第十二屆全運(yùn)會(huì)開、閉幕式人工消減雨技術(shù)保障

耿樹江，班顯秀，袁 健，趙姝慧，劉 旸，秦 鑫，楊 旭，王吉宏

(遼寧省人工影響天氣辦公室，遼寧沈陽 110166)

20世紀(jì)40年代末以來，現(xiàn)代人工影響天氣在全世界大范圍得以快速發(fā)展，其中開展最多的是人工增雨作業(yè)。人工增雨是緩解水資源短缺、抗旱減災(zāi)的重要手段。遼寧省人均淡水資源僅為700 m3，是全國(guó)平均的1/3，是水資源嚴(yán)重匱乏的地區(qū)，人工增雨已成為該省增加水資源的一項(xiàng)常態(tài)工作[1-2]。但近年來城市舉行大型露天活動(dòng)，為避免降水影響活動(dòng)的氛圍而要求開展人工消減雨作業(yè)。

第12屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)將在遼寧省舉行，開、閉幕式會(huì)場(chǎng)設(shè)在沈陽市奧體中心。由于開、閉幕式是這一盛會(huì)極其重要的一環(huán)，不僅能夠展示主辦省的歷史文化和對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)精神的理解，也是展示主辦城市形象的一次良機(jī)。根據(jù)全運(yùn)會(huì)組委會(huì)公布的開幕式時(shí)間為2013年8月31日16：00～18：00，閉幕式為9月12日。雖然多年平均此時(shí)遼寧汛期已基本結(jié)束，但開、閉幕式日降水概率仍然較高，歷史統(tǒng)計(jì)分別達(dá)32.6%和22.58%。因此，在提供及時(shí)、準(zhǔn)確和周到的氣象預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)的同時(shí)，做好全運(yùn)會(huì)開、閉幕式人工消減雨服務(wù)保障非常必要。人工影響天氣基礎(chǔ)理論的不斷完善[3-5]、現(xiàn)代業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，以及2008 年北京奧運(yùn)會(huì)[6]和建國(guó)60周年閱兵式人工消減雨的成功經(jīng)驗(yàn)，都為做好全運(yùn)會(huì)開、閉幕式人工消減雨服務(wù)保障奠定了良好基礎(chǔ)。筆者統(tǒng)計(jì)沈陽1981～2011年8月25日～9月15日的降水資料，根據(jù)其特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際將對(duì)2013年全運(yùn)會(huì)開、閉幕式人工消減雨進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)。

1 沈陽8、9月份降水天氣情況

1.1降水天氣背景統(tǒng)計(jì)分析1981～2011年8月25日～9月15日沈陽地區(qū)歷史常規(guī)觀測(cè)資料(圖1)發(fā)現(xiàn)，以高空500 hPa天氣圖分析得出降水主要天氣系統(tǒng)有西風(fēng)槽、冷渦、低渦和短波槽，各系統(tǒng)所占的比例分別是51.72%、27.59%、13.79%、6.90%，降水的天氣系統(tǒng)來向主要有南、西南、西、西北和北，所占的比例分別為6.90%、27.58%、41.38%、20.69%、3.45%。

1.2主要降水機(jī)制根據(jù)沈陽探空資料統(tǒng)計(jì)分系，降水云的性質(zhì)有暖云、冷云、混合云，其中暖云降水占總降水云的19.6%，純冷云降水占總降水云的16.3%，混合云降水占總降水云的64.1%。暖云云頂最大高度不超過4 000 m,而0 ℃層的平均高度為4 179 m；純冷云的0、-10、-20和-30 ℃層的平均高度分別為4 187、5 297、7 303和9 080 m；混合云的0、-10、-20和-30 ℃層的平均高度分別為3 859、5 440、7 169和9 640 m。

通過上述分析，沈陽8月下旬和9月上旬期間降水天氣較為復(fù)雜，既有冷云、混合云又有暖云，這3種不同類型的降水云在全運(yùn)會(huì)開閉幕式日均有出現(xiàn)的可能性，因此消減雨工作就要在不同系統(tǒng)來向方向上布設(shè)相應(yīng)的消減雨作業(yè)設(shè)備，對(duì)不同降水性質(zhì)的降水云系采用不同的催化工具、催化劑種類和催化作業(yè)方式。

1.3全運(yùn)會(huì)開、閉幕式日降水分析遼寧省沈陽市8月下旬和9月上旬出現(xiàn)降水概率相對(duì)于汛期少了一些，此時(shí)汛期剛剛結(jié)束，有些年份汛期尚未結(jié)束，連續(xù)大到暴雨可能性會(huì)減少，但強(qiáng)對(duì)流、局地陣性降雨等災(zāi)害性天氣仍易多發(fā)。根據(jù)沈陽歷史31年逐日降水量資料分析，開、閉幕式當(dāng)日降水概率分別是32.60%和22.58%，開閉幕式降水概率較高，可能會(huì)出現(xiàn)中雨、小雨和微量降水(表1)。一般而言，對(duì)于小雨和微量降水實(shí)施人工消減雨作業(yè)能夠取得較好的效果；而中雨以開展人工消減雨作業(yè)有可能減小降水強(qiáng)度，完全消除有一定困難。

圖1 沈陽500 hPa各降水天氣系統(tǒng)所占的比例(a)及其各天氣系統(tǒng)來向示意圖(b)

表1 開、閉幕式當(dāng)日降水概率統(tǒng)計(jì) %

2 人工消減雨技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1作業(yè)防線設(shè)計(jì)根據(jù)歷史氣象資料分析得出影響全運(yùn)會(huì)開幕式主會(huì)場(chǎng)降水系統(tǒng)的路徑，在系統(tǒng)的來路徑上布設(shè)消減雨火箭作業(yè)點(diǎn)和飛機(jī)消減雨作業(yè)區(qū)，其中火箭作業(yè)點(diǎn)間距按15 km左右布設(shè)。再綜合考慮天氣系統(tǒng)移速、影響范圍、火箭作業(yè)點(diǎn)布局及催化影響時(shí)間等因素，在奧體中心的上風(fēng)方設(shè)三道防線進(jìn)行人工消減雨作業(yè)。三道防線以及飛機(jī)、火箭作業(yè)防線布局如圖2所示。第1道防線在天氣系統(tǒng)距離奧體中心3～4 h距離處設(shè)置，分析得出沈陽降水云系移速為35 km/h左右，則防線距離奧體中心約90～130 km，采用適量播撒作業(yè)，使云系提前降水；第2道防線在天氣系統(tǒng)距奧體中心1.5～2.0 h(距奧體中心約50～90 km)距離處設(shè)置，針對(duì)第1道防線催化后未完全消除或局地新生的降水云系，實(shí)施過量播撒作業(yè)，抑制云和降水的發(fā)展；第3道防線在天氣系統(tǒng)距奧體中心0.5～1.0 h(距奧體中心約15～50 km)距離處設(shè)置，對(duì)前兩道防線作業(yè)后未完全消除的云系繼續(xù)實(shí)施飛機(jī)過量播撒作業(yè)，減弱或消除降水。

2.2人工消減雨作業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1設(shè)計(jì)作業(yè)方式。采用飛機(jī)和火箭聯(lián)合作業(yè)方式實(shí)施催化作業(yè)。第1道防線采用火箭作業(yè)方法，通過適量播撒催化劑，使雨盡可能降落在奧體中心50 km以外的區(qū)域；第2道防線采用火箭密集作業(yè)方式，對(duì)第1道防線未消掉的雨或局地發(fā)展的云系實(shí)施過量播撒，削弱目標(biāo)區(qū)上空云系降水的強(qiáng)度，或使其形不成降水或削弱降水；第3道防線由于距離體育場(chǎng)較近，在火箭射界內(nèi)居民點(diǎn)、建筑物密集，無法使用火箭作業(yè)，只能使用飛機(jī)進(jìn)行作業(yè)，對(duì)第2道防線還未完全消掉的雨或局地發(fā)展的云系再次實(shí)施過量播撒，削弱目標(biāo)區(qū)上空云系降水的強(qiáng)度，或使其形不成降水。

2.2.2設(shè)計(jì)催化劑的種類和用量。

2.2.2.1確定催化劑的種類。依據(jù)天氣系統(tǒng)的移向、移速、K指數(shù)、SI指數(shù)、對(duì)流有效位能等，以及實(shí)時(shí)雷達(dá)回波、雷電監(jiān)測(cè)資料、衛(wèi)星云圖分析云系穩(wěn)定度、特征溫度層-8 ℃高度確定催化劑種類?；鸺鳂I(yè)高度在-8 ℃以下使用人工冰核(如AgI)催化劑；飛機(jī)作業(yè)在-8 ℃以下使用人工冰核(如AgI)催化劑。

2.2.2.2估算催化劑用量。飛機(jī)增雨作業(yè)時(shí)一般需使冰晶濃度最低達(dá)20個(gè)/L，相應(yīng)的人工冰核播撒率為2×1014個(gè)/km；目前飛機(jī)增雨碘化銀煙條每根含碘化銀125 g，燃燒時(shí)間約25 min，因此飛機(jī)增雨時(shí)焰劑燃放速率大致為1根/130 km。根據(jù)冰核濃度達(dá)20個(gè)/L的最小播撒率要求，人工增雨時(shí)云中冰晶濃度宜為20～100個(gè)/L，則增雨焰劑的燃放速率應(yīng)是上述估算播撒量的1～5倍；飛機(jī)作業(yè)每25 min使用1～2根增雨碘化銀煙條連續(xù)播撒?；鸺鳂I(yè)每套火箭發(fā)射架每輪次作業(yè)用火箭彈4～6枚。實(shí)際作業(yè)時(shí)，可根據(jù)參考相似云系條件下歷史觀測(cè)數(shù)值及作業(yè)條件預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并根據(jù)采用的催化劑(煙條、火箭彈)類型，確定最佳播撒用量。通過對(duì)播撒效果的跟蹤分析，確定是否采用多輪次作業(yè)。以上的催化劑用量?jī)H考慮增雨作業(yè)中適量播撒的劑量，在第2、第3道防線采用人工冰核催化劑進(jìn)行過量播撒作業(yè)，催化劑播撒量應(yīng)為增雨作業(yè)用量的5～10倍。

圖2 第12屆全運(yùn)會(huì)開幕式人工消減雨作業(yè)防線(a)和地面火箭作業(yè)防線(b)布局示意圖

2.2.3設(shè)計(jì)作業(yè)方案。

2.2.3.1飛機(jī)作業(yè)方案。人影作業(yè)指揮中心依據(jù)大氣探測(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，不斷修正播撒線路和播撒劑量，并及時(shí)上傳給作業(yè)飛機(jī)。作業(yè)飛機(jī)根據(jù)指令實(shí)施催化作業(yè)，并實(shí)時(shí)將云中作業(yè)條件、衛(wèi)星定位及作業(yè)信息下傳到指揮中心。根據(jù)第1、第2道防線的作業(yè)情況和效果，組織飛機(jī)在3道防線內(nèi)進(jìn)行多架次催化作業(yè)。采用燃燒碘化銀煙條進(jìn)行飛機(jī)催化作業(yè)，作業(yè)溫度為-7～-15 ℃，相應(yīng)高度為4.4～6.5 km?？紤]到云體自身的移動(dòng)，作業(yè)航線擬采用橢圓形、平行線形、三角形、“8”字形等播撒催化劑，具體作業(yè)航線以及催化劑的播撒速率依據(jù)當(dāng)時(shí)云系特征和云層結(jié)構(gòu)確定。

2.2.3.2火箭作業(yè)方案?；鸺鳂I(yè)仰角介于55°～65°，播撒高度可達(dá)4.0～5.5 km，有效播撒長(zhǎng)度約為3.0～5.0 km，水平扇型進(jìn)行發(fā)射。具體作業(yè)參數(shù)根據(jù)實(shí)際云層條件確定，由承擔(dān)作業(yè)的市級(jí)人影部門組織實(shí)施。

2.3作業(yè)流程設(shè)計(jì)

2.3.1作業(yè)決策流程。技術(shù)專家組利用人工消減雨指揮平臺(tái)對(duì)降水天氣系統(tǒng)的綜合監(jiān)測(cè)信息、短期短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品以及消減雨作業(yè)條件預(yù)報(bào)進(jìn)行綜合分析，依據(jù)不同類型云降水性質(zhì)進(jìn)行判別，再根據(jù)不同云性質(zhì)作業(yè)指標(biāo)科學(xué)制定人工消減雨作業(yè)方案。根據(jù)選擇的作業(yè)方式，制定相應(yīng)的飛機(jī)作業(yè)方案和火箭作業(yè)方案。綜合保障組及時(shí)協(xié)調(diào)作業(yè)空域，保障飛機(jī)、火箭作業(yè)有序開展；飛機(jī)、火箭作業(yè)組在批復(fù)的時(shí)間及區(qū)域內(nèi)實(shí)施作業(yè)；技術(shù)專家組結(jié)合云降水實(shí)況，適時(shí)調(diào)整作業(yè)方案，及時(shí)收集作業(yè)信息，分析作業(yè)效果，提高作業(yè)的針對(duì)性和有效性。

2.3.2作業(yè)實(shí)施流程。

2.3.2.1監(jiān)測(cè)預(yù)警階段(開幕式前48～24 h)。第12屆全運(yùn)會(huì)氣象保障部天氣預(yù)報(bào)處每天定時(shí)向技術(shù)專家組提供作業(yè)天氣預(yù)報(bào)結(jié)果。當(dāng)預(yù)報(bào)開幕式當(dāng)日有降水系統(tǒng)影響開幕式現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，技術(shù)專家組擬定初步作業(yè)方案，確定重點(diǎn)作業(yè)分區(qū)；綜合保障組提前申報(bào)作業(yè)區(qū)域。人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室主任簽發(fā)下達(dá)作業(yè)預(yù)警指令(Ⅲ級(jí))。

2.3.2.2作業(yè)準(zhǔn)備階段(開幕式前24～12 h)。技術(shù)專家組提出作業(yè)決策意見，報(bào)人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室主任簽發(fā)下達(dá)作業(yè)準(zhǔn)備指令(Ⅱ級(jí))。作業(yè)裝備準(zhǔn)備就緒，飛機(jī)和火箭作業(yè)人員待命。

2.3.2.3作業(yè)實(shí)施階段(開幕式前12～6 h)。技術(shù)專家組提出決策意見，人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室主任簽發(fā)下達(dá)作業(yè)實(shí)施指令(Ⅰ級(jí))。技術(shù)專家組根據(jù)最新天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)結(jié)果，制定飛機(jī)和火箭作業(yè)技術(shù)方案，即飛機(jī)作業(yè)區(qū)域、催化部位、時(shí)間和航線、催化劑類型、劑量等，火箭作業(yè)站點(diǎn)、作業(yè)時(shí)間、催化部位、催化劑劑量等；飛機(jī)作業(yè)組根據(jù)技術(shù)專家組提供的作業(yè)條件判別分析結(jié)果，確定催化作業(yè)方法和催化劑用量；綜合保障組依據(jù)最新云系演變和作業(yè)條件分析，提前30 min按作業(yè)分區(qū)統(tǒng)一向空管部門提出作業(yè)空域預(yù)申請(qǐng)(作業(yè)分區(qū)、作業(yè)起止時(shí)間、射擊高度)，并向相關(guān)市級(jí)指揮中心通報(bào)具體作業(yè)分區(qū)、作業(yè)起止時(shí)間、作業(yè)用彈量、作業(yè)高度等作業(yè)參數(shù)，做好發(fā)射準(zhǔn)備；空域批復(fù)后，由省人影指揮中心向相關(guān)市分指揮中心下達(dá)作業(yè)指令，由各市組織所屬作業(yè)點(diǎn)按作業(yè)指令完成發(fā)射作業(yè)。根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要，飛機(jī)作業(yè)組和火箭作業(yè)組在批復(fù)時(shí)間及區(qū)域內(nèi)組織實(shí)施飛機(jī)多架次、火箭多輪次催化作業(yè)。

2.3.2.4效果評(píng)估階段。作業(yè)結(jié)束后，飛機(jī)、火箭作業(yè)組及時(shí)報(bào)告作業(yè)信息，技術(shù)專家組對(duì)作業(yè)效果進(jìn)行評(píng)估分析。

2.3.3作業(yè)程序啟動(dòng)。根據(jù)天氣條件和準(zhǔn)備情況啟動(dòng)作業(yè)程序，發(fā)布作業(yè)指令。作業(yè)指令分為作業(yè)預(yù)警指令(Ⅲ級(jí))、作業(yè)準(zhǔn)備指令(Ⅱ級(jí))、作業(yè)實(shí)施指令(Ⅰ級(jí))和作業(yè)解除指令。

3 人工消減雨技術(shù)實(shí)施困難和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

人工消減雨是一項(xiàng)跨地區(qū)、跨部門的系統(tǒng)性工程，在實(shí)際操作中，空域保障、防線布局、協(xié)調(diào)指揮等多個(gè)方面均可能會(huì)存在不同程度的不確定性。一旦出現(xiàn)這些方面的不利因素，均可能導(dǎo)致人工消減雨無法落實(shí)到位，嚴(yán)重時(shí)甚至存在失敗的風(fēng)險(xiǎn)。全運(yùn)會(huì)開、閉幕式人工消減雨存在以下困難和風(fēng)險(xiǎn)，需引起重視和研究解決。

3.1技術(shù)水平限制人工消(減)雨作業(yè)仍處于試驗(yàn)階段，就目前的技術(shù)而言，僅限于對(duì)平均降水量在10 mm 以下的層狀云、層狀混合云、較弱積云等在適當(dāng)時(shí)機(jī)予以催化，使云體提前、延緩或無法產(chǎn)生降水甚至使其消散，但對(duì)大尺度降水系統(tǒng)或強(qiáng)降水系統(tǒng)則難以取得令人滿意的效果。歷年統(tǒng)計(jì)沈陽8、9月份仍有系統(tǒng)性降水發(fā)生的可能，極有可能出現(xiàn)較強(qiáng)降水而無法消除的情況。

3.2空域保障難度非常大無論是飛機(jī)作業(yè)還是火箭作業(yè)均需要空域保障。遼寧的沈陽市是東北飛機(jī)航線的樞紐，空中航線非常密集，空軍基地較多，飛機(jī)演練頻繁，民航航線復(fù)雜，桃仙國(guó)際機(jī)場(chǎng)進(jìn)出港航班頻繁，安排大范圍作業(yè)空域?qū)嵤┫麥p雨難度非常大，可能會(huì)出現(xiàn)因無法獲得空域而導(dǎo)致無法實(shí)施作業(yè)的情況。

3.3作業(yè)防線布局難以達(dá)到理想狀態(tài)3道防線所在的區(qū)域均是人口密集區(qū)，特別是人工消減雨的第3道防線距奧體中心僅15～50 km，居民點(diǎn)、建筑物密集、空域復(fù)雜，基于公共安全考慮，這些區(qū)域設(shè)置的火箭作業(yè)點(diǎn)存在巨大的火箭作業(yè)安全隱患，實(shí)際作業(yè)中火箭無法作業(yè)，最終可能直接導(dǎo)致消減雨作業(yè)的失敗。

3.4存在突發(fā)與意外事故風(fēng)險(xiǎn)在目前的技術(shù)條件下，實(shí)施人工影響天氣作業(yè)尚無法保證絕對(duì)安全，如火箭彈故障發(fā)生爆炸或砸到地面敏感物體、人員，以及飛機(jī)發(fā)生意外墜落，這些均可能造成生命財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響，給工作帶來極大的被動(dòng)。

4 小結(jié)

在實(shí)施消減雨過程中應(yīng)盡可能借鑒和應(yīng)用國(guó)內(nèi)外人工消減雨成功的經(jīng)驗(yàn)，但由于遼寧省東西兩側(cè)為山地、丘陵，中部為長(zhǎng)方形遼河平原，全運(yùn)會(huì)開閉幕式在遼河平原中東部的奧體中心舉行，西或西北來的系統(tǒng)越過西部山地、丘陵后，途經(jīng)中部遼河平原上大量的自然濕地和人工濕地，天氣系統(tǒng)得到水汽的補(bǔ)充，為天氣系統(tǒng)抬升過程提供了充足的水汽，降水天氣系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，為第12屆全運(yùn)會(huì)開閉幕式人工消減雨工作帶來了較大的困難；同樣南部或西南來的系統(tǒng)也會(huì)如此。此外，東北地區(qū)特有的中高緯度天氣氣候特點(diǎn)，尤其是對(duì)東北冷渦等天氣過程實(shí)施人工消減雨作業(yè)尚未有先例，因此開展消減雨工作做好前期的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，如進(jìn)行東北地區(qū)不同天氣類型的前期消減雨試驗(yàn)，分析消減雨效果，探索消減雨技術(shù)方法，建立具有當(dāng)?shù)靥厣娜斯は麥p雨應(yīng)急服務(wù)指揮系統(tǒng)，設(shè)計(jì)科學(xué)的作業(yè)防線和完備的作業(yè)方案，采用高性能作業(yè)工具，開展人工消減雨演練，協(xié)調(diào)各相關(guān)因素，密切配合，只有這樣才有可能在實(shí)戰(zhàn)中達(dá)到預(yù)期的效果。

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