2024年2月16日发(作者：)

第47卷第2期

2

0

2

1

年

2

月

象

METEOROLOGICAL

MONTHLY

气

Vol.

47

No.

2February

2021史月琴，刘卫国，王飞，等,2021.

一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析[J].气象,47(2):192-204.

Shi

Y

Q,Liu

W

G,Wang

F,et

al,2021.

Forecast

on

convective

cloud

condition

and

analysis

on

seeding

plan

of

an

artificial

rainfall

mitigation

case

[J].

Meteor

Mon,47(2)

:

192-204(in

Chinese).一次对流云人工消减雨作业云条件预报和

作业预案合理性分析*史月琴刘卫国王飞高扬中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京100081提

要：为做好固定目标时段和区域的人工消减雨作业，利用云降水显式预报系统(CPEFS_v1.

0)对云系性质和结构、移速

移向及演变、降水机制等云条件进行预报。预报结果显示,017年8月8日影响呼和浩特的云系性质为分散性对流云，具有

冷暖混合云结构，云中上升气流强，对流单体水平尺度约为几十千米，生命史约为1.

5〜3

h,云顶高度约为10

km、云底高度约

为3 km,0°C高度约为4.3

km；微观方面，冰相水凝物雪、霰含量高，暖区云水含量少，云中过冷水含量最大达0.

7g

•

kgT,过

冷水丰沛区域冰晶数浓度低，以冷云降水为主。初生在呼和浩特特定防护区西北方向的对流云团快速发展东移南压影响核

心保障区，移速约为30〜40km・

h-1。卫星、雷达等实况监测显示,日的云系为分散性对流云，预报对流云的生成时间比实

况偏晚1〜2

h,移向与实况一致，移速偏慢10〜20

km

•

h-1。在5

400

m高度处(一8C

)，机载云物理探测的液水含量最大为

0.6g-

m-3,预报与实况接近。根据预报的云系条件制定作业预案指出，在核心保障区的偏西北方向30〜50

km处进行重点

布防,适宜在5.1〜7.0

km高度处实施AgI过量催化,日上午飞机在第一道防线的弱回波区开展探测作业，地面作业集中在

第三道防线对流云初生阶段实施过量播撒，以达到消减雨作业的目标。根据预案，提前24h在核心保障区偏西北方向的第三

道防线增设了 5个地面移动作业点，这些作业点8日及时实施了消减雨作业。总体看来，此次云条件预报正确、预案制定合

理，及时为外场实施消减雨作业提供了支撑。关键词：云条件预报;作业预案；对流云降水;人工消减雨中图分类号：P481

文献标志码：A

DOI：

10.

7519/j.

issn.

1000-0526.

2021. 02.

006Forecast

on

Convective

Cloud

Condition

and

Analysis

on

Seeding

Plan

of

an

Artificial

Rainfall

Mitigation

CaseSHI

Yueqin

LIU

Weiguo

WANG

Fei

GAO

YangKey

Laboratory

for

Cloud

Physics

of

China

Meteorological

Administration,

Beijing

100081Abstract:

In

order

to

do

well

artficial

rainfall

mitigation

on

specific

target

period

and

area,

cloud

seeding

condition

such

as

cloud

properties

and

structure,

moving

speed

and

direction,

cloud

evolution,

precipitati­on

mechanism

and

so

on

was

forecast

by

using

Cloud

Precipitation

Explicit

Forecast

System

(CPEFS).

The

results

showed

that

on

8

August

2017

in

Hohhot

there

were

scattering

convective

clouds,

with

cold-warm

mixed

vertical

structure

and

strong

updrafts.

Horizontal

scale

of

single

convective

cloud

was

about

tens

of

kilometers,

and

lifetime

was

about

1.

5

—

3.

0

hours.

Cloud

top (bottom)

height

of

10

(3)

km,

and

0C

layer

height

of

4. 3

km.

Cloud

microphysics

aspects

were

with

high

content

of

snow

and

graupel,

low

cloud

water

content

in

warm

regions,

maximum

content

of

supercooled

water

of

0.7

g

•

kg—1

,

less

ice

crystals

in*国家重点研发计划(2018YFC1507900)和公益性行业(气象)科研专项(GYHY20120625)共同资助2019年5月15日收稿；2020年11月24日收修定稿第一作者：史月琴，主要从事云降水物理与人工影响天气研究.E-mail：

shiyq@cma.

gov.

cn

第2期史月琴等：一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析193areas

with

rich

supercooled

water,

mainly

with

cold

precipitation

mechanism.

Convective

clouds

first

ap­peared

in

the

northwest

direction

of

the

core

zone

in

Hohhot,

rapidly

developing

and

moving

eastward

and

southward

gradually

to

the

core

zone

at

the

speed

about

30

—

40

km

•

h_1.

Satellite

and

radar

observations

also

showed

there

were

convective

clouds.

The

forecasted

generation

time

of

convective

clouds

was

1

—

2

hours

later

than

observation,

but

moving

direction

was

consistent

with

observation.

Moving

speed

was

10

—20

km

•

h—1

slower.

The

maximum

liquid

water

content

was

0.

6

g

•

m—3

at

the

5

400

m

height

(

—

8°C)

byairbornecloudphysicaldetection．Theforecastedcloud

water

content

was

consistent with

detection．

The

seeding

plan

was

made

based

on

cloud

condition

forecast.

The

area

30

— 50

km

northwest

of

the core

zone

was

chosen

as

key

defense

zone.

Agl

over-seeding

would

be

suitable

to

be

implemented

in

the

5.

1

—

7.

0

km

height.

In

the

morning

of

8

August

the

aircraft

would

carry

out

detection

in

weak

echo

areas

of

the

first

defense

line.

Ground

operations

would

focus

on

the

implementation

of

over-seeding

in

the

initial

stage

of

convective

clouds

in

the

third

defense

llne

to

achieve

the

goal

of

rainfall

mitigation.

Based

on

the

plan,

additional

five

sets

of

ground

mobile

seeding

equipment

were

added

to

reinforce

the

capability

of

rainfall

mitigation

ahead

of

24

hours

of

target

time.

Rainfall

mitigation

was

carried

out

with

the

5

sets

equipment.

Insummary，thecloudseedingconditionforecastwasproper，andtheseedingplanwasreasonable，which

providedstrongsupportforfieldrainfalmitigationaction．Key

words:

cloud

seeding

condition

forecast,

seeding

operation

plan,

convective

cloud

precipitation,

artifi-

cialrainfalmitigation了雨滴群中的大粒子，从而抑制了降雨的发展，起到

引言人工消减雨是通过在云中适当时间、适当部位

减雨效果(潘雯菁等，2019)。近年来人工消减雨的

需求日益增多，目前虽积累了一定的经验和技术，但

从科学技术角度看人工消减雨比人工增雨要难很

多，仍属于科学试验的范畴,远没有形成成套技术。过量播撒催化剂，抑制特定目标区云和降水的发展,

从而使目标区降水减少，降低降水对重大社会活动

或体育赛事等的影响。1960—1964年美国开展的

国内外学者通过开展的人工消减雨外场试验和

数值模拟研究提出了催化作业条件指标判据，如孙

晶等(2010)利用数值模式研究了人工减缓梅雨锋暴

雨的数值试验，结果表明在一11〜一8C的高度上过

白顶催化试验(Lovasich

et

al,

1971)表明人工过量

播撒AgI可导致目标区降水减少。张纪淮等

(2005)认为在影响保护区的降水云系上风方，对云

系进行大规模、连续催化作业可以设法改变降水分

冷水丰富区域进行冰晶的过量播撒能够使区域降水

布、使保护区内无雨或出现小雨空隙。叶家东

(1993)指出人工抑制暴雨主要有截流效应、竞争场

效应和降水空间再分布3种假设。2008年8月8

减少，播撒剂量加大时减雨效果越明显。楼小凤等

(2014)利用耦合了

AgI类催化剂核化过程的三维

对流云模式，研究了人工减缓对流云降水的可能性

及原理，指出在云中上升气流区大剂量播撒可以减

日，北京西南部的房山和东北部的密云出现了小雨

到暴雨不同量级的局地降水，气象部门在北京西南

部针对可能影响奥运场馆的云系实施了过量火箭催

化作业，作业云的雷达回波强度减弱，高度降低，奥

少总降水量及降水中心的雨强，并且催化剂量越大

减雨效果越显著。何晖等(2012)利用改进的具有

AgI类催化功能的MM5模式，对2008年奥运会开

幕式消减雨试验进行了催化数值研究，选择云体接

近成熟时6

000〜6

500

m的过冷区，有大量过冷云

水而冰晶浓度低的区域以5

g

•

s-1的速率持续播撒

AgI

7

min,显示播撒作业后2

h,催化区域内均表现

运会开幕式活动成功举办(何晖和马建立，2008；张

蔷等，2009)。2014年8月16日南京青奥会开幕式

期间，气象部门采用过量播撒AgI的方式实施了人

工消减雨作业，作业后奥体场馆附近的降水出现一

定程度的减弱现象(张慧娇，2018),在减雨目标区的

为减雨。选择消减雨作业时机和部位时，主要关注

云和降水的宏微观特征，如云团性质、移向移速，将

温度、上升气流、过冷水含量和冰晶数浓度等作为催

目标时段，回波强度和回波顶高均呈减弱趋势(倪思

聪和魏鸣，2018),明显改变了雨滴谱分布，有效减小

化播云的指标判据。因此当开展消减雨作业云条件

194气

象第47卷预报时，也将重点关注这些云宏微观特征，依据预报

的云系条件制定消减雨作业预案，为提前部署作业

力量、申请空域提供科学依据,有利于消减雨催化作

业的高效实施。在开展人工增雨抗旱作业时，通过分析云系宏

微观特征，选择适宜开展增雨作业的区域实施催化

作业，但对于有明确保障任务的消减雨作业,一般都

有明确固定的保障时段和保障地点。那么在开展消

减雨作业条件预报时，就应该重点关注可能影响场

馆的云系，移动方向影响装备部署位置，移动速度影

响拟开展作业的时间，云系性质影响催化方式的选

择，这对云条件预报和作业预案制定提出了更高的

要求和挑战，尤其是对华北区域8月的云系进行定

时、定点、定量的精细预报,由于发生对流性天气的

概率很大，因而具有更大的困难。本文利用云降水显式预报系统（CPEFS_v1.

0）

产品，对2017年8月8日可能影响呼和浩特特定场

馆的云条件进行预报，制定消减雨作业预案,结合卫

星、雷达、机载探测等实况资料以及地面作业情况,

对云条件预报进行检验，分析作业预案的合理性，可

为今后开展相关工作提供技术思路及经验借鉴。1云降水显式预报系统及产品1.1

CPEFS_vl.

0模式系统和产品云微物理过程的正确表述对于数值预报至关重

要。根据不同降水云系的特征及增雨、防雹需求，中

国气象科学研究院（CAMS）胡志晋和严采蘩（1986）

和Hu

and

He（1988）研发了层状云、积状云微物理

数值模式，研制了双参数详细微物理过程的中尺度

云分辨模式，该方案将水凝物分为云水、雨水、冰晶、

雪和霰，同时预报其比质量及数浓度，同MM5、

GRAPES、WRF等天气动力模式耦合,成功模拟了

不同降水过程（楼小凤，2002；史月琴等，2008；高文

华等，2012；Lou

et

al,2012）。经过改进冰晶异质核

化和同质冻结核化过程，将改进后的CAMS方案耦

合到WRF

v3. 5,通过改进前处理系统和后处理系

统，开发形成云降水显式预报系统（CPEFS_v1.

0）,

该系统于2017年7月28日正式业务运行，每日08

时和20时采用T639全球模式的预报场作为初始

场和侧边界条件启动模式，预报时效为48

h。根据全国人工影响天气发展规划的6大分区,

结合计算资源和云系特征，该模式系统将全国大陆

范围分为8大区域（图1a）,提供水平分辨率为3

km

的云宏观场、云微观场、云系垂直结构和降水场等4

大类预报产品，主要包括云带、垂直累积过冷水、云

顶（底）高度/温度、雷达反射率、最大雷达反射率、各

种粒子的比质量、数浓度等物理参量。预报数据产

品和图形产品通过气象业务网发布，支撑各级人工

影响天气业务单位开展作业条件潜力预报业务。本次作业条件潜力预报采用CPEFS_v1.

0华

北区域的预报资料，模式水平方向采用二重双向嵌

套，格距为9

km和3

km（图1b），分别采用5

min和

30

s的地形数据，垂直方向为35层，模式顶气压为

50hPa。对于9

km大网格，选用KF-eta对流参数

化方案.CAMS云物理方案、YSU边界层方案、

RRTM长波辐射方案、GSFC短波辐射方案。3

km

细网格关闭对流参数化方案，其余物理过程选项一

致。可以采用大网格的预报资料分析天气形势演

变，而对于云场的分析，则采用细网格的预报资料,

尽可能详细地分析云系的宏微观结构特征。1.2云带及垂直累积过冷水产品云带的发展演变、移动、强度直接影响到人工增

雨/消减雨试验作业区域的选择，通过云带产品，可

以测算云系的落区分布、移动方向和移动速度等（孙

晶等,2015）。将模式预报的每一层的云水（理）、雨

水（狉）、冰晶（狇）、雪（狊）和霰（qg）的比质量求和后

垂直积分,形成云带产品（单位:mm）。cband

=丄

|

"

[qc

（狆）+

狉狆）+

狇（狆）+

gj"sqs

（狆）+

qg

（狆）]d狆过冷水是指在低于0C的区域存在的液态水,

过冷水含量的多少决定催化增雨潜力的大小（刘涛

等,2015）。将预报的温度低于0C区域的每一层的

云水和雨水比质量相加并垂直积分，得到垂直累积

过冷水（VISL,单位：mm）产品，垂直累积过冷水是

人影作业中的关键技术指标。VISL

=丄[[qc（.p）

+

狉（p）dpg

J

p（—0）对于数值预报产品的检验，主要集中在两方面,

一是针对模式产品如温度、降水量等的定量化统计

检验，另一个是以预报员思路为基础的主观天气学

检验（毛冬艳等，2014）。但对于水平分辨率小于

4

km的高时空分辨率数值模式预报产品，其检验仍

一直在研究和探讨之中，尤其是对于模式预报的云

系产品，尚缺乏较为成熟的检验技术。卫星反演的

第2期史月琴等：一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析195图1

(a)CPEFS_v1.

0模式预报区域和(b)华北区域预报范围示意图Fig.

1

Sketch

maps

of

(a)

CPEFS_v1.

0

prediction

area

and

(b)

prediction

region

of

North

China云顶高度，是指云顶相对地面的距离，云光学厚度是

云系在整个路径上云消光的总和。对于对流云降

展，移动加强，距离核心保障区约100

km；防护区东

北方向的云团发展加强并向东扩展移动，不会影响

水，云顶高度与光学厚度相关性较好，通常云顶越

核心保障区；距离核心保障区100

km正南方向生

成一块孤立的云团，同时核心保障区也有云团覆盖

影响，防护区域内云团水平尺度较小，分布不均，呈

高，光学厚度越大，并且产生降水时，云光学厚度大

多数大于17,云顶高度普遍大于7

km,当光学厚度

大于20时地面雨强明显增大（周毓荃等，2011）。将

现明显的对流云团特征。14时，防护区西北方向的

云团向东发展移动时，追上东北方向的云团，影响整

个防护区的北部区域；南部区域的云团也在发展加

模式预报的云带产品与卫星反演云特征参量进行对

比，可以定性检验模式预报能力。强。到15时北部的对流云团合并，逐渐完全影响保

2云条件预报在开展消减雨作业云条件预报时，通常是先分

析预报的云场、降水场、动力热力场等产品，结合已

有高空、地面、卫星、雷达等观测资料,确定影响天气

障区北部区域，同时保障区南部的云团也合并增强

影响保障区南部区域，形成南北两条云带，但南部云

团只向东移动，不会影响核心保障区。16时，在距

离核心保障区20

km西北方向的云团加强，防护区

北部云带缓慢减弱东移，南部云带减弱明显。17时

过程类型，分析云系性质、移向移速、演变趋势，云顶

核心保障区对流云团自西向东南方向移动，强度维

持。北部和南部的主云带持续减弱东移。18时，云

团移出核心保障区。分析各时间对流云团的位置和

（底）温度/高度、云体厚度、0C、一

5C、一

10C特征

温度层的高度等宏观结构，云系垂直结构，过冷云水

含量、冰粒子含量等微观结构,明确冷暖云垂直结构

水平分布，可知影响核心保障区的对流云团12时首

配置,判断降水机制，综合给出预报结论。2.

1云系性质及移向移速发展演变预报先在防护区西北方向生成，之后发展加强，自西北向

东略偏南移动，移速约为30〜40

km・h—1，逐渐影

响核心保障区。典型时刻云系分布如图2所示。2.2云系结构及微观特征预报预报显示，随着高空槽东移南压，8日08时之

后呼和浩特特定保障区西部中低层辐合加强，不稳

定条件增加，内蒙古中部K指数大于30C

,700

hPa

为了分析研究对流云团的垂直结构，我们选择

水汽通量较大，将有一次对流天气过程。利用8月7日08时预报结果分析云系性质及

其发展演变，重点保障时段为8日15—19时。结果

显示，8日12时在防护区的西北和东北方向分别生

成分散性的小块云团，之后云团水平面积扩大，强度

增强。13时防护区西北方向的云团向东、向南扩

典型时刻的云团进行分析。预报的16时雷达回波

（图3a）显示，保障区西北部的对流云团外形近于圆

形或椭圆且边缘平滑，总体看云团东西长约70

km,

南北宽约30

km,属于0中尺度系统，水平分布不均

匀，最大雷达反射率达到55

dBz,含有4

mm的垂直

累积过冷水（图3b）,过冷水分布区域明显小于总体

196气

象46°

N第47卷46°

N444442mm8365108

108 110 112

114

116

118°E110

112

114116

118°E446°

N321.54410.5420.1403836108 110 112

114

116

118°E108

110

112

114116

118°E图

2

CPEFS_vl.

0

预报

2017

年

8

月

8

日(a)13

时，(b)14

时，(c)15

时，

(d)16时水平云场分布(图中红色圆形曲线表示防护区设置,从外向内依次为第一、第二、第三道防线，

中心为野马图核心保障区，半径分别为20,50,100和150

km,下同)Fig.

2

Forecast

horizontal

cloud

distribution

by

CPEFS_vl.

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)云区，主要存在于发展旺盛的对流云团中。从垂直结构看（图3c,3d）,

—个个的对流云团

具有冷暖混合云结构，云中上升气流强，发展旺盛的

对流云团中冰相水凝物雪、霰含量高,C高度以下

小于100个•

L-1。而在对流发展较弱的云区，云

中上升气流弱，雪、霰和过冷水含量低，暖区无云水,

说明由于高层风的引导，云砧区域远大于雷达回波

区域,且回波只集中在冷区，地面没有产生降水。暖区云水含量少，可以判断出降水主要是由冰相粒

子融化产生。700

hPa以下的中低层相对湿度低,

3实况云条件分析及预报检验有利于雨滴的下落蒸发。云顶高度超过200

hPa,

达到10

km以上，云底高度范围为2.

5〜3

km,0C

高度约为4.

3

km,—5C高度约为5.

1

km,—10C

3.

1实况云系宏观特征及与预报的对比高度约为6.0

km,过冷水主要位于一20〜0C，高度

范围在4.

3〜7.

2

km,过冷水最大含量达到0.

7

g・kg-1，过冷水层主导风向为西南风，冰晶数浓度

8日11时卫星反演云特征参量显示，以核心保

障区为界，云顶高度大于7

km、光学厚度大于20的

对流云团主要分布在核心保障区的西北和西南方

第2

期史月琴等：一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析197mm42°

N70542°

N405432.521.51.210.80.60.40.2114°E100100114°E2.5300s40010.70.50.3500600s4532.521.510.7740.94111.0941.03111.4341.19111.770.10.050.40.94111.0941.03111.4341.19111.770.050.0141.21°N112.11°E41.21°N112.11°E图3

CPEFS_v1.

0预报2017年8月8日16时(a)组合反射率，(b)垂直累积过冷水，

(c,d)沿图3a,3b中红色箭头的垂直剖面：(c)云水比质量(填色，单位:g・kg-1

)、冰晶数浓度(红线，单位：个・L-1)、等温线(黑虚线，单位:C)、纬向风况和垂直运动(10狑)的合成风场(风向杆，单位:m・s-1)

,

(d)雪和霰比质量(填色，单位:g・kg-1)，雨水比质量(红线，单位:g・kg-1),等高线(黑虚线，单位：m),纬向风况和垂直运动(10狑)的合成风场(风向杆，单位:m・s-i)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：

C

)

,

and

wind

combined

by

u

and

10

狑(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

狑(black

barb,

unit：

m

・

s—1)向，距离核心保障区约100

km；防护区以东的对流

的云区已经扩展移动到防护区东北方向，并略有南

压，与防护区西南方向的对流云团合并。14时，合

云团云顶高度基本小于7

km,光学厚度大多数小于

20,且防护区以东的云系向东向南扩展移动，不影响

并后的对流云团逐渐移出防护区西北方向，继续向

东扩展并南压，强度维持，范围增大。15时，对流云

防护区（图略）。故重点分析防护区西北和西南的对

流云团。从图4可知，到12时，防护区西北方向的

对流云团发展增强，并自西北向东南扩展移动，云顶

高度大于7

km、光学厚度大于20的对流云团已经

团继续东移南压，云顶高度依旧大于9

km。到16

时，对流云团基本移出核心保障区，强度逐渐减弱。

总体看来，11—16时，对流云团在防护区西北方向

生成并不断发展加强，东移南压影响核心保障区，移

影响到核心保障区，而位于防护区西南方向的对流

云团强度维持，位置少变。到13时，防护区西北方

动速度约为40〜60

km・h—1。向的对流云团进一步发展加强，云顶高度大于9

km

198气

象46°

N第47卷"(b)4442喙口t德40鄂尔多斯朔！）y-冷唐山保定石家庄衡水38榆林/

/邢台

/饕36长治了C邯郸c城

rwS

泰安114

6632242016128108 110 112 114 116

118°E108

110 112 116

118°Ekm1I

10I98-7-6432108

110112 114

116118°E108

110

112114

116118°E图

4

2017

年

8

月

8

日(a)

12

时，(b)13

时，(c)14

时，(d)16

时的FY-2反演(a,b)云光学厚度和(c,d)云顶高度(图4d中棕色曲线代表11

—

17时云顶高度大于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波段雷达显示,1时许，在距离核

内，回波强度基本小于30

dBz,降水趋于结束。通过上述对于预报和实况分析可知，预报和卫

心保障区20

km以外、呼和浩特市西北方向的武川

境内生成多块分散的对流回波单体，回波单体外形

近于圆形或椭圆，水平尺度约为10

kmX10

km,强

星、雷达实况监测的云系均显示为水平分布不均的

对流云团，对流云团在防护区西北方向生成，之后发

度最大达到50

dBz（图5a）。12—13时,回波逐步逼

近核心保障区，回波水平分布不均匀，主体强度为

10〜35

dBz,在成片的回波中有多个强中心，局地回

展加强并向东略偏南方向移动影响核心保障区，预

报较好地给出了

8日对流云系的性质及移动方向。

但预报云系的出现时间比实况云系偏晚约1〜2

h,

移动速度比实况云系的移动速度偏慢约10〜20

km

波较强，强度最大约为45

dBz,对流云特征明显。

14时后，在核心保障区的西北方向约40

km处武川

・h-1。实况与预报影响核心保障区云系特征量对

比见表1。境内又生成小块对流回波单体，回波单体在东移过程

中合并加强，逐渐连成片状回波，形成对流云团，到15

总体看来，在有利的动力、不稳定层结和水汽供

应下，8日白天呼和浩特周边不断有分散性回波单

体生成，并快速发展成为强度超过45

dBz的强回

时左右对流云达到最强（5

dBz,图5b）,之后快速减

弱，生命史约为2h。雷达回波垂直剖面显示，回波

顶高接近10

km,回波接地，强中心柱状回波尺度约

波，提前24

h准确预报回波单体的生成时间、区域

为15

km宽。16时之后，呼和浩特周边60

km范围

位置和发展演变极其困难。

第2期史月琴等：一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析199表1预报和实测影响核心保障区云系宏微观特征统计Table

1

Macro

and

micro

characteristics

of

cloud

system

affected

the

core

protectionarea

by

forecast

and

observation云系特征预报对流云实况云系性质对流云初生区域对流云初生时间对流云防护区西北方向8日11时左右8日16时左右防护区西北方向8日12时左右8日18时左右对流云影响结束时间云系移动方向云系移动速度/（km

•

h—1）自西北向东略偏南30

〜40>10自西北向东略偏南40

〜60>9云顶高度范围/km云底高度范围/km最大雷达回波强度/dBz2.

5〜3

03.

355约550.

6g

•

m—3dBz70最大过冷水含量0.7g

•

kg—1145跟110

112°E

112°E40.99°N111.6°E41.06°N111.4°E41.12°N111.2°E30图5

2017年8月8日呼和浩特雷达组合反射率(a)10：58叠加B-3435飞机飞行轨迹,b)15：04,c)沿图5b中红色箭头的垂直剖面pFig.

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）研发了适合我国L波段探空秒

数据的云垂直结构判别方法并开发了相关的应用软

件系统。根据该方法8月8日呼和浩特的探空资料

燥这一有利于消减雨作业的环境特征。预报中给出

的0C高度约为4.3

km,

—10C高度约为6.0

km,与

08—14时探空给出的特征温度层高度基本一致,

（图6）表明,8时呼和浩特为多层云，在1.

5

km高

—

20C层高度预报偏低约350〜400

m,温度对比见

度附近有一层厚度约190

m的浅薄云层，云下有明

表2。表2呼和浩特站探空和预报的特征温度层高度对比显的逆温层存在，逆温层抑制水汽和热量的垂直交

换，便于低层储存大量的不稳定能量，随着太阳辐射

升温，逆温层遭到破坏，容易产生对流性天气。在

0C层以上的冷区，有厚度约1.

7

km的中云覆盖。

Table

2

Comparison

of

characteristic

temperature

layer

height

between

sounding

and

prediction at

Hohhot

Station实况/预报08

时14

时0C层高度/m42964255—10C层高度/m—20C层高度/m14时呼和浩特演变为两层云，在1.

2

km高度附近

568400有一层厚度约40

m的浅薄云层，主体云系的云底

高度为3.3

km,云顶高度约为10

km,云体厚度近

6.7

km,云顶温度约为一40C左右。700

hPa以下

20

时41504300预报6000的低层仍然比较干燥。到20时降水过后，呼和浩特

演变为与08时比较相像的层结曲线。3.

2机载探测分析及预报微观云场检验预报云顶高度超过10

km,云底高度为2.

5〜

3.

0

km,云底之下相对湿度小。预报云顶、云底高

8日09：53—14：43,新舟B-3435高性能飞机在

防护区西北部开展了探测和作业飞行（飞行轨迹见

度与实况探测一致，同时也较好地预报了低层比较干

图5a）,自3

600〜6

300

m垂直盘旋上升，每300

m

200气

象第47卷12

—12­10

—1010-8

-8

—眉6

—6

—4

—4-2

—2-———r-50 0

50

0-50

00

10050

100-50 0

50

100—T------RH“—RH.—►

10

m

・

s_1图6

2017年8月8日(a)08时，(b)14时,020时呼和浩特站探空分析(阴影区域代表云区，水平红线为0C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

llne

is

height

of

0C)一层开展云探测，区域内有发展旺盛的积云对流，存

成并向东略偏南移动，故重点布防区设置在核心保

在明显的颠簸。在3

600〜4500

m,云滴数浓度介于

45〜600个・cm-3,液水含量介于0.

05〜0.

5

g・

m—3。在5

400

m高度处温度为一8C，云滴数浓度

障区的偏西方向(图7),蓝色实线椭圆区为飞机探最大超过600个・cm—3，云滴粒径为17〜20

»m,液

水含量为0.

1〜0.

6

g・m-3，二维图像表明，该层的

液滴粒子较多，但冰晶粒子较少。根据陶树旺等

(2001)利用机载粒子探测资料得到的增雨指标判据

42°

N附土

土默曙分析，该区域具有可播性，适宜使用AgI催化剂进

行冷云播撒作业。预报过冷水含量最大达到0.

7

g・kg-1

,比

5

400

m高度处飞机探测的过冷水含量略大，但由

40于飞行区域回波不是最强，估计实况过冷水含量与

预报差异较小。图7

110

112114°E2017年8月8日探测和作业预案示意图(绿色虚线与红色圆形形成的区域为重点关注和探测作业

4作业预案制定和合理性分析4.1作业预案制定区域，最外圈为第一道防线F1区，第二道防线为S1区，第三道

防线为T1区；蓝色实线椭圆区为飞机探测和作业区，红色实线

的矩形框为地面作业区域，蓝色虚线椭圆区域为关注区)Fig

7

Sketch

mapofdetectionandoperation

根据上述对云系性质、宏微观结构、垂直结构、

移动演变特征等作业云条件的预报分析，确定催化

planon8

August2017(The

area

formed

by

green

dashed

line

and red

circle

is

the main

focus

and detection

area；

the

outermost

circle

is

the

作业时间、落区、温度和高度范围，7日下午制定作

业预案并分发外场作业组，主要考虑飞机探测、作业

以及地面作业。预报对流云

团

8

日

12

时在

防护

区

西

北 方向

生

first defense

area,

named

F1

area；

the second

circle

is

S1

area,

and

the

third

circle

is

T1

area；

the

blue

solid

llne

ellipse area

is

the aircraft detection

and

operation area,

the red

solid

lnerectangularframe

sthegroundseedngoperatonarea，

and

the

blue

dashed

llne

ellipse

area

is

the

concern

area)

第2期史月琴等：一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析201测和作业区，建议飞机在8日上午选择回波强度小

于25

dBz的弱回波区域、第一道防线为主的F1区

开展探测和冷云播撒作业，考虑到新舟B-3435高性

能增雨飞机的性能，预案中给出的探测高度介于

4000〜7000

m,即云底以上的过冷水大值区开展探

测，催化高度介于5100〜7000

m,即—20------5C范围内开展冷云作业。预报云系移动速度为30〜40

km・h-1，故对于地面作业，选择红色实线矩形框中

距离核心保障区50

km范围内的第三道防线为主

的T1区，在开幕式活动前对流回波初生阶段5

100

〜7000

m的高度范围内，利用火箭实施过量AgI播

撒作业，达到消减雨作业的目标。蓝色虚线区域为

关注区，建议关注该区域内实况云系的发展演变，加

强监测。42作业预案合理性分析作业预案中指出，核心保障区的偏西方向为重

点布防区，探测、催化作业时段为8日上午到庆祝活

动结束前，催化作业高度介于5

100〜7

000

m,采用

AgI开展冷云催化作业。在第一道防线为主的F1

区的弱回波区域开展飞机探测和冷云播撒作业，在

第三道防线为主的T1区、对流回波初生阶段实施

地面火箭过量播撒作业。新舟B-3435飞机于8日09：53—14：43在防护

区西北第一道防线为主的区域开展了探测和作业飞

行（飞行轨迹见图5a）,作业高度为5

400

m,采用了

AgI播撒，作业时间、区域位置、高度、温度与预案中

一致。根据作业预案，内蒙古人工影响天气中心7日

下午在防护区西北方向第三道防线内武川县大豆铺

乡镇、安子号乡镇周边增设5个移动作业点（图8）。图8第三道防线新增移动作业点示意图Fig.

8

Sketch

map

of

new

established

mobile

operation

points

on

the

third

defence

area8日13时左右，核心保障区西西南方向出现局

地生成的带状强回波，自西向东移动。在第一、二道

防线保障区西北侧（a区）及保障区西南侧方向（b

区）开展地面消减雨作业（图9）。14：24保障区西北

方向武川县境内出现分散性强回波单体，在短时间

内合并、增强移向核心保障区，利用临时增设的移动

作业点（区），对分散性强回波单体开展消减雨作

业（图9）。上述3个区域地面作业催化剂用量详见

表3。这3个地面作业区域都在预案中设定的地面作

业范围之中，在临近重点保障时段2

h内开始集中

作业，尤其是根据云条件预报在第三道防线新增设

了

5个地面作业点，如果没有这些新增的作业点，对表3 2017年8月8日13：00—16：40核心保障区西侧地面作业情况统计Table

3

Statistss

of

ground

operation

on

the

west

side

of

the

core

defence

area

in

13

：

00

—16

：

40

BT

8

August

2017作业量a区b区c区作业轮次54613高炮炮弹用量/发3485095火箭弹用量/枚203060图9核心保障区西侧2017年8月8日

开展作业的地面站点分布示意图

(a：第一、二道防线保障区西北侧，b：保障区西南侧，

c：第三道防线西北侧；其中最小的红色圆圈为以作业点为圆心半径

8

km区域，代表作业可能影响范围)Fig.9

Sketch

mapofoperationpointsonthewest

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)

202气

象第47卷14：24—15：30出现在武川境内的强回波将无法开

小，强回波面积略有增加。从回波单元各物理参量

展消减雨作业。可见预案给出的作业时段、区域、高

时间演变（图11）可以看出，伴随着武川县境内局地

对流的生成（14：24）,回波顶高和积分液水含量

（VIL）明显增大，14：50—15：10对流单体自西向东

度范围，以及催化剂、催化方式选择合理，根据预案

临时在武川县境内增设的移动作业点为集中开展消

减雨作业奠定了基础，提前24

h开展作业云条件预

移动过程中与南侧回波合并发展，最大反射率稍有

增加但回波顶高和VIL变化不大；15：00—15：30为

地面集中作业时段，作业后雷达回波分裂且逐渐减

报和预案制定为固定目标区消减雨作业提供了强有

力的技术支持。以25

dBz为阈值识别强回波单元，利用雷达资

弱，雷达回波各物理参量也迅速减小。综上雷达回波发展演变的直观分析，初步认为

料时空变化追踪作业回波发展，并分析各回波物理

参量的时间演变。从图10可知，8日13时左右保

障区西西南侧出现带状强回波,3：58中心最大回

针对保障区西西南侧带状回波（b区共消耗高炮炮

弹850发、火箭弹30枚）开展地面消减雨作业后,回

波团逐渐减弱分裂，部分分裂后的回波单体逐渐消

波强度超过55

dBz,回波顶高近10

km。在强回波

自西向东移动过程中，在第二道和第三道防线附近

b区开展了大量的地面火箭、高炮作业。受作业影

散，最大回波强度由55

dBz降至约30

dBz。针对保

障区西北侧武川县境内局地生成对流单体（a区、c

响，带状强回波在移动过程中逐渐减弱、分裂。

14：4起，保障区西北侧不断有局地对流回波形成

区共消耗高炮炮弹129发、火箭弹80枚）开展地面

消减雨作业后，回波团经历先发展后合并，之后略有

且逐渐增强，在自西向东移动过程中与其南侧回波

合并后强回波面积略有增加，组织作业力量在a区、

c区开展地面火箭、高炮作业。作业后回波强度减

减弱的过程，强回波面积略有减弱，但最大回波强度

无明显变化（约55

dBz）。产生这种差异的原因可

能与作业剂量有关,还需下一步开展针对性研究。dBz*70-651605550•

45•

40•

35-30I 25•

20-15-10」5112°E

112°E图10

2017年8月8日13：58—15：30呼和浩特雷达组合反射率Fig.

10

Hohhot

Radar

composite

reflectivity

in

13

：

58

—15

:

30

BT

8

August

2017

第2

期史月琴等：一次对流云人工消减雨作业云条件预报和作业预案合理性分析20312108

月*、鰹幣回6兀6040刃3020ff猱址性•*100514：3014：4515:0015；155!3045猱退*■zap、*时间/BT图11

2017年8月8日以25

dBz为阈值追踪雷达回波单元各物理参量随时间的变化〔方框为作业集中时段)Fig.

11

Time variation

of

radar

physical

parameters

using

25

dBzas

a

threshold

on

8

August

2017(Box

is the

period

of operation)总体看来，本次对流云消减雨作业云条件预报

5结论和讨论为了做好固定目标区消减雨作业，本文利用

CPEFS_v1.

0模式系统开展了

2017年8月8日的

较为理想，制定的作业预案有利于作业装备的优先

部署和临时调配，为固定目标区消减雨作业提供了

有效防护。但考虑到目前中尺度数值模式预报能

力，应该加强卫星、雷达等对云降水的监测和临近跟

作业云条件预报和作业预案制定，利用卫星、雷达、

踪监测，为临近作业方案的修正提供科学依据。目

机载探测资料分析实况云降水特征及演变，对云条

前消减雨作业处于探索尝试阶段，什么样的云适合

开展消减雨作业，可以取得什么样的效果，可实施消

件预报进行检验，对作业预案进行合理性分析，主要

得到如下结论：(1)

8日上午分散性对流单体在防护区不断地

减雨作业的时间窗口是什么，科研积累还远远不够,

风险高，难度大，消减雨作业并不一定能使核心保障

区真正不受降雨的影响，尤其是对于发生在核心保

生成并快速发展，初生在防护区西北方向的对流云

团东移略南压影响核心保障区，水平尺度约几十千

米，回波顶高10

km,对流单体生命史约为1.

5〜

3

h,预报云系的性质、对流云系的移向与实况一致,

障区的云降水系统，更是由于作业条件限制而无法

开展人影作业。今后需要对CPEFS模式系统预报产品进行不

生成时间偏晚1〜2

h,移速偏慢10〜20

km

•

h—1。(2)

预报对流云团具有冷暖混合云结构，云中上

同天气类型降水过程预报效果总结凝练，提炼相应

的预报技术指标体系，切实提高云条件预报水平和

升气流大，冰相水凝物雪、霰含量高，暖区云水含量

预案制定精细服务能力。参考文献蔡淼，欧建军，周毓荃，等,2014.

L波段探空判别云区方法的研究

:J1

大气科学,38(2)213-222.

Cai

M,0u

J

J,

Zhou

Y

Q,et

al,

少，700

hPa以下的中低层相对湿度低，云顶高度约

为10

km、云底高度约为2.

5-3.

0

km,0C高度约

为4.

3

km,过冷水最大含量达0.

7

g

•

kg-1，过冷水

丰沛区域冰晶含量低，与卫星反演云顶高度、雷达、

探空及机载探测结果基本一致。(3)

作业预案中给出重点布防区在核心保障区

2014.

Discriminating

cloud

area

by

using

L-band

sounding

data

[J].

Chin

J

Atmos

Sci,38(2)

：213-222(n

Chinese).高文华，赵凤生，胡志晋，等,012.

CAMS云微物理方案的改进及与

WRF模式耦合的个例研究[J].地球物理学报,5(2):

W

H,

Zhao

F

S,

Hu

ZJ,

et

al,

2012. Improved

CAMS cloud

的偏西方向，催化作业高度介于5

100〜7

000

m。8

日上午飞机在第一道防线的弱回波区开展探测作

业，地面作业集中在第三道防线对流云初生阶段实

施过量AgI播撒，达到消减雨作业的目标。作业预

microphysics

scheme

and

numerical

experiment

coupled

wth

WRF

model[J]. Chin

J Geophys,5

(2)

：

396-405

(in

Chinese).案中给出的重点布防区、作业时间、高度、催化方式

与实际作业一致。7日下午临时增设的5个地面移

何晖，马建立,00&人工消减雨作业雷达回波特征综合分析:J]气

象，34

(

S1

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