地面燃燒爐在人工增雪試驗(yàn)中的應(yīng)用評(píng)估

朱科平 鄒春根 曾閏平 江 鵬 黃群英

（江西新余國(guó)科科技股份有限公司，新余 338000）

軍地協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室組織部隊(duì)與地方多家單位開(kāi)展了多次人工消云減雨作業(yè)。本次活動(dòng)中，部隊(duì)負(fù)責(zé)軍用飛機(jī)的作業(yè)實(shí)施，有關(guān)省市人工影響天氣部門(mén)負(fù)責(zé)民用飛機(jī)和地面作業(yè)實(shí)施，并聯(lián)合實(shí)施觀測(cè)分析，再現(xiàn)了2009 年國(guó)慶閱兵的“北京藍(lán)”場(chǎng)面，實(shí)現(xiàn)了人工影響天氣保障服務(wù)目標(biāo)[1]。人工影響天氣作業(yè)裝備主要有飛機(jī)、火箭、高炮和地面燃燒爐4 種。其中，地面燃燒爐適用性強(qiáng)，具有不受空域限制、操作簡(jiǎn)便、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、播撒劑量大以及經(jīng)濟(jì)安全等特點(diǎn)[2]。

1 試驗(yàn)原理

濕空氣在山脈迎風(fēng)坡爬升時(shí)，由于膨脹降溫導(dǎo)致水汽凝結(jié)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(guò)冷水。在冬季，即使溫度低于0 ℃，在沒(méi)有外力干預(yù)的條件下，云內(nèi)仍以過(guò)冷液態(tài)水（Supercooled Liquid Water，SLW）為主。爬升至山頂時(shí)，云層中SLW 含量達(dá)到最大，但90%的過(guò)冷水滴并不能轉(zhuǎn)化為降水，至山脈背風(fēng)坡下沉增溫后，SLW 恢復(fù)為水汽，云體消散。針對(duì)自然情況下降水效率較低或無(wú)法產(chǎn)生有效降水的情況，為了合理開(kāi)發(fā)空中的云水資源，可以人為播撒人工冰核，促使過(guò)冷水借助人工冰核凝華形成冰晶，再通過(guò)貝吉龍過(guò)程、碰并等不斷長(zhǎng)大最終形成降水粒子降落，從而提高降水效率。

本試驗(yàn)根據(jù)山區(qū)地形導(dǎo)致氣流強(qiáng)迫抬升的原理，在山脈迎風(fēng)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(guò)冷水含量大的區(qū)域，從而增加云中冰核數(shù)量，改變?cè)企w微物理結(jié)構(gòu)。人工冰核通過(guò)消耗云中過(guò)冷水形成大量冰晶，當(dāng)冰晶生長(zhǎng)到足夠大時(shí)就會(huì)降至地面形成降雪，最終增加積雪量。另外，在冬季開(kāi)展人工增雪作業(yè)時(shí)，大氣條件通常較穩(wěn)定，對(duì)流發(fā)展不旺盛，空氣垂直運(yùn)動(dòng)較弱，會(huì)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(biāo)區(qū)的降雪效率[3-4]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 作業(yè)點(diǎn)選擇

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

根據(jù)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(huán)境。此外，該地交通方便，通信暢通，不屬于洪澇和山地災(zāi)害易發(fā)地帶，符合北京市中長(zhǎng)期建設(shè)規(guī)劃。因此，選擇該地點(diǎn)作為地面燃燒爐的布設(shè)位置開(kāi)展地面人工增雪試驗(yàn)來(lái)收集相關(guān)觀測(cè)資料初步評(píng)估作業(yè)效果具有一定的代表性。

2017 年1 月15 日完成了江西新余國(guó)科科技股份有限公司制造的2 臺(tái)地面燃燒爐用于試驗(yàn)的布設(shè)、安裝與調(diào)試工作（安裝實(shí)物見(jiàn)圖1），并將試驗(yàn)用碘化銀煙條運(yùn)達(dá)試驗(yàn)地點(diǎn)，做好了試驗(yàn)相關(guān)的準(zhǔn)備工作，并派兩人在試驗(yàn)點(diǎn)值守。

2.2 配套地面觀測(cè)裝備

基于軍地氣象觀測(cè)站網(wǎng)、中國(guó)氣象局、北京市氣象局實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品資料，開(kāi)展了各種氣象要素的觀測(cè)。此外，為更好地了解局地實(shí)時(shí)氣象要素，增加了1 套機(jī)動(dòng)綜合觀測(cè)系統(tǒng)和1 部車(chē)載天氣雷達(dá)。試驗(yàn)所用儀器設(shè)備均在增雪試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行了全面檢定和校準(zhǔn)，處于完好狀態(tài)，且都在有效期內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)情況

據(jù)北京市氣象臺(tái)預(yù)報(bào)，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(huì)出現(xiàn)全市性降雪天氣，局地大雪。通過(guò)分析2 月21 日8 時(shí)和20 時(shí)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員提前入駐試驗(yàn)點(diǎn)做好一切準(zhǔn)備工作，21 日14:08 地面燃燒爐點(diǎn)火開(kāi)始作業(yè)，本次增雪試驗(yàn)從14:08 開(kāi)始到22:00 結(jié)束。兩臺(tái)遠(yuǎn)程控制地面燃燒爐共燃燒碘化銀煙條57 根，作業(yè)實(shí)況如圖3 所示。

4 效果分析

本文通過(guò)作業(yè)前、后時(shí)段累積降雪的直觀對(duì)比和作業(yè)過(guò)程中衛(wèi)星紅外云圖和雷達(dá)回波發(fā)展演變兩種方式來(lái)進(jìn)行效果分析。

4.1 作業(yè)前、后時(shí)段累積降雪的直觀對(duì)比

（1）作業(yè)前、后作業(yè)點(diǎn)周?chē)鷮?shí)時(shí)降雪覆蓋情況的對(duì)比如圖4 和圖5 所示，說(shuō)明在山脈迎風(fēng)坡設(shè)置地面燃燒爐進(jìn)行人工增雪作業(yè)可能會(huì)影響作業(yè)點(diǎn)周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)區(qū)域的降雪。

（2）通過(guò)對(duì)作業(yè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)一段時(shí)間的積雪深度進(jìn)行測(cè)量，如圖6 和圖7 所示，16:20 測(cè)得的積雪深度約1.6 cm，22:30 測(cè)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(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，本次實(shí)驗(yàn)時(shí)的降雪達(dá)到了中到大雪的量級(jí)。

4.2 作業(yè)過(guò)程衛(wèi)星紅外云圖和雷達(dá)回波發(fā)展演變

通過(guò)觀察作業(yè)期間衛(wèi)星紅外云圖的發(fā)展演變，云系整體向東北方向移動(dòng)，移速較快，北京市處于該云系西北部的外圍；結(jié)合基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的過(guò)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(zhuǎn)差。

分析作業(yè)時(shí)段（14:00—22:00）北京多普勒天氣雷達(dá)的雷達(dá)回波發(fā)展演變，大片層狀云回波自西南向東北方向移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中強(qiáng)回波面積逐漸減小，作業(yè)點(diǎn)上空回波也逐漸移出或消散（14:00—17:00）。但從17:00 開(kāi)始，隨著西部較強(qiáng)雷達(dá)回波東移，作業(yè)點(diǎn)上空重新被回波覆蓋，雷達(dá)回波進(jìn)一步發(fā)展，強(qiáng)回波面積增加。至22:00 時(shí)，回波逐漸東撤，回波強(qiáng)度和強(qiáng)回波面積逐漸減小，作業(yè)點(diǎn)上空回波幾乎完全消散，回波整體逐漸移出北京地區(qū)。分析認(rèn)為，雖然作業(yè)點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域回波強(qiáng)度較東南部回波主體弱，但實(shí)施催化作業(yè)后，通過(guò)充分利用氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升形成的過(guò)冷水，零散弱回波在作業(yè)點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域有一定程度加強(qiáng)，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(xiàn)了全市性降雪天氣，于21 日14:08—22:00 利用地面燃燒爐開(kāi)展人工增雪作業(yè)，共燃燒碘化銀煙條57 根。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)觀測(cè)資料的定性和定量分析得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)對(duì)比作業(yè)前后10 min 藍(lán)布收集的累積降雪量、作業(yè)前后作業(yè)點(diǎn)周?chē)鷮?shí)時(shí)降雪覆蓋情況以及作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)積雪深度得出，作業(yè)后作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的降雪強(qiáng)度和降雪累積量明顯大于作業(yè)前。以上定性分析說(shuō)明，在山脈迎風(fēng)坡設(shè)置地面燃燒爐進(jìn)行人工增雪作業(yè)可能會(huì)影響作業(yè)點(diǎn)周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的降雪。

（2）通過(guò)分析作業(yè)期間衛(wèi)星紅外云圖和雷達(dá)回波的發(fā)展演變，北京地區(qū)覆蓋的大片層狀云系自西南向東北方向移動(dòng)，且移速較快。作業(yè)期間，作業(yè)點(diǎn)附近區(qū)域雷達(dá)回波由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱并東移，云系作業(yè)條件先轉(zhuǎn)差，之后隨著西部回波移入云系作業(yè)條件轉(zhuǎn)好。催化作業(yè)播撒人工冰核充分利用氣流在迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升形成的過(guò)冷水，作業(yè)點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域雷達(dá)回波增強(qiáng)，在一定程度上提高了自然降雪效率。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，認(rèn)為該次增雪作業(yè)對(duì)作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)方一定區(qū)域范圍帶來(lái)了降雪增加的正效果，但由于作業(yè)期間云系水汽條件轉(zhuǎn)差等，通過(guò)地面燃燒爐播撒的人工冰核不能充分發(fā)揮作用，取得的增雪效果有限，說(shuō)明采取遠(yuǎn)程控制地面燃燒爐作業(yè)方式開(kāi)展冬季人工增雪試驗(yàn)是可行的。作業(yè)前，利用各類常規(guī)和特種觀測(cè)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(yè)時(shí)機(jī)。該方式能在有條件的地區(qū)增加冬季降雪，從而為提升人工影響局部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境提供保障。