內蒙古一次人工增雨作業個例分析

鄭博華，李 皓，樊茹霞，趙克明

(1.新疆維吾爾自治區人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊 830002；2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；3.內蒙古自治區氣象科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010051;4.新疆維吾爾自治區氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

內蒙古地處亞洲中部蒙古高原的東南部及其周沿地帶，以高原為主，海拔多在1 000 m以上，統稱內蒙古高原。由于地處中緯度內陸，大部屬溫帶大陸性季風氣候，只有大興安嶺北段屬寒溫帶大陸性季風氣候。終年為西風環流控制，以中緯度天氣系統影響為主，而季風環流影響則視季節變化而定，冬季風影響時間長，夏季風不易到達，且影響時間短。大部地區降水稀少，且集中于夏季。年降水量的分布與氣溫相反，因而形成在熱量最多的地區降水最少，熱量最少的地區降水最多的水熱分布不平衡格局。由于所處的地理位置和自然環境，干旱、黑災、白災、寒潮、大風、沙塵暴、冰雹、暴雨等氣象災害較為頻繁。其中，干旱最為嚴重，有“十年九旱”之說。

目前，人工作業增雨作為最有效的防災減災手段，已在社會中得到了普遍的認可，對增雨作業潛力準確地分析，及時開展人工作業，選擇適當催化手段，是科學作業、有效作業的重要條件[1]。自上世紀50年代起美國就著手開展大規模人工增雨試驗，時至今日仍保持年平均40多個人工作業增雨實施方案，同時期澳大利亞也相繼開展飛機人工播撒干冰對層積云作業試驗。目前為止，世界上已有超過90個國家和地區先后加入了人工增雨的科技作業試驗行列中，其中以美國、以色列為首等國家通過長期不斷研究試驗，已證實人工作業增水效果顯著[2-4]。以色列的人工增雨試驗工作持續了近40 a，是目前世界上最認可的增水效果檢驗試驗，在1961—1975年間開展了兩期人工增水試驗，分別得到了15%和13%的增雨效果[5]；我國學者專家曾光平等[6]1975—1986年在福建古田水庫試驗，得到統計增水超過20%；秦長學等[7]在北京密云水庫開展人工增水試驗，得出增水率為13%。近20 a來，我國人工增水事業發展迅猛，已經形成了以雷達、衛星、微波輻射計、GPS系統、風廓線儀等高科技手段為主的探測指揮系統，以飛機為主的空中播撒催化作業系統和以火箭彈為主的地面人工作業播撒系統，由此取得了長足的進步和顯著的效益，在服務農業、抗旱減災、保障重大活動等方面發揮了舉足輕重的重要作用[8]。早在2000年一次飛機人工影響天氣作業過程中，從衛星資料分析中便得出催化劑作業區面積為自由運動擴散區的3倍，進而發現催化劑是其主要因素[9-10]。2013年四川及西南部分春旱嚴重，四川省人影辦組織實施多架飛機增雨作業[11]，增雨作業后，作業區降水回波強度面積明顯增強，降水量明顯增大，采用區域對比法得出3 h降水增量為11 972萬m3。

本文充分利用GRAPES模式產品、衛星、雷達、探空等資料，分析了2017年5月20—22日，內蒙古地區利用有利天氣過程實施的增雨作業，對分析人工增雨作業條件等關鍵技術具有較好的指導作用，同時為其他地區或區域開展增水作業工作提供了一些技術方法借鑒。

1 作業需求分析

根據氣象干旱綜合指數分布圖顯示，截至5月20日，呼和浩特市東南部局地、烏蘭察布市東南部、錫林郭勒盟大部、赤峰市、通遼市、興安盟、呼倫貝爾市西南部地區出現輕度及以上氣象干旱。其中錫林郭勒盟中部及東南部、通遼市東南部、興安盟中部及東部局地出現中旱；錫林郭勒盟南部局地、赤峰市北部、通遼市西北部、興安盟東南部出現重旱；赤峰市南部出現特旱，旱情形勢比較嚴峻。全區土壤墑情差，部分地區草場受旱，抑制農牧業正常生產，威脅草原生態(圖1)。

圖1 2017年5月20日內蒙古氣象干旱分布圖(a)及全區墑情監測(b)Fig.1 Distribution of meteorological drought in Inner Mongolia on May 20, 2017(a) and monitoring of public opinion in the whole district on May 20(b)

據內蒙古自治區氣象臺預報，5月20—22日內蒙中東部自西向東有一次明顯的降水天氣過程，內蒙古自治區人工影響天氣中心根據旱情等作業需求，作業裝備全部就緒，作業人員隨時待命，為緩解旱情做好一切前期準備工作。

2 作業過程預報及作業計劃制定

5月20日08時—05月22日08時，受高空槽影響，內蒙古地區有一次大范圍的降水天氣過程。從地面形勢來看，5月20日20時，地面，低壓帶、地面倒槽與高空槽配合，伴隨均勻密實降水的帶狀云系自西向東移動，逐漸影響中西部地區(圖2)；500 hPa，新疆地區及貝加爾湖東部有一高空槽，內蒙古東北地區受槽前西南氣流影響。21日08時，500 hPa蒙古地區有一淺槽，高低空配置一致，水汽條件很好。至21日20時，高空槽東移至阿拉善盟東部地區，主要影響內蒙古西部偏東及中部地區，隨著槽的不斷東移，逐漸影響內蒙古中部及東部地區。到22日20時，高空槽移至赤峰市、通遼市中部，主要影響赤峰市東南部、通遼市大部，之后隨著槽的移出，此次降水天氣過程逐漸結束。

圖2 5月20日20時地面圖與云圖疊加Fig.2 At 20∶00 on May 20, the ground map was superimposed with the cloud map

綜合分析，05月20日08時—05月22日08時，除阿拉善盟西部和呼倫貝爾市北部外，內蒙古大部具有一定的作業潛力。針對不同時段，分別制定了全區的飛機和地面作業計劃。

3 作業條件潛力預報和作業預案制定

3.1 人影作業條件分析

3.1.1 水汽條件 從EC模式700 hPa濕度場和低層風場疊加來看(圖3)，21日08—20時，水汽高值區進入錫林郭勒盟東部、興安盟、通遼市北部地區，低層有風場輻合配合濕度區，且濕舌向南延伸，范圍擴大，低層西南水汽通道暢通，配合有風場切變。21日20時—22日08時，濕舌逐漸向西延伸至鄂爾多斯市東南部，低層西南水汽通道暢通，配合有風場輻合。22日08—20時，隨著系統向東南方向移動并且減弱，相對濕度減小，風場逐漸由西南風轉變為偏北風?？傮w來看，此次天氣過程系統明顯，西南水汽通道暢通，西南風強盛，低層相對濕度在80%以上，系統高低空配置形成了有力的動力抬升條件，有利于槽前西南暖濕氣流向北輸送，西南暖濕氣流與西北干冷空氣交綏，在內蒙古中東部形成明顯的比較穩定的降水天氣。

圖3 5月21—22日低層風場和相對濕度(700 hPa)Fig.3 Low-level wind field and relative humidity (700 hPa) May 21—22

3.1.2 云帶分布特征 從GRAPES模式預報云帶發展演變來看，5月20日08時—22日20時，帶狀均勻降水云系自西北向東南逐漸影響我區東部地區。20日20時—21日14時，均勻密實云系主要覆蓋在錫林郭勒盟東北部、興安盟、呼倫貝爾市地區。隨著系統向東南移，21日14時—22日08時，云系主要覆蓋在錫林郭勒盟、赤峰市、通遼市、興安盟、呼倫貝爾市南部地區。22日08—20時，主體降水云系覆蓋在赤峰市、通遼市地區，并逐漸移出我區。到22日20時，降水云系移出我區，中東部地區降水趨于結束，典型時刻云帶分布如圖4所示。

圖4 典型時刻云帶分布Fig.4 Cloud band distribution at typical time

3.1.3 云體垂直結構分析 云體垂直剖面結構顯示：5月20日20時—5月21日20時，內蒙古東部地區有大范圍云系覆蓋，移動速度約55 km/h，云中有一定量的過冷水，降水粒子較為豐富，0℃層高度在2.5～4.0 km，-10 ℃層高度在5.0～5.5 km，-20 ℃層高度在6.5～7.1 km。典型時刻云垂直結構如圖5所示。

圖5 5月21日14時沿內蒙古中東部上空云水冰晶(左)、降水粒子(右)垂直分布Fig.5 At 14∶00 on May 21, along the middle east of Inner Mongolia Vertical distribution of cloud water ice crystals (left) and precipitation particles (right)

5月21日20時—5月22日20時，內蒙古中東部地區有大范圍云系覆蓋，移動速度約55 km/h，云中有一定量的過冷水及冰晶，降水粒子較為豐富，0 ℃層高度在3.0～4.0 km，-10 ℃層高度在5.0～5.5 km，-20 ℃層高度在6.5～7.0 km。典型時刻云垂直結構如圖6所示。

圖6 5月22日11時沿內蒙古中東部上空云水冰晶(左)、降水粒子(右)垂直分布Fig.6 At 11∶00 on 22 May, along the middle east of Inner MongoliaVertical distribution of cloud water ice crystals (left) and precipitation particles (right)

3.2 作業預案制定

針對此次天氣過程，內蒙古自治區人工影響天氣中心于5月20日開始每天滾動發布人工影響天氣作業條件預報以及作業潛勢預報，根據天氣形勢、旱情監測、云微物理產品等分析，給出了具體增雨作業建議。

4 作業條件監測預警及作業方案設計

4.1 云發展演變趨勢

云監測反演分析顯示，5月20—22日，內蒙古中東部有云系覆蓋，云系自西北向東南移動，移速約為55 km/h。21日16時云頂溫度局部最低約為-40 ℃，光學厚度最大可達52；20時云頂溫度局部最低約為-40 ℃，光學厚度最大可達30；22日09時云頂溫度局部最低約為-40 ℃，光學厚度最大可達52，適合飛機增雨作業(圖7)。

4.2 云結構監測分析(探空資料結合衛星資料)

根據21日08時探空觀測，影響中東部地區的云系為典型層云，云系為冷暖云混合云系，興安盟地區云垂直發展密實，整層相對濕度較大，0 ℃層和-10 ℃層分別位于3.6 km、5.0 km高度左右。中東部地區整層以西北風為主，風速18 m/s(約65 km/h)。呼和浩特市以東地區云層為多層云，錫林郭勒盟、興安盟飛機人工增雨作業條件較好(圖8)。

根據21日20時探空觀測，降水主體云系東南移，主要位于巴彥淖爾市以東地區，內蒙古東部地區的云系為典型層云，云系為冷暖混合云系，云垂直發展旺盛，分多層。云頂高度均在8 km以上，局部地區云頂發展到13 km，整層相對濕度較大，0 ℃層和-10 ℃層分別位于3.5 km、5.5 km高度左右。低層以西南風為主，風速16～24 m/s(約57～97 km/h)，適合開展飛機人工增雨作業(圖8)。

根據22日08時探空觀測，隨著降水主體云系進一步向東南方向移動，錫林郭勒盟以東地區云系發展較為深厚，云頂高度均在9 km以上，局部地區云頂發展到13 km，整層相對濕度較大，0℃層和-10 ℃層分別位于3.5 km、5.2 km左右高度。整層以偏西風為主，低層風速16 m/s左右(約57 km/h)，適合開展飛機人工增雨作業(圖8)。

圖7 衛星反演的5月21日16時與5月22日09時云頂溫度(左)和光學厚度(右)Fig.7 Satellite inversion at 16∶00, 20∶00 on May 21 and 09∶00 on May 22, Genting temperature and optical thickness

圖8 云結構分析(探空資料+衛星反演)Fig.8 Cloud structure analysis (sounding data+satellite inversion)

4.3 雷達監測資料分析

從5月21日16時通遼市雷達回波分布可以看出，通遼市北部及興安盟南部地區有不均勻片狀強回波生成，回波主體強度在30 dBz左右。至21時左右，回波范圍有所減小，但強度并未減弱。至22日05時，赤峰市大部地區有均勻大片的回波生成，回波主體強度在30 dBz左右，局部地區達35 dBz。到22日13時，回波位于通遼市南部地區，強度仍然較強(圖9)。

4.4 作業方案設計

此次天氣過程分別選取通遼市、錫林郭勒盟、興安盟設計的各一次飛機作業方案為例。通遼市預計飛機時間為5月21日05時30分—09時30分，飛行高度為2 200～5 000 m冷云區，攜帶冷云催化劑作業，作業方案如圖10(左)所示。錫林郭勒盟根據5月20日20時探空觀測結果，-4 ℃層(催化溫度層)的風向為240°，風速約14 m/s。據此設計作業方案如圖10(中)所示，預計飛行時間為5月21日 07時30分—11時30分，攜帶催化劑為冷云煙條，預計作業高度為3 000～4 200 m(云內-4 ℃層以上)。5月21日05時興安盟上空受蒙古高空槽移動影響，云系自西北向東南，以冷云云系為主，興安盟大部分地區有云系覆蓋，水汽條件較好，0 ℃層高度3 km左右，-10 ℃層高度5 km左右，據此設計作業方案如圖10(右)所示，預計飛行時間為5月21日06—10時，攜帶催化劑為冷云煙條，預計作業高度為3 000～4 000 m。

5 作業實施

5.1 作業實施情況

針對5月20日08時—22日20時內蒙古中東部降水天氣過程，內蒙古自治區人工影響天氣中心以及11個盟市分別以不同方式開展了人工影響天氣作業。全區：開展飛機作業16架次，共飛行44 h；開展地面作業共209次，共燃燒煙條208根，發射火箭彈1 167枚。

圖9 5月21日16時(a)、20時(b)，22日05時(c)、13時(d)通遼市雷達回波圖Fig.9 Radar echo map of Tongliao City at 16∶00(a), 20∶00(b), 22∶00(c) and 13∶00(d) on May 21

圖10 5月21日上午通遼市、錫林郭勒盟和興安盟飛機作業方案設計Fig.10 On the morning of May 21, Tongliao City, Xilin Gol League and Xing'an League aircraft operation plan design

5.2 實際飛行作業軌跡

綜上所述，5月20日08時—22日20時，有飛機增雨作業潛力的各盟市根據實時的紅外云圖、探空資料、雷達等監測工具密切監視天氣，根據實際情況結合預先設計的飛行作業方案進行了飛行增雨作業。部分盟市實際飛機作業軌跡圖如圖11所示。

5.3 作業合理性分析

現以此次天氣過程中通遼市一次飛機增雨作業過程為例進行分析。5月22日B3852從通遼機場起飛，主要飛行區域為通遼市中部，飛行時間為06時30分—09時35分。如圖12所示，飛機飛行作業的范圍均在雷達回波覆蓋范圍之內，圖上顯示的0 ℃高度為3 348 m，與實際測得的0 ℃層高度不符，此項指標不具有參考意義。飛機作業高度2 800～5 000 m，在預判作業高度范圍之內，實際使用催化劑(冷云催化)類型與預案一致。

圖12雷達回波顯示飛機作業區域(通遼市中部)、作業時間內始終有較為均勻的回波，實際催化作業時段與作業預案一致，作業區域與預案給定范圍一致，作業區域選取比較適宜，作業時間較準確。

圖11 5月20日08時—22日20時部分盟市實際飛機作業軌跡圖Fig.11 The actual aircraft operation track map of some leagues at 20∶00 on May 20

圖12 B3852飛行軌跡和雷達剖面疊加Fig.12 B3852 flight trajectory and radar profile overlay

6 作業效果分析

5月20—22日，我區共有序開展飛機增雨作業16架次，地面作業209次，采用了區域對比法得出：作業影響區總面積為56 996 km2，增雨總量為16 116萬噸。

受自然降水和人工增雨作業的共同影響，內蒙古地區增雨效果明顯。5月21日08時—22日08時，我區共1 555個站出現降雨，降雨量0.1～53 mm。其中共83個站出現大雨，降雨量25～45.8 mm，主要分布在鄂爾多斯東南部、呼和浩特市大部、包頭市南部、烏蘭察布市中部及南部、錫林郭勒盟南部及東部、通遼市大部、赤峰市北部及興安盟西南部；錫林郭勒盟多倫縣大河口鄉出現暴雨，降雨量為53 mm。22日08時—23日08時，共746個站出現降雨，降雨量0.1～23.0 mm。其中共138個站出現中雨，降雨量10.0～23.0 mm，主要分布在通遼市南部及赤峰市南部。具體雨情信息見圖13。

將圖14與圖1a相對比，發現此次自然降雨以及人工增雨作業使我區中東部干旱范圍大幅縮小減弱，有效降低了森林草原火險等級，改善了土壤墑情，為我區的農作物生長、生態保護、園林綠化、凈化空氣等方面發揮了重要作用。此次增雨作業過程有效地緩解了全區旱情，減少了經濟損失，受到社會各界的廣泛關注。

圖13 5月21日08時—23日08時全區雨量信息Fig.13 Rainfall information for the whole district from 08∶00 to 23∶00 on May 21

圖14 5月23日內蒙古氣象干旱綜合指數分布圖Fig.14 Distribution map of Inner Mongolia meteorological drought comprehensive index on May 20 and May 23

7 討論與結論

通過對本次個例天氣形勢、人工增雨潛力、作業實況、作業效果等分析，得到如下結論：

本次作業過程，受高空槽和風切變共同作用，低空有水汽輸送，且水汽、動力條件好；飛機作業云系處于發展階段，云層比較深厚，云體較為密實，云中有一定的過冷水，過冷水范圍較大，增水潛力可觀。此次過程共開展飛機增雨作業16架次，地面作業209次，作業影響區總面積為56 996 km2，增雨總量為16 116萬噸。增雨作業過程有效地緩解了全區旱情，減少了經濟損失。