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（1 吉林省人工影響天氣辦公室，長春 130062；2 中國氣象局吉林省人民政府人工影響天氣聯(lián)合開放實驗室（省重點實驗室），長春 130062）

0 引言

人工增雨作業(yè)方案設(shè)計和效果檢驗是人工增雨作業(yè)過程中的兩個重要環(huán)節(jié)?？茖W(xué)合理的作業(yè)方案設(shè)計是作業(yè)效果的基礎(chǔ)，作業(yè)是否有效果可以驗證作業(yè)方案設(shè)計的合理性。對此，國內(nèi)外氣象工作者做了大量工作。作業(yè)方案設(shè)計方面：李念童等[1]結(jié)合國內(nèi)人工增雨飛機的性能，著重介紹在催化作業(yè)和探測時在特定高度上進(jìn)行水平觀測的方案設(shè)計；張永強[2]針對蘇北地區(qū)火箭人工增雨作業(yè)方案設(shè)計進(jìn)行研究；劉海群[3]基于火箭的自身性能特點，對火箭增雨作業(yè)方案進(jìn)行了研究；白先達(dá)等[4]分別對各季節(jié)、各作業(yè)云系的作業(yè)進(jìn)行了總結(jié)，提出了適合不同季節(jié)的人工增雨作業(yè)方案。效果檢驗方面：房彬等[5]發(fā)展了基于聚類的浮動對比區(qū)回歸統(tǒng)計檢驗方法(CA-FCM)；曾光平、吳章云[6]利用雷達(dá)資料分析了催化前后宏觀參量的變化；王以琳、雷恒池[7]通過機載PMS粒子探測系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測，獲得了催化前后云中微物理量變化的證據(jù)。

吉林省人影工作者在飛機增雨作業(yè)方面做了大量工作。汪學(xué)林等[8]利用吉林機載探側(cè)儀器，包括：TPM-1云滴譜儀，TPZ-2 含水量儀，鋁箔冰雪晶取樣器，CM-43和MOS單結(jié)管飛機氣象計等，在21架次探測中共取得冰雪晶資料469份。冰晶濃度在10-2～102L-1，平均12.3 L-1。雪晶濃度一般集中在10-2～101L-1，平均為4.04 L-1。冰質(zhì)點濃度隨溫度的分布：其濃度在0～-3 ℃向上增加到-3～-6 ℃達(dá)到極大，為32.8 L-1，往上又單調(diào)減少。晶形隨高度的分布規(guī)律，一般云頂大都由柱狀、薄片板狀組成。中上部大都由薄片板狀、帶核心圓盤板狀和柱狀組成，夾有少量枝星狀。云的中下部大都由板狀、破碎板狀、枝狀、破碎枝狀、針狀等組成。云底大都由針、枝、少量霰及雨滴組成。平均液態(tài)含水量的分布：21架次飛行共取得含水量資料582份；平均液態(tài)含水量為0.12g·m-3，一般在0～0.77 g·m-3。冰質(zhì)點濃度在氣旋中心北側(cè)比暖鋒面和暖鋒前明顯較高；平均含水量暖鋒面是0.166 g·m-3，比暖鋒前和氣旋中心北側(cè)都大。暖鋒面附近層狀云中正溫層含水量最大，負(fù)溫層最??；氣旋中心北側(cè)負(fù)溫層最大；暖鋒前正溫層最小。在飛機觀測方面，游來光等[9]在吉林利用鋁箔取樣技術(shù)對吉林地區(qū)的降水性層狀冷云中的冰晶雪晶進(jìn)行了飛機觀測。利用鋁箔取樣技術(shù)，沿飛行航線對云中降水質(zhì)點連續(xù)取樣，取樣面積為4×10 cm2，暴露時間1～10 s。取樣體積為0.28～2.8 m3的689份鋁箔樣片。冰晶垂直分布特點：濃度自云頂向下增加，在云的中下部達(dá)到最大，是云層中冰晶濃度垂直分布的一個基本特征。高層云中也觀測到在同一高度上冰晶濃度水平分布上有很大差別。冰晶濃度水平向分布的不均勻和上部云層的發(fā)展?fàn)顩r有關(guān)。高層云云頂溫度和其上部的卷云狀況是影響云中冰晶形成的兩個基本因子。雪晶濃度值各次飛行間差別也很大，垂直向平均濃度范圍在7.0×102～3.0×10 m-3。平均看來，在云的上層（一般在0 ℃層以上2.5 km），雪晶的平均直徑約為500 μm，至0 ℃層可達(dá)1500 μm，估計其增長率約為0.4 mm·km-1。金德鎮(zhèn)等[10-11]總結(jié)了吉林省積層混合云引晶試驗中的催化層和催化響應(yīng)層粒子譜特征、過冷水含量變化特征和雷達(dá)回波變化特征，分析了飛機播撒液態(tài)CO2增雨作業(yè)前后云的宏、微觀物理結(jié)構(gòu)和降水變化。齊彥斌等[12-13]利用人工增雨“Y-12E型”飛機，配備有GPS定位數(shù)傳系統(tǒng)、機載宏觀探測設(shè)備、King熱線含水量儀和PMS云粒子測量系統(tǒng)，對2003年7月8日一次冷渦對流云雨帶進(jìn)行了垂直和水平探測，結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星、地面降水及天氣圖分析了冷渦的宏觀特征和微觀物理結(jié)構(gòu)。汪學(xué)林等[14]對層狀云中夾著的對流泡進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，為人工增雨作業(yè)提供依據(jù)。劉健等[15]利用機載云粒子探測系統(tǒng)（PMS）探測資料，對吉林省的一次切變線降水過程的云微物理結(jié)構(gòu)、降水機制進(jìn)行綜合分析。杜鵑等[16]篩選吉林省的最佳人工影響天氣樣本集，進(jìn)行了歷史降水天氣日云場進(jìn)行分析。張景紅等[17-18]利用空基微波輻射計獲取的探測資料，結(jié)合PMS、熱線含水量儀等探測資料，利用衛(wèi)星、雷達(dá)、GPS等探測手段的同步觀測結(jié)果，進(jìn)行了綜合分析，測得吉林省春季各種可實施人工增雨作業(yè)的云型的過冷水含量、云體各層微物理結(jié)構(gòu)的變化。

本文選取2016年4月12日吉林省一次飛機增雨作業(yè)過程，總結(jié)作業(yè)方案設(shè)計的主要考慮因素，按照一定原則選取對比區(qū)，結(jié)合雷達(dá)資料分析作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)回波變化，根據(jù)區(qū)域站數(shù)據(jù)統(tǒng)計作業(yè)前后作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)降水變化，對作業(yè)效果進(jìn)行分析。

1 天氣形勢及作業(yè)潛力條件分析

根據(jù)4月11日地面天氣圖分析，河套地區(qū)有一低壓系統(tǒng)生成，隨著系統(tǒng)發(fā)展，將逐漸東移北抬影響吉林?。▓D1a）。根據(jù)ECMWF模式預(yù)報，在500 hPa與該系統(tǒng)相對應(yīng)的為一高空槽，12日08時吉林省中部地區(qū)處于槽前位置；根據(jù)850 hPa風(fēng)場分析，吉林省中部處于切變前部的西南氣流中，對應(yīng)一個西南水汽輸送帶，水氣輸送條件比較好，850 hPa相對濕度達(dá)到80%以上（圖1b）。

根據(jù)MM5模式預(yù)報，4月12日上午，云系覆蓋吉林省中部地區(qū)，自西南向東北移動，云中有一定量過冷水主要分布在0～-20 ℃層（高度在1500～5500 m）（圖2a）。云系從吉林省西南部開始進(jìn)入白城、四平地區(qū)，自西南向東北逐漸發(fā)展。隨著云系的發(fā)展，云層增厚，過冷水含量逐步增大，水汽輸送條件較好。4月12日08～14時，吉林省中部地區(qū)有增雨作業(yè)潛力（圖2b）。14時之后增雨作業(yè)潛力區(qū)東移，吉林省中部地區(qū)無增雨作業(yè)潛力。

根據(jù)4月12日07時長春雷達(dá)回波圖（圖3）可以看出，回波為西南-東北走向，雷達(dá)回波頂高在5 km以上；根據(jù)模式預(yù)報過冷層厚度在2900 m左右，事后根據(jù)長春探空數(shù)據(jù)，08時零度層高度約為700 m，實際過冷層厚度為4300 m。此次作業(yè)的對象為較大范圍的層狀云，具有較厚的過冷層，適宜飛機播撒催化作業(yè)。

2 作業(yè)方案設(shè)計及作業(yè)實施

圖1 （a）2016年4月11日08時海平面氣壓場；（b）ECMWF模式預(yù)報2016年4月12日08時500 hPa高度、850 hPa風(fēng)場、850 hPa相對濕度圖Fig. 1 (a) Surface pressure at 08 BT on April 12, 2016; (b) 500 hPa height, 850 hPa wind and 850 hPa relative hu midity at 08 BT on April 12, 2016 predicted by ECMWF model

圖2 （a）2016年4月12日10時過冷水分布；（b）2016年4月12日08～14時增雨潛力區(qū)預(yù)報圖Fig. 2 (a) Super cooled water at 10 BT on April 12, 2016; (b) Potential areas of rainfall enhancement from 08 to 10 BT on April 12, 2016

圖3 2016年4月12日07時雷達(dá)回波圖Fig. 3 Radar reflectivity at 07 BT on April 12, 2016

作業(yè)方案設(shè)計主要考慮以下幾方面因素：考慮到需求情況，選擇吉林省的需水地區(qū)；考慮到作業(yè)潛力及作業(yè)條件，選擇增雨潛力及作業(yè)條件較好地區(qū)作為作業(yè)影響區(qū)；考慮到云系的移動方向為西南-東北向，作業(yè)影響區(qū)位置選擇為云系進(jìn)入吉林省的位置，隨著云系移動，可將催化劑擴散到下游地區(qū)；考慮到作業(yè)高度風(fēng)向為西南風(fēng)，作業(yè)播撒航線要與作業(yè)高度層高空風(fēng)垂直，保證催化劑擴散范圍；考慮到播撒的充分性，要在作業(yè)影響區(qū)域內(nèi)進(jìn)行往復(fù)播撒，以實現(xiàn)充分播撒，盡量保證作業(yè)效果。

分析需水情況，吉林省的需水地區(qū)主要為中西部地區(qū)；根據(jù)前面分析，2016年4月12日08～14時作業(yè)潛力及作業(yè)條件較好地區(qū)為長春、四平及以東的遼源地區(qū)；云系進(jìn)入吉林省的位置為四平、遼源地區(qū)，在此區(qū)域播撒，催化劑可以隨云系移動向省內(nèi)的下游地區(qū)擴散；因此選取的適宜作業(yè)地區(qū)為吉林省中部的四平、遼源地區(qū)，設(shè)計了飛行航線（圖4a）。4月12日08時，飛機從長春機場起飛，在長春伊通以南，遼源、四平公主嶺之間區(qū)域進(jìn)行往復(fù)播撒，播撒完畢后飛回長春機場，作業(yè)結(jié)束時間10:50。

圖4 （a）2016年4月12日飛行航線圖；（b）作業(yè)影響區(qū)、對比區(qū)及2016年4月12日07時雷達(dá)回波圖Fig. 4 (a) Flight route on April 12, 2016; (b) The influence region, the control region, and radar reflectivity at 07 BT on April 12, 2016

3 作業(yè)效果分析

3.1 對比區(qū)選取

為了保證播撒作業(yè)不會對對比區(qū)產(chǎn)生影響，在作業(yè)影響區(qū)西北方選取相同面積的區(qū)域作為對比區(qū)。作業(yè)層高空風(fēng)向為西南-東北方向，作業(yè)影響區(qū)與對比區(qū)的排列方向與風(fēng)向垂直。作業(yè)影響區(qū)與對比區(qū)之間保留出20 km的區(qū)域作為隔離區(qū)域，可以保證催化不會影響到對比區(qū)。對作業(yè)前兩區(qū)的雷達(dá)回波進(jìn)行對比（圖4b），作業(yè)前（07時）兩區(qū)回波強度主要分布在10～25 dBz。作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)10～15 dBz強度回波面積均為1600 km2左右；作業(yè)影響區(qū)15～20 dBz強度回波面積約為2300 km2，對比區(qū)15～20 dBz強度回波面積約為2400 km2；作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)20～25 dBz強度回波面積均約為700 km2?？梢钥闯鲎鳂I(yè)前兩區(qū)回波強度、面積基本相似，對比區(qū)與作業(yè)影響區(qū)云條件相似，對比區(qū)選取較為合理。

3.2 作業(yè)后回波變化分析

作業(yè)剛開始時（08時），作業(yè)影響區(qū)回波分布與作業(yè)前相比變化不大；對比區(qū)10～15 dBz回波面積較作業(yè)前減小到1100 km2，5～10 dBz回波面積較作業(yè)前增加到700 km2，總體看15 dBz以下回波面積較作業(yè)前變化不大；作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)15 dBz以上各強度回波分布類似，與作業(yè)前相差不大。

作業(yè)期間，對作業(yè)影響區(qū)雷達(dá)回波剖面進(jìn)行分析（圖5）。在作業(yè)開始時（08:18），在飛機播撒位置，作業(yè)高度上，有一回波強度大值區(qū)，回波強度大值區(qū)并未及地。隨著作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行（08:34、08:44），該回波強度大值區(qū)高度逐漸下降，且強度逐漸加強，說明云中大粒子逐漸增多且向下降落。至09:16，該回波強度大值區(qū)及地，說明已經(jīng)出現(xiàn)地面降水。09:00—09:40期間，相對于對比區(qū)，影響區(qū)垂直累積液態(tài)水明顯消耗。但兩區(qū)整體回波頂高已經(jīng)明顯下降，云系處于減弱階段。

作業(yè)后，作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)回波差異明顯（圖6）。對比區(qū)回波作業(yè)后較作業(yè)前及作業(yè)開始時明顯減弱，云中基本無強回波，只剩15 dBz以下弱回波；作業(yè)影響區(qū)回波明顯強于對比區(qū)，較作業(yè)前及作業(yè)開始時有所增強，主要體現(xiàn)在20 dBz以上強度回波面積由900 km2增加到1800 km2。

3.3 作業(yè)前后雨量變化分析

通過作業(yè)前、作業(yè)期間、作業(yè)后1 h降水量站數(shù)對比（圖7）發(fā)現(xiàn)，作業(yè)開始前（07時），作業(yè)影響區(qū)主要為5 mm以下降水，只有一個站出現(xiàn)了5 mm以上降水，對比區(qū)9個站出現(xiàn)了5 mm以上降水，遠(yuǎn)多于作業(yè)影響區(qū)；作業(yè)影響區(qū)平均降水量小于對比區(qū)。作業(yè)期間（09～10時），作業(yè)影響區(qū)降水有所增加，3個站出現(xiàn)了5 mm以上降水，對比區(qū)5 mm以上降水站數(shù)逐漸減少；作業(yè)影響區(qū)平均降水量較作業(yè)前增加，對比區(qū)平均降水量呈減小趨勢，低于作業(yè)影響區(qū)。播撒作業(yè)2 h后（12:00），兩區(qū)雨量都處于減少趨勢，作業(yè)影響區(qū)雨量一直高于對比區(qū)；作業(yè)結(jié)束后1 h，對比區(qū)降水趨于結(jié)束，作業(yè)影響區(qū)仍有降水維持。

圖5 作業(yè)期間不同時刻雷達(dá)剖面圖（a）08:18；（b）08:34；（c）08:44；（d）09:16Fig. 5 Section of radar reflectivity at 08:18, 08:34, 08:44, and 09:16 BT during the seeding time

圖6 作業(yè)后，影響區(qū)與對比區(qū)雷達(dá)回波強度分布圖Fig. 6 Distribution of radar reflectivity in the influence region and control region after seeding

4 結(jié)論

此次飛機增雨作業(yè)是在河套低壓和高空槽影響下，作業(yè)影響區(qū)處于槽前的西南水汽輸送帶的天氣背景條件下開展的。考慮吉林省的需水地區(qū)主要為中西部地區(qū)，根據(jù)天氣形勢分析，吉林省中部處于切變前部的西南氣流中，對應(yīng)一個西南水汽輸送帶，水汽輸送條件比較好。根據(jù)模式預(yù)報的云微物理結(jié)構(gòu)分析，云系覆蓋吉林省中部地區(qū)，自西南向東北移動，云中有一定量過冷水主要分布在0～-20 ℃層（高度為1500～5500 m），隨著云系的發(fā)展，過冷水含量逐步增大，有較好的作業(yè)潛力。根據(jù)云系條件分析，此次作業(yè)過程為較大范圍的層狀云，具有較厚的過冷層，適宜飛機播撒催化作業(yè)。云系進(jìn)入吉林省的位置為四平、遼源地區(qū)；因此選取的適宜作業(yè)地區(qū)為吉林省中部的四平、遼源地區(qū)。

垂直作業(yè)層的高空風(fēng)向，在作業(yè)影響區(qū)西北方選取相同面積且回波發(fā)展類似區(qū)域作為對比區(qū)。兩區(qū)之間保留出20 km的區(qū)域作為隔離區(qū)域，保證催化不會影響到對比區(qū)。

通過對作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)雷達(dá)回波對比，發(fā)現(xiàn)作業(yè)過程中作業(yè)影響區(qū)云中大粒子逐漸增多且向下降落，作業(yè)影響區(qū)垂直累積液態(tài)水明顯消耗。作業(yè)后，兩區(qū)回波均處于減弱階段，但作業(yè)影響區(qū)回波明顯強于對比區(qū)，回波維持時間更長。

作業(yè)開始前，作業(yè)影響區(qū)降水量小于對比區(qū)；作業(yè)過程中，影響區(qū)降水呈增加趨勢，對比區(qū)雨量呈減少趨勢；作業(yè)結(jié)束后，對比區(qū)降水趨于結(jié)束，作業(yè)影響區(qū)仍有降水維持。此次催化作業(yè)影響了云中微物理過程，消耗云中過冷水，使地面降水增加，同時，增加了降水的維持時間，起到了正效果。

圖7 影響區(qū)與對比區(qū)1 h降水量的站點數(shù)變化圖（a）07時（作業(yè)前）；（b）09時（作業(yè)期間）；（c）10時（作業(yè)期間）；（d）12時（作業(yè)后）Fig. 7 Numbers of stations with different amounts of one-hour rainfall in the influence region and control region before seeding (07BT), during seeding (09BT, 10BT), and after seeding (12BT)