冷涡前部飞机人工增雨作业条件数值模拟研究

张 微，李德泉，刘星光，马廷淮

（1.黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江 哈尔滨150030；2.中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京100081；3.南京信息工程大学，江苏 南京210044）

冷涡作为中、高纬度地区的冷性闭合低压环流系统，是影响我国北方降水的主要天气系统之一。陶诗言等[1]指出东北低压或冷涡型是我国暴雨特点之一，常常造成东北地区、华北北部暴雨或雷阵雨。前人对冷涡研究发现：冷涡全年各月均可发生，但在夏季最容易发生[2-3]，空间分布的密集区主要位于大兴安岭背风坡东北平原的北端和三江平原（黑龙江、松花江和乌苏里江）的低洼地上空，其发展演变与地形有关[4]。

冷涡在东北地区的频发性、持续性决定了它对东北天气气候的重要性。因此，近年来国内气象工作者对东北冷涡天气过程的观测和分析研究一直没有间断过[5-12]，从不同的侧面对东北冷涡的识别、发生及发展进行了探讨。但是，在东北冷涡的人工增雨方面目前国内研究相对还较少。研究发现，东北冷涡是影响黑龙江省降水的主要天气系统之一，其云系内还有丰富的云水资源，是解除春秋季干旱的主要降水系统。对近些年黑龙江省飞机增雨作业进行统计发现，涡旋云系为增雨作业主要云系，其次为低槽云系。

飞机人工增雨作为开发空中云水资源的一种有效手段，在抗旱、森林防火灭火、增加水库蓄水、改善和保护生态环境方面发挥着重要作用。但飞机增雨作业具有多种局限性，因此作业天气条件、作业时段和作业区域的选择就显得尤为重要[13]。本文利用中尺度数值模式结合观测资料对2015 年6 月6 日大兴安岭林区的飞机增雨作业条件进行研究，从天气条件、云的宏微观条件不同尺度进行了分析，对深入认识冷涡背景下的云系降水和人工增雨作业等方面提供一定的参考依据。

1 资料及模拟方案介绍

本文所用观测资料有：Micaps 高空、地面资料；FY-2E 卫星观测资料及其反演产品；L 波段探空资料；加格达奇站多普勒雷达（CC-型号）观测资料；飞机上宏观观测记录等。模式的初始场采用2015 年6月5—7 日的NCEP 再分析资料（FNL from GFS），空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为6 h。

本文使用WRF-ARW（V3.6）进行实例模拟。模式采用两层双向嵌套方案（图1），分辨率分别为18 km、6 km，内层网格中心位于大兴安岭地区（125.3°E，51.2°N），垂直方向采用σ 坐标，共27 层。对于可分辨尺度降水，云微物理过程均采用Morrison 双参数方案，该方案[14-15]考虑了云水、雨水、冰晶、霰（雹）、雪5 种水物质，以及多种液态、固态和混合态过程，是WRF 模式中较为复杂的云微物理过程方案，可以很好地反映云、雨过程。对于不可分辨尺度降水，粗网格采用Grell-Devenyi 积云对流参数化集合方案。模拟时段为2015 年6 月5 日08时—7 日08 时（BST），共48 h。

图1 模拟区域设置（东北区域）

2 天气背景

2.1 天气形势对比分析

2015 年5 日20 时—6 日08 时，贝加尔湖低涡东移至蒙古国与内蒙古东部交界处，黑龙江西部处于低涡前部偏南气流中，水汽条件较好，随着低涡的东移，全省自西向东产生一次降水过程。

图2 为6 月5 日20 时实测与模拟的500 hPa高空图。对比分析发现，模拟的低涡中心位于蒙古国与内蒙古东部交界处，低涡中心数值与实测数值也一致。分析温度场发现，模拟的温度曲线分布、数值与实测结果基本一致，模拟分辨率更高。模拟的风速、风向与实测风速、风向基本一致，模式模拟风场更连续。综合考虑，模式对于气压（位势高度）、温度及风速风向的模拟效果较好。

2.2 水汽场分析

图3 为模拟的6 日08—18 时水汽通量变化情况，在图中已用星号标出关注区域（大兴安岭林区）。通过分析水汽通量变化情况可知，大兴安岭地区水汽来源有两个，一个是来自于南部源源不断输送的水汽，一个源于冷涡系统本身所带来的水汽，其中南部水汽输送是此次降水过程主要水汽来源。可以看到6 日08—18 时关注区域水汽通量数值较大，水汽条件良好。

3 云条件分析

3.1 云系宏观特征

由6 日08—16 时卫星云图可知，08 时涡旋云系已经移入黑龙江省，云系分布在黑龙江省偏西部地区，云层较厚，移动速度较慢，约为30 km/h，云系整体向东北向移动，位于大兴安岭地区上空云层分布较厚且均匀，以层状云为主。13 时随着系统的移近，其西南部有干冷空气进入，系统进入成熟阶段，云带厚度开始减弱，分布相对零散，局部云顶较高，此时以混合云为主。

图2 2015 年6 月5 日20 时实测（a）与模拟（b）的500 hPa 高空形势

结合卫星反演云特征参量可知，6 日08—12时，大兴安岭地区上云带主体云顶较高，云顶高度在8～10 km，云顶温度在-30～-20 ℃，云层较厚，光学厚度为32～40，过冷层厚度为5～8 km。13—16 时云顶高度有所下降，主体云带云顶高度为7～9 km，云顶温度在-25～-15 ℃，云层稍变薄，光学厚度为20～28，过冷层厚度在4～5 km。分析云系水平分布特征，发现08—16 时云宏观条件较好，适合飞机增雨作业，且08—12 时云条件优于13—16 时。

图4 为FY-2E 卫星反演6 日11 时光学厚度与模拟的云带，云带为总水成物在垂直方向上累积，在一定程度上可以反映云的密实程度，与光学厚度有一定的相关性。对比两者发现：模拟云带的形状、位置与实测基本一致，云带大值区与光学厚度高值区对应也较好。对比多个时次实测与模拟结果发现模式对于云带的移动、发展模拟效果较好，可以较好地反映此次涡旋云系的发展演变过程。

利用探空数据分析云结构的方法[16-18]，分析云系垂直结构特征。可以看到云系整体云顶较高，云顶高度在9～10 km，与卫星反演云顶高度较为一致（图5）。同时可以看到云系存在夹层，为两层或三层云，低云云顶高度在4～6 km，云底在2～3 km。0 ℃特征层在2 400～2 800 m，-10 ℃特征层在4 200～4 500 m，为作业高度选取提供一定依据。

3.2 云系微物理特征

云中过冷水含量是人工增雨催化作业关键的微物理量，对影响冷云，催化剂应该播撒到含水量丰富的过冷区[19]。通过模式计算输出云中过冷水的水平分布情况（图6），过冷水呈涡旋带状分布于黑龙江省西部地区，6 日08 时云带已经移入大兴安岭林区，且过冷水随着云带移动向东北方向移动，在08—22 时分布于大兴安岭地区，覆盖范围较广，且含水量值较大，为0.001～0.5 g/m2，关注区最大值达到0.5 g/m2以上，过冷水含量丰沛，具备较好的增雨作业潜力。

图3 模拟2015 年6 月6 日08—18 时850 hPa 水汽通量变化（单位：g/（s·hPa·cm））

图4 2015 年6 月6 日11 时FY-2E 反演光学厚度（a，无量纲）与模拟云带（b，单位：g/m2）

图5 2015 年6 月6 日08 时嫩江、哈尔滨、伊春站探空图

图6 2015 年6 月6 日08—22 时垂直累计过冷水分布（单位：g/m2）

沿着云带分布方向进行垂直剖面分析，研究云系微物理特征。冰晶粒子主要分布在-10 ℃层以上，比含量在0.01～0.1g/kg。雪粒子的分布较广，分布在800～200 hPa，比含量在0.01～0.1 g/kg。霰粒子的分布较少，在800～500 hPa。云水主要分布于900～600 hPa，且水平分布也是不均匀的，云水含量存在多个高值中心。雨水的分布主要集中在低层，含量相对较少，分布范围较集中。综合各微物理的分布可知，在高层主要是冰晶、雪粒子，中层为霰、雪，低层为云水、雨水。各微物理量的分布是不均匀的，尤其是云水的分布在水平方向和垂直方向上分布都是不均匀的，因此对于作业部位的选取至关重要。

3.3 云系降水机制讨论

图7 为沿着云带移动方向各微物理量的分布，可以看到沿着云带移动方向关注区内云水分布是较丰富的，含量在0.01～0.7 g/kg，大值区（>0.1 g/kg）的范围也较大，过冷云水主要分布在2 900～4 000 m高度，尤其是关注区（大兴安岭林区）过冷云水的分布较丰沛。图7b 为相应垂直速度分布，13 时云中以上升气流为主，但速度值不大，为0～0.5m/s，且在上升气流周围存在着下沉气流，但云内垂直运动总体较平缓。综合云中各微物理量（图7c、7d）分布可知，沿着云带移动方向，霰、雪和比含量很大，并与低层的雨水分布相对应，而云水比含量并不大，尤其是在霰、雪和比含量的大值区对应的区域，存在较典型的冷云降水机制。

4 人工增雨作业条件研究

6 月6 日白天为这次冷涡系统的发展期及成熟期，大兴安岭林区位于低涡前部，处于偏南气流中，水汽条件良好，具备很好的作业天气条件。分析云系宏微观特征（表1）可知，云系的宏观、微观特征参数符合黑龙江省层状云作业云条件指标，具备很好的作业云条件，适合飞机人工增雨作业，可以进行多架次飞行。

图7 模拟2015 年6 月6 日13 时沿剖线CD 位置各物理量垂直分布

表1 2015 年6 月6 日云系宏微观特征分析

5 作业概况及合理性分析

5.1 飞机作业情况

6 月6 日在大兴安岭林区进行了2 架次飞机增雨作业，作业飞机机型为Y-12，具体飞行作业情况见表2。08：30—11：10，增雨飞机对大兴安岭西南部林区开展了增雨作业，飞机选择水平耕云式穿飞，轨迹如图8a，机上宏观记录表明：作业云系为层状云，云体发展深厚，水汽含量充足，云内飞行较平稳，机体有积冰，表面过冷水含量较充沛，作业消耗纯AgI共468 g。13：30—15：30，增雨飞机再次对大兴安岭西南部林区进行了增雨作业，飞机选择水平耕云式穿飞，轨迹如图8b，机上宏观记录表明：作业云系发展为混合云，云层较厚，水汽条件较好，机身有少量的结冰，在作业过程中飞机有颠簸，作业消耗纯AgI共468 g。

5.2 作业合理性分析

此次飞机增雨作业集中在6 月6 日白天，选择在冷涡前部，水汽条件充沛，且冷涡处在发展及成熟期，具备良好的作业天气条件，作业时机选择是合理的。08—16 时涡旋云系自西向东缓慢移动，云系前部经过大兴安岭林区，其中上午为层状云系，下午发展为混合云系，但云层均较为深厚，同时云过冷层较厚。结合模式输出的云中过冷云水的分布可知，大兴安岭作业林区过冷云水含量是较丰富的，且主要分布在700～600 hPa，与飞机上宏观观测较为一致。作业高度为3 500～3 800 m，此高度层过冷云水分布较丰沛的。根据测量结果，AgI 成冰阈温大致为：接触冻结为-5～-3 ℃，吸附成核为-9～-8 ℃，浸润冻结为-16～-13 ℃[19]。我国研制的AgI 焰剂较高温度下成核率高，可在-6 ℃以下的水面饱和条件下使用[20]。催化层温度为-8～-6 ℃，且过冷云水含量丰富，有利于催化剂的成核，作业部位选择是合理的。

表2 2015 年6 月6 日两架次飞行作业情况

图8 2015 年6 月6 日第1（a）、2（b）架次飞机飞行轨迹

作业云系降水机制为冷云降水，选择的催化剂为碘化银焰弹、19 管焰弹，催化剂的选择也是合理的。综合考虑，此次过程作业时机、作业部位（作业高度、位置）及作业催化剂的选择均是较合理的，是一次比较典型的冷云飞机增雨作业。

6 结论

（1）此次冷涡过程模式模拟的效果较好，对于实况的模拟在时间上没有滞后，落区也比较准确，具有一定的参考意义。

（2）受贝加尔湖以东低涡东移影响，6 日08 时低涡中心位于蒙古国与内蒙古东部交界处，黑龙江省西部处于低涡前部偏南气流中，水汽条件较好，具备较好的作业天气条件。

（3）6 日白天涡旋云系前部分布于黑龙江省西部地区，且向东北方向缓慢移动，云层较厚，云顶温度在-30～-15 ℃，过冷层厚度较厚，云中过冷云水分布较丰沛，具备良好的增雨作业云条件。

（4）此次过程作业时机、作业部位（作业高度、位置）及作业催化剂的选择均是较合理的，是一次比较典型的冷云飞机增雨作业。综合实况与模拟结果提炼验证飞机增雨作业云条件指标，对于冷涡型飞机人工增雨具有一定的参考意义。