青海高原人工消（減）雪試驗效果分析探討

周萬福 姚展予 馬學謙 田建兵 賈爍 張博越 趙文慧 王偉健 張沛

（1 青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810001；2 中國氣象科學研究院中國氣象局云霧物理環境重點實驗室，北京 100081；3 青海省防災減災重點實驗室，西寧810001）

0 引言

青海高原高海拔和常年氣溫偏低的地理氣候環境是雪災發生的客觀條件。冬春季青海省大部分地區具有“十年一大災，五年一中災，年年有小災”的雪災規律[1-3]，迫切需要通過人工影響天氣來加強雪災監測、防御及減災能力。人工消（減）雨（雪）技術屬于氣象科學前沿[4-6]，眾多科技工作者進行了這方面研究。王婉等[7]利用區城歷史回歸方法對北京市2006年人工影響天氣作業效果進行了統計評估。王俊等[8]運用激光雨滴譜儀對人工消（減）雨作業的效果進行物理檢驗。樊明月等[9]運用三維云模式對2008年奧運會開幕式人工消（減）雨作業進行了數值模擬和過量播撒催化效果進行研究。何暉等[10-11]用雷達資料分析了2008年奧運會開幕式人工消（減）雨過程的回波特征。尹憲志等[12]利用降水場分析西北地區一次人工消雨試驗效果，進行了人工消雨防線的設計。本文利用兩種統計檢驗方法分析2017年1—5月青海省澤庫縣人工消（減）雪試驗作業效果，通過物理檢驗分析消（減）雪作業機理。

1 人工消（減）雪理論依據及青海省雪災特征

1.1 理論依據

人工消（減）雪是指在適當條件下通過人工手段對局部大氣的宏微觀物理過程進行人工干預，設法改變自然云的降水狀態或過程，使降水提前，或拖延降水過程，致使降水時空再分布。人工消（減）雪的原理與人工增雨近似，人工消（減）雪是人工影響天氣技術的延伸和擴展。人工消（減）雪是在降雪云中過量播撒催化劑，過量播撒產生的人工冰核爭奪云中水汽資源，抑制雪晶和大滴粒子的長大，從而達到抑制降雪的目的。人工消（減）雪作業首先要對天氣狀況及其變化趨勢進行細致的觀測和預測，確定是否存在降雪的可能。如果預測有降雪的可能，則進一步掌握天氣系統何時、何地可能產生降雪，之后針對擬保護地區制定人工消（減）雪方案。消（減）雪方案有兩種：一是根據天氣系統的移向在保護區上游實施人工增雪作業，讓降雪提前降到地面，從而減緩或消除保護區降雪；二是在保護區針對降雪云系進行過量播撒作業，充分“爭食”云中的水分，使云滴很難長大，實現減弱或消除降雪的目的[4-5]。前種方案通常在上游60～120 km的距離實施人工增雪作業，后者在目標區上風方大約30～60 km距離往云中過量播撒人工冰核。

1.2 人工消（減）雪試驗風險

人工消（減）雪作業試驗，需要對天氣系統準確預測預警，精準判識云中過冷水、冰晶、水汽共存區，實施高效組織的人工催化作業，但此過程中多個環節需緊密配合，這為試驗增加了不確定性，有可能試驗效果不理想，甚至會產生適得其反的效果。目前人工消（減）雪只能在范圍小、強度弱的降水天氣過程中實施作業會取得比較理想的效果。若遇上強降水天氣過程，即使開展了大范圍、高強度的作業，但強天氣系統的水汽輸送更強，實施作業有可能會在保護區產生更大的降雪，使消雪減災變為加重雪災的情況。就目前的技術手段，在某些天氣條件下還達不到完全人工消（減）雪的效果。

1.3 青海高原雪災特征

雪災是青海牧區的主要自然災害之一，每年10月中下旬—次年5月上中旬，青南牧區玉樹、果洛、黃南南部、海南南部等地區極易出現局地或區域性強降雪天氣過程，加之氣溫較低，積雪難以融化，時常造成大雪封山、凍死餓死牲畜，使牧區人民生命財產遭受巨大損失。一般用實測積雪深度資料和積雪持續時間來確定雪災的嚴重程度。

1.3.1 雪災空間分布

2004—2013年，青海全省共出現雪災208站次，除格爾木等11個站沒有出現雪災外，全省大多數地區出現了雪災。發生頻率最多的地區依次是天峻、瑪沁、湟源、大通、興海、貴南、都蘭、澤庫、河南，各站均出現2次以上雪災。其次是共和、德令哈、都蘭、達日、甘德、玉樹、稱多、曲麻萊，均出現了1次雪災（圖1）。雪災重點發生區在玉樹東部、果洛東北部、黃南南部、海南中南部、海西東部地區。此外對與雪災相關的氣象、畜業、牧業、居民、社會經濟等評價因子進行綜合評價，得到甘德、久治、稱多、達日、玉樹、班瑪、澤庫等地區為青海雪災風險度最高發的7個中心[13]。

圖1 2004—2013年青海省雪災空間分布圖Fig. 1 Spatial distribution of snow disaster in QinghaiProvince from 2004 to 2013

1.3.2 雪災隨時間的變化

2004—2013年，青海省發生雪災站次總體上呈下降趨勢，但年際波動較大，2008年全省發生最大面積雪災，2005年、2012年分別為第二、第三大范圍年。雪災主要發生在每年10月—次年5月，1—2月是雪災發生的高峰期（圖2）。

圖2 2004—2013年青海省雪災變化趨勢（a）與各月雪災站次分布（b）Fig. 2 Change trend of snow disaster (a) and the monthly distribution of snow disaster at meteorological stations (b)in Qinghai Province from 2004 to 2013

1.4 天氣背景分析

1.4.1 天氣形勢分型占比

通過對1961—1999年的500 hPa環流形勢綜合分析，青海省中到大雪天氣環流形勢主要有5種[14]，出現頻率依次為兩槽一脊型、西高東低型、兩脊一槽型、東高西低型、緯向環流型（表1）。

表1 青海省中到大雪天氣環流形勢Table 1 Circulation situation of medium to heavy snow in Qinghai Province

1.4.2 天氣形勢致災分析

因前兩類天氣形勢致災達50%以上，因此以前兩類為主要試驗對象進行消減雪試驗。

1）兩槽一脊型。亞歐中高緯為明顯的兩槽一脊，中低緯南部印度地區或帕米爾高原附近多短波槽脊活動。高原短波槽經常形成并發展，造成明顯的降雪天氣過程，此類天氣系統常發生于冬季，溫度較低容易造成災害。雖天氣系統影響比較穩定，降雪量相對較小，但上空天氣系統含有的水汽量和系統供給的水汽輸送量均較大，在合適的天氣條件下，容易產生較大的雪災，因此需要對此類天氣系統開展人工消（減）雪工作，減輕雪災的損失。

2）西高東低型。南支槽位于印度，高原南部有偏南氣流，暖濕空氣隨偏南氣流輸送至高原南部，配合冷空氣造成明顯降雪天氣過程。此類天氣形勢下，主要在系統的前期有暖濕氣流供給，使得大量水汽通過偏南暖濕氣流輸送，而后期受北方冷空氣的侵入，形成較大的降雪天氣過程。此類天氣降雪量的大小受冷空氣侵入的多少影響，如果冷空氣侵入較多，形成降雪的氣象條件充足，則降雪量偏大。此種情況一般出現在初春時段，加上高原地區海拔高、溫度低，積雪難以融化，容易造成春季雪災，因此對于此類天氣系統需要開展較大強度的人工消（減）雪作業，才能降低雪災的損失。

1.4.3 水汽來源分析

天氣形勢分析表明，青海中到大雪天氣過程500 hPa上空水汽來源一般有三條：一條從阿拉伯海沿著中東槽前或印度西部的高壓后部經巴基斯坦、帕米爾高原進入青藏高原西部，從高原西部到達青海省；第二條主要是沿孟加拉灣和印度槽前西南氣流到達青海省；第三條一般是在副熱帶高壓維持時隨高壓南部的偏東南氣流從四川經甘肅到達青海省。隨水汽來源不同，青海省產生的降雪強度有所不同。一般情況下，第一條到達青海省范圍時，已經在中途有一定的消耗，進入青海省的水汽量有限，僅在有很好的環流形勢配合下才能產生中到大雪；但后兩者一方面攜帶的水汽通量較大，中途消耗的較少，在有利的天氣形勢下，極易造成災害性天氣，其中第二條路徑在冬春季占的比例更高。因此，在開展人工消（減）雪試驗時一定緊密跟蹤和分析天氣形勢的發展，并特別關注水汽來源，科學適度地開展人工消（減）雪試驗。

2 試驗設計及試驗過程

2.1 試驗區選擇

通過對上述雪災發生時空分布、災害程度以及人工影響天氣作業能力和觀測設備布設等方面綜合考慮，并根據天氣背景、水汽來源、冷空氣侵入、作業能力、基礎條件、效果評估對比區選擇以及進行試驗安全便利性等方面因素，最終選擇黃南州澤庫縣為消雪目標區，同時把相鄰的河南縣作為對比區。試驗時間選擇在2017年1—5月，共進行4次人工消（減）雪。

2.2 試驗方式

采用地面火箭作業方式實施過量催化作業。消（減）雪作業一般要求使云體中過冷水豐富區域內的冰晶濃度要大于100個/L，從而抑制冰晶的生長，相應地，要求火箭催化作業人工冰核播撒率要大于1.0×1015個/km，即根據火箭催化劑裝載數量，每間隔10 min向上游3個不同方向實施催化作業，每輪催化至少發射30枚火箭，使催化劑量達到增雪劑量的3～5倍。

2.3 試驗流程

依據探空資料（包括計算的K指數、SI指數、對流有效位能等）、實時雷達回波、雷電監測資料及衛星云圖分析云系穩定度，將降水云系分為層狀云、弱積層混合云（對流性云系不足四成）和強積層混合云（對流性云系占四成以上）三種，對不同云系采用不同的作業方法。

第一步：根據天氣過程預報，當72～24 h有適合實施消（減）雪試驗的天氣過程出現時，青海省人影辦根據消（減）雪需求，結合各種模式預報產品和云物理量分析產品制定具體試驗計劃，并向外場作業組發布試驗計劃，包括地面作業時段和重點作業區域等信息。

第二步：試驗條件潛力預報和試驗預案制訂。當24 h內有降水天氣系統影響試驗區時，制作發布未來24～3 h試驗條件潛力預報。主要參考短期預報、短時預報和災害性天氣預報，結合衛星、雷達等實況監測和本省作業指標，制作試驗區未來24～3 h試驗條件潛力預報，包括云系性質和結構、潛力區分布、作業時段、作業方式等，每天定時向作業實施單位發布。

第三步：試驗條件監測預警和試驗方案設計。當臨近作業時，按照臨近預報制作并訂正作業條件監測預警和試驗方案，并向實施作業的部門及時發布。

第四步：跟蹤指揮和試驗作業實施。利用實時雷達數據，根據試驗實際情況，實時、準確地發布地面作業指令，根據實際情況對作業指令進行調整。

第五步：試驗作業效果檢驗。在作業過程結束后，收集匯總作業信息，同時開展對試驗效果的直觀對比分析和定量檢驗。

2.4 試驗布局

人工消（減）雪試驗作業設備采用區域內現有6部地面火箭發射裝置，并新增4套移動式作業點。觀測設備主要利用青海省人工影響天氣辦公室車載天氣雷達及微波輻射計以及雨滴譜儀，同時，在澤庫縣（目標區）布設14個測雪點、河南縣（對比區）布設6個測雪點，氣象要素觀測則利用區域內基準站和區域自動站設備。作業設備、觀測設備布局具體見圖3。根據催化劑反映時間、水汽條件、動力特征等方面的因素影響，以及主要天氣系統盛行的高空風風向，試驗目標區主要為作業點下游10～20 km范圍內，因此澤庫縣主要保護區為布點位置的東部區域，而對比區主要為河南縣以及澤庫縣西北區位置。

圖3 試驗區觀測儀器和作業設備布局Fig. 3 Layout of observation instruments and operation equipment in the test area

2.5 試驗過程

2017年1—5月青海省冬春季人工消（減）雪試驗抓住有利天氣過程，共開展了4次人工消（減）雪作業：1）2月7日，高原短波槽和地面冷空氣的共同影響，黃南州境內出現了一次降溫降水天氣過程，15：18—15：20（北京時，下同），澤庫縣10個地面火箭作業點開展人工消（減）雪作業，共發射33枚火箭彈；2）2月21日，青海省大部受北部冷空氣影響出現一次明顯的降水天氣過程，黃南南部由于受南支槽影響，出現明顯降雪，18：19—18：24，澤庫縣9個作業點同時開展了第一輪地面火箭作業，發射27枚火箭彈；18：33—18：39，澤庫縣10個作業點同時開展第二輪地面火箭作業，發射33枚火箭彈；3）4月9日，青海省受北部冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，出現一次大范圍降水天氣過程，其中黃南南部由于受南支槽影響，出現明顯降雪，18：31—19：43，澤庫縣10個作業點共開展了44次作業，發射117枚火箭彈；4）4月24—26日，青海省受高原低渦切變影響，出現一次大范圍降水天氣過程，其中黃南南部由于受南支槽影響，出現明顯降雪，09：20—10：42，澤庫縣10個作業點共開展了44次作業，共發射131枚火箭彈。具體作業概況詳見表2。

表2 2017年1—5月人工消（減）雪試驗作業概況Table 2 Overview of the artificial snow dispersal experiments during January－May 2017

2.6 試驗降水數據

4次作業過程對應的天氣形勢類型以及作業影響區和對比區的區域日降雪量詳見表3。

表3 4次作業過程對應的天氣形勢類型以及作業影響區和對比區的日降雪量Table 3 Synoptic situations corresponding to four operation processes and daily snowfall in the target area and the contrast area

2.7 對比樣本建立

通過前面對雪災概況的天氣背景分析，主要對第1類兩槽一脊型和第2類西高東低型這兩類降雪天氣過程進行了人工消（減）雪作業試驗，根據天氣形勢分析對作業樣本和對比樣本歸類。統計了1998—2017年試驗區出現降雪天氣過程的共計803個樣本，從中挑選作業區和對比區同時出現中雪（降水大于2.5 mm）天氣，且沒有人工影響天氣作業的對比樣本共計73個（表4）。

表4 1998—2017年中到大雪天氣環流形勢分型及研究區日平均降雪量Table. 4 Average daily snowfall in the study area and circulation situations of medium to heavy snow in Qinghai Province from 1998 to 2017

3 效果評估

針對4次有利天氣過程開展的過量催化人工消（減）雪作業，收集到的資料主要包括：澤庫縣、河南縣20個測雪點日降雪量數據，澤庫縣、河南縣滴譜儀觀測數據，河南縣微波輻射儀觀測數據，澤庫縣郊區X波段雙偏振多普勒雷達探測數據。

雙比分析假設自然降水情況下，作業期作業影響區與對比區的降水量比值和非作業期的對應比值是相同的，以非作業期作業影響區與對比區自然降水量的比值代替作業期二者的比值，求出作業影響區作業期自然降水量的估計值，然后與其實測值比較，得到人工消（減）雪效果。效果分析采用了相對消（減）雪率和絕對消（減）雪量兩種指標。

相對消（減）雪率RDR：作業影響區作業期實測降水量Y2與其非作業期實測降水量Y1的比值，除以對比區作業期實測降水量X2與其非作業期實測降水量X1的比值，減去1的值再乘以100%，公式為：

絕對消（減）雪量ODR：作業影響區作業期實測降水量Y2與雪量期望值（指計算出的假定未進行人工消（減）雪作業情況下的作業影響區的降水量）的差值，公式為：

采用雙比分析方法對4次作業過程的效果進行統計分析，詳見表5。

表5 基于雙比分析方法的4次作業過程的效果分析Table 5 Effect analysis on four operation processes with double contrast method

結果表明，4次試驗中只有1次有消（減）雪效果，其他3次均為增雪。2月7日和2月21日的降雪量屬于小雪量級，且作業過程中只實施了2個批次作業，作業量未達到過量催化劑量，因此形成增雪效果；4月9日天氣過程系統深厚，且系統本身水汽條件充沛，雖作業劑量達到預設過量催化劑量，但未能按照預期設計取得消（減）雪效果。4月26日作業劑量達到過量催化劑量，消（減）雪作業效果為相對減雪31.5%，絕對減雪0.98 mm。

4 物理檢驗

4.1 基于微波輻射儀觀測的水汽條件分析

對比區內的河南縣布設了微波輻射儀，利用該微波輻射儀測得的液態水含量近似代表試驗區整體的水汽狀況。分析4次過程作業前、后液態水含量的垂直分布廓線（圖4），3～4 km、4.5～5 km和7～8 km均存在液態水含量的峰值區，說明所選作業高度水汽條件較好。

圖4 4次試驗過程作業前、后液態水含量的垂直分布廓線（a）2月7日；（b）2月21日；（c）4月9日；（d）4月26日Fig. 4 The vertical profile of liquid water content before and after four experiments(a) 7 February; (b) 21 February; (c) 9 April; (d) 26 April

對比4次過程各峰值區數值，發現4月9日過程各峰值區數值均大于其他3次過程，其次是4月26日過程。由于4月9日過程作業高度層液態水含量較高，若希望按照試驗設計通過過量播撒達到消（減）雪效果則需播撒足夠劑量的催化劑，但統計分析得到該過程未取得消（減）雪作業效果，可能是由于水汽供應充沛，催化劑劑量未能實現過量播撒。

4.2 基于雷達的物理檢驗

4月9日作業過程，選取地面火箭作業前后共12次雷達體掃基數據進行消（減）雪作業效果分析。從雷達仰角1°每15 min的無抑制反射率的PPI（圖略）看出，作業前（18：13）澤庫縣有較強的降雪回波，強回波中心強度達到38.5 dBZ，回波覆蓋范圍較廣，且強回波中心強度和范圍有增加趨勢；作業后（19：15、19：46），回波強度明顯減弱，回波范圍明顯減小，中心強度已降至18 dBZ；后續回波雖有繼續發展趨勢（20：17），但持續時間較短，至21：00左右已基本無降雪回波；通過雷達回波分析認為過量催化作業對整個云體發展及降雪有消減的作用。

盡管雷達分析有消（減）雪作用，但效果評估未能檢出消（減）雪效果，本次試驗結果為增雪。查看4月9日地面臺站自動降水儀觀測記錄（圖5），發現當天降雪為兩個階段，第一階段為17：00—21：00，此時段也是消（減）雪作業時段，影響區臺站累計降雪為2.0 mm；第二階段為00：00—04：00，此時段沒有進行消（減）雪作業，影響區臺站累計降雪為2.7 mm。從降雪過程分析，因本次系統深厚，后期水汽供應充沛，未作業第二階段降雪量較大，可能平滑了第一階段的消（減）雪效果。在效果評估中使用的降雪量為觀測的20個測量點的08：00—08：00數據平均值，雖然代表了整個作業區和對比區面上的降雪量，但是在時間段上沒有詳細劃分，應在今后試驗中完善降雪觀測方法。

圖5 2017年4月9日觀測的降雪量變化Fig. 5 The observed snow change chart on 9 April 2017

4月26日作業過程，選取地面火箭作業前后共6次雷達體掃基數據（30 min一次）進行消（減）雪作業效果分析。從雷達仰角0.5°每30 min的無抑制反射率的PPI（圖6）看出，作業前（08：59—09：30）澤庫縣有較強的降雪回波，回波中心強度為19.5 dBZ，回波覆蓋范圍較廣，且回波中心強度和范圍無明顯變化；作業實施期間（09：30—10：34），回波強度略有減弱，回波范圍有減小趨勢；作業后（10：49—11：20），回波中心強度以及回波范圍明顯減小，至11：20已基本無降雪回波。通過雷達回波分析認為過量催化作業對整個云體及降雪有消（減）的作用。

圖6 2017年4月26日作業期間多普勒雷達PPI變化圖Fig. 6 Doppler radar PPI chart during the operation on 26 April 2017

綜上分析，過量催化消（減）雪作業短期有消（減）雪的作用，但若天氣系統供給水汽量較強時，會延遲系統的發展，會影響降水強度空間分布，總量有可能增加。

5 結論與討論

在客觀地分析青海省雪災的時空分布以及引起雪災的各類天氣形勢后，建立了本次試驗的樣本序列，通過于2017年2月7日、2月21日、4月9日和4月26日在澤庫縣實施4次地面火箭消（減）雪作業，利用試驗區測雪點的降雪量數據、微波輻射儀觀測數據、氣象觀測站數據以及布設的20個測雪點降雪資料等，應用雙比分析方法對4次過程的消（減）雪作業效果進行分析，得到以下結論：

1）4次作業過程中，2月7日、2月21日未能按照試驗設計實施過量催化，通過雙比分析，兩次均為增雪；4月9日盡管作業劑量達到預設過量催化劑量，但人工消（減）雪作業未能按照預期設計取得顯著的消（減）雪效果，分析原因為本次天氣過程系統深厚，水汽條件充沛，后期非作業期間降水平滑了前期消（減）雪作業效果；4月26日作業劑量達到過量催化劑量，消（減）雪作業效果為相對減雪31.5%，絕對減雪0.98 mm。

2）對4次過程作業前、后的液態水含量進行分析，所選作業高度較合適，水汽條件較好，作業后整體回波強度減弱，回波體積減小，后續回波有繼續發展，但持續時間較短。在試驗方案和觀測方案設計時應充分考慮各種觀測資料的匹配性。

3）通過對作業過程的定量統計分析和基于觀測資料的定性物理分析，表明在青海開展人工消（減）雪有一定的減雪作用，但是對于穩定天氣形勢下形成的中到大雪量級消（減）雪效果還未可知，且消（減）雪作業有可能增大降雪量而形成雪災的風險，還需通過大量實例總結出科學開展人工消（減）雪的技術可行性和成套技術。