王麗霞 周萬福 張莉燕 王啟花 楊雪玲 李京梅

（1 青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，西寧 810001；2 西安地球環(huán)境創(chuàng)新研究院，西安 710061；3 青海省西寧市氣象局，西寧 810003）

0 引言

青海省位于青藏高原東北部，其東部地區(qū)是省內(nèi)主要的糧食、蔬菜等農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)，也是春季干旱易發(fā)區(qū)，素有“十年九旱”之稱[1]。在全球變暖氣候背景下，該地區(qū)干旱日益頻發(fā)，嚴(yán)重制約了其農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是困繞青海省經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的重大難題[2]。實(shí)施人工增雨作業(yè)可提高該地區(qū)的云水轉(zhuǎn)化效率，增加降水量，從而對(duì)緩解階段性旱情、改善土壤墑情、助力春耕生產(chǎn)等有積極作用[3]。

國內(nèi)常見的人工增雨方式有飛機(jī)作業(yè)、地面煙爐作業(yè)和地面火箭作業(yè)，其中飛機(jī)作業(yè)適用于執(zhí)行作業(yè)覆蓋面積廣的增雨任務(wù)。飛機(jī)增雨作業(yè)的時(shí)機(jī)、部位及催化劑播撒量的選擇對(duì)人工增雨效果有著極其重要的影響，為了最大限度地發(fā)揮人工增雨作業(yè)的效能，制定飛機(jī)作業(yè)方案時(shí)需精準(zhǔn)預(yù)判天氣系統(tǒng)過程和降水云系（體）的增雨潛力[4-7]。同時(shí)，科學(xué)評(píng)估人工增雨作業(yè)效果對(duì)提高播云作業(yè)水平、驗(yàn)證和改進(jìn)催化作業(yè)理論與方法都十分重要[7]。

國內(nèi)很多學(xué)者通過多種方法對(duì)作業(yè)云體增雨潛力識(shí)別和增雨效果評(píng)估等方面進(jìn)行了探討。杜毓龍等[4]利用飛機(jī)和雷達(dá)探測(cè)資料，總結(jié)了陜西省秋季飛機(jī)人工增雨作業(yè)層狀云向降水轉(zhuǎn)化的有利條件。效果檢驗(yàn)在國內(nèi)外人工影響天氣工作中仍是一個(gè)技術(shù)難題，李宏宇等[8]、崔丹等[9]、劉伯華等[10]、張中平等[11]對(duì)人工增雨效果評(píng)估的探討，為效果檢驗(yàn)提供了參考。賀藝等[12]利用GRAPES模式產(chǎn)品，結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)、降水等觀測(cè)資料對(duì)人工增雨作業(yè)的條件、潛力、效果等進(jìn)行分析，認(rèn)為作業(yè)后催化區(qū)內(nèi)回波強(qiáng)度增強(qiáng)顯著，降水增大明顯。韋增岸等[13]結(jié)合WRF模式預(yù)報(bào)和雷達(dá)衛(wèi)星等觀測(cè)資料，對(duì)廣西的一次人工增雨個(gè)例進(jìn)行分析，認(rèn)為作業(yè)后，影響云體的雷達(dá)回波明顯增強(qiáng)，且多參數(shù)區(qū)域?qū)Ρ确治隼走_(dá)參數(shù)和降水量的K值增加。林丹等[14-16]結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)等資料，對(duì)四川盆地冬季和春季的飛機(jī)人工增雨個(gè)例進(jìn)行分析，認(rèn)為作業(yè)后，影響區(qū)內(nèi)衛(wèi)星、雷達(dá)參量及地面雨量等均有明顯變化。

本文利用CPEFS（Cloud Precipitation Explicit Forecast System）模式產(chǎn)品，結(jié)合衛(wèi)星反演產(chǎn)品、雷達(dá)及自動(dòng)站降水等觀測(cè)資料，從作業(yè)條件分析、作業(yè)實(shí)施情況以及作業(yè)效果等方面對(duì)2021年4月23日青海省一次積層混合云飛機(jī)人工增雨作業(yè)進(jìn)行探討，該工作有助于加深對(duì)同類型降水天氣過程人工增雨條件的判識(shí)，以期為青海省飛機(jī)人工增雨作業(yè)方案的合理設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。

1 資料介紹

本文選用西寧和海北的雷達(dá)資料，衛(wèi)星反演產(chǎn)品是利用FY-2靜止氣象衛(wèi)星探測(cè)資料和L波段探空資料，聯(lián)合反演得到的一組云宏觀和微觀物理特征參數(shù)。作業(yè)潛力判識(shí)采用的CPEFS模式是中國氣象局人工影響天氣中心研發(fā)的云降水顯式預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該模式以WRF動(dòng)力框架為基礎(chǔ)，耦合了CAMS（Chinese Academy of Meteorological Sciences）云微物理方案，可模擬出我國陸地區(qū)域的云宏觀場(chǎng)、云微觀場(chǎng)、云垂直剖面和降水場(chǎng)，其時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為3 km。通過CPEFS在青海高原地區(qū)的本地化檢驗(yàn)，結(jié)合德吉白瑪?shù)萚17]針對(duì)CPEFS模式在西藏人影服務(wù)保障中的檢驗(yàn)分析，認(rèn)為CPEFS模式對(duì)高原地區(qū)天氣過程的模擬效果較佳。

2 作業(yè)條件分析

2.1 天氣形勢(shì)分析

2021年4月23日08：00（北京時(shí)，下同），500 hPa高空巴爾喀什湖以東低渦底部的低槽位于我國新疆，槽前西南氣流強(qiáng)，系統(tǒng)水汽充足，冷渦底部有短波槽下滑，青海西部和青南地區(qū)各有一東西走向的切變線；700 hPa巴爾喀什湖以東有－20 ℃的閉合冷中心，低值系統(tǒng)影響青海地區(qū)。23日20：00，500 hPa青海東西兩條切變線匯合并北抬，在青海東北部形成西北—東南走向的低槽，繼續(xù)影響青海東部地區(qū)；700 hPa隨著低值系統(tǒng)南壓，低層偏東風(fēng)水汽輸送進(jìn)一步加強(qiáng)。受高原地形影響，08：00冷空氣分東西兩路影響青海；14：00東路冷空氣繼續(xù)東移南壓，在高原東部河谷地區(qū)形成倒灌冷空氣，影響青海東部地區(qū)。綜上所述，受北部冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，青海大部地區(qū)出現(xiàn)了一次降水天氣過程。

2.2 作業(yè)潛力分析

利用CPEFS模式預(yù)報(bào)的云帶和垂直累積過冷水等產(chǎn)品，可以分析云系的發(fā)展趨勢(shì)和垂直結(jié)構(gòu)，從而判斷目標(biāo)云系是否具備人工增雨潛力。綜合圖1和圖2可以看出，4月23日14：00—20：00，青海省海西東部、海北、西寧、海東、海南、黃南等地區(qū)有云系覆蓋，云系以冷云為主，自西南向東北移動(dòng)，移動(dòng)速度約為30 km/h。云中過冷水主要位于－25～－10 ℃層（4500～7000 m），最大含量達(dá)0.3 g/kg，垂直累積過冷水最大值為0.6 mm，部分地區(qū)冰晶數(shù)濃度小于100個(gè)/L，不利于該地區(qū)降水的形成。綜上所述，4月23日14：00—20：00，青海省海北、西寧、海東等地云系較為穩(wěn)定，過冷水資源較為豐富，但由于冰晶數(shù)量較少，可通過播撒碘化銀（AgI）煙條或焰彈的方式來增加上述區(qū)域的冰晶數(shù)濃度，從而增加降水量。

圖1 2021年4月23日14：00和20：00云帶（a，b）和垂直累積過冷水（c，d）分布Fig. 1 Distribution of cloud belt (a, b) and vertically accumulated supercooled water (c, d) at 14:00 BT and 20:00 BT of 23 April 2021

圖2 2021年4月23日14：00 (a, b)和20：00 (c, d)云系垂直結(jié)構(gòu)和作業(yè)條件圖（Qc：云水混合比；Ni：冰晶數(shù)濃度；T：溫度；Qs+Qg：雪＋霰混合比；Qr：雨水混合比；H：高度）（a，c）Qc，Ni，T垂直剖面；（b，d）Qs＋Qg，Qr，H垂直剖面Fig. 2 Vertical structure of the cloud system and operation conditions at 14:00 BT (a, b) and 20:00 BT (c, d) of 23 April 2021 （Qc: cloud water mixing ratio; Ni: ice crystal concentration; T: temperature; Qs＋Qg: snow＋graupel mixture ratio;Qr: rainwater mixing ratio; H: height）(a, c) Vertical profile of Qc, Ni, and T ; (b, d) Vertical profile of Qs＋Qg, Qr, and H

3 作業(yè)概況

作業(yè)前CLDAS（高分辨率多源土壤溫濕度產(chǎn)品）土壤相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)顯示，青海省范圍內(nèi)土壤相對(duì)濕度整體偏低，環(huán)青海湖和湟水谷地等地區(qū)局部土壤相對(duì)濕度為10%～40%。結(jié)合青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)春季抗旱需求，2021年4月23日16：27—19：33，青海省人工影響天氣辦公室組織開展飛機(jī)人工增雨作業(yè)1架次，飛行總時(shí)長約3 h，飛行航程1026 km，作業(yè)催化時(shí)段為17：03—19：01，耗用煙條24根，焰彈12枚。

通過沿飛行軌跡的雷達(dá)剖面（圖3）可以看出，作業(yè)區(qū)以積層混合云為主，回波頂高為6～9 km，云系處于發(fā)展階段，催化部位位于云中上層（作業(yè)高度6.4～6.7 km），催化層溫度為－16～－12 ℃，催化部位合理。根據(jù)作業(yè)時(shí)段內(nèi)雷達(dá)組合反射率和衛(wèi)星反演過冷層厚度（圖4）可知，作業(yè)云系過冷層深厚，為3～7 km，雷達(dá)組合反射率為20～45 dBZ，云頂高度為5～10 km，云系以弱積層混合云為主。由于積層混合云存在“播撒—供給”機(jī)制，在該云體中上部播撒AgI可增加冰晶數(shù)量，而冰晶粒子在豐厚的過冷水中可通過貝吉隆過程迅速增長成大冰晶，對(duì)下層云進(jìn)行播撒，再通過碰并過程和凝結(jié)增長過程不斷長大，促使降水的形成[18]，故本次降水過程適合飛機(jī)人工增雨催化。

圖3 2021年4月23日沿飛行軌跡的雷達(dá)剖面（填色）圖Fig. 3 Radar profile (colored) along the flight path on 23 April 2021

圖4 2021年4月23日作業(yè)時(shí)段內(nèi)作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)雷達(dá)組合反射率（a）和衛(wèi)星反演過冷層厚度（b）Fig. 4 Radar combined reflectivity (a) and supercooled layer thickness retrieved by satellite (b) of operation area and comparison area during the operation period on 23 April 2021

本次飛機(jī)人工增雨作業(yè)催化分兩個(gè)區(qū)域，初始催化階段（17：03—17：30）位于海晏一帶的作業(yè)云系以層狀云為主（圖5a），17：43開始進(jìn)入大通、湟中的作業(yè)區(qū)，催化時(shí)段內(nèi)（17：43—19：01）大通、湟中一帶云系以積層混合云為主（云系上部層狀云、下部以弱積云為主，作業(yè)區(qū)強(qiáng)中心回波大于40 dBZ，如圖5b），受高原地形的影響，且考慮到有效的催化層高度，本次飛機(jī)人工增雨作業(yè)催化部位均位于目標(biāo)云系中上層的層狀云區(qū)。

4 作業(yè)效果分析

目前，人工影響天氣業(yè)務(wù)中常用的效果檢驗(yàn)方法包括物理檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)及數(shù)值模式檢驗(yàn)等[19]。因能夠直觀反映人工增雨作業(yè)效果，物理檢驗(yàn)技術(shù)方法在單架次人工增雨作業(yè)效果評(píng)估中廣泛應(yīng)用[20]。人工增雨效果物理檢驗(yàn)通常通過兩種途徑判斷人工催化所產(chǎn)生的作用，一種是分析對(duì)比云和催化云物理參量的變化和差異；另一種是分析催化作業(yè)前后物理參量的變化[21]。利用物理檢驗(yàn)定性探討人工催化的影響，可為人工增雨效果評(píng)估提供一個(gè)物理依據(jù)，從而為催化效果定量化檢驗(yàn)的結(jié)論提供佐證，有利于人工增雨作業(yè)方案設(shè)計(jì)的改進(jìn)[22]。

2021年4月23日青海省飛機(jī)人工增雨作業(yè)個(gè)例分兩個(gè)催化區(qū)域，為了便于分析本次飛機(jī)人工增雨作業(yè)對(duì)具有較好催化條件的積層混合云的影響效果，本文作業(yè)效果分析部分主要針對(duì)位于大通—湟中一帶的積層混合云作業(yè)區(qū)。選擇與大通—湟中作業(yè)區(qū)受同一天氣系統(tǒng)影響的、位于作業(yè)區(qū)及影響區(qū)上風(fēng)方向的、與作業(yè)區(qū)同等面積和地形的區(qū)域作為對(duì)比區(qū)（圖4），結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星和地面降水資料，分析作業(yè)前后作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)雷達(dá)、衛(wèi)星參量及區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)降水量的時(shí)間序列變化特征。

4.1 雷達(dá)參量分析

研究表明，作業(yè)后1 h內(nèi)云中各相態(tài)粒子的濃度、尺寸等因催化作業(yè)產(chǎn)生的變化明顯，增雨效果可持續(xù)3 h[23-24]。為了更加客觀、直接地反映此次飛機(jī)人工增雨作業(yè)的效果，本文選取反映云體發(fā)展強(qiáng)弱程度的回波強(qiáng)度和組合反射率，以及反映空中含水量的大小垂直累積液態(tài)含水量（VIL），對(duì)比分析作業(yè)前后催化影響區(qū)和對(duì)比區(qū)雷達(dá)回波強(qiáng)度、組合反射率及垂直累積液態(tài)水含量等參量的變化（圖6），可以看出：催化影響區(qū)雷達(dá)回波強(qiáng)度和組合反射率在作業(yè)前至作業(yè)初始階段均先增大后減小，催化1 h后上述兩個(gè)參量呈逐漸增大趨勢(shì)，直至催化后3 h內(nèi)，最大回波強(qiáng)度維持在45 dBZ左右，平均組合反射率則升至30.6 dBZ；反觀對(duì)比區(qū)，在16：00—22：00，雷達(dá)回波和組合反射率都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，這可能是低層云體逐漸減弱消散造成的；從最大回波強(qiáng)度和組合反射率來看，整個(gè)過程中催化影響區(qū)最大回波強(qiáng)度基本為40～45 dBZ，最大組合反射率為50 dBZ，并在催化結(jié)束后2 h內(nèi)始終維持；對(duì)比區(qū)最大回波強(qiáng)度和最大組合反射率在18：00前顯著增大，19：00后明顯減小。另外，催化開始前目標(biāo)區(qū)云體平均垂直累積液態(tài)水含量呈明顯的減小趨勢(shì)，催化1 h后開始呈波動(dòng)增大，而催化前對(duì)比區(qū)云體平均垂直累積液態(tài)水含量高于催化作業(yè)區(qū)，此后呈波動(dòng)減小，催化結(jié)束后3 h內(nèi)催化作業(yè)區(qū)內(nèi)云體平均垂直累積液態(tài)水含量明顯大于對(duì)比區(qū)，也可從一定程度上反映出催化播撒有利于云體的發(fā)展和維持。

4.2 衛(wèi)星參量分析

對(duì)催化云體而言，是否存在過冷水是判斷其是否具備增雨作業(yè)潛力的一個(gè)關(guān)鍵因素，而云中過冷水含量與過冷層厚度存在正相關(guān)關(guān)系，過冷層厚度越大，云中過冷水含量越大[25]。本文選取用于判識(shí)冷暖云垂直結(jié)構(gòu)配置的過冷層厚度和表征云系發(fā)展演變趨勢(shì)及程度的云頂高度兩個(gè)衛(wèi)星參量進(jìn)行分析。

比較飛機(jī)人工增雨催化播撒前后作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)衛(wèi)星過冷層厚度和云頂高度變化（圖7）發(fā)現(xiàn)：催化開始前對(duì)比區(qū)云頂高度比作業(yè)區(qū)高，且過冷層厚度比作業(yè)區(qū)大；17：00開始作業(yè)后，催化作業(yè)區(qū)平均云頂高度由作業(yè)前的4.5 km發(fā)展至8.5 km，而對(duì)比區(qū)平均云頂高度增幅較小，由7.5 km增加至8.7 km；19：00作業(yè)結(jié)束后，作業(yè)區(qū)作業(yè)前后平均過冷層厚度的增大較對(duì)比區(qū)明顯，最大過冷層厚度和最大云頂高度與對(duì)比區(qū)云體相同，從一定程度上可以說明催化劑的播撒促進(jìn)了作業(yè)區(qū)云體的發(fā)展。

圖7 作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)衛(wèi)星反演過冷層厚度（a）和云頂高度（b）變化Fig. 7 Variation of supercooled layer thickness (a) and cloud top height (b) retrieved by satellite in operation area and comparison area

4.3 雨量分析

對(duì)飛機(jī)作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)內(nèi)自動(dòng)雨量站的1 h降水資料進(jìn)行分析（圖8）：作業(yè)前作業(yè)區(qū)及影響區(qū)內(nèi)僅個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)降水，隨著催化作業(yè)的進(jìn)行，作業(yè)影響區(qū)各站點(diǎn)陸續(xù)出現(xiàn)降水，且大部分站點(diǎn)降水有持續(xù)增大趨勢(shì)，作業(yè)結(jié)束后2～3 h降水達(dá)到最大，其中西寧、大通、平安的最大小時(shí)降水量分別達(dá)到7.6、5.8、3.9 mm/h；17：00對(duì)比區(qū)1個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)降水，隨后區(qū)域內(nèi)的3個(gè)站點(diǎn)陸續(xù)出現(xiàn)降水且降水有增大趨勢(shì)，最大降水出現(xiàn)在22：00湟源站?？傮w而言，在自然降水和人工增雨作業(yè)的共同作用下，作業(yè)后影響區(qū)各站點(diǎn)降水明顯增大，對(duì)比區(qū)降水也有一定程度的增大，但增幅比作業(yè)區(qū)小，且作業(yè)影響區(qū)的最大小時(shí)降水量明顯大于對(duì)比區(qū)。

圖8 催化前后作業(yè)區(qū)（a）和對(duì)比區(qū)（b）地面站點(diǎn)小時(shí)降水變化圖（灰色陰影：催化作業(yè)時(shí)段）Fig. 8 Hourly precipitation variation at ground stations before and after catalysis at operation area (a) and comparison area (b), respectively (gray shadow: the catalysis operation period)

綜上所述，通過對(duì)大通—湟中一帶作業(yè)區(qū)和對(duì)比區(qū)催化開始至催化結(jié)束后3 h的雷達(dá)和衛(wèi)星參量的變化特征分析，結(jié)合人工增雨催化前后作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)地面站點(diǎn)小時(shí)降水變化特征，可以直觀地說明此次飛機(jī)人工增雨催化對(duì)目標(biāo)云體的發(fā)展和維持起到了促進(jìn)作用。

5 結(jié)論

利用中國氣象局人工影響天氣中心下發(fā)的CPEFS模式產(chǎn)品，結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星反演產(chǎn)品以及自動(dòng)站降水等觀測(cè)資料，從作業(yè)條件分析、作業(yè)實(shí)施情況以及作業(yè)效果等方面，對(duì)2021年青海省春季一次積層混合云飛機(jī)人工增雨個(gè)例進(jìn)行分析探討，結(jié)論如下。

1）受北部冷空氣和西南暖濕氣流共同影響，2021年4月23日青海省大部地區(qū)出現(xiàn)了一次降水天氣過程，系統(tǒng)水汽充足，積層混合云厚密且范圍廣，但冰晶數(shù)濃度較小，適合開展人工增雨作業(yè)。

2）根據(jù)飛機(jī)作業(yè)時(shí)云系發(fā)展的實(shí)況，結(jié)合雷達(dá)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)資料，催化部位位于云中上層（作業(yè)高度6.4～6.7 km），催化層溫度約為－16～－12 ℃，作業(yè)區(qū)云體密實(shí)，過冷水豐富，催化區(qū)域和催化高度合理。

3）此次飛機(jī)人工增雨作業(yè)后，作業(yè)影響云體在回波強(qiáng)度、組合反射率、垂直累積液態(tài)含水量等雷達(dá)參量以及云頂高度、過冷層厚度等衛(wèi)星參量上均有明顯的反映，結(jié)合人工增雨催化前后作業(yè)影響區(qū)和對(duì)比區(qū)地面站點(diǎn)小時(shí)降水變化特征，在一定程度上說明此次飛機(jī)人工增雨作業(yè)效果較為顯著，對(duì)目標(biāo)云體的發(fā)展和維持起到了促進(jìn)作用。

本文僅對(duì)青海高原地區(qū)春季一次積層混合云降水天氣過程期間人工增雨目標(biāo)云體是否具備增雨潛力進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)施飛機(jī)人工增雨催化前后衛(wèi)星、雷達(dá)等參量及降水量的變化初步探討本次飛機(jī)人工增雨的有效性，所得結(jié)論是否具備普適性，還需結(jié)合機(jī)載探測(cè)資料對(duì)催化云體的微物理參量變化特征進(jìn)行深入探析。