大兴安岭林区一次飞机增雨作业的条件识别和效果分析

郑 凯，张苗苗

(黑龙江省人工影响天气办公室，黑龙江哈尔滨 150030)

森林在涵养水源、净化空气、调节气候、改善环境、维护生态平衡等方面发挥着重要作用，而森林火灾对植被和生态环境造成严重破坏、危及人类的生存、造成严重的经济损失。黑龙江省自1987年开展飞机人工增雨作业已有多年历史，在黑龙江省北部林区森林增雨扑火作业中发挥了重要作用，受到省政府及森防部门的肯定。2013年增雨飞机首次进驻加格达奇机场，飞机增雨作业覆盖整个大兴安岭地区，为更有效地开展林区防火、扑火作业奠定了基础，也对如何更科学有效地开发空中水资源、增加林区降水提出更高要求。笔者在此基于云降水精细分析系统，应用GRAPES模式预报资料、卫星云特征参量产品、雷达资料和L波段探空秒数据等，针对2015年6月6日大兴安岭地区一次飞机增雨作业过程，重点讨论了增雨作业条件的识别和方案的设计，并对作业效果进行了初步分析。

1 天气背景

前期，中高纬度为两槽两脊的形势。受鄂霍次克海深厚低涡阻挡，黑龙江省为弱高压脊控制，贝湖以东地区低涡不断有冷空气补充，发展加强。6月6日08:00，贝湖以东低涡移近黑龙江省西部地区，中心位于蒙古国与内蒙东部交界处，黑龙江西部处于低涡前部偏南气流中，水汽条件较好，随着低涡的东移，全省自西向东有一次降水过程。

2 增雨潜力预报

2.1 GRAPES模式预报产品分析 根据欧洲中心、T639等模式预报，贝湖以东冷涡发展加强并移近黑龙江省，6日08:00，低涡中心位于内蒙东部与蒙古国交界处，黑龙江省西部处于涡前偏南气流中，水汽条件较好，随着系统的移近，降水于6日凌晨自西向东展开，大兴安岭地区位于低涡前部，0℃层位于850～700 hPa，偏南风，风速12～20 m/s。

从GRAPES模拟的云宏观场看，5日20:00以后，云带开始进入黑龙江省偏西部地区;6日02:00以后，云带覆盖面积逐渐扩展，云区面积增大、云顶高度升高、云顶温度降低、云层增厚;6日08:00(图1)，低涡云系密实、紧凑，高值区自大兴安岭西部延伸至吉林中西部地区，云带0.5～1.0 mm，云中过冷水含量0.01～0.10 mm，云顶高度7～11 km，云顶温度－30～－50℃;11:00以后，云带面积进一步向黑龙江省中东部扩展，但云顶高度有所降低、温度升高、云层变薄变分散，过冷水的分布也变得分散，大兴安岭地区过冷水含量显著减少。综合以上分析，6日11:00之前，系统处于发展阶段，大兴安岭西部地区具备较好的增雨潜力。

为确定具体的作业方案，对大兴安岭西部地区进行水成物垂直剖面，由图2可见，大兴安岭西部地区垂直高度上云水含量较充沛，过冷水位于700～600 hPa，具有一定厚度，位于0～20℃、1 800～6 000 m;冰晶粒子高值区位于3 500～4 500 m，含量0 ～10 L－1，3 000 ～4 500 m高度雪晶、霰发展较好，含水量0.05～0.30 g/kg。从模拟结果来看，过冷云水层具有一定厚度，冰相粒子发展较好，大兴安岭西部地区具备较好的增雨潜力。

2.2 作业预案设计 综合以上分析，6月6日大兴安岭地区受低涡前部云系影响，利于降水的产生，云系中具备一定的过冷水，位于1 800～6 000 m，随着系统的移近，其西南部有干冷空气进入，午后易发雷暴和短时强降水，同时考虑到下午系统开始减弱，预计上午开展作业增雨效果较好，作业时段为08:00～11:00，作业高度为3 000～4 000 m。

3 作业条件监测与方案设计

由6月5日20:00和6日08:00高空实况可见，系统的发展与EC和T639模式预报产品基本一致，受暖脊影响，云带位于大兴安岭与内蒙交界处，其主体北上速度较慢，云带向东北方向缓慢移动，随着系统移近，中高层有干空气夹卷进入内蒙东部地区，黑龙江西部地区水汽条件较好，地面有稳定性降水产生。位于作业区域上风方向的嫩江站5日20:00和6日08:00探空显示，2个时次均具备一定的不稳定能量，K指数较大，SI指数较低，08:00低层风切变较大，伴随中高层干空气的进入，加格达奇本站附近午后易产生雷暴、大风等强对流天气［1－2］。

3.1 云垂直结构分析 选取嫩江站L波段探空秒数据，利用探空数据分析云垂直结构的方法［3－5］，分析云系垂直结构特征。由图3可见，5日20:00，本站处于系统前部，无降水产生，云层发展较高，云顶高度约12 km，低层至高层为一致的偏南风，0℃层高度约2.7 km;6日08:00，主体云系进入本站，云顶、云底高度均有所降低，分别为9.2和1.0 km左右，由高、中、低三层云组成，低云云顶高度约5 km，0℃层高度降低至2.4 km左右，云底高度降至1 km以下。

3.2 云场发展演变及模拟云场检验 由卫星反演的6日08:30过冷层厚度、云顶高度和云顶温度(图4)可见，云系的总体发展趋势与GRAPES模式预报基本一致，预报云带主体范围偏大，大兴安岭地区云带东移北上的速度较预报场偏慢，而云带南部位置较预报偏东约2个纬度。降水主体云系过冷层厚度为4.5～8.0 km;云顶高度为8～10 km，与模式预报一致;云顶温度－40～－30℃，南部云体云顶温度预报偏高10℃。云系主体自大兴安岭西部延伸至黑龙江省中南部地区，地面有降水产生，与模式模拟云带0.5 mm以上区域基本一致。由临近几个时次的卫星云图来看，云带进入大兴安岭地区的速度偏慢，主体刚刚进入大兴安岭地区西南部，仍处于发展阶段，经过外推，预计未来3 h将向东缓慢移动，可在云系前沿开展催化作业。

3.3 飞行航线的设计 通过对云系垂直结构的分析和系统云系的监测，并进行外推，考虑到云系尚处于发展阶段，将进一步东移北上，沿着主体云系前沿增雨潜力较大，且考虑到下午干空气侵入后，加格达奇周边发生雷暴的几率较大，制定了6日08:30～11:30的作业计划(图5a)，对大兴安岭西南部林区进行作业，作业高度为3 000～4 000 m。

4 作业效果分析

4.1 作业情况简介 6日08:30～11:10，加格达奇的增雨飞机对大兴安岭地区西南部林区开展了增雨作业，播撒时间08:55～10:29，飞行轨迹与预设航线基本一致(图5b)，作业高度为3 500～3 700 m，作业层温度为－6～－8℃。机上宏观记录表明，作业云系为层状云，云体发展深厚，水汽含量充足，云内飞行较平稳，机体有积冰，表面过冷水含量较充沛;作业消耗 AgI焰弹200发、19管焰弹19根，纯 AgI含量468 g。

4.2 作业后雷达回波强度与垂直累积液态水含量的变化 作业区域距加格达奇雷达站75～175 km，从雷达回波上看，作业云系为层状云，云顶普遍在4 km以下，当探测距离超过120 km后不能反映出2 km以下的降水信息;600 hPa风向为南东南风，与播撒轨迹基本垂直，风速12～14 m/s，同时系统移动缓慢;综合以上原因，对约120 km范围内的影响区域进行了效果的初步检验。

根据机上记录，飞机于8:56～10:29进行了云内播撒(图5b)。由图6～7可见，开始作业前，08:56影响区内只有少部分非降水回波，液态水含量较低，且分布较分散;09:27，作业30 min后，随着云系的东移，影响区内出现降水回波，且强度较图中框区南部非作业区强，液态水含量也呈增加趋势;10:04、10:30，分别对应影响区内作业后30 min和1 h，框区内降水回波增强、面积明显增大、云体增厚，云顶高度4 km，降水回波最大达35 dBz，液态水含量5 kg/m2以上的范围继续增加;11:02～12:32，降水回波的范围进一步向北向东扩展，面积增大、液态水含量增加。

由于作业影响区主要位于林区，雨量点稀少，未能进行雨量的检验，从常规站的观测来看，作业区下风方的呼中站，作业前6 h雨量0.1 mm，作业后14:00的6 h雨量为2 mm，高于周边站点。综合以上分析，作业后影响区内雷达回波增强、降水回波面积增大、云层增厚、垂直累积液态水含量有所增加，存在正效果。

5 小结

(1)GRAPES模式对云宏观场的模拟效果较好，云带范围、云顶高度、云顶温度、发展趋势与实况基本一致，垂直累积过冷水含量及其水凝物的预报为作业条件的识别提供了重要参考。

(2)此次过程水汽条件一般，以小雨天气为主。从作业效果看，作业后影响区内降水回波面积增大、回波增强、云层增厚、垂直累积液态水含量有所增加。

［1］廖向花，周毓荃，唐余学，等.重庆一次超级单体风暴的综合分析［J］.高原气象，2010，29(6):1556 －1564.

［2］张苗苗，牛忠清.基于CPAS的层状云飞机增雨作业条件识别和效果分析［J］.黑龙江气象，2015，32(1):33 －35.

［3］周毓荃，欧建军.利用探空数据分析云垂直结构的方法及其应用研究［J］.气象，2010，36(11):50 －58.

［4］欧建军.利用探空数据分析云垂直结构的方法及其应用研究［D］.南京:南京信息工程大学，2011:11－12.

［5］蔡淼，欧建军，周毓荃，等.L波段探空判别云区方法的研究［J］.大气科学，2014，38(2):213－222.