内蒙古一次人工增雨作业个例分析

郑博华，李 皓，樊茹霞，赵克明

(1.新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081；3.内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051;4.新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

内蒙古地处亚洲中部蒙古高原的东南部及其周沿地带，以高原为主，海拔多在1 000 m以上，统称内蒙古高原。由于地处中纬度内陆，大部属温带大陆性季风气候，只有大兴安岭北段属寒温带大陆性季风气候。终年为西风环流控制，以中纬度天气系统影响为主，而季风环流影响则视季节变化而定，冬季风影响时间长，夏季风不易到达，且影响时间短。大部地区降水稀少，且集中于夏季。年降水量的分布与气温相反，因而形成在热量最多的地区降水最少，热量最少的地区降水最多的水热分布不平衡格局。由于所处的地理位置和自然环境，干旱、黑灾、白灾、寒潮、大风、沙尘暴、冰雹、暴雨等气象灾害较为频繁。其中，干旱最为严重，有“十年九旱”之说。

目前，人工作业增雨作为最有效的防灾减灾手段，已在社会中得到了普遍的认可，对增雨作业潜力准确地分析，及时开展人工作业，选择适当催化手段，是科学作业、有效作业的重要条件[1]。自上世纪50年代起美国就着手开展大规模人工增雨试验，时至今日仍保持年平均40多个人工作业增雨实施方案，同时期澳大利亚也相继开展飞机人工播撒干冰对层积云作业试验。目前为止，世界上已有超过90个国家和地区先后加入了人工增雨的科技作业试验行列中，其中以美国、以色列为首等国家通过长期不断研究试验，已证实人工作业增水效果显著[2-4]。以色列的人工增雨试验工作持续了近40 a，是目前世界上最认可的增水效果检验试验，在1961—1975年间开展了两期人工增水试验，分别得到了15%和13%的增雨效果[5]；我国学者专家曾光平等[6]1975—1986年在福建古田水库试验，得到统计增水超过20%；秦长学等[7]在北京密云水库开展人工增水试验，得出增水率为13%。近20 a来，我国人工增水事业发展迅猛，已经形成了以雷达、卫星、微波辐射计、GPS系统、风廓线仪等高科技手段为主的探测指挥系统，以飞机为主的空中播撒催化作业系统和以火箭弹为主的地面人工作业播撒系统，由此取得了长足的进步和显著的效益，在服务农业、抗旱减灾、保障重大活动等方面发挥了举足轻重的重要作用[8]。早在2000年一次飞机人工影响天气作业过程中，从卫星资料分析中便得出催化剂作业区面积为自由运动扩散区的3倍，进而发现催化剂是其主要因素[9-10]。2013年四川及西南部分春旱严重，四川省人影办组织实施多架飞机增雨作业[11]，增雨作业后，作业区降水回波强度面积明显增强，降水量明显增大，采用区域对比法得出3 h降水增量为11 972万m3。

本文充分利用GRAPES模式产品、卫星、雷达、探空等资料，分析了2017年5月20—22日，内蒙古地区利用有利天气过程实施的增雨作业，对分析人工增雨作业条件等关键技术具有较好的指导作用，同时为其他地区或区域开展增水作业工作提供了一些技术方法借鉴。

1 作业需求分析

根据气象干旱综合指数分布图显示，截至5月20日，呼和浩特市东南部局地、乌兰察布市东南部、锡林郭勒盟大部、赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市西南部地区出现轻度及以上气象干旱。其中锡林郭勒盟中部及东南部、通辽市东南部、兴安盟中部及东部局地出现中旱；锡林郭勒盟南部局地、赤峰市北部、通辽市西北部、兴安盟东南部出现重旱；赤峰市南部出现特旱，旱情形势比较严峻。全区土壤墒情差，部分地区草场受旱，抑制农牧业正常生产，威胁草原生态(图1)。

图1 2017年5月20日内蒙古气象干旱分布图(a)及全区墒情监测(b)Fig.1 Distribution of meteorological drought in Inner Mongolia on May 20, 2017(a) and monitoring of public opinion in the whole district on May 20(b)

据内蒙古自治区气象台预报，5月20—22日内蒙中东部自西向东有一次明显的降水天气过程，内蒙古自治区人工影响天气中心根据旱情等作业需求，作业装备全部就绪，作业人员随时待命，为缓解旱情做好一切前期准备工作。

2 作业过程预报及作业计划制定

5月20日08时—05月22日08时，受高空槽影响，内蒙古地区有一次大范围的降水天气过程。从地面形势来看，5月20日20时，地面，低压带、地面倒槽与高空槽配合，伴随均匀密实降水的带状云系自西向东移动，逐渐影响中西部地区(图2)；500 hPa，新疆地区及贝加尔湖东部有一高空槽，内蒙古东北地区受槽前西南气流影响。21日08时，500 hPa蒙古地区有一浅槽，高低空配置一致，水汽条件很好。至21日20时，高空槽东移至阿拉善盟东部地区，主要影响内蒙古西部偏东及中部地区，随着槽的不断东移，逐渐影响内蒙古中部及东部地区。到22日20时，高空槽移至赤峰市、通辽市中部，主要影响赤峰市东南部、通辽市大部，之后随着槽的移出，此次降水天气过程逐渐结束。

图2 5月20日20时地面图与云图叠加Fig.2 At 20∶00 on May 20, the ground map was superimposed with the cloud map

综合分析，05月20日08时—05月22日08时，除阿拉善盟西部和呼伦贝尔市北部外，内蒙古大部具有一定的作业潜力。针对不同时段，分别制定了全区的飞机和地面作业计划。

3 作业条件潜力预报和作业预案制定

3.1 人影作业条件分析

3.1.1 水汽条件 从EC模式700 hPa湿度场和低层风场叠加来看(图3)，21日08—20时，水汽高值区进入锡林郭勒盟东部、兴安盟、通辽市北部地区，低层有风场辐合配合湿度区，且湿舌向南延伸，范围扩大，低层西南水汽通道畅通，配合有风场切变。21日20时—22日08时，湿舌逐渐向西延伸至鄂尔多斯市东南部，低层西南水汽通道畅通，配合有风场辐合。22日08—20时，随着系统向东南方向移动并且减弱，相对湿度减小，风场逐渐由西南风转变为偏北风。总体来看，此次天气过程系统明显，西南水汽通道畅通，西南风强盛，低层相对湿度在80%以上，系统高低空配置形成了有力的动力抬升条件，有利于槽前西南暖湿气流向北输送，西南暖湿气流与西北干冷空气交绥，在内蒙古中东部形成明显的比较稳定的降水天气。

图3 5月21—22日低层风场和相对湿度(700 hPa)Fig.3 Low-level wind field and relative humidity (700 hPa) May 21—22

3.1.2 云带分布特征 从GRAPES模式预报云带发展演变来看，5月20日08时—22日20时，带状均匀降水云系自西北向东南逐渐影响我区东部地区。20日20时—21日14时，均匀密实云系主要覆盖在锡林郭勒盟东北部、兴安盟、呼伦贝尔市地区。随着系统向东南移，21日14时—22日08时，云系主要覆盖在锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市南部地区。22日08—20时，主体降水云系覆盖在赤峰市、通辽市地区，并逐渐移出我区。到22日20时，降水云系移出我区，中东部地区降水趋于结束，典型时刻云带分布如图4所示。

图4 典型时刻云带分布Fig.4 Cloud band distribution at typical time

3.1.3 云体垂直结构分析 云体垂直剖面结构显示：5月20日20时—5月21日20时，内蒙古东部地区有大范围云系覆盖，移动速度约55 km/h，云中有一定量的过冷水，降水粒子较为丰富，0℃层高度在2.5～4.0 km，-10 ℃层高度在5.0～5.5 km，-20 ℃层高度在6.5～7.1 km。典型时刻云垂直结构如图5所示。

图5 5月21日14时沿内蒙古中东部上空云水冰晶(左)、降水粒子(右)垂直分布Fig.5 At 14∶00 on May 21, along the middle east of Inner Mongolia Vertical distribution of cloud water ice crystals (left) and precipitation particles (right)

5月21日20时—5月22日20时，内蒙古中东部地区有大范围云系覆盖，移动速度约55 km/h，云中有一定量的过冷水及冰晶，降水粒子较为丰富，0 ℃层高度在3.0～4.0 km，-10 ℃层高度在5.0～5.5 km，-20 ℃层高度在6.5～7.0 km。典型时刻云垂直结构如图6所示。

图6 5月22日11时沿内蒙古中东部上空云水冰晶(左)、降水粒子(右)垂直分布Fig.6 At 11∶00 on 22 May, along the middle east of Inner MongoliaVertical distribution of cloud water ice crystals (left) and precipitation particles (right)

3.2 作业预案制定

针对此次天气过程，内蒙古自治区人工影响天气中心于5月20日开始每天滚动发布人工影响天气作业条件预报以及作业潜势预报，根据天气形势、旱情监测、云微物理产品等分析，给出了具体增雨作业建议。

4 作业条件监测预警及作业方案设计

4.1 云发展演变趋势

云监测反演分析显示，5月20—22日，内蒙古中东部有云系覆盖，云系自西北向东南移动，移速约为55 km/h。21日16时云顶温度局部最低约为-40 ℃，光学厚度最大可达52；20时云顶温度局部最低约为-40 ℃，光学厚度最大可达30；22日09时云顶温度局部最低约为-40 ℃，光学厚度最大可达52，适合飞机增雨作业(图7)。

4.2 云结构监测分析(探空资料结合卫星资料)

根据21日08时探空观测，影响中东部地区的云系为典型层云，云系为冷暖云混合云系，兴安盟地区云垂直发展密实，整层相对湿度较大，0 ℃层和-10 ℃层分别位于3.6 km、5.0 km高度左右。中东部地区整层以西北风为主，风速18 m/s(约65 km/h)。呼和浩特市以东地区云层为多层云，锡林郭勒盟、兴安盟飞机人工增雨作业条件较好(图8)。

根据21日20时探空观测，降水主体云系东南移，主要位于巴彦淖尔市以东地区，内蒙古东部地区的云系为典型层云，云系为冷暖混合云系，云垂直发展旺盛，分多层。云顶高度均在8 km以上，局部地区云顶发展到13 km，整层相对湿度较大，0 ℃层和-10 ℃层分别位于3.5 km、5.5 km高度左右。低层以西南风为主，风速16～24 m/s(约57～97 km/h)，适合开展飞机人工增雨作业(图8)。

根据22日08时探空观测，随着降水主体云系进一步向东南方向移动，锡林郭勒盟以东地区云系发展较为深厚，云顶高度均在9 km以上，局部地区云顶发展到13 km，整层相对湿度较大，0℃层和-10 ℃层分别位于3.5 km、5.2 km左右高度。整层以偏西风为主，低层风速16 m/s左右(约57 km/h)，适合开展飞机人工增雨作业(图8)。

图7 卫星反演的5月21日16时与5月22日09时云顶温度(左)和光学厚度(右)Fig.7 Satellite inversion at 16∶00, 20∶00 on May 21 and 09∶00 on May 22, Genting temperature and optical thickness

图8 云结构分析(探空资料+卫星反演)Fig.8 Cloud structure analysis (sounding data+satellite inversion)

4.3 雷达监测资料分析

从5月21日16时通辽市雷达回波分布可以看出，通辽市北部及兴安盟南部地区有不均匀片状强回波生成，回波主体强度在30 dBz左右。至21时左右，回波范围有所减小，但强度并未减弱。至22日05时，赤峰市大部地区有均匀大片的回波生成，回波主体强度在30 dBz左右，局部地区达35 dBz。到22日13时，回波位于通辽市南部地区，强度仍然较强(图9)。

4.4 作业方案设计

此次天气过程分别选取通辽市、锡林郭勒盟、兴安盟设计的各一次飞机作业方案为例。通辽市预计飞机时间为5月21日05时30分—09时30分，飞行高度为2 200～5 000 m冷云区，携带冷云催化剂作业，作业方案如图10(左)所示。锡林郭勒盟根据5月20日20时探空观测结果，-4 ℃层(催化温度层)的风向为240°，风速约14 m/s。据此设计作业方案如图10(中)所示，预计飞行时间为5月21日 07时30分—11时30分，携带催化剂为冷云烟条，预计作业高度为3 000～4 200 m(云内-4 ℃层以上)。5月21日05时兴安盟上空受蒙古高空槽移动影响，云系自西北向东南，以冷云云系为主，兴安盟大部分地区有云系覆盖，水汽条件较好，0 ℃层高度3 km左右，-10 ℃层高度5 km左右，据此设计作业方案如图10(右)所示，预计飞行时间为5月21日06—10时，携带催化剂为冷云烟条，预计作业高度为3 000～4 000 m。

5 作业实施

5.1 作业实施情况

针对5月20日08时—22日20时内蒙古中东部降水天气过程，内蒙古自治区人工影响天气中心以及11个盟市分别以不同方式开展了人工影响天气作业。全区：开展飞机作业16架次，共飞行44 h；开展地面作业共209次，共燃烧烟条208根，发射火箭弹1 167枚。

图9 5月21日16时(a)、20时(b)，22日05时(c)、13时(d)通辽市雷达回波图Fig.9 Radar echo map of Tongliao City at 16∶00(a), 20∶00(b), 22∶00(c) and 13∶00(d) on May 21

图10 5月21日上午通辽市、锡林郭勒盟和兴安盟飞机作业方案设计Fig.10 On the morning of May 21, Tongliao City, Xilin Gol League and Xing'an League aircraft operation plan design

5.2 实际飞行作业轨迹

综上所述，5月20日08时—22日20时，有飞机增雨作业潜力的各盟市根据实时的红外云图、探空资料、雷达等监测工具密切监视天气，根据实际情况结合预先设计的飞行作业方案进行了飞行增雨作业。部分盟市实际飞机作业轨迹图如图11所示。

5.3 作业合理性分析

现以此次天气过程中通辽市一次飞机增雨作业过程为例进行分析。5月22日B3852从通辽机场起飞，主要飞行区域为通辽市中部，飞行时间为06时30分—09时35分。如图12所示，飞机飞行作业的范围均在雷达回波覆盖范围之内，图上显示的0 ℃高度为3 348 m，与实际测得的0 ℃层高度不符，此项指标不具有参考意义。飞机作业高度2 800～5 000 m，在预判作业高度范围之内，实际使用催化剂(冷云催化)类型与预案一致。

图12雷达回波显示飞机作业区域(通辽市中部)、作业时间内始终有较为均匀的回波，实际催化作业时段与作业预案一致，作业区域与预案给定范围一致，作业区域选取比较适宜，作业时间较准确。

图11 5月20日08时—22日20时部分盟市实际飞机作业轨迹图Fig.11 The actual aircraft operation track map of some leagues at 20∶00 on May 20

图12 B3852飞行轨迹和雷达剖面叠加Fig.12 B3852 flight trajectory and radar profile overlay

6 作业效果分析

5月20—22日，我区共有序开展飞机增雨作业16架次，地面作业209次，采用了区域对比法得出：作业影响区总面积为56 996 km2，增雨总量为16 116万吨。

受自然降水和人工增雨作业的共同影响，内蒙古地区增雨效果明显。5月21日08时—22日08时，我区共1 555个站出现降雨，降雨量0.1～53 mm。其中共83个站出现大雨，降雨量25～45.8 mm，主要分布在鄂尔多斯东南部、呼和浩特市大部、包头市南部、乌兰察布市中部及南部、锡林郭勒盟南部及东部、通辽市大部、赤峰市北部及兴安盟西南部；锡林郭勒盟多伦县大河口乡出现暴雨，降雨量为53 mm。22日08时—23日08时，共746个站出现降雨，降雨量0.1～23.0 mm。其中共138个站出现中雨，降雨量10.0～23.0 mm，主要分布在通辽市南部及赤峰市南部。具体雨情信息见图13。

将图14与图1a相对比，发现此次自然降雨以及人工增雨作业使我区中东部干旱范围大幅缩小减弱，有效降低了森林草原火险等级，改善了土壤墒情，为我区的农作物生长、生态保护、园林绿化、净化空气等方面发挥了重要作用。此次增雨作业过程有效地缓解了全区旱情，减少了经济损失，受到社会各界的广泛关注。

图13 5月21日08时—23日08时全区雨量信息Fig.13 Rainfall information for the whole district from 08∶00 to 23∶00 on May 21

图14 5月23日内蒙古气象干旱综合指数分布图Fig.14 Distribution map of Inner Mongolia meteorological drought comprehensive index on May 20 and May 23

7 讨论与结论

通过对本次个例天气形势、人工增雨潜力、作业实况、作业效果等分析，得到如下结论：

本次作业过程，受高空槽和风切变共同作用，低空有水汽输送，且水汽、动力条件好；飞机作业云系处于发展阶段，云层比较深厚，云体较为密实，云中有一定的过冷水，过冷水范围较大，增水潜力可观。此次过程共开展飞机增雨作业16架次，地面作业209次，作业影响区总面积为56 996 km2，增雨总量为16 116万吨。增雨作业过程有效地缓解了全区旱情，减少了经济损失。