西北區域人工影響天氣能力建設項目總體設計與實施

李集明 陳添宇 陳寶君 顧青峰 殷占福 段婧 李宏宇李德泉 方春剛 房文 尹憲志 李林 桑建人 李抗抗

（1 中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081；2 中國氣象局云霧物理環境重點開放實驗室，北京 100081；3 中國氣象局規劃設計研究院，北京 100081；4 甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730000；5 青海省人工影響天氣辦公室，西寧 810000；6 寧夏自治區人工影響天氣中心，銀川 750002）

0 引言

我國自1958年開始人工影響天氣試驗以來，尤其是自20世紀90年代后期，各地陸續開始通過現代化建設工程開展人影作業裝備、探測儀器、作業基地、指揮平臺等專項建設，部分省還進行了較大規模的人影體系建設，如1999年甘肅省人工增雨防雹作業體系工程、2000年山西省開發利用空中水資源工程、2001年安徽省空中云水資源開發利用工程、2006年青海三江源自然保護區人工增雨工程、2007年陜西渭北優勢果業區人工防雹增雨及氣象災害防御體系建設等。這些人影專項和體系建設工程，使我國人工影響天氣技術得到快速發展。

西北區域包括甘肅省、陜西省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區、新疆生產建設兵團全境及內蒙古自治區阿拉善盟、巴彥淖爾市、烏海市、鄂爾多斯市（圖1），是我國極其重要的生態環境屏障，自然生態環境十分脆弱，水資源短缺是影響西北區域經濟社會發展的主要瓶頸和制約因素。

圖1 西北區域范圍Fig. 1 The region of Northwest China

西北區域水資源嚴重短缺，而且降水時空分布十分不均勻，年降水量分布總體呈現出由山區向平原區變小的趨勢。山地區一般為200～800 mm，部分高達1000 mm以上，盆地和走廊一般為40～200 mm。西北區域降水量季節性差異極大，7—8 月占年降水量的50%以上，導致春秋季農業干旱頻繁發生（圖2）。

圖2 西北地區年降水分布Fig. 2 The precipitation distribution of Northwest China

人工影響天氣作為科學開發利用空中云水資源的有效手段，早在20世紀50年代就逐漸成為西北區域各省（自治區）政府防災減災、緩解水資源短缺和改善生態環境的重要措施。經過多年發展，西北區域人工影響天氣作業規模、作業能力和科研水平都有明顯提高，在地區生態保護與建設、水資源和糧食安全保障等方面發揮了積極作用。但是，與區域日益增長的人影服務保障需求相比，西北區域人影工作尚存在一些突出短板，包括：飛機和地面作業裝備能力不足，現代化水平和安全性能不高導致作業效益不能充分發揮；對區域內典型云降水系統特別是作業條件和云系精細化結構特征缺乏深入研究，導致作業科學性不高；區域內各級人影部門尚沒有統一、集約的業務平臺，科學精準指揮水平不高；區域各省（自治區）發展上不平衡，協同配合的機制尚未建立等。

為了提高西北區域人工影響天氣作業能力和科技水平，更好地保障生態安全和水資源安全，服務防災減災和糧食安全，為“一帶一路”戰略實施和社會穩定和諧發展做出更大的貢獻，國家發展改革委員會批準西北區域人工影響天氣能力建設項目（以下簡稱“西北人影項目”）。西北人影項目是《全國人工影響天氣發展規劃（2014—2020）》印發后開展的第一個國家級人影工程建設項目，其主要建設內容包括飛機作業能力、飛機作業保障能力、地面作業能力、人影作業指揮系統和試驗示范基地等五個部分。同時，西北人影項目首次在人影工程項目中增設了工程研究試驗內容，在試驗示范基地開展人影技術研究、科學試驗和成果業務化應用，以期形成人影成套技術進行推廣，提高我國人影的科學水平和作業效益，最大程度地發揮工程建設效益。

1 項目總體設計

基于西北區域人影發展現狀，面向區域特色需求和云降水特征，針對性提高西北人影能力、技術和機制的弱項與短板，遵循目的性、科學性、實用性、系統性和集約化與可持續原則，對項目建設目標、建設任務、功能結構、布局與流程進行設計。

1.1 目標與任務

1.1.1 建設目標

建設基本覆蓋整個西北區域的飛機作業、地面作業、綜合保障、作業指揮和試驗示范等構成的人影作業體系，全面提升西北地區人影科技水平和服務能力，為西北區域生態建設和保護、糧食安全、抗旱減災、森林防火等提供有力保障。同時為我國其他地區人影工程項目建設提供借鑒作用。主要建設目標如下：

1）新增飛機增雨影響面積96萬 km2，飛機作業影響穩定性降水云系區域擴展到209萬 km2，作業時間由目前的季節性作業拓展到全年性作業，作業對象由現在單一冷云為主拓展到除不適合飛行外的多種冷暖云系；

2）提升地面作業裝備性能和信息化水平，優化作業布局，有效彌補飛機作業能力的不足，地面作業影響不穩定性降水云系的增雨面積增加13.7萬 km2；

3） 促進人影自主創新和科技研發，在人影關鍵技術研發、人影作業試驗示范和業務研發、人員培訓等方面提供有力的科技支撐；

4）建立較為完善的區域級人影業務系統，在西北地區形成統一協調、區域聯防、跨省區作業的人影業務能力和運行機制，基本實現國家對區域人影作業的統籌協調和業務指揮，顯著提高人影業務保障和區域聯合作業能力。

1.1.2 建設任務

建設主要包括飛機作業能力建設、飛機作業保障能力建設、地面作業能力建設、人影作業指揮系統建設和試驗示范基地建設,同時在試驗示范基地和試驗點開展研究試驗（圖3）。

圖3 項目主要建設任務和布局Fig. 3 The main task and design layout

（1）飛機作業能力建設

購置4架國家作業飛機（2架新舟60、2架空中國王350），改裝配備必要的機載大氣探測設備，提高人影作業條件監測判別能力；改裝配備多種催化作業裝備，提高不同性質降水云系的催化作業能力；配備空地通信設備，提高探測、作業數據的通信指揮能力。改裝1架地方作業飛機、繼續租用7架地方作業飛機，形成國家作業飛機、地方作業飛機和租用作業飛機聯合開展作業的新格局。

（2）飛機保障能力建設

在陜西西安建設1個國家級作業飛機保障基地，在蘭州、榆林、平安、銀川、庫爾勒、克拉瑪依和鄂爾多斯建設國家作業飛機駐地專業保障設施，為飛機作業提供保障服務。

（3）地面作業能力建設

更新列裝高性能火箭作業裝置，信息化改造地面作業裝置，新建一批地面煙爐，繪制安全射界圖，安裝作業站點實景監控系統等，保障地面作業。

（4）指揮系統建設

建設完善區域級（蘭州中心、烏魯木齊分中心）、省級、市縣級人影作業指揮平臺，建設作業指揮應用軟件系統，在區域級、省級和市縣級部署應用。

（5）試驗示范基地建設與研究試驗

建設祁連山、天山、三江源試驗示范基地和六盤山、渭北、巴彥淖爾等試驗示范點，設立相關工程研究試驗項目，吸引國內外高校、科研院所的頂級人影研究團隊，聯合區域內的技術力量，共同開展人影試驗和研究，提高人影科技水平。

1.2 功能與結構

1.2.1 總體功能

圍繞保護西北區域生態環境、緩解水資源短缺、保障糧食生產安全的核心功能，通過飛機作業、地面作業、作業保障、協調指揮、試驗示范能力等的建設，具備為各級政府提供作業條件監測、決策指揮、作業實施、效果評估、突發應急等人影保障功能。

（1）人工增雨（雪）功能

形成以飛機為主的西北區域內增雨（雪）作業新格局，實現具有覆蓋全區域、科學設計、統一指揮、聯合飛行作業的功能。

（2）人影作業指揮功能

對各類氣象監測信息、預報預測信息等及時收集，進行綜合分析、判斷和識別，制定科學的作業方案（作業時機、作業范圍和作業部位），形成準確的作業指令及時傳達到作業飛機和地面作業點，實施科學作業。

（3）人影作業效果檢驗評估功能

依托試驗示范基地及其外場試驗區觀測資料，結合常規氣象要素觀測信息、云物理探測信息，通過作業區與非作業區、作業時段與非作業時段對比，應用統計、物理、數值模擬、綜合檢驗等方法，對人影作業進行效果檢驗，利用檢驗結果對人影的社會、經濟效益進行評估，促進作業技術水平的提高。

（4）突發事件應急功能

通過作業飛機、地面移動通信指揮平臺和移動多普勒天氣雷達的建立，保障人影指揮和作業的同時，在自然災害、森林草原火災等重大事件發生時，能夠快速到達現場，具備現場氣象要素測量、數據處理和控制、資料存儲檢索、衛星和無線通信、遠程會商、現場天氣預報、災情分析統計和評估等功能，承擔人影應急救災減災任務。

（5）氣象災害監測功能

依托現有綜合氣象觀測網，在試驗示范基地適當布設必要的探測設備，可采集大氣水汽總量、降水云系中液態水和大氣水汽含量的分布和變化、云體的強度和分布范圍、云頂高度、云底高度、探測覆蓋范圍內降水強度和降水量分布等信息，在人影工作中用于作業形勢分析、預報、效果檢驗等，同時通過氣象信息系統進入各級氣象臺的數據庫，在監測預警氣象災害工作中發揮作用。

1.2.2 總體結構

各項建設分布于各級氣象部門和新疆生產建設兵團人影部門，其中人影作業指揮系統按國家和區域（含烏魯木齊+分中心）、省（自治區）、市縣、作業點共四級布設，指揮系統軟件依托“天擎”、“天鏡”平臺按“云+端”方式建設，按不同權限登錄使用；4架國家作業飛機分別布設于甘肅、陜西、青海和新疆，內蒙古建設的地方飛機布設于鄂爾多斯，租用的7架作業飛機布設于飛機租用省（自治區）；依托蘭州、榆林、平安、銀川、庫爾勒、克拉瑪依和鄂爾多斯已有業務用房和設備設施的基礎上建設完善7個國家作業飛機保障基地，各省（自治區）租用飛機由當地自主確定停靠基地；地面作業設備、輔助作業設備以及作業點安全體系建設主要布局在西北區域重點保障區，兼顧試驗示范基地及其外場試驗的作業需求；試驗示范基地和試驗點分別布設在祁連山、天山、三江源、六盤山、渭北和巴彥淖爾（圖4）。

圖4 總體結構圖Fig. 4 The general structure diagram

1.3 建設布局與業務流程

1.3.1 建設布局

依托西北區域現有氣象業務系統的布局，在各級氣象局及各觀測站點、作業站點進行布設。飛機作業能力建設主要布設在祁連山水源涵養型生態保障區、三江源生態保障區、青海湖流域生態環境保障區、天山生態保障區等區域，以滿足區域內生態修復、環境保護、流域水土保持等人工增雨（雪）服務保障需求；地面作業能力建設側重布設在新疆棉花生產保障區、陜甘寧果業生產保障區等區域，以滿足區域內農業生產防雹服務需求；試驗示范基地主要布設在祁連山、天山、三江源等西北典型地形云增雨（雪）區域，以滿足西北主要增雨（雪）類型關鍵技術研發應用的需求；作業指揮系統主要依托現有氣象業務架構在各級氣象局和作業站點布設，以便于系統的運行和維護。

1.3.2 業務流程

區域人影業務按照“橫向到邊、縱向到底”的原則，實現人影五段業務的“作業計劃（過程預報）、作業預案（潛力預報）、作業方案（監測預警）、作業實施（跟蹤指揮）、效果檢驗”全覆蓋，作業指揮實現“區域—省—市（縣）—作業站”全貫穿，科學指揮西北區域人工影響天氣作業。

業務流程為：國家人影中心根據西北區域的整體需求，制定作業計劃下達給西北區域人影中心；西北區域人影中心與國家人影中心相互反饋有關需求和業務意見建議，并由西北區域人影中心根據國家級計劃，調度區域內飛機在各省級人影平臺的具體指揮下實施作業，地面火箭、高炮按照區域人影中心調度，通過區域人影分中心、6省（自治區）及新疆生產建設兵團人影平臺逐級下達的指令實施作業；飛機、地面作業的信息及時上傳、匯總到西北區域人影中心，由區域人影中心分析并修訂作業方案，組織進行大范圍作業的效果評估工作（圖5）。

圖5 業務流程圖Fig .5 The operation workflow diagram

2 關鍵技術系統設計與實施

考慮西北區域特色，在氣象綜合業務技術平臺框架內，總結先期建設的“東北人影項目”經驗與不足，西北人影項目重點對高性能增雨飛機、作業指揮系統和試驗示范基地與研究試驗進行了針對性設計，其實施成效正逐步顯現，設計理念正被中部人影項目等后續人影工程建設所借鑒。

2.1 高性能增雨飛機

根據西北區域在復雜地形下實施大范圍、常態化、跨區域飛機人工增雨（雪）作業的實際需求，西北人影項目建設的4架高性能增雨飛機按2架新舟60和2架空中國王350飛機選型。其中，新舟60加裝適用于冷暖云催化的多種作業裝備以充分發揮其載重量大的優勢，從而滿足西北區域作業面積廣大的需求；空中國王350加裝云雷達和云粒子采樣探測裝備以充分發揮其高低空飛行性能好的優勢，從而填補西北高原/高山地區飛機作業空白并提供更多的云探測數據。高性能增雨飛機在建設中重點考慮了以下三個問題。

（1）如何拓展作業領域，提高催化能力

長期以來，飛機的主要作業對象是大范圍層狀云。隨著人影服務需求的增加，必然要求飛機作業領域要拓寬，除通常的層狀云冷云催化手段外，西北區域對飛機的地形云增雨（雪）、暖云的增雨和消減雨、高山和高原地區的人工增雨（雪）都提出了迫切要求。因此，在西北人影項目高性能飛機建設中，結合新舟60飛機特性，除加裝焰條、焰彈播撒裝置外，另外在機艙內安裝了液氮播撒器以提高氣密艙飛機播撒制冷劑的適用性；設計并安裝了吸濕粉劑播撒裝置以增強暖云增/減雨的能力。

考慮高山和高原區域的催化作業，建設了2架升限可達一萬米的空中國王350增雨飛機。

（2）如何提高云探測能力

云內物理參量的精確測量不僅是科學開展人影作業的基礎，同時也是天氣、氣候數值模式最需要的科學數據。在西北人影項目高性能飛機的建設過程中，除進一步完善機載各類氣溶膠、云、降水探測儀器外，在2架空中國王350增雨飛機的一架飛機還加裝了云內采樣頭并預留了云外等速采樣頭接口以增強其探測氣溶膠理化特性的能力；在另一架飛機上加載了Ka波段云雷達并預留了激光雷達和G波段微波輻射計的接口以提高垂直遙感遙測能力。

（3）如何加強集約化，提高應用能力

由于高性能增雨飛機加掛設備多，且多為進口設備，必然需要對機載的探測設備、作業設備、通信設備進行集成設計，以為機上業務人員提供統一的操控平臺。這項工作雖然在東北人影項目的高性能增雨飛機建設時初步實現了，但實際應用過程中也暴露了不少問題，如：集成度不高、操控不方便、缺乏作業指標判識等。有鑒于此，在西北人影項目設計和建設中，重點考慮了增強增雨飛機集成度問題，主要采取了三點措施：一是通過對進口探測設備底層數據接口的解算，用國產軟件替代各設備自帶的處理計算機，為集成系統提供一致的數據接口；二是增強通信、催化和探測信息之間的交互與融合，提高系統整體性和操作的便捷性；三是結合研究試驗等確定的作業指標，實時分析云中物理參量，給出實際的作業條件判識結果，幫助機上作業人員更科學和有針對性的操控催化作業裝備。

目前，第一架新舟60增雨飛機已經完成出廠驗收，交付陜西省氣象局即將投入業務運行，另一架也將于近期交付甘肅省氣象局；空中國王350增雨飛機的改裝已基本完成，集成工作正在緊張進行，預計9月份交付使用。

2.2 作業指揮系統

東北人影項目建成了我國第一個統一的區域—省—市—縣人影指揮平臺，實現了現代人影完整的業務流程和指揮流程。但近幾年氣象信息化發展迅猛，氣象大數據云平臺架構成為了所有氣象業務系統必須遵循和融入的基礎技術平臺，而東北的人影作業指揮系統顯然還較為獨立和封閉，在數據共享、算法共用、產品顯示等方面難以實現互通和借鑒。因此西北人影項目作業指揮系統設計時，著重考慮了與氣象大數據的融合、格式標準的對接、顯示風格的統一、人影算法的通用和開放，按“云+端”的思路，設計了“云收集、云存儲、云計算、云服務”的系統架構，其中“云服務”按App（手機端，簡稱A端）、Browser（網頁瀏覽端，簡稱B端）和Client（客戶端，簡稱C端）三種服務方式設計。

西北作業指揮系統的建設與中國氣象局“天擎”、“天境”同步，其數據環境、計算環境、監控環境都基于氣象大數據云平臺基礎架構。C端則基于Micaps（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Process System）進行人影業務功能插件的設計開發，實現了顯示風格統一和操作界面一致以更符合各級人影指揮人員的使用習慣。人影算法匯集傳統算法、專家算法以及西北區域各省的業務指標算法，并且提供了個性算法匯入接口，搭建了算法“眾智平臺”，為今后算法升級、拓展提供支撐。

作業指揮系統按“作業計劃（過程預報）、作業預案（潛力預報）、作業方案（監測預警）、作業實施（跟蹤指揮）、效果檢驗”五段業務設計了相關業務指揮功能，并通過A端、B端和C端，實現作業指揮“區域—省—市—縣—作業站”全貫穿，滿足各級人影作業指揮的需求。

2.3 試驗示范基地與研究試驗

（1） 試驗示范基地

2015年，世界氣象組織（WMO）關于人工影響天氣的聲明認為，就當前的認識水平而言，在合適的條件下，用成冰性催化劑催化過山氣流形成的混合云，對增加其降水量具有最好的經濟前景。地形云是西北地區重要的降水云系，也是人工增雨（雪）主要作業對象。

因此，開展地形云人工增雨（雪）研究試驗是提高西北區域人影科技水平和作業效益的重要途徑。西北人影項目選擇西北最具代表性的地形云區域，同時也是我國重要的生態保護與修復區域——祁連山、天山、三江源和六盤山等，設立了地形云人工增雨（雪）試驗示范基地，科學規劃試驗區域、補充布設云降水探測設備，以期獲得試驗區域三維水汽、云水、降水場以及催化前后云中變化特征，從而凝練作業模型與作業指標，形成成套催化技術，并通過應用示范推廣，提高地形云人工增雨（雪）作業的技術水平和生態保護與修復人影作業的效益。

（2）研究試驗

人影工程建設項目往往偏重硬件建設而忽視研究試驗等軟性建設，對作業條件探測、作業識別、作業裝備、催化技術、效果評估以及相關配套技術研究和應用示范不夠充分，使得效益的發揮達不到預期的效果。為此，西北人影項目在國家發改委和中國氣象局的支持下，率先嘗試了在人影工程建設中設立研究試驗項目，在工程建設的同時依托建立的人影試驗示范基地開展研究試驗，并將研究成果轉化為工程技術進行示范推廣，縮短工程技術成果業務轉化的進程，保障工程項目效益的發揮。西北人影項目設立了祁連山、天山、三江源、六盤山地形云增雨（雪），渭北、巴彥淖爾防雹以及作業天氣背景分析等研究項目，目前已取得了階段性成果：各試驗區獲取了云降水與催化作業的多個典型個例，建立了數據集；開展了云水資源分布、地形云降水和云微物理特征等方面的研究；嵌入催化模塊的地形云數值模式研發基本完成；作業條件識別等研究試驗成果納入了作業指揮系統應用。

（3）技術隊伍培養

試驗基地建設和研究試驗項目采取公開招標的方式，吸引了國內外人影技術力量的參與，中國科學院大氣物理研究所、國家氣候中心、蘭州大學、南京大學、南京信息工程大學、成都信息工程大學的專家參與了試驗項目研究，匯聚各方力量協同攻關。項目執行至今，已組織多次外場試驗，開展了廣泛交流，推動國、省青年骨干科技人員參加外場試驗，與外部門專家合作凝練科學問題，總結分析試驗數據，合作發表科研成果，極大帶動了青年人才成長。

3 結論

西北人影項目在高性能增雨飛機、作業指揮系統、研究試驗等關鍵技術系統和技術措施的設計方面取得了一些新的突破，其建設成效正在逐步顯現。

1）飛機集成系統高度集成了探測、作業、通信等各類信息，研發了機上實時指導作業的催化潛力指標，并全部實現了國產化。

2）在新舟60增雨飛機上加裝了吸濕性粉劑播撒裝置，填補了暖云催化方式的不足。

3）作業指揮系統實現了與氣象大數據的融合、格式標準的對接、顯示風格的統一、人影算法的通用和開放，形成了云+端的“4C+ABC”架構，對后續人影作業指揮系統設計與建設具有較好的借鑒價值。

4）開創了在人影工程建設中設立研究試驗項目的先例，強化了工程技術成果業務轉化的應用，促進了地方人影隊伍的成長，保障了工程效益的發揮，為后續人影工程建設起到了示范作用。

2020年11月，國務院辦公廳印發了《關于推進人工影響天氣工作高質量發展的意見》，要求：要優化投入結構，重點支持人工影響天氣能力建設、運行和作業保障等；要建設國家級人工影響天氣科學試驗基地和重點實驗室。分類建設人工影響天氣科學試驗示范區，持續開展人工增雨（雪）、防雹、消云減雨、消霧、改善空氣質量等科學試驗，逐步提高科技水平和科技成果轉化成效。2021年是“十四五”開局之年，如何推進人工影響天氣高質量發展，提升人工影響天氣業務能力和科技水平，是當前乃至今后一段時期人影工作者的核心課題。更加科學合理地規劃設計人影現代化工程，確保建設效益的充分發揮，需要各級人影工作者共同努力。