李枚曼，喻乙耽，許 弋，羅 雄，田紅玲

(貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

貴州省位于西南地區(qū)云貴高原東斜坡地帶，處于西南印度洋、東部太平洋兩大水汽通道上，降水充沛，年降雨量可達(dá)1100 mm，屬于亞熱帶潤(rùn)濕型季風(fēng)氣候。但受季風(fēng)活動(dòng)制約，降水時(shí)空分布不均，存在嚴(yán)重的季節(jié)性缺水，素有“十年九旱”之稱，且廣泛分布的喀斯特地貌使蓄水保水能力差，臨時(shí)性干旱頻繁[1-4]。飛機(jī)人工增雨是抵御干旱、開(kāi)發(fā)空中云水資源、增加水庫(kù)蓄水、修復(fù)生態(tài)環(huán)境、凈化城市空氣的重要科技手段。自2005年以來(lái)貴州省常年組織開(kāi)展飛機(jī)人工增雨作業(yè)，每年飛機(jī)增雨覆蓋面積15.2萬(wàn)km2，年均作業(yè)35個(gè)架次、飛行96 h，平均效益比為1∶40以上，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[5-6]。

貴州省地形地貌復(fù)雜，積層混合云降水較為頻繁。歷史觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析表明，貴州的降水云分為層狀云、對(duì)流云和層積混合云3類，空中的云系條件對(duì)人工增雨的效果影響很大，對(duì)云的降水過(guò)程宏微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)分析可進(jìn)一步了解云降水形成機(jī)制，繼而為飛機(jī)人工增雨作業(yè)方案的優(yōu)化提供有力科學(xué)支撐。近年來(lái)，隨著氣象衛(wèi)星、機(jī)載云物理探測(cè)等觀測(cè)手段的不斷發(fā)展，利用多元化觀測(cè)手段，分析云降水的宏觀結(jié)構(gòu)特征、微物理特征等開(kāi)展了大量研究。蔡兆鑫等[7]利用搭載了美國(guó)DMT云物理探測(cè)系統(tǒng)的增雨飛機(jī)，對(duì)大陸性積云不同發(fā)展階段的宏微觀物理特性觀測(cè)資料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)初生發(fā)展階段的積云以小粒子為主，粒子濃度隨高度增加而減少。成熟階段云內(nèi)可觀測(cè)到積冰和雨線，粒子濃度隨高度增加起伏變化。在消散階段積云云下有降水粒子。王磊等[8]對(duì)FY-2E衛(wèi)星反演產(chǎn)品與地面小時(shí)降水關(guān)系進(jìn)行了分析，得出4類云結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的增減與降水強(qiáng)度變化的相關(guān)性結(jié)果。孫玉穩(wěn)等[9]通過(guò)對(duì)河北省中南部1次天氣過(guò)程開(kāi)展飛機(jī)云物理探測(cè)和增雨作業(yè)，得出此次降水過(guò)程的云系宏微觀特點(diǎn)。本文選取2020年5月28日貴州省西北部的1次飛機(jī)云物理探測(cè)和衛(wèi)星資料及反演產(chǎn)品，重點(diǎn)針對(duì)作業(yè)影響區(qū)在作業(yè)過(guò)程中及作業(yè)后3 h內(nèi)的云系宏微觀物理參數(shù)進(jìn)行了分析，為貴州飛機(jī)人工增雨作業(yè)方案優(yōu)化提供例證。

1 觀測(cè)資料

1.1 資料來(lái)源

利用2020年5月28日在貴州省西北部開(kāi)展的一次飛機(jī)人工增雨作業(yè)過(guò)程中機(jī)載粒子探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)數(shù)據(jù)、FY-2系列衛(wèi)星觀測(cè)及云反演產(chǎn)品、探空資料、上機(jī)宏觀記錄資料對(duì)作業(yè)中云的宏微觀物理參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

FY-2系列靜止衛(wèi)星是由我國(guó)自主研制并投入使用的1組業(yè)務(wù)型靜止軌道氣象衛(wèi)星，具有較高的觀測(cè)頻次，可獲得連續(xù)變化資料，便于大范圍氣象監(jiān)測(cè)并指導(dǎo)人工影響天氣業(yè)務(wù)工作。本文使用的云反演產(chǎn)品為中國(guó)氣象局人影中心研發(fā)的CPAS系統(tǒng)的云物理特征參數(shù)產(chǎn)品[10]，目前已推廣至全國(guó)各級(jí)人影部門(mén)。

本次飛行作業(yè)探測(cè)所使用的探測(cè)儀器為四川西物激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的機(jī)載激光云降水粒子探測(cè)系統(tǒng)。該探測(cè)系統(tǒng)主要由云粒子譜儀、云粒子成像譜儀和降水粒子成像譜儀3個(gè)探頭組成，其中云粒子譜儀完成對(duì)2～50 μm云粒子的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，云粒子成像譜儀對(duì)25～1500 μm的云粒子進(jìn)行測(cè)量，降水粒子成像譜儀完成對(duì)100～6200 μm的降水粒子進(jìn)行測(cè)量。3套裝置可獨(dú)立工作，也可同時(shí)工作。云粒子譜儀顯示實(shí)時(shí)譜分布圖，包含粒子有效直徑、平均直徑、數(shù)濃度、體濃度、含水量，其中數(shù)濃度、體濃度、含水量數(shù)據(jù)可繪制時(shí)間變化曲線。云粒子成像儀分為粒子統(tǒng)計(jì)結(jié)果和粒子圖像2部分。粒子統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)依次為25、50、……、1550 μm通道，各通道在采集時(shí)間內(nèi)的粒子數(shù)圖像界面顯示(譜分布圖)。降水粒子成像譜儀分為粒子統(tǒng)計(jì)結(jié)果和粒子圖像2部分。粒子統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)依次為100、200、……、6200 μm通道，各通道在采集時(shí)間內(nèi)的粒子數(shù)圖像界面顯示(譜分布圖)。

1.2 飛行作業(yè)、探測(cè)概述

1.2.1 作業(yè)前期天氣背景 2020年西太平洋副熱帶高壓階段性增強(qiáng)，呈現(xiàn)強(qiáng)度較強(qiáng)、面積較大、西伸脊點(diǎn)偏西的特點(diǎn)[11]。4月下旬東亞大氣環(huán)流進(jìn)行調(diào)整，中高緯地區(qū)呈現(xiàn)緯向環(huán)流特征，東亞大槽偏弱，冷空氣難以南下，貴州省大部地區(qū)受異常強(qiáng)烈的熱低壓的影響，導(dǎo)致全省出現(xiàn)輕到中旱并逐漸加重。5月初東北部出現(xiàn)輕到重度干旱并逐漸加重，西部、北部、南部地區(qū)旱情發(fā)展迅速，全省各級(jí)人影部門(mén)抓住有利天氣過(guò)程積極開(kāi)展空地結(jié)合的人工增雨作業(yè)，5月下旬中部、東部的旱情緩解，西部旱情仍然嚴(yán)峻(圖1)。

圖1 2020年5月10日(a)及5月27日(b)旱澇監(jiān)測(cè)圖

1.2.2 云模式產(chǎn)品 由5月27日08時(shí)CPEFS云模式產(chǎn)品可見(jiàn)，5月28日09—18時(shí)貴州省西部有降水性云系覆蓋，云系自西北向東南移動(dòng)，具有冷暖混合云結(jié)構(gòu)，過(guò)冷水含量達(dá)到0.4 mm。云體垂直結(jié)構(gòu)分析顯示：5月28日09—18時(shí)，貴州省西部地區(qū)有降水云系覆蓋。云系過(guò)冷水主要位于0～-10 ℃層(5 km左右)，云系具有冷暖混合云結(jié)構(gòu)，過(guò)冷水最大含量可達(dá)0.8 g·kg-1，云頂高度達(dá)8.0 km以上，有一定的增雨潛力。

圖2 2020年5月28日12時(shí)云帶(a)和垂直累積過(guò)冷水(b)分布

圖3 2020年5月28日12時(shí)云系垂直結(jié)構(gòu)，(a)：云水(填色陰影)，冰晶(紅色等值線)，等溫線(紫色等值線);(b)：雪+霰(填色陰影)，雨(紅色等值線)，等高線(紫色等值線)

1.2.3 降水預(yù)報(bào)及云垂直結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)貴州省氣象臺(tái)27日12時(shí)發(fā)布的預(yù)報(bào)(圖略)，靜止鋒和云南省境內(nèi)切變系統(tǒng)東移影響貴州省西部地區(qū)，27日20時(shí)—28日20時(shí)，預(yù)計(jì)貴州西部地區(qū)夜間陰天有零星小雨，白天陰轉(zhuǎn)陣雨或雷雨，局地中到大雨。根據(jù)5月28日08時(shí)威寧探空站(經(jīng)緯度)探空數(shù)據(jù)，采用冰面相對(duì)濕度和水面相對(duì)濕度計(jì)算的云閾值法[12]，分析貴陽(yáng)附近云層垂直結(jié)構(gòu)，可得知貴陽(yáng)附近0℃高度約為4608 m，-5 ℃高度約為5551 m，-10 ℃高度約為6352 m，云層較厚，云頂高度發(fā)展到近8000 m，500 hPa左右為西風(fēng)，濕層(相對(duì)濕度>80%)主要分布在1300～7988 m。威寧附近0℃高度約為4091 m，-5℃高度約為5571 m，-10℃高度約為6445 m，云系整體為3層云結(jié)構(gòu)，500 hPa左右為西南偏西風(fēng)，700 hPa左右為西南風(fēng)，SI為5.11，濕層(相對(duì)濕度>80%)主要分布在2500～4500 m。研究表明[13-16]在高于0℃的溫度范圍內(nèi)，云內(nèi)粒子以液態(tài)為主，溫度低于0℃時(shí)，云內(nèi)存在冰晶的概率隨溫度下降而升高，過(guò)冷水和冰晶常同時(shí)存在。因此可以推斷該云層屬于冷暖混合云，含有一定量過(guò)冷水，但由于云中缺少冰晶，可以通過(guò)播撒碘化銀催化劑，彌補(bǔ)冰晶數(shù)濃度不足。碘化銀是黃色的六方晶體，通過(guò)異核化過(guò)程起成冰核作用，不同的作用方式形成冰晶成核，加速貝吉龍過(guò)程，碘化銀成冰閾值大概-3～-16℃。

圖4 2020年5月28日08時(shí)貴陽(yáng)和威寧探空站T-lnp圖

1.2.4 增雨飛機(jī)作業(yè)情況 飛機(jī)09時(shí)31分從黃果樹(shù)機(jī)場(chǎng)起飛，10時(shí)20分開(kāi)始爬升，向北飛行，10時(shí)27分飛行高度達(dá)5600 m，開(kāi)始水平飛行，到達(dá)大方縣羊場(chǎng)鎮(zhèn)后開(kāi)始向赫章方向飛行，10時(shí)55分轉(zhuǎn)為向南飛行，11時(shí)20分飛至普安縣北部，隨后開(kāi)始返回黃果樹(shù)機(jī)場(chǎng)，11時(shí)55分安全降落。作業(yè)時(shí)段為10時(shí)33分—11時(shí)20分，作業(yè)方法為在作業(yè)區(qū)域燃燒24枚碘化銀焰條。該焰條為陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為YF-4(一枚焰條的AgI含量為40g)。AgI成核率≥1013/g(-10℃)。飛機(jī)播撒催化是線源，線源的擴(kuò)散煙團(tuán)呈拋物線型。圖5為此次飛機(jī)增雨飛行航線。

圖5 2020年5月28日增雨飛機(jī)飛行航線

2 結(jié)果分析

2.1 作業(yè)影響區(qū)域云反演產(chǎn)品特征分析

云頂高度指云頂相對(duì)地面的距離，可了解云系的發(fā)展程度和演變趨勢(shì)。作業(yè)前，云頂高度約在3～4 km，上機(jī)作業(yè)宏觀記錄中同樣記載云頂高度為4 km左右，云系自西向東偏北方向移動(dòng)，作業(yè)后作業(yè)區(qū)云頂高度開(kāi)始上升，作業(yè)后3 h云頂高度升高到5～7 km，作業(yè)區(qū)5 km的范圍有所擴(kuò)大，表明作業(yè)區(qū)作業(yè)后云體發(fā)展，云頂抬高。云頂溫度為云頂所在高度的溫度，可用于了解冷暖云和冰相降水作用。由圖6可見(jiàn)，作業(yè)區(qū)域作業(yè)前的云頂溫度在0～-10 ℃之間，符合碘化銀催化劑播撒的要求，作業(yè)中作業(yè)區(qū)的云頂溫度開(kāi)始下降，14時(shí)作業(yè)區(qū)的云頂溫度在-10～-25 ℃，局地達(dá)-30 ℃以下。

圖6 2020年5月28日FY-2G衛(wèi)星反演云頂高度(a、b)和云頂溫度(c、d)

考慮云系隨系統(tǒng)移動(dòng)情況，按云團(tuán)以27 m·s-1的速度向253°方向移動(dòng)推算，結(jié)合周毓荃等[17]飛機(jī)增雨催化劑擴(kuò)散計(jì)算方案，使用CPAS云降水精細(xì)分析系統(tǒng)根據(jù)催化劑量、播撒時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散系數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)向等生成作業(yè)影響區(qū)，對(duì)作業(yè)影響區(qū)的衛(wèi)星云特征參量產(chǎn)品加以分析，討論作業(yè)前后各項(xiàng)云宏微觀參量的變化特征。

選擇作業(yè)影響區(qū)域內(nèi)的11—14時(shí)的云光學(xué)厚度(OPTN)、黑體亮溫(TBB)、液水路徑(LWP)、云粒子有效半徑(REF)時(shí)間演變圖(圖7)。光學(xué)厚度是在整個(gè)路徑上云消光的總和，可以了解云系的密實(shí)程度，11時(shí)作業(yè)影響區(qū)的光學(xué)厚度在11左右，13時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，15時(shí)增長(zhǎng)到22，云體變得更加密實(shí)。有效粒子半徑在作業(yè)后的2.5 h左右基本維持在4 μm，隨后開(kāi)始迅速變大，15時(shí)有效粒子半徑均值達(dá)12 μm；液水路徑隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與有效粒子半徑相似，11時(shí)作業(yè)影響區(qū)液水路徑在100g·m-2，作業(yè)后2 h左右，作業(yè)影響區(qū)液水路徑增加到了256 g·m-2，隨后的2 h內(nèi)均維持在240 g·m-2以上，約是剛作業(yè)結(jié)束時(shí)的2倍，推斷在11—13時(shí)，云體中的液態(tài)水滴較為豐富，云頂溫度約在-10 ℃左右，到了14時(shí)左右，各項(xiàng)衛(wèi)星云參數(shù)快速升高，達(dá)到11時(shí)的2倍以上，云中冰晶迅速增多，冰晶數(shù)較為豐富(圖7)。為更好的印證上述分析，對(duì)作業(yè)區(qū)的單點(diǎn)云參數(shù)加以分析，將作業(yè)區(qū)域內(nèi)的單點(diǎn)(105.41°E，26.84°N)繪制云頂溫度、云頂高度、云粒子有效半徑、液水路徑的單點(diǎn)時(shí)間演變情況,可以看出11—14時(shí)，作業(yè)區(qū)域單點(diǎn)的云頂高度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，14時(shí)云頂高度最高可達(dá)近6 km；作業(yè)區(qū)域的云頂溫度在作業(yè)后3 h內(nèi)則出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；作業(yè)區(qū)域的光學(xué)厚度在作業(yè)后2 h后開(kāi)始出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，云粒子有效半徑在作業(yè)后3 h內(nèi)開(kāi)始有所增長(zhǎng)。

圖7 2020年5月28日作業(yè)影響區(qū)衛(wèi)星反演產(chǎn)品隨時(shí)間變化圖

2.2 機(jī)載激光云降水粒子測(cè)量數(shù)據(jù)

為深入分析飛行過(guò)程中云中粒子具體情況，上機(jī)作業(yè)人員在飛機(jī)起飛時(shí)打開(kāi)機(jī)載激光云降水粒子探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，飛機(jī)落地后停止數(shù)據(jù)采集，所采集到的數(shù)據(jù)為飛機(jī)在飛行過(guò)程中機(jī)翼下方的云和降水粒子實(shí)際值。根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)此次飛行航線上的云粒子和降水粒子隨時(shí)間和高度的變化以及粒子形態(tài)進(jìn)行分析，云粒子數(shù)濃度在10時(shí)—10時(shí)17分和10時(shí)48分—11時(shí)45分2個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)峰值，降水粒子數(shù)濃度出現(xiàn)峰值的時(shí)段與云粒子相同(10時(shí)48分—11時(shí)45分)，降水粒子的數(shù)濃度與云粒子數(shù)濃度相比少了1個(gè)量級(jí)以上。

2.2.1 云和降水粒子譜儀探測(cè)粒子分析 由云和降水粒子譜儀探測(cè)到的云粒子譜如圖8。云粒子數(shù)濃度在10時(shí)—10時(shí)17分和10時(shí)48分—11時(shí)45分2個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)峰值，云粒子數(shù)濃度最大可達(dá)0.2 cm-3以上，云粒子體濃度和含水量的峰值區(qū)出現(xiàn)在10時(shí)48分—11時(shí)45分，三者數(shù)值同時(shí)出現(xiàn)高值的時(shí)間段均在10時(shí)48分—11時(shí)02分之間。而降水粒子數(shù)濃度在10時(shí)48分—11時(shí)45分時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)峰值，降水粒子數(shù)濃度最大可達(dá)0.045 cm-3以上，降水粒子的數(shù)濃度與云粒子數(shù)濃度相比少了1個(gè)量級(jí)以上，而體濃度和含水量同時(shí)刻均表現(xiàn)為比云粒子的體濃度和含水量大。

圖8 2020年5月28日云粒子(左)和降水粒子(右)譜分布圖

由云和降水粒子譜數(shù)濃度、體濃度和含水量隨高度的變化圖(圖9)分析得，此次飛行中5～6.3 km之間的云粒子較多，數(shù)濃度最高可達(dá)0.15 cm-3，體濃度超過(guò)了4500 um3·mm-3，含水量超過(guò)4 g·m-3，此次飛行中的作業(yè)高度在5.5～6 km之間，可見(jiàn)此次作業(yè)高度上的云粒子較為豐富。從降水粒子譜數(shù)濃度、體濃度和含水量隨高度的變化圖可以看出，與云粒子各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)有所不同的是，此次飛行中降水粒子不多，數(shù)濃度大多集中在達(dá)0.01 cm-3左右，體濃度和含水量主要集中在4～4.5 km，5～6 km這2個(gè)高度層之間。

圖9 2020年5月28日云和降水粒子譜隨高度的變化分布圖

2.2.2 云和降水粒子在不同溫度層測(cè)得粒子圖像簡(jiǎn)析 在使用機(jī)載激光云降水粒子測(cè)量軟件分析此次飛行過(guò)程中云和降水粒子圖像中發(fā)現(xiàn)，2類粒子并沒(méi)有連續(xù)采集到圖像，而是斷斷續(xù)續(xù)的采集到粒子圖像。對(duì)比該時(shí)刻的粒子數(shù)濃度，含水量等參量時(shí)發(fā)現(xiàn)：云粒子的數(shù)濃度大多大于0.06 cm-3，體濃度超過(guò)了600 um3·mm-3，含水量大于0.05 g·m-3；降水粒子的數(shù)濃度則是大于0.005 cm-3，體濃度超過(guò)了700 um3·mm-3，含水量大于1 g·m-3。云和降水粒子譜成像儀中觀測(cè)到的粒子根據(jù)其高度、溫度和氣壓等基本要素大致可分為2類，詳見(jiàn)表1,不同時(shí)刻云粒子圖像見(jiàn)圖10～11。

圖10 2020年5月28日不同時(shí)刻云粒子圖像(從左至右：探測(cè)時(shí)溫度逐漸降低)

表1 飛行過(guò)程中云和降水粒子譜成像儀觀測(cè)粒子分類

由粒子探頭采集到的粒子圖像(云粒子和降水粒子)，本次過(guò)程采集到的冰雪晶有明顯的板狀、寬枝狀、玫瑰狀等形態(tài)，0～ 9 ℃主要為板狀為主，0～ -4.7 ℃主要以柱狀冰雪晶為主，-6.5～-7.2 ℃主要以寬枝狀，針狀聚合體冰雪晶為主。與以往研究結(jié)果較為一致。黃敏松等[18]在分析機(jī)載云降水粒子成像儀所測(cè)數(shù)據(jù)中偽粒子的識(shí)別中指出，下降階段偽粒子出現(xiàn)的概率是最高的，本次過(guò)程中9～ 0 ℃出現(xiàn)板狀粒子圖像時(shí)多數(shù)為飛行下降階段，因此此次探測(cè)中出現(xiàn)0～ 9 ℃的粒子形狀真實(shí)性有待進(jìn)一步分析。

圖11 2020年5月28日不同時(shí)刻降水粒子圖像(從左至右：探測(cè)時(shí)溫度逐漸降低)

3 結(jié)論

①此次過(guò)程是受靜止鋒影響和云南省境內(nèi)切變系統(tǒng)東移影響貴州省，實(shí)況分析發(fā)現(xiàn)此次切變東移過(guò)程略向南些，因此此次作業(yè)潛力區(qū)的判定與天氣系統(tǒng)實(shí)際移動(dòng)走向略有偏差。

②由FY-2G衛(wèi)星云圖及衛(wèi)星反演產(chǎn)品分析可得，作業(yè)影響區(qū)域在作業(yè)后3 h內(nèi)云體亮溫、云頂亮溫、云頂高度都有所增長(zhǎng)，表明作業(yè)后云體發(fā)展，云頂抬高，作業(yè)影響區(qū)域11—13時(shí)，云體中的液態(tài)水滴較為豐富，云頂溫度約在-10 ℃左右，到了14時(shí)左右，各項(xiàng)衛(wèi)星云參數(shù)快速升高，達(dá)到11時(shí)的2倍以上，云中冰晶迅速增多，冰晶數(shù)較為豐富。

③機(jī)載探測(cè)設(shè)備在對(duì)云層中的云降水粒子測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，云粒子主要出現(xiàn)在5～6.3 km之間的云粒子較多，數(shù)濃度最高可達(dá)0.15 cm-3，體濃度超過(guò)了4500 um3·mm-3，含水量超過(guò)4 g·m-3；降水粒子則主要存在于4～4.5 km范圍內(nèi)，且相同時(shí)刻所測(cè)量到的降水粒子的數(shù)濃度比云粒子數(shù)濃度略少1個(gè)量級(jí)。由粒子探頭采集到的粒子圖像看出，本次過(guò)程采集到的冰雪晶有明顯的板狀、寬枝狀、玫瑰狀等形態(tài)，0～-4.7 ℃主要以柱狀冰雪晶為主，-6.5～-7.2 ℃主要以寬枝狀、針狀聚合體冰雪晶為主。