2012年桂西北一次地面人工增雨作业天气条件的分析和捕捉

2012年桂西北一次地面人工增雨作业天气条件的分析和捕捉何飞;刘丽君;黄晓辉;张正国
【摘要】以百色市田林县一次降雨过程的人工增雨作业天气和作业实况作为研究对象,对相应天气形势和物理量场进行剖析并对增雨效果进行检验.得出:在短波槽、切变线和弱冷空气为主的中低层天气系统影响下,低层水汽充足,上升运动的加剧及弱冷空气的入侵可激发降雨的产生；在降雨初期对液水含量大,冰晶含量偏低的冷云及时进行人工催化作业,可收到明显的增雨效果.
【期刊名称】《气象研究与应用》
【年(卷),期】2013(034)001
【总页数】5页(P55-59)
【关键词】地面人工增雨作业;物理量场;效果检验
【作者】何飞;刘丽君;黄晓辉;张正国
【作者单位】广西壮族自治区人工影响天气办公室,南宁530022
【正文语种】中文
【中图分类】P48
1 引言
广西西北地区每年春季和夏初均遭受不同程度的干旱，近年干旱更有逐年加重的趋势，给当地工农业生产带来严重影响的同时，也使森林、山林的防火灭火工作带来严峻考验，增雨抗旱和森林防火成为了桂西北人影部门的重要气象服务工作。

从2012年4月中旬开始，广西大部地区持续高温少雨，桂西北重旱蔓延，森林火险等级居高不下，森林火灾频发。

截止5月3日，桂西北重旱区的百色市共发生
森林火灾43起，其中右江区3起，田阳县5起，田东县1起，凌云县1起，田
林县23起，隆林县5起，西林县4起，过火总面积达1867hm2，森林防火形势非常严峻。

5月4日—5日，受弱冷空气南下影响，桂西北旱区将有望迎来一次明显的降雨过程，为确保不错过有利增雨作业时机，广西区人影办及时组织制定了人工增雨应急作业方案，紧急调集作业装备和作业人员赶赴森林火险高发区的田林县作业点，加大力度协同开展火箭人工增雨作业，并于5月4日夜间及时抓住有利人工增雨作
业时机，成功实施了人工增雨作业，对增加火场地区湿度、降低火险等级起到了显著效果，森林火灾全部被成功扑灭。

受地形和西南暖低压的影响，桂西北春末夏初气温高，降雨过程少，多以阵性降雨为主，人工增雨作业天气捕捉的难度大。

为了能继续在相似的降雨过程中及时有效地开展地面人工增雨作业，为桂西北增雨抗旱和森林防火的人影服务工作提供参考，本文以百色市田林县此次降雨过程的人工增雨作业天气和作业实况作为研究对象，对相应天气形势和物理量场进行剖析，并对增雨作业效果进行检验。

2 天气形势分析
5月4日08时500hPa中高纬以两槽一脊为主，脊线位于贝加尔湖附近，贝湖以西至乌拉尔山间有冷涡槽存在，移速缓慢，贝湖以东的槽区内多短波槽分裂东移，不断引导弱冷空气从中东路南下，中低纬孟加拉湾有南支槽，稳定少动，南海受副热带高压控制，广西位于南支槽前和副高西北侧偏西气流控制。

700hPa（图略）的孟加拉湾也存在稳定的南支槽，但青藏高原上多短波槽东移，槽底可至桂北。

由于弱冷空气的持续补充，850hPa切变线逐渐南压，5月4日08时，切变线压至
湖南和贵州南部，白天在湘黔与广西交界停留，西南风在广西境内辐合，20时切
变线向南推进至桂中。

与切变线配合南压的锋面，白天受西南暖低压阻挡，在贺州—来宾—河池一线停滞，西南暖低压控制桂西大部，田林5月4日白天晴，无明
显降水，位于桂西北旱区的右江区、田林、西林等县日最高气温达到37℃以上，
午后随着太阳辐射量的骤减以及夜间的辐射降温，西南暖低压迅速减弱西退，锋面继续南压。

田林此次天气过程的影响系统集中在中低层，以短波槽、切变线和地面弱冷空气的影响为主。

3 物理量场分析
降水是大气中水的相变过程，其形成有三个基本条件：水汽条件、垂直运动条件和云滴增长的条件［1］。

气象要素在垂直面上的分布反映了有关天气系统及相关天气现象的水汽、动力和热力结构，可以揭示大气结构或天气演变的概貌。

为了通过空间的垂直剖面形式揭示此次田林降雨的成因，本文将位于田林县境内的东经106°，北纬24°作为主要分析点，对形成降雨三个基本条件相应的物理量场进行空间垂直剖面分析。

3.1 水汽条件分析
3.1.1 相对湿度场分析
相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示了空气中水汽的饱和程度，水汽越接近饱和，它在抬升运动过程中越容易凝结。

从图1可看出，5月4日08
时由于低层存在西南气流的辐合，广西境内（104°E—112°E）水汽充足，
800hPa及以下相对湿度大部在90%以上。

经过白天高温的蒸发作用，20时除田
林（106°E）附近的800—900hPa保持90%相对湿度外，其他均下降到了70%—80%。

田林低层准饱和大气环境的维持为降雨提供了充足的水汽。

图1 5月4日08时（a）和20时（b）相对湿度沿北纬24°的剖面图（单位：%）3.1.2 水汽通量散度场分析
水汽通量散度指单位时间汇入单位体积或从该体积辐散出的水汽量，用以表示广大
范围内的水汽通量散度场。

散度为正的地区表示水汽自该地区向四周辐散，为水汽源，在这种情况下，水汽源的降水比较少；反之散度为负的地区，表示四周有水汽向该地区汇集，为水汽汇，降水比较多。

从图3可看出，08时，广西800hPa以下处于-5—-10g／（s·cm2·hPa）的水汽辐合区，田林附近600—800hPa的中层有一个10（10-7g／（s·cm2·hPa））的水汽辐散区，说明在田林一带的中低层
大气存在一个水汽在低层辐合，中层辐散的上升运动；20时，田林低层水汽辐合
加剧，0（10-7g／（s·cm2·hPa））以下水汽辐合区的厚度延伸至700hPa，辐合的强中心由08时的975hPa抬升到了850hPa，但600hPa附近的水汽辐散减弱。

低层水汽辐合的增强和中层辐散的减弱，使田林中低层大气中的水汽大量汇聚，湿层迅速增厚。

图2 5月4日08时（a）和20时（b）水汽通量散度沿北纬24°的剖面图（单位：10-7g／（s·cm2·hPa））
3.2 垂直速度场分析
垂直运动与大气中的凝结和降水有着密切的联系，可引起水汽、热量、动量、涡度等的垂直输送，所以对天气系统的发生发展有很大的影响。

5月4日08时（图
3a），田林（24°N）上空以600hPa为轴，存在一对垂直速度的正负区，上升运动速度中心位于850hPa，下沉运动速度中心位于250hPa，600hPa之上的下沉
运动抑制了云体的向550hPa以上（0℃以下的负温度层）发展，导致田林上空中低层的准饱和水汽无法继续上升凝结致雨。

20时（图3b）上升运动加剧，上升运动区向上扩展到了100hPa，强上升运动中心抬升到了700hPa的同时，强度增强到了-30（10-3hPa／s），促进了中低层水汽的辐合和抬升，从图1、2中20时
的垂直剖面可看出，在上升运动的增强下，田林上空相对湿度90%区和水汽通量
散度0（10-7g／（s·cm2·hPa））以下的水汽辐合区都出现了抬升的现象，并有
继续向上发展的趋势。

图3 5月4日08时（a）和20时（b）垂直速度（ω）沿东经106°的垂直剖面图（单位：10-3hPa／s）
3.3 假相当位温分析
假相当位温是湿空气通过假绝热过程将其水汽全部凝结降落后所具有的位温，其不仅考虑了气压对温度的影响，也考虑了水汽的凝结和蒸发对温度的影响，是把温度、气压、湿度包括在一起的一个综合物理量，可以用来分析大气的热力性质，其高温区可代表高温高湿区［2］［3］。

5月4日08时（图4a）田林上空的925hPa
为θse高值中心，850hPa以下为θse大于70℃的高温高湿区，925—500hPa
θse随高度的增加而递减（əθse／əz＜0），说明田林上空的925—500hPa为对流不稳定区［4］［5］，存在不稳定能量。

20时（图4b）θse的高值中心抬高到了850hPa，同时中心强度减小了5℃，对流不稳定区缩小到850—500hPa。

田
林上空θse中心强度的减弱和对流不稳定区厚度的减小，说明在5月4日20时，大气不稳定能量已经释放，配合20时的垂直速度剖面分析可以看出，大气不稳定能量的释放激发了强大的辐合上升运动，为降水提供了充足的动力条件。

图4 5月4日08时（a）和20时（b）假相当位温（θse）沿北纬24°的剖面图（单位：℃）
3.4 增雨作业潜力分析（云滴增长条件分析）
降雨的形成取决于云中粒子能否迅速增长，依靠自身重力克服空气上升运动的影响而降至地面，在缺乏冰粒子的过冷云中适当引入冰核，可以激发和促进降雨过程的形成。

通过以上对5月4日08时—20时湿度、动力、能量场空间垂直结构特征
和演变的分析已经得出，田林上空不稳定能量释放激发的强大上升运动，促进了堆积在低层的大量准饱和湿空气的抬升凝结，成云致雨已是必然。

为了最大限度地开发空中云水资源，有效增加降水，需要对作业目标区（田林）云系内的水汽含量和凝结核浓度进行人工增雨作业潜势分析。

5月4日23时田林（106°E，24°N）上
空柱云水含量较大，在50g／m2左右，500hPa气温-4℃，含少量冰晶，在1个／L以下，需要进行适当的人工引晶才能提高云水的凝结效率。

根据5月4日20
时的探空资料得出田林上空的0层高度在550hPa即5000m高度，地面火箭人工增雨作业时可据此高度适当调整仰角和方位对目标云系进行冷云催化作业。

4 增雨作业情况和效果检验
根据百色多普勒天气雷达的探测，18：24分—20：12分，田林西部陆续出现生
消较快，位置少动的对流云回波，但回波零散、覆盖面积小，在100km2以内，
生消时间为1小时左右，基本反射率回波最大强度达50dBZ以上，由于回波覆盖面积小，自动雨量站没有出现降雨记录。

20：12分—22：03分，天空恢复平静，田林乃至桂西北未出现明显降雨回波。

22：03分开始，位于田林西侧的西林县境内有回波迅速发展，范围扩大并向东移入田林境内，22：59分田林开始了此次过程的第一次地面人工增雨作业，并于23时和5日01时内陆续在福达、八桂、潞城、风洞和旧州炮点实施了7次作业。

为了直观反映增雨效果，本文使用地面自动雨量站和多普勒雷达基本反射率回波对增雨效果进行检验。

从图6、7可以看出，田林此次降雨过程从5月4日23点开始，5月1日10点结束，历时12小时，最大过程雨量出现在潞城乡，68.4mm；1小时降雨和回波强度呈阶梯状缓慢减弱；1小时最大降雨强度出现在4日23时—5日01时的作业时段内，2.4度仰角的最强基本反射率回波也相应出现在该时段，表明对目标云系的人工催化作业达到了一定的增雨效果。

图6 5月4日08时—5日12时田林县各乡镇自动站1小时最大雨量变化曲线图
图7 5月4日23时—5日10时百色雷达2.4度仰角探测到田林上空最强基本反
射率回波变化曲线
5 结论
此次天气过程的影响系统集中在对流层中低层，以短波槽、切变线和地面弱冷空气
影响为主，低层充足的水汽条件、上升运动的加剧以及弱冷空气的入侵，激发了该次降雨的产生。

（1）低层西南气流的辐合，使大量水汽向田林输送，800—900hPa相对湿度得以维持90%以上；700hPa短波槽和850hPa切变线的辐合作用，使低层水汽辐合增强、中层辐散减弱，中低层水汽汇聚量加大，湿层增厚，为降雨奠定了深厚的水汽基础。

（2）田林附近低层切变线和冷锋的启动南压，激发大气不稳定能量的迅速释放，加大了由中低层短波槽和切变线引发的上升运动，使田林上空相对湿度90%区和水汽通量散度0（10-7g／（s·cm2·hPa））以下水汽辐合区抬升并继续向负温区（550hPa以上）发展，促进准饱和湿空气的抬升凝结。

（3）在降雨初期对云水含量大，而冰晶含量偏低的冷云及时进行人工催化作业，可收到明显的增雨效果。

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