海南熱帶云人工影響天氣作業(yè)系統(tǒng)

■ 黃彥彬 葉彩榮 敖杰 李光偉

海南省針對本地?zé)釒У貐^(qū)特色，建立了一套具有本地特色、現(xiàn)代化和集約化的海南省人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Web設(shè)計，功能集約，提供人影模式等數(shù)據(jù)預(yù)處理、云分析產(chǎn)品的分析顯示、云風(fēng)暴實時追蹤、人影作業(yè)效果評估等功能，實現(xiàn)了人影彈藥物聯(lián)網(wǎng)全流程管理，并提供手機(jī)App給作業(yè)點作業(yè)人員提供作業(yè)預(yù)警、空域申請、資料上傳等服務(wù)，實現(xiàn)了省級制作、市縣、作業(yè)點應(yīng)用的聯(lián)動。

海南省屬熱帶季風(fēng)氣候，干旱災(zāi)害是該區(qū)域僅次于臺風(fēng)的最主要的自然災(zāi)害之一，多年通過人工影響天氣（簡稱“人影”）作業(yè)來緩解旱情。通過本系統(tǒng)建設(shè)，海南省實現(xiàn)了人影業(yè)務(wù)指揮上下互通，人工影響天氣作業(yè)指揮、管理和業(yè)務(wù)科學(xué)化、現(xiàn)代化和集約化水平進(jìn)一步提高。

1 海南省人工影響天氣主要需求和作業(yè)手段

1.1 主要作業(yè)需求

海南省地處熱帶，年平均降雨量為1639 mm，地形復(fù)雜，四周低、中間高，地區(qū)降水分布不均衡，中部、東部、東北部多雨，年降水最多的瓊中縣超過2300 mm；西部及西南部少雨，西部的東方市不到900 mm，形成區(qū)域性缺水。此外，時間分布也不均勻，有明顯的多雨季和少雨季特點。每年的5—10月是多雨季，總降雨量達(dá)1500 mm左右，占全年總降雨量的70%～90%。每年11月—次年4月為少雨季，僅占全年降雨量的10%～30%，形成季節(jié)性缺水，冬春連旱較頻繁，尤其西南部沿海帶是突出的歷史性干旱區(qū)，夏秋季由于降水變率大且空間分布不均，在降水較少的年份和地區(qū)也會發(fā)生干旱，因此干旱是海南省四季均可發(fā)生的、影響范圍最廣的災(zāi)害性天氣

旱災(zāi)是海南省僅次于風(fēng)災(zāi)的氣象災(zāi)害，旱季一般出現(xiàn)在每個年度的11月—次年5月，有的年份可延長到8月。每年的3—6月，由于連續(xù)幾個月的干旱，又逢高溫天氣、蒸發(fā)旺盛之時，河流水量達(dá)到最低點，海南省的各個大、中、小水庫的水位也是在最低點上，水電站瀕臨無水發(fā)電的困境，橡膠、水稻、甘蔗等經(jīng)濟(jì)作物也正處于最需要水的時候。因此每年的3—6月需要通過人工增雨的手段增加降水量、緩解旱情，有些年份由于干旱蔓延，人工增雨作業(yè)往往延長到7—10月甚至全年。

1.2 作業(yè)手段

海南省人工增雨作業(yè)的主要對象為熱帶積雨云和積層混合云，作業(yè)季節(jié)基本沒有大范圍的層狀云系適合飛機(jī)播云作業(yè)，因此海南省主要作業(yè)手段為地面作業(yè)裝備，包括火箭和煙爐。

火箭作業(yè)設(shè)備主要采用“BL-1A”型火箭，該型火箭系統(tǒng)具有GPS自動定位、自動調(diào)整發(fā)射方位仰角等功能，還可以視頻監(jiān)控火箭作業(yè)、自動上傳作業(yè)參數(shù)。根據(jù)海南省熱帶降水云以對流云和積層混合云為主的特點，設(shè)置流動作業(yè)點，將皮卡車作為移動平臺，根據(jù)云的發(fā)展演變情況隨時調(diào)整作業(yè)位置，機(jī)動靈活。該型火箭可根據(jù)云的性質(zhì)發(fā)射冷云和暖云火箭彈，根據(jù)統(tǒng)計，海南省火箭人工增雨作業(yè)可相對增加雨量24%左右。

近年來，在海南中部山區(qū)和水庫水源地還安裝了暖云人工增雨地面催化發(fā)生器（簡稱地面煙爐），播撒的人工增雨催化劑為吸濕性焰劑，作業(yè)方法是在暖云、暖底對流云和混合性對流云的云底上升氣流區(qū)域播撒大的或巨型的吸濕性粒子，當(dāng)這些粒子進(jìn)入云中后，通過水汽凝結(jié)增長，優(yōu)先形成更大的云滴，與其它小云滴碰撞后，形成雨滴、凍滴或冰雹，最后降落到地面。

煙爐人工增雨作業(yè)解決了山區(qū)交通不便、申報空域困難等問題，中西部五指山區(qū)受地形抬升影響，暖性降水云資源豐富，增雨效果明顯，黃彥彬等通過5年的隨機(jī)化人工增雨效果外場試驗，分析了昌江、五指山煙爐的增雨效果，可以相對增加降水量11.4%左右。

2 熱帶人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

海南自主開發(fā)建立起一套與氣象信息系統(tǒng)、預(yù)報預(yù)測系統(tǒng)有機(jī)銜接、統(tǒng)一集約的省級人影指揮系統(tǒng)（含手機(jī)App），移植開發(fā)運(yùn)用國家級CPAS核心功能，實現(xiàn)省級—市縣級（作業(yè)點）全省人影業(yè)務(wù)上下互通、功能互補(bǔ)、規(guī)范集約（圖1），子系統(tǒng)分別有資料信息采集、綜合處理分析與指揮、數(shù)據(jù)存儲管理以及共享與指令發(fā)布（含手機(jī)App）等功能。實現(xiàn)對衛(wèi)星、雷達(dá)、探空、自動站、雨滴譜、閃電定位等監(jiān)測數(shù)據(jù)及MICAPS、SWAN等分析產(chǎn)品的綜合處理顯示，具有作業(yè)裝備數(shù)據(jù)上傳、作業(yè)指揮自動化、作業(yè)效果評估和安全監(jiān)控等功能。

圖1 業(yè)務(wù)系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)核心功能

根據(jù)中國氣象局五段式人影業(yè)務(wù)流程規(guī)范，利用中國氣象局下傳的人影模式、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作作業(yè)條件預(yù)報、過程預(yù)報產(chǎn)品并發(fā)布，指導(dǎo)作業(yè)。

在大范圍天氣系統(tǒng)背景影響下，制作的潛力落區(qū)與實際作業(yè)區(qū)吻合度較高，但對于午后生成的局部熱帶對流云系的吻合度較低，潛力落區(qū)及作業(yè)預(yù)案合理性比率2017年為85.19%、2018年為87.09%。

根據(jù)云降水宏微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)分析、衛(wèi)星云特征參量、探空云分析、省氣象臺的短臨預(yù)報和災(zāi)害性天氣預(yù)警，雷達(dá)實時監(jiān)測產(chǎn)品，地面自動站實況以及雨滴譜實測資料，利用TITAN風(fēng)暴識別追蹤技術(shù)外推算法，當(dāng)雷達(dá)監(jiān)測目標(biāo)云系回波強(qiáng)度≥20 dBz、云頂高度≥5000 m時，制作并滾動訂正作業(yè)條件監(jiān)測預(yù)警和作業(yè)方案，并向?qū)嵤┳鳂I(yè)人員的手機(jī)app上推送（圖略）：預(yù)警時效為未來0～2 h，發(fā)布時間為作業(yè)前3～0 h，可實現(xiàn)每1 h滾動訂正發(fā)布。

2016年海南初步建立了五段業(yè)務(wù)指導(dǎo)產(chǎn)品，2017年進(jìn)行業(yè)務(wù)化試運(yùn)行，2018年實現(xiàn)業(yè)務(wù)化正式運(yùn)行。2017年1月—2018年6月15日，海南共作業(yè)78次，作業(yè)前3～0 h 發(fā)布地面作業(yè)方案設(shè)計報，預(yù)警時效為未來3 h，共發(fā)布50期，占作業(yè)次數(shù)的 64.1%，覆蓋了所有作業(yè)時段。

作業(yè)期間，省指揮中心利用實時雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及TITAN風(fēng)暴識別追蹤技術(shù)外推算法，對目標(biāo)云系進(jìn)行雷達(dá)回波垂直剖面特征層分析，測算各作業(yè)點作業(yè)參數(shù)，匯總并訂正成作業(yè)指令后向地面作業(yè)人員手機(jī)App實時、準(zhǔn)確發(fā)布；利用空域申報系統(tǒng)及時申請作業(yè)空域；利用手機(jī)App交互功能實時收集作業(yè)信息并上報。地面作業(yè)人員根據(jù)手機(jī)App接收到的作業(yè)指令和空域批復(fù)回復(fù)結(jié)果，安全、迅速開展作業(yè)；利用手機(jī)app交互功能實時上報作業(yè)信息。手機(jī)App極大提高了我省人影地面作業(yè)效率、作業(yè)安全水平。

2.3 作業(yè)效果評估

我國業(yè)務(wù)化的人工影響天氣作業(yè)效果檢驗主要包括：一是基于地面降水量的統(tǒng)計檢驗技術(shù)方法；二是基于天氣雷達(dá)探測資料的物理檢驗技術(shù)方法?；诘孛娼邓康慕y(tǒng)計檢驗技術(shù)方法，即采用作業(yè)影響區(qū)和對比區(qū)的降水量相關(guān)關(guān)系估算作業(yè)期間作業(yè)影響區(qū)的自然降水量，主要用于對某一時段內(nèi)的累積作業(yè)樣本進(jìn)行作業(yè)效果的檢驗；而基于天氣雷達(dá)探測資料的物理檢驗技術(shù)方法，通過對作業(yè)前、作業(yè)后作業(yè)云體單元和對比云體單元的雷達(dá)回波物理參量的時間序列進(jìn)行對比分析得到催化作業(yè)的物理證據(jù)，主要適用于單次作業(yè)過程的效果檢驗。

2.3.1 統(tǒng)計檢驗

業(yè)務(wù)化的人工增雨統(tǒng)計效果評估系統(tǒng)受制于現(xiàn)有效果評估技術(shù)的限制，主要采用：1）固定增雨率法：孤立對流云單次作業(yè)后的效果評估的業(yè)務(wù)需求，由于海南很多孤立對流云作業(yè)無法找到合適的對比云系，國內(nèi)外目前尚沒有成熟的孤立對流云單次作業(yè)評估方法，因此本系統(tǒng)采用國內(nèi)有名的古田對流云人工增雨隨機(jī)化效果檢驗的結(jié)果，取固定的相對增雨率等于23.8%，設(shè)定固定的增雨率計算本次作業(yè)的增雨量，增水量、直接經(jīng)濟(jì)效益等，待以后進(jìn)一步的科學(xué)研究得到相對客觀科學(xué)的海南省人工增雨效果評估方法再對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。2）直接對比法：系統(tǒng)后臺對作業(yè)期間的對流云進(jìn)行自動對比篩選，找出相似度最高的對比云，根據(jù)作業(yè)云的影響區(qū)域和作業(yè)云的影響區(qū)域的平均雨量計算增雨量、增雨效率、增水量等。3）區(qū)域歷史回歸法：按照不同天氣類型，建立全省歷史回歸方程，計算得出每個回歸方程及顯著度。作業(yè)后，自動選取一個相關(guān)顯著度最好的區(qū)域作為對比區(qū)域。根據(jù)對比區(qū)和影響區(qū)自動雨量站的實際雨量，來計算增雨量，主要用階段性旬、月和長時間序列業(yè)務(wù)型人工增雨作業(yè)效果的評估。最后將效果評估過程涉及的影響區(qū)、對比區(qū)、評估結(jié)果以及作業(yè)信息等一并保存，推送到專用數(shù)據(jù)庫。

2.3.2 物理檢驗

崔丹等、黃彥彬等根據(jù)熱帶云系的自然降水形成原理和降水特征，利用雷達(dá)資料總結(jié)了海南人工增雨物理檢驗方法。海南省人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展了物理檢驗方法，移植開發(fā)了TITAN風(fēng)暴識別追蹤技術(shù)，自動定位火箭和煙爐作業(yè)的影響云，系統(tǒng)根據(jù)相似度原則自動匹配對比云，對影響云-對比云的雷達(dá)產(chǎn)品物理量（最大強(qiáng)度、平均強(qiáng)度、強(qiáng)回波高度、回波頂高、液態(tài)水含量VIL、強(qiáng)中心位置、垂直強(qiáng)中心強(qiáng)度、垂直強(qiáng)中心高度、45 dBz回波頂高、不同強(qiáng)度等級面積等參量）自動繪制作業(yè)前后時間變化曲線；若對比云條件不滿足，則對作業(yè)前后的雷達(dá)產(chǎn)品物理量進(jìn)行對比分析，判斷播云催化后導(dǎo)致的宏觀動力效應(yīng)和微觀物理響應(yīng)的直接效果，依據(jù)制定相應(yīng)閾值指標(biāo)的對比，檢驗人工影響是否顯著改變這些指標(biāo)。以圖表形式給出作業(yè)云和對比云變化特征的對比結(jié)果，手工添加部分作業(yè)過程的描述和對比分析文字后就可以快速生成業(yè)務(wù)化的對流云人工增雨物理效果檢驗word文檔產(chǎn)品報告。

黃彥彬等利用系統(tǒng)對2015—2018年昌江縣霸王嶺人工增雨煙爐隨機(jī)化物理效果外場試驗進(jìn)行了檢驗，結(jié)果顯示：處于增長階段的積雨云，人工催化后積云組合反射率、液態(tài)水含量、回波頂高與未催化樣本相比出現(xiàn)明顯差異，催化樣本人工催化后普遍組合反射率增強(qiáng)、含水量增大、回波頂高升高；而相對于減弱階段的積云，多數(shù)催化樣本人工催化后出現(xiàn)回波減弱趨勢減緩。

2.4 手機(jī)app

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式），由指揮系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、app服務(wù)系統(tǒng)以及App四部分組成。指揮系統(tǒng)使用GIS技術(shù)顯示作業(yè)地區(qū)的地理信息，實時顯示氣象局內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的雷達(dá)圖等資料，為作業(yè)指揮人員的決策提供數(shù)據(jù)支持。指揮人員確定作業(yè)區(qū)域和時間后，軟件自動為相關(guān)火箭作業(yè)點生成詳細(xì)作業(yè)參數(shù)，并將作業(yè)指令通過App服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送給一線作業(yè)人員。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時從氣象內(nèi)網(wǎng)獲取雷達(dá)、探空、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時處理監(jiān)測，當(dāng)存在天氣過程時候，自動生成預(yù)警指令信息，通過App服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送給作業(yè)人員。

系統(tǒng)由指揮系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、App服務(wù)系統(tǒng)以及App四部分組成。指揮系統(tǒng)安裝在氣象局人工影響天氣部門的計算機(jī)上，使用GIS技術(shù)在屏幕上直觀地顯示作業(yè)區(qū)域地圖和作業(yè)點分布位置，通過氣象內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)獲取最新雷達(dá)資料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并在地圖上疊加圖層顯示。指揮人員對實時氣象資料進(jìn)行分析后在地圖上選擇作業(yè)點，輸入包括方位角、仰角和用彈量在內(nèi)的作業(yè)指令。待指揮中心向空域管理部門申請空域批復(fù)后，指揮系統(tǒng)將作業(yè)指令發(fā)送到App服務(wù)系統(tǒng)。App服務(wù)系統(tǒng)安裝在具有獨立公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器上，負(fù)責(zé)維護(hù)指揮中心和作業(yè)點之間的連接，接收來自指揮中心的作業(yè)指令并將其轉(zhuǎn)發(fā)到各個作業(yè)點配備的指令接收機(jī)。

作業(yè)指令接收程序安裝在各作業(yè)點配備的智能手機(jī)上。指令接收程序通過無線GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到指令中轉(zhuǎn)服務(wù)器，即時獲得作業(yè)信息并顯示在手機(jī)屏幕上。一線作業(yè)人員根據(jù)收到的參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，然后將實際操作情況反饋回指揮系統(tǒng)。最后指揮中心將實際作業(yè)情況存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以便后續(xù)資料分析和處理。

3 小結(jié)

1）基于熱帶云系人工影響天氣實際構(gòu)建了業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為海南省人工影響天氣作業(yè)提供了發(fā)揮了關(guān)鍵業(yè)務(wù)支撐作用，系統(tǒng)界面友好，操作簡單和快捷，在2015—2018年中國氣象局“人工影響天氣現(xiàn)代化三年行動計劃”實施過程中全面提高了海南省人工影響天氣現(xiàn)代化水平。

2）系統(tǒng)設(shè)計集約，提供人影模式等數(shù)據(jù)預(yù)處理、云分析產(chǎn)品的分析顯示、風(fēng)暴云實時追蹤、人影作業(yè)效果評估等功能；從流程上能實現(xiàn)省級制作、市縣應(yīng)用的兩級聯(lián)動，對提高海南省人影業(yè)務(wù)的科學(xué)性、高效性具有重要意義。

3）手機(jī)app的交互功能自動實時采集各作業(yè)點的作業(yè)信息并在作業(yè)結(jié)束后即時存至省級人影指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，實現(xiàn)了作業(yè)后作業(yè)信息的即時上報，提高了人影作業(yè)信息的上報時效；彈藥安全管理系統(tǒng)實現(xiàn)了火箭彈從產(chǎn)品出廠到運(yùn)輸、倉儲、轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射等全流程跟蹤管理，全面提高了安全監(jiān)管水平。

4）通過人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)，建立并完善了人影五段實時業(yè)務(wù)流程，通過五段實時業(yè)務(wù)指導(dǎo)產(chǎn)品的制作發(fā)布，迅速改變了以往地面人影作業(yè)盲目性大和作業(yè)方式簡單、粗放、隨意、低效等問題，從五段業(yè)務(wù)內(nèi)容的完整性、產(chǎn)品發(fā)布的實時性和作業(yè)指揮的合理性等方面加強(qiáng)要求，省級指揮人員與地面作業(yè)人員的業(yè)務(wù)銜接更為流暢、產(chǎn)品指導(dǎo)性更強(qiáng)、指揮準(zhǔn)確性更高、作業(yè)時效性更好，五段實時業(yè)務(wù)指導(dǎo)產(chǎn)品的科技內(nèi)涵得以顯著提升。

5）系統(tǒng)作業(yè)指揮、效果評估的核心為TITAN系統(tǒng)的移植、開發(fā)和本地化處理，利用TITAN風(fēng)暴追蹤技術(shù)，可以快速識別作業(yè)云-對比云，自動計算作業(yè)云和對比云的相似度，根據(jù)相似度選擇兩者對比的雷達(dá)參數(shù)，在一定程度上消除了人為主觀判斷的誤差，提高效果檢驗的科學(xué)性。但由于對流云發(fā)展演變過程中云的并合、分裂導(dǎo)致TITAN追蹤失敗出現(xiàn)bug，系統(tǒng)仍需要進(jìn)一步優(yōu)化和不斷改進(jìn)。

深入閱讀

Tessendorf S A, Bruintjes R T, Weeks C, et al, 2012. The Queensland cloud seeding research program. Bulletin of the American Meteorological Society, 93(1): 75-90.

曾光平, 吳明林, 林長城, 等, 1993. 古田水庫人工降雨效果的綜合評價. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 4(2): 154-161.

崔丹, 黃彥彬, 肖輝, 等. 2012. 多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)在海南省人工增雨效果評估中的應(yīng)用. 大氣科學(xué)學(xué)報, 35(1): 87-94.

黃彥彬, 李天富, 李春鸞, 等. 2006. 2004年春夏季海南火箭人工增雨效果檢驗. 廣東氣象, 28(1): 50-53.

黃彥彬, 毛志遠(yuǎn), 邢峰華, 等, 2019. 海南島西部山區(qū)人工催化暖底積云隨機(jī)化效果檢驗, 氣象科技, 47(3): 487-495.

賈爍, 姚展予, 2016. 江淮對流云人工增雨作業(yè)效果檢驗個例分析.氣象, 42(2): 238-245.

王婉, 石玉恒, 李宏宇, 等, 2014. 對流云人工增雨效果檢驗技術(shù)方法及應(yīng)用. 氣象科技, 42(6): 1131-1136.

周毓荃, 潘留杰, 張亞萍, 2009. TITAN系統(tǒng)的移植開發(fā)及個例應(yīng)用,大氣科學(xué)學(xué)報, 32(6): 752-764.