秦皇岛地区气候干旱与人工增雨的探索

曹建新,陈连友

(1.河北省生态环境重点实验室,河北石家庄050021;2.秦皇岛气象局,河北秦皇岛066000)

秦皇岛地区气候干旱与人工增雨的探索

曹建新1,2,陈连友2

(1.河北省生态环境重点实验室,河北石家庄050021;2.秦皇岛气象局,河北秦皇岛066000)

气候分析表明:随着气候变化及环境城市化,秦皇岛市区域年平均气温指数呈上升趋势,特别是近10年出现了连续偏高的异常变化;年降水指数呈明显减小趋势,出现了连年干旱,高温少雨不仅使生态环境不断恶化,而且使农田干旱、水库蓄水严重不足,因此人工增雨变得更加迫切。目前,秦皇岛市人工增雨工作已进入常态化、业务化轨道。总结1999—2008年火箭人工增雨经验,人工增雨操作的技术关键:一是分析局地降水气候规律;二是利用碘化银进行人工增雨需要适当的温度条件,即所谓进行冷云催化。在增雨时应充分考虑这一物理机制,选择好合适的发射高度,把催化剂送到可催化的温度环境中,以保证作业成功率。

气候干旱;人工增雨;冷云催化;水资源短缺

秦皇岛南临渤海,北依燕山,地势西北高,东南低。水资源主要由大气降水形成的地表水、地下水组成。人均占有水资源量646 m3,每公顷耕地平均占有量8 175 m3,是全国平均水平的1/4,属缺水地区。由于受降水年变化影响与制约,各季降水时空分布极不均匀。根据气候资料统计:6～8月降水量约占全年总量的70%,冬、春季降水稀少,年际变化也非常大。降水量最少的年份,年降水量仅332.9 mm(1982年),最多的年份达1 070.7 mm(1977年),大旱大涝时有发生。根据Z指数变换曲线分析[1],干旱年份在逐渐增加,近10年表现格外突出,前30年旱年平均为5年1旱,近 10年没有出现涝年,几乎为2年 1旱(图 1)。

图1 秦皇岛市旱涝指数分布

大旱的年份是上世纪80年代后出现的,各县的情况基本一致。1999年以来全市平均降水量已经连续10年低于气候平均值。

为缓解地区旱情,秦皇岛从1998年开始进行人工增雨作业。截止到2008年底,人工增雨作业取得了显著成效,为缓解旱情、增加地下水、降低环境污染起到了重要作用。总结人工增雨作业工作中的一些成功做法,以期把人工增雨工作做得更好。

1 分析气候规律,伴随天气变化进行人工增雨作业

研究表明,一次较大的天气过程,往往是由若干个中小尺度天气系统构成的,降水云团间隔几个小时或几分钟不等,而且降水规律还受日变化影响。

根据降水日变化统计分析[2],主要降水一般集中在傍晚前后,即16～21时之间,其次是集中在午夜,而黎明以前又有一次小的高峰期,在上午则明显是一个降水较少的时段。

但是每小时降水量大于50 mm的强降水,则明显集中在黎明前4时左右。因此,若想取得增雨作业的最佳效果,不但要注意大型有利的天气形势,而且还必须密切关注中尺度天气变化(云系演变、雨强变化、发展趋势、移动速度等)和日变化规律。跟踪中尺度活动间歇,寻找火箭增雨作业的时机与大气扰动的共振点,伴随天气活动规律,采用持续、反复、跟踪的作业方案,才能取得事半功倍的成效。

2002年9月27.进行的一次水库库区火箭增雨作业,就是采取了上述方案,提前进入作业点,紧紧抓住天气过程不放,持续、反复跟踪作业,取得了效果显著。基本情况分析如下:

增雨作业点设在石门寨(北纬40度06分 ,东经119度36分),作业从9月27日08时40分开始,到23时10分结束。根据云层厚度和云底高度的变化,火箭发射高度角取48°～55°,每次用弹量为4～7枚,作业方向为北北西、北、北北东、北东、东,每发射一枚移动一个方位。在雷达指挥下,分别在08时 40分、10时 10分、11时 10分、22时15分、23时00分作业5次,每次作业时间为5～10 m in,共发射火箭弹25枚。作业时云顶高度为10～12 km。

作业后作业现场常有雷电出现,根据雨量自记分析作业结束大约10min后,雨量明显增加。作业影响区位于平房峪、驻操营、城子峪、山神庙、石门寨五个雨量监测点内,非作业区为秦皇岛、石河水库两个雨量监测点。各雨量点过程总雨量、与作业点的距离、方位见图2。

图2 2002年9月27日作业区与非作业区雨量

统计作业影响区(水库上游)5个水文站的逐时雨量和非影响区观测站雨量,图3可以明显见到,影响区逐时降雨量明显多于非影响区,影响区平均雨量比非影响区增加近3成,远大于理论评估[3]。统计表明:主要降水出现在作业后的1 h内。其中驻操营1 h最大降水量达50 mm,而非影响区最大仅15.4 mm。实践证明,只要抓住适宜天气系统,跟踪天气变化,准确判断云层的物理结构,在适当的技术条件支持下,适时作业就可能取得较好效果。

图3 该影响区非影响区各时雨量

据历年气象资料分析:秦皇岛市暴雨最晚出现在9月16日,9月下旬未出现过暴雨天气。9月下旬平均降水量仅10.6 mm,最多41.2 mm。9月27日的火箭增雨作业有效地影响了自然降水过程,使石河流域五个雨量点平均雨量达108.4 mm。其中最大达160.2 mm,而未受影响的市区降水量仅为33 mm。受自然降水和人工增雨的共同影响,10月8日石河水库入库流量最高达到每秒52.51 m3,总入库量803万m3,直接经济效益260万元以上。

类似的作业还有2000年7月16日,作业从凌晨1时40分开始持续到19时50分。先后进行了5次不同时间间隔的作业。而且在作业过程中密切注意雨势变化,加强现场指挥,根据云图、雷达资料,适时调整发射的时间、方向、角度、用弹量,共发射火箭弹18枚。在作业点附近地区形成一个暴雨中心,在作业影响区域内过程总雨量均在100 mm以上,最大达150～200 mm,非影响区均在100 mm以下。

这两次非常成功的人工增雨作业,石河水库入库量达2 700 m3,在自然降水连续两年偏少的气候条件下,通过局部火箭人工增雨,实现了流域水位接近历史最高点蓄水量为5 140万m3,达到近年来最大库容。

抓住一次重要天气过程,伴随天气变化,采用持续、反复作业的技术线路:一是注意捕捉中尺度天气活动的一般规律,二是注意降水天气的日变化特征,三是符合人工增雨火箭系统的设计功能[4],选择有利时机进行人工晶核的催化,激发云层降水,促进雨势增强,在下一个雨强开始时,再重复进行催化,这种类似抽陀螺的作业方式可以使局地降水越来越大,直到全过程结束。

火箭人工增雨作业是复杂的系统工程,要想增大降水量决不是简单的施放几枚火箭就可以做到的,既需要一定的用弹量,也需要一定的时间保证,还要遵循天气变化规律,只有这样才有可能取得较好的效果。

2 确定发射高度是增雨成功的关键

一次成功的人工增雨作业,最关键的技术之一就是准确地把播云增雨催化剂送到云中最合适的部位,使催化剂在适宜的条件下达到最大效率。

由于大气变化具有复杂性和多变性的特点,如何把催化物精确定位于一个适当的环境,是一个极其复杂而困难的系统工程。在此,下文仅就在人工增雨作业中如何确定播撒高度进行一些粗略探讨。

实践证明,在进行人工增雨作业前需要对天气形势的演变、云的类型、液态水的含量、气温、气流及输送机制有所了解,但是,一般情况下作业人员或指挥作业人员很难及时、准确地获得上述全部信息。目前,虽然在人工增雨的物理机制上已经有许多共识,但每一次天气过程都是千变万化的,受到目前技术、设备等诸多因素的限制,对于地市级人影作业单位,只能利用现有设备、技术力量进行实地观测、计算,并结合多年实际作业经验对作业云体的发展变化进行预测和判断,在确定作业高度时力争有一个比较清晰的思路和依据。

实验表明,催化剂只有到达一定温度的高度层,才会产生较好的核化效应。因此,人工增雨作业时正确确定发射高度,是保证播撒增雨催化剂达到云中适当部位的关键。

2.1 碘化银成核对温度的要求

目前我市进行人工增雨使用的催化剂绝大多数是碘化银,碘化银的作用是在适当的气温条件下产生大量凝华核,促进雨滴增大。碘化银催化增雨主要适合于冷云。

有试验表明[5],碘化银产生凝华核的阀温为-3℃～-4℃之间。

根据增雨火箭设计性能、试验报告,效率较好的环境温度为-9.5℃～-20℃,不同高度携带催化剂播撒的高度层,(从起播点到最高点)可以为1.2～3.7 km。如果按标准大气每上升1 km下降6℃计算,播撒层内气温变化幅度最小为7.2℃,最大为21.6℃。由于对流层气温呈垂直递减的变化规律,在考虑环境温度时,首先要注意起播点和最高点的气温,应尽可能使碘化银在适合凝华的气温范围内。假定碘化银适宜凝华核的气温为-3℃～-20℃,温度垂直递减率等于-6℃/km,从作业安全和作业效果两方面考虑,增雨火箭发射角度应该在45°～75°之间。多年作业经验也证明这个高度角区域是适合的,并且用高炮防雹、增雨作业时也应该掌握在这个区域内。

有资料分析发现,催化云的温度在-20℃以下时,随着温度的降低,催化效果减少并可能会使降水量减少,所以对催化剂的施放高度应该予以科学的确定。

2.2 关于对流云增雨的高度判断

对流云是在大气层结不稳定的条件下由对流运动形成的,雷雨云中上升速度很大,平均可达10 m/s或更大[6]。虽然不同的天气系统大气的热量、动量及水分交换有较大的差别,但是主要考虑气温随高度递减和上升气流的作用。

在实施对流云增雨作业时可以采用如下方法估算火箭弹的发射角度:

第1步利用凝结高度公式估算云底高度,公式采用:

h=124 m(t-τ)

式中h:为凝结高度

t:为地面气温

τ:为地面露点温度

由此公式就可以比较容易地求得云底高度,同时,把τ近似地看成是云底温度。

第2步据大气直减率公式,估算拟发射高度角的起播点和最高点的气温 T(z),计算公式为:

T(z)=T-rz式中T:为地面温度(云底温度);

r:为气温垂直变化直减率。直减率可参照表1。

表1 湿绝热直减率 ℃/100 m

例如:某地气温15℃,取湿绝热直减率r=0.49℃,由增雨火箭弹道设计标准,求出起播点的温度为:T(z)=0.8℃。

如果考虑上升气流的作用取ω=10 m/s,那么大约2 m in左右即可达到碘化银需要的凝华核环境温度要求。

根据大气直减率计算公式,能够比较客观地估算出火箭的适宜发射高度角,这样就可以使增雨作业可靠性更大些。当然,用大气直减率计算的高度角,还应该结合天气实况,有条件时应注意与各标准高度层(例如:5 000 m、3 000 m、1 500 m等)的温度值进行对比分析,选择适当的绝热直减率,这样就会使火箭发射高度角更科学、合理,大大减少作业的盲目性,增雨作业的效果也一定会更好。

上述办法的综合利用,可以减少人工增雨作业的盲目性,不仅可以提高人工增雨效益,同时也能减少盲目作业带来的不必要的经济损失。

降水现象是复杂的物理过程,但人工催化增雨技术的物理机制已经得到很多专家学者的认同,火箭、高炮增雨是冷云催化机制,碘化银形成凝结核要求适当的温度环境,所以应该在已知的物理机制条件下去进行工作,才能促进大气物理过程的改变,达到增加降水的目的。

把碘化银撒播到适当的气温环境是增雨成功的关键环节,所以在实施增雨时,对催化剂施放的高度一定要做好估算,只有这样才能达到有效增雨的目的。对流云的增雨作业,对起播点高度上的温度环境应该考虑上升气流的作用,对流云增雨起播点可适当低一些。由于对流层内气温的垂直变化较大,火箭发射高度角的选择不应该太大。

3 结语

人工增雨是在有利的环流形势下对中、小尺度天气影响的结果。这种影响与中小尺度天气的活动相偶合是增雨成功的关键条件之一,所以作业时应该充分考虑中小尺度的间歇性,伴随天气变化同步进行。

把碘化银撒播到适当气温环境是增雨成功的关键环节,所以在实施增雨时,对催化剂施放的高度一定要作好估算,只有这样才能达到有效增雨的目的。

秦皇岛气温变化呈现逐渐升高的趋势,降水呈现逐渐减少的趋势,气温上升、蒸发量增大、干旱少雨矛盾日渐突出。随着人口的增加,人民生活、工业、农业和其他领域对淡水需求的空前增长,无论从经济、社会或环境哪个角度来看,这一增长态势都是可持续的。污染对气候变化的潜在影响将成为21世纪的主要问题之一。

气象部门要认真抓实人工影响天气工作,开发空中水资源,做到“一年四季不放松,一次过程不放过”。春季增雨以抗旱为主要目标,夏秋季增雨以蓄水为主要目标,冬季积极进行增雪作业。实践证明:人工增雨能够带来巨大的经济效益,且投入产出成倍增长。有统计表明:投入产出比一般在1∶60左右。而这只是可见的短期利益,一次有效的人工增雨作业,通过增加水资源将会给未来带来巨大的利益。

Water Resources Publication,Colorado.1988.

[2]陈连友.人工增雨气候时段的选择[J].河北气象,1987,77(3):68.

[3]气象科学技术情报研究所.云物理与人工影响天气[M].北京:中央气象局,1977.96.

[4]陈光学.增雨火箭防雹作业系统设计及实验[M].北京:航天工业总公司四院四所,1997.75.

[5]牟海省,钟志武译.播云增雨指南[M].北京:中国气象局科技教育司,1997.80.

[6]扬大升.动力气象学[M].北京:气象出版社,1982.409.

Exploration on Arid Climate and Artificial Precipitation in Qinhuangdao Area

Cao Jianxin1,2,Chen Lianyou2
(1.Ecological Environment Key Laboratory of Hebei Province,Shijiazhuang Hebei 050021;2.Meteorological Bureau of Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066000)

Climatic analysis shows that with the urbanization environment in Qinhuangdao the annual average temperature tends to rise,especially in the past ten years,there was an abnormal change that led to the annual average temperature going up.The annual precipitation p resents decreasing trend,owing to successive years of drought,the lack of rain,high air temperature,serious shortage of water in reservoir,the deterioration of ecological environment.So there is a pressing demand to artificial precipitation.Now,the artificial weather modification has entered normal operational status.By summing up the experience of artificial precipitation made by rocket from 1999 to 2008,the key skills of artificial precipitation are analyzing the climatic law s of the local precipitation,in the meantime,artificial precipitation using silver iodide needs p roper temperature conditions,namely the catalysis of cold cloud.In order to achieve better results,angle of rocket launcher must be suitable,so the catalyst can be sent the environment of catalysis with suitable temperature,and that will ensure success rate.

arid climate;artificial precipitation;catalysis of cold cloud;water shortage

P48

A

1008-813(2010)02-0018-05

10.3969/j.issn.1008-813X.2010.02.006

2009-11-17

曹建新(1959—),男,秦皇岛市抚宁人,毕业于南京信息工程大学农业气象专业,高级工程师,主要从事农业气象的研究。

[1]Kite,G.W.Frequency and Risk Analysis in Hydrology.