防雹作業(yè)中防雹火箭發(fā)射方式的探討

梁 谷,楊瑞寶,都全勝

(1.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014;2.延安市人工影響天氣辦公室,陜西延安 716000;3.富縣人工影響天氣辦公室,陜西富縣 727500)

防雹作業(yè)中防雹火箭發(fā)射方式的探討

梁 谷1,楊瑞寶2,都全勝3

(1.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014;2.延安市人工影響天氣辦公室,陜西延安 716000;3.富縣人工影響天氣辦公室,陜西富縣 727500)

以1995年世界氣象組織(WMO)提出的合理防雹物理概念為基礎,依據(jù)陜西省冰雹云的結(jié)構(gòu)特征和防雹火箭作業(yè)特性,為最大限度利用播云催化劑的作用和發(fā)揮防雹作業(yè)能力,將防雹火箭發(fā)射方式分為單線催化作業(yè)方式、傘型催化作業(yè)方式、垂直催化作業(yè)方式和立體催化作業(yè)方式四類。以提高火箭防雹作業(yè)的時效性為目的,對各類防雹火箭發(fā)射方式進行效率分析,提出各發(fā)射方式的適用范圍和使用要求,指導火箭防雹作業(yè)的指揮、操作和培訓。

冰雹;防雹作業(yè);火箭發(fā)射方式

陜西是國家認定的中國蘋果優(yōu)生產(chǎn)業(yè)帶,其中渭北高原是世界公認的最佳蘋果適生區(qū)。隨著農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,果業(yè)已成為陜西省經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。冰雹是陜西省最主要和多見的自然災害,雹災占各種災害成災面積的7%[1],給果業(yè)等經(jīng)濟作物造成巨大損失。陜西省政府在冰雹防御體系建設上投入了大量經(jīng)費,更新、添置、改善防雹業(yè)務中監(jiān)測、指揮、作業(yè)的裝備和工作環(huán)境,使陜西防雹工作的硬件條件位居全國先進行列。20世紀80年代后期,我國研制了新型防雹增雨火箭作業(yè)系統(tǒng)。因其高安全性、便于操作、易于流動的特點深受各級政府和群眾的歡迎,被廣泛應用于地面人工防雹作業(yè)。到2012年底,陜西省裝備WR-98、WR-1D火箭發(fā)射系統(tǒng)約400付,已超過了高炮布設的規(guī)模,年耗箭量約4200枚(陜西省人工影響天氣辦公室統(tǒng)計結(jié)果)。

1 防雹作業(yè)原理

目前,被普遍接受的冰雹形成機制有兩種[2]:一是累積帶理論,在水分累積區(qū)內(nèi)通過浸潤凍結(jié)或碰撞核化形成雹胚;二是循環(huán)增長理論,雹胚沿各自的氣流軌跡增長到足夠大后跌落到另一條大氣流帶中繼續(xù)運動增長,重復循環(huán)至冰雹大到尋找不到能維持其增長的適合氣流帶而降落。由此可見,影響冰雹增長主要是上升氣流,穩(wěn)定合適的上升氣流分布形態(tài)可促使雹胚成長為冰雹,因這種上升氣流分布形態(tài)出現(xiàn)的概率較小,人們一般認為冰雹是小概率事件;其次是雹胚增長環(huán)境中的過冷水含量,雹胚少,過冷水含量大,雹胚增長快,容易形成大冰雹,反之,冰雹尺度小。

依據(jù)上述理論,1995年世界氣象組織(WMO)對當今防雹現(xiàn)狀的評述認為,合理、可信的防雹物理概念有下列3種[3]:①增加人工冰核數(shù)與自然雹胚共同竟食有限的云中過冷水,從而抑制大冰雹的產(chǎn)生;②促使雹胚形成區(qū)提前產(chǎn)生降水,大量消耗雹胚增長環(huán)境中的過冷水,阻滯雹胚增長;③降低冰雹生長軌跡,阻止小冰雹進入大氣流帶,縮短冰雹增長時間,控制冰雹尺度。

在上述防雹的物理概念中,火箭防雹作業(yè)的理論依據(jù)有下列兩點:一是將過量的人工冰核送入自然雹胚源區(qū) (陜西省雹云的這部分是1km左右的一個小區(qū)域,可通過雷達探測分析獲得,并且精度較高);二是在自然雹胚長大前,將過量的人工晶核送入自然冰雹增長區(qū) (通過對雷達回波的分析,可以估算得到冰雹增長區(qū)的大致區(qū)域,估算精度低,故范圍一般在10km左右)。

2 作業(yè)設備特征及雹云模型

2.1 作業(yè)設備

陜西采用的火箭發(fā)射系統(tǒng)是陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司的WR-98型:火箭架一次可裝4枚火箭;射角為45°～85°,方位在安全射界內(nèi)無限制,全手動操作;以線源播撒方式撒播催化劑,一枚火箭裝填有36g碘化銀(AgI);-10℃時,催化劑中每克AgI的成核率約1013～1015個;最大飛行高度8.5km。

2.2 雹云模型

圖1是陜西省主要的冰雹云結(jié)構(gòu)[4]:圖1a是弱的孤立單個雹云在正對雹云移動方向上的結(jié)構(gòu)示意圖,氣流近似對稱;圖1b是沿圖1a中AB線所作的側(cè)視圖,雹云向左移動。強冰雹云的流場分布更趨復雜,與圖1所示的結(jié)構(gòu)有所區(qū)別,但在雹胚源的部位、局部支撐雹胚增長的流場及防雹作業(yè)方式和圖1模型類似,陜西省目前還沒有證據(jù)證明存在這種強冰雹云;可將多單體雹云看成是一組圖1所示雹云的集合體;可將傳播雹云看成是一組排列有序的圖1所示雹云的集合體。

圖1 弱單體雹云結(jié)構(gòu)模型

3 火箭防雹發(fā)射方式

火箭防雹作業(yè)技術(shù)是指因火箭發(fā)射點與雹云的相對位置產(chǎn)生變化后,為最大限度滿足作業(yè)目的及充分利用火箭所攜帶的催化劑 (提高催化劑的使用效益)而采取的應對措施。火箭防雹發(fā)射方式即是這一措施中備選的操作方法。參照三七高炮射擊組合方式的設計理念和分類方法[2],依據(jù)火箭催化作業(yè)特征,結(jié)合作業(yè)中的經(jīng)驗,研究火箭防雹發(fā)射方式。

3.1 分類

以防雹火箭發(fā)射單點催化劑播撒軌跡的空間分布形態(tài)為依據(jù)分4類火箭防雹作業(yè)方式。

(1)單線催化作業(yè)方式 (又稱單箭催化作業(yè)方式) 催化劑播撒軌跡的空間分布形態(tài)為一段拋物線(見圖2)。

圖2 單線催化作業(yè)方式示意圖

(2)傘型催化作業(yè)方式 催化劑播撒軌跡的空間分布形態(tài)為＞1條拋物線,同一火箭發(fā)射點以相同仰角向不同方位 (方位角間隔相等)發(fā)射,拋物線形似雨傘骨架(見圖3)。

圖3 傘形催化作業(yè)方式示意圖

(3)垂直催化作業(yè)方式 催化劑播撒軌跡的空間分布形態(tài)為＞1條拋物線,同一火箭發(fā)射點以不同仰角、相同方位角發(fā)射,各條拋物線位于同一垂直面上(見圖4)。

(4)立體催化作業(yè)方式 同一火箭發(fā)射點以方式(2)和方式(3)的組合形式作業(yè)(見圖5)。

3.2 適用條件

3.2.1 單線催化作業(yè)方式 由圖2可見,催化劑播撒成一條線狀,依靠大氣擴散和風吞噬周邊的過冷水,催化范圍小,影響能力有限,在條件適合時作為輔助催化方式使用。

圖4 垂直催化作業(yè)方式示意圖

圖5 立體催化作業(yè)方式示意圖

3.2.2 傘型催化作業(yè)方式 由圖3可見,催化劑播撒成傘骨狀,是一種水平催化范圍最大的作業(yè)方式。影響能力很強,適合作業(yè)點在雹區(qū)內(nèi),并為多單體雹云作業(yè)時使用。

3.2.3 垂直催化作業(yè)方式 由圖4可見,催化劑播撒成一垂直的面,是一種單位水平面上催化能力最強的作業(yè)方式。適合作業(yè)點對控制范圍內(nèi)的雹云進行重點催化作業(yè)時使用。

3.2.4 立體催化作業(yè)方式 由圖5可見,催化劑播撒成一較大的立體面,是一種兼顧了傘型和垂直催化作業(yè)方式特點的綜合催化作業(yè)方式。水平催化范圍大,單位水平面上催化能力強,適合對多單體雹云進行重點催化,同時兼顧對雹胚增長區(qū)判別模糊的區(qū)域作輔助催化作業(yè)時使用。

3.3 使用要求

3.3.1 原則 選擇火箭防雹發(fā)射方式時,應堅持確保重點,兼顧環(huán)境的原則。

重點——指對自然雹胚源區(qū)催化。這一區(qū)域的催化效益最高,抑制冰雹增長效果最明顯,是火箭防雹的首選催化區(qū)域。

環(huán)境——指除去自然雹胚源區(qū),按下列順序排列的二個部分:一是疑似新單體的雹胚源區(qū),通過雷達回波分析得到,有不確定性;另一是冰雹增長區(qū),雖然冰雹已經(jīng)生成,還可以盡量抑制其長大,但抑制能力較差。這兩部分的總體催化效益低,是火箭防雹的輔助催化區(qū)域。

3.3.2 射角的確定 在火箭防雹作業(yè)時,確定射角考慮兩個因素:一是自然雹胚源區(qū)催化 (對雹云進行重點催化時主要考慮的因素),火箭催化劑播撒線段的50%應在雹胚源區(qū)內(nèi)及下方,此時火箭發(fā)射的仰角較大,一般大于75°;二是冰雹增長區(qū)催化 (對雹云進行輔助催化和重點催化的間隙間考慮),火箭催化劑播撒線段的70%應在冰雹增長區(qū)內(nèi)及下方,此時火箭發(fā)射仰角相對雹胚源區(qū)催化低。

3.3.3 方位的確定 對自然雹胚源區(qū)催化,一個單體火箭發(fā)射方位選擇1個,在雹胚源區(qū)的中心點上。對冰雹增長區(qū)催化,一個單體火箭發(fā)射方位可選擇2～3個,間隔一般小于10°。

4 結(jié)束語

隨著防雹物理概念的變化與火箭防雹作業(yè)設備的更新,在提高催化效率和防雹效果、簡化作業(yè)方法上,還需今后進一步研究。

[1] 呂從中.陜西省農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃[M].西安:西安地圖出版社,1988:54-55.

[2] 梁谷,李燕,岳治國,等.高炮人工防雹作業(yè)技術(shù)分析[J].陜西氣象,2010(5):23-26.

[3] WMOMeetingofexpertstoreviewthepresent statusofhailsuppression[G].WMO/TDNO.746,1995.

[4] 黃美元,王昂生.人工防雹導論[M].北京:科學出版社,1980:74-82.

P458

:A

梁谷,楊瑞寶,都全勝.防雹作業(yè)中防雹火箭發(fā)射方式的探討[J].陜西氣象,2014(1):39-41.

1006-4354(2014)01-0039-03

2013-09-05

梁谷(1961—),男,江蘇太倉人,學士,高工,從事大氣物理研究、人工影響天氣和標準編制。