崇阳县夏季人工增雨抗旱作业方案设计探讨

摘要 干旱是湖北省常见的气象灾害，人工增雨是应对干旱气象灾害有效的手段。崇阳夏季干旱发生的机率高，为了提高夏季干旱人工增雨的作业效果，切实发挥人工增雨在抗旱工作中的作用，在对崇阳自然条件、夏季干旱情况、云层条件和人工增雨作业经验进行分析总结的基础上，参考国内其他比较成功的人工增雨作业经验，提出适合崇阳夏季人工增雨抗旱的作业方案。

关键词 人工增雨；抗旱减灾；作业方案；湖北崇阳

中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）12-0250-02

干旱是长江中下游地区常见的气象灾害，受亚热带季风气候的影响，湖北省内季节性或区域性的干旱灾害几乎每年都会发生，干旱灾害发生的面积广、持续时间长，崇阳常出现冬春连旱或春夏连旱，有时甚至冬春夏3季连旱。人工增雨是应对干旱气象灾害不可缺少的手段，各级政府对人工增雨抗旱的期望高，对人工增雨工作的投入大。近年来，随着气象业务现代化的推进，人工影响天气工作在科技研究、作业手段、指挥体系和效果评估方面有了很大的进展[1-13]，但人工影响天气仍是一门不成熟的技术，其中还有很多问题需要研究。各地成功的人工增雨作业经验表明[3-12]：人工增雨作业不仅受当地的自然条件和作业装备的影响，其作业效果还与作业季节、云层条件、作业布点、作业方式、作业时机以及用弹量等因素有关。因此在利用人工增雨作业进行抗旱时，要根据当地抗旱工作的需要，结合干旱发生地的季节和天气特点，对人工增雨作业方案进行合理设计，才能取得比较好的作业效果。

1 崇阳县自然条件和夏季干旱情况

崇阳位于湖北省东南部，地处幕阜山、大湖山和药姑山之间，总面积1 968 km2，其中山林地约14.87万hm2，主要分布在四周山地和中部的丘陵地带，耕地约2.33万hm2，水面约8 000 hm2。崇阳四面环山，隽水河自西南向东北穿过中部，河边田畴平沃，境内构成四周环山，中展干畈的盆地地貌。盆地地势由南向北倾斜，地形以低山和丘陵为主，坡度多在35～50°，南部及周边海拔在500 m以上的山地面积约占10.2%，中部海拔100～500 m的丘陵面积占67.5%，隽水河周边及北部海拔高程在100 m以下的河谷平畈面积占22.3%，是全县1.62万hm2有效灌溉农田主要集中地。崇阳共有各类水库89座，大型水库青山水库1座，中型水库4座，小型水库84座，总库容5.5亿m3，占地表水资源的28%。崇阳水库的海拔高程多在100～200 m，路口镇有海拔500 m以上的小型水库2座，总库容不足200万m3，海拔100 m以下的小型水库12座，总库容约1 000万m3。

崇阳属亚热带季风气候，温和多雨，年平均气温17.1 ℃，年降水量1 600 mm左右。每年4―5月进入雨季，6月中旬左右入梅，7月上旬左右出梅；梅雨期结束后转入晴热高温天气，常有伏旱发生。对1981年以来的崇阳气象资料的研究表明，夏季崇阳干旱发生机率仅次于冬季，1981―2012年的32年中发生夏旱的年份有20年，机率达到63%，1981、1983、1984、1986、1988、1992、1997、2000、2005、2007、2008、2011年崇阳夏季发生中度以上干旱，其中1984、1992、2000和2011年出现重旱。年代际的分析表明，崇阳近年来夏季干旱存在增加趋势。2013年7月出梅后，受稳定的副热带高压控制，7月1日至8月20日崇阳站降雨量不足30 mm，出现了44 d 35 ℃以上的高温日数和41.5 ℃的最高气温，均突破历史极值。高温少雨致使旱情迅猛发展，全县受灾严重，面对异常干旱，各级政府和人民群众积极应对，采取了一切可以实施的抗旱措施，人工增雨抗旱成为不可缺少的手段。

2 增雨作业条件

2.1 人影作业装备情况

崇阳县的人工增雨工作开始于1988年，2003年以前一直采用三七高炮进行人工增雨作业。2003年以后，开始配备BL-1型增雨防雹火箭作业系统，使得人工增雨作业的灵活性及作业机会都得到了很大的提高。目前，崇阳现有“三七”双管高炮2门，BL-1型牵引式QF系列增雨防雹火箭发射架2台，专用火箭人影作业用车1辆，覆盖全县的人影作业炮点12个。

武汉新一代多普勒天气雷达2003年开始投入使用，2008年湖北省气象局研发的长江中游短时天气预警业务系统（MYNOS）开始在县级台站使用，通过该系统可以直接调取武汉多普勒天气雷达的观测产品，其中回波强度、云顶高度、云中液态水含量，以及通过产品可以直观判断的强回波中心位置、降水回波移动方向和回波发展趋势等信息，在指挥人工增雨作业中发挥了重要的作用。随着气象自动化观测体系的发展，崇阳已建成了覆盖各乡镇的区域自动气象站25个，通过内部网络可以实时调取这些站点的降雨资料，了解增雨作业后全县的降雨情况。这些现代化业务成果的投入应用，对人工增雨工作起到了积极作用。

2.2 增雨作业催化技术

人工增雨是在适当条件下，通过向云内播撒催化剂来影响云的物理过程，从而实现增加地面降水的活动，它包括冷云增雨和暖云增雨。地面人工增雨作业的高炮和火箭都是采用冷云催化技术，即在云中负温区播撒碘化银（AgI），通过增加云中的凝结核，来增加云中水汽转化为降落到地面雨滴的数量，从而达到增雨的目的。三七高炮是以炮弹入云爆炸的方式向云中播撒碘化银冰核，由于爆炸范围和炮弹所含的碘化银（约1 g/发）有限，对云体的催化速度慢，一般在30 min后产生催化效果；BL-1型火箭弹采用的是火箭弹体在云中飞行过程中，通过燃烧高效碘化银焰剂播撒碘化银冰核，其播撒面积大，且所含碘化银的剂量大（约10 g/枚）、高效碘化银焰剂的成核率高，一般在5～10 min后就可产生催化效果。在催化过程中，碘化银作为冷云的成冰核，其有效冰核数量与环境温度有关，相关研究表明[11-12]：云内温度在-15～-4 ℃范围内，碘化银在冷云中的核化率最大。碘化银在这个高度层内播撒可以增加有效冰核的数量，达到最佳的增雨效果，在实施增雨作业过程中，要结合当地云层的季节特点，依据三七高炮和BL-1型火箭增雨作业系统的弹道参数[6，7，13]（表1），适机调整发射仰角，保证高炮弹或火箭弹处于云层内有利的撒播区域。

3 夏季人工增雨作业方案

3.1 天气形势及云层特点

长江中下游的雨带与西太平洋副热带高压的关系密切，7月上旬左右，副热带高压北跳，雨带北移至长江上游和黄淮地区，崇阳受副热带高压控制，进入盛夏期，多出现晴热高温天气。有时副热带高压会出现短周期的波动，在其边缘受局地热力和地形抬升的共同作用，常会产生对流云团，夏季地面及近地层温度高，对流云团容易发展，形成含水量较大的深厚积雨云层。夏季太平洋洋面上还容易生成台风，部分台风登陆后形成的台风倒槽云系也会影响到崇阳，其云系多为大范围的层状降水云（如：NS，ASOP或SCCUG）。统计崇阳1981―2010年来7―8月的降雨天气情况得知，7―8月平均降雨的日数为21 d，其中19 d是由于对流强盛的积雨云产生的降水，占90%以上。因此，积雨云是崇阳夏季人工增雨作业的主体。

积雨云的特点是水平范围小，垂直厚度大，含水量高，移动速度快。积雨云从发展到消亡，一般可以分为3个阶段，即初生阶段、发展成熟阶段和消散阶段。初生阶段以上升气流为主，从积雨云底部到顶部均为上升气流，上升气流一般在云底较小，到云中上部达到极大；发展成熟阶段云体移动前方仍以上升气流为主，云体移动的后方盛行下沉气流；到了消散阶段，云体上下基本都以下沉气流为主。对积雨云的人工增雨作业，要尽可能把碘化银播撒到上升气流强、含水量丰沛的区域，因此作业时机的选择非常关键，一般要选择对准云体移动前部的上升气流区域进行作业。层状云是水平范围大，上升气流小，云层稳定，持续时间长，含水量较低，雨量分布均匀。对层状云的人工增雨作业，由于层状云内上升气流小，因此作业部位的选择比较重要，要尽量把碘化银播撒到层状云中较高的部位。

3.2 作业方式及用弹量

单个积雨云的云体小，一般水平尺度不超过5 km，宜采用三七高炮进行增雨作业。对于多个联合的积雨云体或层状云，云体范围较大，覆盖面积常超过50 km2，这时宜采用火箭进行增雨作业。由于崇阳夏季降水云系是以积雨云为主，层状云为辅，根据崇阳近年来夏季人工增雨抗旱作业的实际，采取三七高炮和火箭组合作业的方式比较多，实际作业效果也较单一作业方式要好。

同纬度地区的相关研究[11-12]表明，夏季-15～-4 ℃温度层高度一般都在4.5～8.0 km，根据人影设备的作业参数，高炮作业的发射角应选择在50°以上，火箭作业发射角在60°以上。但由于崇阳上空的飞机比较多，受空域管制的限制，一般三七高炮选择在55～70°的作业仰角，BL-1型火箭选择在60～75°的作业仰角。

用三七高炮作业时，一次装弹10发，每10发为一组，采用高低2个作业仰角，每隔15～20°方位发射1发高炮弹的方式作业；用BL-1型火箭作业时，一次装弹4发，每隔3～5°作业仰角发射1～2枚火箭弹的方式作业。对于小范围的积雨云，发射三七高炮弹20发或火箭弹l～2枚为宜；对于大范围的层状云和积雨云，宜采用分散方式作业，在一个炮点一次作业过程中，高炮弹采用2～3组或火箭弹4枚为宜。

3.3 作业实施方案

分析崇阳的自然条件可以发现，崇阳四周山地因为坡陡、水库少，对干旱的反应最为敏感，提水灌溉抗旱最为困难；丘陵地区对干旱的反应次之，虽然水库多，但其河流多为山洪沟，提水灌溉抗旱的成本高；中部盆地和河谷田畈区抗旱条件相对较好，但全县的主要耕地基本集中于此，在大旱发生之年往往受旱范围最大，抗旱要求最为迫切。根据崇阳多年抗旱的实践经验，实施人工增雨作业要根据旱情的发展和抗旱工作的需要，进行科学地安排。

3.3.1 炮点布局方案。炮点一般应在云的来向上游10～15 km处，这样能尽量把人工增雨所增大的降水落到旱区和蓄水区内。夏季崇阳多处于副热带高压的西缘偏南一带，多为东南气流；台风倒槽云系为东风波气流，云的来向多为东部和南部。在一般干旱年份，四周山地和丘陵区易受旱，炮点布局通常选择在崇阳的东部和南部一线的人影作业点，如路口、港口、金塘、高枧、肖岭、桂花泉作业点进行布点；而大旱年份时，中部盆地和河谷田畈区抗旱需求高，炮点相应后撤往中部一线人影作业点布局，如白霓、青山、铜钟、天城、石城、沙坪作业点。作业点布局时，要参照各乡镇的旱情，按每门高炮及火箭催化影响面积（约400 km2），选择

3～4个视野开阔、作业方便、生活有保障的作业点布设炮置点。

3.3.2 作业组织实施。在人工增雨作业前，要把作业人员和业务人员，组成3～4个人工增雨作业组和一个信息联络组，信息联络组人员密切监视天气雷达的降水回波演变，发现有强度在35 dbz以上降水回波，大小在5 km以上可能影响作业区的降水云团时，通知作业组人员立即进入炮位，做好作业的准备，填装好火箭弹，调整发射仰角和方位，在降水回波进入影响区域，立即申请作业。作业完成后，信息联系组人员及时查看实时的乡镇区域气象站雨量情况，向作业组反馈作业效果。如果需要继续作业，则需要重新准备，另行申请作业。

4 增雨作业方案相关的问题

4.1 增雨作业安全

人工增雨作业是一项技术性很强的工作，要发挥人工增雨作业的效果，在作业时机、作业方位、作业仰角的选择上都要根据作业时的云层情况进行科学选择。但是受空域安全和作业区域群众安全因素的影响，比如：人工增雨时高炮、火箭发射方向和角度要避开城镇、厂矿企业、村庄等人口稠密区，不得在未经批准的空域申请和失效作业时限内强行实施人工增雨作业，不得使用过期的、不合格的增雨炮弹和火箭弹等。在具体人工增雨作业过程中，不能完全照搬理论上的要求进行作业，要首先保证增雨作业安全[13]，在安全有保障的前提下，科学选择作业方位和作业时机，争取最大的社会经济效益。

4.2 增雨效果的评估

人工增雨作业是依赖于自然降水的一项技术，人工增雨作业效果评估是检验作业方案的重要依据。由于夏季云的自然降水变率大，人工增雨作业后，对于云如果不催化，其自身降雨量的定量测定和计算存在一定困难，通常用统计方法来估算。比较常见的增雨效果评估方法[8-10]有近似替代法、区域对比法、序列试验、区域回归试验等，在实际工作中要根据具体情况而定。比如：对单体积雨云团作业，可用降雨量近似替代增雨量，大范围的联合积雨云或积层混合云系，可选用区域对比试验法进行效果评估。

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