海南岛人工增雨作业潜力的评估研究

敖 杰，邢峰华，李光伟，毛志远

(海南省人工影响天气中心，海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203)

干旱是海南岛主要自然灾害之一，通过人工增雨作业来缓解旱情是一种有效的抗旱手段.在开展增雨作业前，该区域云水资源的增雨作业潜力的准确识别非常有必要，对作业指挥人员确定该区域的可播性、科学指导开展人工增雨作业非常重要，有利于提高人工增雨作业的针对性和催化效果.

冷云人工增雨作业主要是寻找适合开展作业的潜力区域所在位置.国内已有许多人工影响天气工作者在确定增雨作业潜力区方面开展了研究工作.在催化指标方面，以往的播云判据和指标大多建立在对云的微物理结构观测基础上，如周毓荃[1]和李照荣[2]等分别建立了基于微物理结构观测资料的播云判据和催化指标.为了解决增雨催化作业前没有微物理观测资料用于确定增雨作业潜力区的问题.王以琳[3]等提出了冷云人工催化的宏观判据，即根据可播区出现的时间确定作业开始时间，根据增雨潜力系数大小确定作业部位，用准饱和区确定的云顶高度和可播区消失的时间确定作业结束时间.连志鸾[4]等提出了层状云人工增雨宏观判据，即根据不同高度的冰面过饱和度和准饱和湿层顶部高度综合确定播撒高度，根据增雨潜力系数和等级确定作业时机.文献[1-4]使用各种单项分析诊断指标可以确定作业潜力区，但有一定的片面性和局限性.叶建元[5]等在各项分指标的基础上，提出了一种综合性判据，为指挥人员提供了操作性比较强的作业指标.李永振[6]等根据雷达资料和飞机观测资料并结合逐步判别法，计算出增雨作业潜力并显示在业务平台上.

中尺度数值模式模拟可以详细反映云体发展和降水过程，是研究云降水系统的重要手段之一，已经成为越来越多的从事云降水物理方面工作者的选择.中尺度数值模式具有较高的时空分辨率和较多的预报信息产品，利用模式产品得出综合指标来预报增雨潜力区分布并用于指挥增雨作业，比使用各种单项分析诊断指标确定作业潜力区的方法[1-4]更有优势.洪延超[7]等利用中尺度MM5数值模式模拟开展了层状云系人工增雨潜力的理论研究，并提出了定性综合判断云系人工增雨潜力的思路.翟菁[8]等用中尺度MM5模式产品并结合逐步判断法分析安徽省人工增雨作业潜力，并对增雨潜力分布进行了分级预报.陈小敏[9]等利用中尺度模式GRAPES，选取重庆地区一次降水个例进行数值模拟，研究了重庆地区降水天气过程的增雨潜力等特征.石爱丽[10]等利用常规天气、加密探空、地基微波辐射计及卫星资料，结合模式MMSV3对河南省层状云降水个例进行了人工增雨潜力分析，得到了一些初步结果.

笔者利用中国气象局人工影响天气中心GRAPES-CAMS模式产品结合探空资料，选取模式预报的微观、宏观物理量参数，使用逐步判断法对人工增雨潜力进行分级预报，从而对海南岛人工增雨潜力进行评估.

本文所用模式产品为中国气象局人工影响天气中心建立的GRAPES-CAMS模式的云降水物理场预报系统产品.该模式水平分辨率为25 km，无嵌套，预报范围为15 °N～60 °N，65 °E～140 °E，模式每日8和20时预报2次，预报时效48 h，每3 h输出1次预报产品.预报产品包括云宏观场、云微观场、垂直结构和降水场4大类共20种.选取模式预报产品区域范围主要包括海南岛及周边海域区域的格点预报数据，GRAPES-CAMS模式输出结果包括纬向风速、径向风速、温度、水汽比含水量、冰晶数浓度和积分云水含量等产品.

人工增雨潜力是一个复杂的科学问题，与云系的结构和降水形成物理过程有密切关系，与水汽含量、冰晶浓度和降水效率、云水厚度、过冷水含量等有关.利用GRAPES-CAMS模式产品，结合实时探空资料，计算出网格点的冰晶粒子数浓度等微观物理参量以及积分云水含量、温露温度差、散度差和K指数等宏观物理参量，再使用逐步判别法对人工增雨潜力进行分级预报(详见文献[11])，并利用B/S技术实现了增雨作业潜力分布评估产品实时在海南省人工影响天气业务指挥平台上发布显示.

1 模式检验

对于增雨潜力计算，GRAPES-CAMS模式产品预报准确性至关重要，笔者利用卫星监测资料对GRAPES-CAMS模式预报云系发展演变趋势、移向等宏观特征开展了定性检验.

2016年第3号台风“银河”于7月26日22时20分在海南岛万宁市东澳镇沿海登陆，先后穿过万宁、琼中、白沙、昌江和儋州等市县，7月27日早晨移入北部湾海面，于7月28日凌晨00时20分在越南南定省登陆.7月28日白天，“银河”登陆后强度进一步减弱，对海南省影响结束.

针对海南岛台风云系的不同发展阶段，选取3个时刻的预报产品与实况进行对比：台风登陆前(11时)、台风临近(17时)、台风登陆后(23时).针对云系的位置、覆盖范围、移动方向及移动速度、云系性质等，对比3个时刻的GRAPES-CAMS预报云带产品和卫星云黑体亮温(图1)，定性检验预报的云系宏观发展演变特征.

实况：26日11时，台风云系自东南向西北移至海南岛东南部沿海，移速约20 km·h-1；17时，随着云系西移，台风外围云系开始影响海南岛南部、中部，云系发展旺盛，区域持续扩大；23时，台风在海南岛万宁沿海地区登陆后，继续向西北移动，云系持续加强.

预报：26日11时，海南岛东南海面有大片云系，云系强回波区与实况相比，位置偏南，云系覆盖范围及移向与实况较为一致；17时，云系继续西移，主体在海南岛东部海面，较实况的云带位置偏东，外围云系主要覆盖海南岛南部、中部，覆盖范围偏小，云带移向与实况较为一致；23时，台风登陆后，外围云系开始影响海南岛东部，覆盖范围较实况偏小，移动速度偏慢.

检验：模式预报海南岛范围内云系的发展演变趋势、移向与实况相比，云系均自东向西方向移动，但预报云系的整体移动速度比实况慢，导致预报云系的位置比实况偏东，预报云系覆盖范围也较实况偏小.

综合分析，本次过程模式预报的台风云系发展演变特征与卫星实况比较接近，说明模式具有一定的模拟能力.

2 实例分析

2018年4月份，海南岛北部即海口、临高及澄迈等地出现阶段性气象干旱，不同程度上影响当地百姓正常生活、生产，急需结合有利天气形势开展人工增雨作业以缓解旱情.选取4月份2次降水天气过程，对人工增雨作业潜力预报的区域和等级准确性进行定性分析评估.

2.1 2018年4月26日过程根据天气形势分析(如图2所示)，海南岛2018年4月26日受弱冷空气和低层切变线影响，受此形势影响，五指山以南地区有小阵雨，局地中到大雨；五指山以北地区有中到大雨，局地暴雨，伴有雷雨大风和短时强降水等强对流天气.

图1 2016年7月26日不同时刻卫星反演的黑体亮温与GRAPES-CAMS预报的云带

图2 海南岛2018年4月26日14时流场图

图3 2018年4月26日海口站08时探空资料

图3为4月26日海口站08时探空资料，从图中可以看出低层以偏南风为主，水汽比较充足；对流不稳定能量较强，当时的CAPE为409.06 J·kg-1，SI指数-3.37，热力条件有利于对流性降水天气过程发生；0 ℃层、-10 ℃层、-20 ℃层、-40 ℃层高度分别在4.66、6.48、8.27、10.89 km.

a 云水比含水量 b 冰晶数浓度图4 2018年4月26日14时～17时海南岛云水比含水量及冰晶数浓度

从图4a可以看出，4月26日14时～17时云水比含量主要集中在海南岛北部(海口、文昌、临高一带)，其中海口地区云水比含水量相对较大，部分区域超过0.05 g·kg-1，达到0.06g·kg-1，说明云水比较丰富，有利于供应降雨过程中所需要的云水.从图4b可以看出，4月26日14时～17时海南岛冰晶数浓度主要集中在中部区域(儋州、白沙、琼中等地)，最大仅为3.89个·L-1，与冰水完全转化的最佳冰晶浓度100个·L-1相差较大，云中自然冰晶浓度不足，说明云中缺乏自然降水过程所需的冰晶即存在较大的人工增雨潜力.

a 垂直累积过冷水图 b 垂直剖面结构图图5 2018年4月26日14时～17时海南岛垂直累积过冷水及垂直剖面结构

从图5a可以看出，垂直累积过冷水含量主要集中在海南岛北部及西部区域，局地超过0.05 mm，达到0.07 mm，说明云中过冷水含量充足，有利于供应降雨过程中所需要的过冷水；从图5b来看，云微观粒子主要集中在109 °E～111 °E范围内-10 ℃层附近，即主要位于冷区，有利于人工播撒催化剂生成的冰晶等云微观粒子在此区域吸收过冷水增长.

a 全岛K指数分布图 b 全岛CAPE值分布图图6 2018年4月26日14时海南岛K指数分布及CAPE值分布

从图6a可知，全岛K指数普遍超过25，尤以西北部儋州地区最大，超过36，可知当天海南岛普遍存在较强大气不稳定能量，易发生强对流降水天气过程；从图6b可知，海南岛南部及东部沿海区域CAPE值较高，超过2 000，说明大气对流有效位能较高，发生强对流性天气可能性较大.

a 增雨潜力图 b 降水实况图图7 2018年4月26日14时～17时海南岛增雨潜力及降水实况

从图7a可以看出，4月26日14时～17时海南岛北部(海口、澄迈)地区及中部区域(白沙)增雨潜力较大，达到4级以上.综合分析天气形势、探空资料等宏微观过程及云水含量、冰晶数浓度等微物理参量，结合增雨潜力预报结果可知，海南岛北部(海口、澄迈)地区及中部区域(白沙)具备开展人工增雨作业的有利条件，适合开展人工增雨作业.根据上述分析结果及当天空域情况，省级指挥中心指挥海口市于4月26日15∶14和15∶16分别开展了1次火箭增雨作业；降水实况(图7b)显示，当天全岛均有不同程度降水，降水量大值区落在海南岛北部的海口、定安及澄迈，而当天预报的海南岛增雨潜力分布(图7a)显示有2个较大的增雨潜力区，分别位于海南岛北部(海口、澄迈及定安一带)和海南岛中西部(昌江、五指山一带),对比图7a和图7b可以发现，模式基本预报出了北部区域增雨条件较好，但是空报了海南岛中西部的增雨潜力区.因此，本次增雨潜力预报的范围与等级基本与海南岛北部的降水实况比较一致，为人工影响天气作业人员提供了较为准确的作业指导.

2.2 2018年4月27日过程根据天气形势分析(如图8所示)，海南岛2018年4月27日受弱冷空气和低层切变线影响，受此形势影响：五指山以南地区有小阵雨，局地中到大雨；五指山以北地区有中到大雨，局地暴雨，伴有雷雨大风和短时强降水等强对流天气.

图8 海南岛2018年4月27日925 hPa流场和850 hPa流场图

图9 2018年4月27日海口站8时探空资料

图9为4月27日海口站8时探空资料.从图中可以看出低层以偏西风为主，水汽比较充足，对流不稳定能量较强，当时的CAPE为1 062.75 J·kg-1，SI指数0.89，热力条件有利于对流性降水天气过程发生；0 ℃层、-10 ℃层、-20 ℃层、-40 ℃层高度分别在4.7、6.51、8.14、10.77 km.

a 云水比含水量 b 垂直累积液态水图10 2018年4月27日14时～17时海南岛云水比含水量及垂直累积液态水图

从图10a可以看出，4月27日14时～17时海南岛云水比含量主要集中在海南岛东北部(海口、文昌一带)及西北部(临高、澄迈一带)，其中东北部云水比含水量相对较大，部分区域超过0.2 g·kg-1，为0.25 g·kg-1，说明云水比较丰富，有利于供应降水过程中所需要的云水资源；从图10b可以看出，4月27日14时～17时海南岛垂直累积液态水主要集中在北部及东南部区域，局地超过1 mm，为1.03 mm，说明云中液态水比较丰富，有利于供应降水过程中所需要的云中液态水；

从图11a可以看出，海南岛垂直累积过冷水主要集中在北部海口、文昌一带，局地超过0.2 mm，为0.24 mm，说明云中过冷水含量充足，有利于供给降水过程中所需要的过冷水；从图11b来看，云微观粒子主要集中在108 °E～112 °E范围内-5 ℃层附近，即主要位于冷区，有利于人工播撒催化剂生成的冰晶等云微观粒子在此区域吸收过冷水增长.

a 垂直累积过冷水 b 垂直剖面结构图11 2018年4月27日14时～17时海南岛垂直累积过冷水及垂直剖面结构图

a 全岛K指数分布图 b 全岛K指数CAPE值分布图图12 2018年4月27日17时海南岛K指数分布及CAPE值分布图

从图12a结果来看，全岛K指数普遍超过26，尤以中部地区稍大，普遍超过34，可知当天海南岛普遍存在较强大气不稳定能量，易发生强对流降水天气过程；从图12b来看，海南岛西北部及东南部沿海区域CAPE值较高，局地超过1 400，说明大气对流有效位能较高，发生强对流性天气可能性较大.

a 增雨潜力图 b 降水实况图图13 2018年4月27日14时～17时海南岛增雨潜力及降水实况图

从图13a可以看到，4月27日14时～17时海南岛北半部地区增雨潜力较大，达到4级以上.

综合分析天气形势、探空资料等宏微观过程及云水含量、垂直累积液态水等微物理参量，结合增雨潜力预报结果可知，海南岛北半部地区具备开展人工增雨作业的有利条件，适合开展人工增雨作业.根据上述分析结果及当天空域情况，省级指挥中心指挥海口市于4月27日16∶47开展了1次火箭人工增雨作业，降水实况(图13b)显示，当天全岛均有不同程度降水，降水量大值区域集中在海南岛西北部(儋州、临高一带)，对比增雨潜力预报(图13a)，当天增雨潜力地区(海口、文昌一带)与实况相比位置偏东北，而实际降水较多的儋州、临高地区预测增雨潜力相对较小.

综上所述，本次增雨潜力预报基本模拟出了海南岛北部的降水形势，此外，虽然海南岛中部及南部区域也有不同程度降水，但是由于降水量小，增雨潜力并不大，实况降水也很好的印证了这一点.

3 小 结

1) 利用中国气象局人工影响天气中心GRAPES-CAMS模式预报产品结合当天的探空资料，使用逐步判断法对人工增雨潜力进行分级预报，评估出海南岛人工增雨作业潜力分布，并将评估结果实时显示在海南省人工影响天气业务指挥平台上.

2) 通过2个实例分析表明，该方法可以较为准确地评估海南岛人工增雨潜力，从而帮助作业指挥人员确定该区域的可播性，科学指导市县开展人工增雨作业，提高人工增雨作业的针对性.