曹永民，李 群

(1.陜西省人工影響天氣辦公室，西安 710014；2.澄城縣氣象局，陜西澄城 715200)

陜西省飛機(jī)增雨 (雪)作業(yè)航線設(shè)計(jì)及應(yīng)用

曹永民1，李 群2

(1.陜西省人工影響天氣辦公室，西安 710014；2.澄城縣氣象局，陜西澄城 715200)

利用2007—2014年陜西飛機(jī)增雨(雪)作業(yè)的氣象及機(jī)場(chǎng)保障等資料，分析影響航線設(shè)計(jì)的主要因素，介紹陜西飛機(jī)作業(yè)航線設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果表明：固定航線加臨時(shí)修正的模式設(shè)計(jì)作業(yè)航線，可提高飛行作業(yè)批復(fù)率，增加作業(yè)量，延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間。

飛機(jī)增雨 (雪)；作業(yè)航線設(shè)計(jì)；綜合因素；陜西

開(kāi)發(fā)利用大氣水是解決水資源危機(jī)后備戰(zhàn)略的一條途徑[1]。飛機(jī)人工增雨 (包括增雪)，是人類利用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)利用空中云水資源的有效途徑和抗旱減災(zāi)的重要措施[2]。但飛機(jī)人工增雨作業(yè)受多方面的條件制約，在技術(shù)環(huán)節(jié)上還存在某些不確定性，還需要在科學(xué)概念和作業(yè)技術(shù)等方面不斷研究、改進(jìn)和完善[2]。陜西在人工增雨作業(yè)的同時(shí)，也開(kāi)展了云的宏、微觀物理結(jié)構(gòu)探測(cè)及人工增雨技術(shù)和效果檢驗(yàn)等研究[3]，尚未開(kāi)展飛機(jī)增雨航線設(shè)計(jì)相關(guān)研究。根據(jù)陜西氣候和降雨天氣特征，結(jié)合飛機(jī)增雨作業(yè)實(shí)際情況，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)作業(yè)航線，最大限度規(guī)避不利因素的影響，保障飛機(jī)作業(yè)在最理想的時(shí)機(jī)和區(qū)域以最理想的方式進(jìn)行，達(dá)到改善作業(yè)效果、增加作業(yè)架次、提高作業(yè)效益的目的。

1 飛機(jī)作業(yè)航線設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求

飛機(jī)作業(yè)航線設(shè)計(jì)除需確定作業(yè)目標(biāo)區(qū)、作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)層高度、播撒方式、催化劑、天氣變化趨勢(shì)等外，還需考慮機(jī)場(chǎng)放飛條件、作業(yè)飛機(jī)性能、作業(yè)空域管理等制約因素，使作業(yè)計(jì)劃能夠得以順利批復(fù)，及時(shí)實(shí)施作業(yè)。

1.1 作業(yè)目標(biāo)區(qū)

選定作業(yè)目標(biāo)區(qū)是作業(yè)航線設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。首先滿足作業(yè)目的需求，抗旱作業(yè)以特旱、重旱、干旱區(qū)為作業(yè)目標(biāo)區(qū)，一般根據(jù)生態(tài)環(huán)境建設(shè)、水庫(kù)蓄水等需求設(shè)計(jì)作業(yè)目標(biāo)區(qū)。其次，選定有降水潛力的目標(biāo)云。研究表明，適宜開(kāi)展飛機(jī)作業(yè)的主體目標(biāo)云應(yīng)當(dāng)為云系發(fā)展較為穩(wěn)定的層積云，云層厚度 (不含層云間的無(wú)云區(qū))＞2 km，過(guò)冷層厚度＞1.5 km，云底高度＜2 km，適宜催化作業(yè)的-6～-13℃云系處于4.0～5.5 km之間[4]。第三，對(duì)作業(yè)目標(biāo)區(qū)和飛行航線天氣變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，避免雷暴、強(qiáng)對(duì)流等不利天氣對(duì)飛行和起降安全的威脅[5]。第四，飛機(jī)作業(yè)航線應(yīng)符合飛行管制的基本要求，避讓?xiě)?zhàn)斗飛行任務(wù)、重要飛行任務(wù)和航班，合理穿越空中走廊、運(yùn)輸航路，避讓空中禁區(qū)、限制區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和飛行訓(xùn)練空域，符合飛行管制、指揮、調(diào)配、監(jiān)督等有關(guān)規(guī)定。

1.2 作業(yè)時(shí)間(時(shí)機(jī))

降水處于發(fā)展或持續(xù)階段的云層是適宜開(kāi)展人工增雨 (雪)作業(yè)的重要條件之一[6]。當(dāng)系統(tǒng)云減弱或消散時(shí)云層厚度一般不超過(guò)2 km，云中過(guò)冷水較少，不宜進(jìn)行人工催化作業(yè)[4]。地面無(wú)降水時(shí)，低層大氣尚處于不飽和狀態(tài)，實(shí)施增雨作業(yè)后的云層即使有增雨效果，產(chǎn)生的雨滴在下落過(guò)程中由于蒸發(fā)等原因也很難降到地面[7]。確定飛機(jī)作業(yè)時(shí)機(jī)，應(yīng)依據(jù)氣象預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)探測(cè)的雷達(dá)、衛(wèi)星、地面氣象站等資料信息，結(jié)合作業(yè)飛機(jī)性能數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)起降時(shí)間和播撒作業(yè)時(shí)段，使飛機(jī)適時(shí)到達(dá)適合作業(yè)的目標(biāo)區(qū)。

1.3 作業(yè)層高度

云系中-6℃～-13℃的云層適合增雨(雪)作業(yè)，云層厚度一般在1 000～1 500 m之間。在實(shí)際作業(yè)飛行中，由于空軍、民航空中管制、交通指揮對(duì)空間高度層通用分割標(biāo)準(zhǔn)的限制，執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的飛機(jī)飛行高度不可能在云中1 000～1 500 m范圍內(nèi)隨意變換，經(jīng)過(guò)地面指揮員批準(zhǔn)允許空中機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，飛行高度機(jī)動(dòng)變換的區(qū)間為預(yù)定高度上、下各100～300 m范圍，飛行寬度機(jī)動(dòng)變換的區(qū)間為預(yù)定航線的左、右各10 km范圍，而且獲準(zhǔn)機(jī)動(dòng)飛行的時(shí)間較短，最終須恢復(fù)到預(yù)定高度和航線，因此，飛機(jī)作業(yè)高度的確定應(yīng)以作業(yè)目標(biāo)區(qū)為主，結(jié)合航線天氣情況，確定有利的飛行高度，既有利于作業(yè)效果，又便于飛行指揮，確保飛行安全。

1.4 播撒方式

飛機(jī)作業(yè)播撒方式有航線播撒、條形播撒、S形播撒、三角形播撒、重復(fù)播撒等多種方式[8]，一般情況下根據(jù)可催化降水云系尺度范圍，結(jié)合選定的作業(yè)目標(biāo)區(qū)、作業(yè)時(shí)間，確定最利于增雨效果的播撒方式。條形播撒是最有利的播撒方式，但對(duì)空域保障要求也最高，采用該方式作業(yè)時(shí)，預(yù)定作業(yè)時(shí)段、區(qū)域、高度范圍內(nèi)其他飛行器必須避讓，不得進(jìn)、出該區(qū)域和高度。近年來(lái)，我國(guó)航空器空域使用的范圍、頻率都大幅上升，條形播撒方式的空域保障只有在航運(yùn)任務(wù)較少、較為邊遠(yuǎn)的省 (區(qū))才能實(shí)現(xiàn)，內(nèi)陸省(區(qū))、航運(yùn)樞紐省 (區(qū))基本無(wú)法保障。陜西省為內(nèi)陸省 (區(qū))，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)四大航運(yùn)樞紐之一，空域使用十分頻繁，陜西省一般采用航線播撒和重點(diǎn)區(qū)域重復(fù)播撒的作業(yè)方式，出現(xiàn)重、特大旱情時(shí)，協(xié)調(diào)空域管制部門(mén)提供條形播撒、S形播撒所需要的空域保障。

1.5 催化劑

人工影響天氣使用的催化劑通常分為三類：可產(chǎn)生大量凝結(jié)核或凝華核的碘化銀等成核劑，可使云中水分形成大量冰晶的干冰、液氮等制冷劑，可吸附云中水分變成較大水滴的鹽粒等吸濕劑。成核劑、制冷劑適用于負(fù)溫區(qū)的冷云催化，吸濕劑適用于正溫區(qū)的暖云催化。航線設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮催化劑特性，冷云成核劑的成份主要是Agl(碘化銀)，一般可在-4℃～-15℃的過(guò)冷云中起到形成冰核的作用，特別是有過(guò)冷云滴的條件下才能大量成冰[9-10]。吸濕劑的主要成份是NaCl(鹽)，適宜在正溫區(qū)播撒，云中水含量越高催化效果越好。目前，陜西省作業(yè)飛機(jī)同時(shí)裝載三類催化劑播撒設(shè)備，根據(jù)天氣探測(cè)資料信息和作業(yè)層高度設(shè)計(jì)裝載一種或多種催化劑，在作業(yè)過(guò)程中針對(duì)不同的云使用最適合的催化劑。

1.6 機(jī)場(chǎng)保障

不同機(jī)場(chǎng)保障飛機(jī)起降的能力有差別，同一種機(jī)型在不同機(jī)場(chǎng)執(zhí)行起降的標(biāo)準(zhǔn)不同，航線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮機(jī)場(chǎng)的起降標(biāo)準(zhǔn)，特別是飛機(jī)降落接收標(biāo)準(zhǔn)，保證任務(wù)結(jié)束后飛機(jī)順利降落。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)熟悉、掌握臨近4個(gè)備降機(jī)場(chǎng)的保障標(biāo)準(zhǔn)及天氣情況。

2 陜西飛機(jī)作業(yè)航線設(shè)計(jì)實(shí)踐

2.1 獲取多次審批機(jī)會(huì)的航線設(shè)計(jì)

2011年以前，陜西飛機(jī)以區(qū)域作業(yè)為主，作業(yè)方案批準(zhǔn)概率較低，或者即使獲批但實(shí)施時(shí)間被改變，造成作業(yè)架次少、錯(cuò)失時(shí)機(jī)。剔除天氣條件、限制區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和飛行訓(xùn)練信息缺失等技術(shù)因素外，造成這種情況的主要原因是與飛行管制審查批復(fù)要求、調(diào)整方式不適應(yīng)，第一次申報(bào)未能通過(guò)的計(jì)劃存在補(bǔ)報(bào)批復(fù)的可能。經(jīng)過(guò)與空軍、民航管制業(yè)務(wù)人員的研討和協(xié)調(diào)，將區(qū)域作業(yè)方案改為在固定航線基礎(chǔ)上臨時(shí)修正的方案，為飛行管制批復(fù)提供多次選擇機(jī)會(huì)，縮短審批時(shí)間，提高作業(yè)計(jì)劃批復(fù)概率，爭(zhēng)取作業(yè)時(shí)間，增加作業(yè)架次。

2.2 區(qū)域作業(yè)航線的特點(diǎn)

根據(jù)陜西省自然概況、區(qū)域特點(diǎn)、氣候特征及降水天氣系統(tǒng)類型和各類型降水天氣系統(tǒng)歷史作業(yè)量等資料，2011年3月設(shè)計(jì)制定了2011-Ⅰ1-5號(hào)飛機(jī)作業(yè)航線，并于2011年3—7月在飛機(jī)作業(yè)中試行5個(gè)月。方案的優(yōu)點(diǎn)為：按照關(guān)中西部、關(guān)中中部、關(guān)中東部、陜北南部、陜北中部、陜北北部、陜南西部、陜南中部、陜南東部等9個(gè)主要目標(biāo)區(qū)設(shè)計(jì)航線，能夠迅速將作業(yè)目標(biāo)區(qū)按照最佳、適合、一般、不適合四種層次劃分，并根據(jù)作業(yè)目標(biāo)區(qū)的優(yōu)先順序排列出最佳航線、適合航線、一般航線多種選擇，從而避免因作業(yè)計(jì)劃審批而錯(cuò)失作業(yè)時(shí)機(jī)；融合航線播撒、條形播撒、S形播撒、三角形播撒、重復(fù)播撒等多種播撒方式的優(yōu)點(diǎn)；突出區(qū)域需求優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)為：按經(jīng)、緯度設(shè)計(jì)航線轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在飛行調(diào)配中無(wú)法向第三方通報(bào)飛機(jī)準(zhǔn)確位置；不結(jié)合地標(biāo)的條形播撒航線與其他飛行任務(wù)沖突明顯。

2.3 固定航線加臨時(shí)修正作業(yè)航線的業(yè)務(wù)應(yīng)用

2011年7月，對(duì)飛機(jī)作業(yè)航線進(jìn)行了修訂和完善，制定了以延安機(jī)場(chǎng)為起降場(chǎng)的3條作業(yè)航線(圖1)；2012年1月，制定了以榆陽(yáng)機(jī)場(chǎng)為起降場(chǎng)的4條作業(yè)航線；2013年3月，制定了以咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)為起降場(chǎng)的6條作業(yè)航線；2014年4月，制定了以榆陽(yáng)機(jī)場(chǎng)為起降場(chǎng)、針對(duì)紅堿淖濕地保護(hù)區(qū)、跨省區(qū)、跨飛行管制區(qū)的2條作業(yè)航線。以延安機(jī)場(chǎng)為例，作業(yè)航線主要指標(biāo)為：最大航程1 119 km，最小航程629 km；最長(zhǎng)飛行時(shí)間4 h30 min，最短飛行時(shí)間2 h 40 min；設(shè)計(jì)飛行高度3 000～6 000 m，平均安全高度2 551 m；航速240 km/h。

2011、2012年以延安機(jī)場(chǎng)為起降場(chǎng)作業(yè)飛行各20架次，2013、2014年以咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)為起降場(chǎng)作業(yè)飛行各30架次，共100架次。按照第一次申報(bào)批準(zhǔn)，第一次申報(bào)即時(shí)修正批準(zhǔn)，兩次及以上申報(bào)批準(zhǔn)三種情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 (表1)，其中29架次的作業(yè)計(jì)劃通過(guò)即時(shí)修正得以批準(zhǔn)，使計(jì)劃按時(shí)實(shí)施的概率提高了29%。同時(shí)，應(yīng)用航線設(shè)計(jì)的4 a與未實(shí)施航線設(shè)計(jì)的4 a相比，全省飛機(jī)作業(yè)量提高了93架次，作業(yè)時(shí)長(zhǎng)增加299 h，作業(yè)量增長(zhǎng)81%，作業(yè)時(shí)長(zhǎng)增加146%，單架次平均作業(yè)時(shí)間由1 h48 min提高到2 h 24 min(表2)。

圖1 延安機(jī)場(chǎng)固定航線加臨時(shí)修正的飛機(jī)作業(yè)航線

表1 2011—2014年陜西飛機(jī)作業(yè)計(jì)劃批準(zhǔn)情況統(tǒng)計(jì)表

表2 2007—2014年陜西飛機(jī)作業(yè)實(shí)施情況統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論與討論

(1)飛機(jī)作業(yè)航線的設(shè)計(jì)涉及作業(yè)目標(biāo)區(qū)、作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)層高度、播撒方式、催化劑、天氣變化趨勢(shì)、機(jī)場(chǎng)放飛條件及備降場(chǎng)條件等多種因素，作業(yè)前需充分準(zhǔn)備，綜合分析。

(2)實(shí)施固定作業(yè)航線加臨時(shí)修正的飛機(jī)作業(yè)航線的設(shè)計(jì)方案，提高了作業(yè)架次、延長(zhǎng)了單架次作業(yè)時(shí)間，對(duì)抓住有利時(shí)機(jī)開(kāi)展人工增雨作業(yè)具有重要作用。

(3)應(yīng)充分利用現(xiàn)有的氣象觀測(cè)網(wǎng)和人影特種設(shè)備雨滴譜儀、微波輻射計(jì)等，與空中飛機(jī)探測(cè)資料相結(jié)合，開(kāi)展飛機(jī)作業(yè)效益評(píng)估，指導(dǎo)航線設(shè)計(jì)，使航線設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)。

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1006-4354(2015)03-0045-04

2014-09-30

曹永民 (1970—)，男，陜西澄城人，工程師，從事人工影響天氣工作。