新疆冬季飞机人工增雪作业系统

　　     摘要：人工增水与其它开源方式相比较是一项投资少、见效快、相对成熟的技术。飞机增雪主要由引入人工冰核产生冰晶，促进降水的形成。新疆冬季飞机增雪的作业区域主要为北疆沿天山一带，人影办在每年的冬季租用空军的运—8型飞机，在有利的层状云系天气形式下，通过完善的通信指挥系统，设计出科学合理的作业方案，使用催化剂播撒设备播撒碘化银进行催化作业，提高了作业的科学性和有效性。同时在实践工中也发现存在许多需要提高的地方。

　　多少年来干旱、缺水一直都在制约着新疆经济的发展，在西部大开发中，新疆是否能抓住机遇、发展经济，在很大程度上取决于水的开发利用。新疆地处西北内陆干旱区，山地占土地面积的40%，降水占84.3%。占全区60%的盆地平原区，平均降水仅28毫米。可见山区降水是该干旱区所有形式的地表水和地下水体的主要补给源，而自然降水不能满足日益增长工农业发展的要求。国外[1]的人工增水通过大量的随机化试验，得出目前比较公认的人工增水可使降水量增加10%~15%的结论。目前人们通过飞机、高炮、火箭等引入碘化银人工冰核，以达到增加降水的目的。新疆地区近些年来一直坚持大范围的增水作业，为新疆的经济发展做出了贡献。

　　1作业情况概述

　　北疆沿天山一带西起博乐、乌苏东至奇台、木垒是新疆冬小麦的主要产地。为了保护冬小麦安全越冬和缓解春旱，新疆人影办自1978年冬季开始飞机人工增雪作业试验。在适当[2]的天气条件下，采取人工催化技术向一个地区可能下雪或者正在下雪的云层中播撒适当的(碘化银等)催化剂，这些催化剂释放到云中，形成细小颗粒，即“凝结核”，“凝结核”在云层中快速吸收云中水汽，使“凝结核”增大，在空中遇冷形成雪花降落到地面，增加局地降雪，一方面可以有效地缓解旱情、增加土壤墒情、提高地温、有利于冬小麦的安全过冬、增强春季返青生长能力、遏制和杀死地面害虫和虫卵、有效地净化空气、保护环境、有利于人体健康；另一方面人工增雪可以形成“桃花水”，有利于高山积雪、水库蓄水，以缓解来年水资源的短缺。

　　其中1978一1984年主要以探测研究为主，结合开展作业试验。由于缺乏完善的作业指挥系统，因此作业试验存在很大盲目性。1985年以后着重抓了飞机人工增雪作业(试验)指挥系统的建设与应用。1985年以来，新疆北部冬季飞机人工增雪作业(试验)指挥系统的建设主要取得以下进展:(1)引进了机载碘化银发生器，2004年以后又逐步引进了机载焰条及烟弹播撒系统，取代了干冰、介乙醛、碘化银水溶液等播撤装置，提高了播撒效率，降低了作业成本；(2)引进了PMS云粒子测量系统，提高了资料取样的密度和信息量，减少了机上观测的劳动强度；(3)80年代改装了两架(双水獭和安一26型)，2005～2009年又改装了两架（运－8型）人工增雪作业专用飞机，为作业的顺利开展提供了基本保证；(4)建成了西起博乐东至乌鲁木齐的长达400km的雷达探测网、雪情气象观测网，以及包括图传、话传在内的无线通讯网，2005一2009年又引进了两部北斗空地数据传输系统，提高了天气监测和信息传输能力；(5)建立了包括区气象台、地州气象台在内的多层次的专项天气预报业务联系，提高了人工增雪作业天气条件的预测能力。经过以上努力，初步建成了包括天气预报、监测、信息传输、作业飞行探测、资料处理和效果分析在内的飞机人工增雪作业(试验)指挥系统。

　　2009年冬季开始，新疆首次同时选取两个作业基地，一个位于巴州的库尔勒军民两用机场，一个位于距克拉玛依市区以南15公里的民用机常坐标为东经85o16′，北纬45o44′。新疆的克拉玛依市位于准葛尔沙漠边缘，气候干燥，降水稀少，而且在云系翻越山后形成下沉气流，降水条件很差。克拉玛依油田生产和生活用水量的90%直接或间接的来自于山区，主要在白杨河上游山区进行飞机增雪，兼顾北疆其它地区，并按地理位置划分为15个区域（图1）。

　　图1增雪区域示意图

　　Figure.1thediagramofsnowfallarea

　　2主要作业设备

　　2．1作业飞机

　　作业飞机选取的是国产的运—8型飞机，该飞机飞行高度高、飞行速度快、续航能力强，加一次油可以连续飞行7～8小时。比较适合地域辽阔的新疆。

　　2．2作业播撒设备

　　飞机播撒主要有两种形式：烟条和焰弹。烟条是将焰剂压制成端面燃烧的柱状装药，点燃后连续燃烧播撒。飞机每一架次携带10～20个烟条进行播撒，形成[3]面催化带；焰弹播撒是将焰剂压成质量约50g的小药块，按一定的时间间隔连续发射，焰弹边燃烧边下落，形成立体催化带，适合在云层顶部播撒。

　　烟条采用ZY-1机载焰条播撒系统：

　　系统由播撒器、点火控制器和焰条三部分组成。优点是准备作业时间短、引晶浓度提高、播撒时间增长、操作简单，目前发展成为人影机载播撒的主要设备，适用机型有运—7、运—8、运—12等。

　　单架次最多可携带50千克BR-91-Y型催化剂，含2.5千克碘化银。

　　焰条性能参数

　　直径 φ60mm

　　长度 96.4mm

　　焰剂质量 2.5kg

　　AgI含量 125g

　　燃烧时间 25min

　　2.3作业通信设备

　　作业通信设备采用北斗空地传输系统，该系统是基于GPS[4]、GIS及北斗技术研制开发的，该系统将GPS定位信息和北斗卫星的通信功能通过计算机进行有机的结合，将定位数据和文字信息通过北斗通信系统进行传输。安全可靠性较高、实用性也较强。

　　3增雪作业实施及方案设计

　　3.1人工增雪的主要天气形势

　　层状云系是北方冬春季干旱开展人工增雨（雪）的主要作业对象，新疆冬季层状云降水的总量和强度孝持续时间短。降水强度的量值范围在10-2～10-1毫米/小时之间，影响新疆的主要天气系统包括：长波槽、短波槽、锋压槽、锋区小波和低涡。

　　统计历年降雪的各类天气形势及人工增雪个例，适合人工增雪天气形势主要是西北路径的新疆冷槽型。例如乌拉尔山或其以东部的巴尔喀什湖经常会发展为高压脊。脊前为强的偏北气流，新疆(35～55°N，75～95°E)会发展出冷槽，且有较强冷空气入侵，槽前为较明显的偏西南气流，新疆的高、低空温差较大，高空湿度大。新疆至河西西部等值线较为密集，气旋性曲率较大，高空锋区位于天山到河西一带。地面有冷高压逐渐加强，有明显的冷锋由西北向东南移动，常伴有降雪、大风、降温等天气。

　　卫星云图上，上游及本地云层稳定，云块范围大，自西北向东南方向规律移动，以闭光高层云为主，伴随有透光高积云、积云性高积云和密卷云。

　　3.2作业指挥流程及方案设计

　　外场作业从不同的角度有很多分类，按目的不同可分为两类，一类是以实验研究为主的，主要目的是解决人影工作中尚未解决的理论问题。国外以实验研究为主的人工增水大多是随机试验，即要放弃一半左右的作业机会；另一种是业务性的，即根据实际需要以抗旱蓄水为目的。新疆冬季飞机增雪主要是以业务性为主。在实际的外场作业中要考虑是否有适合作业云系，对目标云系实施作业的指标包括云的宏观特征和微观特征，云的微观特征数据一般较难获得。需要为实现适宜播撤剂量、播撒部位、播撒路线等设计科学合理的作业飞行方案。

　　一般而言决定飞机是否作业的天气标准是:(l)作业区以外上游测站已出现1～2mm以上的降水，同时天气系统的前部云系已进入或即将进入作业区；(2)在作业区内的雷达可以普遍探测到强度>20dB的大片层状云回波，并判断处于加强发展阶段；(3)作业区内上游测站已观测到厚实的层状云系，并开始出现降雪，雪晶多呈枝星状，且表面粘附大量过冷水滴。对目标云实施作业播撒的一般指标是:(l)云顶温度高于一20℃，自然冰晶浓度较小（需要有云粒子测量系统等设备才能进行探测），或高层无起“播种”作用的降雪带(引晶云)存在；(2)云内最大液态水含量>0.2/m3；(3)过冷水云层厚度应>1km（人工判断云底高度时一般以起飞时本场的云底高度做参考值）。人工引入“冰核”的(播撒层)高度宜在过冷水云层的顶层，作业飞行方式通常采用游动态“蛇形”或“S”形播撒。通过调整蛇形宽度或间断点火的办法控制引晶浓度，实现适度播撒（但实际作业航线设计中还要根据有关空管部门的要求和飞机上领航员的设计方案）。

　　为便于工作，作业指挥部通常设在作业飞机所在的机场附近，有了飞机空地数据传输系统后，人工增雪作业试验的组织领导和计划实施更加方便和快捷。作业指挥系统运行(见框图2)的基本程序是:

　　图2作业指挥系统的基本程序

　　（1）根据天气预报，一般提前一天申报作业飞行空域。计划飞行的当天根据各种天气监测资料，确定作业飞机是否起飞作业，以及起飞的时间和飞行区域。天气实况监测的一般程序是:先远后近，先上游后下游。其主要手段是:1.利用卫星云图及时了解作业区域的宏观天气实况；2.定时向作业区周边，尤其是上游测站了解当时天气状况；3.当天气系统前部云移入作业区时，利用多部测雨雷达联合监测降水云系的演变和发展；4.向作业区内各雪情观测点了解云层发展变化情况和降水实况。

　　（2）根据目标云的结构特征，确定作业播撤方案，实施作业播撤。作业播撤方案根据卫星云图、雷达实况观测资料等确定，包括作业时间、部位、剂量、飞行方式以及飞行路径等。作业播撒的同时对云物理宏、微观变化进行观测。在飞行作业中选择适宜的作业云体，一般来说，主要作业目标为结构密实的高层云或高积云等，作业探测飞机进入云层后，应首先在30Km范围内爬升，然后根据云带走向再作横向水平观测。选择适宜的播撤云体。

　　（3）每次作业后，汇总作业区域内各地天气预报、气象观测、雷达回波、雪晶、雪强观测、无线电探空和携留气球低空探测资料等，综合分析作业效果。并及时向各级政府和生产指挥部门发布人工增雪作业和雪情简报。经过多年实践表明，这套作业指挥系统的建成和运转，减少了作业的盲目性，明显地提高了新疆冬季飞机工增雪作业的科学水平和作业效果，产生了一定的经济和社会效益。

　　4存在的问题与改进的方向

　　在过去的几十年里，随着科学技术和降水物理研究的快速发展，观测技术、作业装备的更新换代，新疆的人影事业也有了长足的进步。但还是存在一些有待解决的问题。主要体现在：

　　（1）虽然有了各种从地面到空中及太空对云及降水进行直接测量和遥感监测的仪器和设备，如利用气象卫星、天气雷达、地面微波辐射计等遥感手段来实现，但由于种种原因相关的物理量仍缺乏必要的观测仪器，我们知道观测云中微物理状况的最佳手段是利用飞机入云进行直接观测，但由于飞机加装探测设备需要空军的审批，而空军又有比较严格的审批程序，从而导致许多设备无法安装。

　　（2）虽然目前取得了一些相关的资料，并用于人工影响天气作业指挥，但多数还是依靠人的判断。怎样更好地组织利用这些资料，并发挥作用还是一个有待探讨的问题。

　　（3）地基遥感设备[5]，如微波辐射计可以测量大气中水汽，而且可以全天候观测。观测条件已有了很大的改善，但只能得到测站一个点的观测资料，新疆地域辽阔，要布置稠密的观测点，布网观测的成本太高。其优势难以发挥出来。当然，如果与天气雷达结合，会得到一些改进。

　　（4）外场作业还是以业务性为主，试验性的作业较少，作业的系统理论还有待深入研究，作业的科学性不足。

　　总之，虽然新疆的人影工作取得了一些成绩，但需要做的工作还很多。在以后的工作中除了加强对云内微物理状况观测的同时设计更好的外场作业方案和更科学的作业程序，加快新疆的人影事业发展的步伐。

　　您是本文第1个评论人