第十二屆全運(yùn)會開、閉幕式人工消減雨技術(shù)保障

耿樹江，班顯秀，袁 健，趙姝慧，劉 旸，秦 鑫，楊 旭，王吉宏

(遼寧省人工影響天氣辦公室，遼寧沈陽 110166)

20世紀(jì)40年代末以來，現(xiàn)代人工影響天氣在全世界大范圍得以快速發(fā)展，其中開展最多的是人工增雨作業(yè)。人工增雨是緩解水資源短缺、抗旱減災(zāi)的重要手段。遼寧省人均淡水資源僅為700 m3，是全國平均的1/3，是水資源嚴(yán)重匱乏的地區(qū)，人工增雨已成為該省增加水資源的一項常態(tài)工作[1-2]。但近年來城市舉行大型露天活動，為避免降水影響活動的氛圍而要求開展人工消減雨作業(yè)。

第12屆全國運(yùn)動會將在遼寧省舉行，開、閉幕式會場設(shè)在沈陽市奧體中心。由于開、閉幕式是這一盛會極其重要的一環(huán)，不僅能夠展示主辦省的歷史文化和對運(yùn)動會精神的理解，也是展示主辦城市形象的一次良機(jī)。根據(jù)全運(yùn)會組委會公布的開幕式時間為2013年8月31日16：00～18：00，閉幕式為9月12日。雖然多年平均此時遼寧汛期已基本結(jié)束，但開、閉幕式日降水概率仍然較高，歷史統(tǒng)計分別達(dá)32.6%和22.58%。因此，在提供及時、準(zhǔn)確和周到的氣象預(yù)警預(yù)報服務(wù)的同時，做好全運(yùn)會開、閉幕式人工消減雨服務(wù)保障非常必要。人工影響天氣基礎(chǔ)理論的不斷完善[3-5]、現(xiàn)代業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，以及2008 年北京奧運(yùn)會[6]和建國60周年閱兵式人工消減雨的成功經(jīng)驗，都為做好全運(yùn)會開、閉幕式人工消減雨服務(wù)保障奠定了良好基礎(chǔ)。筆者統(tǒng)計沈陽1981～2011年8月25日～9月15日的降水資料，根據(jù)其特點，結(jié)合實際將對2013年全運(yùn)會開、閉幕式人工消減雨進(jìn)行技術(shù)設(shè)計。

1 沈陽8、9月份降水天氣情況

1.1降水天氣背景統(tǒng)計分析1981～2011年8月25日～9月15日沈陽地區(qū)歷史常規(guī)觀測資料(圖1)發(fā)現(xiàn)，以高空500 hPa天氣圖分析得出降水主要天氣系統(tǒng)有西風(fēng)槽、冷渦、低渦和短波槽，各系統(tǒng)所占的比例分別是51.72%、27.59%、13.79%、6.90%，降水的天氣系統(tǒng)來向主要有南、西南、西、西北和北，所占的比例分別為6.90%、27.58%、41.38%、20.69%、3.45%。

1.2主要降水機(jī)制根據(jù)沈陽探空資料統(tǒng)計分系，降水云的性質(zhì)有暖云、冷云、混合云，其中暖云降水占總降水云的19.6%，純冷云降水占總降水云的16.3%，混合云降水占總降水云的64.1%。暖云云頂最大高度不超過4 000 m,而0 ℃層的平均高度為4 179 m；純冷云的0、-10、-20和-30 ℃層的平均高度分別為4 187、5 297、7 303和9 080 m；混合云的0、-10、-20和-30 ℃層的平均高度分別為3 859、5 440、7 169和9 640 m。

通過上述分析，沈陽8月下旬和9月上旬期間降水天氣較為復(fù)雜，既有冷云、混合云又有暖云，這3種不同類型的降水云在全運(yùn)會開閉幕式日均有出現(xiàn)的可能性，因此消減雨工作就要在不同系統(tǒng)來向方向上布設(shè)相應(yīng)的消減雨作業(yè)設(shè)備，對不同降水性質(zhì)的降水云系采用不同的催化工具、催化劑種類和催化作業(yè)方式。

1.3全運(yùn)會開、閉幕式日降水分析遼寧省沈陽市8月下旬和9月上旬出現(xiàn)降水概率相對于汛期少了一些，此時汛期剛剛結(jié)束，有些年份汛期尚未結(jié)束，連續(xù)大到暴雨可能性會減少，但強(qiáng)對流、局地陣性降雨等災(zāi)害性天氣仍易多發(fā)。根據(jù)沈陽歷史31年逐日降水量資料分析，開、閉幕式當(dāng)日降水概率分別是32.60%和22.58%，開閉幕式降水概率較高，可能會出現(xiàn)中雨、小雨和微量降水(表1)。一般而言，對于小雨和微量降水實施人工消減雨作業(yè)能夠取得較好的效果；而中雨以開展人工消減雨作業(yè)有可能減小降水強(qiáng)度，完全消除有一定困難。

圖1 沈陽500 hPa各降水天氣系統(tǒng)所占的比例(a)及其各天氣系統(tǒng)來向示意圖(b)

表1 開、閉幕式當(dāng)日降水概率統(tǒng)計 %

2 人工消減雨技術(shù)設(shè)計

2.1作業(yè)防線設(shè)計根據(jù)歷史氣象資料分析得出影響全運(yùn)會開幕式主會場降水系統(tǒng)的路徑，在系統(tǒng)的來路徑上布設(shè)消減雨火箭作業(yè)點和飛機(jī)消減雨作業(yè)區(qū)，其中火箭作業(yè)點間距按15 km左右布設(shè)。再綜合考慮天氣系統(tǒng)移速、影響范圍、火箭作業(yè)點布局及催化影響時間等因素，在奧體中心的上風(fēng)方設(shè)三道防線進(jìn)行人工消減雨作業(yè)。三道防線以及飛機(jī)、火箭作業(yè)防線布局如圖2所示。第1道防線在天氣系統(tǒng)距離奧體中心3～4 h距離處設(shè)置，分析得出沈陽降水云系移速為35 km/h左右，則防線距離奧體中心約90～130 km，采用適量播撒作業(yè)，使云系提前降水；第2道防線在天氣系統(tǒng)距奧體中心1.5～2.0 h(距奧體中心約50～90 km)距離處設(shè)置，針對第1道防線催化后未完全消除或局地新生的降水云系，實施過量播撒作業(yè)，抑制云和降水的發(fā)展；第3道防線在天氣系統(tǒng)距奧體中心0.5～1.0 h(距奧體中心約15～50 km)距離處設(shè)置，對前兩道防線作業(yè)后未完全消除的云系繼續(xù)實施飛機(jī)過量播撒作業(yè)，減弱或消除降水。

2.2人工消減雨作業(yè)技術(shù)設(shè)計

2.2.1設(shè)計作業(yè)方式。采用飛機(jī)和火箭聯(lián)合作業(yè)方式實施催化作業(yè)。第1道防線采用火箭作業(yè)方法，通過適量播撒催化劑，使雨盡可能降落在奧體中心50 km以外的區(qū)域；第2道防線采用火箭密集作業(yè)方式，對第1道防線未消掉的雨或局地發(fā)展的云系實施過量播撒，削弱目標(biāo)區(qū)上空云系降水的強(qiáng)度，或使其形不成降水或削弱降水；第3道防線由于距離體育場較近，在火箭射界內(nèi)居民點、建筑物密集，無法使用火箭作業(yè)，只能使用飛機(jī)進(jìn)行作業(yè)，對第2道防線還未完全消掉的雨或局地發(fā)展的云系再次實施過量播撒，削弱目標(biāo)區(qū)上空云系降水的強(qiáng)度，或使其形不成降水。

2.2.2設(shè)計催化劑的種類和用量。

2.2.2.1確定催化劑的種類。依據(jù)天氣系統(tǒng)的移向、移速、K指數(shù)、SI指數(shù)、對流有效位能等，以及實時雷達(dá)回波、雷電監(jiān)測資料、衛(wèi)星云圖分析云系穩(wěn)定度、特征溫度層-8 ℃高度確定催化劑種類。火箭作業(yè)高度在-8 ℃以下使用人工冰核(如AgI)催化劑；飛機(jī)作業(yè)在-8 ℃以下使用人工冰核(如AgI)催化劑。

2.2.2.2估算催化劑用量。飛機(jī)增雨作業(yè)時一般需使冰晶濃度最低達(dá)20個/L，相應(yīng)的人工冰核播撒率為2×1014個/km；目前飛機(jī)增雨碘化銀煙條每根含碘化銀125 g，燃燒時間約25 min，因此飛機(jī)增雨時焰劑燃放速率大致為1根/130 km。根據(jù)冰核濃度達(dá)20個/L的最小播撒率要求，人工增雨時云中冰晶濃度宜為20～100個/L，則增雨焰劑的燃放速率應(yīng)是上述估算播撒量的1～5倍；飛機(jī)作業(yè)每25 min使用1～2根增雨碘化銀煙條連續(xù)播撒。火箭作業(yè)每套火箭發(fā)射架每輪次作業(yè)用火箭彈4～6枚。實際作業(yè)時，可根據(jù)參考相似云系條件下歷史觀測數(shù)值及作業(yè)條件預(yù)報產(chǎn)品，并根據(jù)采用的催化劑(煙條、火箭彈)類型，確定最佳播撒用量。通過對播撒效果的跟蹤分析，確定是否采用多輪次作業(yè)。以上的催化劑用量僅考慮增雨作業(yè)中適量播撒的劑量，在第2、第3道防線采用人工冰核催化劑進(jìn)行過量播撒作業(yè)，催化劑播撒量應(yīng)為增雨作業(yè)用量的5～10倍。

圖2 第12屆全運(yùn)會開幕式人工消減雨作業(yè)防線(a)和地面火箭作業(yè)防線(b)布局示意圖

2.2.3設(shè)計作業(yè)方案。

2.2.3.1飛機(jī)作業(yè)方案。人影作業(yè)指揮中心依據(jù)大氣探測的實時監(jiān)測信息，不斷修正播撒線路和播撒劑量，并及時上傳給作業(yè)飛機(jī)。作業(yè)飛機(jī)根據(jù)指令實施催化作業(yè)，并實時將云中作業(yè)條件、衛(wèi)星定位及作業(yè)信息下傳到指揮中心。根據(jù)第1、第2道防線的作業(yè)情況和效果，組織飛機(jī)在3道防線內(nèi)進(jìn)行多架次催化作業(yè)。采用燃燒碘化銀煙條進(jìn)行飛機(jī)催化作業(yè)，作業(yè)溫度為-7～-15 ℃，相應(yīng)高度為4.4～6.5 km。考慮到云體自身的移動，作業(yè)航線擬采用橢圓形、平行線形、三角形、“8”字形等播撒催化劑，具體作業(yè)航線以及催化劑的播撒速率依據(jù)當(dāng)時云系特征和云層結(jié)構(gòu)確定。

2.2.3.2火箭作業(yè)方案。火箭作業(yè)仰角介于55°～65°，播撒高度可達(dá)4.0～5.5 km，有效播撒長度約為3.0～5.0 km，水平扇型進(jìn)行發(fā)射。具體作業(yè)參數(shù)根據(jù)實際云層條件確定，由承擔(dān)作業(yè)的市級人影部門組織實施。

2.3作業(yè)流程設(shè)計

2.3.1作業(yè)決策流程。技術(shù)專家組利用人工消減雨指揮平臺對降水天氣系統(tǒng)的綜合監(jiān)測信息、短期短時預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品以及消減雨作業(yè)條件預(yù)報進(jìn)行綜合分析，依據(jù)不同類型云降水性質(zhì)進(jìn)行判別，再根據(jù)不同云性質(zhì)作業(yè)指標(biāo)科學(xué)制定人工消減雨作業(yè)方案。根據(jù)選擇的作業(yè)方式，制定相應(yīng)的飛機(jī)作業(yè)方案和火箭作業(yè)方案。綜合保障組及時協(xié)調(diào)作業(yè)空域，保障飛機(jī)、火箭作業(yè)有序開展；飛機(jī)、火箭作業(yè)組在批復(fù)的時間及區(qū)域內(nèi)實施作業(yè)；技術(shù)專家組結(jié)合云降水實況，適時調(diào)整作業(yè)方案，及時收集作業(yè)信息，分析作業(yè)效果，提高作業(yè)的針對性和有效性。

2.3.2作業(yè)實施流程。

2.3.2.1監(jiān)測預(yù)警階段(開幕式前48～24 h)。第12屆全運(yùn)會氣象保障部天氣預(yù)報處每天定時向技術(shù)專家組提供作業(yè)天氣預(yù)報結(jié)果。當(dāng)預(yù)報開幕式當(dāng)日有降水系統(tǒng)影響開幕式現(xiàn)場時，技術(shù)專家組擬定初步作業(yè)方案，確定重點作業(yè)分區(qū)；綜合保障組提前申報作業(yè)區(qū)域。人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室主任簽發(fā)下達(dá)作業(yè)預(yù)警指令(Ⅲ級)。

2.3.2.2作業(yè)準(zhǔn)備階段(開幕式前24～12 h)。技術(shù)專家組提出作業(yè)決策意見，報人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室主任簽發(fā)下達(dá)作業(yè)準(zhǔn)備指令(Ⅱ級)。作業(yè)裝備準(zhǔn)備就緒，飛機(jī)和火箭作業(yè)人員待命。

2.3.2.3作業(yè)實施階段(開幕式前12～6 h)。技術(shù)專家組提出決策意見，人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室主任簽發(fā)下達(dá)作業(yè)實施指令(Ⅰ級)。技術(shù)專家組根據(jù)最新天氣監(jiān)測和預(yù)報結(jié)果，制定飛機(jī)和火箭作業(yè)技術(shù)方案，即飛機(jī)作業(yè)區(qū)域、催化部位、時間和航線、催化劑類型、劑量等，火箭作業(yè)站點、作業(yè)時間、催化部位、催化劑劑量等；飛機(jī)作業(yè)組根據(jù)技術(shù)專家組提供的作業(yè)條件判別分析結(jié)果，確定催化作業(yè)方法和催化劑用量；綜合保障組依據(jù)最新云系演變和作業(yè)條件分析，提前30 min按作業(yè)分區(qū)統(tǒng)一向空管部門提出作業(yè)空域預(yù)申請(作業(yè)分區(qū)、作業(yè)起止時間、射擊高度)，并向相關(guān)市級指揮中心通報具體作業(yè)分區(qū)、作業(yè)起止時間、作業(yè)用彈量、作業(yè)高度等作業(yè)參數(shù)，做好發(fā)射準(zhǔn)備；空域批復(fù)后，由省人影指揮中心向相關(guān)市分指揮中心下達(dá)作業(yè)指令，由各市組織所屬作業(yè)點按作業(yè)指令完成發(fā)射作業(yè)。根據(jù)實際作業(yè)需要，飛機(jī)作業(yè)組和火箭作業(yè)組在批復(fù)時間及區(qū)域內(nèi)組織實施飛機(jī)多架次、火箭多輪次催化作業(yè)。

2.3.2.4效果評估階段。作業(yè)結(jié)束后，飛機(jī)、火箭作業(yè)組及時報告作業(yè)信息，技術(shù)專家組對作業(yè)效果進(jìn)行評估分析。

2.3.3作業(yè)程序啟動。根據(jù)天氣條件和準(zhǔn)備情況啟動作業(yè)程序，發(fā)布作業(yè)指令。作業(yè)指令分為作業(yè)預(yù)警指令(Ⅲ級)、作業(yè)準(zhǔn)備指令(Ⅱ級)、作業(yè)實施指令(Ⅰ級)和作業(yè)解除指令。

3 人工消減雨技術(shù)實施困難和風(fēng)險評估

人工消減雨是一項跨地區(qū)、跨部門的系統(tǒng)性工程，在實際操作中，空域保障、防線布局、協(xié)調(diào)指揮等多個方面均可能會存在不同程度的不確定性。一旦出現(xiàn)這些方面的不利因素，均可能導(dǎo)致人工消減雨無法落實到位，嚴(yán)重時甚至存在失敗的風(fēng)險。全運(yùn)會開、閉幕式人工消減雨存在以下困難和風(fēng)險，需引起重視和研究解決。

3.1技術(shù)水平限制人工消(減)雨作業(yè)仍處于試驗階段，就目前的技術(shù)而言，僅限于對平均降水量在10 mm 以下的層狀云、層狀混合云、較弱積云等在適當(dāng)時機(jī)予以催化，使云體提前、延緩或無法產(chǎn)生降水甚至使其消散，但對大尺度降水系統(tǒng)或強(qiáng)降水系統(tǒng)則難以取得令人滿意的效果。歷年統(tǒng)計沈陽8、9月份仍有系統(tǒng)性降水發(fā)生的可能，極有可能出現(xiàn)較強(qiáng)降水而無法消除的情況。

3.2空域保障難度非常大無論是飛機(jī)作業(yè)還是火箭作業(yè)均需要空域保障。遼寧的沈陽市是東北飛機(jī)航線的樞紐，空中航線非常密集，空軍基地較多，飛機(jī)演練頻繁，民航航線復(fù)雜，桃仙國際機(jī)場進(jìn)出港航班頻繁，安排大范圍作業(yè)空域?qū)嵤┫麥p雨難度非常大，可能會出現(xiàn)因無法獲得空域而導(dǎo)致無法實施作業(yè)的情況。

3.3作業(yè)防線布局難以達(dá)到理想狀態(tài)3道防線所在的區(qū)域均是人口密集區(qū)，特別是人工消減雨的第3道防線距奧體中心僅15～50 km，居民點、建筑物密集、空域復(fù)雜，基于公共安全考慮，這些區(qū)域設(shè)置的火箭作業(yè)點存在巨大的火箭作業(yè)安全隱患，實際作業(yè)中火箭無法作業(yè)，最終可能直接導(dǎo)致消減雨作業(yè)的失敗。

3.4存在突發(fā)與意外事故風(fēng)險在目前的技術(shù)條件下，實施人工影響天氣作業(yè)尚無法保證絕對安全，如火箭彈故障發(fā)生爆炸或砸到地面敏感物體、人員，以及飛機(jī)發(fā)生意外墜落，這些均可能造成生命財產(chǎn)損失和嚴(yán)重的社會影響，給工作帶來極大的被動。

4 小結(jié)

在實施消減雨過程中應(yīng)盡可能借鑒和應(yīng)用國內(nèi)外人工消減雨成功的經(jīng)驗，但由于遼寧省東西兩側(cè)為山地、丘陵，中部為長方形遼河平原，全運(yùn)會開閉幕式在遼河平原中東部的奧體中心舉行，西或西北來的系統(tǒng)越過西部山地、丘陵后，途經(jīng)中部遼河平原上大量的自然濕地和人工濕地，天氣系統(tǒng)得到水汽的補(bǔ)充，為天氣系統(tǒng)抬升過程提供了充足的水汽，降水天氣系統(tǒng)將會進(jìn)一步加強(qiáng)，為第12屆全運(yùn)會開閉幕式人工消減雨工作帶來了較大的困難；同樣南部或西南來的系統(tǒng)也會如此。此外，東北地區(qū)特有的中高緯度天氣氣候特點，尤其是對東北冷渦等天氣過程實施人工消減雨作業(yè)尚未有先例，因此開展消減雨工作做好前期的各項準(zhǔn)備工作，如進(jìn)行東北地區(qū)不同天氣類型的前期消減雨試驗，分析消減雨效果，探索消減雨技術(shù)方法，建立具有當(dāng)?shù)靥厣娜斯は麥p雨應(yīng)急服務(wù)指揮系統(tǒng)，設(shè)計科學(xué)的作業(yè)防線和完備的作業(yè)方案，采用高性能作業(yè)工具，開展人工消減雨演練，協(xié)調(diào)各相關(guān)因素，密切配合，只有這樣才有可能在實戰(zhàn)中達(dá)到預(yù)期的效果。

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