海南岛中部山区暖云人工增雨催化试验物理效果分析_邢峰华.pdf

第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.41 No.1February，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology海南岛中部山区暖云人工增雨催化试验物理效果分析邢峰华1，2，黄菲婷2，李光伟1，黄巧明1（1.海南省气象科学研究所，海南 海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203）摘要：利用雷达、降水及探空资料对20152020年海南岛昌江霸王岭及五指山毛阳试验点的暖云吸湿性焰条催化试验在不同月份及天气系统影响下的增雨效果进行评估并通过选取典型个例研究催化过程的物理响应特征。结果表明：南海低压槽和华南沿海槽影响下的催化试验整体增雨正效果较明显，平均绝对增雨量均超过未催化组2.00 mm。7、8、9月暖云催化试验均能展现出不同程度的增雨正效果，其中8月催化试验平均绝对增雨量最高，达4.71 mm。海南岛2个试验点总催化样本平均绝对增雨量0.73 mm，平均相对增雨率13.52%，平均增水量39.73万m3。由典型个例的物理检验中发现，催化后 0.5 h是一个关键时刻，即催化云和对比云的几乎所有物理检验指标约在催化后 0.5 h后拉开差距。关键词：海南岛山区；暖云催化试验；人工增雨；物理效果文章编号：1006-7639（2023）01-0114-09 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0114中图分类号：P481 文献标志码：A引 言人工增雨作业根据作业原理和催化剂的不同，主要分为暖云催化和冷云催化两类。目前我国大部分省份开展人工增雨作业主要采用技术手段相对更加成熟的冷云催化方式，催化剂以碘化银为主（胡淑萍等，2019；李德俊等，2016；王以琳和王俊，2015；王以琳等，2018；张景红等，2020），而暖云催化方式尚处在小规模试验阶段，并未在国内业务中大规模应用（苏正军等，2009；叶家东和范培芬，1982；张景红等，2019）。国际上针对暖云开展的人工影响天气试验已经取得一些研究成果（Dixon and Wiener，1993；Mather et al.，1996；Roland，2004；Rosenfeld et al.，2005）。泰国采用飞机播撒的方式开展暖云催化试验，为了验证暖云人工增雨的可行性，结合数值模式与实况资料等多源数据对催化效果展开综合分析研究（Silverman and Sukarnjanaset，2000）。美国和南非等国家则是开展以5 a为周期的地面吸湿性焰条催化试验，证实地面吸湿性焰条人工增雨确实有正效果，焰条点燃向空中播撒一般在30 min后开始检测到目标区降水量及雷达回波有明显变化趋势（William and Daniel，2004；Rangno and Hobbs，1983；Cooper et al.，1997；Silverman，2001）。近年来我国在人工影响天气领域开展的研究以效果检验、作业指标及微物理特征分析等为主。如针对河南境内一次混合云系飞机催化增雨过程开展的效果检验，认为催化后影响区内冰相粒子浓度明显高于对比区，且过冷水含量有明显下降且伴随雷达回波强度较明显增强过程（白婷等，2020）；对甘肃河西走廊近10 a增雨作业开展的系统性效果检验证实，作业影响区相对增雨率达17.5%，每年平均增水量为33.7 mm，作业期间石羊河流域径流量增加3.7%，流域植被改善状况明显（程鹏等，2020）；针对江淮对流云火箭人工增雨个例开展的效果检验表明，增雨作业绝对增雨量37.2 mm，相对增雨量达65.2%（贾烁和姚展予，2016）。现阶段国内对于暖云人工影响天气的研究主要集中于南方和沿海地区（王伟健等，2018；邢峰华等，2020；周亦凌，2015）。在福建古田水库和周宁水库开展的人工增邢峰华，黄菲婷，李光伟，等.海南岛中部山区暖云人工增雨催化试验物理效果分析 J.干旱气象，2023，41（1）：114-122，XING Fenghua，HUANG Feiting，LI Guangwei，et al.Physical effect analysis of warm cloud-seeding experiment for artificial precipitation enhancement in central mountain areas of Hainan Island J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（1）：114-122，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0114收稿日期：2021-09-03；改回日期：2022-11-08基金项目：海南省气象局科研项目（hnqxZC202112）和海南省自然科学基金项目（421QN372）共同资助作者简介：邢峰华（1989），男，硕士，工程师，主要从事大气物理及人工影响天气等研究。E-mail：。第 1 期邢峰华等：海南岛中部山区暖云人工增雨催化试验物理效果分析雨效果检验发现，在西南暖湿气流影响下的增雨试验个例的物理响应较为明显，且暖云人工增雨作业采用多点多次的方式更为可取，暖云烟炉在我国南方山区的增雨作业效果较为明显（陈少琴等，2015；曾光平，1999）。海南岛是我国南方的热带岛屿，属于海洋性季风气候，汛期降水较为频繁，冷暖云交织的混合性降水时有出现，但岛内降水因为时空分配不均，在中西部区域干旱灾害时有发生，对当地工农业等影响较大，抓住合适时机开展人工增雨作业对缓解当地旱情有较大帮助。以暖云催化为主要目标的地面烟炉不受空域管控限制，可远程遥控开展作业，具有使用成本低、可长时间连续作业等优点，在海南省人工增雨业务中具有较高应用价值。为系统研究海南岛暖云人工增雨催化效果，本文以20152020年在海南岛开展的暖云烟炉人工增雨催化试验（共91次试验个例）为基础，对不同月份及不同天气系统下的烟炉催化个例展开全面效果分析检验，并选取典型个例细致分析催化剂入云后的物理响应，以期进一步总结提升基于地面设备的暖云人工增雨催化技术。1资料与方法1.1资 料所用降水数据为20152020年海南省自动气象站分钟级降水数据；雷达数据来自海南省海口市及东方市的业务天气雷达，定期接受中国气象局巡检标定，包括奇异值检验、数据空缺填补及时空一致性检验等。昌江霸王岭烟炉试验点（109.126 94E，19.085 00N）和五指山毛阳烟炉试验点（109.503 08E，18.921 42N）均位于海南岛中部山区，以热带积雨云为主要播撒对象开展随机化人工增雨催化试验。海南岛暖云烟炉人工增雨催化试验主要采用陕西中天公司设计的ZY-2A型地面播撒系统，催化剂为暖云吸湿性焰条（型号：YD-1N），每根携带催化剂含量为450 g，主要组成物为氯化钾（KCl）、氯化钙（CaCl2）等，燃烧生成物平均粒径约为0.34 m。文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS（2022）1873号的标准地图制作，底图无修改。文中所有时间均为北京时。1.2试验区概述及试验方法1.2.1试验区概述昌江霸王岭及五指山毛阳试验点平均海拔高度约为750 m，试验点山脉以东西向为主，通过20102014年自动气象站风场观测测资料分析发现，多年平均主导风向为偏南风（以西南、东南风为主），与山脉走向夹角相对较大，盛行风向会沿山体爬坡产生上升气流（何媛等，2016）。此外，试验区试验期间天气系统以低压槽系统（南海低压槽、热带低压系统、华南沿海槽等）为主，降水云系以暖底积雨云系为主，云底高度为500800 m。1.2.2暖云催化试验简介预先设置300个经过编码排序的信封，采用投掷硬币的方法确定催化或不催化制作签码从而确保每次试验的不可预知性。将每个签码置于信封里保密，当出现合适的催化试验条件时，试验人员在开展试验之前打开信封，根据内含签码决定是否开展催化试验，试验后签码保留以备核查。催化试验（简称“催化组”）需根据天气条件点燃36根焰条催化剂，每根燃烧时间通常为4 min；不催化试验（简称“未催化组”）即不点燃任何焰条催化剂。1.2.3试验对比云选定标准及催化云主要催化指标海南岛暖云烟炉催化试验以 TITAN（Thunderstorm Identification，Tracking，Analysis and Nowcasting）系统识别为主的同时耦合本地化雷达探测资料来选择对比云，由TITAN系统自动计算催化云与对比云的相似度，选定相似度和催化云匹配度最高的对比云进行统计分析，最大限度避免人为干扰。具体遵循标准如下：（1）催化云需以当日探空数据并结合试验点实时风场观测值划定当次烟炉催化试验催化云范围；（2）对比云优先选择位于催化云的上风或侧风方一侧，距离催化云50 km以上，从而避免对比云被催化剂“污染”导致试验效果失真；（3）对比云的地形下垫面、面积等各项基本指标要与催化云大体相仿，相似度最高；（4）对比云和催化云最好受相同或相似天气系统影响；（5）催化前1 h催化云与对比云分钟降水量不可有较大差异，如果二者降水量相似度低于60%则需人工校正对比云的选择；（6）根据雷达资料评估催化云与对比云的各项物理指标（包括最大反射率、平均反射率、垂直累积液态水含量等），各项指标整体相似度要达到80%以上，从而最大限度保证催化云和对比云的可比性，避免出现差异过大导致试验误差。经过对试验点附近云系雷达回波进行统计分析，制定试验主要催化指标如下：（1）催化云应选择尚处于早或中期发展阶段的云系，雷达组合反射率大于25 dBZ且面积不小于5 km5 km，回波顶高不11541 卷干旱气象高于5 km（海南岛雨季0 层常见高度），垂直累积液态水含量不低于10 kgm2；（2）催化云的引导气流需以西南或东南气流为宜，确保云系在迎风坡一侧沿山脉爬坡产生上升气流；（3）尽量避免在台风、暴雨、热带低压系统等强天气条件下开展催化试验，上述天气系统云系下增雨潜力较小，可催化性较差。1.2.4检验方法鉴于海南岛中部山区夏季积雨云系生命史多为23 h，本试验雨量计算时间以试验起始时间后的2 h来进行统计。累积雨量方面，采用克里格插值法将影响区及对比区内自动站雨量均匀插值成面雨量。平均绝对增雨量和相对增雨率及增水量的计算公式如下：R=-R1-R2（1）rR=-R1-R2-R2100%（2）H=RS/10（3）S=L(Vt)（4）式中：R、-R1和-R2（mm）分别为平均绝对增雨量、催化云与对比云平均降水量；rR为平均相对增雨量；H为增水量（万m3），S（m2）为影响区和对比区面积，经统计，试验影响区及对比区面积基本在80100 km2；L（km）指催化剂有效扩散半径，经高斯扩散模拟结果显示，通常半径在 3.510.0 km 区间根据风速选取，V（ms1）为云系移动速度，可根据TITAN计算得到，t为催化影响时间，一般取2 h。2统计检验结果2.1不同天气系统和月份统计检验20152020年影响海南岛暖云人工增雨催化试验的天气系统主要是南海低压槽、热带低压系统、华南沿海槽及越南低压槽（表1），出现次数分别是 26、17、15 和 14 次，依次占烟炉试验总次数（91次）的28.57%、18.68%、16.48%和15.38%，四者累积占79.11%，其他天气系统如西南低压槽、变暖高压脊等样本数较少，代表性相对欠缺，暂不讨论。对于南海低压槽系统影响下的26次试验个例，其催化组的平均绝对增雨量为2.47 mm，平均相对增雨率是61.14%，平均增水量是69.89万m3，均明显高于相应未催化组的数据；而热带低压系统影响下的17次试验催化组的平均绝对增雨量是0.19 mm，平均相对增雨率 2.35%，平均增水量 13.95 万 m3，3 个指标略优于未催化组；对于受华南沿海槽影响的15次催化试验，其催化组的平均绝对增雨量为2.89 mm，平均相对增雨率是74.29%，平均增水量是68.82万m3，优于相应未催化组的数据