(吉林省白山市氣象局,白山 134300)
白山市地處長白山腹地,林地面積129 km2,占全市總土地面積85.6%,是吉林省的重點(diǎn)林區(qū)之一,也是吉林省發(fā)生森林火災(zāi)最多的地區(qū)之一[1]。近年來受全球變暖和厄爾尼諾等天氣現(xiàn)象影響,白山市年降雨量呈現(xiàn)波動(dòng)劇烈特征,同時(shí),隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快,森林銳減、土地退化、環(huán)境污染、水土流失等生態(tài)問題日益突出,嚴(yán)重威脅著區(qū)域發(fā)展和生態(tài)安全[2]。如何預(yù)防和減輕氣象災(zāi)害,保護(hù)生態(tài)環(huán)境已成為當(dāng)前亟待解決的問題。崔金剛等[3]、蔣愛紅等[4]、趙剛等[5]均具體分析了人工影響天氣在氣象防災(zāi)減災(zāi)中的作用,并提出了如何促進(jìn)人工影響天氣發(fā)展的建議。
本文分析了白山市降水量的時(shí)間和空間分布特征,詳細(xì)總結(jié)了森林防火、林木生長、水庫蓄水等對森林防火的需求,結(jié)合白山市人工增雨現(xiàn)狀,提出了白山人影工作的重要性及其經(jīng)濟(jì)和社會效益,并提出相關(guān)意見和建議。
白山市在20世紀(jì)90年代初開始開展人影作業(yè)。近年來人影作業(yè)能力發(fā)展迅速,針對春夏連旱和森林火險(xiǎn)等級偏高,森林火情頻繁的異常氣候,大力開展人影作業(yè),在撲滅山火、水庫蓄水和農(nóng)業(yè)抗旱中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。近7年來,全市累計(jì)開展地面增雨作業(yè)達(dá)45次,增加降雨量約3億 m3。
目前,白山人影作業(yè)正在由春秋兩季季節(jié)作業(yè)向全年作業(yè)轉(zhuǎn)變,由單純增雨作業(yè)向增雨、增雪作業(yè)轉(zhuǎn)變,由移動(dòng)增雨作業(yè)向移動(dòng)作業(yè)和固定作業(yè)相結(jié)合轉(zhuǎn)變,由原始的人工作業(yè)向現(xiàn)代化的自動(dòng)作業(yè)和人工增雨作業(yè)相結(jié)合轉(zhuǎn)變。人工影響天氣在森林防火、水庫蓄水、農(nóng)業(yè)抗旱等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用,成為白山市防災(zāi)減災(zāi)的重要手段之一。
2012年以來,政府持續(xù)加大人影投入力度,白山人影地面作業(yè)能力顯著提高。2012年,全市統(tǒng)一采購了移動(dòng)增雨作業(yè)專用車輛5輛,車載式增雨作業(yè)火箭發(fā)射架和牽引式增雨作業(yè)火箭發(fā)射架共10部,我市初步具備了移動(dòng)增雨作業(yè)能力。2015年,以東北人影工程建設(shè)為契機(jī),白山市氣象局集中精力,大力推進(jìn)固定增雨作業(yè)站建設(shè)和設(shè)備采購工作。白山市現(xiàn)有地面作業(yè)站30個(gè),其中地面固定作業(yè)站16個(gè),移動(dòng)作業(yè)站14個(gè)。增雨火箭24部,地面增雨煙爐6部,人影彈藥箱18個(gè),增雨專用車輛5輛,同時(shí)購置配備了作業(yè)人員專用對講機(jī)、頭盔、單兵背囊、作業(yè)服裝、野外帳篷等各類專業(yè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了市、縣、作業(yè)站3級實(shí)時(shí)人影作業(yè)遠(yuǎn)程指揮功能。目前全市年增雨(雪)作業(yè)能力可達(dá)1~3億 m3,作業(yè)范圍可以覆蓋全市1.7萬平方公里土地,平均每年開展大規(guī)模人影作業(yè)8次以上,實(shí)現(xiàn)了白山市人影作業(yè)能力和科學(xué)作業(yè)水平的跨越式發(fā)展 。
白山市降水量和水資源量在時(shí)間和空間上分布極不均勻。白山地區(qū)年降水量平均為813.6 mm,空間上各地降水量相差較大(圖1),呈現(xiàn)由西北向東南降雨量逐漸減少趨勢。江源區(qū)年降水量最大,長白縣降水量最少,兩者相差164 mm,分布極為不均。根據(jù)2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),全市人均水資源量0.601萬 m3/人,但各地人均水資源量同樣差別很大,尤其是江源區(qū)和渾江區(qū),人均水資源量還沒有達(dá)到全國平均水平(圖2)。
白山市降水量在時(shí)間上呈現(xiàn)年際變化大,年內(nèi)分配不均的特征。統(tǒng)計(jì)2005—2014年年降水量情況,發(fā)現(xiàn)降水量年際變化顯著,尤其是2008年以來,波動(dòng)劇烈。最大年際降水量(2010年)和最小年際降水量(2014年)之比達(dá)到1:0.53,差距十分顯著(圖3)。
圖1 白山各縣(市、區(qū))各地年降水量對比圖(單位:mm)Fig. 1 Comparison of average annual precipitation in counties, cities or districts (unit: mm)
圖2 白山各縣(市、區(qū))人均水資源對比圖(單位:萬 m3/人)Fig. 2 Comparison of per capita water resources in counties, cities or districts
圖3 2005—2014年白山市年平均降水量時(shí)間序列Fig. 3 Time series of annual precipitation in Baishan city during 2005-2014
白山市距離渤海灣不足200 km,空中水汽充沛,充足的水汽由西南風(fēng)源源不斷的從渤海灣輸送到白山地區(qū)。白山市年平均降水量為859.6 mm,年均降水日數(shù)達(dá)191 d,白山市具備全季節(jié)開展人工增雨(雪)作業(yè)天氣條件。時(shí)間和空間分配不均的水資源現(xiàn)狀則形成了對開展人工增雨(雪)作業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求。
白山市地處長白山腹地,森林覆蓋率達(dá)83%,占長白山林木資源的60%。轄區(qū)內(nèi)有6個(gè)國有林業(yè)局和6個(gè)地方林業(yè)局,境內(nèi)有國家自然保護(hù)區(qū)2個(gè),國家風(fēng)景名勝區(qū)5個(gè),國家森林公園8個(gè)。截止2015年,已經(jīng)連續(xù)35年無重大森林火災(zāi),但每年防火季節(jié)局部火情不斷,據(jù)白山市林業(yè)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),1989—2010年,全市共發(fā)生火情67次,過火面積達(dá)118.56 ha。近年來白山市火情成逐年上升趨勢(圖4),防火壓力逐年增加。每年森林防火期開展針對性人工增雨作業(yè)需求較為迫切,特別是出現(xiàn)突發(fā)性森林火情時(shí),人工增雨常常成為迅速撲滅山火的唯一有效方法。近年,全市平均每年開展森林防火人影作業(yè)約4~5次,成為森林防火的重要手段之一。
圖4 1989—2010年白山市森林火情次數(shù)時(shí)間序列(單位:次)Fig. 4 Annual times of forest fires in Baishan 1989-2010 during
長白山區(qū)樹木生長與降水量關(guān)系密切,針葉林和闊葉林年輪寬度同生長季前期的降雨或降雪量密切相關(guān)。林下經(jīng)濟(jì)主要是指以林地資源和森林生態(tài)環(huán)境為依托,發(fā)展起來的林下種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、采集業(yè)和森林旅游業(yè)等產(chǎn)業(yè)。白山市林下資源豐富,境內(nèi)有1500余種經(jīng)濟(jì)植物,人參產(chǎn)量占全國人參產(chǎn)量的80%。人參、中草藥等特產(chǎn)業(yè)與降水關(guān)系密切,尤其是冬季充足的降雪量是人參等經(jīng)濟(jì)作物順利越冬的重要保障。人參適宜在潮濕環(huán)境下生長,土壤濕潤、空氣濕度大對人參生長發(fā)育有利。據(jù)分析得出,人參產(chǎn)量與年平均相對濕度關(guān)系密切,在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系[6]。
近年來,由于人影作業(yè)宣傳力度加大,人參種植大戶和山林承保大戶對全年開展人影作業(yè)的需求逐年提高。
白山市境內(nèi)有鴨綠江、松花江、渾江三大水系,全市水資源總量為80億 m3。目前已新、擴(kuò)建水電站53座。鴨綠江流域有中朝兩國已建云峰電站等4座大型水電站及40座小、中型水電站。松花江流域有小山電站,下游有白山電廠等大型電站。同時(shí)境內(nèi)有曲家營水庫等7座大型飲用水水庫,其他中小型水庫200余座。2007年統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示,全市入境地表水資源量為27.43億 m3,出境量為110.67億 m3。
近年來,受全球變暖和厄爾尼諾等天氣現(xiàn)象等影響,白山市天氣氣候異常,同時(shí)伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展,各縣市區(qū)居民飲用水水源地需水量也逐年增加,各級水庫每年枯水季對人工增雨需求迫切,尤其是個(gè)別年份冬季降水偏少,春季水庫蓄水明顯不足,開展人工增雨(雪)作業(yè)成為緩解水庫蓄水不足的重要手段。
農(nóng)業(yè)抗旱主要針對備春耕期間旱情及夏秋季旱情開展人影作業(yè)。白山市糧食產(chǎn)量偏低,但農(nóng)村特產(chǎn)業(yè)種植戶相對較多,因此對人影作業(yè)有一定需求,全市平均每年開展農(nóng)業(yè)人影作業(yè)約1~2次。
2012年5月29日12時(shí)30分,吉林省白山市撫松縣境內(nèi)長白山國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)西坡、錦江峽谷梯子河高山花園處長白山林區(qū)發(fā)生森林火災(zāi)。衛(wèi)星遙感監(jiān)測熱點(diǎn)200 ha,過火面積30 ha。白山市氣象局立即啟動(dòng)預(yù)案,成立氣象服務(wù)應(yīng)急指揮部,下設(shè)現(xiàn)場應(yīng)急指揮決策組、天氣信息情報(bào)組、后勤保障組和前方人影作業(yè)組,明確分工。決策組立即趕至300 km外的長白山管委會應(yīng)急指揮中心,開展各項(xiàng)工作。同時(shí)市、縣氣象局聯(lián)合行動(dòng),應(yīng)急人員及物資到位,迅速開展應(yīng)急氣象服務(wù)保障。由市局及5個(gè)縣氣象局共35人組成的前方人影組攜帶5部增雨火箭發(fā)射架、57枚火箭彈向火場集結(jié)、待命。省人工影響天氣中心調(diào)配2部火箭架、201枚火箭彈及時(shí)增援,同時(shí)增派兩架人影作業(yè)飛機(jī),實(shí)時(shí)指導(dǎo)人影作業(yè)。16時(shí)30分,情報(bào)組初步判斷29日23時(shí)—30日02時(shí)、30日午后至傍晚有兩個(gè)增雨作業(yè)時(shí)間窗口,最終鎖定30日01時(shí)20分、03時(shí)40分、07時(shí)13分可以開展人工增雨作業(yè),作業(yè)人員克服夜間和山區(qū)作業(yè)的雙重困難,在現(xiàn)場設(shè)置了3個(gè)臨時(shí)火箭作業(yè)站點(diǎn),01時(shí)20分—3時(shí)00分,03時(shí)40分—04時(shí)30分,07時(shí)13—58分,隊(duì)伍接連兩次再上長白山,共進(jìn)行4輪增雨作業(yè),作業(yè)后火區(qū)出現(xiàn)中雨,火場降雨11.2 mm,上游1.2 mm,下游17.3 mm,同時(shí)段非作業(yè)區(qū)無明顯降雨。增雨效果非常明顯。08時(shí)05分,省人工影響天氣中心兩架增雨作業(yè)飛機(jī)飛臨火場上空,開展第五輪增雨作業(yè)。09時(shí),伴隨降雨森林火情基本解除。
2017年12月—2018年2月26日,白山市區(qū)降雪量為23.7 mm,較歷年偏少43.9%,造成上游來水量大幅度減少,市區(qū)水源地曲家營水庫來水量明顯不足。曲家營水庫2018年2月26日上午08時(shí),水庫水位574.88 m,庫容703萬m3,有效庫容213萬 m3,市區(qū)珍珠門和庫倉溝兩處地下水水源供水量減少到5000 m3/日。
為緩解供水緊張局面,按照市政府要求,市氣象局在2月28日、3月7日和3月15日連續(xù)開展了3次人工增雪作業(yè)。為確保取得實(shí)效,市局提出了合理布局、科學(xué)作業(yè)的要求。作業(yè)前組織人員到水源地實(shí)地考察,根據(jù)天氣系統(tǒng)來向和火箭增雪催化影響范圍,在水源地匯流區(qū)上游設(shè)立了4個(gè)增雪作業(yè)站點(diǎn),間隔2~4 km,成四邊形分布,每個(gè)點(diǎn)設(shè)置1部火箭發(fā)射架。作業(yè)開始前多次進(jìn)行天氣會商、確定作業(yè)方案。為確保作業(yè)信息真實(shí)準(zhǔn)確,作業(yè)過程中采取統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調(diào)配、分工明確、分時(shí)段、多輪次作業(yè)的方式進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)過程中根據(jù)雷達(dá)回波和天氣系統(tǒng)演變情況,隨時(shí)調(diào)整火箭方位角和仰角,每次發(fā)射向左(右)調(diào)整5°左右方位角,形成扇形作業(yè)面,作業(yè)過程中隨時(shí)拍照、隨時(shí)上報(bào)作業(yè)量。做到適當(dāng)時(shí)機(jī)、適當(dāng)部位、適當(dāng)劑量、科學(xué)作業(yè)。為保證作業(yè)效果,作業(yè)時(shí)間從系統(tǒng)影響初期一直持續(xù)到系統(tǒng)結(jié)束前2~3小時(shí),根據(jù)雷達(dá)回波演變情況,間隔40 min左右請令作業(yè)一次,如不具備作業(yè)條件則暫停作業(yè)。三次過程分別作業(yè)5輪次、5輪次和8輪次。
3次增雪作業(yè)共出動(dòng)4個(gè)縣市區(qū)的火箭發(fā)射架10部次,作業(yè)車輛13輛次,作業(yè)人員39人次參與作業(yè),共開展人影作業(yè)19輪次,發(fā)射增雨火箭彈181枚。
第一次增雪作業(yè)后,作業(yè)影響區(qū)出現(xiàn)暴雪天氣,作業(yè)影響區(qū)新增積雪深度18 cm,降雪量達(dá)15 mm。對比市區(qū),作業(yè)區(qū)降雪量增加約8.3 mm。第二次增雪作業(yè)后,作業(yè)影響區(qū)出現(xiàn)大雪天氣,降雪量達(dá)5.7 mm。對比市區(qū),作業(yè)區(qū)降雪量增加1.4 mm,高于非作業(yè)區(qū)域32%。第三次增雨(雪)作業(yè)后,作業(yè)影響區(qū)出現(xiàn)雨轉(zhuǎn)雪天氣,作業(yè)區(qū)降水量達(dá)20 mm。同一時(shí)間段市區(qū)降雪量為15.3 mm,臨江降水量11.2 mm,人工增雨(雪)作業(yè)增加降水量約7 mm。
3次增雪作業(yè)后庫區(qū)匯流區(qū)累計(jì)增加降水量約410萬 m3,為增加白山市飲用水水源的蓄水量起到了重要作用。3月14日08時(shí)—16日08時(shí),水庫入庫流量達(dá)210萬 m3,市區(qū)飲用水供水緊張局面得到了有效緩解,人影作業(yè)取得階段性勝利。
2014年7—8月,白山市出現(xiàn)有記錄以來的最嚴(yán)重汛期氣象旱情,8月7日,白山市氣象局根據(jù)不同天氣系統(tǒng)和干旱區(qū)域,在全市范圍選取了21個(gè)移動(dòng)增雨作業(yè)點(diǎn)。并與市農(nóng)委、市水文局、渾江區(qū)政府進(jìn)行會商,確定增雨方式和作業(yè)區(qū)域。12日召開全市抗旱增雨部署會,制定人工增雨作業(yè)方案,調(diào)配人員和設(shè)備,部署增雨抗旱。8月13—14日,長白、撫松、靖宇、臨江分別進(jìn)行了人工增雨作業(yè),作業(yè)效果顯著。8月15日渾江區(qū)已經(jīng)連續(xù)20 d沒有降雨,當(dāng)天下午渾江和江源區(qū)出現(xiàn)了難得的作業(yè)窗口,相關(guān)人員立即行動(dòng)開展增雨作業(yè),作業(yè)后影響區(qū)普降小雨。8月16—25日作業(yè)人員克服困難、再次連續(xù)進(jìn)行8輪增雨作業(yè),一舉解除了農(nóng)業(yè)旱情,增加了水庫蓄水,再次得到市領(lǐng)導(dǎo)和群眾的肯定。
白山市地處長白山主峰的西部和南部,平均海拔較高,是松花江、鴨綠江、渾江三江的源頭,撫松縣、靖宇縣為松花江上游地區(qū),長白縣、臨江市為鴨綠江上游地區(qū),江源區(qū)、渾江區(qū)(白山市區(qū))為渾江上游地區(qū)。根據(jù)撫松小山電站水庫入庫流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),5—10月出現(xiàn)10 mm以上量級降雨時(shí),50%以上的降水量通過三條河流流向下游地區(qū);冬季降雪在3—4月會形成桃花水,其中大部分桃花水匯流進(jìn)入各級河流,并最終流向下游地區(qū)。目前已經(jīng)有新、擴(kuò)建水電站53座。鴨綠江流域有中朝兩國已建云峰電站等4座大型水電站及40座小、中型水電站。松花江流域有小山電站,下游有白山電廠等大型電站。同時(shí)境內(nèi)有曲家營水庫等7座大型飲用水水庫,其它中小型水庫200余座。全市水資源總量為79.1億 m3[7]。水系水量主要來源于空中水,降雨和降雪直接影響各大水庫蓄水量。因此在白山市開展人工增雨作業(yè),對增加下游地區(qū)江河流量作用明顯。
森林可燃物含水率與無降雨日數(shù)和降雨量有顯著正相關(guān)(圖5),而森林火險(xiǎn)等級與森林可燃物含水率直接相關(guān)。為降低森林火險(xiǎn),市氣象局每年森林防火期,均開展全市人工增雨作業(yè)。2012—2014年全市共作業(yè)50次,增加降水約3億 m3,每次增雨(雪)作業(yè)前后森林可燃物含水率平均下降約40%~60%,森林火險(xiǎn)等級下降2~4級。人工增雨(雪)對撲滅山火同樣效果顯著,2012年5月28日,長白山核心景區(qū)發(fā)生森林火災(zāi),市氣象局組織人影作業(yè)人員現(xiàn)場開展增雨作業(yè),發(fā)射增雨火箭150余枚,增雨后火區(qū)普降小到中雨,迅速撲滅了余火,效果十分顯著。
圖5 森林可燃物含水率與連續(xù)無降水日數(shù)關(guān)系圖Fig. 5 Relationship between water content of the forest combustible and the continuous days without precipitation
白山市森林覆蓋率達(dá)80%以上,在林區(qū)開展大規(guī)模增雨(雪)作業(yè),增加全年和少雨(雪)時(shí)段降水量,可有效加快林木生長速度,提高林木成活率,并利于改善環(huán)境、促進(jìn)水土保持和水源涵養(yǎng),形成良性循環(huán)。在人參等特產(chǎn)業(yè)種植區(qū)開展有針對性的增雨(雪)作業(yè)有利于人參等林下經(jīng)濟(jì)作物順利越冬,保持土壤濕潤和空氣濕度,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)作物生長,進(jìn)而提高人參、中草藥等的產(chǎn)量,為特產(chǎn)業(yè)種養(yǎng)殖戶帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。
空中降水是流域內(nèi)面雨量的主要水源,實(shí)踐證明夏季開展人工增雨作業(yè)可以有效增加徑流,冬季增雪作業(yè)可以增加春季桃花水徑流量,進(jìn)而增加水庫蓄水量。2007—2009年,為增加白山電廠水庫蓄水量,白山市在松花江上游開展了為期3年的人工增雨(雪)作業(yè),根據(jù)吉林省人工影響天氣中心與白山電廠聯(lián)合開展人工增雨水庫蓄水發(fā)電試驗(yàn)研究項(xiàng)目的要求,白山市氣象局于2007年9月18—20日在白山水庫流域上游的靖宇境內(nèi)開展了人工增雨作業(yè)。根據(jù)作業(yè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)的中尺度加密雨量站監(jiān)測到的降水量,作業(yè)區(qū)域內(nèi)的平均降水量為69.5 mm,分析作業(yè)區(qū)域由于進(jìn)行人工增雨而增加34 mm左右的降水量[8]。2018年2月28—3月15日,為緩解白山市曲家營水庫蓄水不足,市區(qū)飲用水告急壓力,白山市氣象局連續(xù)開展了3次人工增雪作業(yè),增雪作業(yè)后雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯增加,分析認(rèn)為水庫流域累計(jì)增加降雪量約410萬 m3。
根據(jù)白山人影作業(yè)需求和作業(yè)效果綜合分析,按每年作業(yè)次數(shù)20次,發(fā)射增雨(雪)火箭彈1000枚,預(yù)計(jì)增加降水約4億 m3計(jì)算,每年需投入約300萬元。按國際通用投入產(chǎn)出比1:30計(jì)算[9],預(yù)計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益9000萬元。此外人影作業(yè)間接的生態(tài)效益、環(huán)境效益、社會效益同樣十分顯著。
白山市已經(jīng)具備覆蓋全市的人影作業(yè)能力,但相較于全季節(jié)人影作業(yè)需求,作業(yè)能力仍顯不足。增加全市人影作業(yè)裝備和人影作業(yè)量,可有效提高白山人影作業(yè)能力。重點(diǎn)是增加人影作業(yè)彈藥資金投入,同時(shí)大幅度提高人影作業(yè)量,由春秋兩季作業(yè)轉(zhuǎn)為春夏秋冬四季開展人影作業(yè)。開展人影作業(yè)科學(xué)研究,按五個(gè)階段人影作業(yè)要求,在適當(dāng)時(shí)機(jī)、適當(dāng)部位、適當(dāng)劑量開展人影作業(yè),提高人影作業(yè)科技含量,實(shí)現(xiàn)科學(xué)作業(yè)。
白山市人工影響天氣工作取得了長足的發(fā)展,具有較明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。白山市地處三江源頭,空中云水資源豐富,具備全年開展人工影響天氣作業(yè)條件。白山人影作業(yè)需求主要在森林防火、林木生長、水庫蓄水、農(nóng)業(yè)抗旱等方面,開展全年人工影響天氣作業(yè)有較高的投入產(chǎn)出比,是森林防火、水庫蓄水、農(nóng)業(yè)抗旱等的有效手段。
Advances in Meteorological Science and Technology2019年6期