基于云體催化適宜度的火箭作業(yè)決策矩陣

高建秋，陳榮，陳炳洪，肖偉生，陸立凡，蘇俞先，鐘晨

（1.廣東省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東廣州 510641；2.廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430）

開發(fā)利用空中云水資源，增加自然降水，是目前減緩旱情的一種有效手段。國內(nèi)外實(shí)踐證明，在適宜的條件下，在云體的適當(dāng)部位進(jìn)行有科學(xué)指導(dǎo)的人工催化作業(yè)，是能夠增加降雨或減少冰雹災(zāi)害的［1］。把握準(zhǔn)確的作業(yè)時(shí)間、準(zhǔn)確的作業(yè)部位、準(zhǔn)確的作業(yè)劑量對火箭人工播云作業(yè)取得良好效果具有決定性作用，只有準(zhǔn)確掌握了云系發(fā)展和演變的實(shí)況特征與規(guī)律，才能科學(xué)的做出作業(yè)決策。目前，廣東全省組網(wǎng)的多普勒天氣雷達(dá)的探測產(chǎn)品［2］是氣象常規(guī)業(yè)務(wù)中對云系實(shí)況最精細(xì)的反映，回波強(qiáng)弱能夠判斷作業(yè)云體發(fā)展情況；回波的網(wǎng)格數(shù)量能夠判斷作業(yè)云體面積；回波頂高能夠反映作業(yè)云體發(fā)展高度；雷達(dá)回波追蹤算法能夠追蹤云體移動(dòng)的速度和方向［3］。國內(nèi)很多學(xué)者一直致力于雷達(dá)資料在人工影響天氣作業(yè)指揮中的應(yīng)用研究，游積平等［4］基于XML技術(shù)構(gòu)建的廣東省人工增雨指揮系統(tǒng)在2013年已開始將平面雷達(dá)資料用于作業(yè)指揮；孫琪［5］針對雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)延時(shí)的問題改為利用TITAN外推路徑進(jìn)行作業(yè)預(yù)警，減少了預(yù)警的漏報(bào)；吳汪毅等［6］建立了2～8 km高度強(qiáng)度場雷達(dá)拼圖，并根據(jù)火箭彈道軌跡方程，計(jì)算火箭人工增雨作業(yè)的仰角、方位角和用彈量；劉志等［7］將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于增雨作業(yè)目標(biāo)云的自動(dòng)識(shí)別中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了人工增雨指令實(shí)時(shí)計(jì)算軟件；陳林等［8］在本站X波段數(shù)字化天氣雷達(dá)原有程序里增加距離、仰角、方位角、用彈量測算等作業(yè)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)高炮、火箭與雷達(dá)計(jì)算作業(yè)參數(shù)同步；楊立洪等［9］利用雷達(dá)資料量化了人工增雨作業(yè)參數(shù)。在以往的研究中采取的方式多是將目標(biāo)云作為一個(gè)整體的作業(yè)對象，沒有再進(jìn)行更精細(xì)的區(qū)分。基于當(dāng)前計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，本研究首先利用一系列指標(biāo)要素來選取適合的作業(yè)云體，再對目標(biāo)云體進(jìn)行精細(xì)的分析，建立了定量云體催化適宜度的計(jì)算方法。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用

1.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用

獲取廣東省多普勒天氣雷達(dá)資料，解出各條徑向上的探測數(shù)據(jù)，經(jīng)過七點(diǎn)中值法質(zhì)量控制后，利用CAPPI等高面插值算法，將全省雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)，插值出0.5～10 km高度的基本反射率、組合反射率、云頂高度和垂直液態(tài)含水量等擴(kuò)展精細(xì)化格點(diǎn)產(chǎn)品。產(chǎn)品分辨率為0.01×0.01經(jīng)緯度，網(wǎng)格范圍為108.5°E－119°E，18.2°N－27°N。生成的各種雷達(dá)產(chǎn)品統(tǒng)一采用高度、時(shí)效、經(jīng)度和緯度的NetCDF四維空間結(jié)構(gòu)文件保存，以｛產(chǎn)品名｝／｛日期｝／｛時(shí)間｝.nc進(jìn)行命名。

1.2 火箭作業(yè)點(diǎn)及相關(guān)探空站、自動(dòng)站數(shù)據(jù)應(yīng)用

采用XML文件在WebGIS系統(tǒng)上配置火箭作業(yè)點(diǎn)基本信息，包括作業(yè)點(diǎn)編碼、名稱、經(jīng)緯度、海拔高度、安全設(shè)界范圍以及10 km范圍內(nèi)對應(yīng)的多普勒雷達(dá)產(chǎn)品格點(diǎn)行列號(hào)。為了確定火箭有效催化高度需要知道作業(yè)當(dāng)天的關(guān)鍵溫度層的高度，為每個(gè)火箭作業(yè)點(diǎn)配置距離最近的探空站編碼（只有1個(gè)）。為確定作業(yè)時(shí)的風(fēng)向和風(fēng)速情況，為每個(gè)火箭作業(yè)點(diǎn)設(shè)置關(guān)聯(lián)的區(qū)域自動(dòng)站編碼（可以有多個(gè)）。

1.3 火箭運(yùn)行軌跡參數(shù)應(yīng)用

廣東省人工影響天氣業(yè)務(wù)使用的火箭發(fā)射裝置是WR-98型火箭，表1給出了WR-98型火箭發(fā)射裝置安全發(fā)射仰角的彈道曲線關(guān)鍵參數(shù)，火箭運(yùn)行軌跡隨仰角不同，火箭攜帶催化劑起始播撒點(diǎn)位置、高度，彈道最高點(diǎn)位置、高度，終止播撒點(diǎn)位置、高度以及理論落點(diǎn)位置都會(huì)隨之發(fā)生改變［10］。

表1 WR-98型火箭彈道曲線參數(shù)

1.4 風(fēng)對火箭運(yùn)行的影響參數(shù)應(yīng)用

計(jì)算作業(yè)方案必須考慮風(fēng)的影響。由于火箭主動(dòng)段時(shí)間是0～2.5 s，這期間速度可以加速到約800 m／s，因此播撒路線受高層的風(fēng)速影響很小，主要是受初始階段的地面風(fēng)速影響［10］。2.5 s之后靠火箭的慣性繼續(xù)上升，播撒是在第7秒開始，播撒時(shí)間是7～40 s。由于WR-98型火箭尾翼的作用使得火箭順風(fēng)發(fā)射會(huì)引起火箭抬頭，因此仰角應(yīng)該往小調(diào)整相應(yīng)角度。火箭逆風(fēng)發(fā)射會(huì)引起火箭低頭，因此仰角應(yīng)該往大調(diào)整相應(yīng)角度。橫測風(fēng)的修正要向風(fēng)前進(jìn)方向增加修正角度?；鸺骘L(fēng)發(fā)射會(huì)引起火箭低頭，因此仰角應(yīng)該往大調(diào)整相應(yīng)角度。橫測風(fēng)的修正要向風(fēng)前進(jìn)方向增加修正角度。具體修正的角度參考廠家給出的理論計(jì)算參數(shù)。

2 定量云體催化適宜度計(jì)算原理與方法

人工影響天氣作業(yè)實(shí)施的對象是云體，火箭播撒的催化劑具有嚴(yán)格的有效使用標(biāo)準(zhǔn)，因此必須判斷有效催化空間。有效催化空間的判定不但與火箭的軌跡有關(guān)，還與高空溫度分布有關(guān)，用距離火箭作業(yè)點(diǎn)最近的探空站當(dāng)日最新一次探空資料在垂直層上差值來判定－5和－20℃層的高度。根據(jù)WR-98型火箭彈道表所給的幾個(gè)重要參數(shù)可以描述不同仰角下發(fā)射的火箭在空中運(yùn)行的基本軌跡特征，表1中起始播撒點(diǎn)位置、彈道最高點(diǎn)位置、終止播撒點(diǎn)位置都是相對于發(fā)射平面的距離，計(jì)算海拔高度要加上作業(yè)點(diǎn)的基礎(chǔ)海拔高度。有效催化云體是由方位角、－5℃層高度、－20℃層高度、起始播撒點(diǎn)位置，彈道最高點(diǎn)海拔高度、終止播撒點(diǎn)位置等值界定的環(huán)形體空間內(nèi)的云塊。垂直方向上有效催化環(huán)形體范圍的下限截面高度是－5℃層高度與起始播撒點(diǎn)高度兩者之中的高值；上限截面高度是－20℃層高度和彈道最高點(diǎn)兩者之中的低值；環(huán)形體的半徑是終止播撒點(diǎn)位置和起始播撒點(diǎn)位置的差、環(huán)形體的角度是22.5°。圖1是火箭發(fā)射仰角為60°時(shí)的有效催化云體示意圖。

圖1 火箭發(fā)射仰角為60°時(shí)的有效催化云體示意圖

有效催化云體內(nèi)雷達(dá)反射率因子的強(qiáng)弱能夠表征構(gòu)成云體的降水粒子分布的情況，雷達(dá)網(wǎng)格產(chǎn)品水平分辨率為0.01×0.01經(jīng)緯度，垂直分辨率0.5～6 km每隔0.5 km一個(gè)高度層，6～14 km每隔1 km一個(gè)高度層。在有效催化范圍內(nèi)，各垂直層分布的云體網(wǎng)格雷達(dá)反射率因子z值之和設(shè)為a，，a是評價(jià)有效催化云體基礎(chǔ)條件的表征值，是判斷作業(yè)決策“優(yōu)劣”的最重要因素。

火箭軌跡與云體移動(dòng)方向的夾角決定了火箭的播撒軌跡產(chǎn)生的催化劑線源是否能得到最有效的擴(kuò)散。云體移動(dòng)方向由雷達(dá)回波追蹤算法得到，火箭軌跡的方位在忽略風(fēng)向影響的前提下與方位角重合。方位角與云體移動(dòng)方向的夾角設(shè)為b，b越趨近直角，催化影響的有效范圍越大，因此這個(gè)夾角是判斷作業(yè)決策“優(yōu)劣”的另一個(gè)重要因素。

a、b都對催化效果有影響，但是影響的權(quán)重比例不同，設(shè)要素a的影響權(quán)重占70%，要素b的影響權(quán)重占30%，要素a與要素b共同作用形成決定云體催化適宜度的量化值S，S＝a×0.7＋a×｜sin b｜×0.3，對各作業(yè)方案的S值進(jìn)行排序，排序前20% 為“優(yōu)”，排序20% ～40%為“良”，其余為“差”。

3 算法運(yùn)行邏輯

3.1 選定滿足作業(yè)條件的云體

算法每隔6 min根據(jù)實(shí)時(shí)雷達(dá)資料對全省所有作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)條件的判斷，滿足條件的就進(jìn)行決策矩陣的計(jì)算。圖2是算法運(yùn)行的邏輯示意圖。

圖2 算法運(yùn)行邏輯示意圖

火箭作業(yè)點(diǎn)周圍10 km范圍內(nèi)必須同時(shí)滿足指標(biāo)要素庫中的所有條件才適合開展利用碘化銀作為催化劑的火箭人工增雨作業(yè)，因此，要對指標(biāo)要素庫中的所有條件依次進(jìn)行判斷，任一個(gè)條件不滿足，算法都會(huì)終止。本研究目前建立的火箭人工增雨作業(yè)實(shí)施條件指標(biāo)要素庫包含6個(gè)條件，具體如下，指標(biāo)要素庫可根據(jù)不同的作業(yè)目的進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

（1）未來24 h降水量介于5～50 mm；

（2）10 dBz＜回波強(qiáng)度＜40 dBz（用1、3、5 km雷達(dá)回波判斷，各層都要滿足）；

（3）滿足條件的回波面積＞20 km2（用5 km雷達(dá)回波判斷。目前多普勒雷達(dá)的網(wǎng)格分辨率約為1 km×1 km，計(jì)算面積時(shí)，可直接按照每格點(diǎn)1 km2來代替）；

（4）回波頂高＞6 km（隨季節(jié)調(diào)整）的面積和＞10 km2的面積；

（5）負(fù)溫層厚度＞1 km；

（溫層厚度＝中心回波頂高－當(dāng)天的零度層高度；零度層高度＝當(dāng)天臨近探空站臨近時(shí)次的探測值，中心回波頂高即10 km范圍內(nèi)回波頂高最大值）

（6）地面風(fēng)速＜15 m／s。

3.2 生成基于云體催化適宜度的人影火箭作業(yè)決策矩陣

廣東省安全作業(yè)規(guī)范規(guī)定火箭作業(yè)發(fā)射仰角范圍為60°～70°，每個(gè)作業(yè)點(diǎn)的安全射界范圍不一樣，采用索引號(hào)來編碼，可根據(jù)索引號(hào)從XML文件中得到對應(yīng)描述。依次精細(xì)到22.5°一個(gè)分區(qū)的不同仰角和方位角計(jì)算云體催化適宜度S，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)由仰角和方位角組成的決策矩陣，如圖3所示，即按照安全作業(yè)仰角60°～70°范圍，每隔2°進(jìn)行1輪、共進(jìn)行6輪安全射界范圍內(nèi)的云團(tuán)立體掃描，依據(jù)算法計(jì)算每一個(gè)小云塊的催化適宜度，從而識(shí)別出降水云體最有效的催化部位。

火箭作業(yè)決策矩陣每一個(gè)扇形格子，都對應(yīng)一個(gè)火箭作業(yè)方案，按照云體催化適宜度的排序，系統(tǒng)標(biāo)注作業(yè)方案的屬性，綠色表示“優(yōu)”，黃色表示“良”，紅色表示“差”，黑色表示“禁止”。根據(jù)WR-98火箭導(dǎo)彈表、探空數(shù)據(jù)、雷達(dá)網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成火箭運(yùn)行模擬軌跡示意圖和作業(yè)方案參數(shù)如圖4所示。

圖3 人影火箭作業(yè)決策矩陣

圖4 火箭運(yùn)行模擬軌跡示意圖及作業(yè)方案參數(shù)

作業(yè)方案中關(guān)于發(fā)射仰角和發(fā)射方位角的修正值根據(jù)作業(yè)點(diǎn)臨近自動(dòng)站的風(fēng)速監(jiān)測值和火箭產(chǎn)品風(fēng)速影響修正表查得，由于地面風(fēng)切變較大，無法準(zhǔn)確判斷作業(yè)點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)向，因此交給現(xiàn)場作業(yè)指揮員來判斷更為準(zhǔn)確，系統(tǒng)只輸出修正角度，不輸出修正方向。目前氣象業(yè)務(wù)中仍缺乏對云中冰核濃度、過冷水含量等的實(shí)時(shí)觀測手段，因此參考用彈量仍是經(jīng)驗(yàn)值，尚無法做到定量化計(jì)算。

4 結(jié)論

1）地面人影作業(yè)技術(shù)是指在對作業(yè)目標(biāo)云體充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上借助火箭載體將催化劑送入云中適宜位置影響云體降水的過程，是氣象技術(shù)與火箭、催化劑等工程技術(shù)的集合應(yīng)用。雷達(dá)是目前能夠?qū)υ企w特征實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測的最有效觀測手段。由雷達(dá)產(chǎn)品衍生出的系列短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)品為業(yè)務(wù)部門加強(qiáng)對作業(yè)云體的認(rèn)識(shí)和監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。

2）利用廣東省高時(shí)空分辨率的立體網(wǎng)格多普勒雷達(dá)拼圖產(chǎn)品、雨量智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品、實(shí)時(shí)探空資料、自動(dòng)站實(shí)時(shí)監(jiān)測資料聯(lián)合建立了廣東人工增雨作業(yè)實(shí)施指標(biāo)要素庫，包含6個(gè)指標(biāo)。利用這些指標(biāo)對作業(yè)點(diǎn)周邊10 km云系進(jìn)行條件判斷，發(fā)現(xiàn)滿足條件的云體，即進(jìn)入分析計(jì)算云體立體探測數(shù)據(jù)階段。

3）依據(jù)定量云體催化適宜度算法識(shí)別出降水云體最有效催化部位，對應(yīng)得到針對最有效催化部位的火箭發(fā)射仰角和方位角。地面風(fēng)速會(huì)影響火箭的軌跡，應(yīng)當(dāng)對風(fēng)速的影響加以修正，根據(jù)作業(yè)點(diǎn)周邊實(shí)時(shí)地面監(jiān)測站的風(fēng)速值，算法智能輸出火箭發(fā)射的修正偏角。

4）基于定量云體催化適宜度建立的火箭作業(yè)決策矩陣對提高人影作業(yè)條件識(shí)別率，提升作業(yè)實(shí)施精準(zhǔn)率可以起到技術(shù)支撐作用。