韋增岸 張正國 程鵬 黃曉輝 王冀 李林紅

摘要 利用2009—2015年廣西11—12月地面、高空氣象觀測資料及飛機人工增雨作業(yè)宏觀記錄進行統(tǒng)計分析，對增雨作業(yè)天氣系統(tǒng)進行分型，并分析相應作業(yè)云系，建立增雨作業(yè)天氣概念模型，利用模型分析一次增雨作業(yè)個例。結果表明，廣西11—12月增雨作業(yè)天氣系統(tǒng)主要有5類，包括冷空氣型、高空槽型、華南靜止鋒型、低層南風急流型、臺風型；其中冷空氣型是最典型的降水天氣形勢。作業(yè)云系以層狀云為主，有少量層積混合云，主要包括層積云、層云、積云、高層云，基本為暖云結構。層狀云中下部可開展飛機作業(yè)或利用地面煙爐進行暖云催化作業(yè)，層積混合云中積狀云部分可開展地面火箭作業(yè)。

關鍵詞 人工增雨；天氣系統(tǒng)；云系；廣西

Study on Artificial Precipitation Enhancement Weather in Guangxi from November to December

WEI Zeng-an，ZHANG Zheng-guo，CHENG Peng et al （Guangxi Zhuang Autonomous Region Weather Modification Office，Nanning，Guangxi 530022）

Abstract Using the surface meteorological observation data，sounding data and the operation information of aircraft artificial precipitation enhancement in November and December from 2009 to 2015 in Guangxi，we classified these precipitation weather systems，took an analysis of relative cloud systems，and developed conceptual synoptic models of precipitation enhancement operation based on which an aircraft artificial enhancement process was studied.The results indicated that these precipitation weather systems could be summarized into five types of cold air，upper trough，stationary front of southern China，southerly stream，typhoon.Among these patterns，the cold air pattern was the most typical precipitation weather situation.The relative cloud systems （including Sc，St，Cu，As） gave priority to the stratiform warm cloud，while including less stratocumulus mix cloud.The middle and lower part of stratiform cloud was suitable for aircraft and surface furnace artificial precipitation enhancement.The cumulative cloud be used to carry out ground rocket operations.

Key words Artificial precipitation enhancement；Weather system；Cloud system；Guangxi

廣西屬中、南亞熱帶季風氣候區(qū)，地處兩廣丘陵西部，山地多、平原少，巖溶廣布，降水時空分布不均。新中國成立以來，廣西幾乎年年有干旱，全區(qū)多年平均受旱面積58萬km2[1]，干旱缺水嚴重制約著廣西經濟的發(fā)展，尤其是工農業(yè)生產的發(fā)展。因此，開展人工增雨作業(yè)，充分利用空中云水資源、增加自然降水，對緩解干旱、促進經濟發(fā)展有著直接的現(xiàn)實意義[2-4]。國內外一些學者對人工增雨作業(yè)天氣開展研究[5-10]，得到了當?shù)厝斯ぴ鲇曜鳂I(yè)天氣概念模型。孫鴻娉等[5]研究山西省人工增雨天氣條件，建立了4種有利于山西省人工增雨作業(yè)的天氣概念模型， 并分別給出了未來12～24 h影響山西省的警戒區(qū)及最佳人工增雨作業(yè)區(qū)。王琎等[11]對甘肅省秋季飛機人工增雨天氣系統(tǒng)進行分型，建立了甘肅省秋季天氣系統(tǒng)自動化“判別模型”，得出甘肅省飛機人工增雨作業(yè)的主要天氣類型為西南氣流型和平直多波動型。胡志晉[12]對層狀云的人工增雨機制、條件和方法進行探討，提出了適合層狀云人工增雨的云層條件、監(jiān)測識別方法。王吉宏等[13]分析了積層混合云的人工增雨作業(yè)條件，并總結出對積層混合云實施人工增雨作業(yè)的條件、部位、時機和方法等新一代天氣雷達判別指標。這些研究結果對人工增雨作業(yè)有重要意義。

廣西每年都開展人工增雨作業(yè)，尤其在秋冬季干旱頻發(fā)時期。廣西秋冬季降水云系以適合飛機人工增雨作業(yè)的層狀云系為主。 因此，為了避免盲目性，提高作業(yè)效果，筆者通過對廣西秋冬季11—12月自然降水天氣系統(tǒng)類型的研究，結合飛機人工增雨作業(yè)的情況，歸納總結出不同類型的作業(yè)天氣形勢特征及云系特征，建立增雨作業(yè)天氣概念模型，為實施飛機人工增雨作業(yè)提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

利用廣西94個地面觀測站日降水資料來作為增雨作業(yè)天氣條件判別依據(jù)：①日降水量≥0.1 mm的站點達到30個；②

日降水量≥0.1 mm的站點達到20個，其中日降水量≥1.0 mm的大于1個站；③

日降水量≥0.1 mm的站點達到15個，其中日降水量≥10.0 mm的大于1個站。以上3個條件符合其中之一即認為該天氣過程具備一定的人工增雨作業(yè)天氣條件。

根據(jù)以上人工增雨作業(yè)條件判別依據(jù)，對廣西2009—2015年11—12月具備人工增雨條件的天氣過程進行普查，對同一天氣系統(tǒng)影響過程中日降水量達到條件的視為一次具備人工增雨作業(yè)條件的天氣過程。按照如上的規(guī)定，利用2009—2015年廣西11—12月地面、高空氣象觀測資料以及期間廣西飛機人工增雨作業(yè)記錄進行統(tǒng)計分析，共確定出具備增雨條件的天氣過程40個作為研究對象；分別對這些個例過程進行分析并確定其影響天氣類型。 云類、云底、云頂和大氣0 ℃層高度資料來自地面觀測、飛機作業(yè)宏觀記錄、探空資料反演[14]。

2 天氣系統(tǒng)分型及云系分析

普查40個過程個例的天氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)廣西11—12月適合開展人工增雨作業(yè)的天氣類型有5大類，詳見表1。冷空氣型和高空槽型的過程個例分別有23、10個，可見，冷空氣型與高空槽型的天氣形勢是廣西11—12月飛機增雨作業(yè)的主要天氣形勢。冷空氣型的天氣形勢中以冷空氣為主導系統(tǒng)或伴隨有其他系統(tǒng)，如切變線、南支槽等。在高空槽型、華南靜止鋒型、低層南風急流型的天氣形勢中也出現(xiàn)了冷空氣，但冷空氣在這些類型的天氣形勢中不是主導系統(tǒng)。切變線、南支槽也出現(xiàn)在多種天氣形勢中。在40個過程個例中，冷空氣累計出現(xiàn)了33次，其次是切變線、南支槽，分別出現(xiàn)了21、18次。可見，冷空氣是影響廣西11—12月增雨作業(yè)天氣的主要系統(tǒng)。

在40個作業(yè)天氣過程中，根據(jù)當天開展飛機作業(yè)的地面觀測資料及飛機宏觀記錄統(tǒng)計，作業(yè)云系主要有層積云、層云、積云、高層云，其出現(xiàn)次數(shù)分別為67、32、13、17次，云型組合出現(xiàn)次數(shù)如表2?？梢姡瑢臃e云+層云是主要的作業(yè)云系，這一組合型云系出現(xiàn)了29次，占比36.25%；其次是層積云、層積云+積云，分別出現(xiàn)了21、13次。

分析廣西11—12月探空資料發(fā)現(xiàn)，廣西大氣0 ℃層高度各地變化較大，其中桂北在3 600～4 500 m，桂南在3 900～4 900 m。

2.1 冷空氣型

入侵廣西的冷空氣根據(jù)路徑不同，可以劃分為西路、中路、東路3條路徑。西路冷空氣是指冷空氣主力從105°E以西地區(qū)南下，通常移動快、強度較強、全區(qū)各地降溫明顯，冷空氣越過高原下沉進入廣西，不利于降水產生，人工影響天氣作業(yè)條件較差。中路冷空氣是指冷空氣主力從110°E附近南下，桂東、桂中降溫大于桂西。東路冷空氣是指冷空氣主力從115°E附近南下，以后東移出海，再以“東灌”形式沿兩湖盆地和湘桂鐵路沿線走廊影響廣西，對桂東北和桂東影響較明顯，對桂西和桂南影響較小[1，3]，東路冷空氣對降水比較有利。

冷空氣型天氣主要產生層狀云，包括層積云、層云、高層云獨立存在或其中的任意2種或3種云并存。層狀云常均勻布滿天空，產生穩(wěn)定連續(xù)性降水，云中溫度層結常是穩(wěn)定的，在云頂部常存在逆溫層，有時云內層結溫度接近濕絕熱梯度，但最大值不超過0.8 ℃/100 m[4]。從衛(wèi)星云圖上看，層狀云系范圍較大，常有103 km的尺度[15-17]，云系的形態(tài)與形成層狀云系的天氣系統(tǒng)有關。

冷空氣型的天氣系統(tǒng)又可分為2種類型。

2.1.1 冷空氣+切變線型。

這一類型有18個個例，這一類型多數(shù)是從東路下來的冷空氣，一般在貝湖有大槽引導冷空氣從新疆經華北、長江南下影響廣西，850 hPa切變線在長江中下游一帶，或在桂北與貴州、湖南交界一帶徘徊影響廣西，或已經進入廣西南壓至沿海。850 hPa切變線一般在23°～27°N，對廣西有影響，700 hPa切變線在27°～35°N。切變線的北側若為偏東風，條件較好，若為西北風，條件較差；切變線南側吹SSW-S-SE風最為有利，吹W-WSW風較差[1，3]。若850、700 hPa有相應的切變線，500 hPa有相應的高空槽配合，地面有鋒面相對應，這時空氣抬升，輻合作用較強烈，水汽飽和層深厚，對降水產生就非常有利。

由于低層冷暖空氣交匯，暖空氣沿鋒面抬升在廣西形成的大范圍層積云或層云，為穩(wěn)定的層狀云降水，這也是廣西11—12月最典型的降水天氣形勢。由此產生的層積云或層云為純暖云結構，宏觀特征為云底高度較低（500～1 000 m），云頂在2 000～3 000 m，多數(shù)集中在2 700 m左右，云體厚度在1 700～2 500 m，云底高度與鋒面的相對位置有關，云頂高度則與逆溫層高度密切相關。在無其他系統(tǒng)和云系配合的情況下，此類層積云或層云云體厚度與降水密切相關，云厚>2 100 m才能產生降水。降水的特點為降水量和降水強度小，僅為小雨，空間分布較為均勻。

2.1.2 冷空氣+其他系統(tǒng)。這一類型有5個個例，這一類型是冷空氣配合其他系統(tǒng)，如南支槽、高原槽、偏南氣流，一般冷空氣入桂前，廣西低層為偏南氣流，500 hPa在高原東部或云南一帶有小波動東移影響廣西。此類型仍以冷空氣為主導系統(tǒng)，由此產生的云系多為層積云或伴有高層云，云底高度在600～1 500 m，云頂在2 500～4 000 m，多數(shù)集中在3 500 m 左右，云體厚度在2 000～3 000 m，為暖云結構，降水的特點為降水量和降水強度小，大多為小雨，局部會有中雨，空間分布相對均勻。

2.2 高空槽型

影響廣西的高空槽主要由南支槽和高原槽，這一類型有10個個例。

2.2.1 南支槽型。

南支槽型有6個個例。南支槽是產生在低緯度南支西風急流中的短波天氣系統(tǒng)，主要活動于20°～30°N、70°～120°E的西來槽和這一區(qū)域新生的低槽。11—12月南支槽通常會伴隨著冷空氣、切變線共同影響廣西，經統(tǒng)計，11—12月南支槽影響廣西的起始位置大約在昆明東部，而南支槽槽線一旦過了貴陽，對廣西的影響便開始減弱趨于消退。南支槽逐步東移影響廣西，槽前形成大范圍高層云，或層積混合云。此類云系云底高度變化較?。? 000～3 600 m），云頂高度變化則較大（4 500～6 500 m），有純暖云結構和冷暖混合云結構，云體厚度平均在2 500 m。該類天氣系統(tǒng)和云系多與低層切變線和鋒面系統(tǒng)形成高低層配置產生降水，降水特點為降水強度小，降水量略大，多為小到中雨，偶有大到暴雨，降水量主要受南支槽的強度、移速以及與低層切變線和鋒面配合等因素的影響，偶有局地對流性降水產生。

2.2.2 高原槽型。

高原槽型有4個個例。高原槽是指位于青藏高原的西風槽，在500 hPa位于27°～40°N、95°～105°E區(qū)域內的高原槽對廣西的影響比較明顯。11—12月高原槽一般是配合其他系統(tǒng)進而影響廣西，其主要特征為[18]：500 hPa在青藏高原中東部有明顯的高原槽，蒙古至華北地區(qū)有明顯的華北槽，冷空氣從華北槽后南下侵入廣西；孟加拉灣為低槽區(qū)，其槽前有西南暖濕氣流向廣西區(qū)域輸送。冷暖氣流在廣西交匯，帶來降水天氣，高原槽位置偏北，云系多產生在桂北、桂東一帶，降水部位也在這一帶。此類云多為高層云或伴有層積云，有純暖云結構和冷暖混合云結構，云底高度在1 200～1 800 m，云頂在3 500～6 000 m，云體厚度在2 000～3 000 m，降水的特點為降水量和降水強度小，大多為小雨到中雨，局部大雨，空間分布相對均勻。

2.3 華南靜止鋒型

華南靜止鋒型有3個個例。華南靜止鋒主要活動在南嶺山脈或南海地區(qū)，鋒面坡度很小，一般為1/200～1/300。11—12月影響廣西的華南靜止鋒為冷空氣進入華南而逐漸靜止所形成，常與空中切變線相配合出現(xiàn)，雨區(qū)分布在地面鋒線與700 hPa切變線之間，鋒上云系較寬廣，達400～500 km，覆蓋整個廣西。鋒上為層狀云系，主要為層云、層積云，云系為暖云結構，云底高度較低（300～800 m），云頂在2 000～3 000 m，云體厚度在1 700～2 500 m，產生穩(wěn)定性降水，降水不強，以毛毛雨為主，空間分布很均勻。

2.4 低層南風急流型

低層南風急流型有3個個例。地面高壓從江浙一帶入海，廣西處于高壓后部受偏南氣流控制，偏南氣流帶來海上暖濕水汽，在桂北、桂東輻合產生降水天氣，又叫“回流天氣”。若高層有南支槽配合，地面有倒槽發(fā)展，偏南氣流加大發(fā)展成急流，則“回流天氣”明顯，雨區(qū)擴大。偏南氣流主要產生層云和層積云，云底高度在600～1 200 m，云頂在2 200～3 200 m，云體厚度在1 800～2 600 m，多產生小雨的天氣，局部會有中雨，空間分布比較零散。

2.5 臺風型

臺風過境前，其外圍云系會帶來豐富的水汽，云系以積云為主，加上廣西當?shù)鼐值卮髿鉄崃λ麠l件和不穩(wěn)定能量觸發(fā)產生以積云為主的層積混合云，此類云系云底高度在1 000 m左右，云頂高度在4 000～6 000 m，發(fā)展成熟的積云頂在7 000 m以上，為純暖云結構和冷暖混合云結構。該類天氣系統(tǒng)和云系降水強度和降水量變化大，小雨至暴雨量級，空間分布極不均勻。臺風過境時常伴隨著大風和暴雨或特大暴雨等強對流天氣，持續(xù)時間長短不一。

3 人工增雨作業(yè)天氣概念模型和作業(yè)技術

3.1 冷空氣型

在冷空氣為主導系統(tǒng)的天氣中，由于產生云系主要為層狀云，降水比較穩(wěn)定，適合開展增雨作業(yè)，作業(yè)位置宜在地面冷空氣前鋒后部，主要在鋒后至700 hPa切變線之間，根據(jù)以往經驗，在鋒后與850 hPa切變線之間位置最佳（圖1）。由于層狀云中的上升氣流速度小，所以云形成發(fā)展過程很慢，含水量也較低，含水量的極大值一般在云的中下部，這也是增雨作業(yè)優(yōu)先考慮的部位[12，19-21]。根據(jù)統(tǒng)計，冷空氣型形成的暖云結構的大范圍層積云或層云云底高度在500～1 000 m，可選擇飛機或地面煙爐，在距離云底100 m至云層中下部播撒吸濕性暖云催化劑形成大滴，擴寬云滴譜，促進暖云中碰并過程的發(fā)生發(fā)展，從而提高降水效率，增加降水。

3.2 高空槽型

3.2.1 南支槽型。

在南支槽為主導系統(tǒng)的天氣過程中，有利于增雨作業(yè)的位置在槽前西南氣流上升部位（圖2），槽前形成大范圍高層云或層積混合云。在此類云系云底高度變化較小，云頂高度變化則較大，有純暖云結構和冷暖混合云結構，云體厚度平均在2 500 m，根據(jù)情況選擇飛機和火箭針對冷暖云分別采取冷云和暖云催化作業(yè)。考慮到南支槽前西南上升氣流可能會帶來局地強對流天氣，從安全角度出發(fā)，飛機增雨作業(yè)主要是針對較穩(wěn)定的層狀云或層積云部位進行播撒催化，在雷達降水回波PPI上表現(xiàn)為大范圍、長時間維持的均勻片狀回波，邊緣模糊不清，強度一般小于35 dBz[12，19-21]；同樣，對層狀暖云或冷暖混合云暖區(qū)采取在云層中下部播撒吸濕性暖云催化劑進行暖云催化；針對0 ℃層以上冷云部分，在云體內-4～-15 ℃高度層過冷云水區(qū)播撒碘化銀催化劑進行冷云催化。對于層積混合云中不穩(wěn)定的積狀云，可采取地面火箭作業(yè)進行冷云播撒催化，根據(jù)雷達探測選擇云層的中上部播撒催化劑，將形成最佳效果[13，22]。

廣西目前主要使用的是WR-98系列火箭作業(yè)系統(tǒng)，其發(fā)射角度為45°～85°，方向角為0～360°，火箭彈道曲線如圖3所示[23]。根據(jù)高空資料統(tǒng)計結果顯示，11—12月廣西0 ℃層在3 600～4 900 m，而積云頂高在6 500 m以上，為使火箭播撒催化劑階段處于云中過冷云水區(qū)內（4 000～7 000 m），火箭發(fā)射仰角應在55°～75°，具體仰角和方位角結合雷達PPI和RHI產品進行測算。

3.2.2 高原槽型。

高原槽位置相對廣西較偏北，降水部位多在桂北、桂東一帶，增雨作業(yè)適宜在這一帶開展（圖4）。高原槽天氣系統(tǒng)多產生高層云或層積云，有純暖云結構和冷暖混合云結構，一般4 000 m以下采用暖云催化，4 000 m以上可根據(jù)實際情況采用冷云（或暖云）催化，作業(yè)方式與南支槽型相同。

3.3 華南靜止鋒型

華南靜止鋒云系較寬廣，雨區(qū)覆蓋整個廣西，廣西全區(qū)都有開展作業(yè)的條件。云系基本處于0 ℃層以下，主要在云系中下部開展飛機作業(yè)或利用地面煙爐作業(yè)進行暖云催化作業(yè)。

3.4 低層南風急流型

廣西地面位于高壓后部，低層南風加強，形成“天南地北”的形勢，形成降水的強度范圍主要受地面高壓強弱、位置和南風急流強弱等因素決定，以及是否有其他系統(tǒng)配合。該類型形成的云系為暖云結構的層云或層積云，同樣在云系中下部開展飛機作業(yè)或利用地面煙爐進行暖云催化作業(yè)。