增雨火箭殘骸落點的評估方法

陳昌，鐘建洪，游積平，程鵬，何松蔚，廖學強，鄭凱

（1.廣東省人工影響天氣中心，廣東廣州 510640；2.韶關(guān)市氣象局，廣東韶關(guān) 512028；3.廣西壯族自治區(qū)人工影響天氣辦公室，廣西南寧 530022）

開發(fā)利用空中云水資源，增加自然降水，是減緩旱情的一種有效手段［1］。人工增雨是調(diào)節(jié)干旱地區(qū)干旱缺水的重要途徑之一［2］。目前全國所有的省市已開展了火箭增雨工作，各級政府都把人工增雨作業(yè)支出納入財政預算，社會各界都非常認可人工增雨作業(yè)的效果和作用［3］。同時，人工影響天氣也是氣象防災減災工作的一項重要手段［4］，地面火箭作業(yè)系統(tǒng)在增雨抗旱、防雹減災、大氣污染防治、水庫蓄水發(fā)電、森林防（滅）火等工作中發(fā)揮顯著作用［5］。但是，隨著近年來我國經(jīng)濟持續(xù)的高速發(fā)展，城市化進程的速度也在不斷加快，交通運輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施建設(shè)也越來越多，尤其廣東省的高速公路、鐵路等建設(shè)縱橫交錯，對我省人工增雨作業(yè)提出了更高的要求，安全作業(yè)越來越受到各地氣象部門的高度重視，火箭彈的安全降落已成為作業(yè)必須面臨重點考慮的問題，火箭殘骸下落區(qū)域安全等相關(guān)問題需盡快解決［6］。安全風險成為了制約人工影響天氣工作發(fā)展的主要因素［7］。

目前廣東省地面火箭增雨采用的是陜西中天火箭技術(shù)有限責任公司生產(chǎn)的WR-98型火箭作業(yè)系統(tǒng)，該增雨火箭在空中播撒結(jié)束后其殘骸采用的是一種傘降的方式降落，降落地點極易受高空風的風向、風速的影響，有可能降落到居民密集區(qū)、高速公路等地方，容易引起各種意外事件的發(fā)生，對廣東省人工影響天氣業(yè)務(wù)工作的可持性發(fā)展造成不良的影響。因此，迫切需要一種預測火箭殘骸落區(qū)的方法，在人工影響天氣外場業(yè)務(wù)工作之前分析地面火箭作業(yè)的風險，評估增雨火箭殘骸大概的落區(qū)，這對于進一步提升廣東全省人工影響天氣的業(yè)務(wù)、加強地面火箭增雨工作的安全性，推動廣東省人影業(yè)務(wù)工作的發(fā)展具有重要的指導意義。

1 評估方法

1.1 增雨火箭性能

廣東省全省所使用的WR-98型火箭使用的是固體火箭發(fā)動機技術(shù)。WR系列增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)，是一種新型增雨防雹作業(yè)系統(tǒng)［8］。采用降落傘式回收，其降落傘為方形傘、箭身殘骸重3.9 kg。其增雨火箭是通過引信控制催化劑的播撒和打開降落傘。因此，增雨火箭不同的發(fā)射仰角，其最高點的高度、起始和終止播撒催化劑的高度與發(fā)射點的水平距離均是不同的，廠家給出常用作業(yè)仰角的WR-98型火箭彈的性能見表1。其中X是增雨火箭發(fā)射方向上與作業(yè)點的水平距離（m）、Y為增雨火箭的高度（m），理論落點是在不考慮風場的情況下為火箭殘骸在發(fā)射方向上與作業(yè)發(fā)射點之間的水平距離，如果發(fā)射仰角為奇數(shù)，處于兩個發(fā)射角之間，則取該兩個發(fā)射角數(shù)值平均值作為該發(fā)射仰角的數(shù)值。

表1 WR-98火箭彈道

1.2 風場模擬算法

開傘后由于增雨火箭已變?yōu)椴豢煽刂?，主要受高空風場的影響，需要在開傘后預測火箭箭身的軌跡，對高空風有個準確的判斷。由于高空風在短時間內(nèi)變化不會很大，可以用作業(yè)前的探空風場數(shù)據(jù)評估增雨火箭箭身殘骸空中漂移的影響，預測開傘后增雨火箭箭身殘骸空中的軌跡。由于高空風場在不同的高度上其風向、風速會有不同，故本研究只能根據(jù)探空數(shù)據(jù)采用分段計算。假定掛在傘上的增雨火箭的箭身殘骸是隨著風飄移，已知火箭殘骸第1點A（E0，N0）的經(jīng)緯度，通過該段的風向風速以及所需時間求出火箭殘骸第2點B（E1，N1）的經(jīng)緯度，其風向移向與北極的方位角為α，見圖1。

圖1 地球上空A點漂移到B點

在圖1中，N、O分別為北極點和地球中心點，P為A點所在緯度面的圓心。AC是平行于緯度線，BC是平行于經(jīng)度線，ABC為一個直角三角形，C點為直角。R為地球半徑其值約為6 371 011 m［9］。A點經(jīng)度、緯度為E0、N0；B點經(jīng)度、緯度為E1、N1；C點經(jīng)度、緯度為E1、N0。α為火箭發(fā)射方位角，風向為A到B，A、B兩點間的距離S（m）為

其中，v為風速（m／s）；t為火箭箭身殘骸從A點到B點所花的時間（s）。

A、C兩點間的距離AC（m）和C、B兩點間距離BC（m）分別為

?APC是平行于赤道面，A點所在緯度的切面半徑r（m）為

2 落點評估

通過公式（1）—（6），本研究對廣東省韶關(guān)南雄于2021年1月21日21：01—21：02（北京時，下同）的一次增雨火箭作業(yè)落點進行評估，火箭作業(yè)點的海撥高度142 m，經(jīng)度、緯度分別為114.254 72°E、25.080 55°N。發(fā)射仰角為64°、發(fā)射方位角為314°，火箭開傘點的經(jīng)度、緯度分別為114.218 47°E、25.112 25°N。

火箭殘骸除受高空風影響之外，不同高度其下降速度是不同的，這是由于空氣密度與海拔高度有關(guān)。高度越高，下降速度越快；高度越低，下降速度越慢［10］。由于開傘后的增雨火箭殘骸在不同高度上的落速有所不同，本研究根據(jù)廣西壯族自治區(qū)人工影響天氣辦公室在2021年2月9日04：41發(fā)射的一枚攜帶GPS模塊的WR-98型試驗火箭所獲得的數(shù)據(jù)可知，6 000 m以上平均落速約13 m／s，6 000～5 000 m平均落速約12 m／s，5 000～4 000 m平均落速約11 m／s，4 000～2 000 m平均落速約10 m／s，2 000～1 000 m平均落速約9.0 m／s，到了1 000 m以下，火箭殘骸基本維持在8 m／s左右落速降到地面?；鸺_傘與最高點幾乎同時發(fā)生，故可以將火箭最高點的高度作為開傘點的高度。同時，火箭開傘前是由發(fā)動機及慣性驅(qū)動，可以不考慮高空風對其影響。本研究根據(jù)2021年1月21日20：00清遠探空數(shù)據(jù)及火箭性能對南雄的該次火箭增雨作業(yè)的落點進行評估，見表2。

表2 2021年1月21日21：01南雄火箭落點評估

由表2可以看出，預測火箭殘骸落點為114.284 51°E，25.155 24°N，與 實 際 落 點（114.269 44°E，25.152 50°N）比較接近，雖然有些誤差，但大概方位比較接近，兩者的經(jīng)度相差0.015 07°、緯度相差0.002 74°，火箭箭身殘骸漂移軌跡及實際落點見圖2。

圖2 火箭箭身殘骸漂移軌跡與實際落點示意圖

由圖2可以看出，火箭箭身殘骸的實際落點在預測落點的左邊，主要是經(jīng)度上的差異，緯度相差不大。雖然有誤差，但總體方位是正確的，這對于作業(yè)前預測火箭殘骸的落點和安全作業(yè)是有一定的參考意義。

利用清遠探空風場數(shù)據(jù)預測韶關(guān)南雄地面作業(yè)火箭殘骸的落點，與實際的降落地點有一定的誤差，雖然火箭殘骸實際落點與高空的環(huán)境風場密切相關(guān)，但由于清遠與韶關(guān)南雄兩地相距甚遠，直線距離有200 km，因此，清遠探空的高空風場數(shù)據(jù)替代韶關(guān)南雄的高空風場數(shù)據(jù)還是存在一定的誤差，且時間上也有誤差，探空時間與火箭作業(yè)時間也相差一個多小時。同時，云中的風場與環(huán)境風場也有不同以及火箭在不同高度上的落速的準確性等幾個方面的綜合因素造成了預測火箭殘骸降落點與實際落點不完全一致。預測火箭殘骸落點雖然有誤差，但利用該方法進行作業(yè)前評估火箭殘骸的落點對于安全開展地面火箭作業(yè)是有一定的推廣價值。