翟昱明 李向棟 孔晨晨 李進(jìn)玉 范曉華 李化泉 高國(guó)清 石云林 濮江平 桑建人 舒志亮 田磊 穆建華 周積強(qiáng) 黃諶愷 楊志蓮

0 引言

人工增雨是建立在云物理學(xué)研究基礎(chǔ)之上的應(yīng)用工程技術(shù)。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)、將適當(dāng)劑量的催化劑播撒到云中適當(dāng)部位（即“三適當(dāng)”原則）是人工增雨的核心要素，也是人工增雨科學(xué)作業(yè)、精準(zhǔn)作業(yè)的關(guān)鍵所在。六盤(pán)山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)就是要獲取這“三適當(dāng)”相關(guān)的天氣動(dòng)力學(xué)和云物理學(xué)相關(guān)的物理因子，在西北地形云研究基礎(chǔ)上，采用地面高炮、火箭和焰爐發(fā)生器施放人工冰核催化劑，改變地形云云滴－雨滴轉(zhuǎn)化的微物理過(guò)程，提高云滴－雨滴的轉(zhuǎn)化效率，增加地形云降水量。

六盤(pán)山脈地處青藏高原地區(qū)東部延伸地帶，南北逶迤為200 km，平均海拔為2500 m，主峰米缸山海拔為2942 m。既是關(guān)中平原的天然屏障，又是北方重要的分水嶺，六盤(pán)山南部重疊峽谷是涇河的主要發(fā)源地，另外還有清水河、葫蘆河等均發(fā)源于此。因而，在西北人工影響天氣能力建設(shè)工程中增加研究試驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)展地形云自然降水研究和人工增雨試驗(yàn)，發(fā)揮工程建設(shè)的最佳效益。

六盤(pán)山山脈形成的“南北走向山墻”對(duì)于不同類型的天氣過(guò)程而變得復(fù)雜，特別是地形云形成過(guò)程中水汽場(chǎng)、氣流場(chǎng)受山墻地形的影響形成了不同于祁連山地形云的特征。2018—2020年開(kāi)展六盤(pán)山地形云生消規(guī)律研究，計(jì)劃用3年的時(shí)間完成六盤(pán)山地形云自然降水概念模型和六盤(pán)山地形云人工增雨概念模型的建立。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是為寧夏六盤(pán)山區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)地面作業(yè)能力、人影作業(yè)指揮系統(tǒng)、試驗(yàn)示范基地提供或驗(yàn)證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、資料，解決各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)在實(shí)施和運(yùn)行中存在的技術(shù)難點(diǎn)和有關(guān)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工程所建各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施的科學(xué)應(yīng)用、各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)的有效落實(shí)和工程整體效益的切實(shí)發(fā)揮。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)展研究試驗(yàn)總結(jié)得到的人工影響天氣技術(shù)、指標(biāo)和方法也將對(duì)后續(xù)其他相關(guān)人工影響天氣能力建設(shè)工程提供有益借鑒，減少后續(xù)相關(guān)工程建設(shè)中重復(fù)性問(wèn)題。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

“西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目六盤(pán)山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)”作為“西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目”建設(shè)的前期研究試驗(yàn)，試驗(yàn)思路和試驗(yàn)方法不偏離人工影響天氣基本知識(shí)基本原理，目的是利用當(dāng)前云物理學(xué)認(rèn)知開(kāi)展地形云研究，指導(dǎo)西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)項(xiàng)目，建設(shè)的人工影響天氣專業(yè)探測(cè)設(shè)備及六盤(pán)山試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)有和未來(lái)建設(shè)的氣象探測(cè)設(shè)備，開(kāi)展六盤(pán)山核心地區(qū)的地形云研究試驗(yàn)，提高六盤(pán)山地形云人工增雨作業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則是地形云試驗(yàn)研究與人工增雨技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，研究試驗(yàn)與西北人影工程建設(shè)目標(biāo)高度一致，試驗(yàn)研究與工程建設(shè)緊密結(jié)合，同步設(shè)計(jì)同步實(shí)施，研究試驗(yàn)技術(shù)方法與技術(shù)路線的可行性與先進(jìn)性并重。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)組根據(jù)寧夏回族自治區(qū)氣象局總體布局，在專家組的協(xié)助下寧夏人影中心完成了“六盤(pán)山地形云試驗(yàn)基地構(gòu)架規(guī)劃和項(xiàng)目設(shè)計(jì)”。依據(jù)規(guī)劃，2020年該項(xiàng)目建設(shè)已經(jīng)初具規(guī)模，為打造“國(guó)家級(jí)地形云試驗(yàn)基地”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)合六盤(pán)山地區(qū)常規(guī)氣象觀測(cè)體系，充分發(fā)揮人工影響天氣特種觀測(cè)設(shè)備作用，特別是采用地面降水粒子譜觀測(cè)方法，摸清六盤(pán)山區(qū)云水資源的現(xiàn)狀及地形云的分布及其結(jié)構(gòu)特征，提高六盤(pán)山區(qū)人工增雨實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的科技含量，制定六盤(pán)山地形云人工增雨作業(yè)效果評(píng)估方法，提高當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)人影作業(yè)指揮技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平和業(yè)務(wù)素質(zhì)，開(kāi)展人影科學(xué)作業(yè)和精準(zhǔn)作業(yè)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)體系為：

1）制定六盤(pán)山地區(qū)人工影響天氣特種觀測(cè)資料的質(zhì)量控制方法，在外場(chǎng)綜合觀測(cè)期間開(kāi)展云水資源分析和云宏微觀物理量分析，收集人影特種觀測(cè)資料，建立觀測(cè)數(shù)據(jù)集；分析地形動(dòng)力抬升及重力波形成與降水分布的規(guī)律；結(jié)合國(guó)家氣候中心研究的六盤(pán)山地區(qū)格點(diǎn)化降水資料，與實(shí)際觀測(cè)降水量對(duì)比分析，檢驗(yàn)格點(diǎn)化資料。

2）在云水資源背景方面，分析六盤(pán)山區(qū)水汽、流場(chǎng)、地形云宏微觀等方面的特征；地形對(duì)云降水過(guò)程起到至關(guān)重要作用，尋找六盤(pán)山區(qū)穩(wěn)定的水汽來(lái)源與水汽通道，水汽輸送、氣流輻合、各類環(huán)流天氣系統(tǒng)匯集區(qū)。結(jié)合人工影響天氣數(shù)值模式方法，通過(guò)外場(chǎng)綜合觀測(cè)試驗(yàn)，研究地形云的形成機(jī)制和開(kāi)發(fā)潛力；分析六盤(pán)山區(qū)地形云形成、發(fā)展、消亡的規(guī)律，建立六盤(pán)山區(qū)地形云降水的概念模型。

3）在地形云人工增雨作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)方面，給出不同天氣條件下不同作業(yè)手段的衛(wèi)星、雷達(dá)及人工影響天氣特種觀測(cè)的云宏微觀物理量相關(guān)的人工增雨作業(yè)指標(biāo)，地形云人工增雨作業(yè)技術(shù)，作業(yè)條件、作業(yè)量、作業(yè)時(shí)機(jī)，各類作業(yè)裝備催化效果的驗(yàn)證，建立六盤(pán)山地形云人工增雨作業(yè)概念模型，以及概念模型中各特征參量計(jì)算的方法，提高六盤(pán)山區(qū)地形云增雨作業(yè)科學(xué)性。

4）在作業(yè)效果評(píng)估方面，借鑒自然降水變化規(guī)律及人工影響天氣效果方法，研究六盤(pán)山區(qū)多年來(lái)開(kāi)展的人工增雨作業(yè)的統(tǒng)計(jì)效果檢驗(yàn)及物理效果檢驗(yàn)的方法，尋找能夠佐證地面增雨效果的云的宏微觀物理量變化的物理證據(jù)。構(gòu)架六盤(pán)山地形云人工催化作業(yè)條件探測(cè)體系和作業(yè)效果檢驗(yàn)方案。

2 試驗(yàn)方案

六盤(pán)山地區(qū)人工增雨的目的主要是生態(tài)保護(hù)，既要人工增雨，也要開(kāi)展山地水資源保護(hù)利用。在前期水分子結(jié)構(gòu)理論研究基礎(chǔ)上開(kāi)展人工增雨技術(shù)研究。六盤(pán)山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)六盤(pán)山地形云開(kāi)展背景研究和人工增雨試驗(yàn)，在項(xiàng)目專家組指導(dǎo)下聯(lián)合寧夏回族自治區(qū)人工影響天氣中心（以下簡(jiǎn)稱寧夏人影中心）和固原市涇源縣、隆德縣氣象局完成六盤(pán)山地區(qū)天氣背景分析、六盤(pán)山地形云綜合觀測(cè)試驗(yàn)和六盤(pán)山地形云人工增雨作業(yè)技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)，計(jì)劃收集不少于8個(gè)降水過(guò)程的外場(chǎng)綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)集，分析研究降水過(guò)程規(guī)律、人工增雨作業(yè)指標(biāo)和物理響應(yīng)，建立六盤(pán)山地區(qū)降水概念模型和人工增雨概念模型，修訂人工增雨作業(yè)指標(biāo)，制定人工增雨作業(yè)效果評(píng)估方案。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)內(nèi)容

六盤(pán)山試驗(yàn)區(qū)包含固原市的涇源、隆德、西吉、彭陽(yáng)等縣地域，核心試驗(yàn)區(qū)以六盤(pán)山氣象站、隆德縣氣象局、涇源縣氣象局和涇源縣大灣作業(yè)點(diǎn)范圍內(nèi)的，主要是東西橫穿六盤(pán)山脈的梯度觀測(cè)站網(wǎng)（圖1）。其中固原市天氣雷達(dá)位于六盤(pán)山頂2840 m海拔高度的六盤(pán)山氣象站，2020年中國(guó)氣象科學(xué)研究院新購(gòu)置的X波段雙偏振雷達(dá)安裝在彭陽(yáng)縣孟原鄉(xiāng)，2021年計(jì)劃再購(gòu)置一部X波段雙偏振雷達(dá)建于西吉縣境內(nèi)，距離六盤(pán)山氣象站約90 km。

圖1 六盤(pán)山核心試驗(yàn)區(qū)（a）和梯度觀測(cè)站高度（b）分布Fig. 1 Distribution of height (a) and gradient station height (b) at Liupan Mountains core test area

總體設(shè)計(jì)分為三大類別、六個(gè)分項(xiàng)和16個(gè)子項(xiàng)目，研究?jī)?nèi)容分解到寧夏人影中心、固原市氣象局公服中心、涇源縣氣象局、隆德縣氣象局和六盤(pán)山氣象站（表1）。

表1 研究試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容Table 1 Research and experiment contents

2.2 觀測(cè)設(shè)備和人影裝備

六盤(pán)山試驗(yàn)區(qū)包含常規(guī)和人影專用探測(cè)設(shè)備，布設(shè)主要集中在四個(gè)綜合觀測(cè)站、兩個(gè)雷達(dá)站和一個(gè)探空站（表2）。另外還有區(qū)域加密自動(dòng)氣象站301個(gè)，其中六盤(pán)山西側(cè)147個(gè)，東側(cè)154個(gè)，自動(dòng)站間平均距離為7～8 km。寧夏回族自治區(qū)支持六盤(pán)山生態(tài)環(huán)境改善項(xiàng)目購(gòu)置了數(shù)十套地面自動(dòng)站進(jìn)行補(bǔ)充。

表2 研究試驗(yàn)的特種觀測(cè)探測(cè)設(shè)備Table 2 Cloud observation equipment

觀測(cè)儀器的布設(shè)按照地形云研究的常規(guī)分布，在六盤(pán)山西側(cè)梯度站和隆德縣氣象局觀測(cè)場(chǎng)、六盤(pán)山東側(cè)梯度站、涇源縣氣象局觀測(cè)場(chǎng)、大灣作業(yè)炮點(diǎn)和六盤(pán)山山頂氣象站等3個(gè)超級(jí)站和7個(gè)梯度站，初步分析了其中的微雨雷達(dá)數(shù)據(jù)。觀測(cè)站分布參見(jiàn)圖2a。

在隆德縣氣象局新觀測(cè)場(chǎng)、大灣作業(yè)點(diǎn)、六盤(pán)山氣象站觀測(cè)場(chǎng)建設(shè)了3個(gè)超級(jí)云物理觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)站都配備有Ka波段測(cè)云儀、微雨雷達(dá)、微波輻射計(jì)、激光云高儀等云物理專用垂直遙感探測(cè)裝備和雨滴譜儀。為的是比較六盤(pán)山西側(cè)、東側(cè)和六盤(pán)山頂?shù)南到y(tǒng)性云的微物理結(jié)構(gòu)分析。六盤(pán)山氣象雷達(dá)2019年改造為C波段雙偏振多普勒雷達(dá)，為地形云人工增雨作業(yè)條件識(shí)別提供了大范圍掃描信息。中國(guó)氣象科學(xué)研究院提供了4臺(tái)激光云高儀布設(shè)在各個(gè)超級(jí)云物理探測(cè)站，另外工程項(xiàng)目辦支援六盤(pán)山試驗(yàn)的1部X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)安裝在孟原，距離六盤(pán)山雷達(dá)站約98 km，加上寧夏回族自治區(qū)支持六盤(pán)山生態(tài)環(huán)境改善項(xiàng)目支持六盤(pán)山試驗(yàn)區(qū)的X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，能夠解決六盤(pán)山天氣雷達(dá)站自身“燈下黑”的探測(cè)難題。

六盤(pán)山地區(qū)人工影響天氣作業(yè)體系隸屬于固原市氣象局人工影響天氣中心，包括涇源、隆德縣地面作業(yè)點(diǎn)，涉及六盤(pán)山核心試驗(yàn)區(qū)作業(yè)點(diǎn)有11個(gè)，分布在六盤(pán)山西側(cè)的隆德縣的城關(guān)、觀莊、陳靳、大莊、奠安、好水6個(gè)點(diǎn)，六盤(pán)山東麓的涇源縣的大灣、什字、惠臺(tái)、黃花、興盛5個(gè)點(diǎn)，總共火箭發(fā)射架27部。另有12部地面焰爐布設(shè)在隆德縣的城關(guān)、大莊、陳靳和涇源縣的大灣、什字、惠臺(tái)等作業(yè)點(diǎn)，六盤(pán)山頂氣象站還有一部未曾使用過(guò)的焰爐。各儀器作業(yè)設(shè)備分布參見(jiàn)圖2。固原市人影狀況分析參見(jiàn)文獻(xiàn)。

圖2 （a）綜合觀測(cè)站（白色方塊）、區(qū)域自動(dòng)站（綠圓點(diǎn)）和11個(gè)火箭作業(yè)點(diǎn)（藍(lán)圓點(diǎn)）分布；（b）12部地面焰爐作業(yè)點(diǎn)（藍(lán)色心形）Fig. 2 Distribution map of Integrated observation stations(the white square), automatic surface observations (greendot), 11 rocket sites(blue dot) (a), 12 operation points ofground seeding generators (b)

2.3 觀測(cè)方案設(shè)計(jì)

自然云降水過(guò)程觀測(cè)主要依賴天氣雷達(dá)和特種雷達(dá)。固原市六盤(pán)山頂C波段多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)方案是中國(guó)氣象局規(guī)定的VCP21體掃觀測(cè)模式，無(wú)法更改也不允許隨意變動(dòng)為RHI掃描體制，為此，試驗(yàn)組專門(mén)定制的X波段多普勒雙偏振雷達(dá)設(shè)計(jì)了觀測(cè)方案，主要體現(xiàn)在六盤(pán)山方位上的RHI掃描觀測(cè)模式。每天定時(shí)開(kāi)機(jī)觀測(cè)：每天08時(shí)開(kāi)始到20時(shí)為止，每個(gè)小時(shí)整點(diǎn)和半點(diǎn)時(shí)刻，對(duì)六盤(pán)山雷達(dá)站方位和相反正南方向進(jìn)行兩個(gè)方位的RHI垂直體掃，完成后進(jìn)行規(guī)定16個(gè)角度模式的體掃，然后停機(jī)休息。如果發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的對(duì)流云，應(yīng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流中心位置各偏離±3°方位角進(jìn)行RHI垂直體掃。根據(jù)天氣狀況和試驗(yàn)指揮部指令臨時(shí)開(kāi)機(jī)加密觀測(cè)。

激光降水粒子譜儀、三維超聲波氣流儀、Ka波段測(cè)云儀、多通道微波輻射計(jì)WMR、連續(xù)波微雨雷達(dá)MRR、激光云高儀、霧滴譜儀和地面多要素地面自動(dòng)氣象站等全自動(dòng)測(cè)量?jī)x器要求24 h連續(xù)觀測(cè)。為保障試驗(yàn)區(qū)所有使用特種專用技術(shù)裝備的有效運(yùn)行，建立定期標(biāo)定檢定制度。每年外場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始、結(jié)束均應(yīng)標(biāo)定檢定一次，微波輻射計(jì)每三個(gè)月標(biāo)定一次，標(biāo)定檢定由設(shè)備生產(chǎn)廠家負(fù)責(zé)完成并提交標(biāo)定檢定報(bào)告和探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制報(bào)告。試驗(yàn)期間常駐六盤(pán)山試驗(yàn)區(qū)技術(shù)人員，每天將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)分析繪圖進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常及時(shí)巡檢觀測(cè)儀器。

GPS/GNSS/Met掩星觀測(cè)系統(tǒng)水汽反演需要特殊方法實(shí)現(xiàn)大氣整層水汽濃度及水平分布，平?jīng)鰺o(wú)線電探空資料每天定時(shí)傳輸?shù)皆囼?yàn)組，供飛機(jī)人工增雨作業(yè)條件判定依據(jù)。地形云宏觀觀測(cè)方案主要建議隆德涇源和六盤(pán)山氣象站恢復(fù)地面人工云能天的觀測(cè)記錄，培訓(xùn)開(kāi)展手機(jī)視頻拍攝記錄地形云宏觀演變狀況。

2.4 試驗(yàn)進(jìn)度報(bào)告制度

外場(chǎng)試驗(yàn)整體進(jìn)度控制包括在項(xiàng)目生命周期中協(xié)調(diào)所有其他項(xiàng)目管理領(lǐng)域所涉及的過(guò)程。它確保項(xiàng)目所有的組成要素在正確的時(shí)間結(jié)合在一起，以成功地完成項(xiàng)目。項(xiàng)目整體管理主要包括項(xiàng)目計(jì)劃的制定、項(xiàng)目計(jì)劃執(zhí)行、整體變更控制以及首席科學(xué)家對(duì)項(xiàng)目的支持。外場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目組定期（每個(gè)月25日）向六盤(pán)山項(xiàng)目辦提交“工作進(jìn)展報(bào)告”，每月底前由六盤(pán)山項(xiàng)目辦匯總“工作進(jìn)展報(bào)告”提交給西北區(qū)域項(xiàng)目管理辦公室。

2.5 培訓(xùn)機(jī)制及學(xué)術(shù)交流

六盤(pán)山試驗(yàn)組建立了培訓(xùn)機(jī)制，邀請(qǐng)人工影響天氣行業(yè)專家對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各單位和有關(guān)試驗(yàn)人員開(kāi)展多種形式的觀測(cè)技術(shù)培訓(xùn)，也邀請(qǐng)了各種設(shè)備生產(chǎn)廠家技術(shù)人員開(kāi)展設(shè)備保障維護(hù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技術(shù)培訓(xùn)。東北人影工程效果檢驗(yàn)培訓(xùn)班免費(fèi)為寧夏人影技術(shù)培訓(xùn)。外場(chǎng)試驗(yàn)期間首席科學(xué)家負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)培訓(xùn)，取得了很好的示范效果。

試驗(yàn)啟動(dòng)前期系統(tǒng)性培訓(xùn)了固原市氣象局、隆德縣氣象局、涇源縣氣象局和六盤(pán)山氣象站基層氣象觀測(cè)員和預(yù)報(bào)員，充分了解了地形云的概念特點(diǎn)及科學(xué)問(wèn)題，以及云物理特種觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理方法。利用各個(gè)臺(tái)站的老觀測(cè)員技術(shù)儲(chǔ)備，要求各臺(tái)站恢復(fù)人工觀測(cè)云能天觀測(cè)，制定了觀測(cè)規(guī)范和觀測(cè)紀(jì)錄簿；試驗(yàn)期間在外場(chǎng)駐地培訓(xùn)寧夏人影中心參與外場(chǎng)試驗(yàn)的技術(shù)人員，使參試技術(shù)人員充分了解各種人影特種觀測(cè)儀器的原理以及云物理特種觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理方法。指導(dǎo)學(xué)術(shù)技術(shù)論文選題方向和寫(xiě)作方法，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析水平；試驗(yàn)后期指導(dǎo)中國(guó)氣象局人工影響天氣中心青年科學(xué)家參與外場(chǎng)試驗(yàn)并適時(shí)講解親身體驗(yàn)的天氣過(guò)程地形云影響相關(guān)性，從理論分析到實(shí)際數(shù)據(jù)分析能力有了大幅度提升。各方面普遍反映參與外場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程效果很好。

3 試驗(yàn)過(guò)程

2019年7月18日，在寧夏人影中心進(jìn)行了“六盤(pán)山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)項(xiàng)目推進(jìn)會(huì)”。隨后，寧夏人影中心和云水工程南京有限公司全部參試人員進(jìn)入六盤(pán)山氣象站開(kāi)展六盤(pán)山試驗(yàn)區(qū)儀器檢查調(diào)校標(biāo)定，標(biāo)志著六盤(pán)山地形云人工增雨技術(shù)研究試驗(yàn)項(xiàng)目外場(chǎng)試驗(yàn)正式實(shí)施。

寧夏人影中心技術(shù)人員分為5個(gè)小組輪流進(jìn)駐六盤(pán)山外場(chǎng)試驗(yàn)基地，駐場(chǎng)觀測(cè)維護(hù)云物理特種觀測(cè)儀器，適時(shí)分析觀測(cè)數(shù)據(jù)。2019年外場(chǎng)試驗(yàn)期間共獲得了8個(gè)比較完成的降水過(guò)程配套資料，主要以系統(tǒng)性降水為主，僅有一個(gè)對(duì)流行降水個(gè)例，單純地形云降水個(gè)例沒(méi)有遇到，為此計(jì)劃在2020年外場(chǎng)試驗(yàn)集中針對(duì)地形相關(guān)人影降水個(gè)例的獲取，數(shù)據(jù)分析有待進(jìn)一步系統(tǒng)性綜合分析。

試驗(yàn)組在六盤(pán)山外場(chǎng)試驗(yàn)基地開(kāi)展自然降水過(guò)程綜合觀測(cè)試驗(yàn)，直到10月底大雪封山之前試驗(yàn)人員全部撤場(chǎng)。

配合寧夏人影中心試驗(yàn)工作計(jì)劃，2020年6月9日云水工程公司派出專車赴寧夏六盤(pán)山外場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)開(kāi)展2020年度外場(chǎng)試驗(yàn)。

由于第二年度試驗(yàn)主要目標(biāo)是結(jié)合人影作業(yè)開(kāi)展作業(yè)前后地形云相關(guān)降水過(guò)程的云物理學(xué)結(jié)構(gòu)變化探測(cè)，云水工程公司協(xié)助寧夏人影中心考察選點(diǎn)并確定在彭陽(yáng)縣孟原鄉(xiāng)安裝X波段雙偏振雷達(dá)，為2020年人工增雨試驗(yàn)奠定了很好的對(duì)流云垂直精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的基礎(chǔ)。

4 試驗(yàn)成果

4.1 初步結(jié)論

根據(jù)2019年六盤(pán)山地形云外場(chǎng)試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)分析初步得到地形對(duì)降水影響的結(jié)論：

1）從地面降水量分布的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，六盤(pán)山脈東側(cè)降水量無(wú)論季節(jié)性降水量還是年度降水量都要比西側(cè)的降水量要大。采用雨滴譜分析方法，天氣動(dòng)力學(xué)分析，可能的原因是六盤(pán)山脈地形能夠有限阻擋深厚西風(fēng)槽系統(tǒng)底部移動(dòng)速率，延緩降水在六盤(pán)山地區(qū)的停留，同時(shí)六盤(pán)山脈南部雙山脈結(jié)構(gòu)使得六盤(pán)山東側(cè)降水持續(xù)性加強(qiáng)，造成單次系統(tǒng)性降水累積量的顯著差異。分析結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。

2）對(duì)于近地面大氣底層西來(lái)強(qiáng)風(fēng)且六盤(pán)山脈分水嶺處于云內(nèi)（云底高度低于分水嶺），六盤(pán)山強(qiáng)迫地形抬升造成云系的加強(qiáng)，形成含水量較大地形云，此類地形云易于產(chǎn)生降水，適合于采用地面碘化銀發(fā)生器人工增雨作業(yè)（冬季更適合人工增雪作業(yè)），建議遷移地面焰爐到六盤(pán)山西坡合適位置可以驗(yàn)證增雪效果。

對(duì)于近地面大氣底層西來(lái)弱上升氣流且六盤(pán)山脈分水嶺處于云內(nèi)（云底高度低于分水嶺），六盤(pán)山強(qiáng)迫地形抬升并不能加強(qiáng)地形云發(fā)展。相反還會(huì)誘發(fā)東坡產(chǎn)生上升氣流，在六盤(pán)山東坡形成地形云，且東坡地形云滴濃度顯著大于西坡云滴濃度，使得東坡地形云更易于產(chǎn)生降水條件。在六盤(pán)山東坡合適位置安裝地面碘化銀發(fā)生器能夠產(chǎn)生人工增雨之效果。但六盤(pán)山東、西坡均沒(méi)有安裝地面焰爐。

3）弱的高空小槽天氣降水過(guò)程屬于淺薄系統(tǒng)，六盤(pán)山脈地形幾乎對(duì)此類降水系統(tǒng)沒(méi)有顯著影響。如果云底高度大于六盤(pán)山脈以上，六盤(pán)山東側(cè)云底更低小雨淅瀝而西側(cè)降水稀稀拉拉，地面能見(jiàn)度卻較好，山脈兩側(cè)降水量的分布相差無(wú)幾。

4）夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈的晴空，從上午開(kāi)始六盤(pán)山脈分水嶺經(jīng)常性產(chǎn)生弱對(duì)流泡排列成淡積云墻，午后對(duì)流加強(qiáng)局地形成濃積云甚至積雨云。在突起的山峰上經(jīng)常性有強(qiáng)對(duì)流性云環(huán)繞（雷達(dá)圖上強(qiáng)回波亮點(diǎn)），一旦強(qiáng)對(duì)流云離開(kāi)山峰向東移動(dòng)便是雷暴云的主體，在向東偏南移動(dòng)的過(guò)程中吸收地表太陽(yáng)輻射不穩(wěn)定能量進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)流成為冰雹云，此類對(duì)流行天氣系統(tǒng)適合于地面火箭高炮人工防雹增雨作業(yè)，人工增雨做適量播撒，人工防雹作過(guò)量播撒。

5）由于六盤(pán)山地形云試驗(yàn)區(qū)上方是西北航空大航路，白天申請(qǐng)空域幾乎沒(méi)有可能被批準(zhǔn)，加之六盤(pán)山南部天水機(jī)場(chǎng)經(jīng)常訓(xùn)練飛行北部固原機(jī)場(chǎng)下滑道限制等因素，使得該地區(qū)不適合做火箭高炮人工增雨防雹試驗(yàn)，僅適合于地面碘化銀發(fā)生器做人工增雨作業(yè)試驗(yàn)。但由于六盤(pán)山林業(yè)管理生態(tài)保護(hù)限制林區(qū)作業(yè)點(diǎn)設(shè)置，需要?dú)庀蟛块T(mén)與林業(yè)管理部門(mén)協(xié)調(diào)才能進(jìn)行冬季人工增雪試驗(yàn)。

6）六盤(pán)山夏季山頂小對(duì)流團(tuán)生消規(guī)律的認(rèn)識(shí)。北半球夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，西北黃土高原大范圍地區(qū)地表特性較為均一，太陽(yáng)加熱地表難以直接誘發(fā)局地對(duì)流泡。但在午后地面氣溫急劇上升，大氣密度降低，高層大氣冷平流導(dǎo)致大氣蓄積了大量的不穩(wěn)定能量，六盤(pán)山地區(qū)的山脈地形為促發(fā)局地對(duì)流提供了動(dòng)力條件。常見(jiàn)的一種宏觀現(xiàn)象是獨(dú)立的山頭上午后繚繞著云團(tuán)久久不離山頭，且對(duì)流特性越來(lái)越強(qiáng)。表現(xiàn)在雷達(dá)探測(cè)圖上就是沿著六盤(pán)山南北走向的山脈上的山峰位置始終存在一些強(qiáng)回波亮點(diǎn)，回波強(qiáng)度有時(shí)高達(dá)40～50 dBz但卻很少移動(dòng)，六盤(pán)山雷達(dá)站宏觀觀測(cè)也能發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象。根據(jù)形成的強(qiáng)風(fēng)暴對(duì)流單體反向追蹤發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)風(fēng)暴的發(fā)源地都是這些孤立山峰上的對(duì)流云團(tuán)。由此可以推斷，夏季在六盤(pán)山山脈山峰午后形成的對(duì)流云依附于地形存在，當(dāng)對(duì)流不穩(wěn)定能量達(dá)到一定強(qiáng)度后，強(qiáng)對(duì)流單體離開(kāi)山峰向下游方向移動(dòng)并繼續(xù)吸收大氣不穩(wěn)定能量而加強(qiáng)為冰雹云。

4.2 降水概念模型

根據(jù)外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，初步歸納六盤(pán)山地形云自然降水概念模型，大致可分為以下4類。

1）六盤(pán)山西風(fēng)槽冷鋒降水模型

大尺度天氣北京以西來(lái)鋒面與南來(lái)水汽輸送系統(tǒng)性降水為主的動(dòng)力配置，六盤(pán)山地形對(duì)于鋒面移速有一定的阻擋作用但不顯著，但鋒面翻山遇到的強(qiáng)迫抬升增強(qiáng)的垂直氣流，更容易在山北面形成較強(qiáng)降水，使得六盤(pán)山東側(cè)的總降水量大于西側(cè)，而且六盤(pán)山南部、中間都有兩道山峰阻擋形成的山窩二次抬升。六盤(pán)山?jīng)芎又髟从袃蓚€(gè)凹陷地形流域，猜測(cè)山窩中的降水量大于東西兩側(cè)，也可能是持續(xù)性降水機(jī)制。該模型典型過(guò)程的動(dòng)力配置和降水分布參見(jiàn)圖3。由于此類降水尺度很大，地形僅僅會(huì)短時(shí)阻礙天氣系統(tǒng)移動(dòng)速率，但在六盤(pán)山第二道山脈前又會(huì)延長(zhǎng)停留時(shí)間造成降水分配上的宏觀差異。涇源縣各條河流的流域性水文特征有待水文數(shù)據(jù)考證。

圖3 六盤(pán)山西風(fēng)槽冷鋒降水模型（a）及典型過(guò)程的降水分布（b）Fig. 3 Precipitation model for normal cold-front ofwesterly trough (a) and it’s precipitation distribution (a) ofin Liupan Mountains area

2）六盤(pán)山西向東急行氣流地形云模型

近地面偏西暖濕氣流遇六盤(pán)山抬升成云－翻山后下沉－云霧消散（西風(fēng)云起東側(cè)晴空），這是六盤(pán)山經(jīng)常遇見(jiàn)的地形云霧的動(dòng)力配置。但該類地形云移速較快不宜形成有效降水，西側(cè)山坡針葉林植被表面濕潤(rùn)而土壤墑情較差也是這類降水的特征之一（圖4）。冬季地面催化劑播撒器人工增雪作業(yè)應(yīng)該能夠產(chǎn)生較好的作業(yè)效果。建議固原市氣象局調(diào)整作業(yè)點(diǎn)到六盤(pán)山西坡強(qiáng)上升氣流區(qū)。

圖4 六盤(pán)山西向東急行氣流地形云（a）和氣流（b）示意圖Fig. 4 Precipitation model of west to east turbulenceterrain cloud (a) and airflow (b) in Liupan Mountains

3）六盤(pán)山東向西緩慢地形云模型

東側(cè)近地面暖濕弱氣流遇六盤(pán)山抬升對(duì)流云起（與第2類動(dòng)力場(chǎng)類似，但氣流強(qiáng)度明顯偏弱，形成穩(wěn)定垂直對(duì)流），但形成的云霧被西側(cè)較強(qiáng)氣流吹散返回形成對(duì)流環(huán)流；或西風(fēng)+東風(fēng)形成對(duì)頭風(fēng)垂直抬升，此類動(dòng)力場(chǎng)能夠形成有效降水，近地層也容易形成霧，造成六盤(pán)山東坡土壤濕潤(rùn)墑情較好，植被的闊葉林較多（圖5）。

圖5 六盤(pán)山東向西緩慢地形云（a）和氣流（b）示意圖Fig. 5 Precipitation model of east to west slow flow terraincloud (a) and airflow (b) in Liupan Mountains

4）六盤(pán)山谷地云霧降水模型

在高空槽形勢(shì)下六盤(pán)山地形對(duì)高層云系影響較弱，降水量東西側(cè)差異不顯著但東側(cè)更容易形成低云接地成霧；近地層西風(fēng)氣流翻六盤(pán)山下沉，在東側(cè)六盤(pán)山谷地遇暖濕氣團(tuán)容易形成霧；整體大氣近地面靜穩(wěn)，六盤(pán)山東側(cè)地面暖濕，在西來(lái)冷空氣作用下暖濕上層更容易形成逆溫，整層氣溫降低后形成霧。造成六盤(pán)山東側(cè)涇源縣濕度環(huán)境明顯高于西側(cè)地區(qū)，霧日顯著多于六盤(pán)山西側(cè)隆德縣，土壤墑情普遍較好，山區(qū)植被以闊葉林居多（圖6）。

圖6 六盤(pán)山東側(cè)谷地云霧（a）和降水流場(chǎng)（b）示意圖Fig. 6 Cloud/fog (a) and precipitation model (b) at theeastern valley of Liupan Mountauins

致謝：本項(xiàng)試驗(yàn)由云水工程南京有限公司和寧夏回族自治區(qū)氣象局災(zāi)害防御中心共同組織實(shí)施，得到固原市氣象局及各縣氣象局及人影作業(yè)點(diǎn)的大力支持，在此向各參試單位表示感謝！

在本試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中許煥斌、毛節(jié)泰、張培昌、董希泉、襲百克、鄧毅、許小峰、王守榮、張薔、段英、姚展予等專家教授給予了悉心的指導(dǎo)。西北試驗(yàn)項(xiàng)目首席科學(xué)家雷恒池、銀燕、張文煜、蘇德斌、陳寶君等同仁相互交流技術(shù)方法受益匪淺，并特別向參加本文試驗(yàn)工作的紀(jì)曉玲、肖云清、劉建軍、黃峰、常卓琳、翟濤、曹寧、孫艷橋、馬思敏、戴言博、林彤、楊勇、黨張利、鄧佩云、柳佳俊、厚軍學(xué)、包亮、賈樂(lè)、寧欣婷、杜鑫、饒彤華、賈永輝、張宏元、楊文海、景博、王博、武軍軍、雷學(xué)鋒、龔曉麗、裴小龍、于冬梅、馬霞、馬興明、溫蕓蕓、田惠、祁菲、馬興武、羅進(jìn)云、楊晨、儲(chǔ)永偉等同志一并致謝！