广西人工增雨天气形势及水汽分析

詹莹玉，程 鹏，黄晓辉，韦增岸，李林红

(广西壮族自治区人工影响天气办公室，广西 南宁 530022)

0 引言

广西属中南亚热带季风气候区，每年10月份副热带高压南撤至次年5月份季风爆发前，各地均会出现不同程度的干旱[1]，干旱阻碍农作物生长，造成农业损失，减少经济收入，利用飞机增雨作业能有效增加降水量，利于水库蓄水、农耕播种等。自1959年以来，广西飞机人工增雨作业在缓解干旱、保障农业发展方面发挥了巨大的作用。在进行飞机人工增雨作业时，为保障安全，需避开强对流天气发生区域，但人工增雨又必须有合适的云水条件才能达到明显的效果。过去，气象工作者们[2-7]针对暴雨、冰雹、台风等灾害性天气进行了深入的研究，而对于有利于飞机增雨作业的天气形势分析较少。黄海洪等[1]分析了西风带暴雨、热带系统暴雨环流特征，将24 h内广西境内各市县气象观测站中有≥20个站日降雨量≥50 mm,定义为全区性暴雨天气过程。杨敏等[8]对2004—2013年人工增雨作业期共78例降水过程进行分析，将中部区域春秋季降水过程分为低槽/切变线冷锋型、低涡(西南涡/西北涡)气旋型、低槽/切变线冷高压型，并分析了各类天气形势下的水汽分布特征、降雨的移动特征等。王琎等[9]利用甘肃省1991—2002年飞机人工增雨作业资料，对秋季飞机增雨作业情况进行统计分析，建立了天气系统自动化“判别”模型，指出飞机人工增雨作业的主要天气类型为西南气流型和平直多波动型。韦增岸等[10]利用广西2009—2015年11—12月地面、高空气象观测资料及飞机增雨作业宏观记录资料进行统计分析，对增雨作业天气系统进行分型，将影响系统分为冷空气型、高空槽型、华南静止锋型、低层南风急流型、台风型，但未对整个飞机增雨作业期(每年10—12月及次年1—5月)的人工影响天气形势及水汽来源情况进行详细分析。广西位于青藏高原以东地区，飞机增雨作业期水汽输送受青藏高原南支西风带影响较大，李文韬等[11]利用2001—2016年MODIS、ERA-Interim再分析资料对青藏高原云水气候特征进行分析，表明高原的动力、热力作用对云水路径的分布有影响。周艳等[12]对黔东南一次罕见冬季暴雨天气过程的水汽分析表明低空急流带动充沛水汽在暴雨区辐合及低层辐合高层辐散的抽吸效应为暴雨的形成提供了有利条件。本文将2006—2015年飞机增雨作业期有利于开展飞机增雨作业的天气形势、水汽来源、典型个例及其垂直累积云液态水含量分布情况进行分析，为今后进一步研究广西云水资源分布奠定基础。

1 资料和方法

本文将2006—2015年广西飞机增雨作业期(1—5月、10—12月)，24 h内≥20个国家气象观测站出现0.1～24.9 mm降雨量时，定义为一次明显的小到中雨天气过程；由于连续2 d的影响系统不一定相同，为了获得准确的结果，在出现≥2 d小到中雨天气时，不将连续几天出现的小到中雨天气过程归类为同一次天气过程。利用欧洲中心ERA Interim高空、地面再分析资料对每一次小到中雨天气过程、水汽来源进行统计，并对典型个例的环流形式及垂直累积云液态水含量分布情况进行分析，为今后进行广西云水资源区划研究奠定基础。

2 影响形势及水汽分析

对全国综合气象信息共享平台(CIMISS)数据库资料进行统计分析，2006—2015年广西飞机增雨作业期，全区共有288次明显的小到中雨天气过程，利用欧洲中心ERA Interim再分析资料对这些过程进行分析，将主要影响天气类型分为高压后部回流、切变线、南支槽、西南涡东移、台风、西南季风影响型。

2.1 大气环流形势

当地面冷高压东移入海，广西处在高压后部或其西南部，而近地面、低空为西南风或南风影响时，高压后部回流将南部丰富的水汽输入广西，为降雨提供丰富的水汽条件，本文将此类形势下出现的降雨天气过程归类为高压后部回流型；当700 hPa或850 hPa广西区域出现切变线影响产生降水时，归为切变线型；当500 hPa或700 hPa有南支槽影响出现降雨，且低空无切变线、地面不处于出海高压后部影响时，归为南支槽型；当700 hPa或850 hPa出现西南涡自西向东移到华东地区或继续东移影响广西产生降水时，归为西南涡东移型；当台风影响广西并产生明显降雨时，归为台风影响型；当越赤道气流从南半球进入北半球转向成西南气流，与东北信风辐合影响广西产生降雨时，归为西南季风影响型。

将288次明显小到中雨天气过程进行分类统计(表1)，高后回流影响型占41%，切变线影响型占36.5%，南支槽影响型占15.3%，西南涡东移影响型占5.5%，台风影响型占1%，西南季风影响型占0.7%，其中前3种影响型占92.8%。由于西南涡东移、台风影响、西南季风影响型出现的次数太少(西南涡东移16次，台风3次，季风2次)，本文着重分析前3种天气类型。1月以及10—12月份切变线影响占的次数最多；2—5月份高后回流影响占的次数最多。1—4月出现小到中雨天气过程204次，占70%，其中2—4月共161次，该时段是广西春播春种的关键时期，农作物需水量大，需要增加人工增雨作业次数。

表1 广西飞机增雨作业期各月有利于开展作业的天气形势分类统计(单位：d)Tab.1 Statistics of effective weather situation type in Guangxi Artificial precipitation enhancement period (unit:d)

2.2 低空急流和水汽来源分析

维持降雨的水汽主要来源于低层，在飞机增雨作业期，广西低层的主要水汽源地为东海、南海、孟加拉湾，当地面受冷高压南部控制时，广西近地面为东北或东北偏东气流控制，水汽从东海向广西输送；广西处在热带气旋东部、出海高压后部或南海反气旋西部时，广西低层为东南或偏南气流控制，水汽由南海输送；当西南涡东移、孟加拉湾风暴发展、南支槽东移或季风槽影响时，广西受西南风或偏西气流控制，水汽来源于孟加拉湾。2006—2015年广西低层的水汽输送源地统计结果如表2所示，925 hPa的水汽输送源地为东海、南海，分别占49.7%和45.8%；850 hPa水汽来源为南海、孟加拉湾，分别占35.8%和45.1%；700 hPa水汽来源为孟加拉湾，占94.4%。这是由于广西处在青藏高原以东、低纬沿海地区，925 hPa受地面冷高压的影响较大，冷高压由北至南移动的过程中，水汽从冷高压底部(高压中心位于陆地)或高压后部输入广西(高压中心东移入海)；850 hPa处于接近边界层上部，同时受地面和高空系统的影响，当地面冷高压较强时，广西低层水汽来源主要受冷高压活动的影响，来源于东海或南海；当南支槽或西南季风较强时，主要受高空西风系统的影响，水汽主要来自孟加拉湾；700 hPa主要受中高空西风带系统的影响，水汽主要来源于孟加拉湾；当热带气旋发展较强盛时，各层的水汽来源与热带气旋的移动路径密切相关。

表2 广西飞机增雨作业期低空水汽来源统计(单位：d)Tab.2 Statistics of Water Vapor Sources at Low layers in Guangxi Artificial Precipitation Enhancement Period (unit:d)

当925 hPa出现风速≥12 m/s的风速带时，称为超低空急流影响；当850～700 hPa出现风速≥12 m/s的风速带时，称为低空急流影响。低空急流是水汽和能量的集中带，源源不断地为降雨区提供水汽和能量，广西汛期强降雨天气过程常伴有低空急流。288次过程中，925 hPa出现超低空急流的次数为1次，850 hPa出现24次，700 hPa出现175次，925～850 hPa出现超低空、低空急流的次数不多，低层水汽、能量向降雨区的输送的强度较小，无对流性强降雨天气过程，适宜开展人工增雨作业。

3 典型个例分析

3.1 高压后部回流型

2015年3月11—12日，500 hPa高原小波动东移，700 hPa高原槽、南支槽在青藏高原东部同位相叠加并逐渐东移，地面冷高压自北向南移动，广西为冷高压控制。13日08时，500 hPa为高原槽槽后西北气流影响，700 hPa处于南支槽前，24 h内，南支槽继续东移，槽线自西向东移出广西，850 hPa为西南气流控制，地面处于出海高压后部(图1)。850～700 hPa出现西南低空急流，水汽来源于孟加拉湾，925 hPa为偏南气流，水汽来源于南海，近地面层水汽自海面向内陆输送，水汽条件充足，广西大部出现小到中雨天气。

图1 2015年3月13日08时欧洲中心1°×1°海平面气压场(单位：hPa)Fig.1 Sea-level Pressure of ERA Interim Reanalysis Data，Resolution of 1°× 1°，at 08∶00 on March 13, 2015(unit:hPa)

欧洲中心0.25×0.25°网格垂直累积云液态水资料显示，2015年3月13日08时，广西中部、南部沿海垂直累积云液态水含水量≥0.05 kg/m2,局部≥1.25 kg/m2(图2)，即广西中部、南部以层积混合云为主，水汽条件充足，具备一定的飞机增雨作业条件。

图2 2015年3月13日08时欧洲中心0.25°×0.25°垂直累积云液态水含量分布图(单位：kg/m2)Fig.2 Vertical Integral of liquid Water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on March 13, 2015(unit:kg/m2)

3.2 切变线影响型

2014年4月1—2日700～500 hPa贝加尔湖横槽转竖，引导850 hPa切变线和地面冷锋南下。3日08时，贝加尔湖槽移至我国东部，500 hPa槽底移至长江口，700 hPa南支小波动东移，广西境内出现风速≥12 m/s的西南低空急流，850 hPa切变线移至广西中部(图3)，925 hPa切变线移至沿海，地面为冷高压控制，广西北部、中部海平面气压≥1 015 hPa，中低层扰动抬升条件充足，广西大部为小到中雨天气。

图3 2014年4月3日08时欧洲中心1°×1°850 hPa环流形势图(单位：hPa)Fig.3 850 hPa Atmospheric Circulation of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 1°× 1°, at 08∶00 on April 3, 2014(unit:hPa)

4月3日08时，广西南部(切变线南侧)出现片状垂直累积云液态水含量≥0.05 kg/m2区域，局部垂直累积云液态水含量≥1.25 kg/m2(图4)，云水含量充足，有利于开展飞机增雨作业。

图4 2014年4月3日08时欧洲中心0.25°×0.25°垂直累积云液态水含量分布图(单位：kg/m2)Fig.4 Vertical Integral of Liquid water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on April 3, 2014 (unit:kg/m2)

3.3 南支槽影响型

2013年2月2—3日，700～500 hPa南支槽东移，槽底伸至孟加拉湾北部，广西处于南支槽前，中层受强盛的西南气流影响，水汽来源于孟加拉湾。850 hPa切变线在广西沿海一带摆动，地面冷高压东移出海。4日08时，南支槽与北支槽同位叠加东移(图5)，24 h内自东向西移出广西，925～850 hPa为东北气流控制，水汽来源于东海，地面弱冷空气补充南下，开始影响广西北部，广西大部出现小雨天气。

图5 2013年2月4日08时欧洲中心1°×1°500 hPa形势场(单位：hPa)Fig.5 500 hPa Atmospheric Circulation of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 1°× 1°, at 08∶00 on February 4, 2013(unit:hPa)

2月4日08时，广西东南部出现垂直累积云液态水含量≥0.05 kg/m2片状区域，桂东局部出现带状垂直累积云液态水含量大值区(图6)，云水充足，有利于飞机增雨作业的开展。

图6 2013年2月4日08时欧洲中心0.25°×0.25°垂直累积云液态水含量分布图(单位：kg/m2)Fig.6 Vertical integral of Liquid Water Distribution of ERA Interim Reanalysis Data, Resolution of 0.25°× 0.25°,at 08∶00 on February 4, 2013 (unit:kg/m2)

4 结论

本研究表明：

①广西飞机增雨作业期各降水系统不是绝对独立的，当地面处在高压后部时，24 h内有可能存在高纬度高空槽引导低空切变线及地面冷空气南下影响广西北部；当地面为高压后部影响时，南支槽有可能东移影响广西西部，本文以降雨过程发生时，造成广西降水的主要影响系统来分型，分为高压后部回流、切变线、南支槽、西南涡东移、台风、季风槽型，对飞机增雨作业期出现的288次小到中雨天气过程进行分析统计，发现前3种类型占绝大多数，达92.8%，秋、冬、春季广西受西南涡东移、台风、季风槽影响较少，因此后3种类型出现的次数较少。

②广西处在亚热带沿海地区，水汽条件较充足，飞机增雨作业期低层主要水汽来源为孟加拉湾、南海、东海，由于各层受到的影响系统不同，其水汽来源差别较大。925 hPa受地面系统影响较大，水汽主要来源于东海、南海，850 hPa接近边界层顶，同时受地面和高空系统的影响，水汽主要来源于南海、孟加拉湾，700 hPa主要受高空西风带系统影响，水汽主要来源于孟加拉湾。

③广西飞机增雨作业期288次小到中雨天气过程中，925 hPa超低空急流、850 hPa低空急流发生的次数较少，水汽和能量输送条件比夏季弱、少，无对流性强降雨天气过程，有利于开展飞机增雨作业。

④对有利于开展飞机增雨作业的典型个例进行分析发现，广西境内出现大片垂直累积云液态水含量≥0.05 kg/m2区域，局部出现带状垂直累积云液态水含量大值区域，这可能与云层的宏、微物理特征有关，需要今后进一步研究论证。