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)
陜西省飛機增雨 (雪)作業(yè)航線設計及應用
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年陜西飛機增雨(雪)作業(yè)的氣象及機場保障等資料,分析影響航線設計的主要因素,介紹陜西飛機作業(yè)航線設計和應用經驗,結果表明:固定航線加臨時修正的模式設計作業(yè)航線,可提高飛行作業(yè)批復率,增加作業(yè)量,延長作業(yè)時間。
飛機增雨 (雪);作業(yè)航線設計;綜合因素;陜西
開發(fā)利用大氣水是解決水資源危機后備戰(zhàn)略的一條途徑[1]。飛機人工增雨 (包括增雪),是人類利用現代化科學技術開發(fā)利用空中云水資源的有效途徑和抗旱減災的重要措施[2]。但飛機人工增雨作業(yè)受多方面的條件制約,在技術環(huán)節(jié)上還存在某些不確定性,還需要在科學概念和作業(yè)技術等方面不斷研究、改進和完善[2]。陜西在人工增雨作業(yè)的同時,也開展了云的宏、微觀物理結構探測及人工增雨技術和效果檢驗等研究[3],尚未開展飛機增雨航線設計相關研究。根據陜西氣候和降雨天氣特征,結合飛機增雨作業(yè)實際情況,科學合理地設計作業(yè)航線,最大限度規(guī)避不利因素的影響,保障飛機作業(yè)在最理想的時機和區(qū)域以最理想的方式進行,達到改善作業(yè)效果、增加作業(yè)架次、提高作業(yè)效益的目的。
飛機作業(yè)航線設計除需確定作業(yè)目標區(qū)、作業(yè)時機、作業(yè)層高度、播撒方式、催化劑、天氣變化趨勢等外,還需考慮機場放飛條件、作業(yè)飛機性能、作業(yè)空域管理等制約因素,使作業(yè)計劃能夠得以順利批復,及時實施作業(yè)。
1.1 作業(yè)目標區(qū)
選定作業(yè)目標區(qū)是作業(yè)航線設計的主要內容。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)目標區(qū),一般根據生態(tài)環(huán)境建設、水庫蓄水等需求設計作業(yè)目標區(qū)。其次,選定有降水潛力的目標云。研究表明,適宜開展飛機作業(yè)的主體目標云應當為云系發(fā)展較為穩(wěn)定的層積云,云層厚度 (不含層云間的無云區(qū))>2 km,過冷層厚度>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,對作業(yè)目標區(qū)和飛行航線天氣變化趨勢做出預測,避免雷暴、強對流等不利天氣對飛行和起降安全的威脅[5]。第四,飛機作業(yè)航線應符合飛行管制的基本要求,避讓戰(zhàn)斗飛行任務、重要飛行任務和航班,合理穿越空中走廊、運輸航路,避讓空中禁區(qū)、限制區(qū)、危險區(qū)和飛行訓練空域,符合飛行管制、指揮、調配、監(jiān)督等有關規(guī)定。
1.2 作業(yè)時間(時機)
降水處于發(fā)展或持續(xù)階段的云層是適宜開展人工增雨 (雪)作業(yè)的重要條件之一[6]。當系統云減弱或消散時云層厚度一般不超過2 km,云中過冷水較少,不宜進行人工催化作業(yè)[4]。地面無降水時,低層大氣尚處于不飽和狀態(tài),實施增雨作業(yè)后的云層即使有增雨效果,產生的雨滴在下落過程中由于蒸發(fā)等原因也很難降到地面[7]。確定飛機作業(yè)時機,應依據氣象預報和實時探測的雷達、衛(wèi)星、地面氣象站等資料信息,結合作業(yè)飛機性能數據計算飛機起降時間和播撒作業(yè)時段,使飛機適時到達適合作業(yè)的目標區(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。在實際作業(yè)飛行中,由于空軍、民航空中管制、交通指揮對空間高度層通用分割標準的限制,執(zhí)行作業(yè)任務的飛機飛行高度不可能在云中1 000~1 500 m范圍內隨意變換,經過地面指揮員批準允許空中機動飛行時,飛行高度機動變換的區(qū)間為預定高度上、下各100~300 m范圍,飛行寬度機動變換的區(qū)間為預定航線的左、右各10 km范圍,而且獲準機動飛行的時間較短,最終須恢復到預定高度和航線,因此,飛機作業(yè)高度的確定應以作業(yè)目標區(qū)為主,結合航線天氣情況,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、重復播撒等多種方式[8],一般情況下根據可催化降水云系尺度范圍,結合選定的作業(yè)目標區(qū)、作業(yè)時間,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,但對空域保障要求也最高,采用該方式作業(yè)時,預定作業(yè)時段、區(qū)域、高度范圍內其他飛行器必須避讓,不得進、出該區(qū)域和高度。近年來,我國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任務較少、較為邊遠的省 (區(qū))才能實現,內陸省(區(qū))、航運樞紐省 (區(qū))基本無法保障。陜西省為內陸省 (區(qū)),同時也是國內四大航運樞紐之一,空域使用十分頻繁,陜西省一般采用航線播撒和重點區(qū)域重復播撒的作業(yè)方式,出現重、特大旱情時,協調空域管制部門提供條形播撒、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:可產生大量凝結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。航線設計應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℃的過冷云中起到形成冰核的作用,特別是有過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)飛機同時裝載三類催化劑播撒設備,根據天氣探測資料信息和作業(yè)層高度設計裝載一種或多種催化劑,在作業(yè)過程中針對不同的云使用最適合的催化劑。
1.6 機場保障
不同機場保障飛機起降的能力有差別,同一種機型在不同機場執(zhí)行起降的標準不同,航線設計時應考慮機場的起降標準,特別是飛機降落接收標準,保證任務結束后飛機順利降落。同時,應當熟悉、掌握臨近4個備降機場的保障標準及天氣情況。
2.1 獲取多次審批機會的航線設計
2011年以前,陜西飛機以區(qū)域作業(yè)為主,作業(yè)方案批準概率較低,或者即使獲批但實施時間被改變,造成作業(yè)架次少、錯失時機。剔除天氣條件、限制區(qū)、危險區(qū)和飛行訓練信息缺失等技術因素外,造成這種情況的主要原因是與飛行管制審查批復要求、調整方式不適應,第一次申報未能通過的計劃存在補報批復的可能。經過與空軍、民航管制業(yè)務人員的研討和協調,將區(qū)域作業(yè)方案改為在固定航線基礎上臨時修正的方案,為飛行管制批復提供多次選擇機會,縮短審批時間,提高作業(yè)計劃批復概率,爭取作業(yè)時間,增加作業(yè)架次。
2.2 區(qū)域作業(yè)航線的特點
根據陜西省自然概況、區(qū)域特點、氣候特征及降水天氣系統類型和各類型降水天氣系統歷史作業(yè)量等資料,2011年3月設計制定了2011-Ⅰ1-5號飛機作業(yè)航線,并于2011年3—7月在飛機作業(yè)中試行5個月。方案的優(yōu)點為:按照關中西部、關中中部、關中東部、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個主要目標區(qū)設計航線,能夠迅速將作業(yè)目標區(qū)按照最佳、適合、一般、不適合四種層次劃分,并根據作業(yè)目標區(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)計劃審批而錯失作業(yè)時機;融合航線播撒、條形播撒、S形播撒、三角形播撒、重復播撒等多種播撒方式的優(yōu)點;突出區(qū)域需求優(yōu)勢。缺點為:按經、緯度設計航線轉折點,在飛行調配中無法向第三方通報飛機準確位置;不結合地標的條形播撒航線與其他飛行任務沖突明顯。
2.3 固定航線加臨時修正作業(yè)航線的業(yè)務應用
2011年7月,對飛機作業(yè)航線進行了修訂和完善,制定了以延安機場為起降場的3條作業(yè)航線(圖1);2012年1月,制定了以榆陽機場為起降場的4條作業(yè)航線;2013年3月,制定了以咸陽機場為起降場的6條作業(yè)航線;2014年4月,制定了以榆陽機場為起降場、針對紅堿淖濕地保護區(qū)、跨省區(qū)、跨飛行管制區(qū)的2條作業(yè)航線。以延安機場為例,作業(yè)航線主要指標為:最大航程1 119 km,最小航程629 km;最長飛行時間4 h30 min,最短飛行時間2 h 40 min;設計飛行高度3 000~6 000 m,平均安全高度2 551 m;航速240 km/h。
2011、2012年以延安機場為起降場作業(yè)飛行各20架次,2013、2014年以咸陽機場為起降場作業(yè)飛行各30架次,共100架次。按照第一次申報批準,第一次申報即時修正批準,兩次及以上申報批準三種情況進行統計分析 (表1),其中29架次的作業(yè)計劃通過即時修正得以批準,使計劃按時實施的概率提高了29%。同時,應用航線設計的4 a與未實施航線設計的4 a相比,全省飛機作業(yè)量提高了93架次,作業(yè)時長增加299 h,作業(yè)量增長81%,作業(yè)時長增加146%,單架次平均作業(yè)時間由1 h48 min提高到2 h 24 min(表2)。
圖1 延安機場固定航線加臨時修正的飛機作業(yè)航線
表1 2011—2014年陜西飛機作業(yè)計劃批準情況統計表
表2 2007—2014年陜西飛機作業(yè)實施情況統計表
(1)飛機作業(yè)航線的設計涉及作業(yè)目標區(qū)、作業(yè)時機、作業(yè)層高度、播撒方式、催化劑、天氣變化趨勢、機場放飛條件及備降場條件等多種因素,作業(yè)前需充分準備,綜合分析。
(2)實施固定作業(yè)航線加臨時修正的飛機作業(yè)航線的設計方案,提高了作業(yè)架次、延長了單架次作業(yè)時間,對抓住有利時機開展人工增雨作業(yè)具有重要作用。
(3)應充分利用現有的氣象觀測網和人影特種設備雨滴譜儀、微波輻射計等,與空中飛機探測資料相結合,開展飛機作業(yè)效益評估,指導航線設計,使航線設計方案更加科學。
[1] 王守榮,朱川海,程磊,等.全球水循環(huán)與水資源[M].北京:氣象出版社,2003:19.
[2] 中國氣象局科技教育司.飛機人工增雨 (雪)作業(yè)業(yè)務規(guī)范(試行)[S].2000.
[3] 梁谷,田顯,李燕.人工增雨效果評估中歷史降水量代表性的探討[J].陜西氣象,2012(4):16-18.
[4] 段英,吳志會,石立新.飛機人工增雨催化條件的研究[J].生態(tài)農業(yè)研究,1998,6(1):82.
[5] 周線婭,胥潔,楊海蓉.西安咸陽機場雷暴天氣統計分析及其觀測方法[J].陜西氣象,2014 (3):23-25.
[6] 胡志晉.層狀云人工增雨機制、條件和方法探討[J].應用氣象學報,2001,12(增刊):10-13.
[7] 劉文.用極軌氣象衛(wèi)星資料分析飛機增雨云層條件[J].氣象科技,2005,33(1):81-86.
[8] 中國氣象局人工影響天氣辦公室,中國氣象局科技教育司.人工增雨指導手冊[G].北京,1994.
[9] 蘇正軍.含AgI焰劑成冰特性的實驗研究[D].南京:南京信息工程大學,2008.
[10] 李艷偉.冷云催化劑及其在層狀云催化增雨中的應用研究[D].南京:南京氣象學院,2004.
P481
:B
曹永民,李群.陜西省飛機增雨(雪)作業(yè)航線設計及應用[J].陜西氣象,2015(3):45-48.
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。