吉林省农业抗旱飞机增雨作业过程分析——以2021年6月1日为例

汪晓梅李茂仑

(1.吉林省气象灾害防御技术中心，吉林 长春 130062；2.吉林省人工影响天气办公室，吉林 长春 130062)

引言

用人为手段使天气现象朝着人们预定的方向转化称为人工影响天气，主要包括人工降水、人工降雹、人工消云、人工消雾等人类对天气有意识的影响活动[1]。人工影响天气在吉林省开展由来已久，最著名的就是1958年8月吉林省在全国率先开展了抗旱飞机人工增雨作业，并一直延续至今。原因在于吉林省是国家重要商品粮生产基地，粮食产量和人均占有量均居国内前列，但由于吉林省地处北半球中高纬度带，干旱和冰雹灾害一直是吉林省粮食生产可持续发展的重要瓶颈，特别是水资源安全对工农业生产、居民生活和生态安全影响巨大。为此，吉林省农业、水利和气象等部门强强联合，通过水情、旱情等信息共享，科学调度吉林省防汛抗旱资源，如飞机和地面火箭人工增雨或消减雨作业等，为吉林省粮食生产提供保障。飞机和地面人工增雨作业已经成为吉林省农业生产、森林防灭火和生态保护的有效科技手段，并常年业务化开展，为气象防灾减灾服务地方经济社会发展做出了重要贡献。

1 旱情

根据2021年5月31日实测10cm农田土壤湿度资料分析，吉林省东部大部县(市)土壤相对湿度为60%～90%，墒情较好。中西部大部县(市)及东部个别县(市)土壤相对湿度<60%，土壤缺墒；其中，镇赉、松原、长岭、双辽土壤相对湿度<40%，严重缺墒，如图1所示。

2 天气实况

如图2所示，2021年5月31日02∶00 500hPa对流形势场预报图，05月31日夜间开始，吉林省受冷涡及高空槽影响，6月1日夜间开始吉林省大部出现雷雨天气，地面火箭增雨作业条件不受影响，但是飞机增雨作业可能受到雷电和强对流天气影响，如何在确保安全的情况下，及时捕捉作业条件适时开展飞机增雨作业是问题的关键。

3 增雨作业

3.1 作业条件

根据吉林省人影作业指挥中心发布的《72小时人影作业条件预报》第53期，2021年5月31日白天到夜间，全省多云有时阴，通化、白山有中雨，其它地方有阵雨或雷阵雨。主要降水出现在夜间，白天无飞机增雨作业条件。2021年6月1日白天到夜间，全省多云有时阴，有阵雨或雷阵雨。西部水汽条件弱，中部到东部上午有飞机增雨作业潜力，降水可能伴有雷暴天气，不利于开展飞机增雨作业。2021年6月2日白天到夜间，全省多云，通化、白山、延边西部有中雨，长春、四平、辽源、吉林、延边东部、长白山保护区有阵雨或雷阵雨。中部到东部有飞机增雨作业潜力，降水可能伴有雷暴天气，不利于开展飞机增雨作业。

3.2 作业预案与实施

3.2.1 飞行预案

飞行总航程589km，飞行预计时间3h，飞行时速200km·h-1，预计飞行时间为2021年6月1日08∶30，预计作业时间为2021年6月1日09∶00，作业高度3900m以下(云内-5℃层以上)，起降机场为长春龙嘉机场，备降机场为长白山机场。

3.2.2 作业实施

2021年6月1日08∶53—10∶28，吉林省人工影响天气办公室组织实施了飞机增雨探测作业，航线A-B-C-D-E-A,如图3所示。其中，BCD轨迹段为实施催化作业段；AB轨迹段和DEA轨迹段为非催化作业段；飞机沿航线ABCDEA全程开展了大气探测，机载主要探测设备和探测参数如表1所示。雷达监测辽源区域有云团发展，云系移动方向为西南-东北向。

图1 吉林省2021年5月31日10cm土壤相对湿度分布 图2 2021年5月31日02∶00 500hPa对流形势场预报

图3 Y12-B3836增雨探测飞机轨迹图 图4 2021年6月1日Y12(B3836)飞机探测作业剖面图

表1 飞机机载设备性能一览表

从图4可以知道，停泊于龙嘉机场跑道上的Y12-B3836飞机(A点)09∶13开始起飞(B点)，09∶14入云，云底高度560m,09∶20，飞机高度达到2281m，温度7℃。09∶27，飞机高度3439m，温度0℃。09∶28，飞机高度3448m，0℃(C点)，作业人员开始催化作业，催化剂为液态二氧化碳(LCO2)，10∶03，飞机停止作业(EF/2处)，飞机高度2046m，温度16℃，10∶20，飞机飞出云底，云底高度784m，温度13℃，10∶24，飞机着陆，10∶28，飞机关机(H点)。

3.2.3 作业效果

截至6月2日14∶00，全省平均降雨量7.7mm，地区分布为四平14.8mm，辽源13.9mm，长春12.6mm，吉林10.3mm，白山5.2mm，延边5.0mm，通化4.9mm，长白山保护区4.9mm，松原2.2mm，白城1.5mm。共出现暴雨6站，大雨62站，中雨322站，降雨量前5位分别为公主岭团结村59.4mm，公主岭新河口村55.7mm，长春长岭子村54.4mm，公主岭黑林子镇53.2mm，辽河垦区孤家子53.1mm。作业有效缓解了吉林省中西部旱情。

4 探测数据分析

4.1 机载云粒子观测数据分析

从理论上讲，在一定条件下，于适当时机在云体适当部位进行催化作业，可以促使云中水分更多地转化为降水，从而达到增雨的目的，这也得到了实验的证实。但是由于云体的复杂多变等因素，单凭地面上的一些观测手段所得到的信息很难准确确定云中的可播区，只能确定可能的可播区，这对催化决策的准确性造成很大影响。新一代机载云粒子测量系统DMT可以在飞行探测时自动、实时地将所测得云中微物理参量、温度、高度、经纬度等重要数据显示出来，最大限度提高了飞机增雨作业可播区决策的准确性、及时性，意义重大[2]。云粒子的分布使用CDP(Cloud Droplet Probe)探头数据(2～50um)、CIP(Cloud Imaging Probe)(25～1550um)和PIP(Precipitation Imaging Probe)(100～6200um)探头分别给出冰雪晶粒子的数浓度、图像和谱分布[3]。Y12飞机增雨探测结果见图3～5，飞机从长春龙嘉机场A点起飞至B点开始催化作业，先后经历了起飞、入云、达到0℃层至负温层，开始催化作业，至作业结束，特别是在负温层催化作业期间，云粒子成像谱仪CIP并未观测到诸如冰晶、霰、雨滴及其凇附粘合物，湿度仅在45%左右，说明长春地区南部、东部无明显云系发展；待飞机催化作业结束后，飞机已飞至双阳区境内，飞机开始降低高度，期间DEA轨迹段CIP先后观测到了破碎冰晶、霰、雨滴，且随着飞机高度降低到1500m左右时，观测到的雨滴数浓度和雨滴尺度均在加大，说明先前辽源区域内的云系向东北方向快速移动到长春双阳区、九台区内，并经过空中催化区，与空中播撒的催化剂结合发生变化，负温层过冷水汽在液态二氧化碳(LCO2)作用下，迅速形成冰晶、霰等冻滴并不断长大，成熟后迅速下落，到达正温区开始逐步融化，直至地面，经历冰晶、霰、雨滴等相态变化过程，这种结果与实际观测结果相吻合，如图5所示。

图5 10∶10∶28—10∶22∶53时段观测到破碎冰晶、霰、

4.2 微波辐射计观测数据分析

地基微波辐射计可以反演云体液态水、湿度和云底高度等参量[4]，观测目标云，及时掌握云底高度、云中水汽层高度、云中液态水分布高度等重要数据，结合飞机实测目标云液态水含量、高度分布等，可以更好地把握目标云结构状态。

如图6所示，根据2021年5月31日—6月3日长春市气象探测中心布设的地基微波辐射计观测数据分析可知，5月31日18∶00—6月1日11∶50，长春地区上空水汽密度逐步加大，云底高度逐渐降低，作业最佳时段6月1日00∶00—06∶00，大气水汽密度最大、云底高度最低，期间地面出现降雨现象，该时段由于处于夜航、雷雨和对流较强时段，飞机无法起飞探测作业(不符合飞行标准)；6月1日06∶00—12∶00，飞机增雨作业条件逐渐减弱，但大气仍处于高湿状态，飞机于08∶53—10∶28，沿图3所示航线实施了增雨探测作业，与微波辐射计观测到的6月1日00∶00—12∶00大气水汽密度较佳、云底高度较低(较适合人工增雨作业)的时段相对应。

图6 5月31日—6月3日观测到的云水汽廓线高度、云底高度和降雨实况分布

5 小结

综合分析飞机云粒子探测设备和地基微波辐射计等观测数据，得出如下结论。

10∶10∶28飞机飞行高度1581.6m，云层温度8.6℃，相对湿度86%，云粒子图像a主要以霰、破碎冰晶为主；10∶11∶10飞机飞行高度1451.7m，云层温度8.7℃，相对湿度94%，云粒子图像b主要以霰和细小破碎冰晶为主；10∶19∶13飞机飞行高度846.3m，云层温度12℃，相对湿度99%，云粒子图像c以雨滴为主和少量霰以及细小破碎的冰晶组成；10∶21∶29飞机飞行高度584.3m，云层温度13.9℃，相对湿度99%，云粒子图像d主要以雨滴为主和细小破碎冰晶组成；10∶22∶53飞机飞行高度375.4m,大气温度16℃，相对湿度99%，云粒子图像e以雨滴为主、细小破碎冰晶和个别松散破碎的水凝物(冰晶、霰、雪花黏附物)组成。

此次飞行探测，0℃层高为3439m，主要催化作业区间de的湿度在40%～50%为主、高度在3450m左右、温度在0℃～-2℃。图3所示AB段期间并未观测到冰晶等云粒子水凝物，相反DEA段飞机作业结束后返回双阳、九台辖区，并降到1580.1～375.4m区间却观测到了霰、破碎冰晶和雨滴等现象，在0～8.7℃层正温区观测到霰为主、破碎冰晶为辅的云粒子属于正常现象；12～16℃层观测到雨滴为主，尚属正常现象，但是直至近地面层仍能观测到破碎冰晶现象比较少见，说明其在云层负温区冰晶粒子成长尺度较大，导致出现降落至近地面时冰水转化过程仍未完成的现象，这说明当天作业期间，分布在辽源区域的云团边发展，边在高空风作用下向东北方向移动到双阳、九台区域时，被作业结束返航的飞机观测到了上述结果，表明在目标云发展过程中，在其移动路线上提前播撒催化剂，仍能起到比较理想的催化效果，作业影响区的辽源、公主岭、长春等中部旱区实际雨量监测结果也证明了这一点。