青海省春季一次積層混合云飛機人工增雨作業個例分析

王麗霞 周萬福 張莉燕 王啟花 楊雪玲 李京梅

（1 青海省氣象災害防御技術中心，西寧 810001；2 西安地球環境創新研究院，西安 710061；3 青海省西寧市氣象局，西寧 810003）

0 引言

青海省位于青藏高原東北部，其東部地區是省內主要的糧食、蔬菜等農作物產區，也是春季干旱易發區，素有“十年九旱”之稱[1]。在全球變暖氣候背景下，該地區干旱日益頻發，嚴重制約了其農業和經濟的發展，是困繞青海省經濟、社會發展的重大難題[2]。實施人工增雨作業可提高該地區的云水轉化效率，增加降水量，從而對緩解階段性旱情、改善土壤墑情、助力春耕生產等有積極作用[3]。

國內常見的人工增雨方式有飛機作業、地面煙爐作業和地面火箭作業，其中飛機作業適用于執行作業覆蓋面積廣的增雨任務。飛機增雨作業的時機、部位及催化劑播撒量的選擇對人工增雨效果有著極其重要的影響，為了最大限度地發揮人工增雨作業的效能，制定飛機作業方案時需精準預判天氣系統過程和降水云系（體）的增雨潛力[4-7]。同時，科學評估人工增雨作業效果對提高播云作業水平、驗證和改進催化作業理論與方法都十分重要[7]。

國內很多學者通過多種方法對作業云體增雨潛力識別和增雨效果評估等方面進行了探討。杜毓龍等[4]利用飛機和雷達探測資料，總結了陜西省秋季飛機人工增雨作業層狀云向降水轉化的有利條件。效果檢驗在國內外人工影響天氣工作中仍是一個技術難題，李宏宇等[8]、崔丹等[9]、劉伯華等[10]、張中平等[11]對人工增雨效果評估的探討，為效果檢驗提供了參考。賀藝等[12]利用GRAPES模式產品，結合衛星、雷達、降水等觀測資料對人工增雨作業的條件、潛力、效果等進行分析，認為作業后催化區內回波強度增強顯著，降水增大明顯。韋增岸等[13]結合WRF模式預報和雷達衛星等觀測資料，對廣西的一次人工增雨個例進行分析，認為作業后，影響云體的雷達回波明顯增強，且多參數區域對比分析雷達參數和降水量的K值增加。林丹等[14-16]結合衛星、雷達等資料，對四川盆地冬季和春季的飛機人工增雨個例進行分析，認為作業后，影響區內衛星、雷達參量及地面雨量等均有明顯變化。

本文利用CPEFS（Cloud Precipitation Explicit Forecast System）模式產品，結合衛星反演產品、雷達及自動站降水等觀測資料，從作業條件分析、作業實施情況以及作業效果等方面對2021年4月23日青海省一次積層混合云飛機人工增雨作業進行探討，該工作有助于加深對同類型降水天氣過程人工增雨條件的判識，以期為青海省飛機人工增雨作業方案的合理設計提供一定的技術參考。

1 資料介紹

本文選用西寧和海北的雷達資料，衛星反演產品是利用FY-2靜止氣象衛星探測資料和L波段探空資料，聯合反演得到的一組云宏觀和微觀物理特征參數。作業潛力判識采用的CPEFS模式是中國氣象局人工影響天氣中心研發的云降水顯式預報系統，該模式以WRF動力框架為基礎，耦合了CAMS（Chinese Academy of Meteorological Sciences）云微物理方案，可模擬出我國陸地區域的云宏觀場、云微觀場、云垂直剖面和降水場，其時間分辨率為1 h，空間分辨率為3 km。通過CPEFS在青海高原地區的本地化檢驗，結合德吉白瑪等[17]針對CPEFS模式在西藏人影服務保障中的檢驗分析，認為CPEFS模式對高原地區天氣過程的模擬效果較佳。

2 作業條件分析

2.1 天氣形勢分析

2021年4月23日08：00（北京時，下同），500 hPa高空巴爾喀什湖以東低渦底部的低槽位于我國新疆，槽前西南氣流強，系統水汽充足，冷渦底部有短波槽下滑，青海西部和青南地區各有一東西走向的切變線；700 hPa巴爾喀什湖以東有－20 ℃的閉合冷中心，低值系統影響青海地區。23日20：00，500 hPa青海東西兩條切變線匯合并北抬，在青海東北部形成西北—東南走向的低槽，繼續影響青海東部地區；700 hPa隨著低值系統南壓，低層偏東風水汽輸送進一步加強。受高原地形影響，08：00冷空氣分東西兩路影響青海；14：00東路冷空氣繼續東移南壓，在高原東部河谷地區形成倒灌冷空氣，影響青海東部地區。綜上所述，受北部冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，青海大部地區出現了一次降水天氣過程。

2.2 作業潛力分析

利用CPEFS模式預報的云帶和垂直累積過冷水等產品，可以分析云系的發展趨勢和垂直結構，從而判斷目標云系是否具備人工增雨潛力。綜合圖1和圖2可以看出，4月23日14：00—20：00，青海省海西東部、海北、西寧、海東、海南、黃南等地區有云系覆蓋，云系以冷云為主，自西南向東北移動，移動速度約為30 km/h。云中過冷水主要位于－25～－10 ℃層（4500～7000 m），最大含量達0.3 g/kg，垂直累積過冷水最大值為0.6 mm，部分地區冰晶數濃度小于100個/L，不利于該地區降水的形成。綜上所述，4月23日14：00—20：00，青海省海北、西寧、海東等地云系較為穩定，過冷水資源較為豐富，但由于冰晶數量較少，可通過播撒碘化銀（AgI）煙條或焰彈的方式來增加上述區域的冰晶數濃度，從而增加降水量。

圖1 2021年4月23日14：00和20：00云帶（a，b）和垂直累積過冷水（c，d）分布Fig. 1 Distribution of cloud belt (a, b) and vertically accumulated supercooled water (c, d) at 14:00 BT and 20:00 BT of 23 April 2021

圖2 2021年4月23日14：00 (a, b)和20：00 (c, d)云系垂直結構和作業條件圖（Qc：云水混合比；Ni：冰晶數濃度；T：溫度；Qs+Qg：雪＋霰混合比；Qr：雨水混合比；H：高度）（a，c）Qc，Ni，T垂直剖面；（b，d）Qs＋Qg，Qr，H垂直剖面Fig. 2 Vertical structure of the cloud system and operation conditions at 14:00 BT (a, b) and 20:00 BT (c, d) of 23 April 2021 （Qc: cloud water mixing ratio; Ni: ice crystal concentration; T: temperature; Qs＋Qg: snow＋graupel mixture ratio;Qr: rainwater mixing ratio; H: height）(a, c) Vertical profile of Qc, Ni, and T ; (b, d) Vertical profile of Qs＋Qg, Qr, and H

3 作業概況

作業前CLDAS（高分辨率多源土壤溫濕度產品）土壤相對濕度監測顯示，青海省范圍內土壤相對濕度整體偏低，環青海湖和湟水谷地等地區局部土壤相對濕度為10%～40%。結合青海省東部農業區春季抗旱需求，2021年4月23日16：27—19：33，青海省人工影響天氣辦公室組織開展飛機人工增雨作業1架次，飛行總時長約3 h，飛行航程1026 km，作業催化時段為17：03—19：01，耗用煙條24根，焰彈12枚。

通過沿飛行軌跡的雷達剖面（圖3）可以看出，作業區以積層混合云為主，回波頂高為6～9 km，云系處于發展階段，催化部位位于云中上層（作業高度6.4～6.7 km），催化層溫度為－16～－12 ℃，催化部位合理。根據作業時段內雷達組合反射率和衛星反演過冷層厚度（圖4）可知，作業云系過冷層深厚，為3～7 km，雷達組合反射率為20～45 dBZ，云頂高度為5～10 km，云系以弱積層混合云為主。由于積層混合云存在“播撒—供給”機制，在該云體中上部播撒AgI可增加冰晶數量，而冰晶粒子在豐厚的過冷水中可通過貝吉隆過程迅速增長成大冰晶，對下層云進行播撒，再通過碰并過程和凝結增長過程不斷長大，促使降水的形成[18]，故本次降水過程適合飛機人工增雨催化。

圖3 2021年4月23日沿飛行軌跡的雷達剖面（填色）圖Fig. 3 Radar profile (colored) along the flight path on 23 April 2021

圖4 2021年4月23日作業時段內作業區和對比區雷達組合反射率（a）和衛星反演過冷層厚度（b）Fig. 4 Radar combined reflectivity (a) and supercooled layer thickness retrieved by satellite (b) of operation area and comparison area during the operation period on 23 April 2021

本次飛機人工增雨作業催化分兩個區域，初始催化階段（17：03—17：30）位于海晏一帶的作業云系以層狀云為主（圖5a），17：43開始進入大通、湟中的作業區，催化時段內（17：43—19：01）大通、湟中一帶云系以積層混合云為主（云系上部層狀云、下部以弱積云為主，作業區強中心回波大于40 dBZ，如圖5b），受高原地形的影響，且考慮到有效的催化層高度，本次飛機人工增雨作業催化部位均位于目標云系中上層的層狀云區。

4 作業效果分析

目前，人工影響天氣業務中常用的效果檢驗方法包括物理檢驗、統計檢驗及數值模式檢驗等[19]。因能夠直觀反映人工增雨作業效果，物理檢驗技術方法在單架次人工增雨作業效果評估中廣泛應用[20]。人工增雨效果物理檢驗通常通過兩種途徑判斷人工催化所產生的作用，一種是分析對比云和催化云物理參量的變化和差異；另一種是分析催化作業前后物理參量的變化[21]。利用物理檢驗定性探討人工催化的影響，可為人工增雨效果評估提供一個物理依據，從而為催化效果定量化檢驗的結論提供佐證，有利于人工增雨作業方案設計的改進[22]。

2021年4月23日青海省飛機人工增雨作業個例分兩個催化區域，為了便于分析本次飛機人工增雨作業對具有較好催化條件的積層混合云的影響效果，本文作業效果分析部分主要針對位于大通—湟中一帶的積層混合云作業區。選擇與大通—湟中作業區受同一天氣系統影響的、位于作業區及影響區上風方向的、與作業區同等面積和地形的區域作為對比區（圖4），結合雷達、衛星和地面降水資料，分析作業前后作業區和對比區雷達、衛星參量及區域內站點降水量的時間序列變化特征。

4.1 雷達參量分析

研究表明，作業后1 h內云中各相態粒子的濃度、尺寸等因催化作業產生的變化明顯，增雨效果可持續3 h[23-24]。為了更加客觀、直接地反映此次飛機人工增雨作業的效果，本文選取反映云體發展強弱程度的回波強度和組合反射率，以及反映空中含水量的大小垂直累積液態含水量（VIL），對比分析作業前后催化影響區和對比區雷達回波強度、組合反射率及垂直累積液態水含量等參量的變化（圖6），可以看出：催化影響區雷達回波強度和組合反射率在作業前至作業初始階段均先增大后減小，催化1 h后上述兩個參量呈逐漸增大趨勢，直至催化后3 h內，最大回波強度維持在45 dBZ左右，平均組合反射率則升至30.6 dBZ；反觀對比區，在16：00—22：00，雷達回波和組合反射率都呈現出先增大后減小的變化特征，這可能是低層云體逐漸減弱消散造成的；從最大回波強度和組合反射率來看，整個過程中催化影響區最大回波強度基本為40～45 dBZ，最大組合反射率為50 dBZ，并在催化結束后2 h內始終維持；對比區最大回波強度和最大組合反射率在18：00前顯著增大，19：00后明顯減小。另外，催化開始前目標區云體平均垂直累積液態水含量呈明顯的減小趨勢，催化1 h后開始呈波動增大，而催化前對比區云體平均垂直累積液態水含量高于催化作業區，此后呈波動減小，催化結束后3 h內催化作業區內云體平均垂直累積液態水含量明顯大于對比區，也可從一定程度上反映出催化播撒有利于云體的發展和維持。

4.2 衛星參量分析

對催化云體而言，是否存在過冷水是判斷其是否具備增雨作業潛力的一個關鍵因素，而云中過冷水含量與過冷層厚度存在正相關關系，過冷層厚度越大，云中過冷水含量越大[25]。本文選取用于判識冷暖云垂直結構配置的過冷層厚度和表征云系發展演變趨勢及程度的云頂高度兩個衛星參量進行分析。

比較飛機人工增雨催化播撒前后作業區和對比區衛星過冷層厚度和云頂高度變化（圖7）發現：催化開始前對比區云頂高度比作業區高，且過冷層厚度比作業區大；17：00開始作業后，催化作業區平均云頂高度由作業前的4.5 km發展至8.5 km，而對比區平均云頂高度增幅較小，由7.5 km增加至8.7 km；19：00作業結束后，作業區作業前后平均過冷層厚度的增大較對比區明顯，最大過冷層厚度和最大云頂高度與對比區云體相同，從一定程度上可以說明催化劑的播撒促進了作業區云體的發展。

圖7 作業區和對比區衛星反演過冷層厚度（a）和云頂高度（b）變化Fig. 7 Variation of supercooled layer thickness (a) and cloud top height (b) retrieved by satellite in operation area and comparison area

4.3 雨量分析

對飛機作業影響區和對比區內自動雨量站的1 h降水資料進行分析（圖8）：作業前作業區及影響區內僅個別站點出現降水，隨著催化作業的進行，作業影響區各站點陸續出現降水，且大部分站點降水有持續增大趨勢，作業結束后2～3 h降水達到最大，其中西寧、大通、平安的最大小時降水量分別達到7.6、5.8、3.9 mm/h；17：00對比區1個站點出現降水，隨后區域內的3個站點陸續出現降水且降水有增大趨勢，最大降水出現在22：00湟源站?？傮w而言，在自然降水和人工增雨作業的共同作用下，作業后影響區各站點降水明顯增大，對比區降水也有一定程度的增大，但增幅比作業區小，且作業影響區的最大小時降水量明顯大于對比區。

圖8 催化前后作業區（a）和對比區（b）地面站點小時降水變化圖（灰色陰影：催化作業時段）Fig. 8 Hourly precipitation variation at ground stations before and after catalysis at operation area (a) and comparison area (b), respectively (gray shadow: the catalysis operation period)

綜上所述，通過對大通—湟中一帶作業區和對比區催化開始至催化結束后3 h的雷達和衛星參量的變化特征分析，結合人工增雨催化前后作業影響區和對比區地面站點小時降水變化特征，可以直觀地說明此次飛機人工增雨催化對目標云體的發展和維持起到了促進作用。

5 結論

利用中國氣象局人工影響天氣中心下發的CPEFS模式產品，結合雷達、衛星反演產品以及自動站降水等觀測資料，從作業條件分析、作業實施情況以及作業效果等方面，對2021年青海省春季一次積層混合云飛機人工增雨個例進行分析探討，結論如下。

1）受北部冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，2021年4月23日青海省大部地區出現了一次降水天氣過程，系統水汽充足，積層混合云厚密且范圍廣，但冰晶數濃度較小，適合開展人工增雨作業。

2）根據飛機作業時云系發展的實況，結合雷達和衛星監測資料，催化部位位于云中上層（作業高度6.4～6.7 km），催化層溫度約為－16～－12 ℃，作業區云體密實，過冷水豐富，催化區域和催化高度合理。

3）此次飛機人工增雨作業后，作業影響云體在回波強度、組合反射率、垂直累積液態含水量等雷達參量以及云頂高度、過冷層厚度等衛星參量上均有明顯的反映，結合人工增雨催化前后作業影響區和對比區地面站點小時降水變化特征，在一定程度上說明此次飛機人工增雨作業效果較為顯著，對目標云體的發展和維持起到了促進作用。

本文僅對青海高原地區春季一次積層混合云降水天氣過程期間人工增雨目標云體是否具備增雨潛力進行分析，并根據實施飛機人工增雨催化前后衛星、雷達等參量及降水量的變化初步探討本次飛機人工增雨的有效性，所得結論是否具備普適性，還需結合機載探測資料對催化云體的微物理參量變化特征進行深入探析。