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。

1 飛機作業(yè)航線設計的內容及要求

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 陜西飛機作業(yè)航線設計實踐

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

4 結論與討論

(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。

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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。