阜新地区一次人工增雨作业过程分析

孙宝利 孙可 杨晓彤 张旭

摘要 利用地面、高空常规气象资料和CPAS平台提供的卫星反演产品，雷达数据产品，探空数据产品，降水量等气象资料，结合GRAPES、EC等数值模式和云模式预报产品，从作业需求、天气形势、云系结构、增雨潜力分析、作业方案设计、作业实施跟踪指挥、作业效果评估等方面，总结与分析了阜新地区2019年5月26日降水天气过程人工增雨作业。结果表明，CPAS平台提供的各种功能及业务产品为市、县级人工增雨作业科学规范和有效的实施提供了技术支持。

关键词 人工增雨;CPAS平台;雷达产品;云模式产品;阜新地区

中图分类号：P481 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）05–0088–05

东北区域人工影响天气（以下简称人影）工程项目建设的完成，大大提升了东北区域飞机作业、作业指挥、效果检验等技术能力，在增加水资源、保障粮食安全、抗旱减灾和改善生态环境等方面发挥了不可替代的作用[1-3]。其中东北区域人工影响天气作业指挥系统综合处理分析平台（CPAS-NE 1.0市县版，以下简称CPAS平台），是基于云物理精细分析开发建设的人影业务系统核心技术平台，为市、县级人影作业单位开展云降水精细化分析、人影作业方案设计、人影作业实时跟踪指挥和作业效果评估检验提供了技术支持。阜新位于辽宁西北部浅山丘陵区，是国家重要商品粮生产基地和畜牧业养殖基地，水资源天然匮乏，干旱频发，地表水资源总量主要来源于大气自然降水[4]。科学、有效地开发空中云水资源，实施人工增雨是缓解阜新地区干旱的主要手段之一。

2019年5月26日06：00～27日06：00，受高空槽和低层切变的影响，阜新地区出现区域性暴雨天气，缓解了前期持续干旱的状态。在降水的过程中，阜新市、县人工影响天气办公室（以下简称人影办）组织开展了飞机、火箭人工增雨作业，取得了较好效果。利用地面、高空常规气象资料和CPAS平台提供的雷达数据产品、卫星云图和卫星反演产品、探空数据产品、降水量等气象资料，结合GRAPES、EC、CPEFS数值模式和云模式等预报产品，参考辽宁省人影办研发的人影作业指导产品，按照人影五段业务流程和人影作业三适当技术要求，从作业需求、天气形势、云系结构、增雨潜力分析、作业方案设计、作业实施跟踪指挥、作业效果评估等方面总结和分析了此次降水过程中人工增雨作业及CPAS平台在增雨作业中的应用情况，旨在为今后科学、有效地实施人工增雨作业提供参考。

1 作业需求分析

2019年5月8日全市土壤墒情（即土壤重量含水率）观测、计算结果分析表明，10～20 cm耕作层平均土壤墒情为6.3%（图1），全市83.6%的乡镇为重旱（土壤墒情<8%），其余16.4%的乡镇也都达到中旱（土壤墒情在8%～10%之間）程度。虽然5月12日、19日出现了两次降水天气，使部分乡镇干旱得到缓解，但是由于雨量不大，随着气温持续攀升、蒸发速度加快，土壤失墒严重，全市旱情卷土重来，导致春播无法进行，亟需全力开展人工增雨作业，助力农耕生产。

2 人工增雨过程分析

2.1 作业过程预报及制订作业计划

中央气象台降水预报（图2）等综合数值预报模式产品分析结果，2019年5月26日白天到夜间，阜新地区将有一次明显的降水天气过程，降水时间为5月26日08：00～27日08：00，过程雨量50～100 mm，主要降水时段为26日11：00～23：00。从作业需求、天气形势、大气层结稳定条件、降水过程时间、作业性质、作业时间等方面着手，制订、发布作业过程预报和作业计划，通知有关单位和人员做好增雨作业准备。

2.2 作业条件潜力分析及制定作业预案

2.2.1 作业条件分析 分析5月25日欧洲中心数值预报模式相对湿度、垂直速度、水平风场剖面（图3）表明，26日08：00～27日02：00，水汽高值区从地面至200 hPa分布在阜新地区上空，表明水汽含量充沛、影响深厚;配合上下层湿区，925～500 hPa均有明显风切变，偏南风速925 hPa为22 m/s，500 hPa达到38 m/s，表明存在较强的中低空急流，西南水汽通道畅通;从近地面到200 hPa存在垂直速度负值区，最大负值中心-36×10-2 Pa/s，出现在850～700 hPa间偏向700 hpa一侧，表明中低空有强烈的上升运动将底层丰沛的水汽不断地向高层输送;850、700 hPa上，始终维持着自南海-江苏沿海-山东东部及沿海-渤海湾西侧-吉林中部较强的水汽通道，将南海暖湿气流源源不断向阜新地区输送与补充，使降水能够维持较长时间。

雷达回波可以反映空中水汽、水滴、冰晶等水成物分布情况，空中水成物含量越多，对雷达电磁波的反射率越大，说明回波越强（dBz值越大）[5]。分析5月25日GRAPES_MESO雷达组合反射率预报产品表明，26日08：00～27日02：00阜新上空始终维持在30 dBz以上的较强回波（图3），表明此次降水过程水汽含量始终较为充沛。

云带分布特征。分析CPEFS_MESO预报产品可知，5月26日08：00～27日08：00，带状降水云系自西南向东北逐渐影响阜新地区，影响时间较长。27日08：00后，云系逐渐移出阜新，降水结束，典型时刻云带、过冷水分布（图4）。

云垂直结构分析。人工增雨潜力是判断是否作业的最重要的科学依据，通过分析云体垂直结构来判断空中0℃等温度指示层所在高度和水汽、过冷水、冰晶含量及所处位置，从而确定增雨潜力的强度和部位[6]。分析CPEFS_MESO云体垂直结构预报产品表明，5月26日08：00～27日02：00，覆盖阜新地区的降水云系具有冷暖混合结构。过冷水主要位于0℃～-20℃层，最大含量可达2 g/kg，冰晶数浓度大部分区域小于50个/L，0℃层、-7℃层和-15℃层高度分别位于4 000 m、5 000 m和6 300 m，典型云系垂直结构（图5）。综合分析判定，此次降水过程具有较强的人工增雨作业潜力，并制定人工增雨潜力分布预报。另外，26日白天850 hPa与500 hPa温差预报小于26℃（T850-500≥26℃为阜新产生冰雹指标）表明，大气上下层结相对稳定，适合飞机增雨作业。

2.2.2 作业预案制定 针对此次降水天气过程，阜新市人影办于5月25日11：00制作、发布《阜新地区人工影响天气作业潜势预报和作业预案》，内容包括云系特征预报、云垂直结构和作业条件分析预报、增雨潜力强度和分布预报及作业预案等。作业预案提出了作业工具、作业弹药类型、作业时段、作业区域、作业部位、催化剂用量等具体增雨作业的建议。

2.3 作业条件监测预警与设计作业方案

2.3.1 云模式产品分析 云模式预报产品分析结果表明，26日08：00～18：00降水云系自西南向东北方向移动，移动速度约为58 km/h，云顶高度为5～11 km，云顶温度为-15℃～-50℃，光学厚度为24～52 km，过冷层厚度为2～8 km，适宜飞机、火箭增雨作业。

2.3.2 卫星、探空产品分析 探空垂直剖面产品分析表明，此次天气过程为层状云降水，具有冷暖云混合结构，云垂直发展强盛、密实，大气上下云层相对湿度较大，云顶高度均在9 km以上，0℃层、-5℃层、-7℃和-10℃层分别位于3 655、4 707、5 445、7 145 m高度。850 hPa至200 hPa层间以西南风为主，底层风速为18 m/s（约65 km/h）），提供了较好的增雨作业条件。

2.3.3 雷达资料分析 雷达产品是人工增雨作业临近指挥的重要手段之一。可选择强度在25 dBz以上、顶高在8 km 以上的对流回波，或强度在15 dBz以上、顶高在4～8 km的层状云（积层混合云）降雨回波为准作业对象[7]。雷达预报外推产品分析显示，26日07：00降水回波从北票市进入阜新西北部，強度在15～30 dbz之间，随系统自西南偏西向东北偏东方向移动，强度逐渐增强，影响范围逐渐扩大，但多为分散的块头比达的片状回波，主要分布在阜新西部、西北部一带。随着系统东移加强，13：00分散的回波不断合并加强，较强回波（30～40 dBz）面积不断扩大，表明云中水成物含量明显增多，云层发展增厚，具有较好增雨潜力。16：00～18：00，回波进一步加强，出现了45～55 dBz强回波（雷雨云），表明7：00～14：00，适合飞机和火箭增雨作业，15：00后只能实施火箭作业。19：00～23：00，回波维持在阜新除西北区以外的大部分地区，强度在20～35dBz不等。23：00后，回波逐渐减弱，27日06：00后移出阜新。15：00～23：00适合全市火箭作业。

2.3.4 作业方案制定 综上分析结果，制作人工增雨作业方案。方案建议：26日7：00～9：00，西部、西北部作业点实施火箭作业，作业仰角60°～65°，用弹量1～3枚;10：00～14：00，开展飞机增雨作业，空域申请飞行高度3 600～4 500 m，作业催化高度4 500 m（云内-4℃层以上冷云区），使用冷云催化焰条10根，作业预设航线（图6）（催化作业层的风向为230°，风速约16 m/s）。26日15：00 ～23：00，适合开展火箭作业，作业仰角60°～65°，用弹量2～4枚。

2.4 作业实施

2.4.1 作业实施情况 在降水天气过程中，按照人影作业三适当技术要求，阜新市、县人影作业单位开展了飞机和火箭人工增雨作业。26日12：00～15：00开展飞机作业1架次，飞行2小时48分钟，燃烧催化AgI冷云焰条10根，分三段时间进行催化，每段点燃焰条数量为3根、3根、4根，飞机作业实际飞行轨迹线（图7）;利用飞机作业以外的其他时间先后开展地面火箭增雨作业18轮次，发射火箭弹72枚。

2.4.2 作业合理性分析 飞机作业。阜新增雨飞机（B3751）26日12：10从锦州湾机场起飞，按照预设航线飞往阜新区域。催化作业时间为12：40～14：00，14：58飞机落地。催化作业始终在强度15～30 dBz雷达回波覆盖范围内进行，空域批准高度为3 900～4 200 m，实际飞行高度大部分时间保持在4 200 m，处于预设的约-4℃冷云区内，使用催化剂（冷云焰条）类型、数量符合预案要求，作业航线设计合理。

火箭作业。一是选择作业时机。雷达实况监测产品分析表明，26日18：00前全市范围开展火箭催化作业，重点考虑在西北部-北部（降水系统上游地区，也是阜新干旱严重地区）作业，19：00～23：00火箭作业主要在阜新地区东部、东北部进行，决策是准确的，作业时机掌握得准确有效。二是确定作业方位角和仰角。在符合制定的安全射界要求的前提下，稳定性降水（层状云为主）作业方位角选择沿云的移动方向左右两侧 45°～90°间发射，达到增大播撒有效面积和有效时段的目的[7]。实时分析25日20：00、26日08：00和20：00探空产品的云垂直结构，0℃、-5℃、-10℃所在云层高度等要素指标，依据火箭发射仰角与高度对应关系曲线，确定作业仰角为60°～65°，该仰角对应的催化层的温度为-7℃～-10℃（高度为4 800～

5 300 m），为过冷水含量最多与AgI催化剂冰核成核率最高的交集区，即冷云增雨潜力最大区）。三是作业剂量。利用公式（a×V为有效扩散体积内催化需增冰晶数，b×U为每枚火箭弹的成核数）计算发射用弹量，考虑火箭作业大多时间段降水云系存在一定的积状不稳定成分，综合考虑层状云、积层混合云催化剂用量计算结果，确定用弹量为2～4枚。

2.5 作业效果分析、评估

2.5.1 降水实况 2019年5月26日白天到夜间，阜新地区出现区域性暴雨天气，全市平均降水量为88.9 mm，最大降水量出现在阜蒙县苍土乡为128.5 mm。06：00降水开始时雨强不大，直到13：00全市小时平均雨量均未超过2 mm，13：00后随着天气系统加强和人工增雨催化作业共同的影响下，降水强度不断增大，14：00、15：00、16：00和17：00小时雨量分别为6.3、8.7、103、8.4 mm（图7）。

2.5.2 作业效果分析、评价 采用区域对比法总结和评估此次人工增雨作业，由于采用现代人影增雨作业技术方法开展作业，增雨效果明显，达到预期效果。

（1）降水量预报与实况比较。5月25日，市气象台制作发布未来天气预报，预计26日全市有中雨东南部雨量偏大。在自然降水和人工增雨作业共同作用下，本次降水过程实际降水量比预报量增加1～2个量级，特别是阜新北部区域（人工增雨作业重点区域）增加明显，均超过预报的中雨达到暴雨量级。飞机作业范围为全区，作业时段内，云物理产品指标、雷达产品等指标均满足飞机人工增雨作业条件，效果良好;火箭作业重点选择在北部的于寺、福兴地、阜新镇、平安地、大冷、章古台等乡镇作业点进行，这些乡镇过程雨量均超过70 mm，达到暴雨量级（50～100 mm），最大为章古台，达到86.7 mm。

（2）雷达回波强度变化。无论是分析人工增雨的直接效果，还是间接效果，天气雷达都是非常有效的工具[8]。利用降水过程中的雷达反射率回波强度变化对人工增雨作业催化效果进行分析、评估。

作业区作业前后对比。分析飞机作业前、后雷达回波变化情况可以看出，作业前仅在阜新市西北部分布一些强度为15～20 dBz的零散回波，作业后，全市绝大部分区域被20～40 dBz降水回波覆盖，且以30 dBz以上回波居多，东部多于西部且密实。随着回波强度增加，全市范围的降水强度明显加强。以彰武县平安镇为例，12：40催化作业前，回波较弱，11：00、12：00分别只有0.3、0.7 mm。作业后上空回波明显增强，持续受大范围30～35 dBz的较强回波影响，使降水得到加强、持续，13：00、14：00、15：00和16：00雨量分别增加到2.2、4.1、11.4和18.5 mm（图8）。火箭作业分别在26日7：22～12：10、26日15：55～23：00等时间段内进行。从作业后雷达回波强度有所增强和降水量不同程度增加表明，作业对雨量增加具有一定的促进作用。

作业区与非作业区对比。本次天气过程以层状云降水为主，云带自西向东略偏北方向移动。考虑所处地理位置、与系统移动方向的关系等因素，选取作业站附近、历史上相同时间段内稳定降水量比较接近的非作业区作为对比区分析和评估作业效果，结果表明催化作业增加了作业区降水量。现以于寺作业点为例，选取位于于寺作业点东北方向距离约7 km的太平镇作为于寺作业区的对比区。在降水的過程中，于寺作业点共实施5次增雨作业，发射火箭弹12枚。除26日07：32发射的两枚火箭弹作业效果不好（07：00～08：00小时降水量9.5 mm低于对比区太平镇的9.8 mm）以外，其余4次（09：18～09：20、15：35～15：36、20：22 ～20：23、22：21～22：23）作业效果都比较好，作业后雷达回波强度增强，作业区小时雨量明显多于对比区（图8）。分析其中一次作业效果差的原因，是由于附近机场起降飞机航路因有雷电绕飞到阜新上空，作业空域多次申请未批而错过最佳作业时机所致。

3 结论

（1）人影五段业务和人影作业三适当技术，规范了市、县级人工增雨业务工作，提升了市、县级人影现代化能力和水平，对提高人工增雨作业实效具有促进作用;CPAS系统平台提供的卫星反演产品、雷达产品、探空产品、降水量等数据产品，对市、县级开展人工增雨作业时间、云区催化部位（作业潜力大值区）、催化剂用量的确定及作业过程预报制作、作业预案制作、作业条件预警报制作、作业实施跟踪指挥、作业效果评估等具有指导作用，为科学、有效实施人工增雨作业提供了技术支撑。

（2）提高网络通信传输能力，确保市、县级人影单位接收到更多实用的云模式预报产品和雷达模式外推预报产品，不断提高市、县级人影单位对人工增雨天气条件、作业时机、作业部位、作业潜力等的分析能力和判断能力。

（3）加快对无人机人工增雨技术的研究，提高无人机制作工艺和在复杂天气下安全、有效实施增雨催化作业，推进无人机人工增雨业务化进程，不断提高人工增雨作业实效。

参考文献

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责任编辑：黄艳飞

Analysis of an Artificial Precipitation Operation Process in Fuxin area

SUN Bao-li et al（Fuxin Meteorological Bureau， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract Based on the ground and high altitude conventional meteorological data， the satellite inversion products， radar data products， sounding data products， precipitation and other meteorological data provided by the CPAS platform， combinied with GRAPES， EC and other numerical models and cloud model forecast products， from the operational demand， weather situation， cloud system structure， precipitation enhancement potential analysis and operational scheme design， operational implementation tracking command， operational effectiveness evalua-tion， etc， to summarize and analyze the precipitation enhancement operation in Fuxin area on May 26， 2019. The results show that the various functions and business products provided by CPAS platform provide technical support for the standardized， scientific and effective implementation of artificial precipitation at city and county levels.

Key words Artificial precipitation; CPAS platform; Radar products; Cloud model products; Fuxin area

基金项目 阜新市科委科研项目“人工增雨作业区识别技术研究”（20142501）;阜新市气象局科研项目“CPAS人影业务平台技术阜新本地化”（FQK-2018-04）。

作者简介 孙宝利（1962-），男，辽宁阜新人，高级工程师，主要研究方向：人工影响天气。*通信作者：张旭（1984-），女，辽宁阜新人，高级工程师，研究方向：气象服务，E-mail：：zxu521@126.com。。

收稿日期 2021-01-12