鄭博華，李 皓，樊茹霞，趙克明

(1.新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊 830002；2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;4.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

內(nèi)蒙古地處亞洲中部蒙古高原的東南部及其周沿地帶，以高原為主，海拔多在1 000 m以上，統(tǒng)稱內(nèi)蒙古高原。由于地處中緯度內(nèi)陸，大部屬溫帶大陸性季風氣候，只有大興安嶺北段屬寒溫帶大陸性季風氣候。終年為西風環(huán)流控制，以中緯度天氣系統(tǒng)影響為主，而季風環(huán)流影響則視季節(jié)變化而定，冬季風影響時間長，夏季風不易到達，且影響時間短。大部地區(qū)降水稀少，且集中于夏季。年降水量的分布與氣溫相反，因而形成在熱量最多的地區(qū)降水最少，熱量最少的地區(qū)降水最多的水熱分布不平衡格局。由于所處的地理位置和自然環(huán)境，干旱、黑災、白災、寒潮、大風、沙塵暴、冰雹、暴雨等氣象災害較為頻繁。其中，干旱最為嚴重，有“十年九旱”之說。

目前，人工作業(yè)增雨作為最有效的防災減災手段，已在社會中得到了普遍的認可，對增雨作業(yè)潛力準確地分析，及時開展人工作業(yè)，選擇適當催化手段，是科學作業(yè)、有效作業(yè)的重要條件[1]。自上世紀50年代起美國就著手開展大規(guī)模人工增雨試驗，時至今日仍保持年平均40多個人工作業(yè)增雨實施方案，同時期澳大利亞也相繼開展飛機人工播撒干冰對層積云作業(yè)試驗。目前為止，世界上已有超過90個國家和地區(qū)先后加入了人工增雨的科技作業(yè)試驗行列中，其中以美國、以色列為首等國家通過長期不斷研究試驗，已證實人工作業(yè)增水效果顯著[2-4]。以色列的人工增雨試驗工作持續(xù)了近40 a，是目前世界上最認可的增水效果檢驗試驗，在1961—1975年間開展了兩期人工增水試驗，分別得到了15%和13%的增雨效果[5]；我國學者專家曾光平等[6]1975—1986年在福建古田水庫試驗，得到統(tǒng)計增水超過20%；秦長學等[7]在北京密云水庫開展人工增水試驗，得出增水率為13%。近20 a來，我國人工增水事業(yè)發(fā)展迅猛，已經(jīng)形成了以雷達、衛(wèi)星、微波輻射計、GPS系統(tǒng)、風廓線儀等高科技手段為主的探測指揮系統(tǒng)，以飛機為主的空中播撒催化作業(yè)系統(tǒng)和以火箭彈為主的地面人工作業(yè)播撒系統(tǒng)，由此取得了長足的進步和顯著的效益，在服務(wù)農(nóng)業(yè)、抗旱減災、保障重大活動等方面發(fā)揮了舉足輕重的重要作用[8]。早在2000年一次飛機人工影響天氣作業(yè)過程中，從衛(wèi)星資料分析中便得出催化劑作業(yè)區(qū)面積為自由運動擴散區(qū)的3倍，進而發(fā)現(xiàn)催化劑是其主要因素[9-10]。2013年四川及西南部分春旱嚴重，四川省人影辦組織實施多架飛機增雨作業(yè)[11]，增雨作業(yè)后，作業(yè)區(qū)降水回波強度面積明顯增強，降水量明顯增大，采用區(qū)域?qū)Ρ确ǖ贸? h降水增量為11 972萬m3。

本文充分利用GRAPES模式產(chǎn)品、衛(wèi)星、雷達、探空等資料，分析了2017年5月20—22日，內(nèi)蒙古地區(qū)利用有利天氣過程實施的增雨作業(yè)，對分析人工增雨作業(yè)條件等關(guān)鍵技術(shù)具有較好的指導作用，同時為其他地區(qū)或區(qū)域開展增水作業(yè)工作提供了一些技術(shù)方法借鑒。

1 作業(yè)需求分析

根據(jù)氣象干旱綜合指數(shù)分布圖顯示，截至5月20日，呼和浩特市東南部局地、烏蘭察布市東南部、錫林郭勒盟大部、赤峰市、通遼市、興安盟、呼倫貝爾市西南部地區(qū)出現(xiàn)輕度及以上氣象干旱。其中錫林郭勒盟中部及東南部、通遼市東南部、興安盟中部及東部局地出現(xiàn)中旱；錫林郭勒盟南部局地、赤峰市北部、通遼市西北部、興安盟東南部出現(xiàn)重旱；赤峰市南部出現(xiàn)特旱，旱情形勢比較嚴峻。全區(qū)土壤墑情差，部分地區(qū)草場受旱，抑制農(nóng)牧業(yè)正常生產(chǎn)，威脅草原生態(tài)(圖1)。

圖1 2017年5月20日內(nèi)蒙古氣象干旱分布圖(a)及全區(qū)墑情監(jiān)測(b)Fig.1 Distribution of meteorological drought in Inner Mongolia on May 20, 2017(a) and monitoring of public opinion in the whole district on May 20(b)

據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺預報，5月20—22日內(nèi)蒙中東部自西向東有一次明顯的降水天氣過程，內(nèi)蒙古自治區(qū)人工影響天氣中心根據(jù)旱情等作業(yè)需求，作業(yè)裝備全部就緒，作業(yè)人員隨時待命，為緩解旱情做好一切前期準備工作。

2 作業(yè)過程預報及作業(yè)計劃制定

5月20日08時—05月22日08時，受高空槽影響，內(nèi)蒙古地區(qū)有一次大范圍的降水天氣過程。從地面形勢來看，5月20日20時，地面，低壓帶、地面倒槽與高空槽配合，伴隨均勻密實降水的帶狀云系自西向東移動，逐漸影響中西部地區(qū)(圖2)；500 hPa，新疆地區(qū)及貝加爾湖東部有一高空槽，內(nèi)蒙古東北地區(qū)受槽前西南氣流影響。21日08時，500 hPa蒙古地區(qū)有一淺槽，高低空配置一致，水汽條件很好。至21日20時，高空槽東移至阿拉善盟東部地區(qū)，主要影響內(nèi)蒙古西部偏東及中部地區(qū)，隨著槽的不斷東移，逐漸影響內(nèi)蒙古中部及東部地區(qū)。到22日20時，高空槽移至赤峰市、通遼市中部，主要影響赤峰市東南部、通遼市大部，之后隨著槽的移出，此次降水天氣過程逐漸結(jié)束。

圖2 5月20日20時地面圖與云圖疊加Fig.2 At 20∶00 on May 20, the ground map was superimposed with the cloud map

綜合分析，05月20日08時—05月22日08時，除阿拉善盟西部和呼倫貝爾市北部外，內(nèi)蒙古大部具有一定的作業(yè)潛力。針對不同時段，分別制定了全區(qū)的飛機和地面作業(yè)計劃。

3 作業(yè)條件潛力預報和作業(yè)預案制定

3.1 人影作業(yè)條件分析

3.1.1 水汽條件 從EC模式700 hPa濕度場和低層風場疊加來看(圖3)，21日08—20時，水汽高值區(qū)進入錫林郭勒盟東部、興安盟、通遼市北部地區(qū)，低層有風場輻合配合濕度區(qū)，且濕舌向南延伸，范圍擴大，低層西南水汽通道暢通，配合有風場切變。21日20時—22日08時，濕舌逐漸向西延伸至鄂爾多斯市東南部，低層西南水汽通道暢通，配合有風場輻合。22日08—20時，隨著系統(tǒng)向東南方向移動并且減弱，相對濕度減小，風場逐漸由西南風轉(zhuǎn)變?yōu)槠憋L?？傮w來看，此次天氣過程系統(tǒng)明顯，西南水汽通道暢通，西南風強盛，低層相對濕度在80%以上，系統(tǒng)高低空配置形成了有力的動力抬升條件，有利于槽前西南暖濕氣流向北輸送，西南暖濕氣流與西北干冷空氣交綏，在內(nèi)蒙古中東部形成明顯的比較穩(wěn)定的降水天氣。

圖3 5月21—22日低層風場和相對濕度(700 hPa)Fig.3 Low-level wind field and relative humidity (700 hPa) May 21—22

3.1.2 云帶分布特征 從GRAPES模式預報云帶發(fā)展演變來看，5月20日08時—22日20時，帶狀均勻降水云系自西北向東南逐漸影響我區(qū)東部地區(qū)。20日20時—21日14時，均勻密實云系主要覆蓋在錫林郭勒盟東北部、興安盟、呼倫貝爾市地區(qū)。隨著系統(tǒng)向東南移，21日14時—22日08時，云系主要覆蓋在錫林郭勒盟、赤峰市、通遼市、興安盟、呼倫貝爾市南部地區(qū)。22日08—20時，主體降水云系覆蓋在赤峰市、通遼市地區(qū)，并逐漸移出我區(qū)。到22日20時，降水云系移出我區(qū)，中東部地區(qū)降水趨于結(jié)束，典型時刻云帶分布如圖4所示。

圖4 典型時刻云帶分布Fig.4 Cloud band distribution at typical time

3.1.3 云體垂直結(jié)構(gòu)分析 云體垂直剖面結(jié)構(gòu)顯示：5月20日20時—5月21日20時，內(nèi)蒙古東部地區(qū)有大范圍云系覆蓋，移動速度約55 km/h，云中有一定量的過冷水，降水粒子較為豐富，0℃層高度在2.5～4.0 km，-10 ℃層高度在5.0～5.5 km，-20 ℃層高度在6.5～7.1 km。典型時刻云垂直結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 5月21日14時沿內(nèi)蒙古中東部上空云水冰晶(左)、降水粒子(右)垂直分布Fig.5 At 14∶00 on May 21, along the middle east of Inner Mongolia Vertical distribution of cloud water ice crystals (left) and precipitation particles (right)

5月21日20時—5月22日20時，內(nèi)蒙古中東部地區(qū)有大范圍云系覆蓋，移動速度約55 km/h，云中有一定量的過冷水及冰晶，降水粒子較為豐富，0 ℃層高度在3.0～4.0 km，-10 ℃層高度在5.0～5.5 km，-20 ℃層高度在6.5～7.0 km。典型時刻云垂直結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 5月22日11時沿內(nèi)蒙古中東部上空云水冰晶(左)、降水粒子(右)垂直分布Fig.6 At 11∶00 on 22 May, along the middle east of Inner MongoliaVertical distribution of cloud water ice crystals (left) and precipitation particles (right)

3.2 作業(yè)預案制定

針對此次天氣過程，內(nèi)蒙古自治區(qū)人工影響天氣中心于5月20日開始每天滾動發(fā)布人工影響天氣作業(yè)條件預報以及作業(yè)潛勢預報，根據(jù)天氣形勢、旱情監(jiān)測、云微物理產(chǎn)品等分析，給出了具體增雨作業(yè)建議。

4 作業(yè)條件監(jiān)測預警及作業(yè)方案設(shè)計

4.1 云發(fā)展演變趨勢

云監(jiān)測反演分析顯示，5月20—22日，內(nèi)蒙古中東部有云系覆蓋，云系自西北向東南移動，移速約為55 km/h。21日16時云頂溫度局部最低約為-40 ℃，光學厚度最大可達52；20時云頂溫度局部最低約為-40 ℃，光學厚度最大可達30；22日09時云頂溫度局部最低約為-40 ℃，光學厚度最大可達52，適合飛機增雨作業(yè)(圖7)。

4.2 云結(jié)構(gòu)監(jiān)測分析(探空資料結(jié)合衛(wèi)星資料)

根據(jù)21日08時探空觀測，影響中東部地區(qū)的云系為典型層云，云系為冷暖云混合云系，興安盟地區(qū)云垂直發(fā)展密實，整層相對濕度較大，0 ℃層和-10 ℃層分別位于3.6 km、5.0 km高度左右。中東部地區(qū)整層以西北風為主，風速18 m/s(約65 km/h)。呼和浩特市以東地區(qū)云層為多層云，錫林郭勒盟、興安盟飛機人工增雨作業(yè)條件較好(圖8)。

根據(jù)21日20時探空觀測，降水主體云系東南移，主要位于巴彥淖爾市以東地區(qū)，內(nèi)蒙古東部地區(qū)的云系為典型層云，云系為冷暖混合云系，云垂直發(fā)展旺盛，分多層。云頂高度均在8 km以上，局部地區(qū)云頂發(fā)展到13 km，整層相對濕度較大，0 ℃層和-10 ℃層分別位于3.5 km、5.5 km高度左右。低層以西南風為主，風速16～24 m/s(約57～97 km/h)，適合開展飛機人工增雨作業(yè)(圖8)。

根據(jù)22日08時探空觀測，隨著降水主體云系進一步向東南方向移動，錫林郭勒盟以東地區(qū)云系發(fā)展較為深厚，云頂高度均在9 km以上，局部地區(qū)云頂發(fā)展到13 km，整層相對濕度較大，0℃層和-10 ℃層分別位于3.5 km、5.2 km左右高度。整層以偏西風為主，低層風速16 m/s左右(約57 km/h)，適合開展飛機人工增雨作業(yè)(圖8)。

圖7 衛(wèi)星反演的5月21日16時與5月22日09時云頂溫度(左)和光學厚度(右)Fig.7 Satellite inversion at 16∶00, 20∶00 on May 21 and 09∶00 on May 22, Genting temperature and optical thickness

圖8 云結(jié)構(gòu)分析(探空資料+衛(wèi)星反演)Fig.8 Cloud structure analysis (sounding data+satellite inversion)

4.3 雷達監(jiān)測資料分析

從5月21日16時通遼市雷達回波分布可以看出，通遼市北部及興安盟南部地區(qū)有不均勻片狀強回波生成，回波主體強度在30 dBz左右。至21時左右，回波范圍有所減小，但強度并未減弱。至22日05時，赤峰市大部地區(qū)有均勻大片的回波生成，回波主體強度在30 dBz左右，局部地區(qū)達35 dBz。到22日13時，回波位于通遼市南部地區(qū)，強度仍然較強(圖9)。

4.4 作業(yè)方案設(shè)計

此次天氣過程分別選取通遼市、錫林郭勒盟、興安盟設(shè)計的各一次飛機作業(yè)方案為例。通遼市預計飛機時間為5月21日05時30分—09時30分，飛行高度為2 200～5 000 m冷云區(qū)，攜帶冷云催化劑作業(yè)，作業(yè)方案如圖10(左)所示。錫林郭勒盟根據(jù)5月20日20時探空觀測結(jié)果，-4 ℃層(催化溫度層)的風向為240°，風速約14 m/s。據(jù)此設(shè)計作業(yè)方案如圖10(中)所示，預計飛行時間為5月21日 07時30分—11時30分，攜帶催化劑為冷云煙條，預計作業(yè)高度為3 000～4 200 m(云內(nèi)-4 ℃層以上)。5月21日05時興安盟上空受蒙古高空槽移動影響，云系自西北向東南，以冷云云系為主，興安盟大部分地區(qū)有云系覆蓋，水汽條件較好，0 ℃層高度3 km左右，-10 ℃層高度5 km左右，據(jù)此設(shè)計作業(yè)方案如圖10(右)所示，預計飛行時間為5月21日06—10時，攜帶催化劑為冷云煙條，預計作業(yè)高度為3 000～4 000 m。

5 作業(yè)實施

5.1 作業(yè)實施情況

針對5月20日08時—22日20時內(nèi)蒙古中東部降水天氣過程，內(nèi)蒙古自治區(qū)人工影響天氣中心以及11個盟市分別以不同方式開展了人工影響天氣作業(yè)。全區(qū)：開展飛機作業(yè)16架次，共飛行44 h；開展地面作業(yè)共209次，共燃燒煙條208根，發(fā)射火箭彈1 167枚。

圖9 5月21日16時(a)、20時(b)，22日05時(c)、13時(d)通遼市雷達回波圖Fig.9 Radar echo map of Tongliao City at 16∶00(a), 20∶00(b), 22∶00(c) and 13∶00(d) on May 21

圖10 5月21日上午通遼市、錫林郭勒盟和興安盟飛機作業(yè)方案設(shè)計Fig.10 On the morning of May 21, Tongliao City, Xilin Gol League and Xing'an League aircraft operation plan design

5.2 實際飛行作業(yè)軌跡

綜上所述，5月20日08時—22日20時，有飛機增雨作業(yè)潛力的各盟市根據(jù)實時的紅外云圖、探空資料、雷達等監(jiān)測工具密切監(jiān)視天氣，根據(jù)實際情況結(jié)合預先設(shè)計的飛行作業(yè)方案進行了飛行增雨作業(yè)。部分盟市實際飛機作業(yè)軌跡圖如圖11所示。

5.3 作業(yè)合理性分析

現(xiàn)以此次天氣過程中通遼市一次飛機增雨作業(yè)過程為例進行分析。5月22日B3852從通遼機場起飛，主要飛行區(qū)域為通遼市中部，飛行時間為06時30分—09時35分。如圖12所示，飛機飛行作業(yè)的范圍均在雷達回波覆蓋范圍之內(nèi)，圖上顯示的0 ℃高度為3 348 m，與實際測得的0 ℃層高度不符，此項指標不具有參考意義。飛機作業(yè)高度2 800～5 000 m，在預判作業(yè)高度范圍之內(nèi)，實際使用催化劑(冷云催化)類型與預案一致。

圖12雷達回波顯示飛機作業(yè)區(qū)域(通遼市中部)、作業(yè)時間內(nèi)始終有較為均勻的回波，實際催化作業(yè)時段與作業(yè)預案一致，作業(yè)區(qū)域與預案給定范圍一致，作業(yè)區(qū)域選取比較適宜，作業(yè)時間較準確。

圖11 5月20日08時—22日20時部分盟市實際飛機作業(yè)軌跡圖Fig.11 The actual aircraft operation track map of some leagues at 20∶00 on May 20

圖12 B3852飛行軌跡和雷達剖面疊加Fig.12 B3852 flight trajectory and radar profile overlay

6 作業(yè)效果分析

5月20—22日，我區(qū)共有序開展飛機增雨作業(yè)16架次，地面作業(yè)209次，采用了區(qū)域?qū)Ρ确ǖ贸觯鹤鳂I(yè)影響區(qū)總面積為56 996 km2，增雨總量為16 116萬噸。

受自然降水和人工增雨作業(yè)的共同影響，內(nèi)蒙古地區(qū)增雨效果明顯。5月21日08時—22日08時，我區(qū)共1 555個站出現(xiàn)降雨，降雨量0.1～53 mm。其中共83個站出現(xiàn)大雨，降雨量25～45.8 mm，主要分布在鄂爾多斯東南部、呼和浩特市大部、包頭市南部、烏蘭察布市中部及南部、錫林郭勒盟南部及東部、通遼市大部、赤峰市北部及興安盟西南部；錫林郭勒盟多倫縣大河口鄉(xiāng)出現(xiàn)暴雨，降雨量為53 mm。22日08時—23日08時，共746個站出現(xiàn)降雨，降雨量0.1～23.0 mm。其中共138個站出現(xiàn)中雨，降雨量10.0～23.0 mm，主要分布在通遼市南部及赤峰市南部。具體雨情信息見圖13。

將圖14與圖1a相對比，發(fā)現(xiàn)此次自然降雨以及人工增雨作業(yè)使我區(qū)中東部干旱范圍大幅縮小減弱，有效降低了森林草原火險等級，改善了土壤墑情，為我區(qū)的農(nóng)作物生長、生態(tài)保護、園林綠化、凈化空氣等方面發(fā)揮了重要作用。此次增雨作業(yè)過程有效地緩解了全區(qū)旱情，減少了經(jīng)濟損失，受到社會各界的廣泛關(guān)注。

圖13 5月21日08時—23日08時全區(qū)雨量信息Fig.13 Rainfall information for the whole district from 08∶00 to 23∶00 on May 21

圖14 5月23日內(nèi)蒙古氣象干旱綜合指數(shù)分布圖Fig.14 Distribution map of Inner Mongolia meteorological drought comprehensive index on May 20 and May 23

7 討論與結(jié)論

通過對本次個例天氣形勢、人工增雨潛力、作業(yè)實況、作業(yè)效果等分析，得到如下結(jié)論：

本次作業(yè)過程，受高空槽和風切變共同作用，低空有水汽輸送，且水汽、動力條件好；飛機作業(yè)云系處于發(fā)展階段，云層比較深厚，云體較為密實，云中有一定的過冷水，過冷水范圍較大，增水潛力可觀。此次過程共開展飛機增雨作業(yè)16架次，地面作業(yè)209次，作業(yè)影響區(qū)總面積為56 996 km2，增雨總量為16 116萬噸。增雨作業(yè)過程有效地緩解了全區(qū)旱情，減少了經(jīng)濟損失。