孫 玲，張騰飛，尹麗云，成佳麗，金文杰，趙建萍

(1.云南省人工影響天氣中心，云南 昆明 650034;2.云南省曲靖市氣象局，云南 曲靖 655000； 3.云南省機場集團有限責任公司滄源佤山機場航務部氣象臺，云南 滄源 677400)

0 引言

云南地理環(huán)境特殊，地勢地形復雜，氣候類型多樣。云南氣候存在明顯的季節(jié)性、地區(qū)性差異，歷年氣候變化顯著。自2009年起，云南出現了多年連年干旱。干旱已經成為制約云南經濟社會發(fā)展的嚴重不利因素之一。面對嚴峻的干旱形勢，各州、市人工影響天氣機構常年利用高炮、火箭等進行人工增雨、防雹作業(yè)。云南省人工影響天氣中心在2013年3月正式啟動了飛機增雨常態(tài)化業(yè)務，適時開展飛機增雨作業(yè)，但是飛機增雨作業(yè)是一項復雜而重要的科學工程，在適當的條件下開展飛機人工增雨工作,對解決各地水資源缺乏,增加水庫蓄水量,改善生態(tài)環(huán)境,減輕和緩解干旱對國民經濟特別是對農業(yè)生產的影響等具有十分重要的意義[1]。人工增雨的關鍵技術是選擇何種云，在云中什么樣的部位，播撒多少適量的催化劑才能達到播撒增雨效果。

國際上主要是從云的溫度、含水量、動力條件和水汽分布來分析地形云的可播性，將-25 ℃作為判斷地形云是否是有增雪潛力的分界線[2]，Vardiman and Moore提出了適用于各種氣象和地形條件的可播性判據[3]。我國開展人工增雨作業(yè)已有幾十年，建立本地化人工影響天氣作業(yè)指標體系,構建科學合理的人影作業(yè)指揮模式是目前亟需解決的問題[4],各省市根據本地情況也總結了大量的播云指標。李念童等研究得出河南層狀云的增雨指標，包括了宏、微觀和雷達的指標[5]。唐林根據湖南省飛機和地面的個例研究結果，總結了夏秋季開展人工增雨作業(yè)條件判別的宏觀、微觀指標[6]。孫晶等[7]重點對2013年8月南方三類云系的云結構預報結果和增雨作業(yè)條件進行了分析。張騰飛等[8]利用NCEP再分析氣象資料和GRAPESCAMS人工影響天氣模式結合降水資料對飛機增雨作業(yè)條件進行分析。

云南省天氣氣候復雜多變，加之開展飛機增雨時間尚短，在指標的研究上還未取得進展。本文將根據多普勒天氣雷達和MICAPS等資料，選取云南省2014年的飛機增雨的所有個例，分析有利于飛機增雨作業(yè)條件的雷達回波特征和天氣學特征，提煉適合云南飛機增雨作業(yè)條件的指標。搭建預警指揮系統(tǒng)完成不同強度雷達回波的回波塊識別、回波跟蹤、指標的修改和判別以及預警顯示。最后選擇了兩個個例進行詳細驗證，均取得較好效果。

1 數據來源

使用的數據包括：2014年云南春秋季62次飛機穿云飛行的增雨個例以及相關的多普勒天氣雷達監(jiān)測資料、衛(wèi)星云圖、MICAPS資料和氣象站的雨量資料等。

2 影響云南飛機作業(yè)的主要天氣系統(tǒng)

2.1 昆明準靜止鋒

昆明準靜止鋒是中國西南地區(qū)東部云貴高原上一個經常出現的重要天氣系統(tǒng)，通常位于四川宜賓、貴州興仁和云南廣南一帶，可造成云南降溫、降水和局地強對流天氣；如果有西南暖濕氣流配合，還可造成大范圍大—暴雨(雪)天氣過程。昆明準靜止鋒全年都可出現，最多出現在1月和12月。

2014年飛機增雨作業(yè)中出現準靜止鋒天氣10次。對過程分析表明，單獨的靜止鋒天氣適合開展飛機增雨作業(yè)的概率偏小。這主要是靜止鋒天氣系統(tǒng)水汽含量偏低，但是靜止鋒天氣系統(tǒng)主要影響滇中及以東地區(qū)，在有西南暖濕氣流配合的條件下，易出現較大范圍和較大強度的降水過程，有增雨的潛力。

2.2 南支槽

南支槽也稱副熱帶南支西風槽，是冬春季影響南亞和東亞的主要天氣系統(tǒng)?？紤]到對云南的影響，定義冬半年在500 hPa高空圖上，地理坐標為(70°～100°E，18°～28°N)區(qū)域出現的西風帶低槽為南支槽。

2014年飛機增雨作業(yè)中出現南支槽天氣12次。南支槽槽前為西南到偏西氣流，東移過程中會產生降水過程。如果在南支槽東移過程中，靜止鋒加強或云貴高原東側有明顯的冷鋒切變南下西移，則會造成明顯的大范圍降水或降雪過程，有利于飛機增雨作業(yè)過程的開展。靜止鋒和南支槽的配合系統(tǒng)共出現了4次。

2.3 切變線(低槽切變或冷鋒切變型)

切變線是造成云南大到暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一。與其它天氣系統(tǒng)相比較，切變線系統(tǒng)出現的頻率高，尺度小，活動規(guī)律雜亂，還常常與臺風低壓、西南渦、地面鋒面等天氣系統(tǒng)聯(lián)合在一起。切變線系統(tǒng)月平均出現次數與月平均降水量分布極為相似，說明云南降水量與切變線系統(tǒng)的關系極為密切。

2014年飛機增雨作業(yè)中出現切變線天氣23次。此類天氣過程降水強度大、范圍廣，比較適宜開展飛機增雨作業(yè)；但由于伴隨有明顯的雷暴等強對流天氣，飛機無法進入強中心進行穿云飛行，常以外圍穿云的方式，在雷達回波強度<35 dBz的云團區(qū)域進行催化劑的播撒，或者是云系的前方播撒，通過抬升氣流以達到催化的目的。

2.4 孟灣低壓(孟灣低槽)

在孟加拉灣地區(qū)形成的低壓或低壓槽偏東移動，攜帶充足條件和能量，其前側偏南氣流源源不斷向云南輸送，是云南主要降水系統(tǒng)之一。雖然近幾年影響次數少，但確實是云南初夏和秋季最為有利的增雨作業(yè)天氣系統(tǒng)，往往形成范圍較廣的層積混合云，具有較好降水潛力和增雨潛力。

3 云南飛機增雨作業(yè)潛力的評判指標

在開展飛機增雨作業(yè)時，利用適合本地的增雨方式可提高云南作業(yè)指揮的目標性和有效性。根據云南2014年飛機增雨作業(yè)的結果，初步總結出了干旱期云南開展人工增雨的雷達監(jiān)測指標(表2)。同時根據MICAPS資料，得到宏觀的天氣學條件判據(表3)。

表2 云南飛機增雨作業(yè)的監(jiān)測評判指標Tab.2 Monitoring and Evaluation Indicators of Yunnan Aircraft Artificial Precipitation Enhancement

表3 云南飛機增雨作業(yè)潛力的天氣學評判指標Tab.3 Synoptic Evaluation Indexes of Yunnan Aircraft Artificial Precipitation Enhancement

4 增雨作業(yè)條件預警系統(tǒng)

飛機增雨作業(yè)條件預警系統(tǒng)嵌套在云南省三維人影作業(yè)指揮業(yè)務管理平臺中，屬于實時指揮下面的一個小模塊。預警系統(tǒng)采集歷史和實時的雷達，將數據錄入數據庫。有回波塊劃分、回波跟蹤及標記、預警指標設置，指標判別顯示以及預警開關等功能。

系統(tǒng)可采集標準格式多普勒雷達基數據。采集后將數據通過FTP協(xié)議傳送到文件數據服務器，供其他功能模塊調用。數據采集處理模塊運行界面如圖1。

對采集的資料，系統(tǒng)按照數據類型進行樹狀結構顯示。用戶可以在數據資料選擇窗口中調取不同時次、不同角度、不同地區(qū)的雷達資料。

利用自動識別技術，根據回波塊劃分參數的設置，包括最小強度閾值、最小面積、最小強度大于等于等指標參數，完成對回波塊的劃分(圖2)。

根據回波跟蹤識別參數的設置(最大間隔、最大移速、面積強度變化以及中心矩變化比等參數)，完成對回波塊的識別跟蹤。系統(tǒng)可以統(tǒng)計出目前跟蹤的文件列表以及在地圖上顯示該回波的編號(圖3)。

圖1 FTP雷達資料傳輸界面Fig.1 FTP Radar Data Rransmission Interface

圖2 回波塊劃分參數以及回波跟蹤識別的參數Fig.2 Parameters of Echo Block Partition and Echo Tracking Identification

在指標選擇框中，設計有具體的月份選擇，可以根據當月情況進行指標的修改(圖4)。現階段指標里面包括：回波面積，回波頂高，強回波頂高，強回波的閾值設定，回波強中心的強度和高度，垂直液態(tài)水含量，還有回波寬度等選擇。指標范圍比較廣，也是符合之前分析的，預警指標并不具有唯一性，它的開放性為今后的科研提供了更廣闊的基礎。這些判據指標需要在實踐中不斷總結和完善，加深認識，才能真正建設好人工影響天氣業(yè)務技術系統(tǒng)，才能提高其科學性。

圖3 跟蹤文件列表(a)以及回波跟蹤標記(b)Fig.3 List of Tracking Files (left) and Echo Tracking Marks (right)

圖4 增雨預警指標框Fig.4 Indicator Box of Artificial Precipitation Enhancement Warning

根據作業(yè)指標，判別當前雷達下的每一塊回波，每當有適合增雨作業(yè)的回波時，在該回波上出現地球標示，鼠標移動到該標識時，立馬顯示該塊回波的最大強度、強中心高度等相關雷達信息，并顯示增雨狀態(tài)，是否適合滿足增雨預警，方便指揮人員準確進行作業(yè)指揮(見圖5)。

4.1 應用個例1

2014年6月6日08時，500 hPa上云南省主要受高壓脊前西北氣流控制，冷鋒切變位于四川北部一帶。至20時冷空氣迅速南下，云南中部、南部已轉變?yōu)槠焙推珫|氣流。700 hPa上08—00時切變線基本維持在昆明北部、曲靖中南部一線，在該地區(qū)形成較強的輻合切變，提供了較好的動力條件(圖略)。

6月6日14時根據雷達實況及指標確定飛行航線，預定飛機于15時30分起飛，于15時30分—18時期間在昆明中部、楚雄中北部和大理西部實施飛機增雨作業(yè)。作業(yè)航線為長水機場—富民—南澗—賓川—永仁—富民—長水機場。作業(yè)飛機于15時35分起飛，于16時08分—17時54分期間在祿豐、楚雄、南華、南澗、彌渡、大姚、元謀、祿勸(圖略)實施人工增雨作業(yè)。

圖5 目標區(qū)域的判別和提示Fig.5 Discrimination and Hint of Target Region

6月6日上午雷達回波主要分布于云南省東北部的昭通、曲靖北部一帶。隨著切變線在08—20時期間逐漸自東北向西南移動，昆明、楚雄中北部、玉溪一線逐漸有單體對流回波逐漸發(fā)展。圖6為飛機在祿豐縣境內作業(yè)前后雷達回波的演變圖。飛機于16時12分在祿豐縣勤豐鎮(zhèn)北部開始實施作業(yè)。選取與作業(yè)回波A上方、與回波A作業(yè)前的生命史最接近的回波B作為對比回波。作業(yè)回波A于15時37分在祿勸縣東北方向生成并迅速發(fā)展，在15時48分其強中心強度已超過50 dBz，30 dBz以上回波面積達到17.59 km2;之后作業(yè)回波A強度基本維持，面積逐漸增大，于16時06—12分期間達到最盛，其強中心達到54 dBz，回波頂高達到15.02 km，其30 dBz以上回波面積達到28.23 km2。飛機于16時14—17分期間穿越作業(yè)回波A實施播撒，播撒作業(yè)后回波A強度緩慢減弱，其回波頂高和30 dBz以上回波面積則大體維持。直至16時30分后作業(yè)回波A才開始明顯減弱，16時42分降至30 dBz以下，于17時17分后完全減弱消散。

對比回波B則15時19分于祿豐縣城南部生成，作業(yè)前其生命史與作業(yè)回波A相似?；夭˙于15時31分快速發(fā)展至30 dBz以上，15時37分時強度達到50 dBz以上,此后其最強回波逐漸增強，至15時48分回波頂高則由8.9 km增長至14.7 km。15時48—54分對比回波B達到最盛，其最強回波達到55.7 dBz，回波頂高達到16.9 km，30 dBz以上回波面積達到33.42 km2。之后的16時00—24分期間逐步減弱至30 dBz以下，16時42分后基本消亡。對比當日雨量資料，作業(yè)回波A所處位置的區(qū)域自動站和平(T9258)在作業(yè)期間及作業(yè)后的16—18時降雨量為6.2 mm，而對比回波B所途經的土官站(T9267)降雨量僅0.6 mm。

4.2 應用個例2

2017年6月25日云南受切變線影響，根據MICAPS分析，提取了當天08時的天氣學因子，K指數為36～40 ℃，SI指數為-2～0 ℃，相對濕度>90%，水汽通量散度<0 g/(hPa·cm2·s)，溫度露點差為1 ℃，完全符合增雨潛力預報指標。飛機起飛時間為12時23分，于13時23分降落，起降機場均為保山機場，具體航線如圖7。

12時36分飛機起飛后，正北方有塊雷達回波(圖8紅框內)，該回波最大強度49 dBz,回波頂高9 km，強中心高度4.5 km，面積>100 m2，垂直累積液態(tài)水含量最大值接近3 kg/m2,符合增雨預警條件。但由于回波內對流強，飛機未能進行穿云作業(yè)，僅在外圍進行作業(yè)。

13時20分飛機航線的正北方有塊雷達回波(圖9紅框內)，該回波最大強度47 dBz,回波頂高5.9 km，強中心高度5.1 km，面積>100 km2，垂直累積液態(tài)水含量最大值接近0.2 kg/m2,符合增雨預警條件，飛機根據預警提示對該云團進行作業(yè)。

作業(yè)結束后，統(tǒng)計當日12—19時(含作業(yè)時以及作業(yè)后6 h)作業(yè)區(qū)和對比區(qū)的雨量，通過計算，得到作業(yè)區(qū)平均雨量為4.3 mm，而對比區(qū)平均雨量為2.8 mm。

5 小結

①統(tǒng)計分析云南省2014年飛機增雨的所有個例，初步得到有利于飛機增雨作業(yè)的天氣條件的概括分型，是昆明準靜止鋒(有一定的西南暖濕氣流配合時)、南支槽和切變線。

圖6 2014年6月6日15時31分—16時36分作業(yè)回波A和作業(yè)回波B的演變Fig.6 Evolution of Operation Echo A and Operation Echo B 15∶31—16∶36 on June 6,2014

圖7 2017年6月25日實際飛行航線疊加 作業(yè)區(qū)(紅框)和對比區(qū)(黃框)Fig.7 Operation Area (red box) and Contrast Area (yellow box) Superimposed Actual Flight Route on June 25, 2017

圖8 2017年6月25日12時36分雷達 回波預警提示(白色為航線)Fig.8 Warning Hint of Radar Echo at 12∶36 on June 25, 2017 (White is the Route)

圖9 2017年6月25日13:20雷達回波 預警提示(白色為航線)Fig.9 Warning Hint of Radar Echo (White is the Route)

②提出了判斷飛機增雨作業(yè)潛力的雷達回波指標和天氣學指標，包括雷達回波強度、回波頂高、垂直液態(tài)含水量、回波強度>10 dBz的面積，以及700 hPa相對濕度、水汽通量散度、K指數、SI指數和溫度露點差。

③預警指揮系統(tǒng)采集歷史和實時的雷達資料，將數據錄入數據庫，可以調用歷史和實時數據，在地理信息系統(tǒng)基礎上，可以直觀地展現1～7部多普勒雷達回波等信息。利用雷達回波自動識別技術，完成不同強度雷達回波的回波塊識別、回波跟蹤、指標的修改判別以及預警顯示。在指標選擇框中，設計了多種指標的選擇，為今后的研究奠定了開放的基礎。通過雷達回波預警系統(tǒng)，業(yè)務人員可以對雷達回波的現狀和發(fā)展做出全面立體的了解和判斷。

④通過2014年6月6日和2017年6月25日兩個增雨作業(yè)個例，初步檢驗了云南有飛機增雨作業(yè)潛力的雷達回波和天氣學預警指標，增雨效果顯著。表明這些指標的總結提煉有助于提高云南飛機增雨作業(yè)指揮的科學性和有效性。