2018年青海人工增雨天气环流形势及作业条件统计分析

张玉欣 田建兵 张鹏亮 薛丽梅 康晓燕

(青海省人工影响天气办公室，西宁 810000)

引 言

1933年瑞典科学家贝吉隆等提出“冰晶效应”即在大部分可以形成降水的混合云中，降水主要取决于云中是否有足够数量的冰晶，再通过冰水转化过程形成大水滴[1]。1946年美国科学家相继提出在冷云中播撒干冰和碘化银的方法，适当增加云内冰晶促使降水的形成和增加[2]。人工增雨基本原理从1940s至今逐渐完善，但是在人工影响天气作业的实际应用中有非常大的不确定性和难度[3-5]。目前卫星、雷达、地面观测、探空资料和数值模式预报等资料复杂多样，在作业的各个阶段如何应用这些资料对实际作业提供数据支撑和可靠依据是目前人工影响天气作业中至关重要的问题，在青海高原地区同样面对着高海拔地区对实际作业云系内部探空资料的匮乏等问题。卫星反演资料在研究云内宏微观物理量变化在很大程度上可以解决上述问题[6-9]。

青海省飞机人工增雨作业规模由1997年以前的单架次飞机作业到2017年实现双架次飞机作业，作业数量和作业范围都逐渐在扩大，由东部农业区延伸至除海西西部外约青海省面积的四分之三(约540 000 km2)。如今飞机人工增雨的基本业务有东部农业区抗旱人工增雨(雪)、黄河上游增蓄性增雨以及三江源地区的生态修复性人工增雨，时间跨度也基本覆盖一年四季，飞机增雨作业在青海地区人工增雨起着至关重要的作用。对于青海省海拔高地面站点较少、飞机所携带机载设备少这类地区，FY-2C静止卫星融合地面、高空资料联合反演开发出包括云顶高度、云顶温度、液水路径等近10种云宏微观物理特征量[10]，利用卫星反演资料对飞机作业前后作业云系的宏观和微观条件的判断，对已作业的资料的统计，总结出高原地区云实际条件有非常重要的意义，同时也可以为未来人工增雨飞机作业提供可靠的依据。

本文利用2018年青海省人工影响天气办公室实际飞机增雨作业中预报模式产品、卫星资料反演、雷达回波以及探空资料和气象资料，分析实际作业中的大气背景条件(大气环流形势、降水系统等)将飞机人工增雨降水过程进行环流分型，对作业时云内微物理过程中的云中粒子半径、过冷水条件等云内宏微观进行分析。对2018年飞机实际增雨作业的过程及技术研究，对未来飞机增雨作业提供统计数据支撑和作业指标参考。

1 资料与方法

青海省人工增雨飞机主要作业区域为东部农业区和三江源及黄河上游地区。东部农业区属于黄土高原向青藏高原的过渡地带，总面积35 000 km2，包括民和、乐都、平安、互助、湟中、湟源、大通和西宁市等共1市13县。三江源地区地处于青藏高原腹地，位于(31°39′～ 36°12′N， 89°45′～ 102°23′E)之间，平均海拔高度4 500 m，行政区划上包括玉树市、果洛州、海南州和黄南州所辖称多县、玛多县、同德县、河南县等16个县和1个格尔木市代管的唐古拉山镇。

在云的精细化结构部分主要依靠云降水精细分析系统(CAPS)。预报模式主要利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)细网格(0.25×0.25)数值预报产品。云中过冷水以及垂直结构应用了CPEFS模式产品，其将全国分为8个区域进行实时预报08时(北京时，下同)与20时启动模式预报，数据的水平分辨率为3 km，时间分辨率为1 h，共有云和降水场等31个宏微观预报产品，详细参数说明详见文献[9]。卫星云特征参量产品利用FY-2C静止气象卫星探测资料反演，其卫星云特征参量产品主要有云黑体亮温、云顶高度、云顶温度、云体过冷层厚度等宏观参量和云光学厚度、云粒子有效半径、液水路径微观参量，详细参数说明详见文献[11]。雷达资料选取西宁和海西两部多普勒雷达，基本可以覆盖青海东部区域，详细说明详见文献[5]。地面资料利用青海省国家气象基准站地面1 h以及对应的相对湿度和一天两次的探空资料。

在飞机人工增雨催化过程中，主要通过催化剂扩散机制，扩大AgI影响范围，利用AgI影响云的微物理过程达到增加降水的目的。根据实际飞机人影作业中催化剂播撒情况，利用周毓荃等[14]研究方法对飞机作业催化剂扩散效果模拟，模拟不同时段催化剂的扩散范围和浓度分布，确定作业区及影响区。主要方法建立在自由大气中的物质输送扩散方程[12]：

(1)

式中：q为扩散物质浓度；u、v、w分别代表x、y、z轴上的风速；kH和kV分别为水平和垂直方向上的湍流系数；t为时间。对于点源视u、v、k为常数，由实测催化层的风速确定，w=0。水平湍流交换系数kH和垂直湍流交换系数kV分别取，kH=70 m2·s-1，kV=35 m2·s-1。

飞机播撒按实际播撒情况视其为移动点源的单点移动播撒。离散化移动点源认为是每隔△t的tn时刻在对应的xn、yn、zn处播撒Qn=R△t，R为播撒速率，单位为g·s-1或个·s-1。飞机播撒的浓度应是相加的结果。即：

(2)

。

(3)

式中：x、y、z和t为任一空间时间坐标，xn、yn、zn和tn为第n个飞机播撒点坐标。取104 m-3为人工冰核浓度显著有效区阈值。利用实际作业航线及实际播撒催化剂时间，结合探空资料在作业高度层上的风速和风向，选取作业3 h内影响区，扩散时间按照卫星反演资料频率取每30 min一次扩算面积，同时对比区选取规则按照以下原则(具体方法参考文献[12])：(1)对比区选在作业区上风向或者测风向，避免受到催化作业影响；(2)对比区的地形和作业影响区大体一致，由于作业影响区随着时间是有所变化的所以对比区域面积和走向与作业影响区相应变化；(3)对比区和作业影响区受相同天气系统影响。

2 结果

2.1 2018年青海省人工增雨气候背景条件

2018年青海省平均降水量为484 mm(图1)，较常年偏多3成，为历史最多。降水量分布不均,且呈现明显的东南多西北少的趋势，在柴达木盆地年降水量在100 mm左右,而在黄河上游河曲地区年降水量可达700 mm。2018年青海省年平均气温呈东高西低特征,年平均气温3.3℃，较常年偏高1.0℃，青海东部平均气温为6℃左右。

2.2 大气环流分型

2018年1—12月青海省人工影响天气办公室共组织实施了77架次的人工增雨作业，作业区域包括东部农业区、黄河上游河曲地区及三江源地区。飞行总航程近70 000 km，飞行时长超过240 h。

选取77个飞机增雨样本增雨当天08时(北京时，下同)或20时500 hPa资料分析，以大气环流分布和冷空气入侵青海的不同路径为主，将人工增雨降水过程分类。2018年人工增雨作业的大气环流型主要分为4种：两槽一脊型、东高西低型、纬向环流型、横槽转竖型，共计35次降水过程。表1为4种大气环流型下飞机增雨架次分布，可以看出，各个大气环流型集中时段有明显区别，其中两槽一脊型为2018年主要作业的环流型，集中出现在4—5月和10—11月。

表1 2018年各大气环流型飞机增雨架次分布及集中时段Table 1 Distribution of aircraft precipitation in each atmospheric circulation pattern in 2018

两槽一脊型的降水过程在500 hPa高度上，一般为两种情况：一种由西亚大槽东移分离，并沿35°N线逐渐东移的高原大槽，与北部东移南压的北槽在高原东部结合，形成较深厚的高原槽，促使青海省产生自西向东的大范围降水。另一种由位于巴尔克什湖一带的西亚槽东移时底部下滑短波槽。在高原槽的大气环流型下配合副热带高压的阻挡移速较慢，同时槽前西南暖湿气流携带大量水汽，大气水汽条件较好，使得云系发展深厚，过冷水条件较为丰富，主要以西南向移动。持续时间较长，范围较大，基本覆盖了东部农业区和三江源地区。这种环流形势是青海省人工影响天气飞机增雨作业的主要环流形势，在2018年飞机作业中35个过程中有11个这类过程，作业架次41架次。图2为4月14日时典型的两槽一脊型环流天气。

图1 1961—2018年青海省(a)年平均降水量、(c)气温变化和2018年(b)平均降水量、(d)气温分布(其中降水量单位: mm; 气温单位:℃)Fig.1 (a)Annual average precipitation and (c)temperature change curve of Qinghai province from 1961 to 2018 And the distribution of (b)average precipitation and (d)temperature in 2018 (unit of precipitation: mm; unit of temperature:℃)

图2 2018年4月14日08时500 hPa天气形势Fig.2 500 hPa weather map at 08∶00 BST on April 14， 2018

在两槽一脊环流型下主要作业云系以层状云，在5月中下旬以积层混合云为主，作业层风速在15 m·s-1、作业层风向以西风或西南向风。雷达回波在5～20 dBZ，在积层混合云系下雷达回波较强可达到40 dBZ。雷达回波顶高在2～6 km。云顶温度在3月底至4月上旬两次过程中云顶温度较低，平均在-35～-10℃。云系发展相对较高，云顶高度在4～9 km，液水路径在179 μm左右，过冷水含量相对丰富。综上所述，在两槽一脊型大气环流型下进行人工增雨作业主要为冷云催化，作业层主导风向以西、西南向为主，云系发展深厚以层状云为主，过冷水相对较丰富。

5—8月主要以东高西低型的环流条件为主，其主要特征是由副热带高压西升北抬时携带的较强西南暖湿气流产生的降水。在副高西升北抬时如果有弱冷空气配合，大气层结处于不稳定状况下，云系由稳定性云和对流性云组成的混合云系。西南暖湿气流带来的大量水汽，区域大降水天气明显，同时夏季午后的对流能量较强。图3为东高西低环流型的500 hPa典型天气形势。2018年东高西低型环流型的过程共计8个，增雨飞机9个架次，这类天气主要出现在5月底到8月底之间。

(2)无线网网关设备需要支持Web授权方式、Web重定向功能。中南大学图书馆目前有某公司的上网行为管理设备(下称AC)，支持上述功能，并有网络监管、非法网站屏蔽等功能，可作为无线网网关。AC提供基于URL授权接口，接受用户ID、IP等参数后对用户授权上网，基于ID进行为监管。设备有示例程序，是在客户端使用JavaScript将数据进行一系列编码处理后，再调用URL接口。使用JavaScript调用接口，有泄漏风险，转换成服务端调用能提高系统安全性。

在东高西低环流型下，主要作业云系以积层混合云为主，作业层风速在11 m·s-1、作业层风向主要为西南向风。作业时雷达回波主要覆盖的东部农业区在5～20 dBZ，雷达回波顶高在2～6 km。云顶温度在3月底至4月上旬两次过程中云顶温度较低，平均在-30～-10℃。云顶高度来看云系在高低层都有所发展在2～9 km，液水路径明显较高在209 μm左右。这种环流型下一般选择在过程前期或者早上开始作业，也就是在积层混合云中上升气流较弱，层结相对稳定时进行作业，在高原地区山脉海拔高度相对较高，在这种天气下作业安全有较大风险。如上文提到的2018年5月至8月底由于青海省降水偏高，黄河上游有一定的地质灾害风险，在这种环流型下作业相对较少。

表2 两槽一脊环流型在过程结束日期的宏微观物理量Table 2 Macroscopic and microscopic physical quantities in two grooves and one ridge

图3 2018年7月14日08时500 hPa天气形势Fig.3 500 hPa weather map at 08∶00 BST on July 14， 2018

纬向环流型天气主要出现3—4月、7月、10月，西伯利亚及东部为强大低压，新疆及西北区位于低压底部的平直西风气流中，在平直气流中有短波槽东移，偏南风持续带来低层水汽输送，在这种天气下，春秋季以低云为主，夏季低云、中云形成深厚云层，大气层结稳定(图4)。2018年共有纬向环流型7个过程，增雨飞机11个架次。主要出现在3—4月和7—10月，纬向环流型下西伯利亚及东部为强大低压，新疆及西北区位于低压底部的平直西风气流较强作业层也以西风为主，冷空气以自西向东路径移动，这种环流型下7—10月经常在青海南部存在高原低涡的配合，在较强的低压下高原低涡的移动相对较慢造成的降水也相对持续时间较长，所以在平直气流中也存在一部分作业层的风向以西南向为主的情况。

图4 2018年4月29日08时500 hPa天气形势Fig.4 500 hPa weather map at 08∶00 BST on April 29， 2018

图5 2018年1月6日08时500 hPa天气形势Fig.5 500 hPa weather map at 08∶00 BST on January 6， 2018

表3 东高西低型在过程结束日期的宏微观物理量Table 3 Macroscopic and microscopic physical quantities in the east high west low circulation pattern

表4 纬向环流型在过程结束日期宏微观物理量Table 4 Macroscopic and microscopic physical quantities in the zonal circulation pattern

横槽转竖型，500 hPa冷空气沿西北气流进入青海省。巴尔喀什湖或新疆为高压脊，新疆东北部有一低压，西风槽在东移中由于受高原地形影响分裂为南北两段。当北槽从新疆东移或从蒙古高原南压时，南北槽往往在青海省上空叠加，冷空气向较暖的空气移动，地面图上有明显的冷锋配合。这种形势的降水特点为典型的冷锋降水。2018年共有6个横槽转竖型过程，增雨飞机11个架次。主要出现在12—1月。在横槽转竖型天气下液水路径明显相对较低，这种天气下大气水汽条件较差，过冷层厚度平均较低，降水量较小。

利用FY-2卫星、探空资料及雷达资料对2018年飞机作业的环流形势进行分析，总结如表6。作业云系主要以层状云和积层混合云为主；层状云作为人工增雨主要作业云系。主要作业层(指飞机作业播撒AgI高度，主要位于0～-15℃的播撒窗高度)风速在16 m·s-1左右；作业层主导风向在230°～280°，即西南至西北风向之间，以不同环流型风向有明显区别，如东高西低型天气中冷空气偏北强度较弱，低层有强偏南气流配合，在作业层中由于偏南的气流较强主导风向也为西南向。纬向环流型中500 hPa冷空气沿西北气流配合南部水汽输送，典型的冷锋降水，

表5 横槽转竖型在过程结束日期宏微观物理量Table 5 Macroscopic and microscopic physical quantities in the transverse to vertical circulation

表6 4种环流型下宏微观物理量对比Table 6 Comparison of macroscopic and microscopic physical quantities under four circulation type

在作业层中明显气流为西北向。在区分不同环流型之后对飞机作业中航线设计有所帮助，在设计航线中要求对作业云系垂直于云移向的“8”字型设计能够实现对云系进行大范围的充分催化效果[13]，不同环流型中主要作业层的主要风向的不同，航线设计中可以作为参考指标。但是如两槽一脊型这类环流型中有时高原低涡与其配合下产生降水，在实际操作中需要实况资料进行辅助参考。

雷达回波强度和雷达回波顶高在4种环流型中区别不大，强度在5～25 dBZ，回波顶高2～6 km。卫星反演中云中宏观量中云顶高度在东高西低环流型中云系平均发展较深厚，这与其西南气流所带的大量暖湿气流有关，纬向环流型和横槽转竖型中云系发展较高但并不深厚；云顶温度最低在-40℃；最大光学厚度约为13；过冷层厚度约2.7 km。在云内微观条件中：有效粒子半径约为13 μm；液水路径西南气流明显较高约为209 μm。

3 结论

选取2018年77个人工增雨降水过程样本，总结出作业期间天气背景环流形势，将其分为4个类型：两槽一脊型、东高西低型、纬向环流型和横槽转竖型。4种环流形势的主要特征：(1)两槽一脊型。这种类型是2018年主要具备增雨条件的环流形势形成原因有两种：一种由西亚大槽东移分离，并沿35°N线逐渐东移的高原大槽，与北部东移南压的北槽在高原东部结合，形成较深厚的高原槽；另一种由位于巴尔克什湖的西亚槽东移时底部下滑短波槽影响。(2)东高西低型。由副热带高压西升北抬时携带的较强西南暖湿气流影响。(3)纬向环流型。西伯利亚及东部为强大低压，新疆及西北区位于低压底部的平直西风气流中，在平直气流中有短波槽东移，偏南风持续带来低层水汽输送。(4)横槽转竖型。500 hPa有冷空气沿西北方向移动，巴尔喀什湖或新疆为高压脊，新疆东北部有一低压，西风槽在东移中由于受高原地形影响分裂为南北两段。

统计分析2018年整体作业云系以层状云和积层混合云为主；主要作业层风速在16 m·s-1左右；作业层主导风向为230°～280°，不同环流型风向有明显区别。雷达回波强度在5～25 dBZ，雷达回波顶高2～6 km。卫星反演结果中云顶温度最低在-40℃；最大光学厚度在13左右；过冷层厚度在2.7 km左右；有效粒子半径在13 μm左右，液水路径在西南气流较高约209 μm。不同环流型中主要作业层的主要风向的不同，分型后可以作为飞机航线设计中水汽来向的参考指标，但在实际实施作业中必须辅助参考实况资料。

本文从大气环流的角度划分出2018年青海省飞机增雨作业背景条件，但从资料上来说远远达不到对适合人工增雨的云系的宏微观变化特征的精确的研究。在确定大气背景条件后，利用多种观测手段，如探空和天气图、高分辨率卫星、雷达、飞机探测以及数值模拟试验，总结后续年份的飞行作业过程资料，进而总结给出精确、详细的青海省不同环流分型下的云系宏微观结构模型和催化技术指标有重要意义。