一次飞机人工增雨作业中云宏微观特征分析

李枚曼，喻乙耽，许 弋，罗 雄，田红玲

(贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081)

0 引言

贵州省位于西南地区云贵高原东斜坡地带，处于西南印度洋、东部太平洋两大水汽通道上，降水充沛，年降雨量可达1100 mm，属于亚热带润湿型季风气候。但受季风活动制约，降水时空分布不均，存在严重的季节性缺水，素有“十年九旱”之称，且广泛分布的喀斯特地貌使蓄水保水能力差，临时性干旱频繁[1-4]。飞机人工增雨是抵御干旱、开发空中云水资源、增加水库蓄水、修复生态环境、净化城市空气的重要科技手段。自2005年以来贵州省常年组织开展飞机人工增雨作业，每年飞机增雨覆盖面积15.2万km2，年均作业35个架次、飞行96 h，平均效益比为1∶40以上，取得了良好的经济、社会和生态效益[5-6]。

贵州省地形地貌复杂，积层混合云降水较为频繁。历史观测统计分析表明，贵州的降水云分为层状云、对流云和层积混合云3类，空中的云系条件对人工增雨的效果影响很大，对云的降水过程宏微观结构的观测分析可进一步了解云降水形成机制，继而为飞机人工增雨作业方案的优化提供有力科学支撑。近年来，随着气象卫星、机载云物理探测等观测手段的不断发展，利用多元化观测手段，分析云降水的宏观结构特征、微物理特征等开展了大量研究。蔡兆鑫等[7]利用搭载了美国DMT云物理探测系统的增雨飞机，对大陆性积云不同发展阶段的宏微观物理特性观测资料进行了分析，发现初生发展阶段的积云以小粒子为主，粒子浓度随高度增加而减少。成熟阶段云内可观测到积冰和雨线，粒子浓度随高度增加起伏变化。在消散阶段积云云下有降水粒子。王磊等[8]对FY-2E卫星反演产品与地面小时降水关系进行了分析，得出4类云结构特征参数的增减与降水强度变化的相关性结果。孙玉稳等[9]通过对河北省中南部1次天气过程开展飞机云物理探测和增雨作业，得出此次降水过程的云系宏微观特点。本文选取2020年5月28日贵州省西北部的1次飞机云物理探测和卫星资料及反演产品，重点针对作业影响区在作业过程中及作业后3 h内的云系宏微观物理参数进行了分析，为贵州飞机人工增雨作业方案优化提供例证。

1 观测资料

1.1 资料来源

利用2020年5月28日在贵州省西北部开展的一次飞机人工增雨作业过程中机载粒子探测系统的探测数据、FY-2系列卫星观测及云反演产品、探空资料、上机宏观记录资料对作业中云的宏微观物理参数进行详细分析。

FY-2系列静止卫星是由我国自主研制并投入使用的1组业务型静止轨道气象卫星，具有较高的观测频次，可获得连续变化资料，便于大范围气象监测并指导人工影响天气业务工作。本文使用的云反演产品为中国气象局人影中心研发的CPAS系统的云物理特征参数产品[10]，目前已推广至全国各级人影部门。

本次飞行作业探测所使用的探测仪器为四川西物激光技术有限公司生产的机载激光云降水粒子探测系统。该探测系统主要由云粒子谱仪、云粒子成像谱仪和降水粒子成像谱仪3个探头组成，其中云粒子谱仪完成对2～50 μm云粒子的实时在线测量，云粒子成像谱仪对25～1500 μm的云粒子进行测量，降水粒子成像谱仪完成对100～6200 μm的降水粒子进行测量。3套装置可独立工作，也可同时工作。云粒子谱仪显示实时谱分布图，包含粒子有效直径、平均直径、数浓度、体浓度、含水量，其中数浓度、体浓度、含水量数据可绘制时间变化曲线。云粒子成像仪分为粒子统计结果和粒子图像2部分。粒子统计结果数据依次为25、50、……、1550 μm通道，各通道在采集时间内的粒子数图像界面显示(谱分布图)。降水粒子成像谱仪分为粒子统计结果和粒子图像2部分。粒子统计结果数据依次为100、200、……、6200 μm通道，各通道在采集时间内的粒子数图像界面显示(谱分布图)。

1.2 飞行作业、探测概述

1.2.1 作业前期天气背景 2020年西太平洋副热带高压阶段性增强，呈现强度较强、面积较大、西伸脊点偏西的特点[11]。4月下旬东亚大气环流进行调整，中高纬地区呈现纬向环流特征，东亚大槽偏弱，冷空气难以南下，贵州省大部地区受异常强烈的热低压的影响，导致全省出现轻到中旱并逐渐加重。5月初东北部出现轻到重度干旱并逐渐加重，西部、北部、南部地区旱情发展迅速，全省各级人影部门抓住有利天气过程积极开展空地结合的人工增雨作业，5月下旬中部、东部的旱情缓解，西部旱情仍然严峻(图1)。

图1 2020年5月10日(a)及5月27日(b)旱涝监测图

1.2.2 云模式产品 由5月27日08时CPEFS云模式产品可见，5月28日09—18时贵州省西部有降水性云系覆盖，云系自西北向东南移动，具有冷暖混合云结构，过冷水含量达到0.4 mm。云体垂直结构分析显示：5月28日09—18时，贵州省西部地区有降水云系覆盖。云系过冷水主要位于0～-10 ℃层(5 km左右)，云系具有冷暖混合云结构，过冷水最大含量可达0.8 g·kg-1，云顶高度达8.0 km以上，有一定的增雨潜力。

图2 2020年5月28日12时云带(a)和垂直累积过冷水(b)分布

图3 2020年5月28日12时云系垂直结构，(a)：云水(填色阴影)，冰晶(红色等值线)，等温线(紫色等值线);(b)：雪+霰(填色阴影)，雨(红色等值线)，等高线(紫色等值线)

1.2.3 降水预报及云垂直结构分析 根据贵州省气象台27日12时发布的预报(图略)，静止锋和云南省境内切变系统东移影响贵州省西部地区，27日20时—28日20时，预计贵州西部地区夜间阴天有零星小雨，白天阴转阵雨或雷雨，局地中到大雨。根据5月28日08时威宁探空站(经纬度)探空数据，采用冰面相对湿度和水面相对湿度计算的云阈值法[12]，分析贵阳附近云层垂直结构，可得知贵阳附近0℃高度约为4608 m，-5 ℃高度约为5551 m，-10 ℃高度约为6352 m，云层较厚，云顶高度发展到近8000 m，500 hPa左右为西风，湿层(相对湿度>80%)主要分布在1300～7988 m。威宁附近0℃高度约为4091 m，-5℃高度约为5571 m，-10℃高度约为6445 m，云系整体为3层云结构，500 hPa左右为西南偏西风，700 hPa左右为西南风，SI为5.11，湿层(相对湿度>80%)主要分布在2500～4500 m。研究表明[13-16]在高于0℃的温度范围内，云内粒子以液态为主，温度低于0℃时，云内存在冰晶的概率随温度下降而升高，过冷水和冰晶常同时存在。因此可以推断该云层属于冷暖混合云，含有一定量过冷水，但由于云中缺少冰晶，可以通过播撒碘化银催化剂，弥补冰晶数浓度不足。碘化银是黄色的六方晶体，通过异核化过程起成冰核作用，不同的作用方式形成冰晶成核，加速贝吉龙过程，碘化银成冰阈值大概-3～-16℃。

图4 2020年5月28日08时贵阳和威宁探空站T-lnp图

1.2.4 增雨飞机作业情况 飞机09时31分从黄果树机场起飞，10时20分开始爬升，向北飞行，10时27分飞行高度达5600 m，开始水平飞行，到达大方县羊场镇后开始向赫章方向飞行，10时55分转为向南飞行，11时20分飞至普安县北部，随后开始返回黄果树机场，11时55分安全降落。作业时段为10时33分—11时20分，作业方法为在作业区域燃烧24枚碘化银焰条。该焰条为陕西中天火箭技术股份有限公司生产，型号为YF-4(一枚焰条的AgI含量为40g)。AgI成核率≥1013/g(-10℃)。飞机播撒催化是线源，线源的扩散烟团呈抛物线型。图5为此次飞机增雨飞行航线。

图5 2020年5月28日增雨飞机飞行航线

2 结果分析

2.1 作业影响区域云反演产品特征分析

云顶高度指云顶相对地面的距离，可了解云系的发展程度和演变趋势。作业前，云顶高度约在3～4 km，上机作业宏观记录中同样记载云顶高度为4 km左右，云系自西向东偏北方向移动，作业后作业区云顶高度开始上升，作业后3 h云顶高度升高到5～7 km，作业区5 km的范围有所扩大，表明作业区作业后云体发展，云顶抬高。云顶温度为云顶所在高度的温度，可用于了解冷暖云和冰相降水作用。由图6可见，作业区域作业前的云顶温度在0～-10 ℃之间，符合碘化银催化剂播撒的要求，作业中作业区的云顶温度开始下降，14时作业区的云顶温度在-10～-25 ℃，局地达-30 ℃以下。

图6 2020年5月28日FY-2G卫星反演云顶高度(a、b)和云顶温度(c、d)

考虑云系随系统移动情况，按云团以27 m·s-1的速度向253°方向移动推算，结合周毓荃等[17]飞机增雨催化剂扩散计算方案，使用CPAS云降水精细分析系统根据催化剂量、播撒时间、扩散时间、扩散系数、风速、风向等生成作业影响区，对作业影响区的卫星云特征参量产品加以分析，讨论作业前后各项云宏微观参量的变化特征。

选择作业影响区域内的11—14时的云光学厚度(OPTN)、黑体亮温(TBB)、液水路径(LWP)、云粒子有效半径(REF)时间演变图(图7)。光学厚度是在整个路径上云消光的总和，可以了解云系的密实程度，11时作业影响区的光学厚度在11左右，13时开始出现明显增长，15时增长到22，云体变得更加密实。有效粒子半径在作业后的2.5 h左右基本维持在4 μm，随后开始迅速变大，15时有效粒子半径均值达12 μm；液水路径随时间的变化趋势与有效粒子半径相似，11时作业影响区液水路径在100g·m-2，作业后2 h左右，作业影响区液水路径增加到了256 g·m-2，随后的2 h内均维持在240 g·m-2以上，约是刚作业结束时的2倍，推断在11—13时，云体中的液态水滴较为丰富，云顶温度约在-10 ℃左右，到了14时左右，各项卫星云参数快速升高，达到11时的2倍以上，云中冰晶迅速增多，冰晶数较为丰富(图7)。为更好的印证上述分析，对作业区的单点云参数加以分析，将作业区域内的单点(105.41°E，26.84°N)绘制云顶温度、云顶高度、云粒子有效半径、液水路径的单点时间演变情况,可以看出11—14时，作业区域单点的云顶高度呈现出明显的上升趋势，14时云顶高度最高可达近6 km；作业区域的云顶温度在作业后3 h内则出现明显下降趋势；作业区域的光学厚度在作业后2 h后开始出现明显的上升趋势，云粒子有效半径在作业后3 h内开始有所增长。

图7 2020年5月28日作业影响区卫星反演产品随时间变化图

2.2 机载激光云降水粒子测量数据

为深入分析飞行过程中云中粒子具体情况，上机作业人员在飞机起飞时打开机载激光云降水粒子探测系统开始采集数据，飞机落地后停止数据采集，所采集到的数据为飞机在飞行过程中机翼下方的云和降水粒子实际值。根据所采集到的数据，对此次飞行航线上的云粒子和降水粒子随时间和高度的变化以及粒子形态进行分析，云粒子数浓度在10时—10时17分和10时48分—11时45分2个时间段内出现峰值，降水粒子数浓度出现峰值的时段与云粒子相同(10时48分—11时45分)，降水粒子的数浓度与云粒子数浓度相比少了1个量级以上。

2.2.1 云和降水粒子谱仪探测粒子分析 由云和降水粒子谱仪探测到的云粒子谱如图8。云粒子数浓度在10时—10时17分和10时48分—11时45分2个时间段内出现峰值，云粒子数浓度最大可达0.2 cm-3以上，云粒子体浓度和含水量的峰值区出现在10时48分—11时45分，三者数值同时出现高值的时间段均在10时48分—11时02分之间。而降水粒子数浓度在10时48分—11时45分时间段内出现峰值，降水粒子数浓度最大可达0.045 cm-3以上，降水粒子的数浓度与云粒子数浓度相比少了1个量级以上，而体浓度和含水量同时刻均表现为比云粒子的体浓度和含水量大。

图8 2020年5月28日云粒子(左)和降水粒子(右)谱分布图

由云和降水粒子谱数浓度、体浓度和含水量随高度的变化图(图9)分析得，此次飞行中5～6.3 km之间的云粒子较多，数浓度最高可达0.15 cm-3，体浓度超过了4500 um3·mm-3，含水量超过4 g·m-3，此次飞行中的作业高度在5.5～6 km之间，可见此次作业高度上的云粒子较为丰富。从降水粒子谱数浓度、体浓度和含水量随高度的变化图可以看出，与云粒子各项指标表现有所不同的是，此次飞行中降水粒子不多，数浓度大多集中在达0.01 cm-3左右，体浓度和含水量主要集中在4～4.5 km，5～6 km这2个高度层之间。

图9 2020年5月28日云和降水粒子谱随高度的变化分布图

2.2.2 云和降水粒子在不同温度层测得粒子图像简析 在使用机载激光云降水粒子测量软件分析此次飞行过程中云和降水粒子图像中发现，2类粒子并没有连续采集到图像，而是断断续续的采集到粒子图像。对比该时刻的粒子数浓度，含水量等参量时发现：云粒子的数浓度大多大于0.06 cm-3，体浓度超过了600 um3·mm-3，含水量大于0.05 g·m-3；降水粒子的数浓度则是大于0.005 cm-3，体浓度超过了700 um3·mm-3，含水量大于1 g·m-3。云和降水粒子谱成像仪中观测到的粒子根据其高度、温度和气压等基本要素大致可分为2类，详见表1,不同时刻云粒子图像见图10～11。

图10 2020年5月28日不同时刻云粒子图像(从左至右：探测时温度逐渐降低)

表1 飞行过程中云和降水粒子谱成像仪观测粒子分类

由粒子探头采集到的粒子图像(云粒子和降水粒子)，本次过程采集到的冰雪晶有明显的板状、宽枝状、玫瑰状等形态，0～ 9 ℃主要为板状为主，0～ -4.7 ℃主要以柱状冰雪晶为主，-6.5～-7.2 ℃主要以宽枝状，针状聚合体冰雪晶为主。与以往研究结果较为一致。黄敏松等[18]在分析机载云降水粒子成像仪所测数据中伪粒子的识别中指出，下降阶段伪粒子出现的概率是最高的，本次过程中9～ 0 ℃出现板状粒子图像时多数为飞行下降阶段，因此此次探测中出现0～ 9 ℃的粒子形状真实性有待进一步分析。

图11 2020年5月28日不同时刻降水粒子图像(从左至右：探测时温度逐渐降低)

3 结论

①此次过程是受静止锋影响和云南省境内切变系统东移影响贵州省，实况分析发现此次切变东移过程略向南些，因此此次作业潜力区的判定与天气系统实际移动走向略有偏差。

②由FY-2G卫星云图及卫星反演产品分析可得，作业影响区域在作业后3 h内云体亮温、云顶亮温、云顶高度都有所增长，表明作业后云体发展，云顶抬高，作业影响区域11—13时，云体中的液态水滴较为丰富，云顶温度约在-10 ℃左右，到了14时左右，各项卫星云参数快速升高，达到11时的2倍以上，云中冰晶迅速增多，冰晶数较为丰富。

③机载探测设备在对云层中的云降水粒子测量过程中发现，云粒子主要出现在5～6.3 km之间的云粒子较多，数浓度最高可达0.15 cm-3，体浓度超过了4500 um3·mm-3，含水量超过4 g·m-3；降水粒子则主要存在于4～4.5 km范围内，且相同时刻所测量到的降水粒子的数浓度比云粒子数浓度略少1个量级。由粒子探头采集到的粒子图像看出，本次过程采集到的冰雪晶有明显的板状、宽枝状、玫瑰状等形态，0～-4.7 ℃主要以柱状冰雪晶为主，-6.5～-7.2 ℃主要以宽枝状、针状聚合体冰雪晶为主。