徐冬英，王 璐，王治平，樊志超　(.湖南省人工影響天氣中心，湖南長沙 408；.湖南省氣象臺，湖南長沙 408)

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長沙地區(qū)秋季降雨天氣類型與飛機增雨技術研究

徐冬英1，王 璐2，王治平1，樊志超1(1.湖南省人工影響天氣中心，湖南長沙 410118；2.湖南省氣象臺，湖南長沙 410118)

湖南省于1959年起開展飛機人工增雨試驗研究，是國內開展人工影響天氣試驗研究較早的省份之一。2010年起湖南恢復了飛機人工增雨作業(yè)機制，目前該工作正在朝常態(tài)化方向發(fā)展。20世紀70年代以前開展的飛機人工增雨作業(yè)主要是用大顆粒的鹽粉催化濃積云[1]?，F(xiàn)在無論播撒裝備、催化技術均較以前有明顯提高，其催化對象、催化方式與過去均截然不同。層狀冷云是我國北方春秋旱季的主要降水云和人工增雨對象，層狀云中升速較小，催化高度宜高，而溫度>-5 ℃區(qū),特別是>-3 ℃區(qū),除對流強升速區(qū)外,引晶增雨的效果比較差[2]。在湖南夏秋時節(jié)仍會較多出現(xiàn)發(fā)展較強的對流性積狀云，會對作業(yè)飛機的安全帶來直接的威脅[3]。針對湖南飛機人工增雨作業(yè)的主要季節(jié)、開展主要作業(yè)云系和播撒方法的研究是業(yè)務化必須解決的科學問題且迫在眉捷。筆者在此統(tǒng)計分析2007～2011年長沙地區(qū)地面氣象觀測資料、多普勒雷達和飛機人工增雨作業(yè)探測資料，并采用中尺度WRF模式，對長沙地區(qū)秋季降雨天氣類型與飛機增雨技術進行了研究。

1資料和方法

使用2007～2011年長沙市氣象局的地面氣象觀測資料，統(tǒng)計分析長沙地區(qū)秋季(9～11月)的主要云系與基本特征。利用2010～2011年湖南省飛機人工增雨作業(yè)資料進行作業(yè)方法分析，使用WRF模式對作業(yè)天氣過程進行了數(shù)值模擬，結合全省中小尺度氣象站網(wǎng)雨量資料和多普勒天氣雷達回波情況進行作業(yè)效果檢驗與評估。

2長沙地區(qū)秋季降水的類型和月分布特征

統(tǒng)計分析長沙地區(qū)秋季(9～11月)逐日云狀、云量、云高、降雨和生成時間等情況，結果表明，長沙地區(qū)在秋季出現(xiàn)云系、積云和對流活動、降雨日數(shù)均呈逐步減少的趨勢。

2.1云系逐漸減少無云日逐步增多，由9月的平均1 d增加至11月的平均7 d；有云日逐步減少，由9月的平均29 d減少至11月的平均23 d。

2.2降雨日數(shù)逐步減少由9月的平均15 d減少至11月的平均11 d。9月份的主要降雨云系分三類，即Fn Scop(占降雨日的38%)、Fn Asop(19%)、Cb(10%)；10～11月份的主要降雨云系是兩類，即Fn Scop(39%)和Fn Asop(25%)，Cb云降水基本沒有，降雨時云量一般為10成，且主要為低云量，F(xiàn)n Asop的降雨量一般比Fn Scop的降雨量大。9～11月多年平均月降雨量分別為75、85、72 mm。

2.3有云但無降雨日數(shù)呈減少趨勢由9月的平均15 d減少至11月的平均12 d。云系主要是Actra(云量5～10成)、Sctra；多為單層結構，其他包括Cuhum、Fc、Scop、Acop等。

2.4積云出現(xiàn)日數(shù)逐步減少由9月的平均15 d減少至11月的平均3 d。主要是14：00左右的Cuhum、Fc，云量較少基本未降雨。

綜上所述可見，針對長沙地區(qū)秋季開展飛機人工增雨作業(yè)，一是季節(jié)越往后作業(yè)機會逐步減少，因為有云日、降雨日數(shù)均逐步減少；二是作業(yè)的主要云系應包括Fn Scop、Fn Asop、Cb和Actra等；三是季節(jié)越往后飛機人工增雨作業(yè)的氣象條件越安全，原因是積云和對流活動逐步減少。

3秋季飛機人工增雨作業(yè)的催化方式

3.1主要作業(yè)云系雷達回波與催化方式探討對長沙地區(qū)秋季3種主要降雨云系和一種主要的未降雨云系(表1)的多普勒天氣雷達觀測資料進行典型個例分析，研究其宏微觀特征，探討其飛機增雨作業(yè)方式。受篇幅所限，以下僅對表1中第1類云系(Fn Asop)進行簡要介紹，其余在作業(yè)個例分析中涉及。

表1　長沙地區(qū)秋季主要云系的典型觀測時間與天氣情況統(tǒng)計表

3.1.1Asop云系的雷達回波特征。 Asop與Cb兩者在雷達回波圖上均表現(xiàn)為大范圍強度為30～35 dBz的降水回波。不同之處是Cb云內30～35 dBz回波面積更大一些，Cb云內15、30～35、45 dBz雷達回波的垂直高度分別為8、6、4.0～4.5 km，ET、VIL一般分別為6～8 km、1～5 kg/m2；Asop云相應的探測值分別為4.5 km、3 km、2 km、3～5 km、<1 kg/m2，各項指標數(shù)值較Cb均偏低。

3.1.2Asop云系的催化方式。從圖1可以看出，11月30日長沙上空為大范圍的Asop層狀云系，長沙08：00探空0 ℃層高度為3 362 gpm，從RHI剖面圖上可以看出，0 ℃層以下附近雪溶化為雨，雷達回波反射率明顯增大[4]，ET顯示云頂高度為6～8 km。這屬于典型的播種云～供應云降水機制，高層云對下層的云進行冰晶的自然“播種”。低層云對從上面播種下來的冰晶提供了良好的生長條件，這樣的組合對降水的產生和增大十分有利[5]。對此冰水混合層狀云系應采用冷云催化，實施飛機人工增雨催化時由于層狀云中水汽上升速度較小，除對流區(qū)外，冰晶增后主要是下落，所以催化層高度應盡可能高些，以使人工冰晶能充分利用整個云層的增長條件提高降雨效率[6]。目前，我國各地飛機人工增雨作業(yè)選擇的催化溫度范圍一般為-5～-25 ℃[7-9]。高空-15 ℃附近凝華快、聚并強，對冰晶增長非常有利，應充分利用；而溫度>-5 ℃區(qū)，特別是>-3 ℃區(qū)，除對流強升速區(qū)外，引晶增雨的效果比較差；湖南省飛機增雨使用的碘化銀焰劑成核率較高，可以在-7 ℃以下水面飽和條件下采用；結合湖南省人工增雨作業(yè)飛機(“運七”或“安-26”)性能，其巡航高度一般僅在5 000 m左右。綜上所述，針對11月的Fn Asop這類層狀云系結構，播撒高度宜在5 000(-7 ℃)～5 500 m(-10 ℃)。

對于層狀云而言，一般作業(yè)播撒人工冰核的劑量要求為每飛行1 000 m播撒1 014個冰核，考慮湖南省人工增雨作業(yè)飛機巡航時速為420 km和催化劑種類(AgI焰劑、2.5 kg/根、燃燒時間25 min)、AgI焰劑在不同溫度條件下的核化率和劑量關系(-7 ℃、成核率為1 013個/g催化劑，達到20個/L人工冰晶濃度的催化劑量為20 g/km)，一般需采用2根AgI焰劑(焰條)同時燃燒。

3.2飛機人工增雨作業(yè)典型個例分析

3.2.12011年9月8日飛機人工增雨作業(yè)基本情況。2011年9月8日，受高空低槽、地面冷空氣及低層切變影響，湘西北地區(qū)出現(xiàn)有利降水天氣過程，但副高勢力較強，湘中及湘東北旱區(qū)(圖2)處雨區(qū)邊緣。07：30由長沙途經(jīng)汩羅—益陽—沅陵—常德返回長沙(圖2)，于09：58降落。此次飛行歷時148 min，在益陽、桃江地區(qū)發(fā)現(xiàn)大范圍層狀暖云，播撒了暖云催化劑；在沅陵縣上空，發(fā)現(xiàn)有濃積云，在0 ℃層附近的負溫層進行了繞飛和“擦邊播撒”冷云催化劑，同時燃燒5根冷云焰條，催化劑量約為71.5 g/km；在常德市附近再次在層積混合云的上升氣流區(qū)一側進行了冷云播撒(表2)。此次飛機增雨作業(yè)共燃燒冷云催化焰條6根播撒碘化銀共750 g、燃燒暖云催化焰條4根播撒暖云催化劑4 kg。其中一個很有研究意義的現(xiàn)象是在沅陵縣上空對處于降水天氣系統(tǒng)后部開始消散的濃積云經(jīng)過動力催化又重新發(fā)展并降小到中雨。

3.2.2效果評估。全省中小尺度氣象站網(wǎng)雨量統(tǒng)計顯示飛機增雨沿途催化地區(qū)普降小雨，其中沅陵地區(qū)降小到中雨，而未催化地區(qū)則為陰天未降雨。從作業(yè)后6 h地面雨量實況(圖3)可以看出，對沅陵上空的濃積云進行繞飛和“擦邊播撒”后，作業(yè)影響區(qū)和下風方向的降水量(4～5 mm)明顯比上風方(0.5 mm以內)大；常德市附近的降雨量次之，在益陽和桃江之間播撒暖云催化劑僅出現(xiàn)了0.1 mm降水。

表2　2011年9月8日飛機人工增雨作業(yè)催化情況統(tǒng)計

注：長沙探空站9月8日08：00探空0 ℃層高度為5 159 gpm。

3.2.2.1有物理條件約束的直觀對比法。 對沅陵地區(qū)濃積云催化的效果檢驗可以采用有物理條件約束的直觀對比法，符合以下物理限制條件：催化前濃積云云頂高度為7～8 km，對應云頂溫度為-9～-15 ℃，滿足播云溫度窗指標；被催化前濃積云云體狀態(tài)穩(wěn)定較為均勻，雷達顯示0 ℃附近有一定的過冷水含量；探空顯示500 hPa為8 m/s的SW風8 m/s，飛機播撒時基本垂直于作業(yè)高空風采取等間隔水平距離播撒；對比區(qū)和影響區(qū)受同一天氣系統(tǒng)影響，對比區(qū)可選在影響區(qū)的上風方向；人工引晶量約為105個/m3，選6 h內降雨量。

(1)計算影響區(qū)面積(S)。根據(jù)催化劑播撒路徑確定作業(yè)起止點的經(jīng)緯度位置，根據(jù)作業(yè)層高空風向風速確定催化劑的擴散范圍，得出一個比較規(guī)則的幾何區(qū)域，計算出影響區(qū)面積。據(jù)北斗地空通訊系統(tǒng)記錄的航跡圖計算此次飛行總距離為1 038 km，其中沅陵地區(qū)冷云催化246 km、常德地區(qū)冷云催化246 km、益陽地區(qū)暖云催化84 km，催化播撒總距離為576 km；按照中國氣象局飛機人工增雨(雪)作業(yè)業(yè)務規(guī)范，催化劑作為線源播撒至云的中、下部，其擴散寬度一般為3～6 km。9月8日08：00懷化探空站500 hPa為8 m/s的SW風，考慮高空風速較大，評估時取6 km擴散寬度，則作業(yè)影響區(qū)位于飛行軌跡的NE方向一側，S=576×6=3 456 km2，其中沅陵冷云催化影響區(qū)1 476 km2、常德冷云催化影響區(qū)1 476 km2、益陽暖云催化影響區(qū)504 km2。

(2)對比區(qū)的選擇。一是位于影響區(qū)的上風方或左、右側，不受催化污染；二是與影響區(qū)受同一天氣系統(tǒng)影響；三是面積相同。因為沅陵地區(qū)高空500 hPa為SW風，選取沅陵縣的NE方向為影響區(qū)、上風方SW方向為對比區(qū)。

(3)計算影響區(qū)雨量(R)。催化劑影響時效為3～6 h，影響時間的長短取決于催化劑量的大小，考慮此次冷云作業(yè)催化劑量較大，且作業(yè)后地面3～6 h雨量差別不大，綜合考慮選取6 h降雨量計算影響區(qū)內各雨量站雨量的算術平均值。沅陵縣NE方向影響區(qū)內6 h的平均降雨量R為4.5 mm。

(4)計算對比區(qū)雨量(R′)。統(tǒng)計、計算沅陵縣SW方向對比區(qū)平均降雨量R′為0.5 mm。

(5)計算增雨效果?？捎闷骄鲇炅亢驮黾咏邓偭縼肀硎尽Ｆ骄鲇炅俊鱎=R-R′=4.5-0.5=4 mm，增加降水總量=△R×S=4 mm×1 476 km2=5 904 000 m3。

以上為沅陵地區(qū)冷云作業(yè)催化效果。

常德地區(qū)冷云催化的效果檢驗采用增雨效率平均法。因為所催化云系屬于積云外圍云系，作業(yè)航跡方向與云系移動方向平行，航跡左側為積云降雨區(qū)、右側為無雨區(qū)，雨量差距明顯，而上風方向為沅陵地區(qū)冷云作業(yè)影響區(qū)已污染，難以選擇對比區(qū)，所以不適宜采用有物理條件約束的直觀對比法。為定量評估增雨效果，在此采用平均法計算增雨效果，取湖南單塊積云的增雨效率系數(shù)平均為0.28[10]，采用算術

平均法計算作業(yè)影響區(qū)面平均降雨量為1.73 mm，則平均增雨量=面平均降雨量×增雨效率系數(shù)=1.73 mm×0.28=0.48 mm，增加降水總量=平均增雨量×影響區(qū)面積=0.48 mm×1 476 km2=715 000 m3。

益陽地區(qū)暖云催化的效果檢驗采用簡單的直觀對比法。暖云催化僅出現(xiàn)了0.1 mm降水，其上風方向對比區(qū)無降水，所以增加降水總量=0.1 mm×504 km2=50 400 m3。

綜上所述，此次飛機增雨作業(yè)影響區(qū)面積為3 456 km2，濃積云、層狀冷云、層狀暖云催化平均增雨量分別為4.00、0.48、0.10 mm，增加降水總量為666.94萬t。

3.2.2.2雷達回波分析。 采用天氣雷達檢驗人工增雨效果很有實用價值，我國許多省市已經(jīng)使用新一代天氣雷達開展相應研究[11-14]。使用長沙CINRAD-SA多普勒天氣雷達產品對此次飛機增雨效果進行分析，具有重要參考價值。

(1)層狀云雷達回波分析。長沙雷達顯示在益陽、桃江有大范圍層狀云系，RHI產品顯示回波高度一般在600～3 200 m，回波強度為5～10 dBz,屬于層狀暖云(圖4)。飛機增雨作業(yè)播撒暖云催化劑以后僅出現(xiàn)了0.1 mm降水，未播暖云催化劑的對比區(qū)沒有降水，播撒前后雷達回波無明顯變化。

(2)積層混合云雷達回波分析。從飛機增雨對沅陵縣上空濃積云進行繞飛和擦邊播撒催化作業(yè)前后的雷達回波對比分析(圖5)可以看出，大劑量播撒冷云催化劑12 min后，處于降水天氣系統(tǒng)后部的濃積云回波面積擴大、強度增強，對應地面降雨量增大，說明增雨作業(yè)有效。

4小結與討論

(1)湖南秋季開展飛機人工增雨作業(yè)的主要云系是四類，包括Fn Scop、Fn Asop、Cb和Actra等。在秋季開展飛機人工增雨作業(yè)時間越往后氣象條件越安全，原因是積云和對流活動逐步減少；另一方面是季節(jié)越往后作業(yè)機會會逐步減

少，因為有云日、降雨日數(shù)均逐步減少。

(2)湖南秋季飛機人工增雨作業(yè)對冷云和暖云均進行催化作業(yè)，分別使用碘化銀和暖云焰條。初步實踐表明，對積層混合云系中的積狀云播撒冷云催化劑，可以取得較好的人工增雨效果，對其中的層狀冷云進行冷云催化效果次之；而對狀態(tài)穩(wěn)定、維持時間較長的層狀暖云進行暖云催化劑播撒作業(yè)僅可以降毛毛雨。

(3)2011年9月8日一次飛機人工增雨作業(yè)飛行時間為148 min，飛行總距離為1 038 km，其中播撒總距離為576 km，共播撒碘化銀750 g、暖云催化劑4 kg，作業(yè)影響區(qū)面積為3 456 km2，濃積云、層狀冷云、層狀暖云催化平均增雨量分別為4.00、0.48、0.10 mm，增加降水總量為666.94萬t。

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摘要統(tǒng)計分析2007～2011年長沙地區(qū)地面氣象觀測資料，得出秋季主要云系與基本特征；利用多普勒天氣雷達和飛機人工增雨作業(yè)探測資料對主要作業(yè)云系進行宏微觀分析，找出湖南秋季飛機人工增雨作業(yè)的主要催化對象和催化方式；使用中尺度WRF模式對作業(yè)天氣過程進行了數(shù)值模擬，結合全省中小尺度氣象站網(wǎng)雨量資料和多普勒天氣雷達回波情況對作業(yè)效果進行檢驗與評估。結果表明，湖南秋季飛機人工增雨作業(yè)云系主要是四類，包括Fn Scop、Fn Asop、Cb和Actra等；飛機增雨對積層混合云系中的積狀云播撒冷云催化劑，可以取得較好的人工增雨效果，對其中的層狀冷云進行冷云催化效果次之；而對狀態(tài)穩(wěn)定、維持時間較長的層狀暖云進行暖云催化劑播撒作業(yè)僅可以降毛毛雨。

關鍵詞飛機；人工增雨；積層混合云；層狀云；秋季降雨；天氣類型

Rainfall Weather Types in Autumn in Changsha Area and Aircraft Artificial Precipitation Enhancement Technology

XU Dong-ying1, WANG Lu2, WANG Zhi-ping1et al(1. Hunan Weather Modification Directing Center, Changsha, Hunan 410118; 2. Hunan Meteorological Observatory, Changsha, Hunan 410118)

AbstractBased on the statistical analysis of the ground meteorological observation data from 2007 to 2011 in Changsha, the main cloud system with the basic characteristics in autumn has been abtained. Using by the Doppler weather radar and aircraft artificial precipitation enhancement operation sounding data, we conducted macro and micro analysis of main opertation cloud system and found out the main catalyst objects and methods of aircraft artificial precipitation enhancement in autumn in Hunan Province. Several operation weather process was simulated by the mesoscale model WRF and carried out the operational effect testing and evalustion with the province's the mesoscale weather station network rainfall information and Doppler weather radar echo data. The results show : clouds have mainly four type for Hunan autumn aircraft artificial precipitation: Fn Scop, Fn Asop, Cb and Actra etc. aircraft operations seeds cold cloud catalyst on cumulus of convective-stratiform mixed clouds, so you can get a better effect; which seeds cold cloud catalyst on stratiform cold cloud of convective-stratiform mixed clouds, effect followed, but aircraft operations seeds warm cloud catalyst in warm stable stratiform clouds, it has been drizzling.

Key wordsAircraft; Artificial precipitation enhancement; Convective-stratiform mixed cloud; Stratiform cloud; Precipitation in autumn; Weather types

收稿日期2015-04-28

作者簡介徐冬英(1964-)，女，湖南長沙人，工程師，從事人工影響天氣研究。

基金項目湖南省氣象局重點科研項目“湖南飛機人工增雨催化技術研究”。

中圖分類號S 423+.9

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)18-219-04