海南熱帶云人工影響天氣作業系統

■ 黃彥彬 葉彩榮 敖杰 李光偉

海南省針對本地熱帶地區特色，建立了一套具有本地特色、現代化和集約化的海南省人工影響天氣業務系統。該系統基于Web設計，功能集約，提供人影模式等數據預處理、云分析產品的分析顯示、云風暴實時追蹤、人影作業效果評估等功能，實現了人影彈藥物聯網全流程管理，并提供手機App給作業點作業人員提供作業預警、空域申請、資料上傳等服務，實現了省級制作、市縣、作業點應用的聯動。

海南省屬熱帶季風氣候，干旱災害是該區域僅次于臺風的最主要的自然災害之一，多年通過人工影響天氣（簡稱“人影”）作業來緩解旱情。通過本系統建設，海南省實現了人影業務指揮上下互通，人工影響天氣作業指揮、管理和業務科學化、現代化和集約化水平進一步提高。

1 海南省人工影響天氣主要需求和作業手段

1.1 主要作業需求

海南省地處熱帶，年平均降雨量為1639 mm，地形復雜，四周低、中間高，地區降水分布不均衡，中部、東部、東北部多雨，年降水最多的瓊中縣超過2300 mm；西部及西南部少雨，西部的東方市不到900 mm，形成區域性缺水。此外，時間分布也不均勻，有明顯的多雨季和少雨季特點。每年的5—10月是多雨季，總降雨量達1500 mm左右，占全年總降雨量的70%～90%。每年11月—次年4月為少雨季，僅占全年降雨量的10%～30%，形成季節性缺水，冬春連旱較頻繁，尤其西南部沿海帶是突出的歷史性干旱區，夏秋季由于降水變率大且空間分布不均，在降水較少的年份和地區也會發生干旱，因此干旱是海南省四季均可發生的、影響范圍最廣的災害性天氣

旱災是海南省僅次于風災的氣象災害，旱季一般出現在每個年度的11月—次年5月，有的年份可延長到8月。每年的3—6月，由于連續幾個月的干旱，又逢高溫天氣、蒸發旺盛之時，河流水量達到最低點，海南省的各個大、中、小水庫的水位也是在最低點上，水電站瀕臨無水發電的困境，橡膠、水稻、甘蔗等經濟作物也正處于最需要水的時候。因此每年的3—6月需要通過人工增雨的手段增加降水量、緩解旱情，有些年份由于干旱蔓延，人工增雨作業往往延長到7—10月甚至全年。

1.2 作業手段

海南省人工增雨作業的主要對象為熱帶積雨云和積層混合云，作業季節基本沒有大范圍的層狀云系適合飛機播云作業，因此海南省主要作業手段為地面作業裝備，包括火箭和煙爐。

火箭作業設備主要采用“BL-1A”型火箭，該型火箭系統具有GPS自動定位、自動調整發射方位仰角等功能，還可以視頻監控火箭作業、自動上傳作業參數。根據海南省熱帶降水云以對流云和積層混合云為主的特點，設置流動作業點，將皮卡車作為移動平臺，根據云的發展演變情況隨時調整作業位置，機動靈活。該型火箭可根據云的性質發射冷云和暖云火箭彈，根據統計，海南省火箭人工增雨作業可相對增加雨量24%左右。

近年來，在海南中部山區和水庫水源地還安裝了暖云人工增雨地面催化發生器（簡稱地面煙爐），播撒的人工增雨催化劑為吸濕性焰劑，作業方法是在暖云、暖底對流云和混合性對流云的云底上升氣流區域播撒大的或巨型的吸濕性粒子，當這些粒子進入云中后，通過水汽凝結增長，優先形成更大的云滴，與其它小云滴碰撞后，形成雨滴、凍滴或冰雹，最后降落到地面。

煙爐人工增雨作業解決了山區交通不便、申報空域困難等問題，中西部五指山區受地形抬升影響，暖性降水云資源豐富，增雨效果明顯，黃彥彬等通過5年的隨機化人工增雨效果外場試驗，分析了昌江、五指山煙爐的增雨效果，可以相對增加降水量11.4%左右。

2 熱帶人工影響天氣業務系統的構建

2.1 系統主要功能設計

海南自主開發建立起一套與氣象信息系統、預報預測系統有機銜接、統一集約的省級人影指揮系統（含手機App），移植開發運用國家級CPAS核心功能，實現省級—市縣級（作業點）全省人影業務上下互通、功能互補、規范集約（圖1），子系統分別有資料信息采集、綜合處理分析與指揮、數據存儲管理以及共享與指令發布（含手機App）等功能。實現對衛星、雷達、探空、自動站、雨滴譜、閃電定位等監測數據及MICAPS、SWAN等分析產品的綜合處理顯示，具有作業裝備數據上傳、作業指揮自動化、作業效果評估和安全監控等功能。

圖1 業務系統框圖

2.2 系統核心功能

根據中國氣象局五段式人影業務流程規范，利用中國氣象局下傳的人影模式、衛星等數據產品制作作業條件預報、過程預報產品并發布，指導作業。

在大范圍天氣系統背景影響下，制作的潛力落區與實際作業區吻合度較高，但對于午后生成的局部熱帶對流云系的吻合度較低，潛力落區及作業預案合理性比率2017年為85.19%、2018年為87.09%。

根據云降水宏微觀精細結構分析、衛星云特征參量、探空云分析、省氣象臺的短臨預報和災害性天氣預警，雷達實時監測產品，地面自動站實況以及雨滴譜實測資料，利用TITAN風暴識別追蹤技術外推算法，當雷達監測目標云系回波強度≥20 dBz、云頂高度≥5000 m時，制作并滾動訂正作業條件監測預警和作業方案，并向實施作業人員的手機app上推送（圖略）：預警時效為未來0～2 h，發布時間為作業前3～0 h，可實現每1 h滾動訂正發布。

2016年海南初步建立了五段業務指導產品，2017年進行業務化試運行，2018年實現業務化正式運行。2017年1月—2018年6月15日，海南共作業78次，作業前3～0 h 發布地面作業方案設計報，預警時效為未來3 h，共發布50期，占作業次數的 64.1%，覆蓋了所有作業時段。

作業期間，省指揮中心利用實時雷達監測數據以及TITAN風暴識別追蹤技術外推算法，對目標云系進行雷達回波垂直剖面特征層分析，測算各作業點作業參數，匯總并訂正成作業指令后向地面作業人員手機App實時、準確發布；利用空域申報系統及時申請作業空域；利用手機App交互功能實時收集作業信息并上報。地面作業人員根據手機App接收到的作業指令和空域批復回復結果，安全、迅速開展作業；利用手機app交互功能實時上報作業信息。手機App極大提高了我省人影地面作業效率、作業安全水平。

2.3 作業效果評估

我國業務化的人工影響天氣作業效果檢驗主要包括：一是基于地面降水量的統計檢驗技術方法；二是基于天氣雷達探測資料的物理檢驗技術方法。基于地面降水量的統計檢驗技術方法，即采用作業影響區和對比區的降水量相關關系估算作業期間作業影響區的自然降水量，主要用于對某一時段內的累積作業樣本進行作業效果的檢驗；而基于天氣雷達探測資料的物理檢驗技術方法，通過對作業前、作業后作業云體單元和對比云體單元的雷達回波物理參量的時間序列進行對比分析得到催化作業的物理證據，主要適用于單次作業過程的效果檢驗。

2.3.1 統計檢驗

業務化的人工增雨統計效果評估系統受制于現有效果評估技術的限制，主要采用：1）固定增雨率法：孤立對流云單次作業后的效果評估的業務需求，由于海南很多孤立對流云作業無法找到合適的對比云系，國內外目前尚沒有成熟的孤立對流云單次作業評估方法，因此本系統采用國內有名的古田對流云人工增雨隨機化效果檢驗的結果，取固定的相對增雨率等于23.8%，設定固定的增雨率計算本次作業的增雨量，增水量、直接經濟效益等，待以后進一步的科學研究得到相對客觀科學的海南省人工增雨效果評估方法再對系統進行調整。2）直接對比法：系統后臺對作業期間的對流云進行自動對比篩選，找出相似度最高的對比云，根據作業云的影響區域和作業云的影響區域的平均雨量計算增雨量、增雨效率、增水量等。3）區域歷史回歸法：按照不同天氣類型，建立全省歷史回歸方程，計算得出每個回歸方程及顯著度。作業后，自動選取一個相關顯著度最好的區域作為對比區域。根據對比區和影響區自動雨量站的實際雨量，來計算增雨量，主要用階段性旬、月和長時間序列業務型人工增雨作業效果的評估。最后將效果評估過程涉及的影響區、對比區、評估結果以及作業信息等一并保存，推送到專用數據庫。

2.3.2 物理檢驗

崔丹等、黃彥彬等根據熱帶云系的自然降水形成原理和降水特征，利用雷達資料總結了海南人工增雨物理檢驗方法。海南省人工影響天氣業務系統進一步發展了物理檢驗方法，移植開發了TITAN風暴識別追蹤技術，自動定位火箭和煙爐作業的影響云，系統根據相似度原則自動匹配對比云，對影響云-對比云的雷達產品物理量（最大強度、平均強度、強回波高度、回波頂高、液態水含量VIL、強中心位置、垂直強中心強度、垂直強中心高度、45 dBz回波頂高、不同強度等級面積等參量）自動繪制作業前后時間變化曲線；若對比云條件不滿足，則對作業前后的雷達產品物理量進行對比分析，判斷播云催化后導致的宏觀動力效應和微觀物理響應的直接效果，依據制定相應閾值指標的對比，檢驗人工影響是否顯著改變這些指標。以圖表形式給出作業云和對比云變化特征的對比結果，手工添加部分作業過程的描述和對比分析文字后就可以快速生成業務化的對流云人工增雨物理效果檢驗word文檔產品報告。

黃彥彬等利用系統對2015—2018年昌江縣霸王嶺人工增雨煙爐隨機化物理效果外場試驗進行了檢驗，結果顯示：處于增長階段的積雨云，人工催化后積云組合反射率、液態水含量、回波頂高與未催化樣本相比出現明顯差異，催化樣本人工催化后普遍組合反射率增強、含水量增大、回波頂高升高；而相對于減弱階段的積云，多數催化樣本人工催化后出現回波減弱趨勢減緩。

2.4 手機app

系統采用B/S結構（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式），由指揮系統、數據處理系統、app服務系統以及App四部分組成。指揮系統使用GIS技術顯示作業地區的地理信息，實時顯示氣象局內部網絡中的雷達圖等資料，為作業指揮人員的決策提供數據支持。指揮人員確定作業區域和時間后，軟件自動為相關火箭作業點生成詳細作業參數，并將作業指令通過App服務系統發送給一線作業人員。

數據處理系統實時從氣象內網獲取雷達、探空、衛星等數據，進行實時處理監測，當存在天氣過程時候，自動生成預警指令信息，通過App服務系統發送給作業人員。

系統由指揮系統、數據處理系統、App服務系統以及App四部分組成。指揮系統安裝在氣象局人工影響天氣部門的計算機上，使用GIS技術在屏幕上直觀地顯示作業區域地圖和作業點分布位置，通過氣象內部網絡獲取最新雷達資料等基礎數據并在地圖上疊加圖層顯示。指揮人員對實時氣象資料進行分析后在地圖上選擇作業點，輸入包括方位角、仰角和用彈量在內的作業指令。待指揮中心向空域管理部門申請空域批復后，指揮系統將作業指令發送到App服務系統。App服務系統安裝在具有獨立公網IP地址的服務器上，負責維護指揮中心和作業點之間的連接，接收來自指揮中心的作業指令并將其轉發到各個作業點配備的指令接收機。

作業指令接收程序安裝在各作業點配備的智能手機上。指令接收程序通過無線GPRS網絡連接到指令中轉服務器，即時獲得作業信息并顯示在手機屏幕上。一線作業人員根據收到的參數進行作業，然后將實際操作情況反饋回指揮系統。最后指揮中心將實際作業情況存入數據庫系統，以便后續資料分析和處理。

3 小結

1）基于熱帶云系人工影響天氣實際構建了業務系統，為海南省人工影響天氣作業提供了發揮了關鍵業務支撐作用，系統界面友好，操作簡單和快捷，在2015—2018年中國氣象局“人工影響天氣現代化三年行動計劃”實施過程中全面提高了海南省人工影響天氣現代化水平。

2）系統設計集約，提供人影模式等數據預處理、云分析產品的分析顯示、風暴云實時追蹤、人影作業效果評估等功能；從流程上能實現省級制作、市縣應用的兩級聯動，對提高海南省人影業務的科學性、高效性具有重要意義。

3）手機app的交互功能自動實時采集各作業點的作業信息并在作業結束后即時存至省級人影指揮系統的數據庫內，實現了作業后作業信息的即時上報，提高了人影作業信息的上報時效；彈藥安全管理系統實現了火箭彈從產品出廠到運輸、倉儲、轉運、發射等全流程跟蹤管理，全面提高了安全監管水平。

4）通過人工影響天氣業務系統，建立并完善了人影五段實時業務流程，通過五段實時業務指導產品的制作發布，迅速改變了以往地面人影作業盲目性大和作業方式簡單、粗放、隨意、低效等問題，從五段業務內容的完整性、產品發布的實時性和作業指揮的合理性等方面加強要求，省級指揮人員與地面作業人員的業務銜接更為流暢、產品指導性更強、指揮準確性更高、作業時效性更好，五段實時業務指導產品的科技內涵得以顯著提升。

5）系統作業指揮、效果評估的核心為TITAN系統的移植、開發和本地化處理，利用TITAN風暴追蹤技術，可以快速識別作業云-對比云，自動計算作業云和對比云的相似度，根據相似度選擇兩者對比的雷達參數，在一定程度上消除了人為主觀判斷的誤差，提高效果檢驗的科學性。但由于對流云發展演變過程中云的并合、分裂導致TITAN追蹤失敗出現bug，系統仍需要進一步優化和不斷改進。

深入閱讀

Tessendorf S A, Bruintjes R T, Weeks C, et al, 2012. The Queensland cloud seeding research program. Bulletin of the American Meteorological Society, 93(1): 75-90.

曾光平, 吳明林, 林長城, 等, 1993. 古田水庫人工降雨效果的綜合評價. 應用氣象學報, 4(2): 154-161.

崔丹, 黃彥彬, 肖輝, 等. 2012. 多普勒雷達數據在海南省人工增雨效果評估中的應用. 大氣科學學報, 35(1): 87-94.

黃彥彬, 李天富, 李春鸞, 等. 2006. 2004年春夏季海南火箭人工增雨效果檢驗. 廣東氣象, 28(1): 50-53.

黃彥彬, 毛志遠, 邢峰華, 等, 2019. 海南島西部山區人工催化暖底積云隨機化效果檢驗, 氣象科技, 47(3): 487-495.

賈爍, 姚展予, 2016. 江淮對流云人工增雨作業效果檢驗個例分析.氣象, 42(2): 238-245.

王婉, 石玉恒, 李宏宇, 等, 2014. 對流云人工增雨效果檢驗技術方法及應用. 氣象科技, 42(6): 1131-1136.

周毓荃, 潘留杰, 張亞萍, 2009. TITAN系統的移植開發及個例應用,大氣科學學報, 32(6): 752-764.