汪曉梅 李玥 李茂侖

(1.吉林省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，吉林 長春 130062；2.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林 長春 130062；3.吉林省人工影響天氣辦公室，吉林 長春 130062)

前言

吉林省地處北半球黃金玉米帶和干旱、冰雹多發(fā)地帶,是國家重要商品糧食生產(chǎn)基地,多年來吉林在人影助力下,克服干旱、冰雹等氣象災(zāi)害造成的影響,糧食連年穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn),為國家糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)[1]。當(dāng)前因全球氣候持續(xù)異常和能源危機(jī)影響,導(dǎo)致全球糧食危機(jī)不斷加劇,在此背景下我國出臺了確保1.2億hm2耕地不受侵害的保護(hù)紅線,提出了中國飯碗要裝中國糧的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略,吉林順勢而為,揚(yáng)長避短,先后啟動了新增50億kg和500億kg糧食工程,農(nóng)業(yè)、水利、氣象等行業(yè)責(zé)無旁貸,全力助力糧食增產(chǎn)工程,針對吉林水資源短缺的實(shí)際問題,啟動了增產(chǎn)糧食氣象人影保障工程建設(shè),確保吉林糧食產(chǎn)量跨越新臺階,為中國飯碗裝更多的吉林糧做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

1 人影

1.1 概念

人影是運(yùn)用云雨物理等科學(xué)技術(shù),干預(yù)局部大氣環(huán)境,使其向著人們預(yù)定的方向轉(zhuǎn)化的一種邊試驗(yàn)、邊研究、邊應(yīng)用的科技手段,包括人工增雨(雪)、人工防雹、人工防霜凍、人工消云減雨、人工消減霧等基本業(yè)務(wù)。

1.2 用途

水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)諸多環(huán)節(jié)中不可或缺的重要因素,長期以來靠天吃飯仍是傳統(tǒng)耕作的主要模式,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不同階段會受到如干旱、冰雹、暴雨、霜凍等氣象災(zāi)害的影響,這些均是大氣中水的不同相態(tài)演變和所處自然環(huán)境的不同而導(dǎo)致的不同災(zāi)害形式,為解決或緩解這些災(zāi)害問題,人們經(jīng)過長期試驗(yàn)摸索和研究,逐步形成了人影學(xué)科并成功將其運(yùn)用到糧食生產(chǎn)的不同階段,趨利避害,造福人民。

1.3 現(xiàn)狀

吉林是我國開展飛機(jī)人工增雨的發(fā)源地,1958年8月8日,吉林省在全國率先開展了飛機(jī)人工增雨作業(yè),用于解決或緩解水資源短缺問題,開創(chuàng)我國飛機(jī)人工增雨的先河[1],1958年至今,人影已經(jīng)成吉林為各級政府農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)重要科技手段,為吉林糧食生產(chǎn)增收發(fā)揮了不可替代的重要作用。

目前國家針對不同區(qū)域?qū)θ擞暗膶?shí)際需求,啟動了東北區(qū)域人影中心、西北區(qū)域人影中心、西南區(qū)域人影中心、東南區(qū)域人影中心、華東區(qū)域人影中心和華中區(qū)域人影中心6大工程建設(shè),其中東北區(qū)域人影中心落戶長春,主要承擔(dān)東北區(qū)域(吉林、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟)糧食安全保障任務(wù)。

1.4 能力

東北區(qū)域人影中心立足吉林和東北區(qū)域氣象觀測網(wǎng)資源,集約天基觀測(衛(wèi)星)、空基觀測(飛機(jī))、地基觀測(常規(guī)天氣雷達(dá)、多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、L波段探空雷達(dá)、雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、相控陣天氣雷達(dá)、云雷達(dá)、激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)、雨滴譜儀、衛(wèi)星定位反演水汽觀測GPS/MET、常規(guī)天氣觀測)等資源,對過境東北區(qū)域(重點(diǎn)吉林區(qū)域)天氣系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化剖析,適時(shí)發(fā)現(xiàn)、捕捉和分析可能導(dǎo)致影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的干旱、暴雨、冰雹、大風(fēng)、霜凍、大霧等不同天氣系統(tǒng),并通過人影手段進(jìn)行局部干預(yù),達(dá)到避災(zāi)、減災(zāi)目的,目前吉林人影已經(jīng)具備這種基本影響能力,在歷年農(nóng)業(yè)春播抗旱、保苗抗旱、農(nóng)作物生長期補(bǔ)水、防御冰雹、防御霜凍、水庫蓄水、森林草原防滅火等環(huán)節(jié)發(fā)揮著實(shí)實(shí)在在的科技支撐作用。

1.5 優(yōu)勢

1958年吉林人影在全國最早開創(chuàng)了飛機(jī)人工增雨的先河；1988年成立了我國第1個(gè)人工增雨基地；1998年成立了我國第1個(gè)省部合作的人影聯(lián)合開放實(shí)驗(yàn)室；2003年省政府出資購買了我國第1架人工增雨飛機(jī)Y12B3836,在白城修建了我國第1個(gè)人工增雨專用機(jī)場(白城大青山人影保障基地)；2013年全國第1個(gè)區(qū)域人影中心(東北區(qū)域人影中心)在長春掛牌成立。吉林引領(lǐng)我國人影50a有余,與省政府高度重視和全省人影工作者拼搏努力取得的上述成績是分不開的。

1.6 存在問題

吉林雖然在全國人影領(lǐng)域開了個(gè)好頭,引領(lǐng)全國人影發(fā)展長達(dá)50a有余,但是由于吉林是農(nóng)業(yè)大省經(jīng)濟(jì)弱省,缺乏可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)支撐能力,導(dǎo)致吉林人影現(xiàn)代化建設(shè)后勁不足,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于北京、廣東、山東等國內(nèi)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省,甚至落后于經(jīng)濟(jì)一般和經(jīng)濟(jì)落后的河北、內(nèi)蒙古等省區(qū),服務(wù)能力不能滿足吉林糧食增產(chǎn)工程的實(shí)際需要,需要通過吉林人影高質(zhì)量發(fā)展工程建設(shè),提高能力,滿足吉林乃至國家糧食安全保障需要。

2 具體問題

2.1 飛機(jī)數(shù)量問題

如圖1所示,吉林省行政區(qū)域面積18.74萬km2,現(xiàn)有1架Y12B3836增雨飛機(jī)布局在白城大青山機(jī)場,運(yùn)行最大半徑400km,搭載機(jī)載云雨宏微觀探測設(shè)備、催化設(shè)備、通信設(shè)備、衛(wèi)星定位設(shè)備、供養(yǎng)設(shè)備,再加上飛行機(jī)組和登機(jī)作業(yè)人員情況下,飛機(jī)有效半徑也就在350km左右,僅能滿足白城地區(qū)(吉林西部)人影作業(yè)需求,吉林中部地區(qū)、東北地區(qū)無法顧及到,而中東部地區(qū)是吉林實(shí)實(shí)在在的糧食主產(chǎn)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū),每年對人影作業(yè)需求最多,此時(shí)就需要把Y12B3836飛機(jī)調(diào)往中部地區(qū)或東部地區(qū)開展飛機(jī)人工增雨作業(yè),西部旱了就會照顧不到,經(jīng)專家論證,吉林行政區(qū)域面積內(nèi)最少需要Y12B3836同類型飛機(jī)3架,這是當(dāng)前吉林糧食工程人影保障的最低需求。

圖1 吉林省行政區(qū)域圖

2.2 飛機(jī)保障基地問題

通過20a有余建設(shè),吉林現(xiàn)已建成白城大青山人影飛機(jī)保障基地、長春九臺人影飛機(jī)保障基地,唯獨(dú)缺少東部地區(qū)人影飛機(jī)保障基地,以便徹底解決Y12B3836型飛機(jī)載重小、航程短,無法開展東部地區(qū)飛機(jī)人影作業(yè)需求,關(guān)鍵時(shí)刻只能將Y12B3836飛機(jī)調(diào)往長白山機(jī)場待命,此時(shí)吉林西部、中部地區(qū)就會因無人影飛機(jī)可用而錯(cuò)失人影作業(yè)良機(jī)問題,因此有必要盡快建設(shè)吉林東部地區(qū)人影飛機(jī)保障基地,滿足該地區(qū)人影作業(yè)需要。

2.3 缺少人影特種觀測設(shè)備

除人影常規(guī)觀測設(shè)備外,國內(nèi)其他開展人影作業(yè)的省份多數(shù)已配備:相控陣多普勒天氣雷達(dá)或陣列(解決目標(biāo)云三維結(jié)構(gòu)和云內(nèi)云粒子相態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測需要)、雙偏振多普勒天氣雷達(dá)(解決監(jiān)測目標(biāo)云水滴、冰雹、雪花、冰晶、霰、過冷水等水凝物需要)、風(fēng)廓線雷達(dá)(解決全省區(qū)域內(nèi)對流層以下大氣風(fēng)場監(jiān)測問題)、云雷達(dá)、微雨雷達(dá)、地基微波輻射計(jì)(解決大氣10km以下垂直大氣各層次水汽分布、溫度廓線、濕度廓線、液態(tài)水分布、云頂高度、云底高度監(jiān)測問題)、雨滴譜儀(解決全省范圍降水粒子形態(tài)、尺度、數(shù)濃度、雨量等監(jiān)測問題)等,要實(shí)現(xiàn)吉林人影高質(zhì)量發(fā)展,現(xiàn)實(shí)需要盡快補(bǔ)上上述短板問題。

2.4 經(jīng)費(fèi)保障問題

吉林糧食增產(chǎn)工程發(fā)揮作用、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù),需要人影提供高質(zhì)量保障服務(wù),這需要穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持,目前吉林經(jīng)濟(jì)處于全國靠后序列,人影經(jīng)費(fèi)已經(jīng)連續(xù)幾年縮減,無法發(fā)揮人影服務(wù)“三農(nóng)”、服務(wù)糧食安全的實(shí)際需要,這方面確實(shí)需要廣開思路,集約資源,解決人影最基本的運(yùn)行費(fèi)用問題,確保吉林人影關(guān)鍵時(shí)刻拉得出、打得響。

3 人影高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)

要高質(zhì)量滿足吉林增產(chǎn)糧食工程對人影的服務(wù)需求,就必須不斷提高吉林人影服務(wù)能力,開展吉林人影高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)工作,這是一項(xiàng)繼往開來的民生工程,具體措施如下。

3.1 現(xiàn)代化建設(shè)“三年”行動計(jì)劃

“十三五”期間,按照國家要求,吉林開展了人影現(xiàn)代化建設(shè)“三年”行動計(jì)劃,集約了現(xiàn)有人影作業(yè)指揮業(yè)務(wù)平臺,對增雨飛機(jī)進(jìn)行了云宏微觀物理探測設(shè)備的升級改造工作,使其進(jìn)一步適應(yīng)人影業(yè)務(wù)和氣象大數(shù)據(jù)“天擎”“云化”等需要,效率得到較大提升。

3.2 強(qiáng)化人影“五段式”實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)本地化建設(shè)

人影“五段式”實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),是國家人影中心“十三五”期間布局的一項(xiàng)飛機(jī)人影作業(yè)指揮建平臺,特點(diǎn):立科學(xué)化業(yè)務(wù)運(yùn)行體制,體現(xiàn)了人影實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)特點(diǎn)；目前需要針對吉林實(shí)際,進(jìn)行本地化業(yè)務(wù)改造,以促進(jìn)和提高吉林人影現(xiàn)代化建設(shè)水平。

過程預(yù)報(bào)與計(jì)劃制定72～24h；潛力預(yù)報(bào)與預(yù)案制定24～3h。如吉林人影《作業(yè)潛力預(yù)報(bào)和作業(yè)預(yù)案》、吉林人影《過程預(yù)報(bào)和作業(yè)計(jì)劃》等；監(jiān)測預(yù)警與方案設(shè)計(jì)3～0h。如吉林人影《作業(yè)預(yù)警報(bào)》、吉林人影《服務(wù)專報(bào)》；跟蹤指揮與作業(yè)實(shí)施0～3h；作業(yè)分析與效果檢驗(yàn)(作業(yè)后)。

3.2.1 第1段業(yè)務(wù):72～24h

3.2.1 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《作業(yè)過程預(yù)報(bào)》《作業(yè)計(jì)劃制定》。

3.2.1 .2 技術(shù)方法

天氣形勢分析、預(yù)報(bào)量化指標(biāo)、作業(yè)天氣分型。

3.2.1 .3 資料系統(tǒng)

地面觀測資料、高空觀測資料。

3.2.1 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

需求分析:有無需求；作業(yè)目的:增雨/防雹；作業(yè)計(jì)劃:制定作業(yè)計(jì)劃。

3.2.2 第2段業(yè)務(wù):24～3h

3.2.2 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《作業(yè)潛力預(yù)報(bào)》《作業(yè)預(yù)案制定》。

3.2.2 .2 技術(shù)方法

云模式預(yù)報(bào)、催化模擬預(yù)報(bào)、模式指標(biāo)。

3.2.2 .3 資料系統(tǒng)

特種觀測資料。

3.2.2 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

作業(yè)區(qū)域；模擬時(shí)段；作業(yè)部位；催化方式；作業(yè)預(yù)案。

3.2.3 第3段業(yè)務(wù):3～0h

3.2.3 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《作業(yè)監(jiān)測預(yù)警》《作業(yè)方案設(shè)計(jì)》。

3.2.3 .2 技術(shù)方法

監(jiān)測反演、作業(yè)指標(biāo)、概念模型。

3.2.3 .3 資料系統(tǒng)

特種觀測資料、作業(yè)信息資料、常規(guī)觀測資料。

3.2.3 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

作業(yè)設(shè)計(jì)、增雨飛行航線、防雹地面部署、下達(dá)作業(yè)指令。

3.2.4 第4段業(yè)務(wù):0～3h

3.2.4 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《跟蹤指揮》《作業(yè)實(shí)施》。

3.2.4 .2 技術(shù)方法

監(jiān)測識別、跟蹤指揮、催化實(shí)施。

3.2.4 .3 資料系統(tǒng)

空域信息、作業(yè)信息、觀測資料。

3.2.4 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

《增雨修訂方案》《防雹修訂方案》、發(fā)布作業(yè)指令。

3.2.5 第5段業(yè)務(wù)(作業(yè)后)

3.2.5 .1 業(yè)務(wù)任務(wù)

《作業(yè)分析效果檢驗(yàn)》。

3.2.5 .2 技術(shù)方法

《影響區(qū)計(jì)算》《直觀對比》《模擬分析》《統(tǒng)計(jì)分析》。

3.2.5 .3 資料系統(tǒng)

作業(yè)資料、觀測資料。

3.2.5 .4 結(jié)果和產(chǎn)品

《效果分析》《評估報(bào)告》。

通過上述人影“五段式”實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)本地化改造,使其更加適應(yīng)吉林天氣背景和針對西風(fēng)帶槽脊、東北冷渦、蒙古氣旋、高空槽、切變線、副熱帶高壓、臺風(fēng)、低空急流等影響吉林的主要天氣系統(tǒng)開展更加高效率的人影催化作業(yè),滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各階段對人影服務(wù)的實(shí)際需求。

3.3 人影效果評估能力建設(shè)

人影既然是“邊試驗(yàn)、邊研究、邊應(yīng)用”的一門學(xué)科,那么科學(xué)評估人影效果就十分重要,這也是人影領(lǐng)域的一項(xiàng)世界難題,也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要建立“天基、空基、地基”綜合觀測系統(tǒng),積累對比試驗(yàn)區(qū)歷史資料,同時(shí)強(qiáng)化試驗(yàn)區(qū)相控陣多普勒天氣雷達(dá)陣列建設(shè),從三維立體角度解剖目標(biāo)云演變時(shí)間序列,分析出具有說服力和科學(xué)證據(jù)的物理評估證據(jù),結(jié)合統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)等方法,建立吉林人影作業(yè)效果評估能力,明晰人影投入產(chǎn)出比,切實(shí)發(fā)揮人影在保障吉林糧食增產(chǎn)工程中的不可替代作用。

3.4 人影大氣特種觀測能力建設(shè)

通過國家和地方多年持續(xù)投入,目前吉林人影大氣常規(guī)觀測能力已基本建立,滿足了對大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度、目標(biāo)云演變等觀測需求,但是要實(shí)現(xiàn)人影高質(zhì)量發(fā)展,與國家糧食安全保障需求相匹配,吉林人影對大氣特種觀測能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,無法實(shí)現(xiàn)對天氣系統(tǒng)各種重要信號監(jiān)測和干預(yù)需求,如對目標(biāo)云垂直運(yùn)動速度、云微觀粒子相態(tài)演變、云體三維演變動態(tài)跟蹤、目標(biāo)云生消演變信號等觀測等,建議在吉林云雨物理試驗(yàn)區(qū)建設(shè)相控陣多普勒天氣雷達(dá)陣列、云雷達(dá)、微雨雷達(dá)、地基微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)、雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、大氣重力波觀測儀等大氣特種觀測能力,精細(xì)化高質(zhì)量發(fā)展吉林人影服務(wù)能力,助力吉林糧食增產(chǎn)觀測,為國家糧食安全發(fā)揮作用。

4 小結(jié)

人影觀測和研究大氣水相態(tài)不同變化,分析耕地不同深度土壤相對濕度,結(jié)合吉林農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際,得出當(dāng)下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對人影作業(yè)需求,從而啟動人影“五段式”實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(橫向到邊、縱向到底),追蹤大氣云系變化,探測研判目標(biāo)云過冷水豐沛和冰核不足區(qū)域,適時(shí)開展“飛機(jī)＋地面火箭高炮煙爐”空地立體化人影作業(yè),達(dá)到抗旱增雨、防雹、防霜、防火等避災(zāi)減災(zāi)目的,為糧食增產(chǎn)增收工程提供有效科技支撐作用。

吉林人影在吉林糧食安全保障的歷史進(jìn)程中發(fā)揮的作用有績可查,得到了國家和省委省政府的高度認(rèn)可,2022年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵時(shí)期,韓俊省長帶隊(duì)親臨吉林省飛機(jī)人工增雨作業(yè)指揮中心慰問一線作業(yè)人員,提出吉林新增千億斤糧食工程離不開人影的科技保障作用,沒有水則糧食安全就沒有保障,冰雹、霜凍防不住糧食就會減產(chǎn),希望吉林人影工作者加把勁,在政府的大力支持下繼續(xù)發(fā)揮吉林人影優(yōu)勢,加快人影高質(zhì)量發(fā)展步伐,為吉林糧食安全作出新的更大的貢獻(xiàn)。