云南飞机增雨作业气象条件分析
张腾飞1, 张杰2, 金文杰1, 孙玲1, 李辰1
1.云南省人工影响天气中心,云南 昆明 650034
2.云南省气象信息中心,云南 昆明 650034
通信作者:张 杰(1967-),男,山西人,硕士,高级工程师,主要从事气象信息技术和资料应用分析研究.E-mail:mrzjztf@126.com.

作者简介:张腾飞(1966-),女,云南人,研究员级高级工程师,主要从事灾害性天气研究.E-mail:tfzhang@21cn.com.

摘要

利用NCEP再分析气象资料和GRAPES_CAMS人工影响天气模式结合降水资料对飞机増雨作业条件进行分析.结果表明:南支槽、静止锋、南支槽和静止锋相互配合、700hPa切变线、孟加拉湾低槽是云南飞机増雨作业的主要天气形势,低层(550或600hPa以下)相对湿度在60%以上的高湿和垂直上升运动环境是飞机增雨作业的必要条件,促使低层水汽向上运动和AgI凝结核抬升凝结增长形成雨滴而导致降水增大,同时水汽混合比、垂直累积液态水(过冷水)、云顶温度、云顶高度等云系宏微观参量达到一定阈值,才能产生足够的云水和冰水粒子保障AgI凝结增长.

关键词: 飞机增雨; 天气分型; GRAPES_CAMS模式; 作业气象条件
中图分类号:P481 文献标志码:A 文章编号:0258-7971(2018)06-1181-11
An analysis of meteorological conditions for rain enhancement operations by aircraft in Yunnan
ZHANG Teng-fei1, ZHANG Jie2, JIN Wen-jie1, SUN Ling1, LI Chen1
1.Yunnan Weather Modification Center,Kunming 650034,China
2.Yunnan Meteorological Information Center,Kunming 650034,China
Abstract

Conditions for rain enhancement operations by aircraft are analyzed,by using NCEP re-analytical meteorological data and GRAPES_CAMS weather-affected models combined with precipitation data.The results show that the main weather situations for rain enhancement operations by aircraft in Yunnan are the south branch trough,the stationary front,the combination of the south branch trough and the stationary front,the 700hPa shear line and the depression or trough in the Bay of Bengal; that humidity of above 60% and vertical upward motion in the low layer (below 550 or 600hPa) are necessary conditions for aircraft rain enhancement,which promote the upward movement of the low-layer water vapor and the uplift condensation growth of the AgI condensation nuclei to form raindrops,thus increasing precipitation.At the same time,only when the macroscopic and microscopic parameters of the cloud system-such as water vapor mixing ratio,vertical accumulated liquid water (super-cooled water),cloud top temperature and cloud top height-reach a certain threshold value,can sufficient cloud water and ice water particles be generated to ensure the condensation growth of AgI.

Keyword: aircraft rain enhancement; weather type classification; GRAPES_CAMS model; operation meteorological condition

人工增雨是根据不同云层的物理特性, 选择合适时机, 用飞机、火箭向正在发展可产生降水云中播撒干冰、碘化银等催化剂, 使云层降水或增加降水量.飞机人工增雨作业与地面高炮、火箭作业相比, 具有作业时间长、受益面积大、作业效率高等特点, 是目前采用的最有效的开发空中云水资源的方法之一.增雨作业云系需要一定冷层厚度和过冷云水量, 供自然冰相降水元(冰晶和雪花)及人工催化形成的降水元增长, 云系还需一定厚度暖层, 供下落的自然和人工形成的降水元融化后再经碰并云水增长成雨滴形成降水[1]; 认真做好作业天气条件分析研究、准确判断天气系统是制定作业飞行方案的依据[2], 选择最佳的作业时机和有利部位实施人工催化, 发挥人工增雨的效能.虽然过去围绕人工增雨技术与外场试验、云降水模式与数值模拟等取得的研究成果在人工影响天气业务中发挥了实际效益[3], 但仍存在许多关键科学技术问题亟待解决[4].多年来各地气象部门不断探索人工增雨技术, 唐林等[5, 6]综合分析回波强度、回波顶高、含水量、云顶温度等参数, 得出湖南人工增雨指标和评分规则, 建立地面人工增雨多普勒雷达指挥系统, 2008年结合雷达回波资料进一步分析夏秋干旱期的天气形势, 得出有利人工增雨的宏微观判别指标.周益辉等[7]分析40多年南方天气气候特征为南方夏秋期间对流云降水潜力研究和科学实施人工增雨作业提供一定依据.杜毓龙等[8]在陕西省14次飞机增雨作业天气分析的基础上, 结合飞机和雷达探测资料, 得出飞机增雨作业需要的有利于层状云向降水转化的条件.李玉林等[9]、王吉宏等[10]对实施飞机人工增雨作业的天气系统、增雨作业云系及其雷达回波特征进行归纳和分析后提出了飞机人工增雨作业条件和作业时机、作业区域等判别方法, 为实施飞机人工增雨作业提供了科学依据.

云南地处低纬高原山区, 降水时空分布不均, 干旱灾害频发[11, 12, 13, 14, 15], 且地处印度洋、太平洋暖湿气流进入我国通道的前缘, 空中水汽资源十分丰厚, 人工增雨潜力巨大[16], 长期以来人工增雨作业尤其是2013年以来常态化飞机增雨作业在抗旱减灾工作中发挥了不可替代的作用.但云南地形地貌和天气气候复杂, 飞机增雨起步晚及飞行和作业条件特殊, 加强飞机增雨作业条件的研究显得尤为重要.本文在对比分析2013— 2016年飞机增雨作业个例的影响区和对比区降水基础上, 选择有效飞机增雨作业典型个例, 寻找适合云南飞机作业的有利气象条件, 以期有效地提升云南人工增雨作业能力和水平.

1 作业概况

2013— 2016年2架飞机针对云南春、秋、初夏干旱明显的天气气候特点, 分2个时段(3— 6月及9— 12月)开展抗旱、蓄水、森林防火、生态环境保护等增雨作业326架次.通过对比分析每架次飞机增雨作业影响区和对比区逐小时降水量, 开展作业效果评估, 251个作业架次具有增雨效果(表1), 属于有效作业.从表1看出, 每年各月有效作业架次存在差异, 但以春季和初夏作业为主, 其中4年3— 6月分别有35次、55次、70次和34次, 9— 12月分别有5次、25次、20次和7次, 尤以5月有效作业架次最多, 这与云南初夏春耕抗旱生产需求大和降水条件(作业条件)转好密切相关.

表1 2013— 2016年飞机增雨有效架次(单位:次) Tab.1 Effective cases of aircraft rain enhancement in 2013— 2016(unit:times)
2 作业条件天气分型

飞机增雨作业需要在一定有利降水天气形势下[17, 18, 19], 选择合适时机向云中播撒碘化银(AgI, 下同)催化剂, 使云层降水或增加降水量.

通过对2013— 2016年251架次有效飞机增雨作业过程影响天气系统进行分型统计, 分别筛选了飞行航线合理和作业效果突出的典型个例(表2).分析发现, 云南春秋和初夏实施飞机增雨作业的有利天气系统主要为南支槽、静止锋、南支槽和静止锋相互配合、700hPa切变线、孟加拉湾低压(低槽)等5类, 分别有88次、24次、28次、86次和25次, 分别占35%、10%、11%、34%和10%.其中, 春秋季飞机增雨作业的天气系统以前3种南支槽、静止锋、南支槽和静止锋相互配合为主, 而初夏飞机增雨作业以700hPa切变线(低槽切变或冷锋切变型)和孟加拉湾低压(低槽)为主.

表2 2013— 2016年飞机增雨天气分型 Tab.2 The weather situation types of aircraft rain enhancement in 2013— 2016
3 作业气象条件
3.1 环流背景气象条件

普查251架次飞机增雨作业的飞行航线和作业高度发现, 除静止锋影响外, 其它系统往往伴随雷暴大风等强对流天气, 为了合理避让对流区, 飞机增雨需选择有利的作业时间和合适的作业部位, 作业高度一般在4~5km之间, 相当于在540~620hPa之间实施作业.

分别选取5类飞机增雨作业天气分型中的1个典型个例, 对其环流背景及沿25° N作业区上空相对湿度、气温和垂直速度的垂直结构特征进行分析, 初步了解飞机增雨作业的机制.

3.1.1 南支槽型 2013年5月4日长水机场起飞的飞机于16:42— 19:03(北京时, 下同)在昆明、楚雄、玉溪实施增雨作业, 燃烧AgI烟条8根, 效果较好.在5月4日08:00, 500hPa高空形势场(图1a)上, 南支槽位于90° ~92° E, 槽后为西北风、槽前为西南风, 南支槽附近存在风速≥ 12m· s-1急流区, 最大风速≥ 16m· s-1, 对应在700hPa相对湿度场(图略)上, 南支槽前孟加拉湾地区到云南境内出现相对湿度≥ 60%高水汽带, 20:00(图略)南支槽继续维持在90° E附近, 急流区扩大, 槽前西南急流扩展到云南大部地区, 源源不断向云南输送水汽.

图1 2013年5月4日南支槽型环流形势和各要素沿25° N垂直剖面Fig.1 The circulation pattern and each element vertical section along 25° N for the south branch trough pattern on 4 May, 2013

从作业前5月4日14:00相对湿度和水平风垂直剖面(图1b)看出, 从95° ~98° E自低层向高层为相对湿度≥ 75%的深厚湿层, 尤其600hPa以上相对湿度≥ 90%, 表征南支槽前丰沛水汽到达滇西地区, 一致的西南风会引导水汽向云南输送, 在滇中以东(101° ~106° E)550hPa以下具有较好湿度条件, 相对湿度≥ 60%, 尤其650~750hPa之间相对湿度≥ 85%; 从垂直速度(图1c)和温度(图1d)垂直剖面看出, 滇中及以东(101° ~105° E)600hPa以下存在垂直上升运动, 0℃层在630hPa附近, 表明飞机在-6~0℃附近和上升运动环境中实施增雨作业, 有利于水汽和AgI凝结核向上运动及碰并和凝结增长.

因此, 基于合理避让对流区原则一般选择在南支槽前实施增雨作业, 槽前西南气流向作业区输送水汽, 作业区550hPa以下具有较好湿度条件(相对湿度≥ 60%)和600hPa以下存在垂直上升运动, 通过在4~5km高度播撒AgI实施作业, 有利于水汽和凝结核向上运动, 从而导致水汽凝结和碰并增长进而导致降水增大.

3.1.2 静止锋型 2014年11月17日08:00, 500hPa(图略)中纬度地区多短波槽活动, 云南大部为偏西气流控制, 高层冷空气向南渗透影响云南, 导致近地面静止锋维持, 850hPa(图2a)上在滇中以东地区锋区等值线密集, 四川和贵州为155dagpm冷高压, 700hPa(图略)全省为相对湿度≥ 60%的高值区, 尤其滇中以东相对湿度≥ 80%, 10:17— 12:54飞机在静止锋影响区的滇中以东地区开展增雨作业, 燃烧AgI烟条5根.

图2 2014年11月17日静止锋型环流形势和各要素沿25° N垂直剖面Fig.2 The circulation pattern and each element vertical section along 25° N for the stationary front pattern on 17 November, 2014

在作业前11月17日08:00相对湿度和水平风垂直剖面(图2b)上, 云南省上空(97° ~107° E)低层600hPa以下为高湿度区, 尤其650hPa以下相对湿度≥ 90%, 表明低层具有很好水汽条件; 在垂直速度(图2c)和温度(图2d)上, 0℃层在650hPa附近, 低层存在垂直上升运动, 其中昆明(102.5° E)以东上升运动到达550hPa附近, 远远超过0℃层.静止锋不仅提供抬升动力和冷空气条件, 而且提供凝结核抬升凝结增长的较好水汽条件, 飞机在静止锋区和锋后540~620hPa、-6~0℃大气环境中实施作业, 有利于低层水汽和凝结核向上运动, 促使凝结核抬升凝结和碰并增长而达到增加降水的目的.

3.1.3 静止锋+南支槽型 2013年12月14日普洱机场飞机(9:50— 12:34)和长水机场飞机(11:24— 12:25)在滇中以东以南増雨作业2架次, 燃烧AgI烟条12根, 增雨(雪)效果明显.

2013年12月14日08:00, 500hPa中高纬为两槽一脊形势(图3a), 西北地区为脊区, 盛行西北气流, 青海东部到川藏为西风槽, 西风槽东移引导高空冷空气南下, 南支槽位于92° E附近, 槽前云南境内形成风速≥ 12m· s-1的西南风急流带输送水汽, 最大风速≥ 24m· s-1; 在近地面850hPa(图3b)上, 静止锋控制云南哀牢山以东地区, 159dagpm冷高压中心在新疆和青海一带, 说明北方有冷空气补充, 维持静止锋发展; 700hPa上滇中及以东以南地区为相对湿度≥ 60%的高值区(图略), 滇南和滇东边缘相对湿度达100%, 南支槽前西南气流为人工增雨提供了充沛水汽条件.

图3 2013年12月14日南支槽和静止锋型环流形势和各要素沿25° N垂直剖面Fig.3 The circulation pattern and each element vertical section along 25° N for the combination pattern of the south branch trough and the stationary front on 14 December, 2013

从12月14日作业前08:00相对湿度和水平风(图3c)、垂直速度(图3d)、温度(图略)垂直剖面上看, 虽然南支槽位于95° E以西地区, 但云南(97° ~107° E)上空为槽前偏南气流, 低层650hPa以下为相对湿度≥ 90%的高湿层, 水汽条件很好, 且云南上空为延伸到200hPa的深厚上升气流区, 有利于低层丰沛水汽上升凝结增长, 其中在滇东和滇西存在2个上升运动中心, 另外0℃层位于700hPa以下, 飞机作业区温度可达-12℃.

在南支槽前和静止锋区实施飞机增雨作业, 冷空气与南支槽前西南气流结合提供有利的暖湿条件(水汽条件)和冷空气条件(抬升动力条件), 低层650hPa以下存在丰沛水汽条件(相对湿度≥ 90%), 且存在深厚上升运动, 再加上具有较低的0℃层高度, 低于飞机作业高度, 非常有利于水汽向上运动和AgI凝结核的抬升凝结增长而增加降水量.

3.1.4 切变线型 2014年6月6日16:08— 17:54, 在昆明、楚雄、大理有效实施飞机增雨作业.6月6日08:00, 500hPa低槽位于马尔康到巴塘一线, 云南风场呈反气旋性分布, 大部为西北风; 700hPa(图4a)切变线位于威宁、西昌到丽江, 后部青藏高原存在314dagpm高压环流, 形成北高南低形势, 利于切变线南移, 同时风场呈气旋性分布, 与高层反气旋流场叠加, 为降水形成提供对流不稳定条件, 但飞机增雨需要考虑对流不稳定天气对飞行安全的影响; 700hPa云南大部处在相对湿度≥ 80%的高湿度区中(图略), 丰富的水汽为凝结核增长创造了很好的气象条件.

图4 2014年6月6日700hPa切变线型环流形势和各要素沿25° N垂直剖面Fig.4 The circulation pattern and each element vertical section along 25° N for the 700hPa shear line pattern on 6 June, 2014

分析6月6日作业前08:00相对湿度和水平风(图4b)、垂直速度(图4c)、温度(图4d)垂直结构发现, 云南上空(97° ~105° E)450hPa以下为相对湿度≥ 65%的深厚高湿层, 其中500~750hPa之间相对湿度≥ 90%, 为飞机增雨提供充足水汽条件, 且作业区及以东地区500hPa以下为上升气流区, 0℃层位于530hPa附近, 飞机在-2~0℃实施作业后由于上升气流的作用AgI会得到抬升凝结增长.

因此, 在切变线影响下强对流活跃, 飞机避开强对流区在切变线前作业, 虽然0℃层较高, 但450hPa以下深厚高相对湿度(≥ 65%)和500hPa以下上升气流的存在, 保障了AgI抬升凝结增长而增加降水量.

3.1.5 孟加拉湾低槽 在2016年5月21日08:00的 500hPa(图5a)上, 87° E附近孟加拉湾地区为低压槽控制, 低压中心达576dagpm, 槽前西南气流≥ 24m· s-1, 14:00(图略)低槽东移到91° E附近, 西南气流加强横穿整个云南, ≥ 12m· s-1西南急流到达云南西南部, 不断为云南输送水汽; 相应700hPa上孟加拉湾到云南相对湿度基本≥ 90%(图略), 局部达100%.孟加拉湾低槽东移携带充沛水汽, 为飞机增雨作业提供很好的水汽条件, 长水机场飞机10:45— 13:35在昆明、楚雄、曲靖实施增雨作业、普洱机场飞机9:13— 12:16和14:24— 16:06在普洱、临沧、大理、楚雄、玉溪作业, 共燃烧AgI烟条48根, 产生较好增雨效果.

图5 2016年5月21日孟加拉湾低槽型环流形势和各要素垂直剖面Fig.5 The circulation pattern and each element vertical section along 25° N for the depression or trough pattern in Bay of Bengal on 21 May, 2016

21日08:00相对湿度和水平风垂直结构(图5b)垂直剖面上, 99° E以西自低层到高层为深厚湿层, 相对湿度几乎达100%, 孟加拉湾低槽携带丰沛水汽随高空一致西南气流向云南输送, 在2架飞机作业区域(100° ~106° E)低层600hPa以下相对湿度≥ 75%, 尤其在滇中以东(101.5° ~106° E)相对湿度≥ 95%, 几乎饱和, 为AgI凝结增长提供充足水汽条件; 另外在垂直速度(图5c)、温度(图5d)垂直结构上, 0℃层虽然较高, 位于550hPa附近, 但在云南境内上升气流和下沉气流共存形成稳定垂直环流系统, 更利于降水的形成.2架飞机分别在滇西和滇中以东实施作业, 在2个区域(99.5° ~101° E和102.6° ~103.6° E)内各存在一个自低层直至200hPa的上升运动中心区, 实施AgI播撒作业后有利于凝结核和水汽上升凝结增长.

可见, 在孟加拉湾低槽前实施飞机增雨作业, 孟加拉湾充足水汽向云南输送, 低层600hPa以下相对湿度≥ 75%, 为增雨作业提供水汽条件, 上升气流和下沉气流共存形成稳定垂直环流, 进一步为增雨作业提供凝结核和水汽上升运动及凝结增长条件, 导致降水量增大.

3.2 作业云系宏微观参量特征

GRAPES_CAMS是GRAPES中尺度模式耦合CAMS双参数化方案的人工影响天气预报模式, 包含许多云水宏微观特征参量, 统计分析2013— 2016年90架次飞机增雨作业的模式产品发现, 飞机作业云系一般满足700hPa水汽混合比≥ 8g· kg-1、垂直累积液态水≥ 0.1mm、垂直累积过冷水≥ 0.1mm、云顶温度≤ -4℃、云顶高度≥ 4.5km等条件, 才具有増雨作业效果.下面对2016年5月26日飞机増雨作业典型个例进行分析.

从5月25日08:00模式预报产品(图略)看出, 26日24h(25日20:00— 26日20:00)全省大部均有降水, 表明将存在可开展增雨作业的降水系统活动.26日14:00全省大部地区700hPa水汽混合比在10g· kg-1以上, 滇中和滇东局部地区垂直累积液态水和垂直累积过冷水存在高值区, 垂直累积液态水最大值达0.9mm, 垂直累积过冷水也在0.1~0.2mm, 水汽条件丰沛.且26日14:00云南大部云顶高度≥ 4.5km, 普遍在6.5km以上, 滇西和滇东北云顶温度≤ -4℃, 表明云系具有一定发展高度和厚度.

进一步分析26日08:00模式预报产品发现, 26日14:00在滇中以东地区为垂直累积液态水(图6a)和垂直累积过冷水(图6b)的高值区, 其最大值分别≥ 1mm和≥ 0.7mm, 对应滇东地区云顶高度≥ 5.0km(图6c)和云顶温度≤ -4℃(图6d), 尤其在滇东北地区云顶温度达到-12℃以下, 云顶高度在7.5km以上, 表明飞机增雨作业条件转好且滇东地区作业条件更佳.

图6 2016年5月26日08:00 GRAPES_CAMS模式预报产品Fig.6 The GRAPES_CAMS model forecast products at 08:00 on 26 May, 2016

长水机场飞机于26日10:10— 14:47在昆明东部和曲靖实施飞机增雨作业, 作业后14:00— 17:00影响区域降雨明显, 普遍达小到中雨量级, 其中宣威县芹菜沟3h雨量达63.9mm.因此, 在具有一定水汽条件和发展高度的云系中, 能产生一定厚度且有足够的云水和冰水粒子, 飞机増雨作业播撒凝结核能够凝结增长导致降水量增加.

4 结 论

(1) 南支槽、静止锋、南支槽和静止锋相互配合、700hPa切变线、孟加拉湾低槽是云南飞机増雨作业的主要天气形势, 且必须具备一定的水汽条件才能取得较好的作业效果.一般情况下云南处于高湿度区, 700hPa相对湿度≥ 60%, 有利的环流形势提供上升运动条件, 充沛水汽会促进飞机播撒的AgI凝结核凝结增长形成雨滴而增加降水.

(2) 虽然5类飞机增雨作业的大气垂直结构存在一定的差异, 但低层(550或600hPa以下)较高湿度(一般相对湿度≥ 60%, 基本高达90%以上)和存在垂直上升运动是云南飞机增雨作业的必要条件, 低层水汽通过上升气流向上运动, 飞机播撒的AgI凝结核在充沛水汽条件下抬升凝结增长形成雨滴而导致降水增大, 是云南飞机增雨作业模型结构特征和机制.

(3) 700hPa水汽混合比≥ 8g· kg-1, 在垂直累积液态水≥ 0.1mm和垂直累积过冷水≥ 0.1mm、云顶温度≤ -4℃、云顶高度≥ 4.5km的云系中能产生一定厚度和足够的云水和冰水粒子, 保障飞机増雨作业播撒的凝结核凝结增长导致降水量增加.

The authors have declared that no competing interests exist.

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