劉 晴，王兆宇

(1.天津市人工影響天氣辦公室 天津300074；2.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點實驗室 北京100081)

0 引 言

近幾十年來，云降水物理和人工影響天氣理論技術(shù)方面所取得的成果，與外場試驗研究密切相關(guān)，而外場試驗又主要以飛機增雨作業(yè)和探測為核心。國際上，澳大利亞STEP熱帶試驗，利用機載光散射成像儀，測量熱帶地區(qū)積雨云云砧與臺風(fēng)和云團系統(tǒng)的關(guān)系[1]；Brown[2]在飛機探測試驗中利用機載總水量探頭，改進云中冰相水含量的測量方法；美國NCAR利用逆流粒子取樣器和機載探空儀器，對比分析混合相態(tài)云中的凝結(jié)水含量[3]。國內(nèi)，張佃國等[4]開展4架次的飛機探測，獲得北京及周邊地區(qū)云中小云粒子最大濃度的變化范圍和平均直徑；秦彥碩等[5]分析飛機探測資料，綜合分析河北地區(qū)層狀云的微物理特征，發(fā)現(xiàn)雷達反射率相關(guān)性遠高于云黑體亮溫。

針對飛機人工增雨作業(yè)，除必須關(guān)注催化對象、催化時機、催化部位等客觀條件外，還必須主觀上嚴格科學(xué)地設(shè)計播云航線[6]，科學(xué)合理的飛行航線對云的綜合探測十分重要[7-8]。過去針對飛機增雨綜合觀測分析的研究很多，但專門針對某一區(qū)域的飛行方案和播云航線的設(shè)計和改進還很少。國際上，Rosenfeld[9-10]對積云的飛行探測方案進行科學(xué)合理的設(shè)計，發(fā)現(xiàn)氣溶膠和降水之間的相互影響。國內(nèi)，濮江平[11]對大尺度鋒面云系、小尺度積云結(jié)構(gòu)、中尺度云帶結(jié)構(gòu)等的飛行方案進行分析總結(jié)；劉健等[12]研究吉林省層狀云中的過冷水含量分布，發(fā)現(xiàn)垂直于高空風(fēng)的“U”型水平播撒為最佳飛行方案；蔡兆鑫等[13]分析張家口一次飛機增雨過程的播撒航線，從微物理角度研究作業(yè)效果；游積平等[14]在佛山、江門地區(qū)，采用特定高度盤旋上升的方案，發(fā)現(xiàn)氣溶膠粒子自下而上存在累積層、遞減層和增加層。

本文統(tǒng)計歸納天津及周邊地區(qū)2013—2014年兩年中44次飛機外場試驗，對作業(yè)區(qū)域、作業(yè)高度、播撒方式和飛行方案設(shè)計進行分析，結(jié)合多個典型實例，找出實際方案設(shè)計中亟待解決的問題，提出改進方案并進行可行性分析，擬為相關(guān)科研業(yè)務(wù)人員提供參考。

1 資料介紹

2013年上半年，天津市人工影響天氣辦公室開始在外場增雨飛機上搭載PMS粒子測量系統(tǒng)，嘗試開展對氣溶膠粒子、云粒子等的飛機增雨探測工作。天津及周邊地區(qū)2013—2014年全部44次飛機外場試驗資料見表1。

表1 天津及周邊地區(qū)2013—2014年外場飛行概況Tab.1 Flight survey in 2013 and 2014 in Tianjin Area

2 資料分析

因天津地區(qū)夏季降水量最多，冬季降水量極少，且10月至次年5月底總雨雪量僅占全年的20%，所以飛機人工增雨作業(yè)只在每年春季和秋季開展。影響春季降水的主要天氣系統(tǒng)是蒙古氣旋、江淮氣旋和東北回流高壓等；影響秋季降水的主要天氣系統(tǒng)是冷切變、東北回流高壓和倒槽等。同時由于天津降水空間分布很不均勻，東西方向差異小，南北方向差異較大，雨量由北向南呈現(xiàn)遞減趨勢[15]，遂以天津濱海國際機場所在緯線位置為南北界，設(shè)定兩個飛機增雨作業(yè)區(qū)，分別為北部作業(yè)區(qū)和南部作業(yè)區(qū)(圖1)。

圖1 天津及周邊區(qū)域飛機人工增雨作業(yè)區(qū)布局圖Fig.1 Layout diagram of aircraft precipitation enhancement in Tianjin Area

2.1 作業(yè)區(qū)域分析

整理2013—2014年飛機增雨試驗覆蓋區(qū)域。由圖2可見，飛機增雨試驗主要集中在薊縣、寶坻、寧河，以及河北玉田、遵化，針對濱海新區(qū)和其他區(qū)縣開展的試驗很少，所占比例不到12%，濱海國際機場位于東麗區(qū)，導(dǎo)致該區(qū)域上空航線分布比較密集，由于空域限制，無法開展針對東麗區(qū)的飛機增雨試驗。

圖2 2013、2014年飛機增雨區(qū)域分布餅狀圖Fig.2 Pie chart of regional distribution of aircraft precipitation enhancement in 2013 and 2014

2.2 飛行播撒方式分析

天津飛機增雨試驗在春秋兩季開展，分析影響降水的主要天氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)播云對象主要是大范圍層狀云系，最常使用的兩種飛行方式是垂直播撒和水平播撒。通過統(tǒng)計分析2013—2014年飛機外場試驗資料，由表2可見，水平飛行播撒在北部作業(yè)區(qū)應(yīng)用頻次最高；垂直飛行播撒在兩個作業(yè)區(qū)的應(yīng)用頻率都很低，但也呈現(xiàn)出北部作業(yè)多于南部的現(xiàn)象。

表2 2013—2014年飛行方案的統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistical results of flight scheme in 2013 and 2014

2.2.1 垂直飛行播撒方案分析

由表2可知，2年內(nèi)共進行6架次垂直方向飛行播撒試驗。圖3是典型實例的三維飛行軌跡。2013年10月13日試驗，作業(yè)區(qū)域在寧河上空，15∶55點燃煙條，飛機在同一區(qū)域3個不同高度層(3900、4200、4500m)實施增雨作業(yè)，17∶05結(jié)束催化，隨后下降高度在4200、3900m高度層平飛探測；2014年5月11日試驗，作業(yè)區(qū)域在寧河、寶坻上空，飛機在同一區(qū)域2個不同的高度層(4600m和4000m)進行平飛催化。

圖3 垂直飛行方案典型個例軌跡Fig.3 Aircraft path of typical vertical flight cases

以2013年10月13日試驗為例，分析方案設(shè)計的優(yōu)缺點。環(huán)流背景形勢逐漸向有利于天津出現(xiàn)降水調(diào)整。08∶00700hPa中高緯地區(qū)有高空槽在向偏東方向移動，天津?qū)儆谄黠L(fēng)控制；20∶00高空槽東移至天津上空。結(jié)合地面形勢，08∶00地面為東高西低的形勢，冷鋒位于內(nèi)蒙古中部-河套西北部-青海東北部一帶，逐漸向東移動。分析14∶00北京探空資料，-10℃層高度在5000m左右，降水偏穩(wěn)定性。由圖4可見，在4200m高度層，小云粒子濃度比氣溶膠粒子濃度大2個量級；催化后小云粒子的濃度較催化前明顯增加，在整段飛行過程中出現(xiàn)了3個峰點，最大峰值濃度達到3×108個/m3，小云粒子濃度的峰值區(qū)恰好與氣溶膠粒子濃度的谷值區(qū)一致。

圖4 催化前后云中氣溶膠粒子和云粒子的濃度Fig.4 Concentration of aerosol and cloud particles at different phases

2.2.2 水平飛行播撒方案分析

由于溫度低于0 °C后，云中液態(tài)含水量隨著溫度的降低而減少，冷云催化劑AgI成核率會隨溫度下降而增加，綜合考慮，冷云增雨試驗的作業(yè)高度應(yīng)選在-5～-10℃高度層之間。而天津北部作業(yè)區(qū)春秋兩季層狀降水云系0℃層高度一般低于4000～4500m。北部作業(yè)區(qū)水平飛行播撒方式共開展35架次試驗，剔除2013年4月28日、2013年10月1日和2014年6月8日3架次不科學(xué)試驗(由于機場空中管制部門對飛行高度進行限制，無法在預(yù)設(shè)高度飛行)，對剩余32架次試驗的作業(yè)高度進行研究。由圖5可見，2013—2014年水平播撒方式在天津北部作業(yè)區(qū)的催化高度確實主要集中在4000～4500m高度層，符合冷云催化基本要求。

圖6是典型實例的三維飛行軌跡。2014年5月10日試驗，作業(yè)區(qū)域在薊縣、寶坻上空，10∶30飛機起飛，10∶49飛行高度達到過冷云水層高度(4900m左右)開始向北平飛，至40.5°N轉(zhuǎn)向東平飛，11∶12點燃焰條，保持高度平飛催化，11∶54結(jié)束催化和平飛；2014年5月1日試驗，作業(yè)區(qū)域在薊縣、唐山和承德上空，平飛催化高度為4500m；2014年4月26日試驗，作業(yè)區(qū)域在寶坻上空，平飛催化高度為4600m；2014年4月25日試驗，作業(yè)區(qū)域在寶坻、薊縣和唐山上空，平飛催化高度為5000m。

圖5 2013—2014年水平播撒方式在北部作業(yè)區(qū)的催化高度Fig.5 Seeding height of horizontal route in the northern areas in 2013 and 2014

圖6 水平飛行方案典型個例軌跡Fig.6 Aircraft path of vertical typical cases

以2014年5月10日試驗為例，分析方案設(shè)計中優(yōu)缺點。由圖7和圖8可見，08∶00 500hPa高度場配合地面實況資料，受東移高空槽和地面倒槽的共同影響，天津處于有利降水的環(huán)流背景條件。隨著系統(tǒng)整體東移，作業(yè)區(qū)具有較好的動力抬升條件，也是產(chǎn)生降水的基本動力條件；天津地區(qū)過冷云水位于0～-20℃層(高度4000～5500m)。由圖9可見，平飛催化之前氣溶膠粒子和小云粒子的濃度隨時間變化趨勢基本一致，濃度相差2個數(shù)量級；而平飛催化過程中，兩者濃度隨時間變化趨勢產(chǎn)生明顯差異，氣溶膠粒子急劇上升，小云粒子持續(xù)走低并趨于穩(wěn)定。由于本個例只進行直線平飛催化，無返回探測飛行，故很難對兩者濃度變化的原因進行解釋。

圖7 08∶00 500hPa和850hPa高度場Fig.7 Aerographical chart at 500，850 hPa at 08：00(BJT)

2.2.3 小結(jié)

垂直播撒飛行方案典型實例的航線設(shè)計，其優(yōu)點是在垂直方向上對同一區(qū)域進行逐層播撒，有助于提高催化成效；但也存在較大的缺陷，即雖然對同一區(qū)域不同高度層進行飛行播撒(或探測)，收集到該區(qū)域作業(yè)前后云中微物理參數(shù)資料，但很難保證第二次催化(或探測)的范圍就是第一次催化(或探測)的云區(qū)，這為作業(yè)結(jié)束后的效果分析增加了難度。

水平播撒飛行方案典型實例的航線設(shè)計，其缺陷比較明顯。首先，平飛催化前期缺少對作業(yè)云宏觀結(jié)構(gòu)和云微物理參數(shù)的垂直探空，以至于不能根據(jù)實時探測到的0、-5、-10℃層高度來修改作業(yè)催化高度，可能造成催化位置失準的不利結(jié)果；其次，平飛催化結(jié)束后，沒有返回催化區(qū)域進行回穿探測，無法利用探測資料對比分析作業(yè)效果；最后，沒有充分地利用已布設(shè)的雨滴譜儀等地面探測設(shè)備。

3 方案改進和可行性分析

通過對現(xiàn)有飛行方案改進，設(shè)計出天津北部作業(yè)區(qū)兼顧探測和作業(yè)飛行方案。

3.1 北部作業(yè)區(qū)兼顧探測和作業(yè)飛行方案

首先根據(jù)作業(yè)條件預(yù)報和臨近預(yù)警制定作業(yè)預(yù)案，即根據(jù)地面、850、700、500hPa天氣形勢，衛(wèi)星云圖，模式預(yù)報產(chǎn)品，確定0、-5、-10℃層高度、云系范圍、移向移速等信息，設(shè)計航線預(yù)案；然后根據(jù)雷達實時監(jiān)測資料、加密探空資料和垂直盤旋上升探測結(jié)果修訂作業(yè)航線；最后收集作業(yè)信息(空地基儀器采集的所有數(shù)據(jù)資料)進行效果評估。

航線設(shè)計要求預(yù)設(shè)3個區(qū)域，即垂直盤旋上升探測區(qū)、水平蛇形播撒作業(yè)區(qū)和水平回穿探測區(qū)。

該方案已在天津北部作業(yè)區(qū)初步應(yīng)用，以2015年11月13日飛機增雨試驗為例，當天高空風(fēng)為西南風(fēng)，0℃層高度2950m，-5℃層高度3850m；垂直探測區(qū)選在寧河北部(上風(fēng)方)；水平作業(yè)區(qū)選在薊縣、寶坻、玉田部分地區(qū)，播撒高度3900m；催化后下降300m高度，返回蛇形播撒區(qū)進行回穿探測。圖10a為航線三維軌跡圖，圖10b中黑色五角星位置為地面雨滴譜位置。

3.2 可行性分析

影響雷達反射率因子Z與降水強度R之間關(guān)系的因素，除了時間、空間以及地理位置以外，也包括人工對云的干涉。如果使用該方案在北部作業(yè)區(qū)目的明確地進行多次試驗，收集并分析飛機作業(yè)前和作業(yè)后雨滴譜資料，分析比較催化對同一區(qū)域?qū)訝钤葡礪-R關(guān)系的影響情況，也是一種對作業(yè)效果的分析方法。

圖10 2015年11月13日外場增雨作業(yè)軌跡Fig.10 Aircraft path on Nov.13，2015

圖11 北部作業(yè)區(qū)飛行方案在4個不同風(fēng)向下的應(yīng)用Fig.11 Application of the aircraft scheme in north seeding area in four different wind directions

雖然本方案航線需要根據(jù)云系降水特征和高空風(fēng)分布狀況進行設(shè)計，但是由于北部作業(yè)區(qū)地面雨滴譜儀布設(shè)位置較密集且均勻(圖10b)，該方案只需根據(jù)高空風(fēng)來向在方向上進行整體調(diào)整，即可多次反復(fù)應(yīng)用。圖11為該方案在不同風(fēng)向下的應(yīng)用情況，圖中標注出地面雨滴譜儀和垂直盤旋上升探測區(qū)的位置。綜上，認為該方案在天津北部作業(yè)區(qū)具有一定的區(qū)域適用性和可行性。

4 結(jié) 論

①統(tǒng)計歸納天津及周邊地區(qū)2013—2014年2年中全部44次飛機增雨試驗，試驗主要集中在薊縣、寶坻、寧河，以及玉田、遵化上空開展，針對濱海新區(qū)和其他區(qū)縣開展的試驗很少，所占比例不到12%。

②以天津濱海國際機場所在的緯線位置為南北界，劃分北部作業(yè)區(qū)和南部作業(yè)區(qū)；飛機播云對象主要是大范圍層狀云系，最常使用的飛行方式是垂直播撒和水平播撒；水平播撒在北部作業(yè)區(qū)應(yīng)用頻次最高，垂直播撒在兩個作業(yè)區(qū)的應(yīng)用頻率都很低，但也呈現(xiàn)出北部作業(yè)多于南部的現(xiàn)象。

③2013—2014年水平播撒方式在北部作業(yè)區(qū)的催化高度主要集中在4000～4500m高度層，符合冷云催化基本要求。

④結(jié)合多個典型個例，發(fā)現(xiàn)方案設(shè)計中的缺陷。首先，很難保證二次催化(或探測)的范圍仍是第一次催化(或探測)的云區(qū)，為效果分析增加難度；其次，平飛催化前期缺少對作業(yè)云宏觀結(jié)構(gòu)和微物理參數(shù)的垂直探空；再次，平飛催化結(jié)束后沒有返回催化區(qū)域進行回穿探測；最后，沒有充分利用已布設(shè)的雨滴譜儀等地面探測設(shè)備，很難對飛機作業(yè)效果進行分析評價。

⑤改進設(shè)計出天津北部作業(yè)區(qū)兼顧探測和作業(yè)飛行方案，該方案由垂直盤旋上升探測區(qū)、水平蛇形播撒作業(yè)區(qū)和水平回穿探測區(qū)構(gòu)成。以2015年11月13日飛機增雨試驗為例，發(fā)現(xiàn)該方案在北部作業(yè)區(qū)具有一定區(qū)域適用性和可行性。