梁 谷,楊瑞寶,都全勝

(1.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014;2.延安市人工影響天氣辦公室,陜西延安 716000;3.富縣人工影響天氣辦公室,陜西富縣 727500)

防雹作業(yè)中防雹火箭發(fā)射方式的探討

梁 谷1,楊瑞寶2,都全勝3

(1.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014;2.延安市人工影響天氣辦公室,陜西延安 716000;3.富縣人工影響天氣辦公室,陜西富縣 727500)

以1995年世界氣象組織(WMO)提出的合理防雹物理概念為基礎(chǔ),依據(jù)陜西省冰雹云的結(jié)構(gòu)特征和防雹火箭作業(yè)特性,為最大限度利用播云催化劑的作用和發(fā)揮防雹作業(yè)能力,將防雹火箭發(fā)射方式分為單線催化作業(yè)方式、傘型催化作業(yè)方式、垂直催化作業(yè)方式和立體催化作業(yè)方式四類。以提高火箭防雹作業(yè)的時(shí)效性為目的,對(duì)各類防雹火箭發(fā)射方式進(jìn)行效率分析,提出各發(fā)射方式的適用范圍和使用要求,指導(dǎo)火箭防雹作業(yè)的指揮、操作和培訓(xùn)。

冰雹;防雹作業(yè);火箭發(fā)射方式

陜西是國(guó)家認(rèn)定的中國(guó)蘋果優(yōu)生產(chǎn)業(yè)帶,其中渭北高原是世界公認(rèn)的最佳蘋果適生區(qū)。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,果業(yè)已成為陜西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。冰雹是陜西省最主要和多見的自然災(zāi)害,雹災(zāi)占各種災(zāi)害成災(zāi)面積的7%[1],給果業(yè)等經(jīng)濟(jì)作物造成巨大損失。陜西省政府在冰雹防御體系建設(shè)上投入了大量經(jīng)費(fèi),更新、添置、改善防雹業(yè)務(wù)中監(jiān)測(cè)、指揮、作業(yè)的裝備和工作環(huán)境,使陜西防雹工作的硬件條件位居全國(guó)先進(jìn)行列。20世紀(jì)80年代后期,我國(guó)研制了新型防雹增雨火箭作業(yè)系統(tǒng)。因其高安全性、便于操作、易于流動(dòng)的特點(diǎn)深受各級(jí)政府和群眾的歡迎,被廣泛應(yīng)用于地面人工防雹作業(yè)。到2012年底,陜西省裝備WR-98、WR-1D火箭發(fā)射系統(tǒng)約400付,已超過了高炮布設(shè)的規(guī)模,年耗箭量約4200枚(陜西省人工影響天氣辦公室統(tǒng)計(jì)結(jié)果)。

1 防雹作業(yè)原理

目前,被普遍接受的冰雹形成機(jī)制有兩種[2]:一是累積帶理論,在水分累積區(qū)內(nèi)通過浸潤(rùn)凍結(jié)或碰撞核化形成雹胚;二是循環(huán)增長(zhǎng)理論,雹胚沿各自的氣流軌跡增長(zhǎng)到足夠大后跌落到另一條大氣流帶中繼續(xù)運(yùn)動(dòng)增長(zhǎng),重復(fù)循環(huán)至冰雹大到尋找不到能維持其增長(zhǎng)的適合氣流帶而降落。由此可見,影響冰雹增長(zhǎng)主要是上升氣流,穩(wěn)定合適的上升氣流分布形態(tài)可促使雹胚成長(zhǎng)為冰雹,因這種上升氣流分布形態(tài)出現(xiàn)的概率較小,人們一般認(rèn)為冰雹是小概率事件;其次是雹胚增長(zhǎng)環(huán)境中的過冷水含量,雹胚少,過冷水含量大,雹胚增長(zhǎng)快,容易形成大冰雹,反之,冰雹尺度小。

依據(jù)上述理論,1995年世界氣象組織(WMO)對(duì)當(dāng)今防雹現(xiàn)狀的評(píng)述認(rèn)為,合理、可信的防雹物理概念有下列3種[3]:①增加人工冰核數(shù)與自然雹胚共同竟食有限的云中過冷水,從而抑制大冰雹的產(chǎn)生;②促使雹胚形成區(qū)提前產(chǎn)生降水,大量消耗雹胚增長(zhǎng)環(huán)境中的過冷水,阻滯雹胚增長(zhǎng);③降低冰雹生長(zhǎng)軌跡,阻止小冰雹進(jìn)入大氣流帶,縮短冰雹增長(zhǎng)時(shí)間,控制冰雹尺度。

在上述防雹的物理概念中,火箭防雹作業(yè)的理論依據(jù)有下列兩點(diǎn):一是將過量的人工冰核送入自然雹胚源區(qū) (陜西省雹云的這部分是1km左右的一個(gè)小區(qū)域,可通過雷達(dá)探測(cè)分析獲得,并且精度較高);二是在自然雹胚長(zhǎng)大前,將過量的人工晶核送入自然冰雹增長(zhǎng)區(qū) (通過對(duì)雷達(dá)回波的分析,可以估算得到冰雹增長(zhǎng)區(qū)的大致區(qū)域,估算精度低,故范圍一般在10km左右)。

2 作業(yè)設(shè)備特征及雹云模型

2.1 作業(yè)設(shè)備

陜西采用的火箭發(fā)射系統(tǒng)是陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司的WR-98型:火箭架一次可裝4枚火箭;射角為45°～85°,方位在安全射界內(nèi)無限制,全手動(dòng)操作;以線源播撒方式撒播催化劑,一枚火箭裝填有36g碘化銀(AgI);-10℃時(shí),催化劑中每克AgI的成核率約1013～1015個(gè);最大飛行高度8.5km。

2.2 雹云模型

圖1是陜西省主要的冰雹云結(jié)構(gòu)[4]:圖1a是弱的孤立單個(gè)雹云在正對(duì)雹云移動(dòng)方向上的結(jié)構(gòu)示意圖,氣流近似對(duì)稱;圖1b是沿圖1a中AB線所作的側(cè)視圖,雹云向左移動(dòng)。強(qiáng)冰雹云的流場(chǎng)分布更趨復(fù)雜,與圖1所示的結(jié)構(gòu)有所區(qū)別,但在雹胚源的部位、局部支撐雹胚增長(zhǎng)的流場(chǎng)及防雹作業(yè)方式和圖1模型類似,陜西省目前還沒有證據(jù)證明存在這種強(qiáng)冰雹云;可將多單體雹云看成是一組圖1所示雹云的集合體;可將傳播雹云看成是一組排列有序的圖1所示雹云的集合體。

圖1 弱單體雹云結(jié)構(gòu)模型

3 火箭防雹發(fā)射方式

火箭防雹作業(yè)技術(shù)是指因火箭發(fā)射點(diǎn)與雹云的相對(duì)位置產(chǎn)生變化后,為最大限度滿足作業(yè)目的及充分利用火箭所攜帶的催化劑 (提高催化劑的使用效益)而采取的應(yīng)對(duì)措施?；鸺辣l(fā)射方式即是這一措施中備選的操作方法。參照三七高炮射擊組合方式的設(shè)計(jì)理念和分類方法[2],依據(jù)火箭催化作業(yè)特征,結(jié)合作業(yè)中的經(jīng)驗(yàn),研究火箭防雹發(fā)射方式。

3.1 分類

以防雹火箭發(fā)射單點(diǎn)催化劑播撒軌跡的空間分布形態(tài)為依據(jù)分4類火箭防雹作業(yè)方式。

(1)單線催化作業(yè)方式 (又稱單箭催化作業(yè)方式) 催化劑播撒軌跡的空間分布形態(tài)為一段拋物線(見圖2)。

圖2 單線催化作業(yè)方式示意圖

(2)傘型催化作業(yè)方式 催化劑播撒軌跡的空間分布形態(tài)為＞1條拋物線,同一火箭發(fā)射點(diǎn)以相同仰角向不同方位 (方位角間隔相等)發(fā)射,拋物線形似雨傘骨架(見圖3)。

圖3 傘形催化作業(yè)方式示意圖

(3)垂直催化作業(yè)方式 催化劑播撒軌跡的空間分布形態(tài)為＞1條拋物線,同一火箭發(fā)射點(diǎn)以不同仰角、相同方位角發(fā)射,各條拋物線位于同一垂直面上(見圖4)。

(4)立體催化作業(yè)方式 同一火箭發(fā)射點(diǎn)以方式(2)和方式(3)的組合形式作業(yè)(見圖5)。

3.2 適用條件

3.2.1 單線催化作業(yè)方式 由圖2可見,催化劑播撒成一條線狀,依靠大氣擴(kuò)散和風(fēng)吞噬周邊的過冷水,催化范圍小,影響能力有限,在條件適合時(shí)作為輔助催化方式使用。

圖4 垂直催化作業(yè)方式示意圖

圖5 立體催化作業(yè)方式示意圖

3.2.2 傘型催化作業(yè)方式 由圖3可見,催化劑播撒成傘骨狀,是一種水平催化范圍最大的作業(yè)方式。影響能力很強(qiáng),適合作業(yè)點(diǎn)在雹區(qū)內(nèi),并為多單體雹云作業(yè)時(shí)使用。

3.2.3 垂直催化作業(yè)方式 由圖4可見,催化劑播撒成一垂直的面,是一種單位水平面上催化能力最強(qiáng)的作業(yè)方式。適合作業(yè)點(diǎn)對(duì)控制范圍內(nèi)的雹云進(jìn)行重點(diǎn)催化作業(yè)時(shí)使用。

3.2.4 立體催化作業(yè)方式 由圖5可見,催化劑播撒成一較大的立體面,是一種兼顧了傘型和垂直催化作業(yè)方式特點(diǎn)的綜合催化作業(yè)方式。水平催化范圍大,單位水平面上催化能力強(qiáng),適合對(duì)多單體雹云進(jìn)行重點(diǎn)催化,同時(shí)兼顧對(duì)雹胚增長(zhǎng)區(qū)判別模糊的區(qū)域作輔助催化作業(yè)時(shí)使用。

3.3 使用要求

3.3.1 原則 選擇火箭防雹發(fā)射方式時(shí),應(yīng)堅(jiān)持確保重點(diǎn),兼顧環(huán)境的原則。

重點(diǎn)——指對(duì)自然雹胚源區(qū)催化。這一區(qū)域的催化效益最高,抑制冰雹增長(zhǎng)效果最明顯,是火箭防雹的首選催化區(qū)域。

環(huán)境——指除去自然雹胚源區(qū),按下列順序排列的二個(gè)部分:一是疑似新單體的雹胚源區(qū),通過雷達(dá)回波分析得到,有不確定性;另一是冰雹增長(zhǎng)區(qū),雖然冰雹已經(jīng)生成,還可以盡量抑制其長(zhǎng)大,但抑制能力較差。這兩部分的總體催化效益低,是火箭防雹的輔助催化區(qū)域。

3.3.2 射角的確定 在火箭防雹作業(yè)時(shí),確定射角考慮兩個(gè)因素:一是自然雹胚源區(qū)催化 (對(duì)雹云進(jìn)行重點(diǎn)催化時(shí)主要考慮的因素),火箭催化劑播撒線段的50%應(yīng)在雹胚源區(qū)內(nèi)及下方,此時(shí)火箭發(fā)射的仰角較大,一般大于75°;二是冰雹增長(zhǎng)區(qū)催化 (對(duì)雹云進(jìn)行輔助催化和重點(diǎn)催化的間隙間考慮),火箭催化劑播撒線段的70%應(yīng)在冰雹增長(zhǎng)區(qū)內(nèi)及下方,此時(shí)火箭發(fā)射仰角相對(duì)雹胚源區(qū)催化低。

3.3.3 方位的確定 對(duì)自然雹胚源區(qū)催化,一個(gè)單體火箭發(fā)射方位選擇1個(gè),在雹胚源區(qū)的中心點(diǎn)上。對(duì)冰雹增長(zhǎng)區(qū)催化,一個(gè)單體火箭發(fā)射方位可選擇2～3個(gè),間隔一般小于10°。

4 結(jié)束語

隨著防雹物理概念的變化與火箭防雹作業(yè)設(shè)備的更新,在提高催化效率和防雹效果、簡(jiǎn)化作業(yè)方法上,還需今后進(jìn)一步研究。

[1] 呂從中.陜西省農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃[M].西安:西安地圖出版社,1988:54-55.

[2] 梁谷,李燕,岳治國(guó),等.高炮人工防雹作業(yè)技術(shù)分析[J].陜西氣象,2010(5):23-26.

[3] WMOMeetingofexpertstoreviewthepresent statusofhailsuppression[G].WMO/TDNO.746,1995.

[4] 黃美元,王昂生.人工防雹導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,1980:74-82.

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梁谷,楊瑞寶,都全勝.防雹作業(yè)中防雹火箭發(fā)射方式的探討[J].陜西氣象,2014(1):39-41.

1006-4354(2014)01-0039-03

2013-09-05

梁谷(1961—),男,江蘇太倉人,學(xué)士,高工,從事大氣物理研究、人工影響天氣和標(biāo)準(zhǔn)編制。