地面燃燒爐在人工增雪試驗中的應(yīng)用評估

朱科平 鄒春根 曾閏平 江 鵬 黃群英

（江西新余國科科技股份有限公司，新余 338000）

軍地協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室組織部隊與地方多家單位開展了多次人工消云減雨作業(yè)。本次活動中，部隊負(fù)責(zé)軍用飛機的作業(yè)實施，有關(guān)省市人工影響天氣部門負(fù)責(zé)民用飛機和地面作業(yè)實施，并聯(lián)合實施觀測分析，再現(xiàn)了2009 年國慶閱兵的“北京藍(lán)”場面，實現(xiàn)了人工影響天氣保障服務(wù)目標(biāo)[1]。人工影響天氣作業(yè)裝備主要有飛機、火箭、高炮和地面燃燒爐4 種。其中，地面燃燒爐適用性強，具有不受空域限制、操作簡便、作業(yè)時間長、播撒劑量大以及經(jīng)濟安全等特點[2]。

1 試驗原理

濕空氣在山脈迎風(fēng)坡爬升時，由于膨脹降溫導(dǎo)致水汽凝結(jié)形成的云大多位于高度為1 000 m 的位置，云中存在豐富的過冷水。在冬季，即使溫度低于0 ℃，在沒有外力干預(yù)的條件下，云內(nèi)仍以過冷液態(tài)水（Supercooled Liquid Water，SLW）為主。爬升至山頂時，云層中SLW 含量達(dá)到最大，但90%的過冷水滴并不能轉(zhuǎn)化為降水，至山脈背風(fēng)坡下沉增溫后，SLW 恢復(fù)為水汽，云體消散。針對自然情況下降水效率較低或無法產(chǎn)生有效降水的情況，為了合理開發(fā)空中的云水資源，可以人為播撒人工冰核，促使過冷水借助人工冰核凝華形成冰晶，再通過貝吉龍過程、碰并等不斷長大最終形成降水粒子降落，從而提高降水效率。

本試驗根據(jù)山區(qū)地形導(dǎo)致氣流強迫抬升的原理，在山脈迎風(fēng)坡安裝地面碘化銀燃燒爐，燃燒形成含碘化銀顆粒隨上升氣流輸送至云中過冷水含量大的區(qū)域，從而增加云中冰核數(shù)量，改變云體微物理結(jié)構(gòu)。人工冰核通過消耗云中過冷水形成大量冰晶，當(dāng)冰晶生長到足夠大時就會降至地面形成降雪，最終增加積雪量。另外，在冬季開展人工增雪作業(yè)時，大氣條件通常較穩(wěn)定，對流發(fā)展不旺盛，空氣垂直運動較弱，會使得燃燒后形成的碘化銀人工冰核“嵌入”到大片的層狀云系中，從而提高目標(biāo)區(qū)的降雪效率[3-4]。

2 試驗設(shè)計

2.1 作業(yè)點選擇

北京市海淀區(qū)蘿芭地高山（北緯40°03′02″， 東經(jīng)116°03′41″）位于北京市西郊，處于海淀區(qū)、昌平區(qū)、門頭溝區(qū)交界處，海拔為1 153 m，與同一區(qū)域的陽臺山、妙峰山一起被稱為京西三峰，是距離城區(qū)最近的海拔超千米的山區(qū)。其主脊北部的北尖海拔1 137 m，是僅次于陽臺山的海淀區(qū)第二高峰。

根據(jù)地面碘化銀燃燒爐的工作原理[5]，考慮該地的海拔，具有能夠形成抬升氣流的地理環(huán)境。此外，該地交通方便，通信暢通，不屬于洪澇和山地災(zāi)害易發(fā)地帶，符合北京市中長期建設(shè)規(guī)劃。因此，選擇該地點作為地面燃燒爐的布設(shè)位置開展地面人工增雪試驗來收集相關(guān)觀測資料初步評估作業(yè)效果具有一定的代表性。

2017 年1 月15 日完成了江西新余國科科技股份有限公司制造的2 臺地面燃燒爐用于試驗的布設(shè)、安裝與調(diào)試工作（安裝實物見圖1），并將試驗用碘化銀煙條運達(dá)試驗地點，做好了試驗相關(guān)的準(zhǔn)備工作，并派兩人在試驗點值守。

2.2 配套地面觀測裝備

基于軍地氣象觀測站網(wǎng)、中國氣象局、北京市氣象局實時和預(yù)報產(chǎn)品資料，開展了各種氣象要素的觀測。此外，為更好地了解局地實時氣象要素，增加了1 套機動綜合觀測系統(tǒng)和1 部車載天氣雷達(dá)。試驗所用儀器設(shè)備均在增雪試驗開始前進(jìn)行了全面檢定和校準(zhǔn)，處于完好狀態(tài)，且都在有效期內(nèi)。

3 實驗情況

據(jù)北京市氣象臺預(yù)報，受東移高空槽影響，2 月21 日中午至夜間，北京市自西部向東會出現(xiàn)全市性降雪天氣，局地大雪。通過分析2 月21 日8 時和20 時北京站（54511）探空曲線，如圖2 所示，-10 ℃層高度分別為1 800 m 和1 200 m，水汽條件較好。

實驗過程中，試驗人員提前入駐試驗點做好一切準(zhǔn)備工作，21 日14:08 地面燃燒爐點火開始作業(yè)，本次增雪試驗從14:08 開始到22:00 結(jié)束。兩臺遠(yuǎn)程控制地面燃燒爐共燃燒碘化銀煙條57 根，作業(yè)實況如圖3 所示。

4 效果分析

本文通過作業(yè)前、后時段累積降雪的直觀對比和作業(yè)過程中衛(wèi)星紅外云圖和雷達(dá)回波發(fā)展演變兩種方式來進(jìn)行效果分析。

4.1 作業(yè)前、后時段累積降雪的直觀對比

（1）作業(yè)前、后作業(yè)點周圍實時降雪覆蓋情況的對比如圖4 和圖5 所示，說明在山脈迎風(fēng)坡設(shè)置地面燃燒爐進(jìn)行人工增雪作業(yè)可能會影響作業(yè)點周圍一定范圍內(nèi)區(qū)域的降雪。

（2）通過對作業(yè)點現(xiàn)場一段時間的積雪深度進(jìn)行測量，如圖6 和圖7 所示，16:20 測得的積雪深度約1.6 cm，22:30 測得的積雪深度約3.4 cm，得知6 h的累積降雪深度為1.8 cm，按照降雪等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，本次實驗時的降雪達(dá)到了中到大雪的量級。

4.2 作業(yè)過程衛(wèi)星紅外云圖和雷達(dá)回波發(fā)展演變

通過觀察作業(yè)期間衛(wèi)星紅外云圖的發(fā)展演變，云系整體向東北方向移動，移速較快，北京市處于該云系西北部的外圍；結(jié)合基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的過冷層厚度分析，北京上空水汽條件在16:00—19:00 較差，21:00 之后水汽條件也逐漸轉(zhuǎn)差。

分析作業(yè)時段（14:00—22:00）北京多普勒天氣雷達(dá)的雷達(dá)回波發(fā)展演變，大片層狀云回波自西南向東北方向移動，移動過程中強回波面積逐漸減小，作業(yè)點上空回波也逐漸移出或消散（14:00—17:00）。但從17:00 開始，隨著西部較強雷達(dá)回波東移，作業(yè)點上空重新被回波覆蓋，雷達(dá)回波進(jìn)一步發(fā)展，強回波面積增加。至22:00 時，回波逐漸東撤，回波強度和強回波面積逐漸減小，作業(yè)點上空回波幾乎完全消散，回波整體逐漸移出北京地區(qū)。分析認(rèn)為，雖然作業(yè)點周圍區(qū)域回波強度較東南部回波主體弱，但實施催化作業(yè)后，通過充分利用氣流在迎風(fēng)坡強迫抬升形成的過冷水，零散弱回波在作業(yè)點周圍區(qū)域有一定程度加強，提高了自然降雪效率。

5 效果分析

受東移高空槽影響，2 月21 日中午至夜間，北京市自西部向東出現(xiàn)了全市性降雪天氣，于21 日14:08—22:00 利用地面燃燒爐開展人工增雪作業(yè)，共燃燒碘化銀煙條57 根。通過對試驗觀測資料的定性和定量分析得出以下結(jié)論。

（1）通過對比作業(yè)前后10 min 藍(lán)布收集的累積降雪量、作業(yè)前后作業(yè)點周圍實時降雪覆蓋情況以及作業(yè)現(xiàn)場積雪深度得出，作業(yè)后作業(yè)現(xiàn)場的降雪強度和降雪累積量明顯大于作業(yè)前。以上定性分析說明，在山脈迎風(fēng)坡設(shè)置地面燃燒爐進(jìn)行人工增雪作業(yè)可能會影響作業(yè)點周圍一定范圍內(nèi)的降雪。

（2）通過分析作業(yè)期間衛(wèi)星紅外云圖和雷達(dá)回波的發(fā)展演變，北京地區(qū)覆蓋的大片層狀云系自西南向東北方向移動，且移速較快。作業(yè)期間，作業(yè)點附近區(qū)域雷達(dá)回波由強轉(zhuǎn)弱并東移，云系作業(yè)條件先轉(zhuǎn)差，之后隨著西部回波移入云系作業(yè)條件轉(zhuǎn)好。催化作業(yè)播撒人工冰核充分利用氣流在迎風(fēng)坡強迫抬升形成的過冷水，作業(yè)點周圍區(qū)域雷達(dá)回波增強，在一定程度上提高了自然降雪效率。

6 結(jié)語

通過以上分析，認(rèn)為該次增雪作業(yè)對作業(yè)點下風(fēng)方一定區(qū)域范圍帶來了降雪增加的正效果，但由于作業(yè)期間云系水汽條件轉(zhuǎn)差等，通過地面燃燒爐播撒的人工冰核不能充分發(fā)揮作用，取得的增雪效果有限，說明采取遠(yuǎn)程控制地面燃燒爐作業(yè)方式開展冬季人工增雪試驗是可行的。作業(yè)前，利用各類常規(guī)和特種觀測資料分析云系水汽條件以及上升氣流等，需要把握最佳的作業(yè)時機。該方式能在有條件的地區(qū)增加冬季降雪，從而為提升人工影響局部戰(zhàn)場環(huán)境提供保障。