鄭泳宜等

摘要 針對祁連山區(qū)域水資源需求以及云水資源分布，介紹了無人機在人影作業(yè)中的應(yīng)用情況，并提出建議，以期為無人機在祁連山地區(qū)人工增雨（雪）中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 無人機；人工增雨（雪）；應(yīng)用；建議；祁連山地區(qū)

中圖分類號 V279+.3；P482 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）01-0227-03

Abstract Aiming at the demand of water resources in Qilian Mountain area and water resource distribution，the application of UAV in weather modification work was introduced，and suggestions were put forward，in order to provide a reference for application of UAV in artificial precipitation（snowfall）of Qilian Mountain area.

Key words UAV；artificial precipitation（snowfall）；application；suggestion；Qilian Mountain area

祁連山位于青藏高原東北緣，是甘肅和青海兩省的界山，由多條西北—東南走向的平行山脈和寬谷組成，海拔2 500～5 800 m。祁連山是河西走廊的重要水源地，發(fā)源于祁連山的石羊河、黑河、疏勒河等內(nèi)陸河流，維系著河西綠洲的經(jīng)濟社會發(fā)展和流域內(nèi)的生態(tài)平衡，創(chuàng)造了漢唐以來絲綢之路的輝煌文明。近年來，由于受氣候變化和人類活動的影響，祁連山冰川大幅縮減，雪線迅速上升，出現(xiàn)水資源短缺危機，已經(jīng)威脅到河西走廊脆弱的生態(tài)環(huán)境。

人工增雨是開發(fā)利用空中云水資源的一種有效途徑，利用云催化技術(shù)可以增加5%～25%的大氣降水量。祁連山人工增雨（雪）能增加河西內(nèi)陸河流域的生態(tài)用水，對西北區(qū)域生態(tài)建設(shè)意義重大。近幾年，國內(nèi)專家學(xué)者對祁連山地形云結(jié)構(gòu)及降水機理進(jìn)行了研究，并連續(xù)多年在祁連山開展野外觀測試驗[1]。

人工增雨主要利用飛機進(jìn)行，其適合對層狀可降水云系連續(xù)作業(yè)，由多種播撒裝置將催化劑直接播入云中，還可裝載探測儀器對作業(yè)前后云的宏微觀狀態(tài)變化進(jìn)行追蹤監(jiān)測。但飛機增雨作業(yè)使用成本高，飛行手續(xù)繁瑣，易受天氣條件的制約。無人機是一種無人駕駛的航空器，具有經(jīng)濟實用、操作靈活、安全可靠、載荷多樣化、性能不受人體生理條件限制等優(yōu)勢，成為新概念和技術(shù)的探索試驗平臺。國內(nèi)外近幾年嘗試應(yīng)用無人機人工增雨或人工消除霧霾，試驗研究取得一些進(jìn)展[2]。與現(xiàn)有人影作業(yè)手段相比，無人機更適用于在安全受限的山區(qū)進(jìn)行人工增雨作業(yè)。無人機在祁連山進(jìn)行人工增雨（雪）需要進(jìn)行大量科學(xué)試驗以獲取成功經(jīng)驗。

1 祁連山地區(qū)水資源需求

祁連山與河西走廊南北相鄰，存在著高度、地表、植被和氣候的差異，其生態(tài)系統(tǒng)由南至北從高山高寒生態(tài)區(qū)向干旱荒漠生態(tài)區(qū)過渡，水資源呈現(xiàn)逐級分配，以內(nèi)陸河流連接成冰川—草原—綠洲—沙漠（戈壁）的多形態(tài)分布。河西走廊是甘肅省的糧食主產(chǎn)區(qū)，綠洲灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，對水資源的依賴性很強，祁連山的安危關(guān)系到河西走廊的命運。河西走廊的石羊河、黑河、疏勒河三大水系56條內(nèi)陸河流均源自祁連山海拔4 000 m以上的高山地區(qū)，由山區(qū)大氣降水和高山冰雪融水補給，有地表徑流、地下徑流及相互轉(zhuǎn)換構(gòu)成復(fù)雜的水資源循環(huán)系統(tǒng)。表1為河西走廊石羊河、黑河、疏勒河流域水資源基本情況，資料來源于參考文獻(xiàn)[3-6]。

2 祁連山地區(qū)云水資源分布

祁連山受到尺度不同的大氣環(huán)流控制和天氣系統(tǒng)的影響，既有系統(tǒng)性的層狀云系，又有對流性的積狀云系，多數(shù)情況存在層積混合云系，夏季的地形云和春秋季的層狀云是主要降水云系。宜樹華等[7]對西北地區(qū)云時空分布特征的研究表明，祁連山年均總云量達(dá)到65%以上，夏季的云量最大，其中云層深厚含水量較高的層云、雨層云和深對流云的總云量在春季大約為15%，夏季約為20%，平均比鄰近地區(qū)的云量高10%左右。祁連山因為有系統(tǒng)性高大地形，能夠有效地截獲過境的空中水汽，在迎風(fēng)坡（一般是北坡）水汽被輻合上升氣流和熱力抬升，在一定高度水汽凝結(jié)形成地形云（包括碎積云、積云和濃積云）。

大氣降水是水資源的總補給來源，祁連山年平均降水量300～800 mm，降水主要集中在5—9月，占年降水量的75%～85%。祁連山降水北側(cè)大于南側(cè)，東邊大于西邊，降水量隨海拔高度升高而增加。研究表明，祁連山年平均降水量最大出現(xiàn)在海拔3 650～4 150 m，該層是最大水汽輸送層，云中液態(tài)水含量最集中[8]。祁連山區(qū)降水量≥0.1 mm的降水日數(shù)在104～180 d之間，正常年份1年中36%的天數(shù)有降水[9]。本文利用2001—2005年祁連山及周邊地區(qū)（東經(jīng)98°～104°，北緯36°～40°）酒泉、高臺、肅南、張掖、民樂、山丹、永昌、武威、民勤、烏鞘嶺、托勒、野牛溝、祁連、剛察、門源等15個氣象站日降水量資料，統(tǒng)計分析其降水特征。規(guī)定其中鄰近3個站或以上同時≥10 mm降水為一次大降水過程，并認(rèn)為主要是受天氣系統(tǒng)影響的降水；只有在烏鞘嶺、托勒、野牛溝、祁連、剛察、門源等6個高山站中出現(xiàn)≥10 mm降水被認(rèn)為主要是由地形作用產(chǎn)生的降水。結(jié)果表明，祁連山區(qū)≥10 mm降水平均每年26.6次，其中系統(tǒng)降水占降水總次數(shù)的33.1%，地形降水占降水總次數(shù)的55.6%。6—8月大降水主要出現(xiàn)在下午到夜間，以對流性降水為主，并且多有連續(xù)2 d出現(xiàn)大降水的情況。說明祁連山區(qū)降水具有明顯的地域性和穩(wěn)定性，地形云降水對總降水量的貢獻(xiàn)較大。

空中云水資源是指存在于大氣中的液態(tài)水和固態(tài)水總量，是大氣降水的來源，也是通過人工干預(yù)可以直接開發(fā)利用的水資源。國內(nèi)外研究表明，自然云降水在穩(wěn)定層結(jié)大氣中的降水效率為17%～25%，在不穩(wěn)定層結(jié)大氣中的降水效率為26%～28%，對流云平均降水效率為56%，層狀云平均降水效率為29%。祁連山水汽資源較為豐富，但云水轉(zhuǎn)化效率總體不高，水汽總輸送量中只有15%左右形成降水。由此可見，祁連山人工增雨（雪）潛力大，至少可以增加10%的降水。

3 無人機簡介

無人機是一種既能遙控飛行又能自主飛行的無人駕駛飛行器，與有人駕駛飛機相比，其生產(chǎn)成本僅為后者的5%～15%，飛行成本僅為其1%～5%。無人機技術(shù)近年來發(fā)展迅速，性能趨于成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，民用主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探、環(huán)保監(jiān)測、災(zāi)情偵查、地理測繪、氣象探測、森林防火、公路管理、電力巡線、郵政快遞等方面。無人機操作員通過無線電數(shù)據(jù)傳輸電臺對飛行中的無人機發(fā)送指令，根據(jù)需要修改當(dāng)前的飛行航線和任務(wù)，通過遙控實施作業(yè)，一般在起飛和降落時遙控操作飛行，水平飛行時按預(yù)設(shè)程序自動駕駛飛行。地面站監(jiān)控終端可接收存儲無人機飛行數(shù)據(jù)和探測信息。無人機一般為可拆卸結(jié)構(gòu)，便于快速轉(zhuǎn)場，到達(dá)任務(wù)區(qū)后現(xiàn)場組裝。無人機起飛著陸不太受場地限制，有適合的跑道即可進(jìn)行滑跑起降，也有些輕型無人機是使用滑道彈射起飛、降落傘著陸的。

無人機系統(tǒng)是一個系統(tǒng)集成，由飛行器平臺、飛行控制與管理系統(tǒng)、機載設(shè)備和地面監(jiān)控4個部分構(gòu)成，一般配備動力系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、光電探測系統(tǒng)、無線電數(shù)據(jù)傳輸電臺等設(shè)備，具備遠(yuǎn)程遙控能力、自主飛行能力、抗電磁干擾能力和數(shù)據(jù)實時傳輸能力。其中，飛行器平臺涉及氣動、結(jié)構(gòu)、動力、發(fā)射與回收等多方面的技術(shù)，直接決定無人機的飛行性能；飛行控制與管理系統(tǒng)包括飛行控制、飛行管理和任務(wù)設(shè)備管理功能，是無人機執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵部分。

4 無人機在人影作業(yè)中的應(yīng)用

4.1 人影任務(wù)載荷

人工影響天氣飛機要完成大氣探測飛行和播撒作業(yè)飛行兩大工作任務(wù)。大氣探測除探測大氣溫度、濕度等常規(guī)氣象參數(shù)外，還探測云中液態(tài)水含量、云中粒子等云物理參數(shù)，判定層狀云系中過冷水的存在部位及其含量，準(zhǔn)確地找到成云致雨的條件；播撒作業(yè)要根據(jù)云的性質(zhì)選擇作業(yè)方式，人工增雨分為冷云催化和暖云催化作業(yè)，其中冷云催化是相對成熟的技術(shù)，是在空中水汽和上升運動相對充分的條件下，通過向溫度低于0 ℃的冰水共存的層狀云系中播撒碘化銀、干冰等催化劑，產(chǎn)生大量的人工冰晶，通過水汽凝結(jié)增長和碰并增長，冰晶增長成雪和霰，降落到暖區(qū)融化成為雨滴，從而引發(fā)云層降水或增大降水強度[10]。

任務(wù)載荷是在飛機標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，加裝大氣云粒子探測系統(tǒng)、作業(yè)播撒系統(tǒng)、地空信息傳輸系統(tǒng)、云宏觀成像系統(tǒng)和任務(wù)管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)人工增雨功能。機載人影探測裝備有機載微波輻射計、機載粒子探測儀、返流式鉑電阻測溫儀、露點濕度計等，機載播撒作業(yè)裝備主要有AgI末端燃燒器、AgI焰彈發(fā)射器、AgI發(fā)生器、液態(tài)二氧化碳（LC）播撒器、LN播撒器以及鹽粉、尿素播撒器等[11]。人影無人機根據(jù)探測和作業(yè)需求選擇承載其中的1項或多項裝備，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)改進(jìn)。如果設(shè)計人影無人機攜帶10根碘化銀焰條，那么掛載由播撒器、點火控制器及焰條組成的播撒系統(tǒng)重量大約為35 kg，可滿足100 km2的人工增雨作業(yè)區(qū)域要求。人影無人機系統(tǒng)可集探測和作業(yè)裝備為一體，一邊尋找目標(biāo)一邊實施作業(yè)，也可由多架無人機組成，探測與作業(yè)分工協(xié)作，聯(lián)合作業(yè)。

4.2 特殊性能要求

人影無人機不存在人身安全風(fēng)險，在人煙稀少的山區(qū)作業(yè)社會影響和危害也小，可以更加靠近山體，深入云中，尋找云水條件好的區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化的人影探測和播撒作業(yè)。人影無人機要滿足在復(fù)雜氣象條件和特殊地理環(huán)境下人影作業(yè)的需求，要求適應(yīng)環(huán)境能力強，技術(shù)性能優(yōu)良。對層狀云冷云催化來說，人影無人機要飛到中低云上的負(fù)溫區(qū)，因為北方夏季0 ℃層高度在5 000～6 000 m，所以人影無人機要能穩(wěn)定飛行在5 500 m左右的空中。無人機在高寒山區(qū)增雨作業(yè)時，將會遇到高海拔地區(qū)動力不足、強對流天氣抗風(fēng)防冰、超視距自主飛行穩(wěn)定與控制、無人機與人影裝備結(jié)構(gòu)銜接等工程技術(shù)問題。綜合各種因素，人影無人機選用中高空、低速、長航時、起飛重量在200～500 kg之間的輕型或小型無人機為宜，可供人影改裝選擇的無人機很多（表2）。

4.3 工作流程設(shè)計

無人機人工增雨遵循先易后難、循序漸進(jìn)、飛行試驗與探測作業(yè)相結(jié)合的原則。工作流程：人影專業(yè)人員根據(jù)需求在河西內(nèi)陸河上游劃設(shè)增雨試驗區(qū)，建立無人機前沿增雨基地，進(jìn)駐后先熟悉地理環(huán)境，考察飛機起降條件。對無人機系統(tǒng)進(jìn)行集成、安裝調(diào)試，在晴好天氣進(jìn)行適應(yīng)性飛行，測試系統(tǒng)性能，獲取原始數(shù)據(jù)。當(dāng)降水過程出現(xiàn)時，利用氣象衛(wèi)星反演、天氣雷達(dá)探測和數(shù)值天氣預(yù)報初步判定降水云系位置，預(yù)設(shè)飛行航線，操控?zé)o人機起飛，通過地空人機交互，將飛行過程中的探測資料和飛行數(shù)據(jù)實時傳送給地面監(jiān)控終端，進(jìn)一步分析云降水宏觀特征和云物理特征，隨時遙控修正航線，尋找最佳增雨作業(yè)區(qū)，發(fā)出播撒作業(yè)指令。作業(yè)后，按一定的時間間隔進(jìn)行空中探測和地面觀測，檢驗增雨作業(yè)效果，無人機即完成任務(wù)安全著陸。

5 建議

人工影響天氣是一項發(fā)展中的實證科學(xué)，是涉及多學(xué)科與技術(shù)的系統(tǒng)工程，需要不斷科技創(chuàng)新，加強工程研制。選擇合適的作業(yè)時機、作業(yè)部位、催化劑量是提高人影作業(yè)效率的前提，而對于一些特殊環(huán)境，選擇合適的催化劑播撒工具較重要。與傳統(tǒng)人工影響天氣飛機相比，無人機云催化作業(yè)更精細(xì)，使用成本更低廉，未來市場潛力將更大。綜上所述，祁連山地區(qū)云水資源較為豐富，是西北區(qū)域人工增雨（雪）的最佳作業(yè)區(qū)之一。針對祁連山地區(qū)的自然條件，為使無人機更好地為西北區(qū)域人影作業(yè)服務(wù)，提出以下建議。

5.1 確定適宜作業(yè)區(qū)域

祁連山5—9月水汽條件好，增雨潛力大，夏季是增雨的適宜時期，而春秋季適合增雪；祁連山地形云及降水主要發(fā)生在高山迎風(fēng)坡3 500～6 500 m的范圍內(nèi)，內(nèi)陸河流上游區(qū)是增雨作業(yè)的理想?yún)^(qū)域。

5.2 積極開展試驗，驗證發(fā)展人工影響天氣相關(guān)理論和技術(shù)

祁連山是人工增雨（雪）很好的云催化試驗場地，因為河西內(nèi)陸河的各個流域氣候相似，水系相對獨立，便于進(jìn)行人工增雨對比試驗，應(yīng)深入研究西北區(qū)域地形云的物理結(jié)構(gòu)，客觀檢驗人工增雨作業(yè)效果，驗證發(fā)展人工影響天氣相關(guān)理論和技術(shù)。

5.3 開展項目合作與聯(lián)合作業(yè)，拓展無人機應(yīng)用領(lǐng)域

無人機人工增雨（雪）可作為西北區(qū)域人工影響天氣能力建設(shè)的一部分，并在甘肅、青海兩省人影部門之間開展聯(lián)合作業(yè)。無人機應(yīng)用需拓展到防災(zāi)減災(zāi)的其他領(lǐng)域，如森林草原防火滅火，無人機在祁連山高危地區(qū)利用航拍監(jiān)測森林火險，人工增雨以降低森林火險等級，根據(jù)實際需要為林業(yè)管理部門和森林消防部門的工作提供有力支持。

5.4 加強無人機科技研發(fā)力度

無人機人工增雨要成為常規(guī)人影業(yè)務(wù)，需要跟蹤無人機科技研發(fā)進(jìn)展，提高無人機的綜合應(yīng)用能力和運營服務(wù)能力，實現(xiàn)無人機人影應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。作為組織管理者的氣象部門要制定無人機人工影響天氣行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加強行業(yè)部門之間的科技合作，共同研制人影無人機系統(tǒng)，組建飛行試驗專業(yè)團隊，在人影外場試驗中不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。

5.5 了解相關(guān)政策法規(guī)，提高業(yè)務(wù)水平

無人機人影作業(yè)需要了解相關(guān)政策?？沼蚬芾矸矫?，在我國任何飛行器都要接受空管部門的管理，無人機人工增雨作業(yè)需事前審批，根據(jù)《民用無人機空中交通管理辦法》申請無人機飛行空域。近幾年，空管部門為促進(jìn)通用航空的發(fā)展和無人機應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，對局部地區(qū)3 000 m以下的低空空域逐步開放。人員資質(zhì)管理方面，按照中國民用航空局《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》要求，無人機系統(tǒng)駕駛員（也稱飛控師）要進(jìn)行無人機主要系統(tǒng)相關(guān)知識的系統(tǒng)培訓(xùn)，掌握無人機操作和故障排除技術(shù)，通過考核持證上崗。中國航空器擁有者及駕駛員協(xié)會是國內(nèi)無人機操作人員資質(zhì)管理的行業(yè)協(xié)會。

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