2020, Vol. 46 
2. 河南省人工影响天气中心，郑州 450003；
3. 河南省气象探测数据中心，郑州 450003
2. Weather Modification Center of Henan Province, Zhengzhou 450003;
3. Henan Meteorological Observation and Data Center, Zhengzhou 450003
人工影响天气是指为避免或者减轻气象灾害，合理利用气候资源，在适当条件下通过科技手段对局部大气的物理过程进行人工影响，实现增雨雪、防雹、消雨、消雾、防霜等目的的活动(郭学良，2010)。人工增雨是目前应用最为广泛的一种人工影响天气方式。
如何快速有效地选择合适的作业时机、作业部位和催化剂进行人工增雨作业，一直是人工影响天气工作的重要课题。国内外已有很多学者对其开展了研究工作。20世纪70年代Hobbs(1991)对美国温带气旋云系和地形云进行了探测试验，提出利用FSSP探头观测到云中大于2 μm的粒子总浓度超过10个·cm-3时判断为云水区；李铁林等(2010)利用2007年3月3日PMS粒子测量系统，分析了河南一次层状云的微物理特征；李宝东等(2014)利用飞机探测资料结合常规天气资料，分析了河北春季层状云增雪作业技术指标；党娟等(2016)利用飞机微物理探测资料，分析了甘肃省东南部地区一次层积云微物理结构特征；李红斌等(2008)利用2003—2005年大连降水天气过程的雷达速度场资料，总结了不同雷达回波零速度线的分布特征对人工增雨潜力和作业条件的判别指标；洪延超和李宏宇(2008)利用常规观测资料和模式产品，通过分析云结构和降水机制等研究了人工增雨条件；孙玉稳等(2015)将天气、卫星、雷达、探空等资料与云微物理特征结合，多角度分析了2013年4月19日增雨作业技术与催化的宏微观响应；彭冲等(2016)针对2012年9月25日山西一次低槽冷锋层状云，实现对云微结构的精细观测，同时结合卫星、雷达、探空等资料进行该云系的综合分析；周亦凌和姚展予(2017)利用雷达数据和常规气象资料综合分析了泰安一次积层混合云人工增雨作业的天气条件，并依据雷达回波参量的变化判断此次作业效果。
目前研究大多只是利用一种或多种常规气象资料结合飞机探测资料，来探讨人工增雨作业条件、判别指标和效果分析，基于卫星的云微物理特征研究较少，将卫星资料与飞机探测数据对比分析的研究更为鲜见。为此，本文利用天气、FY-4A数据、雷达及飞机探测资料，综合分析河南一次降水过程人工增雨作业条件，重点对比分析了利用FY-4A资料与飞机探测资料识别作业条件情况，为更好地开展人工影响天气业务提供参考。
1 天气形势及增雨作业情况 1.1 天气形势分析图 1为2018年11月5日天气形势。14时，500 hPa高度场上河南省受槽前西南气流影响，700 hPa陕西中部有一低涡，切变线位于山西中部、陕西中南部至四川中部一线，850 hPa切变线位于贵州东部、湖南北部至河南南部一线；20时，700 hPa低涡南压，切变线位于四川东部至河南西南部一线，850 hPa切变线由东北—西南向顺时针转为近似东西向，位置变化不大。地面图上，5日14时，地面冷锋位于江苏北部、河南南部、湖北中部至四川东部一带，20时地面冷锋移至安徽中部、湖北中部到重庆中部一带。因此，河南省此次降水过程主要受低空切变线和地面冷锋共同影响。
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图 1 2018年11月5日14时(a, c, e, g)和20时(b, d, f, h)500 hPa(a, b), 700 hPa(c, d), 850 hPa(e, f)风场及海平面气压场(g, h; 黑线，单位:hPa) (红线代表槽线，D代表低涡中心，双红线代表切变线，蓝色带三角曲线代表冷锋) Fig. 1 The 500 hPa (a, b), 700 hPa (c, d), 850 hPa (e, f) wind field and sea level pressure field (g, h; black lines, unit: hPa) at 14:00 BT (a, c, e, g) and 20:00 BT (b, d, f, h) 5 November 2018 (red lines: trough lines, letter D: the center of low vortex, double red lines: shear lines, blue triangular curves: cold fronts) |
11月5日下午河南省进行了飞机人工增雨作业，增雨作业使用的飞机为Y-12，该飞机装备了增雨作业装置和机载云物理探测系统(Droplet Measurement Technologies，DMT)，作业飞行速度为250 km·h-1左右，携带碘化银烟条16根，每根烟条AgI含量约为125 g。作业飞机航线为新郑—陕县—方城县—叶县—嵩县—伊川县—郏县—新郑(图 2)。14:22飞机起飞，900 m高度入云，爬升至4 250 m保持平飞，作业时间为14:55—17:25，作业层温度为-6.3~-5.32℃，作业区观测到中度积冰，飞机于18:05降落。
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图 2 2018年11月5日作业航线 (蓝线代表作业航线，数字代表飞行轨迹拐点) Fig. 2 Operation route on 5 November 2018 (blue line: the operation path, numbers: the inflection points of flight path) |
11月5日14时, 河南淮河以北大部分地区处于冰面过饱和区，并且该区域为垂直上升气流区(图 3)。沿34°N做垂直剖面，可以看出：作业区(111°~113.3°E)600 hPa以上为冰面过饱和层(图 4a)；925~550 hPa水汽通量散度为负，550 hPa以上为正，800 hPa高度上水汽输送最强(图 4b)，这种低层辐合高空辐散的形势，有利于整层大气的抽吸作用，促进低层大气向高层输送水汽；垂直运动剖面(图 4c)显示，925~550 hPa为弱的上升运动。综上所述，11月5日作业区有较厚的冰面过饱和层，具有较好的水汽条件和促进降水发生发展的动力条件，具有一定人工增雨作业潜力。
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图 3 2018年11月5日14时550 hPa冰面过饱和水汽压(绿色阴影, 单位：hPa)和700 hPa垂直速度(蓝色等值线，单位:Pa·s-1) (红线为作业航线) Fig. 3 The 550 hPa supersaturated vapor pressure of ice surface (green shaded) and 700 hPa vertical velocity (blue contour, unit: Pa·s-1) at 14:00 BT 5 November 2018 (red line: operation route) |
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图 4 2018年11月5日14时冰面过饱和水汽压(a，单位：hPa)、水汽通量散度(b，单位:10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1)和垂直速度(c，单位: Pa·s-1)沿34°N垂直剖面 Fig. 4 Vertical profiles along 34°N of supersaturated vapor pressure of ice surface (a, unit: hPa), water vapor flux divergence (b, unit: 10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1) and vertical velocity (c, unit: Pa·s-1) at 14:00 BT 5 November 2018 |
图 5给出了作业期间洛阳雷达回波演变。洛阳雷达站距离飞机作业区中心约为46 km左右，雷达型号为CINRAD/SA。由图可以看出，14:30—17:00雷达回波自西向东移动，表现为层积混合云回波特征，强度在20~40 dBz，最大值达到45 dBz，作业期间飞机基本处于回波区。对回波强度大于15 dBz的区域进行统计，发现14:36—17:00回波平均值在20~23 dBz，变化率为1.2 dBz·h-1，表明雷达回波随时间呈增强趋势，降水云系处于发展阶段。图 6给出了沿飞行轨迹的雷达回波垂直剖面，从图中可看出，回波顶高6~8 km，云中有对流泡，云体发展旺盛，回波顶高甚至超过8 km。飞机作业高度位于云体中上部。
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图 5 2018年11月5日不同时刻(a~f)洛阳雷达回波组合反射率(填色) (红线代表飞行轨迹) Fig. 5 Composite reflectivity (colored) of the Luoyang Radar at different times (a-f) on 5 November 2018 (red line: flight path) |
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图 6 2018年11月5日沿飞行轨迹的雷达剖面(填色) (黑线代表飞行高度，红线代表零度层高度) Fig. 6 Radar profile (colored) along the flight path on 5 November 2018 (black line: flight altitude, red line: the zero-degree layer altitude) |
综合以上分析，飞机作业区雷达回波逐步增强，云系处于发展阶段，具有较好的增雨作业条件。
3 卫星反演与飞机探测对比 3.1 飞机作业探测情况作业飞机装载了DMT系统，采样探头为云气溶胶粒子探头(cloud aerosol spectrometer, CAS)，该探头分为前向散射和后向散射两档，本文主要选取CAS前向散射档测得的云粒子数浓度。陶树旺等(2001)提出，FSSP-100探头观测到的冷云区粒子浓度≥20个·cm-3才具有可播性，CAS探测范围与FSSP-100探头探测范围相近，具有可比性，因此，参考上述指标，探究作业区增雨条件。飞机探头的采样频率为1 s，由于探测的云中物理量起伏剧烈，因此探测资料分析时采用10 s平滑处理。
图 7给出了11月5日飞行探测云粒子的数浓度、飞行高度及其所在高度的温度、湿度随时间分布，图中黄色虚线标记的数字对应图 2中飞行轨迹拐点。从图 7可以看出，11月5日飞行作业层高度为4 200 m，温度为-6℃，相对湿度在90%以上。作业时段(14:48—17:19)粒子浓度分布不均，数浓度最大为330.72个·cm-3，平均值为15.90个·cm-3，其中15:28—16:27时段大部分时间探测的粒子数浓度在20个·cm-3以上，表明该时段适宜实施人工增雨作业。
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图 7 2018年11月5日(a)云粒子的数浓度(黑线；红线代表数浓度等于20个·cm-3)及其所在高度的湿度(绿线)，(b)飞行高度(黑线)及所在高度温度(红线)随时间分布 (数字2~7对应图 2飞行轨迹拐点) Fig. 7 (a) The number concentration of cloud particles (black line) and the humidity at the same height (green line), (b) the flying height of aircraft (black line) and the temperature at the same height (red line) on 5 November 2018 (The numbers 2-7 correspond to the inflection point of the flight path in Fig. 2 respectively; the red line in Fig. 7a represents the number of concentrations equal to 20 cm-3) |
FY-4A作为新一代静止轨道定量遥感气象卫星，覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段，可见光空间分辨率为0.5 km。分别赋予可见光反射率为红色(R)、中红外(3.7 μm)反射率为绿色(G)、红外反射率(10.8 μm)为蓝色(B)，对其进行组合编码，形成RGB图像，可以显示云的物理特征(刘贵华等，2011)。红色表示云层由大粒子组成，厚而明亮，且云顶温度低；黄色表示由有效半径小的云滴组成，厚的过冷水云在RGB合成图上显示为亮黄色；绿色表示含过冷水或小冰粒子的薄云；蓝色表示地表(刘贵华等，2009)。
利用上述方法的RGB三色合成，得到FY-4A卫星RGB合成图(图 8)。可以看出，11月5日14:30豫西、豫东南及豫中部分地区为黄色云区，其他地区为红色云区，随时间推移，云区东移，东南部被红色或浅红色云区覆盖，西部和中部部分地区一直有黄色或黄绿色云区覆盖，说明此次过程豫西和豫中部分地区一直存在过冷水，增雨潜力较好。
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图 8 2018年11月5日不同时刻(a~f)FY-4A卫星RGB合成图及飞行航线分布 (蓝线表示数浓度≥20个·cm-3，黄线表示数浓度 < 20个·cm-3) Fig. 8 FY-4A satellite RGB composite images and flight route distribution at different times (a-f) on 5 November 2018 (Blue line represents number concentration greater than or equal to 20 cm-3, and yellow line represents number concentration less than 20 cm-3) |
图 8对比了FY-4A卫星RGB合成图与飞机探测的云粒子数浓度对应关系，图中蓝线表示飞机探测的小粒子数浓度≥20个·cm-3的航线，黄线表示数浓度 < 20个·cm-3。可以看出，卫星反演识别存在过冷水的区域与飞机探测小粒子数浓度≥20个·cm-3的航线有对应关系，16:19之前作业区(图中三角框)以红色、黄色或黄绿色云区为主，说明该区域具有一定过冷水，飞机航线上蓝色部分也较多；16:19之后作业区开始以绿色或蓝色为主，说明云层变薄或消散，对应飞机航线上黄色部分增多。
进一步详细对比分析RGB合成图与飞机探测的云粒子数浓度对应关系。14:38飞行区域充满了红色和黄色的云区，红色云区表明云中的粒子较大，云顶温度较低，黄色云区表明为较厚的过冷水云，此时飞机起飞不久，未入云，测得的粒子数浓度以0~0.5个·cm-3为主(图 8a)；15:30红色云区减少，黄色的过冷水云增多(图 8b)，飞机探测的14:48—15:30粒子数浓度平均值为10.76个·cm-3；15:53黄色部分逐渐变成黄绿色(图 8c)，说明云层变薄但有过冷云滴存在，15:31—15:53粒子数浓度平均值为40.85个·cm-3；16:19之后飞行区域内绿色越来越明显，部分地区甚至开始出现蓝色(图 8d, 8e)，15:54—16:19粒子数浓度平均值为25.76个·cm-3；16:20—16:34为3.6个·cm-3；17:30飞行区域基本完全是蓝色的地表(图 8f)。作业时段(14:48—17:19)内，14:48—16:19粒子数浓度最大为330.72个·cm-3，平均值为23.20个·cm-3；16:20—17:19粒子数浓度最大为122.99个·cm-3，平均值为5.65个·cm-3。对比发现，16:19之前探测到的云粒子浓度超过20个·cm-3占比例更大，数浓度值更高，说明16:19之前较16:19之后作业条件更好，这与前面分析RGB合成图发现16:19之前存在过冷水相对应。
综合以上分析，卫星反演和飞机探测结果有较好的对应关系，卫星反演显示5日下午豫西和豫中部分地区增雨潜力较好，16:19之后作业区条件逐渐转差；飞机探测结果显示16:19之前较16:19之后作业条件更好。这表明卫星反演识别人工增雨作业条件与DMT探测识别结果比较一致，说明三色合成方法可应用于人工增雨作业区选择。
4 结论通过对2018年11月5日降水过程的人工增雨作业条件分析，得出如下结论：
(1) 此次降水过程主要受低空切变线和地面冷锋共同影响形成，飞机作业区具有较好的水汽条件以及较厚的冰面过饱和层，动力条件有利于促进降水发生发展；作业期间作业区主要为层积混合云，雷达回波逐步增强，回波强度在20~40 dBz，云系处于发展阶段，具有增雨作业条件。
(2) 飞机探测结果显示整个作业过程粒子分布不均匀，15:28—16:27适宜人工增雨作业；利用FY-4A可见光通道、3.7 μm通道和红外通道资料进行RGB三色合成分析显示，西部和中部部分地区一直有黄色或黄绿色云区覆盖，说明此次过程豫西和豫中部分地区一直存在过冷水，增雨潜力较好。
(3) 将RGB三色合成分析显示云中存在过冷水的区域与探测的云中粒子数浓度大于20个·cm-3区域进行对比，表明卫星反演与飞机探测结果有较好的一致性，说明三色合成方法可应用于人工增雨作业区选择。
(4) 此次人工增雨过程，作业区域条件适宜，作业科学性较好。
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