地面燃燒爐在人工增雪試驗中的應用評估

朱科平 鄒春根 曾閏平 江 鵬 黃群英

（江西新余國科科技股份有限公司，新余 338000）

軍地協調領導小組辦公室組織部隊與地方多家單位開展了多次人工消云減雨作業。本次活動中，部隊負責軍用飛機的作業實施，有關省市人工影響天氣部門負責民用飛機和地面作業實施，并聯合實施觀測分析，再現了2009 年國慶閱兵的“北京藍”場面，實現了人工影響天氣保障服務目標[1]。人工影響天氣作業裝備主要有飛機、火箭、高炮和地面燃燒爐4 種。其中，地面燃燒爐適用性強，具有不受空域限制、操作簡便、作業時間長、播撒劑量大以及經濟安全等特點[2]。

1 試驗原理

濕空氣在山脈迎風坡爬升時，由于膨脹降溫導致水汽凝結形成的云大多位于高度為1 000 m 的位置，云中存在豐富的過冷水。在冬季，即使溫度低于0 ℃，在沒有外力干預的條件下，云內仍以過冷液態水（Supercooled Liquid Water，SLW）為主。爬升至山頂時，云層中SLW 含量達到最大，但90%的過冷水滴并不能轉化為降水，至山脈背風坡下沉增溫后，SLW 恢復為水汽，云體消散。針對自然情況下降水效率較低或無法產生有效降水的情況，為了合理開發空中的云水資源，可以人為播撒人工冰核，促使過冷水借助人工冰核凝華形成冰晶，再通過貝吉龍過程、碰并等不斷長大最終形成降水粒子降落，從而提高降水效率。

本試驗根據山區地形導致氣流強迫抬升的原理，在山脈迎風坡安裝地面碘化銀燃燒爐，燃燒形成含碘化銀顆粒隨上升氣流輸送至云中過冷水含量大的區域，從而增加云中冰核數量，改變云體微物理結構。人工冰核通過消耗云中過冷水形成大量冰晶，當冰晶生長到足夠大時就會降至地面形成降雪，最終增加積雪量。另外，在冬季開展人工增雪作業時，大氣條件通常較穩定，對流發展不旺盛，空氣垂直運動較弱，會使得燃燒后形成的碘化銀人工冰核“嵌入”到大片的層狀云系中，從而提高目標區的降雪效率[3-4]。

2 試驗設計

2.1 作業點選擇

北京市海淀區蘿芭地高山（北緯40°03′02″， 東經116°03′41″）位于北京市西郊，處于海淀區、昌平區、門頭溝區交界處，海拔為1 153 m，與同一區域的陽臺山、妙峰山一起被稱為京西三峰，是距離城區最近的海拔超千米的山區。其主脊北部的北尖海拔1 137 m，是僅次于陽臺山的海淀區第二高峰。

根據地面碘化銀燃燒爐的工作原理[5]，考慮該地的海拔，具有能夠形成抬升氣流的地理環境。此外，該地交通方便，通信暢通，不屬于洪澇和山地災害易發地帶，符合北京市中長期建設規劃。因此，選擇該地點作為地面燃燒爐的布設位置開展地面人工增雪試驗來收集相關觀測資料初步評估作業效果具有一定的代表性。

2017 年1 月15 日完成了江西新余國科科技股份有限公司制造的2 臺地面燃燒爐用于試驗的布設、安裝與調試工作（安裝實物見圖1），并將試驗用碘化銀煙條運達試驗地點，做好了試驗相關的準備工作，并派兩人在試驗點值守。

2.2 配套地面觀測裝備

基于軍地氣象觀測站網、中國氣象局、北京市氣象局實時和預報產品資料，開展了各種氣象要素的觀測。此外，為更好地了解局地實時氣象要素，增加了1 套機動綜合觀測系統和1 部車載天氣雷達。試驗所用儀器設備均在增雪試驗開始前進行了全面檢定和校準，處于完好狀態，且都在有效期內。

3 實驗情況

據北京市氣象臺預報，受東移高空槽影響，2 月21 日中午至夜間，北京市自西部向東會出現全市性降雪天氣，局地大雪。通過分析2 月21 日8 時和20 時北京站（54511）探空曲線，如圖2 所示，-10 ℃層高度分別為1 800 m 和1 200 m，水汽條件較好。

實驗過程中，試驗人員提前入駐試驗點做好一切準備工作，21 日14:08 地面燃燒爐點火開始作業，本次增雪試驗從14:08 開始到22:00 結束。兩臺遠程控制地面燃燒爐共燃燒碘化銀煙條57 根，作業實況如圖3 所示。

4 效果分析

本文通過作業前、后時段累積降雪的直觀對比和作業過程中衛星紅外云圖和雷達回波發展演變兩種方式來進行效果分析。

4.1 作業前、后時段累積降雪的直觀對比

（1）作業前、后作業點周圍實時降雪覆蓋情況的對比如圖4 和圖5 所示，說明在山脈迎風坡設置地面燃燒爐進行人工增雪作業可能會影響作業點周圍一定范圍內區域的降雪。

（2）通過對作業點現場一段時間的積雪深度進行測量，如圖6 和圖7 所示，16:20 測得的積雪深度約1.6 cm，22:30 測得的積雪深度約3.4 cm，得知6 h的累積降雪深度為1.8 cm，按照降雪等級的劃分標準，本次實驗時的降雪達到了中到大雪的量級。

4.2 作業過程衛星紅外云圖和雷達回波發展演變

通過觀察作業期間衛星紅外云圖的發展演變，云系整體向東北方向移動，移速較快，北京市處于該云系西北部的外圍；結合基于衛星數據反演的過冷層厚度分析，北京上空水汽條件在16:00—19:00 較差，21:00 之后水汽條件也逐漸轉差。

分析作業時段（14:00—22:00）北京多普勒天氣雷達的雷達回波發展演變，大片層狀云回波自西南向東北方向移動，移動過程中強回波面積逐漸減小，作業點上空回波也逐漸移出或消散（14:00—17:00）。但從17:00 開始，隨著西部較強雷達回波東移，作業點上空重新被回波覆蓋，雷達回波進一步發展，強回波面積增加。至22:00 時，回波逐漸東撤，回波強度和強回波面積逐漸減小，作業點上空回波幾乎完全消散，回波整體逐漸移出北京地區。分析認為，雖然作業點周圍區域回波強度較東南部回波主體弱，但實施催化作業后，通過充分利用氣流在迎風坡強迫抬升形成的過冷水，零散弱回波在作業點周圍區域有一定程度加強，提高了自然降雪效率。

5 效果分析

受東移高空槽影響，2 月21 日中午至夜間，北京市自西部向東出現了全市性降雪天氣，于21 日14:08—22:00 利用地面燃燒爐開展人工增雪作業，共燃燒碘化銀煙條57 根。通過對試驗觀測資料的定性和定量分析得出以下結論。

（1）通過對比作業前后10 min 藍布收集的累積降雪量、作業前后作業點周圍實時降雪覆蓋情況以及作業現場積雪深度得出，作業后作業現場的降雪強度和降雪累積量明顯大于作業前。以上定性分析說明，在山脈迎風坡設置地面燃燒爐進行人工增雪作業可能會影響作業點周圍一定范圍內的降雪。

（2）通過分析作業期間衛星紅外云圖和雷達回波的發展演變，北京地區覆蓋的大片層狀云系自西南向東北方向移動，且移速較快。作業期間，作業點附近區域雷達回波由強轉弱并東移，云系作業條件先轉差，之后隨著西部回波移入云系作業條件轉好。催化作業播撒人工冰核充分利用氣流在迎風坡強迫抬升形成的過冷水，作業點周圍區域雷達回波增強，在一定程度上提高了自然降雪效率。

6 結語

通過以上分析，認為該次增雪作業對作業點下風方一定區域范圍帶來了降雪增加的正效果，但由于作業期間云系水汽條件轉差等，通過地面燃燒爐播撒的人工冰核不能充分發揮作用，取得的增雪效果有限，說明采取遠程控制地面燃燒爐作業方式開展冬季人工增雪試驗是可行的。作業前，利用各類常規和特種觀測資料分析云系水汽條件以及上升氣流等，需要把握最佳的作業時機。該方式能在有條件的地區增加冬季降雪，從而為提升人工影響局部戰場環境提供保障。