大型無人機一次人工增雨試飛及催化響應分析*

程 鵬 羅 漢 甘澤文 龐朝云 黃 山 尹憲志 張豐偉

1 中國氣象局蘭州干旱研究所/甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，蘭州 730020

2 甘肅省人工影響天氣辦公室，蘭州 730020

3 甘肅省氣象服務中心，蘭州 730020

4 蘭州市氣象局，蘭州 730020

5 四川省人工影響天氣辦公室，成都 610072

提 要： 采用大型無人機開展人工增雨作業具有較好的應用前景。利用2020年10月27日大型無人機試驗資料，分析了無人機作業性能及人工增雨微物理參量變化特征。結果表明：無人機操控靈活，具備較好的防除冰和抗側風能力，作業、探測時長達5 h以上，可在大范圍開展人工增雨及探測工作。催化作業后水平探測的云粒子微物理量呈現出濃度和直徑增加的特征，低層粒子濃度明顯高于高層；催化前后云微物理特征的變化與選取的云體位置及時間有很大關系。在催化作業結束后20～30 min 內，地面降水現象儀中雨滴數濃度先減小后增大，而粒子有效直徑持續增加；受催化影響,云粒子譜呈現大云粒子增加、降水粒子譜拓寬的特征。

引 言

“甘霖-Ⅰ”大型無人機在祁連山北坡成功開展了增雨(雪)作業試驗，填補了國內大型無人機人工增雨(雪)的空白，開創了大型無人機人工增雨的先例。人工增雨是通過影響云中微物理過程來實現的(雷恒池等，2008；郭學良等，2019)，研究認識云滴和冰晶增長等云微物理過程是開展人工催化的關鍵環節(洪延超和雷恒池，2012；郭學良等，2013)。祁連山是我國西北地區重要的生態屏障和水源涵養生態功能區，降水是影響生態保護區生態安全的重要因素(程鵬等，2021b)。地形云降水是祁連山區主要降水云系，也是人工增雨的重點作業對象(陳添宇等，2010；鄭國光等，2011)。云的微物理結構與降水關系密切，云物理結構及降水機制是云降水物理和人工影響天氣的重要研究對象和熱點問題。

利用飛機觀測能夠獲得高時空分辨率的資料，能有效分析云微物理結構及演變過程(朱士超和郭學良，2015；郝囝等，2019)。通過飛機觀測研究云的微物理結構、催化對云和降水的影響有了深入認識(亓鵬等，2019；白婷等，2020；楊怡曼等，2020)。美國愛達荷州地形云播撒試驗結果顯示(Tessendorf et al，2019)，進行飛機播撒后雷達出現鋸齒狀回波，云中粒子直徑出現了爆發性增長的現象；French et al(2018)首次明確給出了播撒催化劑后云微物理和降水的物理鏈變化過程；楊文霞等(2005)對河北層狀云降水云系研究發現，冷云中冰晶尺度隨高度減低而增大，增長最快的高度區間是3 100～3 400 m，并得出了適宜河北地區秋季催化作業的指標(孫玉穩等，2019；康增妹等，2019)；華北地區的積層混合云的飛機觀測數據分析表明(高茜等，2020)，積層混合云中的層云區和積云區冰粒子的形成過程差別明顯，層云區的粒子形狀組成更為復雜；王維佳等(2011)對多層云系的飛機探測結果分析得出云系中液態水含量主要由小云粒子濃度決定。雖然基于機載探測資料對云的微物理特征作了大量研究，但不同地區和不同降水云系的微物理特征存在明顯區別(蔡兆鑫等，2019；孫晶等，2019)。

無人機在人工影響天氣探測和作業方面的應用成為人影作業裝備研發和應用新的發展方向(邵洋等，2014)。無人機增雨具有安全風險低、機動性好、可操控性強、覆蓋區域大等優勢，可實現全天候、全季節、立體化、規模化的增雨作業，能有效彌補目前人工增雨作業體系中的不足，在人工影響天氣探測和作業中有較好的應用前景(邵洋等，2014；Axisa and DeFelice,2016)。當前國內外主要是應用小型無人機開展大氣狀態參數、液態水含量等播撒條件參數的探測(段婧等，2017；王宏斌等，2020)。馬舒慶等(2006)研制的微型無人機實現了在雨天的播撒作業和探測，但僅能攜帶1 kg播撒劑，作業半徑為20 km。青海、新疆等省(自治區)人工影響天氣辦公室和航天科技四院中天火箭公司等先后嘗試開展過無人機人工增雨試驗，但都采用的是小型或微型無人機，因受催化劑攜帶量、飛行時間、防除冰等技術問題的制約，無人機增雨技術并未取得顯著進展(馬學謙等，2017)。

為提升祁連山生態文明建設氣象保障能力，甘肅省人工影響天氣辦公室聯合中航(成都)無人機系統股份有限公司，選用翼龍-Ⅱ大型無人機作為試驗機型，在祁連山開展生態修復大型無人機增雨(雪)試驗，完成了機載探測設備和作業系統的改裝。無人機在前期進行了多次試驗飛行，本文利用2020年10月27日在祁連山區東部成功開展的一次增雨作業及探測試飛資料，對無人機作業性能及催化后云微物理量變化特征進行分析和探討，以期為大型無人機人工增雨業務化應用提供參考。

1 無人機探測與分析方法

1.1 無人機改裝及探測設備情況

在綜合考慮防除冰、有效載荷、抗側風、續航時間等多種需求條件下，選用翼龍-Ⅱ型號的無人機作為試驗機型開展了大型無人機增雨試驗(后被命名為“甘霖-Ⅰ”號)。該型號無人機為中高空、長航時多用途無人機，具備高原起降和大載荷能力，最大載重為480 kg，起降方式為滑翔起降，最大升限可達9 000 m，續航時間可達20 h，地面抗側風可達10 m·s-1，機翼掛架6個。根據人工增雨(雪)作業和探測裝備技術要求，對無人機進行了改裝，改裝后的無人機平臺由增雨作業系統、探測系統和地面通訊指揮系統組成(圖1)，其中增雨作業系統包括兩部碘化銀焰條播撒器，可攜帶20根焰條；并增加供電吊艙和防除冰裝置，通過加熱和防冰涂層消除空中結冰，突破了無人機空中防冰除冰等技術瓶頸。探測系統由中國兵器工業集團生產的云粒子譜探頭(ZBT-CPS，以下簡稱CPS)、云粒子成像儀(ZBT-CPI，以下簡稱CPI)和降水粒子成像儀(ZBT-PPI，以下簡稱PPI)組成，后期可根據用途改裝為作業機型，全部掛載焰條播撒器(可攜帶40根焰條)，探測儀器具體性能參數見表1(郭學良等，2020)。試驗過程中，無人機通過通訊指揮系統將探測數據實時返回地面指揮艙，便于作業人員了解掌握云中微物理量實際情況。因為在此次探測過程中CPS資料缺失，本文利用CPI和PPI探測資料進行分析。

圖1 人工增雨試驗無人機機載人影作業、探測設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the airborne operation and detection equipment of the large UAV

表1 人工增雨試驗無人機裝備的機載云和降水探測儀器(郭學良等，2020)Table 1 Airborne cloud and precipitation detection instruments mounted on UAV (Guo et al, 2020)

1.1 試驗飛行概況

2020年10月27日17：01—21：27，在祁連山中東部開展了一次無人機增雨試飛試驗，試驗前由空管部門劃定了無人機試驗區(圖2)，本次探測作業在試驗區內進行。17:01無人機從甘肅金昌機場起飛，起飛時天氣為陰，云層較厚，溫度為-0.4℃。起飛后至17:38，無人機在3 000～6 000 m高度開展了第一次垂直探測；飛機爬升至4 700 m時溫度為-12℃，相對濕度為80%，溫度露點差小于2℃，高空風速為4～6 m·s-1，風向為70°～110°。17:38—19:38無人機根據預設的播撒方案開展了“耕犁式”播撒作業，作業總量為20根機載焰條，播撒碘化銀2 500 g，總燃燒時長為2 h，作業航線見圖2。從19:38開始，無人機進行回穿探測，作業和探測試驗過程劃分見表2。在完成播撒作業和探測后，無人機于21：27在金昌機場降落。飛行過程中無人機開啟加熱除冰裝置，通過無人機攜帶的前視和后視影像監測，機身未見結冰。飛行結束后無人機除油機后部有少量碎冰外，其余部分未見積冰。在金昌機場降落過程中，觀測到9 m·s-1的側風，無人機平穩降落返回。此次播撒作業航線間隔10～12 km，相比有人飛機，無人機作業轉彎半徑較小，易操控。

圖2 2020年10月27日無人機增雨作業及探測航線(藍色線條為播撒作業航線，綠色線條為回穿探測航線，紅色方框為試驗區)Fig.2 The UAV rain enhancement operation and detection route on 27 October 2020 (Blue line is the detection route，green line is the seeding operation route， and red frame is the test area)

2 結果與分析

2.2 天氣背景及影響系統

2020年10月27日祁連山區出現了一次大范圍雨夾雪天氣過程，其中試驗區附近降水量為1.5～3.7 mm(圖3)，降水主要集中在27日18：00—23：00，降水持續時間近5 h。27日08:00，500 hPa 形勢圖上亞歐中高緯度為“兩槽一脊”的環流形勢，烏拉爾山受高壓脊控制，極地冷空氣沿高壓脊前西北氣流向西西伯利亞地區輸送，在70°E的西伯利亞地區形成了中心強度為526 dagpm的低渦，冷空氣在此堆積，低渦底部分裂的短波槽位于青藏高原西部。伴隨低渦東移，短波槽進一步發展東移并南壓，開始影響祁連山中東部，試驗區受短波槽前的西南氣流控制，云系發展并加強。700 hPa形勢圖上，來自孟加拉灣的西南暖濕氣流沿著高原邊坡發展，其前端已到祁連山中西部，相對濕度達到了90%以上，為此次降水過程提供了水汽條件。地面圖上，試驗區附近存在地面輻合線，為降水的加強提供了動力抬升條件。

圖3 2020年10月27日試驗區地面6 h降水量分布(單位：mm,方框為試驗區)Fig.3 The 6 h ground precipitation distribution (unit: mm) in the test area on 27 October 2020(Frame is the test area)

2.2 云微物理特征

2.2.1 水平方向云粒子變化特征

圖4為云粒子成像儀觀測得到的無人機在同一位置作業期間和作業后粒子濃度、直徑變化特征。作業期間探測高度為4 450 m，CPI粒子濃度在0.2～0.8 cm-3波動，變化起伏較大；粒徑在650～1 100 μm，可以看出粒子濃度與直徑呈明顯的反相關變化特征，粒子濃度較低的時段粒徑較大，粒子濃度較高的時段粒徑較小。催化作業后80 min的探測結果顯示(探測高度為3 950 m)，粒子濃度和直徑平均值較催化期間時有所增加，粒子濃度在0.4～0.6 cm-3，直徑增大較為明顯，粒徑在800～1 000 μm。可以看出，冷云經催化后粒子濃度及直徑明顯增加。因為CPS資料缺失，不能對小云粒子的變化特征分析，但從大云粒子催化前后的變化特征來看，催化后有利于云粒子長大。

圖4 2020年10月27日無人機作業期間(4 450 m)和作業后(3 950 m)云粒子成像儀探測的(a)數濃度和(b)有效直徑的變化(黑色直線左側為作業期間，右側為作業后)Fig.4 Time distribution of (a) number concentration and (b) effective diameter by cloud particle imager (CPI) over seeding period (3 950-4 450 m) on 27 October 2020(left of the black vertical line: detection of the seeding, right of the black vertical line: detection after the seeding)

表3為平飛探測時各高度層云粒子特征參數統計情況。在4 450 m高度，整層粒子平均數濃度為0.27 cm-3，最大值為0.99 cm-3；粒子平均有效直徑為724.46 μm，最大值為1 360.29 μm。19:38—19:56，在3 950 m高度進行了水平探測，粒子平均數濃度和平均有效直徑較4 450 m高度層有所增加，粒子平均數濃度為0.32 cm-3，最大值為0.84 cm-3；粒子平均有效直徑為858.74 μm，最大值為1 348.06 μm。20:17—20:26，在3 250 m高度粒子數濃度有所下降，平均值為0.16 cm-3，最大值為0.46 cm-3；粒子平均有效直徑和4 450 m高度層接近，平均值為715.42 μm。從表3可以看出，粒子平均數濃度在3 950 m高度最大(0.32 cm-3)，4 450 m高度次之，3 250 m高度最低；平均有效直徑在3 950 m高度最大，其他兩個探測高度接近。與祁連山夏季降水探測結果相比(程鵬等，2021a)，此次降水過程中粒子濃度小、直徑大。

表3 2020年10月27日無人機飛行探測過程中不同高度云粒子特征的參數統計Table 3 Statistics of cloud particle characteristic parameters at various heights during UAV detection flight on 27 October 2020

2.2.2 云微物理量的垂直結構特征

此次試驗共進行了三次垂直探測，在播撒作業前進行了第一次垂直探測，探測時間為17:19—19:36，探測高度為3 500～5 650 m；播撒作業后30 min(20:01—20：10)進行了第二次垂直探測，探測高度為2 750～4 550 m；作業后60 min(20：29—20:38)進行了第三次垂直探測，探測高度為2 750～4 550 m，其中第一次和第三次垂直探測位置基本接近。在第一次垂直探測期間，大氣環境溫度在-16～-6℃，整個云層為冷云。粒子數濃度隨高度的變化起伏較大，粒子直徑隨高度先增大后減小(圖5)；云粒子平均數濃度為0.14 cm-3，平均有效直徑為701.8 μm。低層(3 700～4 500 m)粒子濃度在0.1 cm-3以下，4 500～5 650 m粒子濃度在0.2 cm-3附近變化，低層粒子濃度明顯小于高層，而低層粒子直徑明顯高于高層。在3 500～3 700 m，CPI云粒子濃度出現躍增，達到了0.8 cm-3以上。

無人機在作業后30 min(20:01—20:10)進行了第二次垂直探測。云粒子數濃度較第一次垂直探測期間明顯增大(圖5)，在0.4 cm-3附近變化，整層平均數濃度為0.327 cm-3，在3 900 m出現最大值為0.8 cm-3，云粒子數濃度在4 300 m以上開始減小。粒子有效直徑較第一次探測期間減小，在800 μm 附近變化,最大值出現在3 000 m(1 013 μm)。無人機在催化作業后60 min(20:29—20:38)進行了第三次垂直探測，此次探測位置與第一次垂直探測位置基本接近。整層云粒子平均數濃度為0.265 cm-3，平均有效直徑為666 μm。第三次垂直探測粒子直徑變化特征與第二次基本一致，粒子濃度呈現出隨高度先增大后減小的特征；粒子平均數濃度較第二次探測有所下降，但仍高于第一次。

圖5 2020年10月27日作業前及作業后云粒子(a)數濃度和(b)平均有效直徑的垂直廓線Fig.5 Vertical profile of particle (a) number concentration and (b) average effective diameter by CPI before operation and after seeding operation on 27 October 2020

分析云粒子和降水粒子探頭資料可見：第一次垂直探測期間，粒子濃度隨高度變化起伏較大，后兩次探測粒子濃度變化相對穩定，粒子有效直徑在600～900 μm，量級相同，變化不大；催化作業前低層粒子濃度明顯小于高層，催化作業后低層粒子濃度明顯增加；而催化作業后的粒子直徑均明顯減小，這與水平方向云粒子催化前后的變化特征不同。

從給出的云粒子形狀隨高度和溫度的垂直變化(圖6)可以看到，飛機在4 400 m高度以上觀測到的冰晶主要有枝狀、淞附枝狀、六角板狀和枝星狀；在3 600～4 400 m高度，觀測到的冰晶主要有六角枝狀、六角板狀、枝星狀、板狀；在3 000～3 600 m高度，觀測到的冰晶主要有板狀、六角空心狀；3 000 m高度以下觀測到的冰晶形態主要為霰粒。探測過程中無人機的視頻錄像及試飛結束落地后無人機油機后部少量碎冰表明，云中過冷水含量豐富。

圖6 2020年10月27日探測的云粒子圖像Fig.6 Images of cloud particles by CPI during detecting flight on 27 October 2020

2.2.3 粒子譜分布特征

圖7為此次探測過程中不同高度層云粒子譜分布，分別選取3 250、3 950、4 450 m高度的云粒子譜進行分析比較。不同高度層云粒子譜型呈單調遞減特征(圖7a)，峰值出現在150 μm處，數濃度量級為10-5cm-3·μm-1。在900 μm以下較小粒徑段，譜分布基本相同，云粒子譜隨高度而增加，說明小粒子濃度大于下層；而在900～1 500 μm較大粒徑段，3 950 m云粒子濃度最大、4 450 m次之、3 250 m最小，有可能是本次降水過程存在干層，上層云中部分大云滴在下落過程中蒸發，且一定程度上阻礙了上層冷云中冰雪晶粒子下落。降水粒子譜與云粒子譜分布特征相近(圖7b)，不同高度層降水粒子譜分布基本相同。粒徑1 100 μm以下，粒子數濃度由高層向低層減小；1 100 μm粒徑以上，3 950 m高度層的濃度值明顯高于其他兩層。

圖7 2020年10月27日不同高度層(a)云粒子譜和(b)降水粒子譜分布變化Fig.7 Changes of (a) cloud particle spectrum distribution and (b) precipitation particle spectrum distribution at various heights on 27 October 2020

2.2 作業前后云微物理特征響應

作業前后粒子譜的變化可以反映催化后的作業效果。圖8給出無人機催化作業前(17：36—17：44)和作業后(19：36—19：44)云粒子、降水粒子的譜對比。作業前和作業后云粒子濃度值隨粒徑增大均呈減小趨勢(圖8a)，云粒子譜峰值均在150 μm處；在1 200 μm以下作業后的粒子濃度明顯低于作業前，而在1 200 μm以上作業后的粒子濃度高于作業前，說明催化作業后大云粒子增加。圖8b為催化作業前和作業后的降水粒子譜，作業前和作業后粒子濃度值隨粒徑增大均呈減小趨勢，作業后粒子譜拓寬。在1 400 μm以下段，作業后粒子濃度低于催化作業前，而在1 400 μm段以上，作業后粒子濃度較作業前明顯增大。濃度值發生變化的粒徑值位于1 400 μm，與CPI探測結果相比略偏大，可能是因為儀器觀測誤差造成。作業后粒子濃度發生變化而且譜寬變寬，由作業前的3 000 μm增加到6 200 μm。

圖8 2020年10月27日催化作業前后(a)云粒子譜和(b)降水粒子譜變化特征Fig.8 (a) Cloud particle spectrum and (b) precipitation particle spectrum before and after seeding operation on 27 October 2020

無人機在試驗區永昌站上空進行催化作業的時間為19:02—19:10，考慮到上下游影響(永昌站位于下游)，受催化影響的時間應早于19:02。從永昌站地面降水現象儀數據(圖9)可以看出，催化作業期間雨滴數濃度和直徑均出現了增加，催化作業結束后20 min內永昌站雨滴數濃度出現了先減小后增大的特征，而粒子有效直徑持續增加，30 min后粒子濃度和直徑均開始減小。同時分析了位于永昌站上游皇城水關站地面雨滴譜數據，其濃度和直徑變化特征與永昌站相似(圖略)。

圖9 2020年10月27日作業影響區永昌站催化作業前后雨滴譜分布(a)粒子數濃度，(b)粒子平均有效直徑(點劃線為5點滑動平均，兩條豎直虛線之間為永昌站上空催化作業時間段)Fig.9 Raindrop spectrum distribution before and after the seeding operation at Yongchang Station on 27 October 2020 (a) particle number concentration， (b) average effective particle diameter(dash dot line: the 5-point moving average, range between the vertical dotted lines: the time period of seeding over Yongchang Station)

表4為無人機作業前、作業中和作業后60 min的云粒子平均濃度及平均直徑統計值，選取的作業中和作業后的位置基本接近，作業前的探測位置位于催化作業區的上游。從表中可以看出，云粒子濃度在作業前平均值為0.44 cm-3，催化作業期間濃度值有所增加，為0.53 cm-3，催化作業結束80 min后粒子濃度為0.42 cm-3，較作業前有所下降；平均直徑則由作業前717.21 μm增大為865.37 μm。從前面平飛的分析結果也可知，催化作業后出現云粒子濃度和直徑增加的特征，而從垂直探測的結果可見，催化后出現云粒子濃度增加、直徑減小的特征，其原因可能是選取分析的云體位置不同有關。

表4 無人機催化作業前后云粒子特征參數Table 4 Statistics of cloud particle characteristics parameter before and after catalytic operation

3 結 論

利用2020年10月27日“甘霖-Ⅰ”大型無人機在祁連山區的人工增雨試驗資料，對此次探測和作業結果及無人機性能進行了分析，主要結論如下：

(1)飛行試驗表明，此次播撒作業航線間隔10～12 km，無人機轉彎半徑較小，操控靈活；飛行高度在2 700～6 000 m，可掛載20根焰條，作業、探測時長達5 h以上，具備較好的防除冰和抗側風能力，能滿足大范圍人工增雨及探測需求。此次試驗無人機催化作業2 h，播撒碘化銀2 500 g。

(2)無人機平飛探測結果表明，不同高度CPI云粒子濃度平均值在0.16～0.32 cm-3，粒徑在715.42～858.74 μm；催化作業后水平探測的云粒子微物理特征呈現出濃度和直徑增加的特征。從催化前后垂直探測的結果來看，催化作業前低層粒子濃度明顯小于高層，催化作業后低層粒子濃度明顯高于高層；催化前后云微物理特征的變化與選取的云體位置及時間有很大關系。在催化作業結束后20～30 min內，地面降水現象儀中雨滴數濃度出現了先減小后增大的特征，而粒子有效直徑持續增加。

(3)此次降水過程中不同高度的云粒子譜呈單調遞減分布特征，在900 μm以下較小粒徑段，譜分布基本相同，云粒子譜隨高度而增加；而在900～1 500 μm較大粒徑段云粒子譜隨高度先增加后減小；催化作業后云粒子譜呈現大云粒子增加、降水粒子譜拓寬的特征。

本次無人機試飛展現出了較好的性能，針對大型無人機的人工影響天氣作業、探測改裝取得了較大進展，突破了除冰等技術，為后續開展無人機增雨試驗奠定了基礎；但無人機作業性能及作業效果的探討需要積累更多的個例和資料，以便進行深入分析。