风云卫星在飞机联合增雨中的应用
人工增雨（雪）是指对具有人工增雨（雪）催化条件的云，采用科学的方法，在适当的时机，将适当的催化剂引入云的有效部位，达到人工增加雨（雪）目的的科学技术措施，对于森林火灾的预防和应急处置有重大作用。森林火灾是指不受人类控制，在林地中自由传播和扩散，对森林生态系统和人类造成一定伤害和损失的火灾行为，其发生非常突然，具有很强破坏性。在全球气候变化背景下，气象条件已成为森林火灾的主要致灾原因。川西高原位于四川省西部，是青藏高原东南缘和横断山脉的一部分，高山峡谷众多，地面海拔4000～4500m，一年之中降水主要集中在夏季，春秋两季降雨量较少。由于川西高原高山林区特殊的地理、气候、植被条件，一旦发生森林火灾，传统的灭火方式难度较大。目前，天气雷达在川西高原不能达到完全覆盖，存在观测盲区，且受地形遮挡较大；地面气象台站和常规探空站在川西高原相对稀疏，观测范围具有局限性；其他地面观测设备布设较少，垂直探测能力薄弱，这些都很大程度上限制了人工增雨（雪）作业条件的监测分析。卫星具有多时次、大范围、连续性、资料获取便利等优势，可有效弥补地面观测手段的不足，在森林火灾的预防和应急处置中发挥着重要作用。随着卫星技术的飞速发展，为云降水研究提供了新思路，学者们不断探索卫星资料在人工影响天气业务工作中的应用。卫星可以获取云系宏微观监测反演信息，监测反演得到的云顶温度、云顶高度、云粒子有效半径等云物理产品，反映了云系的发展状况，有利于跟踪云系演变，为飞机增雨作业时机、部位的选择提供科学依据，亦可用于人工增雨催化效果分析。从风云二号到风云四号，我国自主研发的风云系列卫星在飞机增雨中发挥了日益显著的作用，刻画了更为清晰的云微物理结构和特征参数变化。人工增雨作业条件分析的数据资料来源为风云四号卫星反演云产品，作业后分析的数据资料来源为风云二号卫星反演云产品。利用风云四号气象卫星天气应用平台（SWAP）对卫星遥感产品的数据进行识别显示，充分发挥风云卫星高频次、高空间分辨率的优势，针对降水过程开展实时监测，分析人工增雨作业条件。飞行轨迹来自北斗卫星导航系统飞行实时采集，同时可实时反映飞机所处的高度、温度、风向和风速等。雨量和相对湿度资料来自于地面气象台站，温度和风速资料来自于探空数据。2024年3月15日，四川省甘孜州雅江县发生森林火灾，3月16日，四川省甘孜州康定市发生森林火灾，受风力影响，火势迅速扩大蔓延，过火面积大。3月18日，经现场反馈，由于川西高原地形复杂，火场山高林密，岩陡坡急，灭火人员不易到达，雅江火场有向东部蔓延的趋势，康定火场扩张趋势不明显。在中国气象局人工影响天气中心的指导下，在青海省气象局、辽宁省气象局的大力支持下，四川省人工影响天气办公室组织部署3架高性能飞机，其中新舟60、空中国王360飞机停驻四川广汉机场，空中国王350飞机停驻青海西宁机场，协同开展森林火灾人工影响天气应急保障。2024年3月以来，四川地区平均气温较常年同期偏高1℃以上，平均降水日数8.5天，与常年同期相比偏少1～8天。由于3月四川地区大部高温少雨，气象干旱发展迅速，森林火险等级持续偏高。从3月1—19日的相对湿度分布图（图1）来看，四川盆地大部分地区相对湿度高于60%，川西高原相对湿度明显低于四川盆地，尤其川西高原南部相对湿度低于40%，甘孜州雅江康定一带的相对湿度大约在30%～40%。与相对湿度空间分布一致，此阶段盆地沿山一带以及盆地东北部降水量偏多，而川西高原降水偏少，川西高原南部的凉山州和甘孜州部分地区没有降水过程发生（图2）。根据四川省气象台天气预测，2024年3月20日下午至21日凌晨，甘孜州雅江火场和康定火场附近有降水过程。结合数值模式，此时段川西高原有云带分布，云系以冷云为主，自西向东移动，云中有过冷水分布，主要位于-10～-30℃（高度4～8km），具有增雨作业条件，可实时监测云层发展，抓住有利时机适时开展飞机人工增雨作业。川西高原的巴塘站探空数据显示，3月19—20日，低层夜间20∶00的温度略高于早晨08∶00，高层夜间和早晨温度相对稳定。由于川西高原地面海拔4000～4500m，为保障飞行安全，预计在5500m及以上高度层开展飞机人工增雨作业。5500～7000m高度层温度约-15～-20℃，正处于冷云播云的有效温度窗（-10～-24℃）（图3a），适合采用碘化银烟条开展冷云催化作业。此高度层早晨08∶00的风速高于夜间20∶00，风速大约15～25m/s，风向偏西风（图3b）。结合天气预报和数值模式，预计在3月20日17∶00—21∶00连续进行冷云催化作业，空中国王350和空中国王360飞机分别在雅江火场上方和左方区域开展人工增雨作业，新舟60飞机在康定火场上方区域开展人工增雨作业。利用风云四号B星资料开展作业条件监测识别分析。卫星反演的云顶高度、云顶温度、云相态等有助于了解云系的发展程度和演变趋势，可用于进行云系播云温度窗的选择。图4、图5和图6分别为3月20日14∶00—16∶00的云相态、云顶高度和云顶温度，从14∶00开始跟踪云系演变，川西高原上空有云系覆盖，北部以卷云和冰云为主，南部以混合云和过冷水云为主，雅江和康定火场位于川西高原南部，以混合云为主，存在部分暖水云和过冷水云。至15∶00，北部云系仍以卷云和冰云为主，南部云系有明显演变，暖水云和过冷水云范围变小，逐渐被混合云覆盖，整体云系呈发展状态。雅江和康定火场附近（黑框区域）以混合云为主，云顶高度升高，大部分区域7000～8000m，云顶温度降低，最低可达-40℃。根据云系发展，按照原定计划不变，预计于17∶00开始在云层中上部冷云区开展催化作业，通知外场工作人员准备飞机作业。图4 卫星反演云相态（3月20日14:00—16:00）图5 卫星反演云顶高度（3月20日14:00—16:00）图6 卫星反演云顶温度（3月20日14:00—16:00）继续追踪云系演变，至16∶00，云系持续发展，川西高原地区仍以冷云为主。川西高原北部上空云系较之前发展更加深厚，为大片冰云，云顶高度超过12000m，云顶温度低于-40℃；川西高原南部上空为混合云和过冷水云，云顶高度低于北部，云顶温度高于北部。此时川西高原北部已开始产生降水，大部分地面观测站监测雨量0.2mm/h，南部还未有降水产生，推测川西高原北部为高低云作用的降水过程，高云以固态粒子为主，提供了冰晶，低云中含有丰富的过冷水，利于掉落下来的固态粒子增长。雅江康定火场一带为作业目标区域（黑框区域），上空主要以混合云为主，存在部分过冷水云和少量暖水云，大部分地区云顶高度7000～10000m，云顶温度-20～-35℃，局地最低可达-40℃。作业目标区域上空为冷暖混合云结构，云中含有过冷水，缺少高层冰晶。因此抓住有利时机，对作业目标区域开展人工增雨催化作业，在6000m左右的冷云区播撒冷云催化剂，当自然云内冰晶浓度不足时，通过引进人工冰核，使云中微观结构发生变化，促进冰水转换过程而增加降水量。第一架次空中国王350飞机从青海曹家堡机场起飞，穿过川西高原北部，到达雅江地区开展人工增雨作业，播撒催化作业时间17∶07—18∶00。第二架次空中国王360飞机从四川广汉机场起飞，飞过盆地沿山一带，从雅安地区进入川西高原，在雅江、康定一带开展人工增雨作业，播撒催化作业时间17∶40—18∶32。第三架次新舟60飞机从四川广汉机场起飞，避开空中国王360飞机飞行航线，沿着眉山-雅安-九龙-康定路线，在进入九龙地区后开始人工增雨作业，播撒催化作业时间18∶44—20∶01。风云三号卫星影像叠加三架飞机航线（图7）可以发现，风云三号D星（过境时间3月20日14∶34）三通道合成图、风云三号C星（过境时间3月20日18∶19）多通道合成图显示，川西高原云系大部分呈条纹状，云层较高，云系在当天下午持续发展，作业目标区上空有云系覆盖，云系发展至18∶19，第二架次和第三架次航线涉及区域云层深厚。图7 风云三号卫星影像（3月20日）和三架飞机航线结合风云二号H星卫星资料反演云参数来分析实施催化作业后的云系发展演变情况。图8和图9分别是18∶00和20∶00的云分类和云顶温度产品。18∶00，第一架次空中国王350飞机增雨作业结束播撒，第二架次空中国王360飞机增雨作业正在播撒，此时作业目标区域内（黑框区域）仍被云层覆盖，层状云系上发展有大量卷云，云顶温度较低，与16∶00云顶温度无明显差异，大部分区域可达-20～-30℃，作业区域内出现局部云团的云顶温度低于-40℃。根据空中国王360飞行员反映，催化作业时飞机在云中颠簸较大，气流不稳定，云中对流加强，飞机出现轻度结冰，遂决定在返航时进行绕飞，脱离深厚对流云团。20∶00，第三架次新舟60飞机增雨作业结束播撒，作业目标区域内层状云系继续发展，高层与或雨层云覆盖面积增加，云顶温度仍无明显变化，大部分区域依旧维持在-20～-30℃的低温区间。根据新舟60飞行员反映，在播撒4根碘化银烟条后，飞机在九龙附近上空，飞行高度6600m遇到中度以上快速结冰，因此飞行员决定返航。推测新舟60飞机遇到云系发展的上升期，云中过冷水丰富，云中温度较低，飞机发生结冰具有较大飞行风险。为保障飞行安全，新舟60实际飞行航线与预设航线有所调整。图10为飞机人工增雨作业前后四川省地面降水量分布图，根据地面气象台站观测，飞机人工增雨作业前3月20日0∶00—16∶00，整个四川地区仅川西高原北部有小雨，甘孜州无地面降水产生，播撒碘化银人工增雨催化剂后的17∶00—23∶00，川西高原北部降水减弱，甘孜州有地面降水产生，甘孜州雅江县附近的理塘市和康定市有小雨，雅江县观测站未监测到明显降水。据雅江县火点直线距离约20km的雅江剪子湾现场工作人员反馈，催化作业后火场周边出现小到中雪（图11），为扑灭森林火灾发挥了重要作用。人工增雨作业是最直接有效的森林防灭火手段之一。人工增雨作业通常需满足以下条件：云降水处于发展或者持续阶段，云层厚度较大，过冷云层较厚，云中有过冷水，冰晶浓度较低。针对2024年3月15日发生的甘孜州森林火灾，3月20日四川省人工影响天气办公室在中国气象局指导下，组织3架高性能作业飞机开展连续催化作业。在实施飞机人工增雨前，根据卫星、探空等实况监测产品来识别作业条件、判断作业潜力区，结合实际空域情况和火情发展，抓住有利天气条件，进行有针对性的飞机人工增雨作业。在催化作业过程中，监测飞行航路上的云层情况，及时与飞行员联系，调整飞行方案，确保作业安全。通过3月20日飞机人工增雨和地面消防扑火等各方力量的艰苦努力，甘孜州火场周边出现小到中雪，康定县火场全线无明火、无烟点，雅江县1号火场明火扑灭。我国自主研发的风云系列卫星在此次森林火灾应急处置中发挥了重要作用。
