張 元，劉建西，劉曉璐，王維佳

(四川省人工影響天氣辦公室，四川成都610072)

0 引言

受全球氣候變暖的影響，四川省季節(jié)性和區(qū)域性干旱日趨嚴(yán)重，近幾年均發(fā)生了不同程度的干旱，嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活等。此外，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展社會的快速發(fā)展，人們生活質(zhì)量的不斷提高，退耕還林還草工程、草原牧區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)、南水北調(diào)工程等重大項目的開展，導(dǎo)致水資源需求量的大幅度增加，人工增雨則是緩解水資源短缺與需求增加這一矛盾的有效方式。尤其近年來隨著大氣科學(xué)整體水平的長足進(jìn)展，新一代天氣雷達(dá)、氣象衛(wèi)星、地理信息技術(shù)、中小尺度氣象監(jiān)測網(wǎng)、新型的催化劑和播撒工具的綜合利用等，人工增雨技術(shù)也有了整體提高[1－3]，人工增雨作業(yè)在保障人民生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水以及防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮了積極的作用。

自2012年冬季以來，川西高原南部及攀西地區(qū)降水比往年偏少6～9成，四川盆地大部地區(qū)偏少2～5成，冬干分布范圍為近20年來最廣，加之氣溫普遍偏高，耕層土壤相對濕度下降至70%左右。2013年入春后干旱持續(xù)，旱情由攀西、川南局部地區(qū)向四川盆地西北、盆地中部及盆地西南等地區(qū)迅速蔓延，截至3月中旬，已有15個市州受到干旱天氣影響，608.9萬人不同程度受災(zāi)。為了有效緩解旱情，四川省人工影響天氣辦公室密切監(jiān)視天氣，及時抓住有利時機(jī)，制訂了高密度、大范圍的增雨作業(yè)計劃。其中2013年4月4日晚，在四川東部、重慶西部等地開展的飛機(jī)增雨作業(yè)效果明顯，作業(yè)影響區(qū)普降小到中雨，部分地方大雨，個別站點出現(xiàn)暴雨，作業(yè)影響面積2.92萬km2，增加降水量11972萬m3。文中利用常規(guī)氣象資料、雷達(dá)資料以及人影模式預(yù)報產(chǎn)品分析了該次增雨過程，并對其效果進(jìn)行初步檢驗。

1 作業(yè)條件監(jiān)測

1.1 干旱監(jiān)測

根據(jù)2013年4月4日的全國氣象干旱綜合監(jiān)測圖可以看出，全國的干旱分布較廣(圖1a)，北方的覆蓋面積廣，包括內(nèi)蒙古、山西、河南、陜西、甘肅、寧夏、青海東部、新疆西部，其中甘肅旱情較重。南方地區(qū)的干旱主要分布在四川東部、重慶西部、云南北部等，其中四川東部的特旱與重旱范圍是全國之最。

從四川省4月4日氣象干旱分布圖(圖1b)可以看到，四川盆地中部、北部以及涼山攀枝花等地都處于不同程度的干旱，其中四川盆地中部及盆地南部旱情嚴(yán)重，其中眉山、遂寧、資陽、內(nèi)江、自貢、宜賓、瀘州等市都達(dá)到重旱，資陽、內(nèi)江、自貢、瀘州等市與重慶交界處為特旱。

圖1 2013年4月4日全國氣象干旱綜合監(jiān)測圖和四川省氣象干旱分布圖

1.2 天氣形勢

圖2 2013年4月4日08時高空形勢圖

圖2為4月4日08時高空形勢圖，500 hPa(圖2a)上，明勤—漢中—達(dá)州有一低槽，青藏高原東部到四川盆地西部為西北氣流，另外在高原中部還有一低值系統(tǒng)，預(yù)計前48小時四川受東移的低值系統(tǒng)影響，后24小時轉(zhuǎn)為西北氣流控制;700 hPa(圖2b)上，陜西南部有一切變，云貴到四川盆地為西南氣流;850 hPa(圖2c)上，盆地為一輻合區(qū)。根據(jù)數(shù)值預(yù)報(圖略)，中低層盆地將迅速轉(zhuǎn)為東北氣流，引導(dǎo)冷空氣南下，給四川省帶來一次明顯的降溫、降雨天氣過程，為開展人工增雨作業(yè)提供了基本條件。

1.3 人影模式預(yù)報產(chǎn)品分析

1.3.1 作業(yè)條件監(jiān)測

圖3 衛(wèi)星反演的2013年4月3日15:00西南旱區(qū)云頂溫度和光學(xué)厚度

根據(jù)中國局人影中心云反演產(chǎn)品分析顯示(圖3)，四川西部、云南西北部有云系覆蓋，局部液水含量較為充沛，云頂溫度最低約為－45℃，光學(xué)厚度最大可達(dá)24;四川東部、貴州中東部、局部液水含量較為充沛，云頂溫度約為0℃，光學(xué)厚度最大可達(dá)33。

1.3.2 作業(yè)潛勢預(yù)報

從模式預(yù)報累積過冷水分布圖(圖4)可以看出4月4日08時～5日08時，四川、云南大部、貴州、重慶、廣西有云系覆蓋，其中旱區(qū)四川東部、云南西北部、重慶西部云系有一定的過冷水，午后過冷水含量逐漸增多，累積過冷水約有0.3～0.5 mm，具有一定的催化潛力。

圖4 2013年4月4日08時～5日08時模式預(yù)報累積過冷水和增雨催化潛力區(qū)分布圖

1.3.3 潛力區(qū)云結(jié)構(gòu)預(yù)報

圖5 2013年4月4日20時沿30°N東西向水成物垂直剖面

潛力區(qū)云體垂直結(jié)構(gòu)分析顯示(圖5)，4月4日08時～5日08時，四川東部、重慶西南部過冷水主要位于0℃～－10℃層(海拔高度3300～5500 m)，暖區(qū)云水含量豐沛，具有一定的增雨潛力(圖5)。

1.4 探空分析

根據(jù)4月4日20時四川省探空資料顯示(圖6)，四川盆地中部及盆地南部0℃層高度為3500～3800 m，－10℃層高度為5400 m～5500 m。結(jié)合國家人影中心下發(fā)的人影模式產(chǎn)品分析結(jié)果，確定作業(yè)飛行高度3300～5500 m。

圖6 四川省2013年4月4日20時0℃層和－10℃層高度等值線(10 m)

2 作業(yè)方案設(shè)計及作業(yè)情況

根據(jù)天氣形勢分析以及人影模式產(chǎn)品結(jié)果，4月4日受低槽影響，四川省有一次明顯的降溫、降雨天氣過程;4月4日08時到4月5日08時四川中部、東部地區(qū)，重慶西部云系有一定的過冷水累積，且過冷水主要位于具0℃～－10℃層(海拔高度3300～5500 m)，有一定的催化潛力;四川盆地中部及盆地南部0℃層高度為3500～3800 m。綜合以上分析，四川省人影辦計劃在4月4日20時～24時在四川東部、重慶西部等地0℃層上進(jìn)行飛機(jī)人工增雨作業(yè)。

2.1 航線設(shè)計

4月4日晚作業(yè)具體航線設(shè)計如圖7所示，飛機(jī)從廣漢出發(fā)，途徑成都、遂寧、重慶的潼南、江津以及貴州習(xí)水縣，再經(jīng)瀘州、內(nèi)江、資陽等市返回，設(shè)計總航程為862.027 km。

圖7 2013年4月4日晚飛機(jī)作業(yè)航線設(shè)計圖

2.2 作業(yè)情況

圖8 2013年4月4日晚飛機(jī)作業(yè)實際航線圖

圖8為4月4日晚飛機(jī)增雨作業(yè)實際航線圖，此次作業(yè)選擇在降雨過程前期進(jìn)行，主要對有增雨潛力的目標(biāo)區(qū)或其上風(fēng)方云區(qū)用液氮進(jìn)行人工催化，當(dāng)日20:46～23:38，作業(yè)飛機(jī)從廣漢起飛，在四川的郫縣、邛崍、成都、瀘州、內(nèi)江、資陽，重慶的潼南、江津等地實施催化作業(yè)，作業(yè)最低高度3000 m，最高高度3900 m，作業(yè)溫度在－1℃～－5℃，航行2小時52分，航程862.027 km，作業(yè)后6 h作業(yè)區(qū)普降小到中雨，部分地方大雨，個別點出現(xiàn)暴雨，作業(yè)影響面積2.92萬km2，增加降水11972萬m3。

3 作業(yè)前后雷達(dá)回波、雨量變化

3.1 作業(yè)前后雷達(dá)回波變化

雷達(dá)基本反射率能夠直觀地反映出探測范圍內(nèi)降水云團(tuán)的位置和強(qiáng)度。實施增雨作業(yè)后，隨著冰粒子尺度的增大，雷達(dá)對電磁波的散射能力也增大，雷達(dá)回波可以反映出來[9]。圖9為2013年4月4日晚增雨作業(yè)前后宜賓站新一代天氣雷達(dá)基本反射率變化情況。當(dāng)晚作業(yè)催化開始時間為21:19，選取作業(yè)前1 h，作業(yè)后1 h、2 h、3 h宜賓站雷達(dá)基本反射率變化特征進(jìn)行比較分析。從圖9可以看出，降水回波主體作業(yè)前1 h分布在涼山州及樂山一帶，回波強(qiáng)度在10～40 dBz，為降水云系的發(fā)展階段，圖中橢圓形實線區(qū)域內(nèi)為作業(yè)區(qū)，催化劑主要播撒在瀘州、內(nèi)江等地區(qū)，作業(yè)前作業(yè)區(qū)幾乎沒有雷達(dá)回波，作業(yè)期間宜賓高空500～700 hPa均為西南風(fēng)(圖略)，催化劑隨著引導(dǎo)氣流向東北方向擴(kuò)散。

圖9 作業(yè)前后雷達(dá)基本反射率圖

回波在作業(yè)后保持穩(wěn)定發(fā)展，并從西南向東北方向移動發(fā)展，作業(yè)后3 h，回波面積明顯增大，其中心強(qiáng)度已達(dá)到50 dBz。由此可見，飛機(jī)增雨作業(yè)后，作業(yè)區(qū)域降水回波明顯增強(qiáng)，回波面積增大。

3.2 作業(yè)后雨量分析

圖10 2013年4月4日20時～24時作業(yè)區(qū)自動站分鐘雨量圖

選取4月4日20時～24時作業(yè)范圍四川省內(nèi)6個自動雨量站分鐘雨量分布進(jìn)行分析(圖10)，21:19開始在成都邛崍等地播撒催化劑，從圖中可看到，邛崍、丹棱、貢井、威遠(yuǎn)4個測站作業(yè)前20時到21時就有小雨，1 h累積雨量分別為2.3 mm、2.5 mm、1.2 mm和0.2 mm(見表1)，簡陽和古藺在這一時段沒有降水;丹棱、古藺、貢井3個測站在21～22時雨量明顯增大，其他3個測站在22時后明顯增大，其中丹棱武廟鄉(xiāng)站作業(yè)后3 h累積雨量達(dá)26.2 mm。由此可見，飛機(jī)增雨過后，雨量有明顯的增大過程，且從圖10可看出，測站出現(xiàn)降雨的時間也基本與飛行路線一致，先作業(yè)的地區(qū)降雨時間較早。

表1 2013年4月4日晚作業(yè)區(qū)域自動雨量站雨量/mm

3.3 作業(yè)后干旱監(jiān)測

從圖11可以看到，4月5日與4日相比，四川及重慶旱情明顯減弱，基本轉(zhuǎn)為輕旱或重旱，說明4月4日晚增雨效果比較明顯，為減輕2013年四川西南部分地區(qū)春旱發(fā)揮重要的作用。

圖11 2013年4月5日全國氣象干旱綜合監(jiān)測圖和四川省氣象干旱分布圖

4 效果評估

由于云和自然降水變率大，評估對象的不確定性，不同時空條件下的各種因子相互影響制約，探測儀器設(shè)備缺乏、技術(shù)的局限等原因，人工增雨的量值經(jīng)常在自然降水變化中被掩蓋[4]，因此科學(xué)、客觀、準(zhǔn)確地評估人工增雨作業(yè)效果是非常困難的，也是目前人影業(yè)務(wù)亟待解決的難點。

結(jié)合業(yè)務(wù)作業(yè)服務(wù)工作，國內(nèi)學(xué)者針對人工增雨的效果檢驗做了許多工作，也取得一些研究成果。目前常用的評價人工增雨效果的方法有統(tǒng)計檢驗、物理檢驗和數(shù)值檢驗3種基本方法[5－7]，這3種方法有共同之處，也有其側(cè)重點。物理檢驗可以直觀地看到人工增雨作業(yè)的效果，而統(tǒng)計檢驗的優(yōu)勢是可以給出在一定置信水平下效果大小的具體數(shù)值，從長遠(yuǎn)看，用數(shù)值模式作精確、定量的降水預(yù)報是解決人工影響天氣效果檢驗問題的重要途徑。

文中采用區(qū)域?qū)Ρ葯z驗方法對此次增雨效果進(jìn)行評估。

4.1 區(qū)域?qū)Ρ葯z驗

近年來，很多學(xué)者對人工增雨的效果評估也開展了一系列的研究，取得一些重要的作業(yè)經(jīng)驗和研究成果，在為政府和公眾服務(wù)過程中，需要對每次作業(yè)增加降水有定量客觀的計算，因此四川省人影辦經(jīng)過多年實踐，采用區(qū)域雨量對比的方法，簡明、實用地評估增雨效果[11]，下文通過區(qū)域?qū)Ρ葯z驗對4月4日晚增雨作業(yè)效果進(jìn)行評估。

對比區(qū)的選擇。對比區(qū)的選擇基本遵循以下3個原則:(I)位于目標(biāo)區(qū)的上風(fēng)方或橫側(cè)，地形和面積與作業(yè)影響區(qū)大致相近，不受作業(yè)催化劑污染;(II)與目標(biāo)區(qū)受同一降水天氣系統(tǒng)的影響;(III)歷史降水情況與目標(biāo)區(qū)有好的相關(guān)。

其中R、r分別為影響區(qū)、對比區(qū)的平均雨量。選取作業(yè)開始時間起之后3小時累積雨量，分別計算響區(qū)和對比區(qū)內(nèi)各雨量站的算術(shù)算術(shù)平均值，得到R和r值，兩者的差值即為增雨量。

上式中S為作業(yè)影響面積，根據(jù)催化劑播撒路徑確定作業(yè)起止點的經(jīng)緯度，根據(jù)作業(yè)層風(fēng)速風(fēng)向確定催化劑的擴(kuò)散范圍，給出一個比較規(guī)則的幾何區(qū)域，計算出該區(qū)域的面積，即為S值。

圖12 4月4日晚飛機(jī)作業(yè)效果評估圖

4.2 評估結(jié)果

根據(jù)作業(yè)起止點，遵循影響區(qū)選擇的原則選取影響區(qū)(圖12，虛線矩形區(qū)域)，利用四川省人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)計算出影響區(qū)面積，根據(jù)4月4日晚21時到24時四川省自動站降水資料以及重慶部分站點的雨量值，計算得到影響區(qū)雨量R，由于作業(yè)當(dāng)晚作業(yè)高度為西南風(fēng)，選取與風(fēng)向垂直的位于影響區(qū)東南側(cè)為對比區(qū)(實線矩形區(qū)域)，計算出同時段對比區(qū)雨量值r，最后得到此次增雨作業(yè)的增加降水量P。

此次作業(yè)影響面積2.9萬km2，影響區(qū)3 h平均降雨量為4.9 mm，對比區(qū)3 h平均降雨量為0.8 mm，3 h增加降水量11972萬m3。

5 結(jié)論

通過對四川省2013年4月4日晚飛機(jī)人工增雨作業(yè)過程進(jìn)行分析，結(jié)論如下:

(1)由于受高空低槽影響，4月4日四川有降水過程，旱區(qū)四川東部及重慶西部液水含量充沛，4月4日08時～5日08時，四川東部、重慶西部云系有一定的過冷水，午后過冷水含量逐漸增多，具有一定的催化潛力。

(2)綜合天氣形勢及人影模式產(chǎn)品結(jié)果，4日20:46～23:38，四川省人影辦在四川盆地中部、盆地南部以及重慶西部等地實施跨區(qū)增雨作業(yè)，作業(yè)高度為3000～3900 m，作業(yè)溫度為－1℃～－5℃，航時2小時52分，航程862.027 km。

(3)從作業(yè)前后雷達(dá)基本反射率和作業(yè)區(qū)自動雨量站雨量分析可以看到，此次飛機(jī)增雨作業(yè)區(qū)降水回波強(qiáng)度、面積明顯增強(qiáng)，降水量也在作業(yè)后有增大的過程，作業(yè)區(qū)普降小到中雨，部分地方大雨。利用四川省人工影響業(yè)務(wù)平臺，根據(jù)區(qū)域雨量對比的方法計算得出此次增雨作業(yè)影響面積2.9萬km2，3 h增加降水量11972萬m3。4月4日晚飛機(jī)增雨效果比較明顯，為減輕2013年四川及西南部分地區(qū)春旱發(fā)揮重要作用。

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