2013年四川省飞机增雨作业典型个例分析

张 元，刘建西，刘晓璐，王维佳

(四川省人工影响天气办公室，四川成都610072)

0 引言

受全球气候变暖的影响，四川省季节性和区域性干旱日趋严重，近几年均发生了不同程度的干旱，严重影响了生态环境、工农业生产和人民生活等。此外，随着经济发展社会的快速发展，人们生活质量的不断提高，退耕还林还草工程、草原牧区生态环境建设、南水北调工程等重大项目的开展，导致水资源需求量的大幅度增加，人工增雨则是缓解水资源短缺与需求增加这一矛盾的有效方式。尤其近年来随着大气科学整体水平的长足进展，新一代天气雷达、气象卫星、地理信息技术、中小尺度气象监测网、新型的催化剂和播撒工具的综合利用等，人工增雨技术也有了整体提高[1－3]，人工增雨作业在保障人民生产、生活、生态用水以及防灾减灾方面发挥了积极的作用。

自2012年冬季以来，川西高原南部及攀西地区降水比往年偏少6～9成，四川盆地大部地区偏少2～5成，冬干分布范围为近20年来最广，加之气温普遍偏高，耕层土壤相对湿度下降至70%左右。2013年入春后干旱持续，旱情由攀西、川南局部地区向四川盆地西北、盆地中部及盆地西南等地区迅速蔓延，截至3月中旬，已有15个市州受到干旱天气影响，608.9万人不同程度受灾。为了有效缓解旱情，四川省人工影响天气办公室密切监视天气，及时抓住有利时机，制订了高密度、大范围的增雨作业计划。其中2013年4月4日晚，在四川东部、重庆西部等地开展的飞机增雨作业效果明显，作业影响区普降小到中雨，部分地方大雨，个别站点出现暴雨，作业影响面积2.92万km2，增加降水量11972万m3。文中利用常规气象资料、雷达资料以及人影模式预报产品分析了该次增雨过程，并对其效果进行初步检验。

1 作业条件监测

1.1 干旱监测

根据2013年4月4日的全国气象干旱综合监测图可以看出，全国的干旱分布较广(图1a)，北方的覆盖面积广，包括内蒙古、山西、河南、陕西、甘肃、宁夏、青海东部、新疆西部，其中甘肃旱情较重。南方地区的干旱主要分布在四川东部、重庆西部、云南北部等，其中四川东部的特旱与重旱范围是全国之最。

从四川省4月4日气象干旱分布图(图1b)可以看到，四川盆地中部、北部以及凉山攀枝花等地都处于不同程度的干旱，其中四川盆地中部及盆地南部旱情严重，其中眉山、遂宁、资阳、内江、自贡、宜宾、泸州等市都达到重旱，资阳、内江、自贡、泸州等市与重庆交界处为特旱。

图1 2013年4月4日全国气象干旱综合监测图和四川省气象干旱分布图

1.2 天气形势

图2 2013年4月4日08时高空形势图

图2为4月4日08时高空形势图，500 hPa(图2a)上，明勤—汉中—达州有一低槽，青藏高原东部到四川盆地西部为西北气流，另外在高原中部还有一低值系统，预计前48小时四川受东移的低值系统影响，后24小时转为西北气流控制;700 hPa(图2b)上，陕西南部有一切变，云贵到四川盆地为西南气流;850 hPa(图2c)上，盆地为一辐合区。根据数值预报(图略)，中低层盆地将迅速转为东北气流，引导冷空气南下，给四川省带来一次明显的降温、降雨天气过程，为开展人工增雨作业提供了基本条件。

1.3 人影模式预报产品分析

1.3.1 作业条件监测

图3 卫星反演的2013年4月3日15:00西南旱区云顶温度和光学厚度

根据中国局人影中心云反演产品分析显示(图3)，四川西部、云南西北部有云系覆盖，局部液水含量较为充沛，云顶温度最低约为－45℃，光学厚度最大可达24;四川东部、贵州中东部、局部液水含量较为充沛，云顶温度约为0℃，光学厚度最大可达33。

1.3.2 作业潜势预报

从模式预报累积过冷水分布图(图4)可以看出4月4日08时～5日08时，四川、云南大部、贵州、重庆、广西有云系覆盖，其中旱区四川东部、云南西北部、重庆西部云系有一定的过冷水，午后过冷水含量逐渐增多，累积过冷水约有0.3～0.5 mm，具有一定的催化潜力。

图4 2013年4月4日08时～5日08时模式预报累积过冷水和增雨催化潜力区分布图

1.3.3 潜力区云结构预报

图5 2013年4月4日20时沿30°N东西向水成物垂直剖面

潜力区云体垂直结构分析显示(图5)，4月4日08时～5日08时，四川东部、重庆西南部过冷水主要位于0℃～－10℃层(海拔高度3300～5500 m)，暖区云水含量丰沛，具有一定的增雨潜力(图5)。

1.4 探空分析

根据4月4日20时四川省探空资料显示(图6)，四川盆地中部及盆地南部0℃层高度为3500～3800 m，－10℃层高度为5400 m～5500 m。结合国家人影中心下发的人影模式产品分析结果，确定作业飞行高度3300～5500 m。

图6 四川省2013年4月4日20时0℃层和－10℃层高度等值线(10 m)

2 作业方案设计及作业情况

根据天气形势分析以及人影模式产品结果，4月4日受低槽影响，四川省有一次明显的降温、降雨天气过程;4月4日08时到4月5日08时四川中部、东部地区，重庆西部云系有一定的过冷水累积，且过冷水主要位于具0℃～－10℃层(海拔高度3300～5500 m)，有一定的催化潜力;四川盆地中部及盆地南部0℃层高度为3500～3800 m。综合以上分析，四川省人影办计划在4月4日20时～24时在四川东部、重庆西部等地0℃层上进行飞机人工增雨作业。

2.1 航线设计

4月4日晚作业具体航线设计如图7所示，飞机从广汉出发，途径成都、遂宁、重庆的潼南、江津以及贵州习水县，再经泸州、内江、资阳等市返回，设计总航程为862.027 km。

图7 2013年4月4日晚飞机作业航线设计图

2.2 作业情况

图8 2013年4月4日晚飞机作业实际航线图

图8为4月4日晚飞机增雨作业实际航线图，此次作业选择在降雨过程前期进行，主要对有增雨潜力的目标区或其上风方云区用液氮进行人工催化，当日20:46～23:38，作业飞机从广汉起飞，在四川的郫县、邛崃、成都、泸州、内江、资阳，重庆的潼南、江津等地实施催化作业，作业最低高度3000 m，最高高度3900 m，作业温度在－1℃～－5℃，航行2小时52分，航程862.027 km，作业后6 h作业区普降小到中雨，部分地方大雨，个别点出现暴雨，作业影响面积2.92万km2，增加降水11972万m3。

3 作业前后雷达回波、雨量变化

3.1 作业前后雷达回波变化

雷达基本反射率能够直观地反映出探测范围内降水云团的位置和强度。实施增雨作业后，随着冰粒子尺度的增大，雷达对电磁波的散射能力也增大，雷达回波可以反映出来[9]。图9为2013年4月4日晚增雨作业前后宜宾站新一代天气雷达基本反射率变化情况。当晚作业催化开始时间为21:19，选取作业前1 h，作业后1 h、2 h、3 h宜宾站雷达基本反射率变化特征进行比较分析。从图9可以看出，降水回波主体作业前1 h分布在凉山州及乐山一带，回波强度在10～40 dBz，为降水云系的发展阶段，图中椭圆形实线区域内为作业区，催化剂主要播撒在泸州、内江等地区，作业前作业区几乎没有雷达回波，作业期间宜宾高空500～700 hPa均为西南风(图略)，催化剂随着引导气流向东北方向扩散。

图9 作业前后雷达基本反射率图

回波在作业后保持稳定发展，并从西南向东北方向移动发展，作业后3 h，回波面积明显增大，其中心强度已达到50 dBz。由此可见，飞机增雨作业后，作业区域降水回波明显增强，回波面积增大。

3.2 作业后雨量分析

图10 2013年4月4日20时～24时作业区自动站分钟雨量图

选取4月4日20时～24时作业范围四川省内6个自动雨量站分钟雨量分布进行分析(图10)，21:19开始在成都邛崃等地播撒催化剂，从图中可看到，邛崃、丹棱、贡井、威远4个测站作业前20时到21时就有小雨，1 h累积雨量分别为2.3 mm、2.5 mm、1.2 mm和0.2 mm(见表1)，简阳和古蔺在这一时段没有降水;丹棱、古蔺、贡井3个测站在21～22时雨量明显增大，其他3个测站在22时后明显增大，其中丹棱武庙乡站作业后3 h累积雨量达26.2 mm。由此可见，飞机增雨过后，雨量有明显的增大过程，且从图10可看出，测站出现降雨的时间也基本与飞行路线一致，先作业的地区降雨时间较早。

表1 2013年4月4日晚作业区域自动雨量站雨量/mm

3.3 作业后干旱监测

从图11可以看到，4月5日与4日相比，四川及重庆旱情明显减弱，基本转为轻旱或重旱，说明4月4日晚增雨效果比较明显，为减轻2013年四川西南部分地区春旱发挥重要的作用。

图11 2013年4月5日全国气象干旱综合监测图和四川省气象干旱分布图

4 效果评估

由于云和自然降水变率大，评估对象的不确定性，不同时空条件下的各种因子相互影响制约，探测仪器设备缺乏、技术的局限等原因，人工增雨的量值经常在自然降水变化中被掩盖[4]，因此科学、客观、准确地评估人工增雨作业效果是非常困难的，也是目前人影业务亟待解决的难点。

结合业务作业服务工作，国内学者针对人工增雨的效果检验做了许多工作，也取得一些研究成果。目前常用的评价人工增雨效果的方法有统计检验、物理检验和数值检验3种基本方法[5－7]，这3种方法有共同之处，也有其侧重点。物理检验可以直观地看到人工增雨作业的效果，而统计检验的优势是可以给出在一定置信水平下效果大小的具体数值，从长远看，用数值模式作精确、定量的降水预报是解决人工影响天气效果检验问题的重要途径。

文中采用区域对比检验方法对此次增雨效果进行评估。

4.1 区域对比检验

近年来，很多学者对人工增雨的效果评估也开展了一系列的研究，取得一些重要的作业经验和研究成果，在为政府和公众服务过程中，需要对每次作业增加降水有定量客观的计算，因此四川省人影办经过多年实践，采用区域雨量对比的方法，简明、实用地评估增雨效果[11]，下文通过区域对比检验对4月4日晚增雨作业效果进行评估。

对比区的选择。对比区的选择基本遵循以下3个原则:(I)位于目标区的上风方或横侧，地形和面积与作业影响区大致相近，不受作业催化剂污染;(II)与目标区受同一降水天气系统的影响;(III)历史降水情况与目标区有好的相关。

其中R、r分别为影响区、对比区的平均雨量。选取作业开始时间起之后3小时累积雨量，分别计算响区和对比区内各雨量站的算术算术平均值，得到R和r值，两者的差值即为增雨量。

上式中S为作业影响面积，根据催化剂播撒路径确定作业起止点的经纬度，根据作业层风速风向确定催化剂的扩散范围，给出一个比较规则的几何区域，计算出该区域的面积，即为S值。

图12 4月4日晚飞机作业效果评估图

4.2 评估结果

根据作业起止点，遵循影响区选择的原则选取影响区(图12，虚线矩形区域)，利用四川省人工影响天气业务系统计算出影响区面积，根据4月4日晚21时到24时四川省自动站降水资料以及重庆部分站点的雨量值，计算得到影响区雨量R，由于作业当晚作业高度为西南风，选取与风向垂直的位于影响区东南侧为对比区(实线矩形区域)，计算出同时段对比区雨量值r，最后得到此次增雨作业的增加降水量P。

此次作业影响面积2.9万km2，影响区3 h平均降雨量为4.9 mm，对比区3 h平均降雨量为0.8 mm，3 h增加降水量11972万m3。

5 结论

通过对四川省2013年4月4日晚飞机人工增雨作业过程进行分析，结论如下:

(1)由于受高空低槽影响，4月4日四川有降水过程，旱区四川东部及重庆西部液水含量充沛，4月4日08时～5日08时，四川东部、重庆西部云系有一定的过冷水，午后过冷水含量逐渐增多，具有一定的催化潜力。

(2)综合天气形势及人影模式产品结果，4日20:46～23:38，四川省人影办在四川盆地中部、盆地南部以及重庆西部等地实施跨区增雨作业，作业高度为3000～3900 m，作业温度为－1℃～－5℃，航时2小时52分，航程862.027 km。

(3)从作业前后雷达基本反射率和作业区自动雨量站雨量分析可以看到，此次飞机增雨作业区降水回波强度、面积明显增强，降水量也在作业后有增大的过程，作业区普降小到中雨，部分地方大雨。利用四川省人工影响业务平台，根据区域雨量对比的方法计算得出此次增雨作业影响面积2.9万km2，3 h增加降水量11972万m3。4月4日晚飞机增雨效果比较明显，为减轻2013年四川及西南部分地区春旱发挥重要作用。

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