基于局地預(yù)警雷達(dá)的縣級(jí)人影作業(yè)指揮模式*

陳 林，劉維芳，曾 勇

(1.貴州省威寧縣氣象局，貴州 威寧 553100;2.貴州省冰雹防控技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550081)

1 引言

我國人工影響天氣始于1958年，經(jīng)過近60 a的發(fā)展，在監(jiān)測(cè)、預(yù)警、指揮、數(shù)值模式及作業(yè)技術(shù)等方面取得了顯著的效果，但因?yàn)閰^(qū)域發(fā)展不平衡，縣級(jí)人工影響天氣作業(yè)指揮并沒有形成規(guī)范化、集約化的業(yè)務(wù)模式，國內(nèi)許多省(市、區(qū))曾進(jìn)行過積極探索，取得了一些階段性成果，卻限于歷史原因，沒有開展全國性的示范推廣[1-3]。天氣雷達(dá)是探測(cè)冰雹云的一種極為有效的的工具，在冰雹云發(fā)生演變過程中表現(xiàn)出不同的回波特征。國內(nèi)專家學(xué)者針對(duì)不同類型天氣雷達(dá)冰雹云特征進(jìn)行了分析研究，建立了基于天氣雷達(dá)的冰雹云監(jiān)測(cè)預(yù)警、人工防雹作業(yè)指揮指標(biāo)體系[4-6]。因氣候環(huán)境與地形地貌特征差異，不同區(qū)域背景下冰雹氣候具有不同特征。建立本地化人工影響天氣作業(yè)指標(biāo)體系，構(gòu)建科學(xué)合理的人影作業(yè)指揮模式是目前亟需解決的問題。威寧縣位于貴州省西部烏蒙山腹地，面積6 296.3 km2，平均海拔2 200 m，是云貴高原的東延部分，具有典型的高原臺(tái)升地形特點(diǎn)。由于海拔高，地形復(fù)雜，省內(nèi)CINRAD/CD雷達(dá)無法掃描所轄區(qū)域，唯有云南昭通CINRAD/CC雷達(dá)能夠全范圍覆蓋。同時(shí)，科學(xué)、高效人影作業(yè)指揮也是過去威寧縣人影作業(yè)工作中所存在的問題。為了解決上述問題，研制了高效、快捷、科學(xué)的人工影響天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警、實(shí)時(shí)作業(yè)指揮系統(tǒng)，對(duì)提高科學(xué)指揮水平，降低冰雹災(zāi)害帶來的損失有著重要的意義。

本文從威寧縣長期人影作業(yè)過程中存在問題著手，以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，從雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警、作業(yè)參數(shù)測(cè)算、作業(yè)指令下達(dá)等方面介紹了基于局地預(yù)警雷達(dá)的縣級(jí)人影作業(yè)指揮模式，為其它地區(qū)人影作業(yè)提供參考。

2 問題分析

2.1 雷達(dá)覆蓋范圍存在大量盲區(qū)

威寧縣雖然屬于畢節(jié)市轄區(qū)，但是由于畢節(jié)雷達(dá)站位于畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)，海拔1 500 m左右，威寧位于畢節(jié)西部，受境內(nèi)白草坪至梅花山山脈影響，雷達(dá)覆蓋范圍只能觀測(cè)到威寧縣35鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的2個(gè)，其余33個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)處在觀測(cè)盲區(qū)，給強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警帶來不便(見圖1)。

(a)畢節(jié) (b)昭通圖1 2018年6月28日17時(shí)22分雷達(dá)圖Fig.1 Radar map at 17∶22 on June 28, 2018

2.2 傳統(tǒng)人影指揮作業(yè)的問題

人影作業(yè)指揮涉及監(jiān)測(cè)預(yù)警、空域時(shí)間申請(qǐng)、作業(yè)參數(shù)指令下達(dá)等方面，其核心仍然是作業(yè)“三適當(dāng)”，即適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)時(shí)機(jī)、適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)部位、適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)劑量。然而，傳統(tǒng)的人影指揮作業(yè)在監(jiān)測(cè)預(yù)警、科學(xué)作業(yè)等方面存在問題。主要表現(xiàn)在：監(jiān)測(cè)預(yù)警存在主觀性強(qiáng)，沒有建立本地化冰雹云雷達(dá)識(shí)別指標(biāo)體系，沒有客觀科學(xué)判斷對(duì)流云是雷雨云還是冰雹云，由此帶來盲目指揮；空域時(shí)間主要以電話告知方式，申請(qǐng)延時(shí)性強(qiáng)，延誤作業(yè)時(shí)機(jī)；沒有結(jié)合本地雷達(dá)回波特征建立科學(xué)合理的冰雹云催化劑量、作業(yè)參數(shù)計(jì)算方法，造成盲目作業(yè)。所以，傳統(tǒng)的人影作業(yè)指揮存在指揮盲目性、作業(yè)盲目性兩大問題，造成作業(yè)效果不明顯或無作業(yè)效果。

2.3 人工影響天氣通信調(diào)度與炮站視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控問題

自1993年開展人影工作以來，通信一直是難題，從最初的15 w單邊帶電臺(tái)發(fā)展到后來的甚高頻電臺(tái)，使用近20 a的時(shí)間，受地形、大風(fēng)等天氣影響，通信質(zhì)量較差，尤其雷擊安全隱患較大，嚴(yán)重影響作業(yè)指令的完整傳輸以及作業(yè)信息的及時(shí)反饋。同時(shí)，過去因通信困難，無法建立炮站視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)人員是否按照操作規(guī)程、作業(yè)指令作業(yè)，對(duì)作業(yè)過程安全性不能把控。

2.4 局地預(yù)警雷達(dá)的局限性

本文中所指的局地預(yù)警雷達(dá)是中國氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都信息工程大學(xué))設(shè)計(jì)生產(chǎn)的WXR-MD-10型X波段多普勒天氣雷達(dá)，工作頻率9 410±50 MHz，最大探測(cè)距離200 km，天線直徑2 m，波束寬度≤1.25°，整機(jī)功耗約0.3 kW。2011年7月在貴州省威寧彝族回族苗族自治縣氣象局投入到人工增雨防雹業(yè)務(wù)工作中，由于X波段局地預(yù)警雷達(dá)有它的局限性，電磁波的衰減嚴(yán)重影響了強(qiáng)度資料的應(yīng)用，衰減作用會(huì)沿著徑向方向逐漸積累，在強(qiáng)對(duì)流單體后存在明顯的衰減，有的甚至是S波段的100倍以上[7]，當(dāng)雷達(dá)的前方有較強(qiáng)的回波遮擋，就無法觀測(cè)到后方的回波。觀測(cè)預(yù)警受到限制。

3 解決方案

3.1 構(gòu)建區(qū)域聯(lián)防機(jī)制，解決新一代天氣雷達(dá)盲區(qū)

昭通市新一代天氣雷達(dá)站位于威寧西北側(cè)，相距威寧縣城不到70 km，且在威寧天氣系統(tǒng)上游，可以覆蓋威寧所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)，無論天氣系統(tǒng)在云南宣威、會(huì)澤還是昭通生成，在西風(fēng)氣流引導(dǎo)下，都要向威寧方向移動(dòng)發(fā)展。采用雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)，昭通CINRAD/CC雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描終端通過Internet網(wǎng)絡(luò)推送到威寧人影作業(yè)指揮平臺(tái)，并在終端軟件上添加威寧37個(gè)作業(yè)點(diǎn)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警更加精準(zhǔn)(見圖2)。

3.2 升級(jí)X波段數(shù)字化天氣雷達(dá)指揮平臺(tái)，解決科學(xué)化指揮的問題

增補(bǔ)局地預(yù)警雷達(dá)，解決作業(yè)指揮時(shí)效問題。以本站天氣雷達(dá)為中心，天氣雷達(dá)的觀測(cè)最大半徑距離為半徑建立天氣雷達(dá)的方位和距離的空間坐標(biāo)系統(tǒng)。在同一界面上實(shí)現(xiàn)PPI與RHI交互式操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮控制增雨防雹固定作業(yè)點(diǎn)的高炮或火箭的功能。

3.2.1 局地預(yù)警雷達(dá) 在以本站天氣雷達(dá)為中心方位和距離的空間坐標(biāo)系統(tǒng)底圖上，通過輸入野外增雨防雹作業(yè)炮站的經(jīng)度、緯度后就能在天氣雷達(dá)底圖上顯示“﹢”，“﹢”表示高炮火箭所在實(shí)際坐標(biāo)位置，當(dāng)炮站的高炮、火箭連接到互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)，本站天氣雷達(dá)底圖上的“﹢” 坐標(biāo)點(diǎn)閃爍，表示高炮(火箭)通過互聯(lián)網(wǎng)與雷達(dá)建立了通信連系(見圖2a)。

3.2.2 PPI與RHI掃描 當(dāng)昭通雷達(dá)掃描在威寧境內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)回波時(shí)，根據(jù)威寧冰雹云新一代天氣雷達(dá)指標(biāo)，發(fā)出冰雹預(yù)警，局地預(yù)警雷達(dá)轉(zhuǎn)入PPI掃描，見圖2b?；夭ㄖ行膹?qiáng)度達(dá)到30 dBz時(shí)，將進(jìn)入垂直剖面(RHI)掃描，見圖2。在雷達(dá)控制終端中寫入高空0 ℃層高度、-20 ℃層高度，在RHI圖上以紅色直線標(biāo)注，直觀反應(yīng)回波結(jié)構(gòu)形態(tài)及發(fā)展高度。人影指揮員點(diǎn)擊云頂高度，再點(diǎn)擊0～-20 ℃層高度之間的強(qiáng)回波中心，系統(tǒng)根據(jù)已建催化劑量計(jì)算模型自動(dòng)計(jì)算用彈量，用彈量自動(dòng)錄入到作業(yè)參數(shù)計(jì)算和指揮界面。

(a)PPI (b)RHI圖2 主界面Fig.2 Main interface

在垂直剖面(RHI)掃描結(jié)束，回波中心強(qiáng)度達(dá)到30 dBz且超過-20 ℃層高度時(shí)，作為冰雹預(yù)警指標(biāo)線。鼠標(biāo)點(diǎn)擊云頂高度，再點(diǎn)擊0～-20 ℃層高度強(qiáng)回波中心，獲取用彈量后返回PPI掃描界面，人影指揮員用鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)流云回波強(qiáng)中心，在強(qiáng)回波中心建立以1 km為半徑，共6 km的等圓坐標(biāo)系，即人影作業(yè)射擊諸元。在回波強(qiáng)中心點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，人影作業(yè)射擊諸元根據(jù)高炮或火箭的彈道自動(dòng)計(jì)算炮站作業(yè)方式、作業(yè)方位、作業(yè)仰角參數(shù)自動(dòng)錄入到作業(yè)參數(shù)計(jì)算和指揮界面(圖3)。

圖3 作業(yè)參數(shù)計(jì)算和指揮界面Fig.3 Operating parameters calculation and command interface

3.2.3 作業(yè)參數(shù)測(cè)算和作業(yè)指令生成 天氣雷達(dá)獲取的信息無論是一個(gè)炮站還是多個(gè)炮站附近有強(qiáng)對(duì)流回波，只要在強(qiáng)對(duì)流回波中心點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵就能生成某某炮站、用高炮還是火箭作業(yè)、方位角、仰角、用彈量等作業(yè)信息。作業(yè)信息都會(huì)依次顯示在作業(yè)參數(shù)計(jì)算和指揮界面上，只要該炮站的自動(dòng)化高炮或火箭與指揮中心雷達(dá)通信連接正常。作業(yè)參數(shù)計(jì)算和指揮界面上的每個(gè)作業(yè)參數(shù)欄后面有一個(gè)可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊的“作業(yè)” 按鈕，人影指揮員用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該按鈕，天氣雷達(dá)將設(shè)定的作業(yè)參數(shù)通過光纖傳輸下發(fā)到高炮或火箭室內(nèi)操作控制臺(tái)，作業(yè)信息同時(shí)發(fā)送到自動(dòng)化高炮或火箭架。待自動(dòng)化高炮或火箭找到作業(yè)方位、仰角確定無誤后，人影指揮中心下達(dá)發(fā)射命令、人影作業(yè)民兵在室內(nèi)操控平臺(tái)上按下發(fā)射點(diǎn)火按鍵，完成一次人影作業(yè)，等待二次作業(yè)命令。1 min內(nèi)可以完成10個(gè)炮站作業(yè)指揮，大大提高了防雹作業(yè)指揮效益，改變?nèi)擞肮ぷ?0余年以來盲目作業(yè)的歷史。

3.3 建立人工影響天氣可視化通信調(diào)度系統(tǒng)

威寧在人工影響天氣通信中使用天翼通信調(diào)度平臺(tái)及終端，把37個(gè)炮站組群進(jìn)行指揮調(diào)度，一呼百應(yīng)、一按即通，無屏蔽和盲區(qū)；在37個(gè)炮站接入光纖，安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在進(jìn)行人工增雨、防雹等地面作業(yè)時(shí)，可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)建立作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心之間的信息通道，將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)周圍的環(huán)境、作業(yè)方位、作業(yè)時(shí)機(jī)及天氣狀況的實(shí)時(shí)信號(hào)及時(shí)上傳到指揮中心，為指揮中心的作業(yè)決策提供實(shí)時(shí)科學(xué)依據(jù)。

3.4 大雷達(dá)預(yù)警，小雷達(dá)指揮

構(gòu)建以本局小雷達(dá)及新一代多普勒雷達(dá)為支撐的縣級(jí)人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)。X波段局地小雷達(dá)有他的局限性，當(dāng)雷達(dá)的前方有較強(qiáng)的回波遮擋，就無法觀測(cè)到后面的回波,觀測(cè)預(yù)警受到限制。而新一代多普勒雷達(dá)恰好作為補(bǔ)充觀測(cè)預(yù)警，這樣達(dá)到大雷達(dá)預(yù)警、小雷達(dá)作為目標(biāo)跟蹤觀測(cè)指揮,解決縣級(jí)人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)的最大問題。建立了“大雷達(dá)預(yù)警 小雷達(dá)指揮”的防雹增雨指揮模式，在人工防雹過程中，確定目標(biāo)、計(jì)算參數(shù)、準(zhǔn)確定位、精確打擊、集中播撒在防雹業(yè)務(wù)中是第一位的，大雷達(dá)受到觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)定，解決不了上屬問題，而小雷達(dá)有著操控方便，響應(yīng)速度快，探測(cè)范圍廣的特點(diǎn)，可以提供平面(PPI)掃描、垂直剖面(RHI)掃描、雹云至炮站的距離測(cè)量等功能，通過實(shí)時(shí)平掃、高掃，測(cè)距等方法獲取冰雹云的回波參數(shù)，找準(zhǔn)作業(yè)時(shí)機(jī)、作業(yè)部位和用彈量，為人工影響天氣作業(yè)提供可靠依據(jù)，在防雹作業(yè)指揮中起著非常重要的作用，解決催化劑播撒目標(biāo)區(qū)的不確定性問題。

4 小結(jié)

根據(jù)威寧縣氣象局在人影作業(yè)中遇到的實(shí)際問題為導(dǎo)向，解決并設(shè)計(jì)了基于本站局地預(yù)警雷達(dá)的縣級(jí)人影作業(yè)指揮系統(tǒng)。經(jīng)過近3 a的驗(yàn)證，利用昆明外區(qū)空域自動(dòng)化申報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空域申請(qǐng)，利用多普勒天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)資料開展人影輔助指揮及預(yù)警，同時(shí)建立本站X波段數(shù)字化天氣雷達(dá)，在原有程序里寫入距離、仰角、方位角、用彈量測(cè)算作業(yè)參數(shù)，并將作業(yè)參數(shù)通過光纖傳輸?shù)阶鳂I(yè)點(diǎn)的信息化操作平臺(tái)上，作業(yè)人員只需在操作平臺(tái)上操作發(fā)射按鈕，高炮、火箭實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)化發(fā)射，達(dá)到雷達(dá)判別的指標(biāo)與高炮、火箭作業(yè)的指標(biāo)一致，人影指揮中心利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控炮站在空域時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效及時(shí)的作業(yè)，建立了“大雷達(dá)預(yù)警、小雷達(dá)指揮”的防雹(增雨)指揮模式，解決了高炮、火箭與雷達(dá)同步，實(shí)現(xiàn)一鍵操作、準(zhǔn)確定位、定點(diǎn)播撒的防雹(增雨)作業(yè)，同時(shí)大大減少了作業(yè)人員操作安全及避免了誤將雷雨云當(dāng)作冰雹云作業(yè)等問題，減少了炮彈的損失和浪費(fèi)，大大提高了防雹作業(yè)的綜合效果。系統(tǒng)在高原山區(qū)具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。