吉林省一次飞机增雨过程方案设计及效果分析

, ,

（1 吉林省人工影响天气办公室，长春 130062；2 中国气象局吉林省人民政府人工影响天气联合开放实验室（省重点实验室），长春 130062）

0 引言

人工增雨作业方案设计和效果检验是人工增雨作业过程中的两个重要环节。科学合理的作业方案设计是作业效果的基础，作业是否有效果可以验证作业方案设计的合理性。对此，国内外气象工作者做了大量工作。作业方案设计方面：李念童等[1]结合国内人工增雨飞机的性能，着重介绍在催化作业和探测时在特定高度上进行水平观测的方案设计；张永强[2]针对苏北地区火箭人工增雨作业方案设计进行研究；刘海群[3]基于火箭的自身性能特点，对火箭增雨作业方案进行了研究；白先达等[4]分别对各季节、各作业云系的作业进行了总结，提出了适合不同季节的人工增雨作业方案。效果检验方面：房彬等[5]发展了基于聚类的浮动对比区回归统计检验方法(CA-FCM)；曾光平、吴章云[6]利用雷达资料分析了催化前后宏观参量的变化；王以琳、雷恒池[7]通过机载PMS粒子探测系统和GPS卫星定位系统观测，获得了催化前后云中微物理量变化的证据。

吉林省人影工作者在飞机增雨作业方面做了大量工作。汪学林等[8]利用吉林机载探侧仪器，包括：TPM-1云滴谱仪，TPZ-2 含水量仪，铝箔冰雪晶取样器，CM-43和MOS单结管飞机气象计等，在21架次探测中共取得冰雪晶资料469份。冰晶浓度在10-2～102L-1，平均12.3 L-1。雪晶浓度一般集中在10-2～101L-1，平均为4.04 L-1。冰质点浓度随温度的分布：其浓度在0～-3 ℃向上增加到-3～-6 ℃达到极大，为32.8 L-1，往上又单调减少。晶形随高度的分布规律，一般云顶大都由柱状、薄片板状组成。中上部大都由薄片板状、带核心圆盘板状和柱状组成，夹有少量枝星状。云的中下部大都由板状、破碎板状、枝状、破碎枝状、针状等组成。云底大都由针、枝、少量霰及雨滴组成。平均液态含水量的分布：21架次飞行共取得含水量资料582份；平均液态含水量为0.12g·m-3，一般在0～0.77 g·m-3。冰质点浓度在气旋中心北侧比暖锋面和暖锋前明显较高；平均含水量暖锋面是0.166 g·m-3，比暖锋前和气旋中心北侧都大。暖锋面附近层状云中正温层含水量最大，负温层最小；气旋中心北侧负温层最大；暖锋前正温层最小。在飞机观测方面，游来光等[9]在吉林利用铝箔取样技术对吉林地区的降水性层状冷云中的冰晶雪晶进行了飞机观测。利用铝箔取样技术，沿飞行航线对云中降水质点连续取样，取样面积为4×10 cm2，暴露时间1～10 s。取样体积为0.28～2.8 m3的689份铝箔样片。冰晶垂直分布特点：浓度自云顶向下增加，在云的中下部达到最大，是云层中冰晶浓度垂直分布的一个基本特征。高层云中也观测到在同一高度上冰晶浓度水平分布上有很大差别。冰晶浓度水平向分布的不均匀和上部云层的发展状况有关。高层云云顶温度和其上部的卷云状况是影响云中冰晶形成的两个基本因子。雪晶浓度值各次飞行间差别也很大，垂直向平均浓度范围在7.0×102～3.0×10 m-3。平均看来，在云的上层（一般在0 ℃层以上2.5 km），雪晶的平均直径约为500 μm，至0 ℃层可达1500 μm，估计其增长率约为0.4 mm·km-1。金德镇等[10-11]总结了吉林省积层混合云引晶试验中的催化层和催化响应层粒子谱特征、过冷水含量变化特征和雷达回波变化特征，分析了飞机播撒液态CO2增雨作业前后云的宏、微观物理结构和降水变化。齐彦斌等[12-13]利用人工增雨“Y-12E型”飞机，配备有GPS定位数传系统、机载宏观探测设备、King热线含水量仪和PMS云粒子测量系统，对2003年7月8日一次冷涡对流云雨带进行了垂直和水平探测，结合雷达、卫星、地面降水及天气图分析了冷涡的宏观特征和微观物理结构。汪学林等[14]对层状云中夹着的对流泡进行系统深入的研究，为人工增雨作业提供依据。刘健等[15]利用机载云粒子探测系统（PMS）探测资料，对吉林省的一次切变线降水过程的云微物理结构、降水机制进行综合分析。杜鹃等[16]筛选吉林省的最佳人工影响天气样本集，进行了历史降水天气日云场进行分析。张景红等[17-18]利用空基微波辐射计获取的探测资料，结合PMS、热线含水量仪等探测资料，利用卫星、雷达、GPS等探测手段的同步观测结果，进行了综合分析，测得吉林省春季各种可实施人工增雨作业的云型的过冷水含量、云体各层微物理结构的变化。

本文选取2016年4月12日吉林省一次飞机增雨作业过程，总结作业方案设计的主要考虑因素，按照一定原则选取对比区，结合雷达资料分析作业影响区和对比区回波变化，根据区域站数据统计作业前后作业影响区和对比区降水变化，对作业效果进行分析。

1 天气形势及作业潜力条件分析

根据4月11日地面天气图分析，河套地区有一低压系统生成，随着系统发展，将逐渐东移北抬影响吉林省（图1a）。根据ECMWF模式预报，在500 hPa与该系统相对应的为一高空槽，12日08时吉林省中部地区处于槽前位置；根据850 hPa风场分析，吉林省中部处于切变前部的西南气流中，对应一个西南水汽输送带，水气输送条件比较好，850 hPa相对湿度达到80%以上（图1b）。

根据MM5模式预报，4月12日上午，云系覆盖吉林省中部地区，自西南向东北移动，云中有一定量过冷水主要分布在0～-20 ℃层（高度在1500～5500 m）（图2a）。云系从吉林省西南部开始进入白城、四平地区，自西南向东北逐渐发展。随着云系的发展，云层增厚，过冷水含量逐步增大，水汽输送条件较好。4月12日08～14时，吉林省中部地区有增雨作业潜力（图2b）。14时之后增雨作业潜力区东移，吉林省中部地区无增雨作业潜力。

根据4月12日07时长春雷达回波图（图3）可以看出，回波为西南-东北走向，雷达回波顶高在5 km以上；根据模式预报过冷层厚度在2900 m左右，事后根据长春探空数据，08时零度层高度约为700 m，实际过冷层厚度为4300 m。此次作业的对象为较大范围的层状云，具有较厚的过冷层，适宜飞机播撒催化作业。

2 作业方案设计及作业实施

图1 （a）2016年4月11日08时海平面气压场；（b）ECMWF模式预报2016年4月12日08时500 hPa高度、850 hPa风场、850 hPa相对湿度图Fig. 1 (a) Surface pressure at 08 BT on April 12, 2016; (b) 500 hPa height, 850 hPa wind and 850 hPa relative hu midity at 08 BT on April 12, 2016 predicted by ECMWF model

图2 （a）2016年4月12日10时过冷水分布；（b）2016年4月12日08～14时增雨潜力区预报图Fig. 2 (a) Super cooled water at 10 BT on April 12, 2016; (b) Potential areas of rainfall enhancement from 08 to 10 BT on April 12, 2016

图3 2016年4月12日07时雷达回波图Fig. 3 Radar reflectivity at 07 BT on April 12, 2016

作业方案设计主要考虑以下几方面因素：考虑到需求情况，选择吉林省的需水地区；考虑到作业潜力及作业条件，选择增雨潜力及作业条件较好地区作为作业影响区；考虑到云系的移动方向为西南-东北向，作业影响区位置选择为云系进入吉林省的位置，随着云系移动，可将催化剂扩散到下游地区；考虑到作业高度风向为西南风，作业播撒航线要与作业高度层高空风垂直，保证催化剂扩散范围；考虑到播撒的充分性，要在作业影响区域内进行往复播撒，以实现充分播撒，尽量保证作业效果。

分析需水情况，吉林省的需水地区主要为中西部地区；根据前面分析，2016年4月12日08～14时作业潜力及作业条件较好地区为长春、四平及以东的辽源地区；云系进入吉林省的位置为四平、辽源地区，在此区域播撒，催化剂可以随云系移动向省内的下游地区扩散；因此选取的适宜作业地区为吉林省中部的四平、辽源地区，设计了飞行航线（图4a）。4月12日08时，飞机从长春机场起飞，在长春伊通以南，辽源、四平公主岭之间区域进行往复播撒，播撒完毕后飞回长春机场，作业结束时间10:50。

图4 （a）2016年4月12日飞行航线图；（b）作业影响区、对比区及2016年4月12日07时雷达回波图Fig. 4 (a) Flight route on April 12, 2016; (b) The influence region, the control region, and radar reflectivity at 07 BT on April 12, 2016

3 作业效果分析

3.1 对比区选取

为了保证播撒作业不会对对比区产生影响，在作业影响区西北方选取相同面积的区域作为对比区。作业层高空风向为西南-东北方向，作业影响区与对比区的排列方向与风向垂直。作业影响区与对比区之间保留出20 km的区域作为隔离区域，可以保证催化不会影响到对比区。对作业前两区的雷达回波进行对比（图4b），作业前（07时）两区回波强度主要分布在10～25 dBz。作业影响区和对比区10～15 dBz强度回波面积均为1600 km2左右；作业影响区15～20 dBz强度回波面积约为2300 km2，对比区15～20 dBz强度回波面积约为2400 km2；作业影响区和对比区20～25 dBz强度回波面积均约为700 km2。可以看出作业前两区回波强度、面积基本相似，对比区与作业影响区云条件相似，对比区选取较为合理。

3.2 作业后回波变化分析

作业刚开始时（08时），作业影响区回波分布与作业前相比变化不大；对比区10～15 dBz回波面积较作业前减小到1100 km2，5～10 dBz回波面积较作业前增加到700 km2，总体看15 dBz以下回波面积较作业前变化不大；作业影响区和对比区15 dBz以上各强度回波分布类似，与作业前相差不大。

作业期间，对作业影响区雷达回波剖面进行分析（图5）。在作业开始时（08:18），在飞机播撒位置，作业高度上，有一回波强度大值区，回波强度大值区并未及地。随着作业的持续进行（08:34、08:44），该回波强度大值区高度逐渐下降，且强度逐渐加强，说明云中大粒子逐渐增多且向下降落。至09:16，该回波强度大值区及地，说明已经出现地面降水。09:00—09:40期间，相对于对比区，影响区垂直累积液态水明显消耗。但两区整体回波顶高已经明显下降，云系处于减弱阶段。

作业后，作业影响区和对比区回波差异明显（图6）。对比区回波作业后较作业前及作业开始时明显减弱，云中基本无强回波，只剩15 dBz以下弱回波；作业影响区回波明显强于对比区，较作业前及作业开始时有所增强，主要体现在20 dBz以上强度回波面积由900 km2增加到1800 km2。

3.3 作业前后雨量变化分析

通过作业前、作业期间、作业后1 h降水量站数对比（图7）发现，作业开始前（07时），作业影响区主要为5 mm以下降水，只有一个站出现了5 mm以上降水，对比区9个站出现了5 mm以上降水，远多于作业影响区；作业影响区平均降水量小于对比区。作业期间（09～10时），作业影响区降水有所增加，3个站出现了5 mm以上降水，对比区5 mm以上降水站数逐渐减少；作业影响区平均降水量较作业前增加，对比区平均降水量呈减小趋势，低于作业影响区。播撒作业2 h后（12:00），两区雨量都处于减少趋势，作业影响区雨量一直高于对比区；作业结束后1 h，对比区降水趋于结束，作业影响区仍有降水维持。

图5 作业期间不同时刻雷达剖面图（a）08:18；（b）08:34；（c）08:44；（d）09:16Fig. 5 Section of radar reflectivity at 08:18, 08:34, 08:44, and 09:16 BT during the seeding time

图6 作业后，影响区与对比区雷达回波强度分布图Fig. 6 Distribution of radar reflectivity in the influence region and control region after seeding

4 结论

此次飞机增雨作业是在河套低压和高空槽影响下，作业影响区处于槽前的西南水汽输送带的天气背景条件下开展的。考虑吉林省的需水地区主要为中西部地区，根据天气形势分析，吉林省中部处于切变前部的西南气流中，对应一个西南水汽输送带，水汽输送条件比较好。根据模式预报的云微物理结构分析，云系覆盖吉林省中部地区，自西南向东北移动，云中有一定量过冷水主要分布在0～-20 ℃层（高度为1500～5500 m），随着云系的发展，过冷水含量逐步增大，有较好的作业潜力。根据云系条件分析，此次作业过程为较大范围的层状云，具有较厚的过冷层，适宜飞机播撒催化作业。云系进入吉林省的位置为四平、辽源地区；因此选取的适宜作业地区为吉林省中部的四平、辽源地区。

垂直作业层的高空风向，在作业影响区西北方选取相同面积且回波发展类似区域作为对比区。两区之间保留出20 km的区域作为隔离区域，保证催化不会影响到对比区。

通过对作业影响区和对比区雷达回波对比，发现作业过程中作业影响区云中大粒子逐渐增多且向下降落，作业影响区垂直累积液态水明显消耗。作业后，两区回波均处于减弱阶段，但作业影响区回波明显强于对比区，回波维持时间更长。

作业开始前，作业影响区降水量小于对比区；作业过程中，影响区降水呈增加趋势，对比区雨量呈减少趋势；作业结束后，对比区降水趋于结束，作业影响区仍有降水维持。此次催化作业影响了云中微物理过程，消耗云中过冷水，使地面降水增加，同时，增加了降水的维持时间，起到了正效果。

图7 影响区与对比区1 h降水量的站点数变化图（a）07时（作业前）；（b）09时（作业期间）；（c）10时（作业期间）；（d）12时（作业后）Fig. 7 Numbers of stations with different amounts of one-hour rainfall in the influence region and control region before seeding (07BT), during seeding (09BT, 10BT), and after seeding (12BT)