史月琴 劉衛(wèi)國 王 飛 高 揚(yáng)

中國氣象局云霧物理環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

提 要： 為做好固定目標(biāo)時段和區(qū)域的人工消減雨作業(yè)，利用云降水顯式預(yù)報系統(tǒng)(CPEFS_v1.0)對云系性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、移速移向及演變、降水機(jī)制等云條件進(jìn)行預(yù)報。預(yù)報結(jié)果顯示，2017年8月8日影響呼和浩特的云系性質(zhì)為分散性對流云，具有冷暖混合云結(jié)構(gòu)，云中上升氣流強(qiáng)，對流單體水平尺度約為幾十千米，生命史約為1.5～3 h，云頂高度約為10 km、云底高度約為3 km，0℃高度約為4.3 km；微觀方面,冰相水凝物雪、霰含量高，暖區(qū)云水含量少，云中過冷水含量最大達(dá)0.7 g·kg-1，過冷水豐沛區(qū)域冰晶數(shù)濃度低，以冷云降水為主。初生在呼和浩特特定防護(hù)區(qū)西北方向的對流云團(tuán)快速發(fā)展東移南壓影響核心保障區(qū)，移速約為30～40 km·h-1。衛(wèi)星、雷達(dá)等實(shí)況監(jiān)測顯示,8日的云系為分散性對流云，預(yù)報對流云的生成時間比實(shí)況偏晚1～2 h，移向與實(shí)況一致，移速偏慢10～20 km·h-1。在5 400 m高度處(-8℃)，機(jī)載云物理探測的液水含量最大為0.6 g·m-3，預(yù)報與實(shí)況接近。根據(jù)預(yù)報的云系條件制定作業(yè)預(yù)案指出，在核心保障區(qū)的偏西北方向30～50 km處進(jìn)行重點(diǎn)布防，適宜在5.1～7.0 km高度處實(shí)施AgI過量催化，8日上午飛機(jī)在第一道防線的弱回波區(qū)開展探測作業(yè)，地面作業(yè)集中在第三道防線對流云初生階段實(shí)施過量播撒，以達(dá)到消減雨作業(yè)的目標(biāo)。根據(jù)預(yù)案，提前24 h在核心保障區(qū)偏西北方向的第三道防線增設(shè)了5個地面移動作業(yè)點(diǎn)，這些作業(yè)點(diǎn)8日及時實(shí)施了消減雨作業(yè)?？傮w看來，此次云條件預(yù)報正確、預(yù)案制定合理，及時為外場實(shí)施消減雨作業(yè)提供了支撐。

引 言

人工消減雨是通過在云中適當(dāng)時間、適當(dāng)部位過量播撒催化劑，抑制特定目標(biāo)區(qū)云和降水的發(fā)展，從而使目標(biāo)區(qū)降水減少，降低降水對重大社會活動或體育賽事等的影響。1960—1964年美國開展的白頂催化試驗(yàn)(Lovasich et al,1971)表明人工過量播撒AgI可導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)降水減少。張紀(jì)淮等(2005)認(rèn)為在影響保護(hù)區(qū)的降水云系上風(fēng)方，對云系進(jìn)行大規(guī)模、連續(xù)催化作業(yè)可以設(shè)法改變降水分布、使保護(hù)區(qū)內(nèi)無雨或出現(xiàn)小雨空隙。葉家東(1993)指出人工抑制暴雨主要有截流效應(yīng)、競爭場效應(yīng)和降水空間再分布3種假設(shè)。2008年8月8日，北京西南部的房山和東北部的密云出現(xiàn)了小雨到暴雨不同量級的局地降水，氣象部門在北京西南部針對可能影響奧運(yùn)場館的云系實(shí)施了過量火箭催化作業(yè)，作業(yè)云的雷達(dá)回波強(qiáng)度減弱，高度降低，奧運(yùn)會開幕式活動成功舉辦(何暉和馬建立，2008；張薔等，2009)。2014年8月16日南京青奧會開幕式期間，氣象部門采用過量播撒AgI的方式實(shí)施了人工消減雨作業(yè)，作業(yè)后奧體場館附近的降水出現(xiàn)一定程度的減弱現(xiàn)象(張慧嬌，2018)，在減雨目標(biāo)區(qū)的目標(biāo)時段，回波強(qiáng)度和回波頂高均呈減弱趨勢(倪思聰和魏鳴，2018)，明顯改變了雨滴譜分布，有效減小了雨滴群中的大粒子，從而抑制了降雨的發(fā)展，起到減雨效果(潘雯菁等，2019)。近年來人工消減雨的需求日益增多，目前雖積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，但從科學(xué)技術(shù)角度看人工消減雨比人工增雨要難很多，仍屬于科學(xué)試驗(yàn)的范疇，遠(yuǎn)沒有形成成套技術(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者通過開展的人工消減雨外場試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究提出了催化作業(yè)條件指標(biāo)判據(jù)，如孫晶等(2010)利用數(shù)值模式研究了人工減緩梅雨鋒暴雨的數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果表明在-11～-8℃的高度上過冷水豐富區(qū)域進(jìn)行冰晶的過量播撒能夠使區(qū)域降水減少，播撒劑量加大時減雨效果越明顯。樓小鳳等(2014) 利用耦合了AgI類催化劑核化過程的三維對流云模式，研究了人工減緩對流云降水的可能性及原理，指出在云中上升氣流區(qū)大劑量播撒可以減少總降水量及降水中心的雨強(qiáng)，并且催化劑量越大減雨效果越顯著。何暉等(2012)利用改進(jìn)的具有AgI類催化功能的MM5模式，對2008年奧運(yùn)會開幕式消減雨試驗(yàn)進(jìn)行了催化數(shù)值研究，選擇云體接近成熟時6 000～6 500 m的過冷區(qū)，有大量過冷云水而冰晶濃度低的區(qū)域以5 g·s-1的速率持續(xù)播撒AgI 7 min，顯示播撒作業(yè)后2 h，催化區(qū)域內(nèi)均表現(xiàn)為減雨。選擇消減雨作業(yè)時機(jī)和部位時，主要關(guān)注云和降水的宏微觀特征，如云團(tuán)性質(zhì)、移向移速，將溫度、上升氣流、過冷水含量和冰晶數(shù)濃度等作為催化播云的指標(biāo)判據(jù)。因此當(dāng)開展消減雨作業(yè)云條件預(yù)報時，也將重點(diǎn)關(guān)注這些云宏微觀特征，依據(jù)預(yù)報的云系條件制定消減雨作業(yè)預(yù)案，為提前部署作業(yè)力量、申請空域提供科學(xué)依據(jù)，有利于消減雨催化作業(yè)的高效實(shí)施。

在開展人工增雨抗旱作業(yè)時，通過分析云系宏微觀特征，選擇適宜開展增雨作業(yè)的區(qū)域?qū)嵤┐呋鳂I(yè)，但對于有明確保障任務(wù)的消減雨作業(yè)，一般都有明確固定的保障時段和保障地點(diǎn)。那么在開展消減雨作業(yè)條件預(yù)報時，就應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注可能影響場館的云系，移動方向影響裝備部署位置，移動速度影響擬開展作業(yè)的時間，云系性質(zhì)影響催化方式的選擇，這對云條件預(yù)報和作業(yè)預(yù)案制定提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，尤其是對華北區(qū)域8月的云系進(jìn)行定時、定點(diǎn)、定量的精細(xì)預(yù)報，由于發(fā)生對流性天氣的概率很大，因而具有更大的困難。

本文利用云降水顯式預(yù)報系統(tǒng)(CPEFS_v1.0)產(chǎn)品，對2017年8月8日可能影響呼和浩特特定場館的云條件進(jìn)行預(yù)報，制定消減雨作業(yè)預(yù)案，結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)、機(jī)載探測等實(shí)況資料以及地面作業(yè)情況，對云條件預(yù)報進(jìn)行檢驗(yàn)，分析作業(yè)預(yù)案的合理性，可為今后開展相關(guān)工作提供技術(shù)思路及經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 云降水顯式預(yù)報系統(tǒng)及產(chǎn)品

1.1 CPEFS_v1.0模式系統(tǒng)和產(chǎn)品

云微物理過程的正確表述對于數(shù)值預(yù)報至關(guān)重要。根據(jù)不同降水云系的特征及增雨、防雹需求，中國氣象科學(xué)研究院(CAMS)胡志晉和嚴(yán)采蘩(1986)和Hu and He(1988)研發(fā)了層狀云、積狀云微物理數(shù)值模式，研制了雙參數(shù)詳細(xì)微物理過程的中尺度云分辨模式，該方案將水凝物分為云水、雨水、冰晶、雪和霰，同時預(yù)報其比質(zhì)量及數(shù)濃度，同MM5、GRAPES、WRF等天氣動力模式耦合，成功模擬了不同降水過程(樓小鳳，2002；史月琴等，2008；高文華等，2012；Lou et al,2012)。經(jīng)過改進(jìn)冰晶異質(zhì)核化和同質(zhì)凍結(jié)核化過程，將改進(jìn)后的CAMS方案耦合到WRF v3.5，通過改進(jìn)前處理系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)，開發(fā)形成云降水顯式預(yù)報系統(tǒng)(CPEFS_v1.0)，該系統(tǒng)于2017年7月28日正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，每日08時和20時采用T639全球模式的預(yù)報場作為初始場和側(cè)邊界條件啟動模式，預(yù)報時效為48 h。

根據(jù)全國人工影響天氣發(fā)展規(guī)劃的6大分區(qū)，結(jié)合計算資源和云系特征，該模式系統(tǒng)將全國大陸范圍分為8大區(qū)域(圖1a)，提供水平分辨率為3 km的云宏觀場、云微觀場、云系垂直結(jié)構(gòu)和降水場等4大類預(yù)報產(chǎn)品，主要包括云帶、垂直累積過冷水、云頂(底)高度/溫度、雷達(dá)反射率、最大雷達(dá)反射率、各種粒子的比質(zhì)量、數(shù)濃度等物理參量。預(yù)報數(shù)據(jù)產(chǎn)品和圖形產(chǎn)品通過氣象業(yè)務(wù)網(wǎng)發(fā)布，支撐各級人工影響天氣業(yè)務(wù)單位開展作業(yè)條件潛力預(yù)報業(yè)務(wù)。

本次作業(yè)條件潛力預(yù)報采用CPEFS_v1.0華北區(qū)域的預(yù)報資料，模式水平方向采用二重雙向嵌套，格距為9 km和3 km(圖1b)，分別采用5 min和30 s的地形數(shù)據(jù)，垂直方向?yàn)?5層，模式頂氣壓為50 hPa。對于9 km大網(wǎng)格，選用KF-eta對流參數(shù)化方案、CAMS云物理方案、YSU邊界層方案、RRTM長波輻射方案、GSFC短波輻射方案。3 km細(xì)網(wǎng)格關(guān)閉對流參數(shù)化方案，其余物理過程選項一致?？梢圆捎么缶W(wǎng)格的預(yù)報資料分析天氣形勢演變，而對于云場的分析，則采用細(xì)網(wǎng)格的預(yù)報資料，盡可能詳細(xì)地分析云系的宏微觀結(jié)構(gòu)特征。

1.2 云帶及垂直累積過冷水產(chǎn)品

云帶的發(fā)展演變、移動、強(qiáng)度直接影響到人工增雨/消減雨試驗(yàn)作業(yè)區(qū)域的選擇，通過云帶產(chǎn)品，可以測算云系的落區(qū)分布、移動方向和移動速度等(孫晶等，2015)。將模式預(yù)報的每一層的云水(qc)、雨水(qr)、冰晶(qi)、雪(qs)和霰(qg)的比質(zhì)量求和后垂直積分，形成云帶產(chǎn)品(單位：mm)。

qs(p)+qg(p)]dp

過冷水是指在低于0℃的區(qū)域存在的液態(tài)水，過冷水含量的多少決定催化增雨潛力的大小(劉濤等，2015)。將預(yù)報的溫度低于0℃區(qū)域的每一層的云水和雨水比質(zhì)量相加并垂直積分，得到垂直累積過冷水(VISL，單位:mm)產(chǎn)品，垂直累積過冷水是人影作業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

對于數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的檢驗(yàn)，主要集中在兩方面，一是針對模式產(chǎn)品如溫度、降水量等的定量化統(tǒng)計檢驗(yàn)，另一個是以預(yù)報員思路為基礎(chǔ)的主觀天氣學(xué)檢驗(yàn)(毛冬艷等，2014)。但對于水平分辨率小于4 km 的高時空分辨率數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品，其檢驗(yàn)仍一直在研究和探討之中，尤其是對于模式預(yù)報的云系產(chǎn)品，尚缺乏較為成熟的檢驗(yàn)技術(shù)。衛(wèi)星反演的云頂高度，是指云頂相對地面的距離，云光學(xué)厚度是云系在整個路徑上云消光的總和。對于對流云降水，云頂高度與光學(xué)厚度相關(guān)性較好，通常云頂越高，光學(xué)厚度越大，并且產(chǎn)生降水時，云光學(xué)厚度大多數(shù)大于17，云頂高度普遍大于7 km，當(dāng)光學(xué)厚度大于20時地面雨強(qiáng)明顯增大(周毓荃等，2011)。將模式預(yù)報的云帶產(chǎn)品與衛(wèi)星反演云特征參量進(jìn)行對比，可以定性檢驗(yàn)?zāi)Ｊ筋A(yù)報能力。

圖1 (a)CPEFS_v1.0模式預(yù)報區(qū)域和(b)華北區(qū)域預(yù)報范圍示意圖Fig.1 Sketch maps of (a) CPEFS_v1.0 prediction area and (b) prediction region of North China

2 云條件預(yù)報

在開展消減雨作業(yè)云條件預(yù)報時，通常是先分析預(yù)報的云場、降水場、動力熱力場等產(chǎn)品，結(jié)合已有高空、地面、衛(wèi)星、雷達(dá)等觀測資料，確定影響天氣過程類型，分析云系性質(zhì)、移向移速、演變趨勢，云頂(底)溫度/高度、云體厚度、0℃、-5℃、-10℃特征溫度層的高度等宏觀結(jié)構(gòu)，云系垂直結(jié)構(gòu)，過冷云水含量、冰粒子含量等微觀結(jié)構(gòu)，明確冷暖云垂直結(jié)構(gòu)配置，判斷降水機(jī)制，綜合給出預(yù)報結(jié)論。

2.1 云系性質(zhì)及移向移速發(fā)展演變預(yù)報

預(yù)報顯示，隨著高空槽東移南壓，8日08時之后呼和浩特特定保障區(qū)西部中低層輻合加強(qiáng)，不穩(wěn)定條件增加，內(nèi)蒙古中部K指數(shù)大于30℃，700 hPa水汽通量較大，將有一次對流天氣過程。

利用8月7日08時預(yù)報結(jié)果分析云系性質(zhì)及其發(fā)展演變，重點(diǎn)保障時段為8日15—19時。結(jié)果顯示，8日12時在防護(hù)區(qū)的西北和東北方向分別生成分散性的小塊云團(tuán)，之后云團(tuán)水平面積擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)。13時防護(hù)區(qū)西北方向的云團(tuán)向東、向南擴(kuò)展，移動加強(qiáng)，距離核心保障區(qū)約100 km；防護(hù)區(qū)東北方向的云團(tuán)發(fā)展加強(qiáng)并向東擴(kuò)展移動，不會影響核心保障區(qū)；距離核心保障區(qū)100 km正南方向生成一塊孤立的云團(tuán)，同時核心保障區(qū)也有云團(tuán)覆蓋影響，防護(hù)區(qū)域內(nèi)云團(tuán)水平尺度較小，分布不均，呈現(xiàn)明顯的對流云團(tuán)特征。14時，防護(hù)區(qū)西北方向的云團(tuán)向東發(fā)展移動時，追上東北方向的云團(tuán)，影響整個防護(hù)區(qū)的北部區(qū)域；南部區(qū)域的云團(tuán)也在發(fā)展加強(qiáng)。到15時北部的對流云團(tuán)合并，逐漸完全影響保障區(qū)北部區(qū)域，同時保障區(qū)南部的云團(tuán)也合并增強(qiáng)影響保障區(qū)南部區(qū)域，形成南北兩條云帶，但南部云團(tuán)只向東移動，不會影響核心保障區(qū)。16時，在距離核心保障區(qū)20 km西北方向的云團(tuán)加強(qiáng)，防護(hù)區(qū)北部云帶緩慢減弱東移，南部云帶減弱明顯。17時核心保障區(qū)對流云團(tuán)自西向東南方向移動，強(qiáng)度維持。北部和南部的主云帶持續(xù)減弱東移。18時，云團(tuán)移出核心保障區(qū)。分析各時間對流云團(tuán)的位置和水平分布，可知影響核心保障區(qū)的對流云團(tuán)12時首先在防護(hù)區(qū)西北方向生成，之后發(fā)展加強(qiáng)，自西北向東略偏南移動，移速約為30～40 km·h-1，逐漸影響核心保障區(qū)。典型時刻云系分布如圖2所示。

2.2 云系結(jié)構(gòu)及微觀特征預(yù)報

為了分析研究對流云團(tuán)的垂直結(jié)構(gòu)，我們選擇典型時刻的云團(tuán)進(jìn)行分析。預(yù)報的16時雷達(dá)回波(圖3a)顯示，保障區(qū)西北部的對流云團(tuán)外形近于圓形或橢圓且邊緣平滑，總體看云團(tuán)東西長約70 km，南北寬約30 km，屬于β中尺度系統(tǒng)，水平分布不均勻，最大雷達(dá)反射率達(dá)到55 dBz，含有4 mm的垂直累積過冷水(圖3b)，過冷水分布區(qū)域明顯小于總體云區(qū)，主要存在于發(fā)展旺盛的對流云團(tuán)中。

圖2 CPEFS_v1.0預(yù)報2017年8月8日(a)13時，(b)14時，(c)15時，(d)16時水平云場分布(圖中紅色圓形曲線表示防護(hù)區(qū)設(shè)置，從外向內(nèi)依次為第一、第二、第三道防線，中心為野馬圖核心保障區(qū)，半徑分別為20，50，100和150 km，下同)Fig.2 Forecast horizontal cloud distribution by CPEFS_v1.0 at (a) 13:00 BT, (b) 14:00 BT, (c) 15:00 BT, (d) 16:00 BT 8 August 2017(Red circular curves are the protection area; from outside to inside, it is the first, second and third defence lines; the center of the protection area is the core defence zone of Yematu, with radius of 20 km, 50 km, 100 km and 150 km respectively, the same below)

從垂直結(jié)構(gòu)看(圖3c,3d)，一個個的對流云團(tuán)具有冷暖混合云結(jié)構(gòu)，云中上升氣流強(qiáng)，發(fā)展旺盛的對流云團(tuán)中冰相水凝物雪、霰含量高，0℃高度以下暖區(qū)云水含量少，可以判斷出降水主要是由冰相粒子融化產(chǎn)生。700 hPa以下的中低層相對濕度低，有利于雨滴的下落蒸發(fā)。云頂高度超過200 hPa，達(dá)到10 km以上，云底高度范圍為2.5～3 km，0℃高度約為4.3 km，-5℃高度約為5.1 km，-10℃高度約為6.0 km，過冷水主要位于-20～0℃，高度范圍在4.3～7.2 km，過冷水最大含量達(dá)到0.7 g·kg-1，過冷水層主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，冰晶數(shù)濃度小于100 個·L-1。而在對流發(fā)展較弱的云區(qū)，云中上升氣流弱，雪、霰和過冷水含量低，暖區(qū)無云水，說明由于高層風(fēng)的引導(dǎo)，云砧區(qū)域遠(yuǎn)大于雷達(dá)回波區(qū)域，且回波只集中在冷區(qū)，地面沒有產(chǎn)生降水。

3 實(shí)況云條件分析及預(yù)報檢驗(yàn)

3.1 實(shí)況云系宏觀特征及與預(yù)報的對比

8日11時衛(wèi)星反演云特征參量顯示，以核心保障區(qū)為界，云頂高度大于7 km、光學(xué)厚度大于20的對流云團(tuán)主要分布在核心保障區(qū)的西北和西南方向，距離核心保障區(qū)約100 km；防護(hù)區(qū)以東的對流云團(tuán)云頂高度基本小于7 km，光學(xué)厚度大多數(shù)小于20，且防護(hù)區(qū)以東的云系向東向南擴(kuò)展移動，不影響防護(hù)區(qū)(圖略)。故重點(diǎn)分析防護(hù)區(qū)西北和西南的對流云團(tuán)。從圖4可知，到12時，防護(hù)區(qū)西北方向的對流云團(tuán)發(fā)展增強(qiáng)，并自西北向東南擴(kuò)展移動，云頂高度大于7 km、光學(xué)厚度大于20的對流云團(tuán)已經(jīng)影響到核心保障區(qū)，而位于防護(hù)區(qū)西南方向的對流云團(tuán)強(qiáng)度維持，位置少變。到13時，防護(hù)區(qū)西北方向的對流云團(tuán)進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，云頂高度大于9 km的云區(qū)已經(jīng)擴(kuò)展移動到防護(hù)區(qū)東北方向，并略有南壓，與防護(hù)區(qū)西南方向的對流云團(tuán)合并。14時，合并后的對流云團(tuán)逐漸移出防護(hù)區(qū)西北方向，繼續(xù)向東擴(kuò)展并南壓，強(qiáng)度維持，范圍增大。15時，對流云團(tuán)繼續(xù)東移南壓，云頂高度依舊大于9 km。到16時，對流云團(tuán)基本移出核心保障區(qū)，強(qiáng)度逐漸減弱?？傮w看來，11—16時，對流云團(tuán)在防護(hù)區(qū)西北方向生成并不斷發(fā)展加強(qiáng)，東移南壓影響核心保障區(qū)，移動速度約為40～60 km·h-1。

圖3 CPEFS_v1.0預(yù)報2017年8月8日16時(a)組合反射率，(b)垂直累積過冷水，(c，d)沿圖3a，3b中紅色箭頭的垂直剖面：(c)云水比質(zhì)量(填色，單位：g·kg-1)、冰晶數(shù)濃度(紅線，單位：個·L-1)、等溫線(黑虛線，單位：℃)、緯向風(fēng)u和垂直運(yùn)動(10 w)的合成風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)，(d)雪和霰比質(zhì)量(填色，單位：g·kg-1)，雨水比質(zhì)量(紅線，單位：g·kg-1)，等高線(黑虛線，單位：m)，緯向風(fēng)u和垂直運(yùn)動(10 w)的合成風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)Fig.3 Forecast clouds at 16:00 BT 8 August by CPEFS_v1.0 (a) composite radar echo, (b) vertical integration supercooled water, (c) vertical cross-section along the red arrow in Figs.3a and 3b of cloud-water specific mass (colored, unit: g·kg-1), number concentration of ice crystal (red contour, unit: L-1), temperature (black dashed line, unit: ℃), and wind combined by u and 10 w (black bar, unit: m·s-1), (d) vertical cross-section along the red arrow in Figs.3a and 3b of snow and graupel specific mass (colored, unit: g·kg-1), rainwater specific mass (red contour, unit: g·kg-1), height (black dashed line, unit: m), and wind combined by u and 10 w (black barb, unit: m·s-1)

圖4 2017年8月8日(a)12時，(b)13時，(c)14時，(d)16時的FY-2反演(a,b)云光學(xué)厚度和(c,d)云頂高度(圖4d中棕色曲線代表11—17時云頂高度大于7 km的云系前沿位置)Fig.4 FY-2 retrieval (a, b) cloud optical thickness and (c, d) cloud top height at (a) 12:00 BT, (b) 13:00 BT, (c) 14:00 BT, (d) 16:00 BT 8 August 2017(In Fig.4d, brown curve represents the front position of cloud system whose cloud top height was greater than 7 km from 11:00 BT to 17:00 BT)

呼和浩特C波段雷達(dá)顯示，11時許，在距離核心保障區(qū)20 km以外、呼和浩特市西北方向的武川境內(nèi)生成多塊分散的對流回波單體，回波單體外形近于圓形或橢圓，水平尺度約為10 km×10 km，強(qiáng)度最大達(dá)到50 dBz(圖5a)。12—13時，回波逐步逼近核心保障區(qū)，回波水平分布不均勻，主體強(qiáng)度為10～35 dBz，在成片的回波中有多個強(qiáng)中心，局地回波較強(qiáng)，強(qiáng)度最大約為45 dBz，對流云特征明顯。14時后，在核心保障區(qū)的西北方向約40 km處武川境內(nèi)又生成小塊對流回波單體，回波單體在東移過程中合并加強(qiáng)，逐漸連成片狀回波，形成對流云團(tuán)，到15時左右對流云達(dá)到最強(qiáng)(55 dBz，圖5b)，之后快速減弱，生命史約為2 h。雷達(dá)回波垂直剖面顯示，回波頂高接近10 km，回波接地，強(qiáng)中心柱狀回波尺度約為15 km寬。16時之后，呼和浩特周邊60 km范圍內(nèi)，回波強(qiáng)度基本小于30 dBz，降水趨于結(jié)束。

通過上述對于預(yù)報和實(shí)況分析可知，預(yù)報和衛(wèi)星、雷達(dá)實(shí)況監(jiān)測的云系均顯示為水平分布不均的對流云團(tuán)，對流云團(tuán)在防護(hù)區(qū)西北方向生成，之后發(fā)展加強(qiáng)并向東略偏南方向移動影響核心保障區(qū)，預(yù)報較好地給出了8日對流云系的性質(zhì)及移動方向。但預(yù)報云系的出現(xiàn)時間比實(shí)況云系偏晚約1～2 h，移動速度比實(shí)況云系的移動速度偏慢約10～20 km·h-1。實(shí)況與預(yù)報影響核心保障區(qū)云系特征量對比見表1。

總體看來，在有利的動力、不穩(wěn)定層結(jié)和水汽供應(yīng)下，8日白天呼和浩特周邊不斷有分散性回波單體生成，并快速發(fā)展成為強(qiáng)度超過45 dBz的強(qiáng)回波，提前24 h準(zhǔn)確預(yù)報回波單體的生成時間、區(qū)域位置和發(fā)展演變極其困難。

表1 預(yù)報和實(shí)測影響核心保障區(qū)云系宏微觀特征統(tǒng)計Table 1 Macro and micro characteristics of cloud system affected the core protection area by forecast and observation

圖5 2017年8月8日呼和浩特雷達(dá)組合反射率(a)10:58疊加B-3435飛機(jī)飛行軌跡,(b)15:04,(c)沿圖5b中紅色箭頭的垂直剖面Fig.5 Hohhot radar composite reflectivity on 8 August 2017 (a) 10:58 BT with B-3435 flight trajectory, (b) 15:04 BT, (c) vertical section along red arrow in Fig.5b

蔡淼等(2014)研發(fā)了適合我國L波段探空秒數(shù)據(jù)的云垂直結(jié)構(gòu)判別方法并開發(fā)了相關(guān)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。根據(jù)該方法8月8日呼和浩特的探空資料(圖6)表明，08時呼和浩特為多層云，在1.5 km高度附近有一層厚度約190 m的淺薄云層，云下有明顯的逆溫層存在，逆溫層抑制水汽和熱量的垂直交換，便于低層儲存大量的不穩(wěn)定能量，隨著太陽輻射升溫，逆溫層遭到破壞，容易產(chǎn)生對流性天氣。在0℃層以上的冷區(qū)，有厚度約1.7 km的中云覆蓋。14時呼和浩特演變?yōu)閮蓪釉?，?.2 km高度附近有一層厚度約40 m的淺薄云層，主體云系的云底高度為3.3 km，云頂高度約為10 km，云體厚度近6.7 km，云頂溫度約為-40℃左右。700 hPa以下的低層仍然比較干燥。到20時降水過后，呼和浩特演變?yōu)榕c08時比較相像的層結(jié)曲線。

預(yù)報云頂高度超過10 km，云底高度為2.5～3.0 km，云底之下相對濕度小。預(yù)報云頂、云底高度與實(shí)況探測一致，同時也較好地預(yù)報了低層比較干燥這一有利于消減雨作業(yè)的環(huán)境特征。預(yù)報中給出的0℃高度約為4.3 km，-10℃高度約為6.0 km，與08—14時探空給出的特征溫度層高度基本一致，-20℃層高度預(yù)報偏低約350～400 m，溫度對比見表2。

表2 呼和浩特站探空和預(yù)報的特征溫度層高度對比Table 2 Comparison of characteristic temperature layer height between sounding and prediction at Hohhot Station

3.2 機(jī)載探測分析及預(yù)報微觀云場檢驗(yàn)

8日09:53—14:43，新舟B-3435高性能飛機(jī)在防護(hù)區(qū)西北部開展了探測和作業(yè)飛行(飛行軌跡見圖5a)，自3 600～6 300 m垂直盤旋上升，每300 m一層開展云探測，區(qū)域內(nèi)有發(fā)展旺盛的積云對流，存在明顯的顛簸。在3 600～4 500 m，云滴數(shù)濃度介于45～600個·cm-3，液水含量介于0.05～0.5 g·m-3。在5 400 m高度處溫度為-8℃，云滴數(shù)濃度最大超過600個·cm-3，云滴粒徑為17～20 μm，液水含量為0.1～0.6 g·m-3，二維圖像表明，該層的液滴粒子較多，但冰晶粒子較少。根據(jù)陶樹旺等(2001)利用機(jī)載粒子探測資料得到的增雨指標(biāo)判據(jù)分析，該區(qū)域具有可播性，適宜使用AgI催化劑進(jìn)行冷云播撒作業(yè)。

圖6 2017年8月8日(a)08時，(b)14時，(C)20時呼和浩特站探空分析(陰影區(qū)域代表云區(qū)，水平紅線為0℃高度)Fig.6 Sounding analysis of Huhhot Station at (a) 08:00 BT, (b) 14:00 BT, (c) 20:00 BT 8 August 2017(Shaded area is cloud area; horizontal red line is height of 0℃)

預(yù)報過冷水含量最大達(dá)到0.7 g·kg-1，比5 400 m 高度處飛機(jī)探測的過冷水含量略大，但由于飛行區(qū)域回波不是最強(qiáng)，估計實(shí)況過冷水含量與預(yù)報差異較小。

4 作業(yè)預(yù)案制定和合理性分析

4.1 作業(yè)預(yù)案制定

根據(jù)上述對云系性質(zhì)、宏微觀結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)、移動演變特征等作業(yè)云條件的預(yù)報分析，確定催化作業(yè)時間、落區(qū)、溫度和高度范圍，7日下午制定作業(yè)預(yù)案并分發(fā)外場作業(yè)組，主要考慮飛機(jī)探測、作業(yè)以及地面作業(yè)。

預(yù)報對流云團(tuán)8日12時在防護(hù)區(qū)西北方向生成并向東略偏南移動，故重點(diǎn)布防區(qū)設(shè)置在核心保障區(qū)的偏西方向(圖7)，藍(lán)色實(shí)線橢圓區(qū)為飛機(jī)探測和作業(yè)區(qū)，建議飛機(jī)在8日上午選擇回波強(qiáng)度小于25 dBz的弱回波區(qū)域、第一道防線為主的F1區(qū)開展探測和冷云播撒作業(yè)，考慮到新舟B-3435高性能增雨飛機(jī)的性能，預(yù)案中給出的探測高度介于4 000～7 000 m，即云底以上的過冷水大值區(qū)開展探測，催化高度介于5 100～7 000 m，即-20～-5℃范圍內(nèi)開展冷云作業(yè)。預(yù)報云系移動速度為30～40 km·h-1，故對于地面作業(yè)，選擇紅色實(shí)線矩形框中距離核心保障區(qū)50 km范圍內(nèi)的第三道防線為主的T1區(qū)，在開幕式活動前對流回波初生階段5 100～7 000 m的高度范圍內(nèi)，利用火箭實(shí)施過量AgI播撒作業(yè)，達(dá)到消減雨作業(yè)的目標(biāo)。藍(lán)色虛線區(qū)域?yàn)殛P(guān)注區(qū)，建議關(guān)注該區(qū)域內(nèi)實(shí)況云系的發(fā)展演變，加強(qiáng)監(jiān)測。

圖7 2017年8月8日探測和作業(yè)預(yù)案示意圖(綠色虛線與紅色圓形形成的區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)關(guān)注和探測作業(yè)區(qū)域，最外圈為第一道防線F1區(qū)，第二道防線為S1區(qū)，第三道防線為T1區(qū)；藍(lán)色實(shí)線橢圓區(qū)為飛機(jī)探測和作業(yè)區(qū)，紅色實(shí)線的矩形框?yàn)榈孛孀鳂I(yè)區(qū)域，藍(lán)色虛線橢圓區(qū)域?yàn)殛P(guān)注區(qū))Fig.7 Sketch map of detection and operation plan on 8 August 2017(The area formed by green dashed line and red circle is the main focus and detection area; the outermost circle is the first defense area, named F1 area; the second circle is S1 area, and the third circle is T1 area; the blue solid line ellipse area is the aircraft detection and operation area, the red solid line rectangular frame is the ground seeding operation area, and the blue dashed line ellipse area is the concern area)

4.2 作業(yè)預(yù)案合理性分析

作業(yè)預(yù)案中指出，核心保障區(qū)的偏西方向?yàn)橹攸c(diǎn)布防區(qū)，探測、催化作業(yè)時段為8日上午到慶?；顒咏Y(jié)束前，催化作業(yè)高度介于5 100～7 000 m，采用AgI開展冷云催化作業(yè)。在第一道防線為主的F1區(qū)的弱回波區(qū)域開展飛機(jī)探測和冷云播撒作業(yè)，在第三道防線為主的T1區(qū)、對流回波初生階段實(shí)施地面火箭過量播撒作業(yè)。

新舟B-3435飛機(jī)于8日09:53—14:43在防護(hù)區(qū)西北第一道防線為主的區(qū)域開展了探測和作業(yè)飛行(飛行軌跡見圖5a)，作業(yè)高度為5 400 m，采用了AgI播撒，作業(yè)時間、區(qū)域位置、高度、溫度與預(yù)案中一致。

根據(jù)作業(yè)預(yù)案，內(nèi)蒙古人工影響天氣中心7日下午在防護(hù)區(qū)西北方向第三道防線內(nèi)武川縣大豆鋪鄉(xiāng)鎮(zhèn)、安子號鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊增設(shè)5個移動作業(yè)點(diǎn)(圖8)。

圖8 第三道防線新增移動作業(yè)點(diǎn)示意圖Fig.8 Sketch map of new established mobile operation points on the third defence area

8日13時左右，核心保障區(qū)西西南方向出現(xiàn)局地生成的帶狀強(qiáng)回波，自西向東移動。在第一、二道防線保障區(qū)西北側(cè)(a區(qū))及保障區(qū)西南側(cè)方向(b區(qū))開展地面消減雨作業(yè)(圖9)。14:24保障區(qū)西北方向武川縣境內(nèi)出現(xiàn)分散性強(qiáng)回波單體，在短時間內(nèi)合并、增強(qiáng)移向核心保障區(qū)，利用臨時增設(shè)的移動作業(yè)點(diǎn)(c區(qū))，對分散性強(qiáng)回波單體開展消減雨作業(yè)(圖9)。上述3個區(qū)域地面作業(yè)催化劑用量詳見表3。

這3個地面作業(yè)區(qū)域都在預(yù)案中設(shè)定的地面作業(yè)范圍之中，在臨近重點(diǎn)保障時段2 h內(nèi)開始集中作業(yè)，尤其是根據(jù)云條件預(yù)報在第三道防線新增設(shè)了5個地面作業(yè)點(diǎn)，如果沒有這些新增的作業(yè)點(diǎn)，對14:24—15:30出現(xiàn)在武川境內(nèi)的強(qiáng)回波將無法開展消減雨作業(yè)。可見預(yù)案給出的作業(yè)時段、區(qū)域、高度范圍，以及催化劑、催化方式選擇合理，根據(jù)預(yù)案臨時在武川縣境內(nèi)增設(shè)的移動作業(yè)點(diǎn)為集中開展消減雨作業(yè)奠定了基礎(chǔ)，提前24 h開展作業(yè)云條件預(yù)報和預(yù)案制定為固定目標(biāo)區(qū)消減雨作業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

表3 2017年8月8日13:00—16:40核心保障區(qū)西側(cè)地面作業(yè)情況統(tǒng)計Table 3 Statistis of ground operation on the west side of the core defence area in 13:00-16:40 BT 8 August 2017

圖9 核心保障區(qū)西側(cè)2017年8月8日開展作業(yè)的地面站點(diǎn)分布示意圖(a:第一、二道防線保障區(qū)西北側(cè)，b:保障區(qū)西南側(cè)，c:第三道防線西北側(cè)；其中最小的紅色圓圈為以作業(yè)點(diǎn)為圓心半徑8 km區(qū)域，代表作業(yè)可能影響范圍)Fig.9 Sketch map of operation points on the west side of the core defence area on 8 August 2017 (a: northwest side of the first and second defense zones, b: southwest side the defense zone, c: northwest side of the third defense zone; in which the smallest red circle is an area with the operation point as the center radius of 8 km, representing possible operation effect range)

以25 dBz為閾值識別強(qiáng)回波單元，利用雷達(dá)資料時空變化追蹤作業(yè)回波發(fā)展，并分析各回波物理參量的時間演變。從圖10可知，8日13時左右保障區(qū)西西南側(cè)出現(xiàn)帶狀強(qiáng)回波，13:58中心最大回波強(qiáng)度超過55 dBz，回波頂高近10 km。在強(qiáng)回波自西向東移動過程中，在第二道和第三道防線附近b區(qū)開展了大量的地面火箭、高炮作業(yè)。受作業(yè)影響，帶狀強(qiáng)回波在移動過程中逐漸減弱、分裂。14:24 起，保障區(qū)西北側(cè)不斷有局地對流回波形成且逐漸增強(qiáng)，在自西向東移動過程中與其南側(cè)回波合并后強(qiáng)回波面積略有增加，組織作業(yè)力量在a區(qū)、c區(qū)開展地面火箭、高炮作業(yè)。作業(yè)后回波強(qiáng)度減小，強(qiáng)回波面積略有增加。從回波單元各物理參量時間演變(圖11)可以看出，伴隨著武川縣境內(nèi)局地對流的生成(14:24)，回波頂高和積分液水含量(VIL)明顯增大，14:50—15:10對流單體自西向東移動過程中與南側(cè)回波合并發(fā)展，最大反射率稍有增加但回波頂高和VIL變化不大；15:00—15:30為地面集中作業(yè)時段，作業(yè)后雷達(dá)回波分裂且逐漸減弱，雷達(dá)回波各物理參量也迅速減小。

綜上雷達(dá)回波發(fā)展演變的直觀分析，初步認(rèn)為針對保障區(qū)西西南側(cè)帶狀回波(b區(qū)共消耗高炮炮彈850發(fā)、火箭彈30枚)開展地面消減雨作業(yè)后，回波團(tuán)逐漸減弱分裂，部分分裂后的回波單體逐漸消散，最大回波強(qiáng)度由55 dBz降至約30 dBz。針對保障區(qū)西北側(cè)武川縣境內(nèi)局地生成對流單體(a區(qū)、c區(qū)共消耗高炮炮彈129發(fā)、火箭彈80枚)開展地面消減雨作業(yè)后，回波團(tuán)經(jīng)歷先發(fā)展后合并，之后略有減弱的過程，強(qiáng)回波面積略有減弱，但最大回波強(qiáng)度無明顯變化(約55 dBz)。產(chǎn)生這種差異的原因可能與作業(yè)劑量有關(guān)，還需下一步開展針對性研究。

圖10 2017年8月8日13:58—15:30呼和浩特雷達(dá)組合反射率Fig.10 Hohhot Radar composite reflectivity in 13:58-15:30 BT 8 August 2017

圖11 2017年8月8日以25 dBz為閾值追蹤雷達(dá)回波單元各物理參量隨時間的變化(方框?yàn)樽鳂I(yè)集中時段)Fig.11 Time variation of radar physical parameters using 25 dBz as a threshold on 8 August 2017 (Box is the period of operation)

5 結(jié)論和討論

為了做好固定目標(biāo)區(qū)消減雨作業(yè)，本文利用CPEFS_v1.0模式系統(tǒng)開展了2017年8月8日的作業(yè)云條件預(yù)報和作業(yè)預(yù)案制定，利用衛(wèi)星、雷達(dá)、機(jī)載探測資料分析實(shí)況云降水特征及演變，對云條件預(yù)報進(jìn)行檢驗(yàn)，對作業(yè)預(yù)案進(jìn)行合理性分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)8日上午分散性對流單體在防護(hù)區(qū)不斷地生成并快速發(fā)展，初生在防護(hù)區(qū)西北方向的對流云團(tuán)東移略南壓影響核心保障區(qū)，水平尺度約幾十千米，回波頂高10 km，對流單體生命史約為1.5～3 h，預(yù)報云系的性質(zhì)、對流云系的移向與實(shí)況一致，生成時間偏晚1～2 h，移速偏慢10～20 km·h-1。

(2)預(yù)報對流云團(tuán)具有冷暖混合云結(jié)構(gòu)，云中上升氣流大，冰相水凝物雪、霰含量高，暖區(qū)云水含量少，700 hPa以下的中低層相對濕度低，云頂高度約為10 km、云底高度約為2.5～3.0 km，0℃高度約為4.3 km，過冷水最大含量達(dá)0.7 g·kg-1，過冷水豐沛區(qū)域冰晶含量低，與衛(wèi)星反演云頂高度、雷達(dá)、探空及機(jī)載探測結(jié)果基本一致。

(3)作業(yè)預(yù)案中給出重點(diǎn)布防區(qū)在核心保障區(qū)的偏西方向，催化作業(yè)高度介于5 100～7 000 m。8日上午飛機(jī)在第一道防線的弱回波區(qū)開展探測作業(yè)，地面作業(yè)集中在第三道防線對流云初生階段實(shí)施過量AgI播撒，達(dá)到消減雨作業(yè)的目標(biāo)。作業(yè)預(yù)案中給出的重點(diǎn)布防區(qū)、作業(yè)時間、高度、催化方式與實(shí)際作業(yè)一致。7日下午臨時增設(shè)的5個地面移動作業(yè)點(diǎn)為8日開展消減雨作業(yè)增援了裝備能力。

總體看來，本次對流云消減雨作業(yè)云條件預(yù)報較為理想，制定的作業(yè)預(yù)案有利于作業(yè)裝備的優(yōu)先部署和臨時調(diào)配，為固定目標(biāo)區(qū)消減雨作業(yè)提供了有效防護(hù)。但考慮到目前中尺度數(shù)值模式預(yù)報能力，應(yīng)該加強(qiáng)衛(wèi)星、雷達(dá)等對云降水的監(jiān)測和臨近跟蹤監(jiān)測，為臨近作業(yè)方案的修正提供科學(xué)依據(jù)。目前消減雨作業(yè)處于探索嘗試階段，什么樣的云適合開展消減雨作業(yè)，可以取得什么樣的效果，可實(shí)施消減雨作業(yè)的時間窗口是什么，科研積累還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，風(fēng)險高，難度大，消減雨作業(yè)并不一定能使核心保障區(qū)真正不受降雨的影響，尤其是對于發(fā)生在核心保障區(qū)的云降水系統(tǒng)，更是由于作業(yè)條件限制而無法開展人影作業(yè)。

今后需要對CPEFS模式系統(tǒng)預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行不同天氣類型降水過程預(yù)報效果總結(jié)凝練，提煉相應(yīng)的預(yù)報技術(shù)指標(biāo)體系，切實(shí)提高云條件預(yù)報水平和預(yù)案制定精細(xì)服務(wù)能力。