天津及周边区域飞机增雨飞行方案改进研究

刘 晴，王兆宇

(1.天津市人工影响天气办公室 天津300074；2.中国气象局云雾物理环境重点实验室 北京100081)

0 引 言

近几十年来，云降水物理和人工影响天气理论技术方面所取得的成果，与外场试验研究密切相关，而外场试验又主要以飞机增雨作业和探测为核心。国际上，澳大利亚STEP热带试验，利用机载光散射成像仪，测量热带地区积雨云云砧与台风和云团系统的关系[1]；Brown[2]在飞机探测试验中利用机载总水量探头，改进云中冰相水含量的测量方法；美国NCAR利用逆流粒子取样器和机载探空仪器，对比分析混合相态云中的凝结水含量[3]。国内，张佃国等[4]开展4架次的飞机探测，获得北京及周边地区云中小云粒子最大浓度的变化范围和平均直径；秦彦硕等[5]分析飞机探测资料，综合分析河北地区层状云的微物理特征，发现雷达反射率相关性远高于云黑体亮温。

针对飞机人工增雨作业，除必须关注催化对象、催化时机、催化部位等客观条件外，还必须主观上严格科学地设计播云航线[6]，科学合理的飞行航线对云的综合探测十分重要[7-8]。过去针对飞机增雨综合观测分析的研究很多，但专门针对某一区域的飞行方案和播云航线的设计和改进还很少。国际上，Rosenfeld[9-10]对积云的飞行探测方案进行科学合理的设计，发现气溶胶和降水之间的相互影响。国内，濮江平[11]对大尺度锋面云系、小尺度积云结构、中尺度云带结构等的飞行方案进行分析总结；刘健等[12]研究吉林省层状云中的过冷水含量分布，发现垂直于高空风的“U”型水平播撒为最佳飞行方案；蔡兆鑫等[13]分析张家口一次飞机增雨过程的播撒航线，从微物理角度研究作业效果；游积平等[14]在佛山、江门地区，采用特定高度盘旋上升的方案，发现气溶胶粒子自下而上存在累积层、递减层和增加层。

本文统计归纳天津及周边地区2013—2014年两年中44次飞机外场试验，对作业区域、作业高度、播撒方式和飞行方案设计进行分析，结合多个典型实例，找出实际方案设计中亟待解决的问题，提出改进方案并进行可行性分析，拟为相关科研业务人员提供参考。

1 资料介绍

2013年上半年，天津市人工影响天气办公室开始在外场增雨飞机上搭载PMS粒子测量系统，尝试开展对气溶胶粒子、云粒子等的飞机增雨探测工作。天津及周边地区2013—2014年全部44次飞机外场试验资料见表1。

表1 天津及周边地区2013—2014年外场飞行概况Tab.1 Flight survey in 2013 and 2014 in Tianjin Area

2 资料分析

因天津地区夏季降水量最多，冬季降水量极少，且10月至次年5月底总雨雪量仅占全年的20%，所以飞机人工增雨作业只在每年春季和秋季开展。影响春季降水的主要天气系统是蒙古气旋、江淮气旋和东北回流高压等；影响秋季降水的主要天气系统是冷切变、东北回流高压和倒槽等。同时由于天津降水空间分布很不均匀，东西方向差异小，南北方向差异较大，雨量由北向南呈现递减趋势[15]，遂以天津滨海国际机场所在纬线位置为南北界，设定两个飞机增雨作业区，分别为北部作业区和南部作业区(图1)。

图1 天津及周边区域飞机人工增雨作业区布局图Fig.1 Layout diagram of aircraft precipitation enhancement in Tianjin Area

2.1 作业区域分析

整理2013—2014年飞机增雨试验覆盖区域。由图2可见，飞机增雨试验主要集中在蓟县、宝坻、宁河，以及河北玉田、遵化，针对滨海新区和其他区县开展的试验很少，所占比例不到12%，滨海国际机场位于东丽区，导致该区域上空航线分布比较密集，由于空域限制，无法开展针对东丽区的飞机增雨试验。

图2 2013、2014年飞机增雨区域分布饼状图Fig.2 Pie chart of regional distribution of aircraft precipitation enhancement in 2013 and 2014

2.2 飞行播撒方式分析

天津飞机增雨试验在春秋两季开展，分析影响降水的主要天气系统，发现播云对象主要是大范围层状云系，最常使用的两种飞行方式是垂直播撒和水平播撒。通过统计分析2013—2014年飞机外场试验资料，由表2可见，水平飞行播撒在北部作业区应用频次最高；垂直飞行播撒在两个作业区的应用频率都很低，但也呈现出北部作业多于南部的现象。

表2 2013—2014年飞行方案的统计结果Tab.2 Statistical results of flight scheme in 2013 and 2014

2.2.1 垂直飞行播撒方案分析

由表2可知，2年内共进行6架次垂直方向飞行播撒试验。图3是典型实例的三维飞行轨迹。2013年10月13日试验，作业区域在宁河上空，15∶55点燃烟条，飞机在同一区域3个不同高度层(3900、4200、4500m)实施增雨作业，17∶05结束催化，随后下降高度在4200、3900m高度层平飞探测；2014年5月11日试验，作业区域在宁河、宝坻上空，飞机在同一区域2个不同的高度层(4600m和4000m)进行平飞催化。

图3 垂直飞行方案典型个例轨迹Fig.3 Aircraft path of typical vertical flight cases

以2013年10月13日试验为例，分析方案设计的优缺点。环流背景形势逐渐向有利于天津出现降水调整。08∶00700hPa中高纬地区有高空槽在向偏东方向移动，天津属于偏西风控制；20∶00高空槽东移至天津上空。结合地面形势，08∶00地面为东高西低的形势，冷锋位于内蒙古中部-河套西北部-青海东北部一带，逐渐向东移动。分析14∶00北京探空资料，-10℃层高度在5000m左右，降水偏稳定性。由图4可见，在4200m高度层，小云粒子浓度比气溶胶粒子浓度大2个量级；催化后小云粒子的浓度较催化前明显增加，在整段飞行过程中出现了3个峰点，最大峰值浓度达到3×108个/m3，小云粒子浓度的峰值区恰好与气溶胶粒子浓度的谷值区一致。

图4 催化前后云中气溶胶粒子和云粒子的浓度Fig.4 Concentration of aerosol and cloud particles at different phases

2.2.2 水平飞行播撒方案分析

由于温度低于0 °C后，云中液态含水量随着温度的降低而减少，冷云催化剂AgI成核率会随温度下降而增加，综合考虑，冷云增雨试验的作业高度应选在-5～-10℃高度层之间。而天津北部作业区春秋两季层状降水云系0℃层高度一般低于4000～4500m。北部作业区水平飞行播撒方式共开展35架次试验，剔除2013年4月28日、2013年10月1日和2014年6月8日3架次不科学试验(由于机场空中管制部门对飞行高度进行限制，无法在预设高度飞行)，对剩余32架次试验的作业高度进行研究。由图5可见，2013—2014年水平播撒方式在天津北部作业区的催化高度确实主要集中在4000～4500m高度层，符合冷云催化基本要求。

图6是典型实例的三维飞行轨迹。2014年5月10日试验，作业区域在蓟县、宝坻上空，10∶30飞机起飞，10∶49飞行高度达到过冷云水层高度(4900m左右)开始向北平飞，至40.5°N转向东平飞，11∶12点燃焰条，保持高度平飞催化，11∶54结束催化和平飞；2014年5月1日试验，作业区域在蓟县、唐山和承德上空，平飞催化高度为4500m；2014年4月26日试验，作业区域在宝坻上空，平飞催化高度为4600m；2014年4月25日试验，作业区域在宝坻、蓟县和唐山上空，平飞催化高度为5000m。

图5 2013—2014年水平播撒方式在北部作业区的催化高度Fig.5 Seeding height of horizontal route in the northern areas in 2013 and 2014

图6 水平飞行方案典型个例轨迹Fig.6 Aircraft path of vertical typical cases

以2014年5月10日试验为例，分析方案设计中优缺点。由图7和图8可见，08∶00 500hPa高度场配合地面实况资料，受东移高空槽和地面倒槽的共同影响，天津处于有利降水的环流背景条件。随着系统整体东移，作业区具有较好的动力抬升条件，也是产生降水的基本动力条件；天津地区过冷云水位于0～-20℃层(高度4000～5500m)。由图9可见，平飞催化之前气溶胶粒子和小云粒子的浓度随时间变化趋势基本一致，浓度相差2个数量级；而平飞催化过程中，两者浓度随时间变化趋势产生明显差异，气溶胶粒子急剧上升，小云粒子持续走低并趋于稳定。由于本个例只进行直线平飞催化，无返回探测飞行，故很难对两者浓度变化的原因进行解释。

图7 08∶00 500hPa和850hPa高度场Fig.7 Aerographical chart at 500，850 hPa at 08：00(BJT)

2.2.3 小结

垂直播撒飞行方案典型实例的航线设计，其优点是在垂直方向上对同一区域进行逐层播撒，有助于提高催化成效；但也存在较大的缺陷，即虽然对同一区域不同高度层进行飞行播撒(或探测)，收集到该区域作业前后云中微物理参数资料，但很难保证第二次催化(或探测)的范围就是第一次催化(或探测)的云区，这为作业结束后的效果分析增加了难度。

水平播撒飞行方案典型实例的航线设计，其缺陷比较明显。首先，平飞催化前期缺少对作业云宏观结构和云微物理参数的垂直探空，以至于不能根据实时探测到的0、-5、-10℃层高度来修改作业催化高度，可能造成催化位置失准的不利结果；其次，平飞催化结束后，没有返回催化区域进行回穿探测，无法利用探测资料对比分析作业效果；最后，没有充分地利用已布设的雨滴谱仪等地面探测设备。

3 方案改进和可行性分析

通过对现有飞行方案改进，设计出天津北部作业区兼顾探测和作业飞行方案。

3.1 北部作业区兼顾探测和作业飞行方案

首先根据作业条件预报和临近预警制定作业预案，即根据地面、850、700、500hPa天气形势，卫星云图，模式预报产品，确定0、-5、-10℃层高度、云系范围、移向移速等信息，设计航线预案；然后根据雷达实时监测资料、加密探空资料和垂直盘旋上升探测结果修订作业航线；最后收集作业信息(空地基仪器采集的所有数据资料)进行效果评估。

航线设计要求预设3个区域，即垂直盘旋上升探测区、水平蛇形播撒作业区和水平回穿探测区。

该方案已在天津北部作业区初步应用，以2015年11月13日飞机增雨试验为例，当天高空风为西南风，0℃层高度2950m，-5℃层高度3850m；垂直探测区选在宁河北部(上风方)；水平作业区选在蓟县、宝坻、玉田部分地区，播撒高度3900m；催化后下降300m高度，返回蛇形播撒区进行回穿探测。图10a为航线三维轨迹图，图10b中黑色五角星位置为地面雨滴谱位置。

3.2 可行性分析

影响雷达反射率因子Z与降水强度R之间关系的因素，除了时间、空间以及地理位置以外，也包括人工对云的干涉。如果使用该方案在北部作业区目的明确地进行多次试验，收集并分析飞机作业前和作业后雨滴谱资料，分析比较催化对同一区域层状云系Z-R关系的影响情况，也是一种对作业效果的分析方法。

图10 2015年11月13日外场增雨作业轨迹Fig.10 Aircraft path on Nov.13，2015

图11 北部作业区飞行方案在4个不同风向下的应用Fig.11 Application of the aircraft scheme in north seeding area in four different wind directions

虽然本方案航线需要根据云系降水特征和高空风分布状况进行设计，但是由于北部作业区地面雨滴谱仪布设位置较密集且均匀(图10b)，该方案只需根据高空风来向在方向上进行整体调整，即可多次反复应用。图11为该方案在不同风向下的应用情况，图中标注出地面雨滴谱仪和垂直盘旋上升探测区的位置。综上，认为该方案在天津北部作业区具有一定的区域适用性和可行性。

4 结 论

①统计归纳天津及周边地区2013—2014年2年中全部44次飞机增雨试验，试验主要集中在蓟县、宝坻、宁河，以及玉田、遵化上空开展，针对滨海新区和其他区县开展的试验很少，所占比例不到12%。

②以天津滨海国际机场所在的纬线位置为南北界，划分北部作业区和南部作业区；飞机播云对象主要是大范围层状云系，最常使用的飞行方式是垂直播撒和水平播撒；水平播撒在北部作业区应用频次最高，垂直播撒在两个作业区的应用频率都很低，但也呈现出北部作业多于南部的现象。

③2013—2014年水平播撒方式在北部作业区的催化高度主要集中在4000～4500m高度层，符合冷云催化基本要求。

④结合多个典型个例，发现方案设计中的缺陷。首先，很难保证二次催化(或探测)的范围仍是第一次催化(或探测)的云区，为效果分析增加难度；其次，平飞催化前期缺少对作业云宏观结构和微物理参数的垂直探空；再次，平飞催化结束后没有返回催化区域进行回穿探测；最后，没有充分利用已布设的雨滴谱仪等地面探测设备，很难对飞机作业效果进行分析评价。

⑤改进设计出天津北部作业区兼顾探测和作业飞行方案，该方案由垂直盘旋上升探测区、水平蛇形播撒作业区和水平回穿探测区构成。以2015年11月13日飞机增雨试验为例，发现该方案在北部作业区具有一定区域适用性和可行性。