，0℃層高為3439m，主要催化作業(yè)區(qū)間de的濕度在40%～50%為主、高度在3450m左右、溫度在0℃～-2℃。圖3所示AB段期間并未觀測(cè)到冰晶等云粒子水凝物，相反DEA段飛機(jī)作業(yè)結(jié)束后返回雙陽(yáng)、九臺(tái)轄區(qū)，并降到1580.1～375.4m區(qū)間卻觀測(cè)到了霰、破碎冰晶和雨滴等現(xiàn)象，在0～8.7℃層正溫區(qū)觀測(cè)到霰為主、破碎冰晶為輔的云粒子屬于正常現(xiàn)象；12～16℃層觀測(cè)到雨滴為主，尚屬正常現(xiàn)象，但是直至近地面層仍能觀測(cè)到破碎冰晶現(xiàn)象比較少見，說(shuō)明其在云層負(fù)溫區(qū)冰晶粒子成長(zhǎng)尺度較大，導(dǎo)致出現(xiàn)降落至近地面時(shí)冰水轉(zhuǎn)化過(guò)程仍未完成的現(xiàn)象，這說(shuō)明當(dāng)天作業(yè)期間，分布在遼源區(qū)域的云團(tuán)邊發(fā)展，邊在高空風(fēng)作用下向東北方向移動(dòng)到雙陽(yáng)、九臺(tái)區(qū)域時(shí)，被作業(yè)結(jié)束返航的飛機(jī)觀測(cè)到了上述結(jié)果，表明在目標(biāo)云發(fā)展過(guò)程中，在其移動(dòng)路線上提前播撒催化劑，仍能起到比較理想的催化效果，作業(yè)影響區(qū)的遼源、公主嶺、長(zhǎng)春等中部旱區(qū)實(shí)際雨量監(jiān)測(cè)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。